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문제 정의
- 그러나 이는 간단한 실험과 문헌조사에 의해 추정된 결과이며, NBOD가 집중적으로 발생한 동절기에는 본 연구대상 하수처리시설에 혐기성 소화조가 미완성된 상태였고 유입하수의 온도가 평균 8℃ 로 유지되는 등 열악한 운전조건이었기 때문에 보다 정확한 수질 분석과 공정 모사에 의한 원인분석이 요구되었다. 따라서 본 연구에서는 미생물 호흡률 측정과 L/C(Liquid Chromatograph)로 측정된 유입수 분액에 의한 수질데이터를 활용하여 연구 대상 하수처리시설 동절기 상황을 구현한 공정모사를 수행함으로써 NBOD 발생에 대한 원인 분석을 수행하고자 하였다.
가설 설정
- 1과 달리 생물학적 인제거를 위하여 생분해 가능한 용존성 물질인 S_S 는 발효 가능한 유기물 (S_F) 과 발효 부산물(S」4)로 세분되었다. 모든 화학양론의 계산을 위해 S_A는 발효 부산물(Fermentation Products)을 모두 포함하는 아세트산염 (Acetate) 에서만 존재한다고 가정한다. 천천히 생분해 되는 유기 물질인 X_S는 입자성 물질로 가정된다.
제안 방법
- 각각의 반응조에는 DO 컨트롤러를 설치하여 적정 DO를 유지하고자 하였으며, kla(산소전달계수) 값으로 조정하지 않고 DO 농도로 조정하기 위해 PI(비례적분제어) 방식을 채택하였다.
- 현재 운영인자값을 조사 분석하였다. 공정모사 프로그램으로는 IAWQ 의 인증을 받은 벨기에 Hemmis 社의 WEST®를 사용하였으며, 이러한 분석값을 바탕으로 WEST® 의 ‘Node’를 입력하여 Fig. 2와 같이 하수처리시설을 구성 (Configuration)하였다. 하지만 Fig.
- 공정모사를 수행하기 위하여 하수처리시설의 설계 인자값 및 현재 운영인자값을 조사 분석하였다. 공정모사 프로그램으로는 IAWQ 의 인증을 받은 벨기에 Hemmis 社의 WEST®를 사용하였으며, 이러한 분석값을 바탕으로 WEST® 의 ‘Node’를 입력하여 Fig.
- X_ 는 유입수 분액이 끝난 후에 식 (5)에 의해 산정되며, S_I 는 미생물 호흡률 측정 실험 중 내생 호흡 전단의 CODcr를 측정하여 산정할 수 있다. 또한 X_AUT는질산화억제제인 ATU(Allylthiourea) 를 투여한 BOD5(CBOD) 와 질산화억제제를 투여하지 않은 BOD5 를 비교 분석하여 값의 차이가 발생하면 미생물 호흡률을 측정하여 산정하고 그렇지 않은 경우에는 기본값인 0.001 mg/L 로 공정 모사를 수행하였다(조욱상과 강성욱, 2009).
- 3에서는 NBOD가 발생된 시기에 실험 대상 하수처리시설의 슬러지 처리 계통 시설이 가동되지 않았던 운전상황을 구현하기 위하여 잉여슬러지와 1차슬러지를 1 차적으로 침전시켜주는 중력농축조를 설치하여 이를 ST_1 과 ST_2 로 명명하였다. 또한 농축기의 미설치로 인하여 잉여슬러지를 혐기성 소화조로 운송하여 처리하기 위하여 CV_4 로 명명된 배분기 (Distributor) 를 설치하여 농축기의 미설치 시 혐기성 소화조로 운송되고, 농축기 설치시 폐슬러지로 처리되도록 공정모사 구성도를 구현하였다. 또한 CV_4 는 컨트롤러를 구성하여 유량을 조정할 수 있도록 구성하였다.
- 이때 내부반송 및 외부반송 그리고 2차 침전조에도 공정계산기 센서 라인을 연결하여 SRT, HRT, Mass, Volume, F/M비 등을 계산해야 되나 이럴 경우 계산 값이 너무 커지는 문제점이 발생하여 2차 침전조까지만 센서 라인을 연결하여 운영 인자값을 산정하였으며, 내부반송과 외부반송에 의한 부피와 총슬러지량은 고려하지 않았다. 또한 모든 계산에 사용되어진유입수질과 유량은 순수 유입수질과 유량이 아닌 순수유입수와 반류수가 혼합된 수질과 유량을 사용하였다.
- 그리고 호기조로 구성하였다. 무산소조 2의 경우 동절기와 하절기에 각각 무산소조와 호기조로 변형 운영이 가능하게 구성하였으며, 공정계산기 Node를 각각의 센서에 연결하여 SRT, HRT, Mass, Volume, BOD5에 근거한 F/M비, CODCr에 근거한 F/M비 등을 계산하였다. 이때 내부반송 및 외부반송 그리고 2차 침전조에도 공정계산기 센서 라인을 연결하여 SRT, HRT, Mass, Volume, F/M비 등을 계산해야 되나 이럴 경우 계산 값이 너무 커지는 문제점이 발생하여 2차 침전조까지만 센서 라인을 연결하여 운영 인자값을 산정하였으며, 내부반송과 외부반송에 의한 부피와 총슬러지량은 고려하지 않았다.
- 4는 하수처리장 공정모사에 대한 진행 순서를 보여주고 있다. 미생물 호흡률 측정과 VFAs 등의 측정 결과로 추정된 유입수 분액 결과값을 바탕으로 산정되어진 정상 상태 수질 인자값을 유입수 데이터로 입력하여 정상상태 공정 모사를 수행한다. 정상상태 공정 모사 결과 수질이 안정적으로 유출되어지면, 하수처리장을 구성하고 있는 매개변수에 대한 민감도 분석을 실시하여 유출수질에 대한 각각의 매개변수 보정을 실시한다.
- 무산소조 2의 경우 동절기와 하절기에 각각 무산소조와 호기조로 변형 운영이 가능하게 구성하였으며, 공정계산기 Node를 각각의 센서에 연결하여 SRT, HRT, Mass, Volume, BOD5에 근거한 F/M비, CODCr에 근거한 F/M비 등을 계산하였다. 이때 내부반송 및 외부반송 그리고 2차 침전조에도 공정계산기 센서 라인을 연결하여 SRT, HRT, Mass, Volume, F/M비 등을 계산해야 되나 이럴 경우 계산 값이 너무 커지는 문제점이 발생하여 2차 침전조까지만 센서 라인을 연결하여 운영 인자값을 산정하였으며, 내부반송과 외부반송에 의한 부피와 총슬러지량은 고려하지 않았다. 또한 모든 계산에 사용되어진유입수질과 유량은 순수 유입수질과 유량이 아닌 순수유입수와 반류수가 혼합된 수질과 유량을 사용하였다.
- 001 로 입력된 값은 모델링 식에는 이용되어지나 유입수 중에는 없거나 혹은 없다고 가정하는 값들을 나타낸 것이다. 이렇게 산정된 값을 WEST® 공정모사기에 유입수 값으로 입력하고 공정 모사를 수행하였다.
- 3 mg/L)하는 결과가 관찰되었다. 이에 하수처리시설 분석실에서 Table 1과 같은 실험을 통하여 유출수의 BOD5 가 증가한 원인이 NBOD 의 영향으로 분석하였으며, 동절기에 질 산화균의 최대 비성장율(㎛, maximum specific growth rate) 이 온도에 영향을 받아 하수처리시설의 질산화 반응 효율이 급감했기 때문에 5일 이내에 NBOD 가 발생한 것으로 분석하였다. 그러나 이는 간단한 실험과 문헌조사에 의해 추정된 결과이며, NBOD가 집중적으로 발생한 동절기에는 본 연구대상 하수처리시설에 혐기성 소화조가 미완성된 상태였고 유입하수의 온도가 평균 8℃ 로 유지되는 등 열악한 운전조건이었기 때문에 보다 정확한 수질 분석과 공정 모사에 의한 원인분석이 요구되었다.
- 미생물 호흡률 측정과 VFAs 등의 측정 결과로 추정된 유입수 분액 결과값을 바탕으로 산정되어진 정상 상태 수질 인자값을 유입수 데이터로 입력하여 정상상태 공정 모사를 수행한다. 정상상태 공정 모사 결과 수질이 안정적으로 유출되어지면, 하수처리장을 구성하고 있는 매개변수에 대한 민감도 분석을 실시하여 유출수질에 대한 각각의 매개변수 보정을 실시한다. 이러한 일련의 과정을 통하여 동적 공정 모사를 수행하게 되고 최종결과물을 얻을 수 있음을 보여주고 있다.
- 실시하였다. 정상상태 공정 모사의 경우 유입수 데이터가 1개 필요하므로 본 연구에서는 시료 1의 COD 분액 결과와 공정시험 결과를 바탕으로 유입수 분액을 실시하였다. 그 결과는 Table 5에 나타내었다.
- 하수처리시설의 반응조는 혐기조, 무산소조 1, 무산소조 2, 그리고 호기조로 구성하였다. 무산소조 2의 경우 동절기와 하절기에 각각 무산소조와 호기조로 변형 운영이 가능하게 구성하였으며, 공정계산기 Node를 각각의 센서에 연결하여 SRT, HRT, Mass, Volume, BOD5에 근거한 F/M비, CODCr에 근거한 F/M비 등을 계산하였다.
성능/효과
- 1) 침사지로 유입되는 반류수가 고농도로 유입되어 하수처리시설에 전반적으로 악영향을 주고 있다.
- 2) 8℃ 에서 질산화가 진행되는 도중 암모니아성 질소의 유출농도가 서서히 증가하는 현상으로 인하여 후에 NBOD 로 추정되는 반응에 사용되었을 가능성이 제기되었다. 이는 폐슬러지량의 감소로 인하여 반류수 농도가 증가되어 유입수질이 변화했기 때문으로 분석되어졌다.
- 3) 슬러지 처리의 불안정으로 인하여 MLSS의 농도 조정에 어려움이 발생하여 2차침전조의 침강성이 좋지 않다.
- 4) 유입하수가 8℃로 유입될 때 즉, 보증수온 이하로 유입될 때 MLSS 의 감소로 인하여 2차침전조에서 슬러 지의 계면 농도가 상승하고 그로인한 독립영양미생물 0—4L7) 의 유출량이 증가하여 유출수 중 NB-N 을 질산화시키는 과정에서 NBOD 가 발생할 가능성이 높은 것으로 분석된다.
- 5는 슬러지 처리 안정화 유무에 따른 반류수 농도를 공정 모사 결과를 통하여 보여주고 있다. TP와 TSS를 제외하면 약 2배 정도의 농도 차이를 보이고 있으며, TP는 약 6배 정도 증가하는 것으로 공정 모사 결과로 산정되었다. 또한 TSS 의 경우에도 약 6배 정도 증가하는 것으로 공정 모사 결과로 산정되었다.
- 공정모사 결과, 본 연구대상 하수처리시설의 동절기 NBOD 발생 원인은 혐기성 소화조의 미완성으로 인하여폐슬러지, 슬러지 탈수여액, 역세척수, 분뇨 등의 처리가 정상적이지 않을 때에는 반류수 농도가 증가하면서 MLSS 가 감소되고 감소된 MLSS 로 인해 2차침전조 슬러지 계면농도가 증가하면서 독립영양미생물의 배출량이 증가하게 된다. 또한 혐기성 소화조의 미완성으로 인하여 폐슬러지, 슬러지 탈수여액, 역세척수, 분뇨 등의 처리가 정상적이지 않을 때에는 반류수 농도가 높기 때문에 반류수가 포함된 유입수의 농도가 높아지면서 암모니아성 질소가 증가하게 되는데 이때 내부반송량을 증가시키면 TN 유출 농도는 감소하지만 암모니아성 질소 유출 농도는 증가하여 독립영양미생물이 유출된 암모니아성 질소를 분해하면서 NBOD 를 발생시킬 수 있기 때문에 내부반송량을 증가시키는 것은 바람직하질 못하다.
- 또한 동절기는 TN 의 유출농도를 감소시키는 운전 방법보다는 Fig. 9와 같이 유출 NO3-N 를 유출 NH4-N 보다 높게 유지하면 NBOD 의 발생을 예방할 수 있는 것으로 분석되었다.
- 7에서 보다 안정화되고 유출량도 감소한다. 또한 동절기에 슬러지 처리의 불안정으로 인하여 MLSS 농도가 감소되고 슬러지 계면 농도가 안정화되지 않은 상태에서 Fig. 8에서와 같이 NH3-N의 유출 농도가 증가하였기 때문에 NBOD 로 추정되어지는 현상이 발생한 것으로 분석되었다.
- 유출 수질이 높은 문제점이 있었다. 또한 타 하수처리 시설에 비해 2차 침전조의 침강성이 좋지 않았으며, 이로인해 유입수 수온이 8℃ 로 유입될 경우에는 2차 침전조에서 독립영양미생물 (R』L7) 의 유출량이 증가하여 유출수의 암모니아성 질소와 반응하면서 NBOD 가 발생할 가능성이 높았다.
- 슬러지 처리 장치가 완성되지 않은 상태에서 잉여슬러지를 혐기성 소화조로 이송하였을 경우 Fig. 5와 같이 반류수농도가 각각 CODCr 4, 100 mg/L, BOD5 1, 650 mg/L, TSS 4, 800 mg/L, TN 210 mg/L, TP 128 mg/L 등 고농도로 유출되어 하수처리장 전반에 악영향을 주고 있는 것으로 분석되었다.
- 연구대상 하수처리시설을 공정모사한 결과, 동절기 슬러지 처리가 비정상적으로 운영 중일 때는 침사/스크린 조로 유입되는 반류수가 고농도로 유입되어 하수처리시설에 전반적으로 악영향을 주고 있었으며, 반류수의 영향으로 암모니아성 질소 (NHt-N) 의 유출 농도가 높고 이로 인하여 총질소(TN)의 유출 수질이 높은 문제점이 있었다. 또한 타 하수처리 시설에 비해 2차 침전조의 침강성이 좋지 않았으며, 이로인해 유입수 수온이 8℃ 로 유입될 경우에는 2차 침전조에서 독립영양미생물 (R』L7) 의 유출량이 증가하여 유출수의 암모니아성 질소와 반응하면서 NBOD 가 발생할 가능성이 높았다.
- 8과 같이 암모니아성 질소(NH4-N) 의 유출량이 높게 유출되고 있었다. 종합적인 상황을 분석한 결과 독립영양미생물이 유출수에 존재하는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변환하는데 관여하여 DO 를 소모하고, 그로인하여 BOD 실험 결과 BOD값이 높아지는 현상을 초래한 것으로 분석되었다.
- 즉, 고도처리에서 MLSS의 증가는 2차 침전조의 계면농도를 안정시키고 그로 인하여 Fig. 6에서와 같이 X_AUT (독립영양미생물) 유출량이 Fig. 7에서 보다 안정화되고 유출량도 감소한다. 또한 동절기에 슬러지 처리의 불안정으로 인하여 MLSS 농도가 감소되고 슬러지 계면 농도가 안정화되지 않은 상태에서 Fig.
- 하지만, 본 논문의 연구 대상인 하수처리시설의 경우 동절기가 시작되어 유출 수질의 BOD5 가 서서히 증가하다가 유입수의 수온이 보증 수온인 12℃ 이하로 유입되었을 경우에 보증수질(BOD5 8.3 mg/L 이하)을 상회(BOD5 11.3 mg/L)하는 결과가 관찰되었다. 이에 하수처리시설 분석실에서 Table 1과 같은 실험을 통하여 유출수의 BOD5 가 증가한 원인이 NBOD 의 영향으로 분석하였으며, 동절기에 질 산화균의 최대 비성장율(㎛, maximum specific growth rate) 이 온도에 영향을 받아 하수처리시설의 질산화 반응 효율이 급감했기 때문에 5일 이내에 NBOD 가 발생한 것으로 분석하였다.
- 현재의 NBOD 로 추정되는 현상은 동절기시 혐기성 소화 조의 미구축으로 인하여 발생된 불안정한 슬러지 처리에 원인이 있는 것으로 분석되었다. 보증수온 이상일 경우 Fig.
- 혐기성 소화조로 분뇨가 유입되는 것을 구현하였으며, 맴브레인 필터로 구성된 2차 침전조 후단의 방류수 여과 설비에서 발생되어 반류수에 포함되는 역세척수(Filter Backwash Water) 도 구현하여 반류수 흐름의 물질수지의 정확성을 높였다.
후속연구
- 이에 하수처리시설 분석실에서 Table 1과 같은 실험을 통하여 유출수의 BOD5 가 증가한 원인이 NBOD 의 영향으로 분석하였으며, 동절기에 질 산화균의 최대 비성장율(㎛, maximum specific growth rate) 이 온도에 영향을 받아 하수처리시설의 질산화 반응 효율이 급감했기 때문에 5일 이내에 NBOD 가 발생한 것으로 분석하였다. 그러나 이는 간단한 실험과 문헌조사에 의해 추정된 결과이며, NBOD가 집중적으로 발생한 동절기에는 본 연구대상 하수처리시설에 혐기성 소화조가 미완성된 상태였고 유입하수의 온도가 평균 8℃ 로 유지되는 등 열악한 운전조건이었기 때문에 보다 정확한 수질 분석과 공정 모사에 의한 원인분석이 요구되었다. 따라서 본 연구에서는 미생물 호흡률 측정과 L/C(Liquid Chromatograph)로 측정된 유입수 분액에 의한 수질데이터를 활용하여 연구 대상 하수처리시설 동절기 상황을 구현한 공정모사를 수행함으로써 NBOD 발생에 대한 원인 분석을 수행하고자 하였다.
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