2019년 발생한 SARS-CoV-2 팬데믹 기간 동안 가장 어려운 문제 중 하나는 발병 상태를 실시간으로 모니터링하는 것이었다^1,2). 특히 SARS-CoV-2가 처음 등장했을 때 전체 감염자 수를 샘플링(sampling)할 수 있는 진단 테스트가 충분하지 않아 감염의 추이를 예측하기가 어려웠다. 데이터 풀(data pool) 및 검사 키트 제조가 크게 증가하면서 일시적으로 감염자 수를 모니터링이 가능해 보였지만 개인의 검사에 대한 저항으로 인해 상황은 더욱 악화되었다. 또한 가정 내 검사의 발전으로 개인의 편의성이 높아졌지만 사례 수를 모니터링하는 것은 훨씬 더 어려워졌다. 한편, 우려 변종(Variants of Concern, VOC)의 출현으로 인해 팬데믹과 싸우기 위해 미접종 집단과 접종자 집단 모두에서 발생과 확산을 추적하는 감시 노력이 중요해졌다. 따라서 증가하는 사례를 감지하고 우려 변종(VOC)을 식별하기 위한 조기 경고 시스템이 절실히 필요해졌다. 이로 인해 인구적인 차원(population level)에서 수준에서 SARS-CoV-2 모니터링을 위한 확립된 폐수 기반 감시(Wastewater Based Surveillance, WBS)의 사용이 확대되었다^3-6). 폐수 기반 감시(WBS)는 유역 범위 내의 전체 인구에 대한 편향되지 않은 감염 추이를 저비용, 실시간으로 모니터링 할 수 있음이 보고되었다^7,8). 이는 여러 국가에서 발생하는 코로나19 팬데믹 기간 동안 SARS-CoV-2의 유통 추세를 결정하는 데 효과적인 것으로 나타났으며 임상 진단 능력의 가용성, 휴일 동안 관찰되는 보고 지연 또는 인구의 협조와도 무관하다^9-11). 폐수 샘플은 희석도가 높기 때문에 임상 샘플보다 SARS-CoV-2 농도가 현저히 낮다. 따라서 분석은 매우 민감할 필요가 있다¹²⁾. 일부 1단계 농축 방법이 사용되지만 대부분의 바이러스 농축 방법은 몇∼수백 리터의 물을 1차 농축 방법으로 소량으로 농축한 후 2차 농축 방법으로 몇 밀리리터까지 농축하는 두 단계로 구성됩니다. 이러한 방법은 대부분의 번거로운 화학반응을 수반하여, 시료에 존재하는 바이러스 입자는 높은 비율로 손실된다.

버블부상 방법은 폐수의 정화에 자주 활용되는 기술로써 수중의 부유물질(Suspended Solid, SS)을 효과적으로 분리하여 수면에 농축시킬 수 있다. 버블부상 장치에서는 기계적 또는 전기적으로 발생시킨 버블에 부유물질이 흡착하여 버블과 함께 수면방향으로 상승한다. 버블부상에는 화학반응이 필수적이지 않기 때문에 화학반응에 소요되는 시간이 필요하지 않으며 화학반응으로 인한 바이러스 입자의 손실이 발생하지 않는다. 따라서 저자들은 버블부상 방식을 사용하여 폐수 기반 감시를 위한 시료를 농축시키는 장치를 개발하려고 한다. 폐수 중 부유물질은 그 크기와 밀도가 다양하며 수중에 무질서하게 분포한다. 부유물질을 효과적으로 흡착하여 부상시키기 위해서는 적절한 부상조의 설계가 중요하다. 버블 부상조는 샘플링 폐수의 용량 및 발생 버블의 크기에 적합한 깊이가 필요하다. 또한 버블 부상에 사용되는 미세버블은 낮은 밀도로 인하여 폐수의 유동에 따라서 부상조 내에서 불균일하게 분포할 수 있기 때문에 균일한 유동을 갖는 부상조의 구조가 중요하다.

본 연구에서는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석을 사용하여 폐수 시료 샘플링을 위한 버블 부상조를 설계한다. 부상조의 하부에서 유입되는 폐수가 균일한 유동분포를 갖도록 다공판을 설치하며 적절한 다공판의 개구율을 도출한다. 또한 부상조에 채워지는 폐수의 상승속도 균일도를 고려하여 효율적인 버블부상에 필요한 부상조의 높이를 도출한다.

폐수에 포함된 병원균 또는 병원성 바이러스의 검출을 위해서는 입자상 물질을 농축하는 전처리 과정이 필요하다. 폐수 내의 병원균 및 바이러스는 일반적으로 고형물 입자(SS)와 함께 존재하기 때문에 고형물의 농도 농축을 통해서 검출 효율을 높일 수 있다. 본 연구에서는 전처리 과정에서 병원균 및 바이러스의 손상을 줄일 수 있는 버블부상 방식의 전처리 시스템을 고려하고 있다. Fig. 1은 마이크로버블 펌프를 사용한 버블부상 시스템을 보여주고 있다. 폐수로부터 수집된 시료는 교반장치가 있는 탱크에서 마이크로버블펌프를 통하여 부상조로 공급된다. 마이크로버블 펌프는 특수하게 고안된 임펠러에 의하여 스스로 흡입한 공기를 미세한 버블로 만들어서 펌프를 통과하는 물과 함께 공급한다. 마이크로버블과 함께 부상조에 공급된 폐수는 다공판(porous plate)을 통과하며 부상조에 채워진다. 이때 다공판은 공급된 폐수의 흐름이 부상조 내에서 채워질 때 수직방향 속도 성분이 어느 한쪽으로 치우치지 않고 고르게 분포하도록 만든다. 다공판의 개구율 및 홀(hole) 형상에 따라서 다공판 전후의 압력감소 및 속도 균일도가 달라진다. 따라서 압력강하량이 과도하게 증가하지 않는 범위에서 수직 방향 속도성분 분포가 균일한 다공판의 설계가 중요하다. 또한 마이크로버블 및 고형물 입자의 Volume fraction 및 밀도가 매우 낮기 때문에 부상 분리된 마이크로버블-고형물입자 층의 두께도 얇게 형성된다. 따라서 분리된 고형물입자의 회수를 용이하게 만들기 위해서 넓은 형태보다 깊은 형태의 부상조로 설계한다. 버블 부상조의 깊이를 선정하기 위해서, 마이크로버블 펌프로부터 공급되는 폐수의 복합한 유동형태가 사라지고 안정화되는 최소 깊이를 CFD 해석결과로부터 결정하였다.

Fig. 1. 
Micro-bubble flotation system

본 연구의 수행을 위해서 Ansys CFX 프로그램을 사용하여 부상조 내부의 유동을 해석하였다. 부상조 내부유동 해석을 위해 고려한 해석 영역 및 다공판 형상은 Fig. 2와 같다. 폐수는 부상조 아래쪽 입구(inlet)에서 유입되며, 그 높이는 바닥으로부터 0.02 m이다. 폐수 입구의 직경은 0.015 m이며 체적유량 1 m³/hour의 유량으로 폐수가 공급된다. 해당 유량으로는 20초에 약 5.5 리터의 폐수를 처리할 수 있다. 폐수가 고르게 부상조를 차오르게 하기 위해서 바닥으로부터 0.05 m 높이에 다공판이 설치되어 있다. 다공판에는 폐수가 통과할 수 있는 69개의 홀(Hole)이 고르게 분포되어 있으며 본 연구에서는 각각 직경이 다른 4가지 경우(case)의 다공판을 고려하였다. 다공판 홀의 크기는 각각 10 mm, 12 mm, 15 mm, 및 18 mm이며, 이때의 개구율은 각각 17.25%, 24.84%, 38.18%, 및 55.89%이다.

Fig. 2. 
Computational domain and shape of porous plate

Fig. 3은 부상조 유동해석을 위한 격자(grid)를 보여주고 있다. 해석 영역 중에서 유속이 빠르고 유동이 복잡한 하부 영역에 더 많은 격자수를 집중시켜서 조밀한 격자를 생성하였다. 전체적으로 테트라(tetra) 형태의 격자를 생성하였으며, 벽면 몇 코너 근처의 자세한 유동 모사를 위하여 격자층(prism layer)를 형성하여 격자를 집중시켰다. 본 연구에서 사용한 격자의 접점(node) 수는 1,139,500개이며, 요소(element) 수는 5,045,442개이다.

Fig. 3. 
Computational Grid for Flotation Tank Simulation

본 연구에서 수행한 CFD 해석은 단상 유동(single-phase flow)을 기반으로 하였으며, 이는 마이크로버블의 체적 분율이 작고 주된 거동이 물의 유동 구조에 의해 지배된다는 점을 고려한 것이다.

부유물질을 효과적으로 흡착하여 부상시키기 위해서는 적절한 부상조의 설계가 중요하며, 특히 부상조 내에서 균일한 유동을 갖는 부상조의 구조가 중요하다. 본 연구에서는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석을 사용하여 폐수 시료 샘플링을 위한 버블 부상조를 설계하였으며, 압력강하 및 속도 RMS 값을 고려할 때 12 mm의 홀 직경이 가장 적절한 것으로 판단된다. 또한 부상조 높이별 속도 RMS 값을 고려하였을 때 0.5 m 이상의 부상조 높이가 필요한 것으로 나타났다.

본 연구는 실제 마이크로버블의 개별 거동이나 자유수면에서 형성되는 버블층 두께, 부상되는 부유물질의 절대량을 직접적으로 예측하는 데에는 한계가 있다. 그러나 본 연구는 복잡한 다상 CFD 해석을 수행하기에 앞서, 부상조의 형상과 유입 구조 등 주요 설계 변수를 사전에 선별하기 위한 저비용 설계 단계 연구로서 의미를 가진다. 이를 통해 향후 마이크로버블 수량, 하수 및 버블수 유속, 입자 농도와 같은 세부 구동 조건을 포함한 고해상도 해석의 효율적인 수행에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.