국내 소규모 하수처리시설의 신규 및 노후화 시설 개선의 수요가 늘어남에 따라, 처리효율 향상, 운영비 절감, 악취 등을 고려한 경제적이고 친환경적인 공정 도입이 필요한 실정이다. 따라서, 현재 유입 부하 변동에 강하고 전기 사용량 및 설치비가 저렴하며, 기존에 가장 많이 설치되어 있는 SBR 공법의 활용성이 주목되고 있다. 재래식 SBR 공법의 경우, 회분식 운전 조건에서 질소·인 제거효율이 낮아서, 추가 반응조 (혐기조, 무산소조), 약품 시설, ...
국내 소규모 하수처리시설의 신규 및 노후화 시설 개선의 수요가 늘어남에 따라, 처리효율 향상, 운영비 절감, 악취 등을 고려한 경제적이고 친환경적인 공정 도입이 필요한 실정이다. 따라서, 현재 유입 부하 변동에 강하고 전기 사용량 및 설치비가 저렴하며, 기존에 가장 많이 설치되어 있는 SBR 공법의 활용성이 주목되고 있다. 재래식 SBR 공법의 경우, 회분식 운전 조건에서 질소·인 제거효율이 낮아서, 추가 반응조 (혐기조, 무산소조), 약품 시설, 교반기 및 내부 반송 펌프 등을 설치하는 변형 SBR 공법이 개발되어 운영 중에 있는데, 이는 소요 부지, 건설비, 운영비 등을 증가시켜 기존 고도처리 공법과의 경쟁력이 떨어지고 있는 상황이다. 그러므로, 기존의 SBR 공정을 유지하면서 추가 반응조 설치 없이 본 반응조를 유지한 상태에서 높은 효율의 질소·인 처리가 가능하다면, 경제적인 면에서 노후 시설 개선 사업에 큰 도움이 될 것으로 보인다. 이와 같은 기술의 수요 전망과 기존 변형 SBR 공정의 단점을 보안하기 위해 고농도 sludge blanket을 이용한 변형 SBR 공정 연구를 진행하였다. 조대 기포를 이용하여 교반 시, 통기량 0.2 m3/min, KLa(20) 1.373 hr-1에서 60 min 운전 동안 DO 증가가 없었으며, 인 방출 및 질산화 과정에 공기 교반으로 인한 영향이 없이 교반이 효율적으로 이루어져, 순수 교반을 위한 적정 운전 인자로 보여진다. 미세 기포 산기관의 경우 1.0 m3/min,에서 KLa(20) 값이 적정 범위 안의 22.772 hr-1를 나타냈으며, DO 2 ∼ 4 mg/L 부근에서 미생물의 산소 소비 속도 저하로 보아 DO 4 mg/L 이상의 포기는 불필요할 것으로 판단되다. 또한, 포기/비포기 비에 따른 영향을 분석한 결과, 그 비율을 0.3, 0.5, 1.0으로 증가시킬수록 질산화 및 유기물 제거 효율이 향상되었지만, 탈질 및 인 방출 지연으로 인한 최종 처리수의 질소·인 제거에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 적정 포기량 산정이 질소 및 인 제거에 중요하며, 포기/비포기 비가 0.5인 포기 40 min에서 처리수질이 가장 양호하여 공정 운영에 적합할 것으로 판단된다. 이를 바탕으로, 하절기와 동절기를 포함한 11개월간 pilot plant를 운전한 결과, 처리 수질 및 각 항목별 제거효율은 BOD 2.32 mg/L, 98.1 %, SS 1.45 mg/L, 98.9 %, T-N 2.626 mg/L, 91.4 %, T-P 0.201 mg/L, 95.9 %로 안정적인 처리가 가능하였다. 공정 단계별 층에 따른 영양 염류의 거동을 분석한 결과, 교반 단계에서 하수 중간 유입 및 교반과 함께 상부와 하부에서 PAOs에 의한 인 방출이 활발하게 일어났으며, 하부 blanket의 고농도 슬러지 층에 의해 상부보다 하부에서 2.9배 많은 PO4-P가 방출되었다. 포기 단계에서는 하수를 유입하지 않음으로써 종속 영양 미생물의 탄소원인 SCODcr이 소폭 감소하고 NO3--N가 급격히 증가하여 질산화 미생물의 우점을 확인할 수 있었으며, 적은 DO에서도 빠르게 반응하는 PAOs의 인 과잉섭취 기작에 의해 포기 기간 중 완전 질산화 및 인 섭취 과정이 이루어졌다. 침전 단계에서는 포기 완료 후 20 min의 중간 교반을 통해 DO 농도를 충분히 저감시킴으로써 빠르게 탈질 반응이 일어났으며, 방류 전 15 min 동안 탄소원인 하수를 중간 유입함으로써, 하부 100 %, 상부 90.2 %의 높은 탈질 효율을 달성하였다. 방류 완료 후, 인 방출 저해인자인 NO3--N가 완전 제거된 상태에서, 하수를 고농도 sludge blanket에 유입해주면서 인 방출이 빠르게 일어나기 시작하였으며, 하부에서 PO4-P 농도가 상부보다 3.9배 많은 인 방출이 이루어졌다. 본 연구 공정은 평균 4,600 mg/L의 고농도 활성 슬러지에서 공정이 운영되기 때문에 침전성과 슬러지 상태를 파악하기 위한 침전 속도와 슬러지 부피 지표를 분석하였다. 공정 특성 상, 방류 전 10 min 동안 하수를 중간에 유입하게 되는데, MLSS 농도별 침전 속도 실험 결과, MLSS 4,700 mg/L가 교란 후 회복률도 양호하고, 1.59 m로 가장 깊이 농축되어 원수 유입으로 인한 영향이 가장 적었다. MLSS 농도별 SVI 측정 시, MLSS 3,000 mg/L 이상에서는 SV30이 증가함에도 SVI가 감소하는 변곡점이 lab test와 pilot plant에서 동일하게 발생하였다. 따라서, 고농도 슬러지 부피 지표 측정에는 농도 변화에 따른 변화가 일률적으로 일어날 수 있도록, MLSS 3,000 mg/L 이하가 되도록 희석하여 슬러지 부피 지표 값을 산출하는 DSVI를 보조적으로 사용하는 것이 적합하다고 판단된다. 본 변형 SBR 공정은 기존 SBR 공정에 추가적인 반응조, 반송 펌프, 교반기의 설치가 필요 없으며, 공기 교반 및 고농도 sludge blanket을 이용하여 질소, 인 제거 효율의 향상이 가능하였다. 이로 인해 설치 및 유지비용 절감이 가능하여 향후 소규모 하수처리장에 설치된 SBR 공정의 개선 및 신규 설치 시 효과적인 대안으로 판단된다.
국내 소규모 하수처리시설의 신규 및 노후화 시설 개선의 수요가 늘어남에 따라, 처리효율 향상, 운영비 절감, 악취 등을 고려한 경제적이고 친환경적인 공정 도입이 필요한 실정이다. 따라서, 현재 유입 부하 변동에 강하고 전기 사용량 및 설치비가 저렴하며, 기존에 가장 많이 설치되어 있는 SBR 공법의 활용성이 주목되고 있다. 재래식 SBR 공법의 경우, 회분식 운전 조건에서 질소·인 제거효율이 낮아서, 추가 반응조 (혐기조, 무산소조), 약품 시설, 교반기 및 내부 반송 펌프 등을 설치하는 변형 SBR 공법이 개발되어 운영 중에 있는데, 이는 소요 부지, 건설비, 운영비 등을 증가시켜 기존 고도처리 공법과의 경쟁력이 떨어지고 있는 상황이다. 그러므로, 기존의 SBR 공정을 유지하면서 추가 반응조 설치 없이 본 반응조를 유지한 상태에서 높은 효율의 질소·인 처리가 가능하다면, 경제적인 면에서 노후 시설 개선 사업에 큰 도움이 될 것으로 보인다. 이와 같은 기술의 수요 전망과 기존 변형 SBR 공정의 단점을 보안하기 위해 고농도 sludge blanket을 이용한 변형 SBR 공정 연구를 진행하였다. 조대 기포를 이용하여 교반 시, 통기량 0.2 m3/min, KLa(20) 1.373 hr-1에서 60 min 운전 동안 DO 증가가 없었으며, 인 방출 및 질산화 과정에 공기 교반으로 인한 영향이 없이 교반이 효율적으로 이루어져, 순수 교반을 위한 적정 운전 인자로 보여진다. 미세 기포 산기관의 경우 1.0 m3/min,에서 KLa(20) 값이 적정 범위 안의 22.772 hr-1를 나타냈으며, DO 2 ∼ 4 mg/L 부근에서 미생물의 산소 소비 속도 저하로 보아 DO 4 mg/L 이상의 포기는 불필요할 것으로 판단되다. 또한, 포기/비포기 비에 따른 영향을 분석한 결과, 그 비율을 0.3, 0.5, 1.0으로 증가시킬수록 질산화 및 유기물 제거 효율이 향상되었지만, 탈질 및 인 방출 지연으로 인한 최종 처리수의 질소·인 제거에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 적정 포기량 산정이 질소 및 인 제거에 중요하며, 포기/비포기 비가 0.5인 포기 40 min에서 처리수질이 가장 양호하여 공정 운영에 적합할 것으로 판단된다. 이를 바탕으로, 하절기와 동절기를 포함한 11개월간 pilot plant를 운전한 결과, 처리 수질 및 각 항목별 제거효율은 BOD 2.32 mg/L, 98.1 %, SS 1.45 mg/L, 98.9 %, T-N 2.626 mg/L, 91.4 %, T-P 0.201 mg/L, 95.9 %로 안정적인 처리가 가능하였다. 공정 단계별 층에 따른 영양 염류의 거동을 분석한 결과, 교반 단계에서 하수 중간 유입 및 교반과 함께 상부와 하부에서 PAOs에 의한 인 방출이 활발하게 일어났으며, 하부 blanket의 고농도 슬러지 층에 의해 상부보다 하부에서 2.9배 많은 PO4-P가 방출되었다. 포기 단계에서는 하수를 유입하지 않음으로써 종속 영양 미생물의 탄소원인 SCODcr이 소폭 감소하고 NO3--N가 급격히 증가하여 질산화 미생물의 우점을 확인할 수 있었으며, 적은 DO에서도 빠르게 반응하는 PAOs의 인 과잉섭취 기작에 의해 포기 기간 중 완전 질산화 및 인 섭취 과정이 이루어졌다. 침전 단계에서는 포기 완료 후 20 min의 중간 교반을 통해 DO 농도를 충분히 저감시킴으로써 빠르게 탈질 반응이 일어났으며, 방류 전 15 min 동안 탄소원인 하수를 중간 유입함으로써, 하부 100 %, 상부 90.2 %의 높은 탈질 효율을 달성하였다. 방류 완료 후, 인 방출 저해인자인 NO3--N가 완전 제거된 상태에서, 하수를 고농도 sludge blanket에 유입해주면서 인 방출이 빠르게 일어나기 시작하였으며, 하부에서 PO4-P 농도가 상부보다 3.9배 많은 인 방출이 이루어졌다. 본 연구 공정은 평균 4,600 mg/L의 고농도 활성 슬러지에서 공정이 운영되기 때문에 침전성과 슬러지 상태를 파악하기 위한 침전 속도와 슬러지 부피 지표를 분석하였다. 공정 특성 상, 방류 전 10 min 동안 하수를 중간에 유입하게 되는데, MLSS 농도별 침전 속도 실험 결과, MLSS 4,700 mg/L가 교란 후 회복률도 양호하고, 1.59 m로 가장 깊이 농축되어 원수 유입으로 인한 영향이 가장 적었다. MLSS 농도별 SVI 측정 시, MLSS 3,000 mg/L 이상에서는 SV30이 증가함에도 SVI가 감소하는 변곡점이 lab test와 pilot plant에서 동일하게 발생하였다. 따라서, 고농도 슬러지 부피 지표 측정에는 농도 변화에 따른 변화가 일률적으로 일어날 수 있도록, MLSS 3,000 mg/L 이하가 되도록 희석하여 슬러지 부피 지표 값을 산출하는 DSVI를 보조적으로 사용하는 것이 적합하다고 판단된다. 본 변형 SBR 공정은 기존 SBR 공정에 추가적인 반응조, 반송 펌프, 교반기의 설치가 필요 없으며, 공기 교반 및 고농도 sludge blanket을 이용하여 질소, 인 제거 효율의 향상이 가능하였다. 이로 인해 설치 및 유지비용 절감이 가능하여 향후 소규모 하수처리장에 설치된 SBR 공정의 개선 및 신규 설치 시 효과적인 대안으로 판단된다.
The demand for new domestic small sewage treatment facilities and the improvement of old ones has increased. This has led to a necessity for introducing economic and eco-friendly processes while considering the improvement of processing efficiency and the reduction of odor and operating costs. There...
The demand for new domestic small sewage treatment facilities and the improvement of old ones has increased. This has led to a necessity for introducing economic and eco-friendly processes while considering the improvement of processing efficiency and the reduction of odor and operating costs. Therefore, the applicability of the SBR process has been noted as it provides durability for inflow load fluctuations, uses a low amount of electricity, and has inexpensive installation costs. It is the process that is installed at most facilities. In the case of the conventional SBR process, the removal efficiency of nitrogen and phosphorus under the batch-type operation condition is low. A modified SBR process that installs additional reactors (anaerobic reactors, anoxic reactors), chemical facilities, agitators, and internal transfer pumps has been developed and is currently in operation. The competitiveness of this process has decreased compared to the existing advanced treatment process because it requires a larger space and higher construction and operating cost. Therefore, there needs to be a method of maintaining a reactor that will preserve the existing SBR process while installing a highly efficient way of processing nitrogen and phosphorus without installing an additional reactor. Doing so will be of great help when it comes to improving old facilities in economic terms. A modified SBR process study using a high concentration sludge blanket was conducted in order to secure the shortcomings of the demand forecast and existing modified SBR process technology. When mixing was performed using coarse bubbles in a pilot study, there was no increase of DO during 60 minutes of operation at 0.2 m3/min, KLa(20) 1.373 hr-1 of amount of air current. Mixing was efficiently performed without the influence of air mixing during the release of phosphorus and the nitrification process. That type of mixing was considered to be an appropriate operating factor for pure mixing. For the fine bubble diffuser, the KLa(20) value at 1.0 m3/min indicated 22.772 hr-1 within an appropriate range. It was judged that the aeration of DO 4 mg/L or more was unnecessary when it came to the decrease in the oxygen consumption rate of microorganisms in the vicinity of DO 2 to 4 mg/L. The effect of the aeration/non-aeration ratio was also analyzed. As a result, the removal efficiency of nitrification and organic matter was improved as the aeration/non-aeration ratio increased to 0.3, 0.5, 1.0. However, it was confirmed that the delayed denitrification and release of phosphorus influenced the removal of nitrogen and phosphorus in the final treated water. In other words, it was judged that the suitable air-flow calculation was important for the removal of nitrogen and phosphorus, and that treatment quality was the best at aeration/non-aeration ratio 0.5 aeration 40 min. Based on this, the pilot plant was operated for 11 months including during summer and winter. As a result, the treatment quality and the removal efficiency of each item were as stable as possible for the following: BOD 2.32 mg/L, 98.1 %, SS 1.45 mg/L, 98.9 %, T-N 2.626 mg/L, 91.4 %, and T-P 0.201 mg/L, 95.9 %. The behavior of nutrient salts according to the layer of each process was also analyzed. As a result, the release of phosphorus by PAOs at the top and bottom occurred actively along with sewage middle inflow and mixing during the mixing stage. In addition, 2.9 times more PO4-P was released from the bottom than the top by the high concentration sludge layer of the bottom blanket. By not introducing sewage during the aeration stage, SCODcr, a carbon source of heterotrophic microorganisms, decreased slightly while NO3--N increased rapidly, confirming the advantage of the nitrification of microorganisms. A complete nitrification and phosphorus uptake process was performed during the aeration period by the mechanism of PAOs phosphorus luxury uptake that reacts quickly even with a small amount of DO. In the precipitation stage, a denitration reaction occurred rapidly by sufficiently reducing the DO concentration through 20 minutes of intermediate stirring after completing the aeration. High denitrification efficiency of the bottom 100 % and top 90.2 % was achieved through a middle inflow of carbon source sewage for 15 minutes before discharge. After discharge was completed, the release of phosphorus began to occur rapidly by introducing sewage into the high concentration sludge blanket and completely removing the release of the phosphorus inhibitor NO3--N. The release of phosphorus was achieved at the bottom where the PO4-P concentration was 3.9 times higher than the top. Since the process was operated at an average of 4,600 mg/L high concentration activated sludge, the sedimentation rate and sludge volume index was analyzed to determine the status of the sedimentation and sludge. Due to the nature of the process, sewage was inflowed in the middle for 10 minutes before discharge. As a result of conducting an experiment on the precipitation rate for each MLSS concentration, the recovery rate of MLSS 4,700 mg/L was rated as good after disturbance. It had the smallest impact due to the inflow of raw water as it was concentrated to the deepest at 1.59m. When measuring SVI for each concentration of MLSS, the inflection point at which SVI decreased was the same in the lab test and at the pilot plant, although SV30 increased above MLSS 3,000 mg/L. Therefore, in order to measure the high concentration sludge volume index, changes in concentration need to occur uniformly. It is considered appropriate to use a DSVI that dilutes to MLSS 3,000 mg/L or less to yield a sludge volume index value. Unlike the existing SBR process, the modified SBR process does not require the installation of an additional reactor, transfer pump, or agitator. It is therefore possible to improve the removal efficiency of nitrogen and phosphorus by using air mixing and a high concentration sludge blanket. Utilizing the modified SBR process can result in lower installation and maintenance costs. It is therefore considered to be an effective future alternative for improving the SBR process installed at small sewage treatment facilities.
The demand for new domestic small sewage treatment facilities and the improvement of old ones has increased. This has led to a necessity for introducing economic and eco-friendly processes while considering the improvement of processing efficiency and the reduction of odor and operating costs. Therefore, the applicability of the SBR process has been noted as it provides durability for inflow load fluctuations, uses a low amount of electricity, and has inexpensive installation costs. It is the process that is installed at most facilities. In the case of the conventional SBR process, the removal efficiency of nitrogen and phosphorus under the batch-type operation condition is low. A modified SBR process that installs additional reactors (anaerobic reactors, anoxic reactors), chemical facilities, agitators, and internal transfer pumps has been developed and is currently in operation. The competitiveness of this process has decreased compared to the existing advanced treatment process because it requires a larger space and higher construction and operating cost. Therefore, there needs to be a method of maintaining a reactor that will preserve the existing SBR process while installing a highly efficient way of processing nitrogen and phosphorus without installing an additional reactor. Doing so will be of great help when it comes to improving old facilities in economic terms. A modified SBR process study using a high concentration sludge blanket was conducted in order to secure the shortcomings of the demand forecast and existing modified SBR process technology. When mixing was performed using coarse bubbles in a pilot study, there was no increase of DO during 60 minutes of operation at 0.2 m3/min, KLa(20) 1.373 hr-1 of amount of air current. Mixing was efficiently performed without the influence of air mixing during the release of phosphorus and the nitrification process. That type of mixing was considered to be an appropriate operating factor for pure mixing. For the fine bubble diffuser, the KLa(20) value at 1.0 m3/min indicated 22.772 hr-1 within an appropriate range. It was judged that the aeration of DO 4 mg/L or more was unnecessary when it came to the decrease in the oxygen consumption rate of microorganisms in the vicinity of DO 2 to 4 mg/L. The effect of the aeration/non-aeration ratio was also analyzed. As a result, the removal efficiency of nitrification and organic matter was improved as the aeration/non-aeration ratio increased to 0.3, 0.5, 1.0. However, it was confirmed that the delayed denitrification and release of phosphorus influenced the removal of nitrogen and phosphorus in the final treated water. In other words, it was judged that the suitable air-flow calculation was important for the removal of nitrogen and phosphorus, and that treatment quality was the best at aeration/non-aeration ratio 0.5 aeration 40 min. Based on this, the pilot plant was operated for 11 months including during summer and winter. As a result, the treatment quality and the removal efficiency of each item were as stable as possible for the following: BOD 2.32 mg/L, 98.1 %, SS 1.45 mg/L, 98.9 %, T-N 2.626 mg/L, 91.4 %, and T-P 0.201 mg/L, 95.9 %. The behavior of nutrient salts according to the layer of each process was also analyzed. As a result, the release of phosphorus by PAOs at the top and bottom occurred actively along with sewage middle inflow and mixing during the mixing stage. In addition, 2.9 times more PO4-P was released from the bottom than the top by the high concentration sludge layer of the bottom blanket. By not introducing sewage during the aeration stage, SCODcr, a carbon source of heterotrophic microorganisms, decreased slightly while NO3--N increased rapidly, confirming the advantage of the nitrification of microorganisms. A complete nitrification and phosphorus uptake process was performed during the aeration period by the mechanism of PAOs phosphorus luxury uptake that reacts quickly even with a small amount of DO. In the precipitation stage, a denitration reaction occurred rapidly by sufficiently reducing the DO concentration through 20 minutes of intermediate stirring after completing the aeration. High denitrification efficiency of the bottom 100 % and top 90.2 % was achieved through a middle inflow of carbon source sewage for 15 minutes before discharge. After discharge was completed, the release of phosphorus began to occur rapidly by introducing sewage into the high concentration sludge blanket and completely removing the release of the phosphorus inhibitor NO3--N. The release of phosphorus was achieved at the bottom where the PO4-P concentration was 3.9 times higher than the top. Since the process was operated at an average of 4,600 mg/L high concentration activated sludge, the sedimentation rate and sludge volume index was analyzed to determine the status of the sedimentation and sludge. Due to the nature of the process, sewage was inflowed in the middle for 10 minutes before discharge. As a result of conducting an experiment on the precipitation rate for each MLSS concentration, the recovery rate of MLSS 4,700 mg/L was rated as good after disturbance. It had the smallest impact due to the inflow of raw water as it was concentrated to the deepest at 1.59m. When measuring SVI for each concentration of MLSS, the inflection point at which SVI decreased was the same in the lab test and at the pilot plant, although SV30 increased above MLSS 3,000 mg/L. Therefore, in order to measure the high concentration sludge volume index, changes in concentration need to occur uniformly. It is considered appropriate to use a DSVI that dilutes to MLSS 3,000 mg/L or less to yield a sludge volume index value. Unlike the existing SBR process, the modified SBR process does not require the installation of an additional reactor, transfer pump, or agitator. It is therefore possible to improve the removal efficiency of nitrogen and phosphorus by using air mixing and a high concentration sludge blanket. Utilizing the modified SBR process can result in lower installation and maintenance costs. It is therefore considered to be an effective future alternative for improving the SBR process installed at small sewage treatment facilities.
주제어
#변형 SBR 공법 포기/비포기 비 슬러지 블랭킷 공기 교반 슬러지 부피 지표 하수 분할 주입
학위논문 정보
저자
김민호
학위수여기관
서울시립대학교 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
환경공학과
지도교수
박철휘
발행연도
2020
총페이지
viii, 179 p.
키워드
변형 SBR 공법 포기/비포기 비 슬러지 블랭킷 공기 교반 슬러지 부피 지표 하수 분할 주입
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