[논문]A2O공정 운전인자 조정에 대한 연구

유호식; 이병희

doi:10.17137/korrae.2015.23.3.033

초록
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대규모 시설확장 없이 기존하수시설의 운영 방식개선으로 처리효율을 극대화할 수 있는 방법을 찾아보고자 하였다. 충분한 질소제거를 위해 체류시간 79%는 호기조에 할애할 필요가 있었다. 포기시간이 길어질수록 질산화가 많이 진행되었는데 인 농도는 반대의 경향을 보여주었다. 긴 포기시간에서 높은 농도의 인 배출을 보여주고 있었다. 높아진 $NO_3-N$의 방해로 PAOs의 활동이 저하되어 TP 및 $PO_4-P$의 흡수가 저조해지는 현상으로 추정되었다. 충분한 질소제거를 위해 긴 포기시간을 선택해야 하지만 TP 및 $PO_4-P$의 농도를 낮출 수 있는 방법도 강구해야 할 필요성이 생겨 혐기조 체류시간을 가변적으로 확장하는 방법을 고안하였다. 혐기조와 무산소조를 두 칸으로 하지 않고 3등분하여 중앙 칸을 가변적으로 사용하는 경우를 설정해 보았다. 중앙 칸을 무산소 또는 혐기조로 사용하는 경우로 설정한 것이다. TN, $NH_3-N$, $NO_3-N$ 등은 충분히 낮추면서 TP 및 $PO_4-P$의 농도를 더욱 낮출 수 있었다. 혐기조 체류시간이 증가되어 탈질촉진이 생긴 것으로 판단되었다. 중앙 칸을 가변적으로 사용할 수 있는 방법으로는 호기조에서 오는 내부반송수를 두 번째와 세 번째 칸으로 밸브 연결하여 두 번째 칸을 선택적으로 혐기조로 운영하는 방법이다. 이러한 방식은 계절에 따라 수온변화에 대응하는 우수한 대안이 될 것으로 사료되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An alternative was investigated to maximize the treatment efficiency of wastewater treatment plant without large scale expansion. 79% of detention time was required for enough nitrogen control. As aeration time was extended, nitrification was processed, but opposite trend was seen in phosphorus. Hig...

An alternative was investigated to maximize the treatment efficiency of wastewater treatment plant without large scale expansion. 79% of detention time was required for enough nitrogen control. As aeration time was extended, nitrification was processed, but opposite trend was seen in phosphorus. High concentration of $NO_3-N$ interrupted PAOs activity not to absorb phosphorus. An alternative was devised for selective use of anaerobic or anoxic zone. Trisection was suggested for alternative use of center room. The result was relatively successful. The concentration of phosphorus was reduced with reduction of nitrogen. Extended anaerobic condition seemed to stimulate denitrification. Valve connection of internal return from aeration tank will make it possible to use middle room alternatively. This method will be a good alternative for seasonal variation of water temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대규모 시설확장 없이 기존시설의 운영 방식개선으로 처리효율을 극대화할 수 있는 방법을 찾아보고자 하였다.
반응조별 체류시간이 질소와 인 농도의 변화에 주는 영향을 살펴보았다. [Table 5]에 백분율로 나타낸 호기조 체류시간별(백분율) TN과 NH₃-N의 배출농도를 [Fig.
겨울철 수온이 내려가면 처리효율저하로 용존성 질소의 배출이 늘어날 뿐 아니라 공정의 특성상 인 제거에 취약하다. 본 연구는 기존 공정을 A₂O로 개선하는 방법을 찾아보았다. 본 연구에서는 표준활성 슬러지조 1지와 이차침전지 2지를 공정개선 검토에 이용하였다.
하수처리장 생물학적 고도처리 upgrade를 위한 공정 최적화¹³⁾ 및 A2O공법에 있어서의 미생물 거동에 대한 연구¹⁴⁾가 수행되었다. 이 같이 하수처리장을 시뮬레이션할 수 있는 software는 여러 분야에서 응용되고 있는데, 본 연구에서는 서울특별시에 위치한 B하수처리장의 공정개선을 시뮬레이션 해보고자 하였다. 기존 처리장의 공정개선이나 시설확장에는 막대한 비용이 소요되는데 시뮬레이션을 통해 최적의 공정운영 조건을 찾아낸다면 비용절감이나 수질개선 뿐 아니라 여타의 처리장에도 많은 참고가 될 것으로 기대한다.

제안 방법

3. 충분한 질소제거를 위해 Case 4,와 6를 선택해야 하지만 TP 및 PO₄-P의 농도를 낮출 수 있는 방법도 강구해야 할 필요성이 생겨 혐기조 체류 시간을 가변적으로 확장하는 방법을 고안하였다. 혐기조와 무산소조를 두 칸으로 하지 않고 3등분하여 중앙 칸을 가변적으로 사용하는 Case를 설정하여 보았다.
생물반응조와 이차침전지의 규격은[Table 4]와 같으며 A₂O 모형 및 Case 설정은 [Table 5]와 같고 반응조별 시간 옆에 백분율도 표시하였다. 처리효율이 떨어져 문제가 되는 계절은 겨울철이므로 수온을 11℃ 로 설정하여 분석하였다.
혐기조와 무산소조를 두 칸으로 하지 않고 3등분하여 중앙 칸을 가변적으로 사용하는 Case를 설정하여 보았다. [Table 6]에 각 생물반응조의 할당시간을 표시하였다.

대상 데이터

본 연구는 기존 공정을 A₂O로 개선하는 방법을 찾아보았다. 본 연구에서는 표준활성 슬러지조 1지와 이차침전지 2지를 공정개선 검토에 이용하였다. 시뮬레이션을 위해 하수처리 공정 소프트웨어인 GPS-X(General Purpose Simulator, Hydromantis, Inc)를 이용하였다.
연구대상으로 서울지역 대형 하수처리장인 B처리장을 선정하였는데 현재 표준활성 슬러지공정으로 운영되는 계열과 MLE공정으로 운영되는 계열이 혼합되어 있다. 겨울철 수온이 내려가면 처리효율저하로 용존성 질소의 배출이 늘어날 뿐 아니라 공정의 특성상 인 제거에 취약하다.
현재의 운전조건을 참고하여 [Table 2]와 같은 유입수질을 사용하였다. 활성 슬러지공정모델로 ASM2d 이용하였고 모델계수는 [Table 3]와 같이 ASM2d default 수치를 사용하였다. 생물반응조와 이차침전지의 규격은[Table 4]와 같으며 A₂O 모형 및 Case 설정은 [Table 5]와 같고 반응조별 시간 옆에 백분율도 표시하였다.

이론/모형

본 연구에서는 표준활성 슬러지조 1지와 이차침전지 2지를 공정개선 검토에 이용하였다. 시뮬레이션을 위해 하수처리 공정 소프트웨어인 GPS-X(General Purpose Simulator, Hydromantis, Inc)를 이용하였다.¹⁵⁾ 이 소프트웨어는 다른 연구에서도 활용된 바 있다.
B처리장은 표준활성 슬러지와 MLE로 운영되던 생물반응조를 A2O공정으로 추진하고 있다. 시뮬레이션의 기본이 되는 생물학적 반응에 대한 모델을 이용한 시뮬레이션은 남아프리카공화국의 Water Research Commission²⁾에서 시작하여 International Water Association에서 ASM (Activated Sludge Model)1, 2, 2D and 3³⁾ 가 발표되었다. 그리고 이 모델을 수치해서 프로그램에 적용하여 software package가 개발되었는데⁴⁾ , 일부 회사가 이를 상용화하였다⁵⁾.

성능/효과

1. 호기조 체류시간 증가에 따라 TN과 NH₃-N의 감소정도를 살폈는데 NH₃-N가 가파르게 감소하였다. 조사한 Case중 Case 4,와 6이 충분한 감소효과를 보여 체류시간 79%는 호기조에 할애할 필요가 있는 것으로 판단되었다.
2. 포기시간이 길어질수록 질산화가 많이 진행되었는데 인 농도는 반대의 경향을 보여주었다. 긴 포기시간에서 높은 농도의 인 배출을 보여주고 있었다.
추세선도 그렸는데 호기조 체류시간 증가에 따라 감소하는 것은 당연하였고 기울기는 NH₃-N가 가파르게 감소하였다. 여섯 개의 Case중 Case 4와 6이 충분한 감소효과를 보여 체류시간 79%는 호기조에 할애할 필요가 있는 것으로 판단된다.
호기조 체류시간 증가에 따라 TN과 NH₃-N의 감소정도를 살폈는데 NH₃-N가 가파르게 감소하였다. 조사한 Case중 Case 4,와 6이 충분한 감소효과를 보여 체류시간 79%는 호기조에 할애할 필요가 있는 것으로 판단되었다.

후속연구

이 같이 하수처리장을 시뮬레이션할 수 있는 software는 여러 분야에서 응용되고 있는데, 본 연구에서는 서울특별시에 위치한 B하수처리장의 공정개선을 시뮬레이션 해보고자 하였다. 기존 처리장의 공정개선이나 시설확장에는 막대한 비용이 소요되는데 시뮬레이션을 통해 최적의 공정운영 조건을 찾아낸다면 비용절감이나 수질개선 뿐 아니라 여타의 처리장에도 많은 참고가 될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	법적 방류수 수질기준 강화 정책으로 국내의 하수처리시설들은 어떤 조치를 취했는가?	고도처리시설을 추가하거나 처리공정을 변경하는 방법으로 배출기준을 준수하려고 하는 것이다. 서울지역의 A처리장은 생물반응조를 표준활성 슬러지공정에서 MLE (Modified Ludzac-Ettinger) 공정으로 개선하는 사업을 추진하였고. B처리장은 표준활성 슬러지와 MLE로 운영되던 생물반응조를 A2O공정으로 추진하고 있다. 시뮬레이션의 기본이 되는 생물학적 반응에 대한 모델을 이용한 시뮬레이션은 남아프리카공화국의 Water Research Commission2)에서 시작하여 International Water Association에서 ASM (Activated Sludge Model)1, 2, 2D and 33) 가 발표되었다.
	질소제거를 위하여 하수시설의 체류시간 중 가장 많은 시간을 차지하는 공정은 무엇인가?	대규모 시설확장 없이 기존하수시설의 운영 방식개선으로 처리효율을 극대화할 수 있는 방법을 찾아보고자 하였다. 충분한 질소제거를 위해 체류시간 79%는 호기조에 할애할 필요가 있었다. 포기시간이 길어질수록 질산화가 많이 진행되었는데 인 농도는 반대의 경향을 보여주었다.
	포기시간이 길어질 수록 질산화와 인 농도는 어떻게 변화하였는가?	2. 포기시간이 길어질수록 질산화가 많이 진행되었는데 인 농도는 반대의 경향을 보여주었다. 긴 포기시간에서 높은 농도의 인 배출을 보여주고 있었다.

참고문헌 (16)

[하수도법 시행규칙 - 공공하수처리시설의 방류수수질기준 ] Sewerage Act & Regulations - Effluent Water Quality Standards of Domestic Wastewater Treatment Plants
Ekama G. A. and Marais G.v.R, The dynamic behaviour of the activated sludge Process, Research Report W27, Dept. of Civil Eng., University of Cape Town, Rondebosch, 7701, RSA. (1978).
International Water Association, Activated Sludge Models ASM1, ASM2. ASM2D and ASM3, Scientific and Technical Report No. 9, IWA Task Group on Mathematical Modelling for Design and Operation of Biological Wastewater Treatment. (2000).
Byonghi Lee, Partial nitrification of high nitrogen wastewater in the contact stabilization process, University of Florida, Ph. D. Thesis. (1992).
CDM Smith, http://cdmsmith.com/en/Insights/Viewpoints/Process-Modeling- Simulates-Wastewater-Treatment-System -Behavior.aspx, (June, 2015)
Metcalf & Eddy/Aecom Wasteater Engineering - Treatment and Resource Recovery, McGraw-Hill, NY, USA, pp. 742-751. (2014).
Brdjanovic D., Loosdrecht M C.M. VAN, Versteef P, Hooijman C. M. Alaerts G. J. and Heijen J. J., "Modeling COD, N and P Removal in a Fill-Scale WWTP Haarlem Waarderpolder," Water Research, 34(3), pp.846-857. (2000).

상세보기
[황은주, 이창근, 이병헌, "하수처리장에서 ASM3와 ADM1의 통합모델의 적용," 대한상하수도학회.한국물환경학회 공동 추계학술발표회 논문집] EunJu Hwang, ChangGeun Lee, ByungHun Lee"Application of the integrated model of ASM3 and ADM1 in Wastewater Treatment Plant," Korean Society of Water&Wastewater.Korean Society on Water Environment, Proceedings of 2007 KSWW & kSWE Fall Meeting, Ilsan, pp. F-102-F-103. (2007).
[안세영, 김정주, "중랑하수처리장 활성슬러지 공정 컴퓨터 모델링," 대한환경공학회 춘계학술 연구발표회] SeYeong An, JeongJoo Kim, "Computer Modeling of Activated Sludge Process in Jungnang Municipal Wastewater Treatment Plant," Korean Society of Environmental Engineers, Proceedings of 2004 KSEE Spring Meeting, Busan, pp. 358-361. (2004).
[백병천, 진현진, "컴퓨터 모델을 이용한 석유 화학폐수 처리공정 설계 연구," 한국도시환경 학회지] Byeong-Cheon Paik, Hyun-Jin Jin, "A Study on The Design of Petrochemical Wastewater Treatment Process by Computer Simulation," Journal of Korea Society of Urban EnvironmentKorea Society of Urban Environment, 8(1), pp. 29-36 (2008).
[정창화 심유섭 김태형 박철휘, "GPS-X 시뮬레이션을 이용한 2단탈질 공정에서 외부탄소 원적용성 평가," 상하수도학회지] ChangHwa Jeong, YuSeob Sim, TaeHyeong Kim, CheolHwi Park "Evaluation of External Carbon Source on the 2 stage Denitrification Process by Simulation of GPS-X,"Journal of Korea Society of Urban Environment Korean Society of Water&Wastewater, 18(1), pp. 37-48. (2004).

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[이운길, 길경익, 한종옥, 고주형, "동절기 하수 처리장에서 효율적인 질소제거를 위한 최적 운 전조건 도출에 관한 연구," 대한상하수도학회.한국물환경학회 공동 추계학술발표회 논문집] Un-Gil Lee, Kyung-Ik Gil, Jong-Ok Han, Joo-Hyung Ko, "A Study on Optimum Operating Condition for Efficient Nitrogen removal at WWTP in Winter days," Korean Society of Water&Wastewater.Korean Society on Water Environment, Proceedings of 2006 KSWW & kSWE Fall Meeting, Deagu, pp. A-47-A-53. (2006).
[김민정, 김민한, 김용수, 유창규, "하수처리장의 고도처리 upgrading 설계와 공정 최적화를 위한 다변량 통계분석," 화학공학회지] MinJeong Kim, MinHan Kim, YongSu Kim and ChangKyoo Yoo, "Design of a Wastewater Treatment Plant Upgrading to Advanced Nutrient Removal Treatment Using Modeling Methodology and Multivariate Statistical Analysis for Process Optimization,"Journal of Korea Society of Urban Environment Korean Chemical Engineering Research, 48(5), pp. 589-897. (2010).
[윤현식, 김덕진, 최봉호, 김문일, " 활성슬러지 모델을 이용한 $A_2O$ 공법 영양염류 제거 및 미 생물 거동," 상하수도학회지] Hyunsik Yoon, Dukjin Kim, Bongho Choi, Moonil Kim, " Nutrients removal and microbial activity for $A_2O$ Process Using Activated Sludge Models," Journal of Korean Society of Water and Wastewater, 26(6), pp. 889-896. (2012).
"Hydromantis", http://www.hydromantis.com/GPS-X.html, (June, 2015)
[안세영, "하수처리장 에너지자립화사업에서 혐기성소화공정으로부터 용출되는 용존성질 소( $NH_3$ -N)의 처리 필요성 연구", 유기물 자원화] SeYong An, "The Study of the Need to Remove Soluble nitrogen (( $NH_3$ -N) Generated from Anaerobic digestor Retrofitted in Municipal Wastewater Treatment Plants", Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, 22(3), pp. 68-75. (2014).

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