[논문]하수처리장 폭기조의 용존산소농도 모니터링 대표지점 선정에 관한 연구

방석용; 범봉수; 김진한

doi:10.11001/jksww.2019.33.5.389

[국내논문] 하수처리장 폭기조의 용존산소농도 모니터링 대표지점 선정에 관한 연구
A study on the determination of a representative location for monitoring the dissolved oxygen concentration in a aeration tank of sewage treatment plant 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.33 no.5, 2019년, pp.389 - 394

방석용 (인천대학교 도시과학대학 건설환경공학부) , 범봉수 (경인여자대학교 보건환경과) , 김진한 (인천대학교 도시과학대학 건설환경공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to determine the location of average concentration and distribution status of dissolved oxygen in the rectangular aeration tank of the sewage treatment plant was analyzed and the difference of dissolved oxygen concentration was remarkable at each location. Compared with the computational fluid dynamics analysis, it was found that the results were consistent with the measurement results by showing the difference of dissolved oxygen concentration between the locations. Based on the measured data, the representative location of dissolved oxygen in aeration tank was selected by using statistical analysis method and the representative location was expressed in three-dimensional coordinates(LWH : 25%, 50%, 33%) from flow direction and left wall. Also the difference between the dissolved oxygen concentration at the actual measurement location and the average concentration value of the entire aeration tank was founded, and the equations for calibrating the automatic measurement data considering the actual measurement location were calculated.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 현재 DO 농도 자동측정에 의해 운영되고 있는 하수처리장 폭기조를 대상으로 폭기조내 DO 농도를 직접 측정하여 폭기조내 DO 농도 분포를 평가하고, 측정값과 전산유체역학(CFD) 결과를 비교 분석함으로써 결과적으로 측정값의 통계적 해석을 통한 폭기조내 대표성 있는 DO 농도모니터링 지점을 선정하고자 하였다.

제안 방법

1에 나타내었다. Portable DO meter(ProODO, YSI, USA)를 사용하여 측정하였으며, 유하방향을 따라 9 m 간격으로 폭의 3등분점, 수심의 1/3(1.7 m), 2/3(3.4 m)지점으로, 총 30개 지점을 총 4회 측정하였다. 또한, 폭기조 내 유체와 공기의 흐름을 분석하기 위하여 수행된 CFD는 fluent v6.
폭기조내 DO 농도의 대표지점 선정방법은 각 측정 지점의 DO 농도와 폭기조 전체의 평균 DO 농도와의 정규화를 통해 수행하였다. 먼저 측정 시마다 각 지점 에서의 DO 농도와 폭기조 전체 평균농도와의 차를 정규화하였다.
S 하수처리장 내 설치된 자동측정기기에 의해 측정된 DO 농도를 폭기조 내 DO 평균농도로 보정하기 위한 식을 산출하였다. 식은 실제 DO 농도 측정값들과 평균 DO 농도, 온도 간의 관계를 선형 및 비선형 회귀분석을 통하여 산출하였으며 선형 회귀분석과 비선형 회귀분석에 의한 보정식은 각각 식 (3) 및 식 (4) 에 나타내었다.

대상 데이터

실험은 Table 1에 나타낸 바와 같이 MLE공법으로 설계되어 A2O형식으로 생물반응조를 운영하고 있는 인천시 S사업소의 장방형 폭기조를 대상으로 수행하였다. 폭기조는 폭 8 m, 길이 36 m, 높이 5 m 크기로 270 mm 디스크형 멤브레인 산기관이 설치되어 있으며 유입구로부터 일 평균 9,280 m³/day의 하수가 유입된다.

이론/모형

본 연구에 사용한 CFD 모델은 높은 정확도로 학계 및 산업 분야에서 가장 광범위하게 적용되는 표준 K-turbulent 모델을 사용하였으며, 물과 공기의 물성치는 15℃를 기준으로 하였다. 또한, 유입은 폭기조 유입부 정중앙 바닥면에 위치한 3×3 m크기의 유입구로부터 자연유하되고, 유출은 펌프에 의한 압력 유출로 설정하였다.

성능/효과

1) 폭기조의 DO 농도 측정결과 초기 무산소조로부터의 낮은 DO 농도의 혼합액이 유입되어 농도변화가 발생하는 유입구 지점을 제외하면 수심에 따른 농도 변화가 미미하였지만 유하방향을 기준으로 할 경우 현저한 농도차를 보였다.
2) CFD 분석결과 폭기조 표면 중앙부에 기포가 집중되어 있음을 확인할 수 있었으며, 폭기조내 공기분 율과 실제 DO 농도측정값이 유사함을 확인하였다.
3) DO 농도 측정결과를 정규화하여 대표지점을 산출한 결과, 연구대상 폭기조의 경우 유입부로부터 유하 방향으로 9 m(25%), 좌측벽으로부터 4 m(50%), 수심 1.7 m (33%) 지점이 폭기조내 DO 농도의 대표지점으로 판단되며 원활한 폭기조 제어를 위해서는 실제 모니터링을 위한 자동측정기기의 설치 위치와의 용존산소 농도차를 고려하여야 하므로 모니터링을 위한 자동측정기기의 설치 위치가 매우 중요함을 알 수 있었다.
4) 자동측정기가 설치된 위치에서의 DO 농도 측정 값과 폭기조 평균 DO 농도, 수온 간의 상관관계를 이용하여 비선형 회귀분석방법으로 보정식을 산출한 결과, DO_a = 0.9958e^-0.016T • DO_m의 회귀분석 식을 얻을 수 있었다.

후속연구

이들 측정 위치에서의 용존산소 농도는 폭기조 대표지점 농도보다 높은 용존산소 농도값을 나타내므로 실제 폭기조 상태보다 긍정적인 판단이 이루어질 가능성이 있다. 따라서 여러 현실적인 문제로 하나의 지점에서 DO 농도를 모니터링 할 경우에는 보다 정확한 모니터링을 위하여 측정값들을 평균화시키기 위한 보정을 실시하거나 DO 농도 모니터링을 위한 측정기기의 설치 위치를 조정할 필요성이 있는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CFD는 무엇인가?	CFD(computer fluid dynamics)는 실험실 및 파일롯 규모 또는 현장조건에서 적용하기에 어렵거나 비용이 많이 소요되는 시스템을 평가할 수 있는 기법으로 다상 유동 거동의 분석 및 계면의 물질전달, 화학반응과 결합된 유동 범위에 대한 광범위한 매개 변수의 영향을 예측할 수 있어 기존의 모델링 방식보다 많이 이용되고 있다 (Karpisnka and Bridgeman, 2016). 특히 수처리 분야에서는 산기장치의 개발 (Bhuyar et al.
	현재 국내 하수처리장의 한계는 무엇인가?	현재 국내 하수처리장에서는 폭기조에 pH, DO(dissolved oxygen), ORP(oxidation reduction potential), MLSS(mixed liquor suspended solid) 농도 등의 자동 측정장비를 설치하고 폭기조의 운영상태를 중앙통제실에서 실시간 모니터링하고 있으나, 폭기조의 형상 및 규모에 따라 전체의 운전 상태를 평가하기 위한 측정 장비의 설치 개수나 위치에 대한 명확한 규정이 없고 예산상의 문제로 인하여 그 설치 개수가 부족하여 측정결과가 전체의 대표성을 가질 수 없으며, 대부분 관리 부실로 인하여 측정 장비가 고장난 상태로 체계적인 관리가 불가능하다. 또한, 현장 운영 시 폭기조 미생물의 관리를 위한 적정 DO 유지에 대한 기준이 없고, 산소공급을 위한 포기장치의 가변제어 조건의 확립이 어려우므로 포기장치의 전력소비율이 전체 하수처리장 유지관리비의 약 40~70%를 차지하고 있는 실정이다 (Kim et al.
	하수의 생물학적 처리공정을 효과적으로 운영하기 위한 방법은 무엇인가?	하수의 생물학적 처리공정은 수중미생물의 대사작용을 이용하여 오염물질을 처리한다. 이를 효과적으로 운영하기 위해서는 수중미생물의 대사 활동에 필요한 적절한 환경이 제공되어야 하며 특히 하수 내의 유기물 산화와 질산화는 호기성 미생물의 대사작용으로 인하여 산소가 소모되므로 이에 필요한 산소를 포기장치를 통해 폭기조로 공급하여야 한다 (Micheal et al., 2002).

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