기술 · Bubble Collapse
기포 폭발 원리와 수처리 활용
기포 폭발은 기포가 수면에서 터지거나(자발적 붕괴) 초음파로 물속에서 합체·수축할 때(인공 붕괴) 생기는 강한 유체역학적 힘으로 세균을 사멸시키는 현상입니다. 기포가 34 ㎛급으로 작을수록 전단응력이 커지고, 양전하 기포를 쓰면 세균 부착이 늘어 살균 효율이 높아집니다. 28 kHz 초음파 2초 조사로 34.2 ㎛ 기포 약 359개가 243 ㎛로 합체하는 것이 측정되었습니다.
- 시험 기포 크기700 nm 이하 ~ 71.3 ㎛
- 기포 부피 농도(BVC)0.034 ~ 0.099
- 시험 균주5종
- 초음파 조건28 kHz · 60 W
- 연구 기반서울대 건설환경공학부
기포가 수면에서 터지는 과정
수면에 도달한 기포는 얇은 액막을 만들고, 이 막이 파열되면서 가장자리에 림(rim)이 생기고 마지막에 제트가 솟구칩니다. 이 과정에서 발생하는 전단응력이 세포에 해를 줍니다.
- 막 형성 — 기포가 수면 위로 올라오며 공기층 위에 얇은 액막이 생깁니다.
- 파열과 림 생성 — 막 꼭대기에서 파열이 시작되고, 막이 말려 들어가며 둥근 림이 빠르게 후퇴합니다. 림 속도는 표면장력·유체 밀도·임계 막 두께로 결정됩니다(Culick, 1960).
- 충돌 영역 형성 — 후퇴하는 고리형 림이 중앙에서 만나며 하부에 충돌 영역(impact zone)이 생깁니다.
- 제트 형성 — 수면 위로 유체 제트가, 수면 아래로 잠수 제트가 동시에 형성됩니다.
기포 크기와 폭발 에너지
기포 크기가 작아질수록 터질 때의 유체역학적 힘이 커집니다. 미세기포 파열에서 발생한 전단응력은 큰 기포보다 현저히 높았으며, 일정 수준 이상의 전단응력은 세포에 유해한 것으로 보고되어 있습니다(Tramper et al., 1986; Goldblum et al., 1990).
- 기포 크기 ↓ → 단일 기포의 파열 전단응력 ↑
- 같은 기체 부피에서 기포 크기 ↓ → 기포 개수 ↑ → 전체 파열 횟수 ↑
- 가압 압력 ↑ → 기포 부피 농도(BVC) ↑ · 크기 ↓ → 제거 효율 ↑
| 시험 방식 | 발생장치 | 평균 기포 크기 | BVC (㎖/㎖) | 유량 | 반응조 규모 (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| 연속 | SIF(M1) | 34.2 ㎛ | 0.063 | 3.75 L/min | 300(W) × 300(L) × 250(H) |
| 연속 | SIF(N2) | 700 nm 이하 | 약 0.085 | 0.35 L/min | 240(W) × 300(L) × 120(H) |
| 회분 | DAF 2 atm | 71.3 ㎛ | 0.034 | 300 ㎖ (반송비 100%) | 120(D) × 600(H) |
| 회분 | DAF 6 atm | 33.4 ㎛ | 0.099 | 300 ㎖ (반송비 100%) | 120(D) × 600(H) |
기포 폭발 살균 실험과 결과
대장균(ATCC 25922)을 0.85% NaCl 증류수(pH 7.2, 20.0 ℃)에 넣고, 연속 시험은 CFU/ml, 회분 시험은 총 CFU로 생존 세균을 측정했습니다.
시험 균주
5종
대장균, 장염비브리오(KCTC 2471), 살모넬라 타이피(ATCC 19430), 녹농균(KCTC 1636), 황색포도상구균(ATCC 6538)
양전하 기포
+ 전하
세균이 양전하 기포에 쉽게 부착되어 살균 효율이 높아졌습니다.
탁도 조건
5 NTU
카올린 15 ppm 조건에서도 살균 효율은 탁도와 무관했습니다.
| 구분 | 응집 단계 | 운전 조건 | 관찰 결과 |
|---|---|---|---|
| 침전 공정 | 3단 응집 | 침전 시간 30분 | 침전물·스컴에서 대장균 다수 검출 → 대장균이 플록 내부에 포집됨 |
| DAF 공정 | 2단 응집 | 반송비 30% |
초음파로 유도하는 수중 기포 붕괴
자발적 파열은 수면에서만 에너지가 생겨 살균 효율에 한계가 있습니다. 물속에서 기포를 터뜨리면 효율을 높일 수 있으므로, 초음파로 기포의 합체(coalescence)와 수축(contraction)을 유도했습니다.
| 현상 | 조사 조건 | 측정 결과 | 성격 |
|---|---|---|---|
| 합체 | 28 kHz · 60 W · 2초 | 34.2 ㎛ → 243 ㎛ (약 359개 합체) | 기포 파열과 유사한 힘 |
| 수축 | 28 kHz · 60 W · 5초 | BVC 5.2 ~ 13.3% 감소 | 단일기포 음향발광(SBSL)과 유사 |
| 수축 에너지(문헌) | PA 1.08 atm · 26.5 kHz · 10 ㎛ 기포 | 1.7 ~ 72 atm | 압축가열 → 광펄스 → 충격파 (Lahey et al., 2007) |
- SIF(M1) 연속 시험: 1회 = 기포 발생 55초 + 초음파 5초
- SIF(N2) 연속 시험: 1회 = 기포 발생 9분 55초 + 초음파 5초
- 결과: 짧은 시간에 살균이 진행되었으나 효율은 아직 낮은 수준
수처리 활용과 효율 개선 방향
반응조 설계와 운전 조건을 조절하면 기포 폭발 살균 효율을 높일 수 있습니다. 나루환경기술은 이 연구 결과를 바탕으로 기포 크기·전하·농도를 조절하는 발생장치를 설계합니다.
- 반응조 설계 — 수면적 확대, 반응조 유입 방식 변경(트레이형·수심 조건)
- 기포 조건 — 기포 크기 축소, 기포 부피 농도·기포층 밀도 증가, 양전하 기포 사용
- 초음파 조건 — 세기·주파수·조사 시간 최적화
- 공정 결합 — DAF에 적용해 탁도 제거와 살균을 한 공정에서 수행
관련 기술: 미세기포 원리 · 기포 크기·전위 측정 · 정수장 기포 전처리
자주 묻는 질문
기포가 터질 때 정말 세균이 죽나요?
네, 기포가 수면에서 터질 때 생기는 전단응력으로 세균이 사멸합니다. 연구 실험에서 대장균(ATCC 25922)을 비롯해 장염비브리오, 살모넬라, 녹농균, 황색포도상구균 등 5종에 대해 기포 폭발 에너지의 살균 영향을 확인했습니다. 다만 에너지가 수면에서만 발생하므로 단독 공정의 살균 효율은 낮은 편입니다.
미세기포가 큰 기포보다 살균에 유리한 이유는 무엇인가요?
기포가 작을수록 터질 때 발생하는 유체역학적 힘이 커지기 때문입니다. 마이크로버블(수십 ㎛)이 터질 때의 전단응력은 매크로버블보다 현저히 높게 측정되었습니다. 같은 기포 부피 농도에서도 크기가 작으면 개수가 많아져, 34㎛급 기포가 71㎛급 기포보다 높은 제거 효율을 보였습니다.
양전하 기포를 쓰면 살균 효율이 얼마나 달라지나요?
양전하를 띤 기포는 일반 기포보다 살균 효율이 높습니다. 음전하를 띠는 세균이 양전하 기포 표면에 쉽게 부착된 뒤 기포와 함께 터지기 때문입니다. 탁도 5 NTU(카올린 15 ppm) 조건에서도 효율이 탁도와 무관하게 유지되었고, 침전물과 스컴의 플록 안에 대장균이 갇혀 함께 제거되었습니다.
초음파로 물속 기포를 터뜨리면 어떤 효과가 있나요?
초음파는 물속 기포를 합체·수축시켜 수중에서 강한 힘을 만들고, 짧은 시간에 살균이 이뤄집니다. 28 kHz·60 W 초음파를 2초 조사하면 34.2 ㎛ 기포 약 359개가 243 ㎛ 하나로 합체했고, 5초 조사 시 기포 부피 농도가 5.2~13.3% 줄어 수축이 확인되었습니다. 현 단계의 살균 효율은 아직 낮아 운전 조건 최적화가 필요합니다.
기포 폭발 살균을 실제 수처리 공정에 적용할 수 있나요?
용존공기부상(DAF)이나 기포 반응조에 보조 공정으로 적용할 수 있습니다. 반응조 수면적 확대, 반응조 유입 방식 조정, 양전하 기포 사용, 초음파 병행으로 효율을 높일 수 있습니다. DAF 공정(반송비 30%)에서는 탁도 제거와 살균이 동시에 이뤄지는 것이 실험으로 확인되었습니다.