Investigation and modelling magnetite ballast characteristics on floc development for scaled-up ballasted flocculation

Abstract

가중응집침전 (BF)은 최근 기후변화로 인해 지표수자원에 과도하게 발생하는 콜로이드 및 부유물질에 대응하고 산업 하∙폐수 처리와 정수처리의 전처리의 응집∙침전 단계를 폭 넓게 대체할 수 있는 유망한 고도정수처리 기술이다. 최근 20년간 가중응집제 소재와 설계를 개선하여 표면부하율과 처리수량을 달성하기 위한 집중적인 연구가 이루어졌다. 현재의 응집∙침전단계 에서 바로 BF시설로 대체하는 경우 비효율적인 소비재 및 에너지의 소모가 발생하게 되며, 미세오염물질의 제거 성능이 낮아지게 된다. 또한, 응집된 플록의 침강속도는 침전구역 내에서 HRT 및 유출수 배출에서 가장 중요한 설계 인자이다. BF플록은 플록 내부 구조의 고체 (가중응집제) 및 다공성입자 (응집된 고형물)의 구성으로 인해 여러 다양한 속성을 나타내며, 이로 인해 유체 내 BF플록과 기존 응집∙침전 공정의 플록은 다른 거동 양상을 보인다. 그러므로 유체에서 BF플록의 거동 및 침전 패턴을 조사하고 모델링하는 것은 BF 시설의 적용을 위해 중요한 요소이다. 이 논문은 BF 시설에서 응집 현상과 침전 경향에 대한 포괄적인 통찰을 제공한다. 또한 가중응집제의 주입용량과 BF플록의 속도구배를 최적화 조건을 제시하였다. 최적화된 속도구배를 적용한 BF 시설의 운영조건은 고형물 체류시간 (HRT)을 상당히 감소시키며, 공정의 부지면적을 조밀하게 축소시켜 에너지 사용량 절감을 비롯한 여러 경제적 이득을 통해 최첨단의 BF 시설을 제공한다. 또한 실험적 관측을 통한 BF플록의 침전속도 예측 모델링 역시 BF 시설의 효율을 향상시키기 위해 제안되었다. 2 장에서는 가중응집침전에서 적용된 속도구배 (G-value)와 가중응집제 비중 사이의 상호 작용에 대한 연구를 다루었다. 높은 비중 (SG: 2.9-5.57) 의 가중응집제를 적용 하였을 때, 다양한 속도 구배에서 적용된 표면 농도 (SC : 0.005m2L-1-0.02m2L-1)가 BF플록 형성에 미치는 영향을 조사하였다. 기존 연구에서 채택된 속도 구배 (G-value: 750s-1-1250s-1) 범위에서 Static mixer를 사용하여 BF 실험을 수행하였고 응집된 플록의 특성은 CCD (charge-coupled-device) 카메라를 사용하여 분석하였다. 기존에 BF 연구에서 적용된 속도구배(G-value: 150s-1-300s-1)에서는 혼합 중 고밀도의 가중응집제로 인한 부적절한 현탁액이 발생하여 효율적인 플록 형성에 불충분 한 것으로 나타났다. 이로 인해 더 많은 가중응집제 주입량에도 불구하고 탁도 제거율 (<40 %) 및 미성숙한 플록의 침강속도 저하 (<25mh-1)가 발생했다. 그러나 높은 비중 (SG:5.57)의 가중응집제와 상응하는 최적화된 G값 (1250s-1)을 적용한 결과, 30초의 급속 침전 간격을 보여주였고 더 적은 가중응집제 주입량에서 99.5%의 탁도 제거율을 달성했으며, 최대 표면 침강 속도 (105mh-1)를 기록하는 급속 침전이 CCD 카메라분석에서 관찰되었다. 따라서 고밀도 가중응집제의 적절한 주입량과 상응하는 G-값의 적절한 최적화는 미세 오염 물질의 신속한 제거와 높은 표면 부하 및 효율적인 약품 및 에너지 소비량 절감을 이어지며, 이는 짧은 HRT, 부지 축소 및 고탁도 유입수를 처리할 수 있는 능력을 갖춘 효율적인 BF 설계로 적용될 수 있다. 3 장에서는 BF 시설에서 사용된 가중응집제와 부유 고형물 사이에 응집되며 플록이 형성되는 단계에서 가중응집제의 표면 전하 특성이 가지는 역할을 설명하였다. 사용된 가중응집제의 표면 전하 변화 가능성을 조사하여 플록 성장 도중 응집제 및 가중응집제 삽입을 향상시키는 것을 목적으로, 다양한 표면 전하 (-37.8mV ~ + 33.6mV)와 동등한 비중 (SG : 5.09)을 가진 가중응집제가 해당 연구에서 사용되었다. 이 연구는 Static mixer를 사용하여 수행되었으며, BF플록의 특성 (입도 및 침강 속도)은 CCD카메라로 분석되었다. 이미지 분석에서 가중응집제 표면 전하에 따라 가중응집제 입자와 부유 고형물사이에 인력과 척력이 응집 단계에서 작용하는 것으로 나타났다. 이는 유입수 특성에 맞는 적절한 가중응집제 선택 과 가중응집제 주입량 조절을 통해 해결 가능하며, 가중응집제 전하 특성 (SC: +1.23)에서 99%의 탁도 제거 및 빠른 침강속도를 달성하였다. CCD 카메라를 사용한 실시간 속도 관측결과 응집된 플록의 표면 침강 속도 (102.4mh-1)을 나타내는 빠른 정화를 확인했다. 따라서 이 연구는 유입수 특성에 해당하는 적절한 가중응집제 선택과 표면 전하 특성 및 적용된 가중응집제 농도의 최적화가 미세 오염 물질의 신속한 제거와 효율적인 가중응집제 소비로 불러오며 급속 침전으로 이어질 수 있다고 결론지었다. 이는 더 짧은 고형물 체류 시간, 콤팩트 한 소요 부지 면적, 고탁도 유입수에서 고품질의 유출수를 생성할 수 있는 능력으로 효율적인 처리 시설 설계로 이어질 수 있다. 4 장에서는 유체 유동 (Reynolds 수 반영: Re)에서 혼성 BF플록의 흐름이 BF 침전 성능에 미치는 영향을 조사했다. 이전 연구들은 직접 관찰하기에는 복잡한 현상인 침강하는 입자의 속도에 의존하는 Re를 주로 참조했다. 이 연구에서 실험적 Re 모델은 항력 계수 및 안정된 플록의 침강 속도 (BF 시설에서 가장 중요한 설계 매개 변수)의 모델링으로 확장된 침강 플록의 속도와 독립적으로 개발되었다. BF플록의 뚜렷한 침전 현상을 실시간으로 관찰하기 위해 이미지 분석 방법이 채택되었으며, 회귀 분석을 적용하여 안정된 플록의 침강 속도와 무관한 경험적 Re 모델을 설정했다. 제안된 Re 모델은 통계적으로 평가되었으며 실험적인 Re 관찰에 85 % 일치하는 효과가 있는 것으로 나타났다. 개발된 Re 모델은 BF플록의 항력 계수 (Cd) 결정을 위해 확장되었으며 불규칙한 모양의 입자를 연구하기 위해 최근 개발된 경험적 Cd-Re 모델 (과 비교하여 Cd (76 % 일치)를 정확하게 예측할 수 있었다. 따라서 개발된 모델은 Re를 결정하는데 성공적으로 채택될 수 있으며 Cd의 정밀한 결정으로 확장될 수 있다. 이는 BF 처리 공정의 효과적인 설계로 이어질 수 있다. 5 장에서는 이미지 분석 방법을 채택하여 수행된 개별 플록의 침강 속도에 대한 실시간 관찰과 비교하여 기존 침강 속도 모델을 평가했다. 모델은 가중응집제 충격이 없기 때문에 과소 평가되고 실시간 속도 관측에 해당하는 회귀 분석을 사용하여 수정되었다. 기존 상관 관계를 기반으로 수정된 속도 모델은 BF플록의 침강 속도 변화를 부정확하게 예측했다. 따라서 우리는 BF플록의 침강 속도를 정확하게 예측하기 위해 수정된 Tambo 및 Watanabe 모델로 널리 사용되는 Stokes의 법칙을 확장하는 모델을 제안했다. 통계 분석 (70 % 정확도)은 제안된 모델이 BF플록의 침강 속도를 예측하는 데 가장 적합한 접근 방식임을 보여주며, 이는 BF 시설의 효과적인 설계로 이어질 수 있다. |Ballasted flocculation is an advanced clarification process capable to treat exceed of colloidal and suspended particles in natural water resources caused by climate change. This technology offers a solution to challenges of growing demand of water supply and deterioration of surface water resources due to climate action. Industrial utilization of BF technology can be widespread due to its capability to replace conventional coagulation systems and pretreatment technology in drinking water facilities. Intensive efforts have been made in last two decades to refine material and design criteria in ballasted flocculation technology to achieve superficial sedimentation and high effluent discharge. However, the designing of ballasted flocculation systems at footsteps of conventional coagulation facilities are resulting in poor micropollutants removal with inefficient material and energy consumption. Moreover, the settling velocity of aggregated flocs is the most important design parameter in BF facilities driving the HRT and effluent discharge in sedimentation section. The ballasted flocs exhibit hybrid properties due to solid (ballast) and porous (coagulated suspended particles) fractions of internal structure. Therefore, the transition of ballasted flocs in fluid medium exhibits different phenomenon compared to conventional flocs. Therefore, it is also imperative to investigate and model the transition and settling pattern of ballasted flocs in fluid medium. This dissertation provides comprehensive insight about floc aggregation phenomenon and settling trend of aggregates in ballasted flocculation. Moreover, recommendations are provided to optimize the applied ballast concentration and applied velocity gradient customized to ballast type. The precise optimization of velocity gradient corresponding to applied ballast can result in significantly shorter hydraulic retention time (HRT), compact system footprints, and efficient material and energy consumption leading to a state-of-the-art BF facility. The settling velocity prediction model is also proposed in this dissertation based on experimental observations of superficial settling ballasted flocs leading to efficient designing of advanced BF facilities. Chapter 2 of this dissertation investigated the concealed interaction between applied velocity gradient(G-value) and ballast specific-gravity (SG) in ballasted flocculation (BF). The objective was to unravel the participation of applied surface-concentration (SC:0.005m2L-1-0.02m2L-1) of high specific-gravity ballasts (SG:2.9-5.57) in BF aggregation phenomenon at varied velocity gradients (G-value:750s-1-1250s-1). Static mixer was used to perform the BF experiments, and aggregated flocs were characterized using charge-coupled-device (CCD) camera. The results revealed that conventionally adopted velocity gradient(G-value:150s-1-300s-1) in BF studies was insufficient for efficient floc development due to inadequate suspension of denser ballasts during mixing. This resulted in poor turbidity removal (< 40%) and immature slow settling flocs (< 25mh-1) despite higher ballast consumption. However, appropriate optimization of G value(1250s-1) corresponding to high specific-gravity ballast (SG:5.57) resulted in 99.5% turbidity removal (residual turbidity:1NTU) achieved in a shorter settling interval of 30s consuming significantly less ballast concentration. This expeditious settling phenomenon was also evident in CCD-camera observations of the ballasted flocs achieving superficial settling velocity(105mh-1). Therefore, it was concluded that appropriate optimization of the G-value corresponding to the pertinent concentration of denser ballasts can exhibit rapid elimination of micropollutants, and superficial sedimentation with efficient material and energy use. This can lead to efficient BF design with a short HRT, compact footprint, and ability to handle highly turbid influent. Chapter 3 of this dissertation unfolds the concealed role of surface charge characteristics of employed ballasts at suspended solids interaction with employed ballasts during floc formation in ballasted flocculation (BF). The purpose was to investigate possibilities in surface charge modulation of employed ballasts leading to enhanced aggregation and ballast embedment during floc growth. The ballasts with varied surface charge (-37.8mV to +33.6mV) and equivalent specific gravity (SG: 5.09) were employed in BF process in this study. This Ballasted flocculation study was conducted using a static mixer device in this study, and characteristics of ballasted flocs (size and settling velocity of aggregates) were analyzed by charge coupled device camera. These image analysis investigations revealed that ballast particles and suspended solids experience attractions and repulsions during aggregation subject to ballast surface charge. However, appropriate ballast selection (surface charge characteristics) corresponding to influent characteristics, and optimization of applied ballast concentration (2gL-1) corresponding to ballast surface charge characteristics (SC: +1.23) resulted in 99% clarification (1 NTU residual turbidity) accomplished in a quick settling interval (30s) with efficient consumption of applied ballasts compared to previous studies. The real-time velocity observations (using CCD camera) also confirmed this rapid clarification exhibiting superficial sedimentation (102.4mh-1) of the aggregated flocs. Therefore, this study concluded that appropriate ballast selection and optimalization of applied ballast concentration corresponding to surface charge characteristics and influent properties can lead to rapid clarification of micropollutants, and instantaneous sedimentation with efficient ballast consumption. This can lead to efficient treatment facility design with shorter hydraulic retention time, compact space requirements, and capability to produce high quality effluent discharge from highly turbid influent. Chapter 4 of this dissertation investigated the transition of hybrid natured ballasted flocs in fluid medium (reflected by Reynolds number: Re) and its implications at settling performance of ballasted flocculation. Previous studies exhibited Re dependent on velocity of falling particles, which is a complex phenomenon to observe directly. In this study, an empirical Re model was developed independent of the velocity of settling flocs extended to the modelling of drag coefficient and settling velocity of ballasted flocs (most important design parameters in BF facilities). An image analysis method was adopted for real time observations of the distinct settling phenomenon of ballasted flocs. The regression analysis was then applied to establish an empirical Re model independent of settling velocity of ballasted flocs. The proposed Re model was statistically evaluated and found effective with 85% agreement to experimental Re observations. The developed Re model was extended for drag coefficient (Cd) determination of ballasted flocs and was capable of precisely predicting Cd (76% agreement) in comparison with the recently developed empirical Cd - Re models (developed for studying irregularly shaped particles). Therefore, the developed model can be successfully adopted to determine the Re and can be extended to precise determination of Cd. This can lead to effective designing of ballasted flocculation treatment facilities. In Chapter 5 of this dissertation, the existing settling velocity models were evaluated compared to real-time observations of the settling velocity of individual floc conducted by adopting an image analysis method. The models were found underestimated due to absence of ballast impact and modified using regression analysis corresponding to real-time velocity observations. The modified velocity models based on existing correlations insufficiently predicted the settling velocity variations of ballasted flocs. Therefore, we proposed a model that extends the widely used Stokes' law with the modified Tambo and Watanabe model to precisely predict the settling velocity of ballasted flocs. Statistical analyses (70% correlation) illustrated that the proposed model is the most suitable approach for predicting the settling velocity of ballasted flocs. This can lead to effective designing of ballasted flocculation treatment facility