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[국내논문] 호흡률 및 송풍기 제어 기반 포기조 최적 DO 농도 설정과 전력 비용 절감 연구
Optimal DO Setpoint Decision and Electric Cost Saving in Aerobic Reactor Using Respirometer and Air Blower Control 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.52 no.5, 2014년, pp.581 - 586  

이광수 (경희대학교 공과대학 환경학 및 환경공학과) ,  김민한 (팬지아이십일) ,  김종락 (유앤유소프트) ,  유창규 (경희대학교 공과대학 환경학 및 환경공학과)

초록
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하수처리장을 운영함에 있어 안정적인 방류수질 확보와 이에 따른 처리 비용을 최소화하는 것이 주요 목적이다. 하지만 유입수 유량 및 성분 농도의 변화와 미생물의 비선형적인 동특성, 기타 환경 요인에 의해서 최적의 운전 제어를 하기가 쉽지 않기 때문에, 기존의 하수처리장에서는 필요한 양 이상의 폭기화학물질을 과량 주입하는 방법 등을 사용하였다. 본 연구에서는 포기조에서 미생물에 필요한 용존산소농도는 유지하면서 과폭기로 인한 전력 비용을 감소하는 최적 제어 방법을 제안하였다. 하수조성와 포기조 미생물의 호흡률은 실시간 미생물 호흡률 측정기(Oxygen uptake rate, OUR)를 이용하여 측정하였고, 실시간 호흡률 측정값을 바탕으로 현재 미생물에 필요한 최적 DO 농도를 제안하였다. 유입수 부하변동에 따라 변화하는 미생물 호흡에 필요한 산소량 만큼만 폭기하도록 구성함으로써, 방류수 수질기준을 만족함과 동시에 전력 비용을 최소화할 수 있는 방안을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Main objects for wastewater treatment operation are to maintain effluent water quality and minimize operation cost. However, the optimal operation is difficult because of the change of influent flow rate and concentrations, the nonlinear dynamics of microbiology growth rate and other environmental f...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한, 생물학적 처리에 있어서 산소는 미생물의 호흡과 기질의 분해에 직접적으로 관여하고 있기 때문에 호흡률 측정법은 미생물과 하수의 특성을 밝히는데 좋은 방법으로 알려져 있다[5]. 따라서 본 연구에서는 호흡률 측정법을 사용하여 미생물 동특성을 파악하여 최적 용존산소농도를 산정함으로써 효율적이고 경제적인 하수처리공정의 운전조건을 제시하고자 한다.
  • 본 연구에서는 미생물의 산화반응에 필요한 포기조 내 최적 용존산소농도를 산정하여 그에 따른 송풍량을 제어하고자 한다. 생물학적 하수처리공정에서의 미생물 동특성은 하수의 성분, 발생 및 배제 등 다양한 조건에 영향을 받기 때문에 지역 및 환경에 따라 매우 상이하게 보고되고 있다[7,8].
  • 그 결과 현재까지의 하수처리장의 운전은 경험이 풍부한 전문가의 판단에 의해서 대부분 수행되고 있으며, 결국 최적 관리는 한계를 가질 수밖에 없었다[14,15]. 본 연구에서는 실제 가동 중인 D 하수처리장을 테스트베드로 하여 실운전을 수행하였고, 실운전을 수행함에 있어 안정성을 강화하기 위하여, 방류수질의 상태에 따라 산정된 DO 농도의 적용 여부를 결정하고 보정함으로써, 공정의 신뢰성 및 안정성을 높일 수 있도록 하였다.

가설 설정

  • 이 때, 미생물이 단위 시간당 소비하는 DO 농도값을 OUR로서 계산되며, 본 연구에서 사용한 방법도 이와 같다. 또 다른 방법으로는 미생물이 존재하는 액상으로의 산소 전달률을 측정하는 것으로 기상의 산소 농도와 액상의 산소 농도가 평형을 이룬다는 가정 하에 기상의 산소농도의 변화를 측정하는 것이다. 이 또한, 일정시간 간격으로 미생물이 소비하는 DO 농도를 산출함으로써 OUR을 계산한다[10-12].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
하수처리장을 운영함에 있어 주요 목적은? 하수처리장을 운영함에 있어 안정적인 방류수질 확보와 이에 따른 처리 비용을 최소화하는 것이 주요 목적이다. 하지만 유입수 유량 및 성분 농도의 변화와 미생물의 비선형적인 동특성, 기타 환경 요인에 의해서 최적의 운전 제어를 하기가 쉽지 않기 때문에, 기존의 하수처리장에서는 필요한 양 이상의 폭기 및 화학물질을 과량 주입하는 방법 등을 사용하였다.
호흡률은 무엇이며, 어떤 것과 연관이 있는가? 미생물이 기질(Substrate)을 분해할 때 소모시키는 산소량은 일반적으로 단위시간당 소모되는 산소량인 호흡률 또는 산소섭취속도(OUR, Oxygen Uptake Rate)로 측정된다. 호흡률은 포기조 내의 미생물의 대사활동을 직접 측정하는 상태변수로써, 미생물량의 증가 및 기질 제거와 직접적인 연관이 있으므로 이를 측정하는 것은 활성슬러지 공정의 운전을 위해서 유용한 기술이다[9]. 흔히, 포기조로 유입되는 생물학적 분해 가능물질의 농도가 높을수록 포기조 내 미생물의 활성이 높을수록 OUR은 높은 값을 나타낸다.
미생물의 호흡률을 측정하는 방법의 대표적인 두 가지는 무엇인가? 미생물의 호흡률을 측정하는 방법에는 대표적으로 두 가지가 있다. 첫째는 미생물이 존재하는 액상에서의 산소농도 감소율을 측정하는 것으로, DO 센서를 사용하여 액상의 용존산소 농도의 변화를 측정한다. 포기조에서의 하수를 샘플링하여, 반응기에 넣고 일정 시간 간격으로 액상의 DO 농도를 측정하면, 미생물이 일정시간 간격으로 얼마만큼의 DO를 소비하는지 파악할 수 있다. 이 때, 미생물이 단위 시간당 소비하는 DO 농도값을 OUR로서 계산되며, 본 연구에서 사용한 방법도 이와 같다. 또 다른 방법으로는 미생물이 존재하는 액상으로의 산소 전달률을 측정하는 것으로 기상의 산소 농도와 액상의 산소 농도가 평형을 이룬다는 가정 하에 기상의 산소농도의 변화를 측정하는 것이다. 이 또한, 일정시간 간격으로 미생물이 소비하는 DO 농도를 산출함으로써 OUR을 계산한다[10-12].
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참고문헌 (16)

  1. Kim, B. G., Lee, T. H., Choi, G. S. and Kim, C. W., "Relationship Between Loading Rate and Respiration Rate for Contrl of Activated Sludge Process," Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 18(12), 1573-1582(1994). 

  2. Henze, M., Gujer, W., Mino, T. and Loosdrecht, M., "Activated Sludge Models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3," IWA Scientific and Technical report No.9, IWA, UK(1999). 

  3. Petersen, B., "Calibration, Identifiability and Optimal Experimental Design of Activated Sludge Models," Ph.D. thesis, BIOMATH, Gent UNIV., Belgium(2001). 

  4. Kim, D. H., "Estimation of Nitrifiable Nitrogen Compounds in Municipal Wastewater by Respirometry," J. of Korean Society of Water and Wastewater, 21(3), 295-303(2007). 

  5. Kim, M. H., "Development of An Integrated Protocol for Influent Characterization, Model Calibration, Process Optimization, and Plant Design Based on Activated Sludge Models," Ph.M. thesis, KyungHee Univ.(2012). 

  6. Lim, J. J., "A Study for Influent Characterization, Model Calibration and Optimization Using Activated Sludge Model, Ph.M. thesis, KyungHee Univ.(2012). 

  7. Kim, D. H., Kim, H. J. and Jeong, T. H., I. Respirometry Respirometry for the Assessment of Organics Biodegradability in Municipal Wastewater, Journal of Korean Society of Water and Wastewater, 18(1), 29-36(2004). 

  8. Henze, M., "Characterization of Wastewater for Modeling of Activated Sludge Processes," Water Sci. Technol., 25(6), 1-15(1992). 

  9. Spanjers, H. and Vanrolleghem, P. A., "Respirometry as a Tool for Rapid Characterization of Wastewater and Activated Sludge," Water Sci. Technol., 31(2), 105-114(1995). 

  10. Shin, H. S., Jeong, H. S. and Nam, S. Y., "Determination of Active Biomass Concentration is Sludge by Respirometry, Journal of The Korean Society of Civil Engineers, 21(2), 165-170(2001). 

  11. Jeong, H. S., "Monitoring and Simulation of Biological Nitrogen Removal Process Using Respirometry," Ph. M. thesis, KAIST(2000). 

  12. Lee, D. S. and Woo, S. H., "The Realtime Monitoring Sensor in Biological Wastewater Treatment Process," DICER Techinfo Part 1, 5(5), 68-86(2006). 

  13. DreamBios, The measurement respirometry of microorganisms (SRT-Meter), DreamBios, Ltd., 1-38(2011). 

  14. Kim, M. H. and Yoo, C. K., "Design and Environmental/Economic Performance Evaluation of Wastewater Treatment Plants Using Modeling Methodology," Korean Chem. Eng. Res., 46(3), 610-618(2008). 

  15. Zhou, Z., Wu, Z., Wang, Z., Tang, S., Gu, G., Wang, L., Wang, Y. and Xin, Z., "Simulation and Performance Evaluation of the Anoxic/anaerobic/aerobic Process for Biological Nutrient Removal," Korean J. Chem. Eng., 28(5), 1233-1240(2011). 

  16. http://cyber.kepco.co.kr/ckepco/front/jsp/CY/E/E/CYEEHP00101.jsp. 

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