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문제 정의
- 2, 상). 따라서, 본 연구에서 는 상기의 2가지 문제를 해소시 키기 위하여 기존 간 헐 포기 의 time sequence 중호기시간을 3분할하였다. 즉 호기 시간을 비포기(20분)-포기(20분)-비포기(20분)으로 분할하여 전단의 비 포기 (non-aeration) 시간은 전단에서 공급된 유입수가 충분히 탈 질산화 및 인방출에 활용하도록 시간을 확보해주고, 후단의 비포기는 용존산소를 고갈시켜 후속되는 유입이 있는 비 포기 시 간(feeding with nonaeration) 에 용존산소의 영향 없이 유기물이 탈질산화 및 인방출에 최대한 활용될 수 있도록 기존 간헐포기를 개량하여 time sequence를 구성하였으며 (Fig.
- 본 연구에서는 간헐포기 기술의 적용에 있어서 이러한 용존산소의 영향에 의한 유기물 활용성 및 처리 효율 저하의 문제점을 해결하기 위한 개선된 time sequence를 구성하여 개량간헐포기 법(MIA, modified intermittent aeration) 을 제안하고 현장 적 용평가로 효율성을 비교평가 하였다.
제안 방법
- 간헐포기의 효율성 비교평가를 위해 간헐포기반응조의 비 포기 (NG-비 포기(NJ-포기 (A)-비포기(ND로 운영하는 개량 간헐포기를 약 1년 정도 운영한 후 기존 간헐포기 방식인 비 포기 (NG-포기(A) 로 운영방 식을 변경하여 약 1개월간의 적응기간을 거친 후 2개월 동안 효율을 비교평가하였다. 같은 처리시설에서 평가하였기 때문에 유입 수의 차이는 크지 않았으며, 간헐포 기조의 포기 구간의 DO는 모두 2 ~ 3mg/l 수준에서 운영하였다.
- 기존 간헐포기법의 단점을 보완한 개량간 헐포기법(MIA)을 멤브레인을 결합한 KSMBR 공정에 도입하여 210m'/일 규모의 실제 마을하수처리시설에서 약 13개월 동안 운영하였으며, 결론은 다음과 같다.
- 기존 및 개량 간헐포기법에서 간헐포 기조의 효율성을 비교평가하기 위해 1 cycle 동안의 용존산소, NO3--N, PO43--P 거동을 분석하였다 (Fig. 3, 4).기존 간헐포기에서는 유입수가 공급되는 비포기 상태에서 용존산소가 점진적으로 감소하여 20분 이내에 0.
- 본 연구에서 개발한 개량간 헐포기법과 기존 간헐 포기 법 의 이 론적 접근을 위하여 각각의 time sequence 를 분석하였다 (Fig. 2).기존 간헐포기법(OA)의 경우.
- 본 연구에서는 기존 간헐포기(CIA) 및 개량 간헐포기 (MIA) 기술을 비교평 가하기 위해 MBR을 공정을 현장에서 210m7일 규모로 운전하였다. 본 연구에서 적용한 공정은 KSMBR 공법으로 폴리올레 핀 중공사(hollow fiber) 정밀여과 막 모듈과 간헐포기 기술을 이용하여 혐기조(anaerobic), 병렬로 배열된 두 개의 간헐포기조(intermittent aeration reactor), 침지식 막 분 리 호기조(membrane submerged aerobic reactor) 및 용존산소 저감조(OER, Oxygen Exhausting Reactor) 로 구성되었으며, 각각의 체류시간은 40분, 3시간(각 반응조 1.5시간) , 2시간 및 20분으로 총 HRT는 6시간이었다. 간헐포 기조의 운영에 있어서는 기존 60분 주 기의 ON/OFF 방식과 본 연구에서 개발한 개량 간헐포기방식을 모두 평가할 수 있도록 변형이 가능토록 하였다.
- 본 연구에서는 기존 간헐포기(CIA) 및 개량 간헐포기 (MIA) 기술을 비교평 가하기 위해 MBR을 공정을 현장에서 210m7일 규모로 운전하였다. 본 연구에서 적용한 공정은 KSMBR 공법으로 폴리올레 핀 중공사(hollow fiber) 정밀여과 막 모듈과 간헐포기 기술을 이용하여 혐기조(anaerobic), 병렬로 배열된 두 개의 간헐포기조(intermittent aeration reactor), 침지식 막 분 리 호기조(membrane submerged aerobic reactor) 및 용존산소 저감조(OER, Oxygen Exhausting Reactor) 로 구성되었으며, 각각의 체류시간은 40분, 3시간(각 반응조 1.
- 두 개의 간헐포기조는 슬러지가 유입되는 60분 동안은 비 포기 (NF, Non-aeration and feeding)로 운영하여 전cycle의 질산화로 반응조에 남아 있는 NO3-N을 우선 탈질산화시킨다. 슬러지 유입이 끝나고 바로 포기시키면 슬러지와 함께 유입된 유기물이 heterotrophic bacteria에 의해 소모되기 때문에 기존 간헐포기에서 비포기-포기로 운영되는 time sequence에서 포기 구간을 개량하여 비포기 (N1, Non- aeration)-포기-(Aeration)-비 포기 (N2, Non-aeration) 로 삼분할하였다. 또한 침지식중공사정밀여과막의 적용으로 고농도의 MLSS 유지가 가능하나 약 8, 000mg/l에서 운영하였다.
- 이상의 유입수 및 운영 조건에 근거하여 본 연구에서 비교평가한 두 가지의 간헐포기 방법을 적용한 KSMBR의 효율성을 IWA(International Water Association) 2] ASM(activated sludge model) No. 2에 근거하여 SRT는 35일, 처리수의 SS는 Omg/1로 MBR 에서와 유사하게 가정하고 모델 운영은 15ºC에서 fault parameter를 이용하여 비교평 가하였다. 모사 결과 처리수 의 NH4-N 농도는 두 방법 모두 0.
- 따라서, 본 연구에서 는 상기의 2가지 문제를 해소시 키기 위하여 기존 간 헐 포기 의 time sequence 중호기시간을 3분할하였다. 즉 호기 시간을 비포기(20분)-포기(20분)-비포기(20분)으로 분할하여 전단의 비 포기 (non-aeration) 시간은 전단에서 공급된 유입수가 충분히 탈 질산화 및 인방출에 활용하도록 시간을 확보해주고, 후단의 비포기는 용존산소를 고갈시켜 후속되는 유입이 있는 비 포기 시 간(feeding with nonaeration) 에 용존산소의 영향 없이 유기물이 탈질산화 및 인방출에 최대한 활용될 수 있도록 기존 간헐포기를 개량하여 time sequence를 구성하였으며 (Fig. 2하) , 개량 간헐포기법 (MIA) 의 효율성을 입증하기 위해 제거 효율 평가 및 DO, ORP, N 및 P 등의 내부거동 평가를 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 약 13개월 동안 충북 G군 S 마을하수처리시설에서 수행되었으며, 유입 수는 분류식 및 합류식 관거에서 들어오는 마을하수로서 운영기간 동안 유입 수수질은 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
- 개량 간헐포기법에서 효율이 증진하는 것은 상기default parameter> 이용하여 비교평 가하였다. 모사 결과 처리수의 NH4-N 농도는 두 방법 모두 0.
이론/모형
- Orion 230A+ 으로 측정하였고. 반응조의 MLSS는 Central 기의 ON/OFF 방식과 본 연구에서 개발한 개량 간헐 KAGAKU사의 ML-53으로 측정하였다. 그 외의 모든 수질 분석 은 Standard Methods1995) 및 공포기방식을 모두 평가할 수 있도록 변형이 가능토록 하였다.
- 적용 공정의 모식도 및 운영 조건은 다음Fig. 정 시험법에 준해 측정하였다.
성능/효과
- 1.기 존 간 헐포기 의 on/off 방식의 time sequence를 변경한 개량간 헐포기로 적용한 결과, BOD, COD, SS 제거 효율은 모두 동일하게 우수하였으며, 기존 간헐포기에서의 57.5%의 총질소와 58.6%의 총인 제거 효율이 각각 73% 및 69.6%로 크게 증가하였다.
- 2. CIA 및 MIA 포기 방식 에서 간헐포기조 내의 N03--N의 농도 변화는 각각 3~7.8mg/l 및 1.5~8.5 mg/1의 범위이었으며, 처리수 중의 평균 NO3--N 농도는 각각 8.6 및 5.0mg/l로 CIA에 비해 탈질산화 및 탈인에 유기물 활용성이 크게 증진되었으며, CIA의 단점인 포기에서 비포기 전환 후 잔존용존산소에 의한 탈질산화 억제 문제를 크게 해소되었다.
- 3. CIA에서는 비포기로 전환 후 약 10~20분 동안은 호기 상태에 있어 탈질산화 반응이용존산소에 의해 영향을 받은 반면, MIA에서는 유입 수 주입시점에서 잔존용 존산소의 영향이 전혀 없었다.
- 4.약 8, 000mg/l의 MLSS농도에서 개량간 헐포기법을 평가시, 간헐포 기조 내에서 20분의 포기 시간으 로 충분한 질산화가 이루어졌으며, 간헐포 기조에서 약 80% 정도의 질산화가 이루어져 슬러지자 체반송 효과가 컸다.
- 5.개량 간헐포기 기술은 슬러지반송을 1Q 수준으로 운영하면서 유기물 활용성이 높아질소 .인 제거 효율이 우수한 기술로서 유입 수의 유기물 농도가 낮고 C/N비가 낮은 우리나라 하수처리에서 현장 활용성이 크게 증진되었다.
- 5시간) , 2시간 및 20분으로 총 HRT는 6시간이었다. 간헐포 기조의 운영에 있어서는 기존 60분 주 기의 ON/OFF 방식과 본 연구에서 개발한 개량 간헐포기방식을 모두 평가할 수 있도록 변형이 가능토록 하였다. 적용 공정의 모식도 및 운영 조건은 다음Fig.
- 9mg/l로 나타나 개량간헐포기로 운영한 KSMBR 에서 유기물을 탈 질산화 반응에 효율적으로 활용한다는 것을 알 수 있다. 개량 간헐포기에서 질소 제거 효 율이 약 5~10%가량 높은 것으로 나타났다. 모사 결과와 실제 운영 결과는 약간의 농도 차이는 있으나, 대체적으로 유사한 결과를 나타냈다
- 기존 간헐포기법 (CIA)에서 간헐포 기 조의 내부거 동을 확인한 결과(Fig. 3, 우) , NH4+-N 및 NO3--N은 농도는 각각 0.3~5.7 mg/1 및 3~7.8mg/l의 범위에서 질산화 및 탈질산화가 비교적 원활하게 수행되었다.
- 2 mg/1 정도 질산화가 일어나 NO3--N이 증가하였다. 된 20분간의 비포기 상태에서 속도는 크게 감소하였으나 탈질산화 및 인방출이 지속적으로 진행되는 것으로 확인되었으며, 20분간의 포기 시간에는 기존 간헐포기에서의 60분간의 포기 시간과 같은 수준의 질산화 효율을 얻었다. 이는 MLSS 농도가 높아 충분한 질산화 능력 때문인 것으로 판단되며, 본 연구에서 이용한 유입 수의 암모니아성질소 수준에서는 20분의 호기성 조건으로도 충분한 것으로 나타났다.
- 이는 MLSS 농도가 높아 충분한 질산화 능력 때문인 것으로 판단되며, 본 연구에서 이용한 유입 수의 암모니아성질소 수준에서는 20분의 호기성 조건으로도 충분한 것으로 나타났다. 또한, 20분간의 용존산소 저감을 위한 비 포기 (air off) 구간에는 남아있는 용존산소로 인해 지속적으로 NO3--N이 증가하는 것으로 관찰되었다.
- 2에 근거하여 SRT는 35일, 처리수의 SS는 Omg/1로 MBR 에서와 유사하게 가정하고 모델 운영은 15ºC에서 fault parameter를 이용하여 비교평 가하였다. 모사 결과 처리수 의 NH4-N 농도는 두 방법 모두 0.2mg/l 이하로 나타났으며, 처리수 NO3--N 농도는 기존 간헐 포기(CIA) 및 개량간헐포기 (MIA)에서 각 9.1mg/l 및 6.9mg/l로 나타나 개량간헐포기로 운영한 KSMBR 에서 유기물을 탈 질산화 반응에 효율적으로 활용한다는 것을 알 수 있다. 개량 간헐포기에서 질소 제거 효 율이 약 5~10%가량 높은 것으로 나타났다.
- 개량 간헐포기법에서 효율이 증진하는 것은 상기default parameter> 이용하여 비교평 가하였다. 모사 결과 처리수의 NH4-N 농도는 두 방법 모두 0.2mg/l율이 약 5~10%가량 높은 것으로 나타났다. 모사 결과와 실제 운영 결과는 약간의 농도 차이는 있으나, 대에서도 언급하였듯이 기존 간헐포기법으로 운영시 술은 슬러지 내부 및 외부 반송을 줄이면서 기존 처리 비 포기 시간 전환 후 간헐포기조 내에 용존산소가 잔존하여 무산소 조건을 효과적으로 형성하지 못하면서 유기물 손실이 발생하고 탈질산화 시간을 충분히 확보하지 못하여 질소 및 인 관련 제거기작이 방해를 받는 데 큰 원인이 있는 것이다’ 반면에 개량 간헐포 크게 줄일 수 있는 실용적인 기술이며, 본 연구에서기에서는 간헐포 기 반응조의 sequence에서 포기 시간 전후에 비포기 조건을 20분씩 형성하여 줌으로서 상 포기에서 비포기로 전환시, 즉 모드 전환 시 잔존 용기의 기존 간헐포기에서 나타난 용존산소로 인한 유기물의 비효율적 활용 문제가 완전히 해소되었기 때문에 공급된 유기물이 질소 및 인제거에 최대한 활용되었기 때문인 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 비교평가한 두 가지 간헐포기의 효율을 비교하면, BOD, COD, SS, NH4+-N 등의 처리효 율은 큰 차이 없이 모두 우수한 것으로 나타났다. 그러나 T-N 및 T-P 제거 효율에는 큰 차이가 나타남을 알 수 있다(Table 4).
- 본 연구의 목적에서도 언급하였듯이, 간헐포기 기술은 슬러지 내부 및 외부 반송을 줄이면서 기존 처리장의 질소 및 인제거효율을 향상시키는 기술로서 많이 연구되었으며, 본 연구에서 얻은 제거 효율도 멤브레인이 침지된 호기조로부터 슬러지를 1Q로 반송시켜 얻은 결과로서. 간헐포기 기술은 슬러지반송량을 크게 줄일 수 있는 실용적인 기술이며, 본 연구에서 변형한 개량 간헐포기기술은 기존 간헐포기의 단점인 포기에서 비포기로 전환시, 즉 모드 전환 시 잔존 용 존산소의 영향을 완전해소하여 질소 및 인제거에 유기물의 활용성을 크게 증진시킴으로서 간헐포기의 장점을 극대화하여 유입 수의 유기물 농도가 낮고 C/N 비가 낮은 우리나라 하수처리에서 현장 활용성을 증진시킬 것으로 판단된다.
- 상기의 반응조 내부 거동을 확인한 결과, 간헐포기 조 내에서 비포기 시간에 탈질산화되는 양에서 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다. 즉, 기존 및 개량 간헐포기에서 NO3--N의 농도 변화는 각각 3-7.
- 5와 같다. 슬러지반송율은 1Q이었으며, 혐기조에서 암모니아 성질소(NH4+-N)의 농도가 10.49mg/l이었으나 간헐포기조(MIA)에서는 1.92mg/l로 약 80%가량의 암모니아성질소가 제거되어 KSMBR 공정에 있어서 간헐포기조가 질산화 기능을 효율적으로 하고 있는 것으로 분석되었으며, 이로 인해 슬러지자체반송에도 큰 기여를 하고 있는 것으로 나타났다.
- 2 mg/1 이하로 감소한 반면 개량 간헐포기에서는 유입 수가 공급되는 시간에는 간헐포 기조 내에 용존산소가 존재하지 않는 무산소 조건이 형성되는 것을 알 수 있다. 용존산소 거동 특성에서 파악하였듯이, 유입수 주 입시점에서 분석할 때, 기존 간헐포기에서는 약 10~20분 동안은 호기 및 호기와 무산소의 중간 단계 (transit)에 있어 유기물이 호기 성 상태에서 소모되는 반면, 개량간헐포기에서는 유입수 주 입시점에서 용존산소 농도가 거의 0mg/1를 유지하고 있어 반응조내에 유입되는 유기물이 완벽하게 질소 및 인제거 기작에 활용되는 것을 알 수 있으며, 질소 및 인제거에 있어서 용존산소의 영향 없이 유기물 활용성이 크게 증 진 된 것을 알 수 있다.
- 된 20분간의 비포기 상태에서 속도는 크게 감소하였으나 탈질산화 및 인방출이 지속적으로 진행되는 것으로 확인되었으며, 20분간의 포기 시간에는 기존 간헐포기에서의 60분간의 포기 시간과 같은 수준의 질산화 효율을 얻었다. 이는 MLSS 농도가 높아 충분한 질산화 능력 때문인 것으로 판단되며, 본 연구에서 이용한 유입 수의 암모니아성질소 수준에서는 20분의 호기성 조건으로도 충분한 것으로 나타났다. 또한, 20분간의 용존산소 저감을 위한 비 포기 (air off) 구간에는 남아있는 용존산소로 인해 지속적으로 NO3--N이 증가하는 것으로 관찰되었다.
- 그러나 T-N 및 T-P 제거 효율에는 큰 차이가 나타남을 알 수 있다(Table 4). 즉, 기존 간헐포기로 운영시 , 총질소와 총인의 제거 효율은 각각 57.5% 및 58.6%인데 비해 개량간헐포기로 운영되었을 경우에는 총질소 및 총인의 제거 효율은 각각 73.0% 및 69.6%로 크게 증가하였다.
- 상기의 반응조 내부 거동을 확인한 결과, 간헐포기 조 내에서 비포기 시간에 탈질산화되는 양에서 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다. 즉, 기존 및 개량 간헐포기에서 NO3--N의 농도 변화는 각각 3-7.8 mg/1 및 1.5 ~ 8.5mg/l의 범위로 나타났다. 이러한 차이는 개량 간헐포기에서 혐기조로부터의 유입이 중단된 이후 20분 동안 비포기를 연장하여 잔존하는 유기물의 소모 및 내생 탈질 (endogenous denitrification)을 유도하는 것과 유입수가 공급되는 비포 기 초기시간 (20분 이내)에 잔존용존산소에 의한 탈질산화 억제 문제가 완전히 해소하였기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구의 목적에서도 언급하였듯이, 간헐포기 기술은 슬러지 내부 및 외부 반송을 줄이면서 기존 처리장의 질소 및 인제거효율을 향상시키는 기술로서 많이 연구되었으며, 본 연구에서 얻은 제거 효율도 멤브레인이 침지된 호기조로부터 슬러지를 1Q로 반송시켜 얻은 결과로서. 간헐포기 기술은 슬러지반송량을 크게 줄일 수 있는 실용적인 기술이며, 본 연구에서 변형한 개량 간헐포기기술은 기존 간헐포기의 단점인 포기에서 비포기로 전환시, 즉 모드 전환 시 잔존 용 존산소의 영향을 완전해소하여 질소 및 인제거에 유기물의 활용성을 크게 증진시킴으로서 간헐포기의 장점을 극대화하여 유입 수의 유기물 농도가 낮고 C/N 비가 낮은 우리나라 하수처리에서 현장 활용성을 증진시킬 것으로 판단된다.
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