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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 포기조 설계시 중요한 설계인자로 적용되는 SRT 와 온도 변수에 비산소소비율 (SOUR) 에 의한 새로운 설계 인자를 비기질이용율 (U) 과 슬러지체류시간 (SRT)에 접목시켜 포기조 설계법에 응용하고 평가하였다.
제안 방법
- 산소 소비율 측정 장치의 구성은 Fig. 1의 (c)에 나타낸 바와 같이 기질, 슬러지, 세척용수 투입, 산소 소비율 측정 반응기, 용존산소(DO) 측정기 등과 전체 시스템을 통제하는 PLC 제어프로그램으로 구성하였다. 그리고 실험실 규모 반응기는 총 4기로 구성하였으며, 각각의 반응기에 항온 수조를 설치하여 온도를 조절하였고, 포기조와 침전조의 유효용량은 각각 13.
- Lab. scale 반응기를 설계하기 위하여 국내 하수 성상을 조사하였으며, 계절별 평균 농도를 기준으로 유입 수질을 결정하였다. 산소 소비율 측정 장치의 구성은 Fig.
- 1의 (c)에 나타낸 바와 같이 기질, 슬러지, 세척용수 투입, 산소 소비율 측정 반응기, 용존산소(DO) 측정기 등과 전체 시스템을 통제하는 PLC 제어프로그램으로 구성하였다. 그리고 실험실 규모 반응기는 총 4기로 구성하였으며, 각각의 반응기에 항온 수조를 설치하여 온도를 조절하였고, 포기조와 침전조의 유효용량은 각각 13.5 L와 14.7 L 로 제작하였다.
- 따라서, 도출된 식 (9)를 포기조 설계에 활용할 수 있을 이용한 포기조 설계법의한 예것으로 판단되며, SOUR을 를 검토하기 위하여 활성슬러지, A2/O, MLE, 장기폭기 등의 공정을 선정하였고, Table 8에 있는 각 공정의 설계 인자 중 괄호 속에 있는 인자를 대표값으로 하여 포기조 설계를 실시하였다. 유량은 100 m3/day이고, 유입수 및 방류수 BOD는 각각 200 mg/L와 5 mg/L로 설정하였고, 온도는 10℃ 로 설정하여 Table 8과 같이 본 연구에서 도출된 경험 식을 활용하였다.
- 유량은 100 m3/day이고, 유입수 및 방류수 BOD는 각각 200 mg/L와 5 mg/L로 설정하였고, 온도는 10℃ 로 설정하여 Table 8과 같이 본 연구에서 도출된 경험 식을 활용하였다. 또한 내생감소계수 (Kd) 와 반속도상수 (Ko2)는 각각 0.05 day-1 와 1.3 mg/L를 설계에 이용하였다. Table 9에 대표적인 공정 4가지에 대해 본 연구를 통해 도출된 경험식을 활용한 새로운 설계법과 기존에 설계하는 방식으로 포기조를 설계한 결과를 나타내었다.
- 본 연구에서는 온도와 SRT 변화에 따른 SOTJR 과 U 의 상관관계를 해석하여, 온도에 따른 SOJR과 SRT, SOUR과 U에 대한 실험식을 도출하였고, 새로운 설계 동역학식 유도를 통해 실험식을 적용하여 포기조 설계식을 평가하였으며, 또한 기존 설계식과의 비교 평가를 위해 공법별로 포기조 설계를 실시하여 비교검토를 수행하였다.
- 시료 채수는 매일 동일한 시간에 실시하였으며, 분석 시간에 가장 많은 비중을 차지하는 고형물 분석을 우선적으로 분석하였다. 시료의 항목별 분석 방법은 Standard Method (APHA et al.
- 579 g TCODcr/g ML VS S・day와 15 g TCODcr/g TN으로 나타났다. 온도 조건과 SRT 에 따른 비산소소비율의 상관관계를 도출하기 위한 운전 조건을 Table 2에 나타내었으며, 온도 변화에 따른 각각의 미생물 체류시간에서의 비산소소비율을 측정하였다.
- 유량은 100 m3/day이고, 유입수 및 방류수 BOD는 각각 200 mg/L와 5 mg/L로 설정하였고, 온도는 10℃ 로 설정하여 Table 8과 같이 본 연구에서 도출된 경험 식을 활용하였다. 또한 내생감소계수 (Kd) 와 반속도상수 (Ko2)는 각각 0.
- 측정 장치로부터 전송받은 산소 소비율 결과값은, 슬러지유입, 기질 유입, 교반, 배출 및 세척의 측정 순환 사이클로부터 실시간 DO 농도 분석을 통하여 이루어진다. 산소 소비율에 대한 정보는 5분 간격으로 측정된 용존산소 농도의 수치들 중 미생물이 기질을 소비하면서 얻어진 부분의 변화된 수치를 사용한다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 유입수는 CH3OH, NH4Cl, KH2PO4, K2HPO4, NaHCO3를 이용하여 만든 합성폐수이며, 온도별로 나타난 유입수 성상을 Table 1에 나타내었다. 유입 유량은 80 L/day, 포기조 체류시간은 4.
이론/모형
- 가장 많은 비중을 차지하는 고형물 분석을 우선적으로 분석하였다. 시료의 항목별 분석 방법은 Standard Method (APHA et al., 2005)에 준하여 분석하였다.
성능/효과
- 1) SOURe U, SRT, 온도와의 특정 함수형태의 상관관계를 가지고 있으며, 온도가 증가함에 따라 증가하고, SRT 가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었으며, 온도가 25℃이고, SRT가 5일일 때 90.32 mg O?/g MLVSS- hr 로 제일 높은 것으로 나타났다. 또한 U값은 온도가 증가하고, SRT가 감소할수록 높은 경향을 나타내었으며, SOUR 의 경향과 같은 결과를 나타내었다.
- 2) SOUR과 SRT의 회귀분석을 통해 10℃, 20℃, 25℃에서 방정식 y=45.27/x+35.32, y=46.14/x+41.28, y=48.07/x+42.80 를 각각 도출하였으며, SOUR =—+, ', 형태의 실험e식을 유도하여 적용하였으며, SOUR과 U의 상관관계를 통해 선형방정식 y=84.57x+19.36(10℃), y=80.93x+23.22 (20℃), y=78.41x+19.67(25℃) 를 도출하여, SOUR = — 의 실험식에 적용하여 포기조 설계에 활용할 수 있는 새로운 설계법을 도출하였다.
- 3) SOUR 을 이용한 설계식과 기존 설계식의 공법별 체류 시간을 비교 검토한 결과 활성슬러지, A2/O, MLE, 장기폭기 공정에서의 포기조 체류시간이 줄어드는 실용적인 설계가 가능하며, 각각 18.1%, 14.26%, 9.02%, 3.94%의 체적 감소 효과를 나타내었다.
- Table 9에 대표적인 공정 4가지에 대해 본 연구를 통해 도출된 경험식을 활용한 새로운 설계법과 기존에 설계하는 방식으로 포기조를 설계한 결과를 나타내었다. 4가지 공정 모두 포기조의 HRT 가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 공정별로는 활성슬러지 공정의 포기조 용적이 18.
- 1%로 제일 크게 감소하였다. SOUR을 이용한 포기조 설계법을 활용하여 설계를 할 경우 기존의 설계방식보다 포기조 체류 시간이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 온도와 SRT 변화에 대한 SOUR 을 상관관계를 이용하여 포기조 설계 식에 새롭게 접근하는 시도에 의의가 있는 것으로 판단되며, 실제 현장에서 적용되기 위해서는 하수를 이용하여 추가적인 연구가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
- SRT 10, 20, 30일의 경우도 SRT 5일과 비슷한 경향을 보였으며, 온도가 증가할수록 SOUR이 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 같은 온도 조건에서 SRT가 증가할수록 SOUR이 감소하는 것을 확인하였으며, SRT 5일, 온도가 25℃일 때 SOUR이 가장 높은 것으로 나타났다.
- 4에 나타내었으며, 온도와 SRT 변화에 따른 U값의 변화 특성과 매우 유사한 경향을 나타내었다. SRT 5일에서는 온도가 10℃, 20℃, 25℃로 증가할수록 SOUR이 80.7, 86.52, 90.32 (mg O*g MLVSS-hr)로 증가하는 것을 볼 수 있었으며, 이때의 포기조 MLVSS는 평균으로 각각 1, 280, 1, 120, 1, 100 mg/L로 나타났다.
- 43 kg TCODcr/kg MLVSS-day의 평균값을 나타내었다. SRT가 동일한 조건에서 온도가 증가할수록 U 값이 증가하는 경향을 나타내었으며, 온도가 동일한 조건에서도 이론적 식이 요구하는 바와 같이 SRT 가 증가할수록 U 값이 감소하는 경향을 나타내었다. Eckenfelder and Peter(1998)의 연구 결과에서도 온도 10~30℃ 에서 온도에 따라 U 값이 증가하는 경향으로 1차 선형방정식 형태를 나타내고 있었으며, 본 연구의 동일한 SRT 조건에서의 결과와 유사한 경향을 나타내었다.
- 분석된 TCODcr 농도는 SS 유출로 인한 COD 상승농도가 어느 정도 있기 때문에 입자성 난분해성 COD 농도를 도출하는 것은 무리가 있다고 판단된다. 그러나 온도에 따라 제일 낮은 방류수 SCODcr 농도를 용존성 난분해 COD라고 할 수 있으며, 10℃의 경우 Mode 4에서 7.3 mg/L로, 20℃와 25℃는 Mode 3에서 각각 7.3 mg/L와 7.1 mg/L로 나타난 것을 확인하였다. 모든 실험 조건에서 90% 이상의 생물학적으로 분해 가능한 COD 가 미생물의 기질로 활용된 것으로 나타났다.
- 온도가 증가할수록 SOUR이 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 같은 온도 조건에서 SRT가 증가할수록 SOUR이 감소하는 것을 확인하였으며, SRT 5일, 온도가 25℃일 때 SOUR이 가장 높은 것으로 나타났다. SRT가 길어질수록 미생물은 유기물이 한정되어 있는 상태이기 때문에 내생호흡 후 사멸하게 되며, 이에 따라 SOUR값이 감소한다고 하고 있으며 (Ronald, 1997), 본 연구의 결과와 유사한 경향을 나타내고 있었다.
- 32 mg O?/g MLVSS- hr 로 제일 높은 것으로 나타났다. 또한 U값은 온도가 증가하고, SRT가 감소할수록 높은 경향을 나타내었으며, SOUR 의 경향과 같은 결과를 나타내었다.
- 1 mg/L로 나타난 것을 확인하였다. 모든 실험 조건에서 90% 이상의 생물학적으로 분해 가능한 COD 가 미생물의 기질로 활용된 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 온도와 SRT 변화에 따른 SOUR 특성을 파악하였으며, 그 결과를 Table 5와 Fig. 4에 나타내었으며, 온도와 SRT 변화에 따른 U값의 변화 특성과 매우 유사한 경향을 나타내었다. SRT 5일에서는 온도가 10℃, 20℃, 25℃로 증가할수록 SOUR이 80.
- SOUR과 SRT의 관계를 통해 SOUR = — + ':. 의 실험식을 도출하였으며, 9.온도가 증가함에 따라 상수 a, b의 값이 증가하는 것으로 나타났다. SOUR과 U의 상관관계를 통해 실험식 SOUR #을 도출하였으며, 온도에 따라 실험식 m m이 다르게 나타났다.
- 해당 모드별 운전 결과를 Table 3에 나타내었으며, SRT 5, 10, 20, 30일에서 동일한 원수조건하에 반응조 수온을 각각 10, 20, 25℃로 운전하였고, 반응조의 MLVSS는 SRT 5, 10, 20, 30일에서 평균 1, 120, 1, 940, 2, 550, 2, 930 mg/L 로 운전되었으며, MLVSS/MLSS비는 각각 0.89~0.93으로 나타났다. CODcr의 경우 동일한 온도에서 Mode 마다 방류수의 TCODcr 과 SCODcr 의 농도가 각각 다르게 나타났다.
후속연구
- 4) SOUR을 이용한 설계는 유입 기질의 특성과 포기조 수온에 따른 미생물 활성도를 고려한 설계방법으로 유입 부하변동이 심하고, 계절별 온도 편차가 뚜렷한 국내 하수처리장 포기조 설계에 적용이 가능할 것으로 판단되지만, 현장 적용성을 향상시키기 위해서는 하수를 이용한 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.
- 또한 최소한의 SRT(P )이상으로 운전되는 공정에서는 F/M 비와 U의 차이는 근소하다고 주장하였다. 따라서, SRT, U, SOUR 의 온도에 따른 상관관계를 통하여 SOUR 을 공정설계를 위한 하나의 검토 인자로써 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
- SOUR을 이용한 포기조 설계법을 활용하여 설계를 할 경우 기존의 설계방식보다 포기조 체류 시간이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 온도와 SRT 변화에 대한 SOUR 을 상관관계를 이용하여 포기조 설계 식에 새롭게 접근하는 시도에 의의가 있는 것으로 판단되며, 실제 현장에서 적용되기 위해서는 하수를 이용하여 추가적인 연구가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
- 이러한 수온 변화 및 미생물 활성도를 반영하기 위하여 포기조 설계에 적용되는 여러가지 인자들 중 계절적 운전인 자로 보편화 되어 있는 SRT 와 미생물 활성도의 직접적인 지표라 할 수 있는 비산소소비율(Specific Oxygen Uptake Rate, SOUR)을 기존 포기조 설계식과 연계할 수 있다면 계절별 온도 변화와 SRT 에 따른 환경 조건 변화에 따른 공정의 불안정한 운전 방안을 개선할 수 있으며, 기존 설계식에 비하여 더욱 세분화된 설계가 가능할 것이다. 이에 본 연구에서는 포기조 설계시 중요한 설계인자로 적용되는 SRT 와 온도 변수에 비산소소비율 (SOUR) 에 의한 새로운 설계 인자를 비기질이용율 (U) 과 슬러지체류시간 (SRT)에 접목시켜 포기조 설계법에 응용하고 평가하였다.
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