[논문]GPS-X 기반 모델링에 의한 강변사업소 처리효율 분석 및 반류수 처리 공정 설계

신춘환

doi:10.5322/jesi.2016.25.11.1493

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The efficiencies of Gang-Byeon sewage treatment facilities, which are based on GPS-X modelling, were analysed and used to design recycle water treatment processes. The effluent of an aeration tank contained total kjeldahl nitrogen (TKN) of 1.8 mg/L with both C-1 and C-2 conditions, confirming that m...

The efficiencies of Gang-Byeon sewage treatment facilities, which are based on GPS-X modelling, were analysed and used to design recycle water treatment processes. The effluent of an aeration tank contained total kjeldahl nitrogen (TKN) of 1.8 mg/L with both C-1 and C-2 conditions, confirming that most ammonia nitrogen ($NH_3{^+}-N$) was converted to nitrate nitrogen ($NO_3{^-}-N$). The concentrations of $NH_3{^+}-N$ and $NO_3{^-}-N$ were found to be 222.5 and 227.2 mg/L, respectively, with C-1 conditions and 212.2 and 80.4 mg/L with C-2 conditions. Although C-2 conditions with higher organic matter yielded a slightly higher nitrogen removal efficiency, sufficient denitrification was not observed to meet the discharge standards. For the total nitrogen (T-N) removal efficiency, the final effluent concentrations of T-N were 293.8 mg/L with biochemical oxygen demand (BOD) of 2,500 mg/L, being about 1.5 times lower than that (445.3 mg/L) with BOD of 2,000 mg/L. Therefore, an external carbon source to increase the C/N ratio was required to get sufficient denitrification. During the winter period with temperature less than $10^{\circ}C$, the denitrification efficiency was dropped rapidly even with a high TKN concentration (1,500 mg/L). This indicates that unit reactors (anoxic/aerobic tanks) for winter need to be installed to increase the hydraulic retention time. Thus, to enhance nitrification and denitrification efficiencies, flexible operations with seasons are recommended for nitrification/anoxic/denitrification tanks.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

4) TKN이 1,500 mg/L의 고농도로 유지되어도 10℃이하의 동절기에서는 질산화율이 급격히 떨어졌기 때문에 무산소/호기조의 용량을 증가시켜 HRT를 상승시키는 동절기용 단위 반응조를 설치하여 질산화 및 탈질 효율 상승을 위한 질산화/무산소/ 탈질 반응조의 계절에 따른 탄력적 운전을 권장하고자 한다.
, 2008). 따라서 본 연구에서는 동절기 수온저하에 따른 영향을 확인하기 위하여 TKN 농도를 높게 설정하여 모델링하였다. Table 5에 나타낸 모델링 결과에서 보면 TKN을 1,500 mg/L로 고정시키고 BOD를 2,000, 2,500, 3,000 mg/L로 변화 시켰을 때 유출수의 T-N이 각각 892, 687.
이에 부산시에서는 안정적인 T-N처리를 위한 방안으로 기존 시설을 modified ludzak ettinger (MLE) 공정으로 전환하여 반류수의 질소부하를 줄이기 위한 처리 공정 설치를 추진 중에 있다. 이에 따라 본 연구에서는 효과적인 반류수처리 공정의 설계 및 운전 조건의 기초 자료를 제공하기 위해 GPS-X 기반의 모델링을 통해서 시설용량 및 운전조건의 적정성을 제시하고자 하였다.
4 g/m³로 유지되었기 때문에 무산소 및 포기조의 용량은 적절한 것으로 나타났다. 하지만, 10℃이하에서는 TKN이 1,500 g/m³의 고농도로 유지 된다고 하여도 동절기를 제외한 기간에서는 유출수의 TN이 C-1 조건에서 445.3 g/m³, C-2조건에서 293.8 g/m³과 비교하면 같은 BOD조건에서 각각 892.0 g/m³, 687.9 g/m³ 로 나타나 Fig. 2의 하늘색과 파란색 그래프에서 확인 할 수 있는 바와 같이 동절기의 질산화율이 급격히 떨어졌기 때문에 유입 유기물 농도가 일정한 경우에는 무산소/호기조의 용량을 증가시켜 HRT를 상승시키는 동절기용 단위 반응조를 설치하여 질산화 및 탈질 효율 상승을 위한 질산화/무산소/ 탈질 반응조의 계절에 따른 탄력적 운전을 권장하고자 한다.

제안 방법

강변하수처리장은 강우시 우수가 전량 생물반응조로 유입되는 구조로서 강우량이 20 mm/h를 초과한 경우에는 설계유량을 초과하는 일수가 증가함에 따라 수질농도가 낮아지고 이는 C/N비를 낮추어 T-N 제거 효율을 저하시킨다는 결과(BECO, 2015)와 Table 1의 처리효율을 Modeling 조건으로 선택하였다.
반류수의 총질소를 효과적으로 처리하기 위해서는 MLE 공정의 도입이 필요하다는 보고서(BECO, 2015)의 결과에 따라 반류수 저감시설의 반응조별 HRT 산정과 최적 운영 조건을 선택하기 위하여 외부 탄소원을 주입하여 BOD를 2,000 mg/L(C-1), 2,500 mg/L (C-2) 로 조절한 Table 2의 조건을 입력값으로 사용하였다. 또한 동절기 질산화율 저하에 대한 검토를 위해서 Fig. 1과 같은 온도변화(5 ~ 30℃)에 따른 유출수 수질변화를 예측하였다.
반류수의 총질소를 효과적으로 처리하기 위해서는 MLE 공정의 도입이 필요하다는 보고서(BECO, 2015)의 결과에 따라 반류수 저감시설의 반응조별 HRT 산정과 최적 운영 조건을 선택하기 위하여 외부 탄소원을 주입하여 BOD를 2,000 mg/L(C-1), 2,500 mg/L (C-2) 로 조절한 Table 2의 조건을 입력값으로 사용하였다. 또한 동절기 질산화율 저하에 대한 검토를 위해서 Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시뮬레이터는 그래픽기반의 GPS-X이며 Biological모델과 Influent model은 각각 ASM1(Henze et al., 1987), BOD based를 사용하였다. GPS-X(BOD 기반 ASM1모델) 시뮬레이터는 하폐수처리공정 분석용 모델로서 생물학적 공정의 부유/부착 공정 설계 및 검/보정을 통해 이상적인 플랜트를 설계하기 위한 최적의 프로그램이며 초보자 및 현장 운전자에게 적합한 모델로서 잘 알려져 있다 (Nasr et al.

성능/효과

1) 포기조에서는 유출수의 TKN의 농도가 C-1과 C-2 조건 모두에서 1.8 mg/L으로 낮기 때문에 암모니아성 질소의 대부분은 질산성 질소로 전환이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
2) 무산소조에서는 C-1의 조건에서 NH₃⁺-N가 222.5 mg/L, NO₃-N 가 227.2 mg/L, C-2 조건에서 NH₃⁺-N가 212.2 mg/L, NO₃-N 가 80.4 mg/L로 확인되어 유기물 농도가 높은 C-2조건에서는 다소 높은 질소제거 효율을 보이고 있으나, 방류수 조건을 만족하는 탈질 반응은 원활하게 수행되지 않는 것으로 판단하였다.
3) T-N 제거효율의 경우, 유입수 BOD 농도가 2,500 mg/L인 경우에는 최종 유출수의 T-N농도가 약 293.8 mg/L으로 BOD 농도 2,000 mg/L일 때 445.3 mg/L 보다 약 1.5배정도 낮게 나타났다. 따라서, 원활한 탈질을 위해서는 C/N비 상승을 위한 외부탄소원 공급이 필요한 것으로 나타났다.
C-1(2,000 mg-BOD/L)과 C-2 (2,500 mg-BOD/L) 조건 모두에서 포기조 유출수의 TKN의 농도가 1.8 mg/L으로 낮았기 때문에 암모니아성 질소의 대부분은 질산성 질소로 전환이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, C-1조건에서 무산소조의 NH₃⁺-N가 222.
따라서, TN 제거 효율에서는 유입수 BOD 농도가 2,500 mg/L인 경우에는(C-2) 최종 유출수의 TN농도가 약 293.8 mg/L으로 BOD 농도 2,000 mg/L일 때 (C-1) 445.3 mg/L 보다 약 1.5배정도 낮게 나타난 결과로 부터 무산소조에서의 탈질반응은 유기물 농도의 영향을 받는 것을 확인 할 수 있을 뿐만 아니라 질산화 되지 않는 질소는 유입된 난분해성 유기질소와 질산성 질소 및 세포합성에 이용된 질소를 포함하고 있는 것으로 추정되기 때문에 원활한 탈질을 위해서는 C/N비 상승을 위한 유기물로서 외부탄소원 공급이 필수적임을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 대부분의 하·폐수 처리시설에서 사용하는 생물학적 독립영양질산화/종속영양탈질을 응용한 공법의 문제점은?	국내 대부분의 하·폐수 처리시설은 질소 제거를 위한 공정으로 생물학적 독립영양질산화/종속영양탈질을 응용한 공법을 시행하고 있으나 국내 하수는 낮은 C/N비 때문에 과다한 산소와 외부 탄소원이 추가적으로 요구되어 운전비용이 고가이며 유기물 양이 과다하거나 부족할 때 각각 유출수 오염과 아질산성 질소의 축적을 초래하기도 한다(Rittmann and McCarty, 2001). 또한 소화상징액, 농축상징액 및 탈리여액으로 구분되는 반류수는 발생 공정에 따라 C/N비가 다소 차이가 있지만 공통적으로는 T-N 농도가 높은 특징을 가지고 있기 때문에 하수처리공정의 단위 공정으로 반송되어 유입될 경우에는 T-N농도 부하가 상승되는 요인을 제공하고 있으며 C/N비가 낮은 합류식 하수관거 유입수로 인하여 T-N제거에 저해요소로 작용하고 있다(Geroge et al.
	부산시에서는 T-N 제거효율을 향상시키기 위해 무엇을 추진했는가?	특히 부산 강변하수처리장의 경우, 강우시 우수가 전량 생물반응조로 유입되는 구조로 되어있기 때문에 강우량이 20 mm/h를 초과한 경우에는 설계유량을 초과하는 일수가 많아지는 영향으로 인하여 수질농도가 낮아지게 되고 이는 C/N비를 낮추어 T-N 제거효율을 저하시키는 원인으로 나타나고 있다. 이에 부산시에서는 안정적인 T-N처리를 위한 방안으로 기존 시설을 modified ludzak ettinger (MLE) 공정으로 전환하여 반류수의 질소부하를 줄이기 위한 처리 공정 설치를 추진 중에 있다. 이에 따라 본 연구에서는 효과적인 반류수처리 공정의 설계 및 운전 조건의 기초 자료를 제공하기 위해 GPS-X 기반의 모델링을 통해서 시설용량 및 운전조건의 적정성을 제시하고자 하였다.
	하·폐수를 적절한 처리 없이 그대로 방류했을 때의 문제점은?	급속한 산업 발전과 인구증가, 생활수준의 향상으로 유기물과 영양염류를 포함한 하·폐수 발생량이 매년 증가하는 추세에 있다. 이런 하·폐수를 적절한 처리 없이 그대로 자연수계로 방류할 경우 수계수질을 악화시키는 등 심각한 문제점들을 야기하고 있다. 또한 세계 기후변화에 따른 물과 에너지에 대한 중요성이 강조되고 있는 가운데 국내 각 하수처리장은 에너지를 적게 소비하는 기술을 적용하거나 운전 방법 개선을 통해 처리효율을 높이는 방안을 강구하는 것이 절실하다 (Gude, 2016; Oh et al.

참고문헌 (12)

BECO, 2015, Technical report, Analysis of process efficiency for the improvement of sewage treatment plant.
Geroge, T., Franklin, L. B., Stensel, H. D., 2003, Waste-water engineering treatment and reuse - Edition 4th., Metaclf & Eddy Inc.
Gil, K. I., Lee, U. G., Rho, H. Y., 2008, A study on optimum HRT combination for efficient nitrogen removal at WWTP in winter days, Journal of Koreans Society of Hazard Mitigation, 8, 165-169.
Gude, V. G., 2016, Wastewater treatment in microbial fuel cells - An overview, Journal of Cleaner Production, 122, 287-307.

상세보기
Henze, M., Grady, C. P. L., Gujer, W., Marais, G. V. R., Matsuo, T., 1987, A general model for single-sludge wastewater treatment systems, Water Res., 21, 505-515.

상세보기
Henze, M., Gujer, W., Mino, T., Van Loosdrecht, M. C. M., 2000, Activated sludge models: ASM1, ASM2, ASM2D and ASM3 IWA Scientific and Technical No.9. IWA Publishing.
Korea Water and Wastewater Works Association, 2011, Sewage system standard(ministry of environment), Korea Water and Wastewater Works Association, 28, 871-881.
Lee, J. S., Kim, J. W., 2013, Creative economy and water industry, Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning, Issue Paper 2013-07.
Nasr, M. S., Moustafa, M. A. E., Seii, H. A. E., Kobrosy, G. E., 2011, Modelling and simulation of German BIOGEST/EL-AGAMY wastewater treatment plants - Egypt using GPS-X simulator, Alexandria Engineering Journal, 50, 351-357.

상세보기
Oh, S. T., Kim, J. R., Premier, G. C., Lee, T. H., Kim, C., Sloan, W. T., 2010, Sustainable wastewater treatment: How might microbial fuel cells contribute, Biotechnology Advances.

상세보기
Phillips, H. M., Sahlstedt, K. E., Frank, K., Bratby, J., Brennan, W., Rogowski, S., Pier, D., Anderson, W., Mulas, M., Copp, J. B., Shirodkar, N., 2009, Waste-water treatment modelling in practice: A collaborative discussion of the state of the art, 59, 695-704.

상세보기
Rittmann, B. E., McCarty, P. L., Environmental biotech-nology: Principles and Applications, 2002, Mc Graw Hill.

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