[논문]모델링 기반의 선회와류식 SBR 공법이 적용된 하수처리장 및 마을하수도 동절기 총인 개선방안 연구

이현섭; 임지열; 길경익

doi:10.17663/jwr.2019.21.4.251

초록
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상수원의 상류 및 인근 지역의 경우, 개발 제한으로 인해 상대적으로 하수도 보급률이 낮은 지역이 많다. 이는 지속적으로 상수원 오염에 영향 미치며 이를 방지하기 위한 방안으로 하수도 보급 및 기존 시설의 개선 등의 방안이 제시되고 있다. 본 연구에서는 안동댐과 임하댐 상류에 위치하고 있으며, 선회와류식 SBR공법이 도입된 A하수처리장 모델링을 통해 동절기 마을하수도 방류수 수질 개선 방안을 마련하기 위한 연구를 실시하였다. 5년(2012년 ~ 2016년)간의 운전자료를 바탕으로 모델 구축·검증을 실시하였다. 모델링 결과, SRT 조절을 통해 동절기 방류수 수질 개선이 가능할 것으로 분석되었으며, 각 방류수 수질 기준 별 개선 효과는 BOD 1.8%, COD 54.5%, SS 4.3%, T-N 0.8%, T-P 7.7%로 나타났다. 본 연구를 통해 도출된 동절기 하수처리장 방류수 수질 개선을 위한 방안은 유사한 공법이 도입된 하수처리장 및 마을하수도의 운영 개선방안으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the upstream and nearby areas of the water source, there are many areas where the sewerage penetration rate is relatively low due to development restrictions. This has been continuously affecting the pollution of the water source. As a measure to prevent this, method of distributing sewage and im...

In the upstream and nearby areas of the water source, there are many areas where the sewerage penetration rate is relatively low due to development restrictions. This has been continuously affecting the pollution of the water source. As a measure to prevent this, method of distributing sewage and improving existing facilities are suggested. In this study, A MWTP(Municipal Watewater Treatment Plant) using the Air-vent SBR process located at upstream of An-dong and Im-ha Dam was selected as a modeling facility. And, the retrofit method to improve the effluent from RCSTP(Rural Community Sewage Tratment Plant) was induced based on A MWTP modeling result. The model construction and verification were carried out based on the operating data for 5 years (2012 ~ 2016). As a result, it was analyzed that the water quality of the effluent during the winter could be improved through control of cycle time in Air-vent SBR process and decreasing SRT (BOD: 1.8%, COD: 54.5%, SS: 4.3%, T-N; 0.8% and T-P: 7.7%). This research suggests that result of this research can be utilized as a retrofit method to improve the effluent overall treatment efficiency of the MWTP and the RCSTP which have similar operation process.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Map of researched MWTP
그림 Fig. 2. Configuration of Air-vent SBR process
표 Table 1. Characteristics of C MWTP
그림 Fig. 3. Characteristic of sewage during last 5 years
그림 Fig. 4. Concentration of effluent during last 5 years
그림 Fig. 5. Bioreactor operating cycle in C MWTP
그림 Fig. 6. Improved treatment efficiency in case 1, 2 and 3
표 Table 2. Operation parameters for modeling

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 A군 마을하수도 동절기 하수처리 효율 개선 방안을 마련하고자 A군 마을하수도와 동일한 공법이 도입된 C MWTP의 모델링 분석을 실시하였다. 그 결과를 바탕으로 도출된 결과는 다음과 같다.

제안 방법

C MWTP의 실제 운전조건을 기반으로 다양한 조건에서 모델링을 실시하였다. 다만 이번 연구에서는 모델링의 한계와 분석을 동반하지 않았으며, 기타 생물학적 동역학계수 등의 모델링 인자 생산이 불가능한 상황을 고려하여 인자는 default 값을 사용하여 수치를 적용하였다.
그리고 1주기의 구성은 ‘혐기 – 호기 – 침전 – 배출’ 4단계로 이루어져있다. 본 연구에서는 총인 처리효율을 개선하기 위해 1주기의 운전 시간 및 SRT에 변화를 주어 모델링을 실시하였다.
혐기 운전시간 20분 증가, 호기 운전시간 20분 감소 운전으로 변경하였으며, 질산화 영향이 없는 범위로 SRT를 변화시켜 모델링 하였다. 동절기 T-P 개선 조건은 Case 1 ~ 3으로 실시하였다.

대상 데이터

구축한 수질 예측 모델링에 입력 데이터는 C MWTP의 2012 ~ 2016년 평균 동절기 데이터를 이용하여 산정하였으며, 평균 유입 수질은 BOD 188.9mg/L, COD 120.9mg/L, SS 146.4mg/L, T-N 56.9mg/L 및 T-P 5.1mg/L이었다. 선회와류식 SBR조의 유출 수질은 BOD 5.
A군은 경상북도 최북단에 위치해 있으며, 면적은 약 1,200㎢이고, 인구는 약 3만명이며, 대구 및 경상도 지역의 주요 수원인 낙동강이 A군을 통해 흐른다. 본 연구에서 모델링 대상으로 지정한 하수처리장은 A군 춘양면 소로리에 위치한 C 마을하수처리장으로서, 시설용량은 800㎥/day이며, 설계 유입수질은 BOD 179mg/L, COD 141mg/L, SS 188mg/L, T-N 45.9mg/L, T-P 4.8mg/L이다. 최종 방류수 설계기준은 BOD 10mg/L, COD 40mg/L, SS 10mg/L, T-N 20mg/L, T-P 0.

이론/모형

마을하수도와 C하수처리장에는 동일하게 선회와류식 SBR(Sequencing Batch Reactor) 공법이 적용되었다. 본 공법의 주요 특징으로는 속도가변형 부유식 포기장치의 회전수와 DO계측기에 의한 DO농도를 예측·제어하여 유입수의 농도에 따라 공기 공급 및 교반 제어가 가능한 경제적인 운영이 가능하다는 점이다.
다만 이번 연구에서는 모델링의 한계와 분석을 동반하지 않았으며, 기타 생물학적 동역학계수 등의 모델링 인자 생산이 불가능한 상황을 고려하여 인자는 default 값을 사용하여 수치를 적용하였다. 본 연구에서는 국내 모델링 전문기업인 UNU에서 개발한 활성슬러지모델(AS2d) 기반의 모델링 프로그램 ‘MASS FLOW’를 사용하였다.

성능/효과

4는 C MWTP 방류수 내 주요 수질 항목 (BOD, COD, SS, T-N 및 T-P)의 최근 5년간 수질분석결과를 분석하였다. 5년 간 방류수 평균 오염물질 농도는 BOD 3.8mg/L, COD 7.7mg/L, SS 4.1mg/L, T-N 7.7mg/L 및 T-P 0.2mg/L로 분석되었다. 연평균 및 일평균 방류수 내 오염물질 농도를 기준으로 조사 기간 동안 모든 항목에서 방류수 수질기준을 준수한 것으로 나타났다.
6에서는 모델링 결과를 바탕으로 각 오염물질 항목 별 처리 효율 개선 효과를 분석하였다. Case 1과 Case 2의 방류수 수질은 BOD 5.7mg/L, COD 4.6mg/L, SS 4.6mg/L, T-N 12.8mg/L 및 T-P 0.41mg/L 그리고 BOD 5.7mg/L, COD 4.6mg/L, SS 4.4mg/L, T-N 12.8mg/L 및 T-P 0.39mg/L로 예측되었다. 방류수 수질 농도 예측 결과 COD를 제외한 수질개선 효과는 미비한 것으로 나타났으나, 방류수 수질기준 0.
∙ C MWTP 모델링 결과를 바탕으로 동절기 T-P 처리 효율 개선 방안은 선회와류식 SBR 공정에서 호기와 혐기 구간의 시간 증대 및 SRT 조절로 분석되었다. 특히, 안정적인 질산화가 가능한 범위에서 SRT는 약 9일 정도 줄여 운전을 실시할 경우 약 7.
∙ C MWTP 모델의 검증 자료 확보를 위해 5년간의 방류수 농도를 분석하였으며, 조사 기간 동안 C MWTP의 방류수 수질 기준은 모두 만족하였다. 단, 동절기 방류수 T-P 농도 실측 분석 결과가 0.
39mg/L로 예측되었다. 방류수 수질 농도 예측 결과 COD를 제외한 수질개선 효과는 미비한 것으로 나타났으나, 방류수 수질기준 0.5mg/L를 만족시키는 것으로 나타났다. SRT를 17.
1mg/L이었다. 선회와류식 SBR조의 유출 수질은 BOD 5.7mg/L, COD 10.1mg/L, SS 4.6mg/L, T-N 12.8mg/L 및 T-P 0.4mg/L로 나타났다. 모델링에 활용한 주요 운전 인자의 기본 값은 수온 12.
∙ C MWTP 모델링 결과를 바탕으로 동절기 T-P 처리 효율 개선 방안은 선회와류식 SBR 공정에서 호기와 혐기 구간의 시간 증대 및 SRT 조절로 분석되었다. 특히, 안정적인 질산화가 가능한 범위에서 SRT는 약 9일 정도 줄여 운전을 실시할 경우 약 7.7%의 T-P 처리 효율의 개선 효과를 기대할 수 있는 것으로 예측되었다. 이와 같은 결과는 C MWTP와 유사한 하수처리장을 포함한 마을하수도의 동절기 T-P 처리 효율 개선방안으로 활용 될 수 있을 것이다.

후속연구

7%의 T-P 처리 효율의 개선 효과를 기대할 수 있는 것으로 예측되었다. 이와 같은 결과는 C MWTP와 유사한 하수처리장을 포함한 마을하수도의 동절기 T-P 처리 효율 개선방안으로 활용 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상수원의 상류 및 인근 지역에 하수도 보급률이 낮은 지역이 많은 이유는 무엇인가?	상수원의 상류 및 인근 지역의 경우, 개발 제한으로 인해 상대적으로 하수도 보급률이 낮은 지역이 많다. 이는 지속적으로 상수원 오염에 영향 미치며 이를 방지하기 위한 방안으로 하수도 보급 및 기존 시설의 개선 등의 방안이 제시되고 있다.
	마을하수처리장에도 고도처리 공법적용이 필요한 이유는 무엇인가?	하지만 하수도보급률이 낮아 미처리된 하수가 일부 수계로 유입되고 있는 정이다(Im and Gil, 2011a, 2011b; Koh, 2002). 하수처리장의 방류수 수질기준이 강화됨으로써 주변 수역의 수질개선을 위해 마을하수처리장에도 고도처리 공법적용이 필요한 시점이다. 특히, 동절기의 경우 집중적인 유지관리가 이루어지는 하수처리장에서도 영양염류 처리의 어려움이 있다(Gil et al2008).
	T-P 처리수질 악화를 예방할 수 있는 방안 수립이 필요한 이유는 무엇인가?	07mg/L)로 전체적으로 방류수 수질기준 이내로 방류되고 있음을 확인하였다. 하지만, T-P의 경우 실측 방류수 모니터링을 통해 분석한 결과 동절기 0.4mg/L로 방류수 수질기준에 근접한 수준 분석된 경우가 있어, 방류수 수질 기준 농도를 초과할 가능성이 있을 것으로 판단된다. 따라서 T-P 처리수질 악화를 예방할 수 있는 방안 수립의 필요성을 뒷받침한다.

참고문헌 (11)

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Lee, H. C. and Hwang, I. J. (2011) A study on the evaluation of RAM performance for test-bed of LNG plant, Proceeding of SAREK 2011 Summer Conference, pp. 281-284.
Sharma, R. M. and Kumar, S. (2008) Performance modeling incritical engineering systems using RAM analysis, Reliability Eng. Syst. Safety. 93, pp. 891-897.

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