초록 ▼

I.제목
BAF 기술을 활용한 유기물 및 질소·인 동시제거공정 기본설계 기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
최근 상수원 보호와 총량규제에 대비하기 위하여 질소·인 제거를 포함한 고도처리공정의 적용을 시도하고 있으나, 하수 특성이 다른 해외기술의 도입으로 국내 실정에 적합한 질소·인 동시제거공정의 선정에 어려움을 겪고 있으며 많은 처리장에서 부지면적의 제약을 받고 있다.
본 과제를 통하여 개발하고자 하는 호기성 생물여과법(Biological Aerated Filter, BAF)의 경우 여재에 의한

I.제목
BAF 기술을 활용한 유기물 및 질소·인 동시제거공정 기본설계 기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
최근 상수원 보호와 총량규제에 대비하기 위하여 질소·인 제거를 포함한 고도처리공정의 적용을 시도하고 있으나, 하수 특성이 다른 해외기술의 도입으로 국내 실정에 적합한 질소·인 동시제거공정의 선정에 어려움을 겪고 있으며 많은 처리장에서 부지면적의 제약을 받고 있다.
본 과제를 통하여 개발하고자 하는 호기성 생물여과법(Biological Aerated Filter, BAF)의 경우 여재에 의한 여과기능과 여재에 부착된 미생물의 분해기능이 한 반응기에서 이루어질 수 있도록 개발되었기 때문에 높은 유기물부하(10kg/㎥·일) 까지 처리가 가능하고 침전조가 필요없어 소요 부지면적이 기존 활성슬러지법에 비하여 1/4 수준인 기술이다. 또한, 미생물을 여재에 부착시켜 미생물막(Biofilm)을 형성하고 있어 높은 미생물 체류시간(SRT)를 유지할 수 있기 때문에 유기물의 고도처리는 물론 질산화 미생물(Nitrifier)량을 쉽게 유지할 수 있는 장점을 지니고 있다.
현재 국내에서는 활성슬러지법과 같은 부유식 성장법에 고농도의 미생물량을 유지하기 위한 유동상 담체 공정의 개발 및 기술도입은 활발한 것으로 알려져 있으나 BAF 공정과 같은 고정상 생물여과기술은 아직 실용화 되지 않았으며 해외기술을 도입하는 경우 막대한 기술료를 지불하여야 하는 실정이다.
BAF 기술은 현재 프랑스의 2개 업체(Degremont, OTV사)에 의해 전세계시장이 거의 독점되고 있으며 이들 업체는 기술이전을 회피하고 있는 실정이다. BAF 기술 도입시 지불하여야 하는 기술료는 기자재 공급에 포함되어 있어 실제 공사비용이 3∼4배의 수준에 이르는 것으로 나타나 기술도입이 현실적으로 불가능한 것으로 보여진다.
국내 하수처리장에 대한 시장은 1998년부터 2005년 까지 14조원 이상이 투입될 것으로 발표되고 있으며 팔당호를 비롯한 주요 상수보호지역이나 부영양화가 예상되는 지역의 경우 질소·인 제거시설을 설치할 것으로 예상되어 많은 국내 건설업체에서 해외기술을 도입하거나 자체 개발을 통하여 질소·인 제거공정을 확보하고 있다.
기존의 하수처리장을 개선(Upgrading)하거나 신규 시설을 설치하는 경우 대규모 소요 부지를 확보하여야 하기 때문에 지역 주민의 반대, 부지 수용의 어려움 등을 겪고 있으나 본 기술의 경우 부지 절감형 처리공정이기 때문에 향후 국내 하수처리시설에 적용이 용이할 것으로 판단된다.
BAF 공정에 대한 기본 설계기술을 확보하지 못하는 경우 해외업체로 부터의 기술도입이 예상되며 이 경우 국가 환경기초시설에 대한 해외기술의존이 높아지고 추후 증설 등의 추가적인 공사에도 해외기술에 의존할 수 밖에 없을 것이다.
이에 기초연구와 실증 시설을 최대한 활용하여 BAF 기술을 이용한 하수 내 유기물 및 질소·인 동시 제거 공정의 기본 설계기술을 확보하고자 한다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구의 범위는 주관기관인 삼성엔지니어링(주)에서 이미 확보한 BAF 기술을 바탕으로 Biofilm 기초 연구와 현장 적용실험 및 실용화에 대한 개발을 동시에 추진하여 하·폐수 처리에 대한 설계 및 공사 실적을 바탕으로 장치 개량 및 운전 Know-how를 확보하는데 있다.
이를 위하여 대학연구기관인 한양대학교에서 Biofilm Kinetics의 정립과 Kinetics 해석결과를 설계 자료화 하도록 하며, 탈질탈인공정의 조합 및 최적 공정의 선정은 전문연구기관인 KIST에서 수행하고, 요소기술, 탈질탈인 공정의 설계, 핵심장치개발 및 개량 등 엔지니어링 부분은 삼성엔지니어링(주)에서 수행하여 산·학·연 역할 분담에 의한 연구성과의 극대화를 꾀하도록 하였다.
삼성엔지니어링(주)의 연구 범위는 엔지니어링 부분으로, BAF 핵심장치의 개발 및 적용과 현장 실증 실험을 통한 설계 확립에 있다. 현장 실증 실험은 핵심 개발를 검토하여 설계 기술을 확보하고, 2단계로 생물학적인 질소제거 공정과 화학적 인 제거 공정을 결합한 BAF 공정의 설계기술을 확보하였다.
또한, 한양대학교와 KIST의 연구결과를 토대로 궁극적으로 BAF 공정을 통한 유기물, 질소, 인 동시 제거 공정의 기본 설계기술을 확립하는데 연구범위를 두었다.
Ⅳ. 연구개발결과
기초 연구는 지금까지도 계속 연구중인 여재 내의 미생물량을 예측하고, BAF 공정의 활성도를 측정, Kinetics 연구를 통해 BAF 공정의 이론적인 배경을 마련하여 설계 자료로써 활용이 가능하도록 하였다.
특별히 제작한 in situ sampler를 이용해서 위치별로 여재의 생물막 두께 및 미생물 량, 활성도(Specific Oxygen Uptake Rate, SOUR) 등을 평가한 결과 생물막은 200 - 600㎛으로 하부로 갈수록 두꺼워 졌고, Column 내 생성되는 미생물 량은 반응기 여재 부피당 미생물 량은 26.89kg/m3 였으며 부착 미생물 대 부유 미생물 floc의 비는 0.55 : 1 정도 였다. SOUR은 heterotrophs의 경우 HRT에 따라서 16 - 48 mgO2/gMLVSS·hr 이었고 autotrophs의 경우 6 - 32 mgO2/gMLVSS·hr로 나타났다. 대체적으로 autotrophs와 비교하여 heterotrophs의 SOUR이 다소 높았으며, autotrophs의 경우 HRT 1hr에서 가장 높은 것으로 나타났다. 또한 K 하수처리장의 포기조 미생물과 본 반응조의 질산화조 미생물의 SOUR을 비교한 결과 heterotrophs와 autotrophs의 SOUR이 모두 활성슬러지 때보다 2배 이상 좋은 것으로 나타났다.
반응기 전체의 세포 비 증가율 (μobs)= 0.011 hr-1과 미생물 성장률(γx)= 0.12 gMLSS/(L·hr)을 구할 수 있었다. 또한 문헌상의 YN과 YCOD를 이용하여, 각각의 미생물 성장률을 구한 결과 γxN, γxCOD는 각각 0.015 gMLSS/(L·hr), 0.095 gMLSS/(L·hr)임을 알 수 있었다. 이를 통하여 반응기 내에서 생성되는 heterotrophs와 autotrophs의 비가 6.3:1 이 됨을 알 수 있었다.
Semi-mechanistic model 중 Eckenfelder model을 선정하여 유입농도와 A/Q에 따라 높이별로 유출수를 예측하였을 때 실측 data와 유사하게 나타났다. 본 모델에서는 반응기의 높이와 단면적, 유량, 여재의 특성이 결과에 큰 영향을 미치므로 이들이 반응기 설계에 중요인자로 고려될 수 있을 것이다.
KIST에서 연구·개발한 연계 교차 2상 BAF 공정은 응집제의 주입없이 생물학적인 방법만으로 유기물, 질소 및 인을 동시에 제거할 수 있는 획기적인 공정으로 Pilot 실험 결과 CODCr, BOD5, SS, T-N, T-P 제거율이 각각 85.3%, 94.1%, 98.6%, 82.5%, 72.2%의 높은 처리효율을 얻어 BAF 공정을 통한 동시 탈질탈인 공정의 가능성을 확인하였다. 또한 HRT=2hr 만으로 2.62 kgCODcr/m3/day와 1.65 kgSS/m3/day의 고부하이며 급속처리 조건에서도 CODcr제거율, BOD5제거율, SS제거율, T-N제거율, T-P제거율이 각각 81.8%, 87.8%, 93.5%, 62.3%, 56.2%의 안정적인 결과를 보여 본 공법의 안정성과 효율성을 확인할 수 있었다.
이러한 결과들을 볼 때 본 연구의 연계 교차 2상 BAF공법은 HRT= 2hr의 급속 처리 조건으로도 유기물, 고형물, 질소, 인 처리에 대해 매우 안정적이며 효과적으로 처리할 수 있을 뿐만아니라 재사용할 수 있는 중수도 수질까지도 처리할 수 있음을 확인할 수 있었다.
결과적으로 본 연계 교차 2상 BAF공법은 기존 BAF공법의 장점을 모두 지니면서 이외에도 생물막법에서는 생각할 수 없었던 탈질화와 탈인 반응까지 효과적인 처리가 가능함을 알 수 있었다. 그러므로 하·폐수 처리시설을 설치할 부지가 충분치 않으며 분리처리가 어려워 합병처리가 행해지는 소규모 하·폐수 배출업소에 대해서 본 공? 부지만이 소요되지만 전처리나 추가 처리시설이시에 효과적으로 처리할 수 있기때문에 매우 경제적이고 효과적인 새로운 처리공법이라고 생각된다.
개량된 산기장치는 탈·부착이 용이하도록 결착식으로 제작하였으며, 원수공급장치인 Nozzle은 plate의 모듈화를 통하여 시공의 편리성을 극대화하였다. 이러한 공사의 편리성을 통해 인건비 및 고정비의 절감을 꾀할 수 있다.
BAF 공정을 통한 유기물 및 질소 제거는 지금까지는 생물여과공정에서 도입하지 않고 있는 전탈질 방법으로 외부탄소원 주입 없이 하수 내의 유기물을 이용하여 질소를 제거하는 공정을 채택하여 개발하였다.
연구 기간 동안의 BAF 공정에서의 체류시간은 EBCT를 기준으로 평균 1.5∼2.5시간에 불과했다. 하지만, 유기물은 TCODCr 농도를 기준으로 5.4kg/㎥/d 까지 적용하여 보았지만 85% 이상의 높은 처리효율을 보였고, TBOD5 농도는 최대 2.7kg/㎥/d의 적용부하에서도 94%의 제거효율을 보였다. 이때 암모니아성 질소 용적 제거 부하는 12℃에서 0.36kg NH4-N/㎥/d, 23℃에서 0.64kgNH4-N/㎥/d를 나타내었다. 무산소조로 반송되는 질산성 질소의 부하에 비해 탈질에 이용할 수 있는 유기물(RBCOD) 농도가 낮아 탈질율은 1kgN/㎥/일의 용적부하에서 40∼80%로 유기물량에 따라 변화가 심하였으며 평균 60%의 질소 제거율을 보였다. 최대 질소 적용부하를 알아보기 위하여 하수의 유기물 농도와 암모니아성 질소 농도를 높인 경우 1∼4.2kg/㎥/일의 범위에서도 80% 이상의 탈질효율을 보였다. 또한, 응집제를 이용한 인 제거 검토에서는 추가로 응집 제거 설비를 설치하지 않고, 유입 저류조와 교반장치, 혹은 라인 믹서를 통해 인을 제거할 수 있는 가능성을 확인하였다. 응집제에 의한 인 제거는 Al:P의 몰비에 의해 처리효율이 결정되는데, 실험 결과 몰비 1:1에서도 85%에 가까운 T-P 제거효율을 보였다.
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
기초 이론 정립을 위한 Lab 반응기의 운전을 통하여 도출된 처리효율 결과는 국내 하수 성상에 호기성 생물막법이 충분히 적용 가능하다는 사실을 보여준다. 목표 처리효율 달성을 위한 운전인자로서 본 연구에서는 적정 HRT 및 폭기농도에 관한 결과를 도출하였다. 반응기 내 미생물 성상 및 Kinetic 연구의 결과는 적정 HRT 및 폭기농도 하에서 왜 처리효율이 좋았는지 설명하는 과학적인 뒷받침이 될 것이다. 제시된 Model 연구 결과는 일정한 운전조건에서의 유입 및 유출수의 농도를 이용하여 처리효율을 예측하는 Tool로 사용될 수 있을 것이다.
지금까지 본 연구에서는 기초 연구와 실증 실험을 연계하여 진행하므로써, 최대한 실증 설계가 가능한 연구가 되도록 노력하였다.
기초 연구는 지금까지도 계속 연구중인 여재 내의 미생물량을 예측하고, BAF 공정의 활성도를 측정, Kinetics 연구를 통해 BAF 공정의 이론적인 배경을 마련하여 설계 자료로써 활용이 가능하도록 하였다.
BAF 공정은 적은 체류시간으로 높은 부하를 처리할 수 있는 공정이고 물리적 여과 기능을 통해 2차 침전지의 설치가 불필요 하여 소요 부지 면적을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 더구나, 본 연구를 통해 확인된 유기물, 질소 및 인 동시 제거 기능을 활용한다면 부지가 협소한 지역의 고도처리 설비나, 기존 처리장의 추가 고도처리 설비, 영세한 지자체의 하수처리 설비 등에 경제적인 설치가 가능한 공정이라 할 수 있다.
향후 현재의 연구결과에 대한 보완을 통해 완전한 설계 능력을 확보한다면 국내 시장 뿐 아니라 해외 시장 진출도 충분히 가능하리라 생각된다.

Abstract ▼

I. Title
Development of BAF Process Basic Design Package for Organics and N, P Removal
Ⅱ. Background and Objectives of Research
Recently Korea faces difficulties for the selection of appropriate biological nutrients treatment solutions for Korean municipal wastewater. Two problems are ou

I. Title
Development of BAF Process Basic Design Package for Organics and N, P Removal
Ⅱ. Background and Objectives of Research
Recently Korea faces difficulties for the selection of appropriate biological nutrients treatment solutions for Korean municipal wastewater. Two problems are outlined like as the difference of wastewater characteristics and the limitations of plant layout.
Biological aerated filter process technology has a great advantage for the reduction of treatment site area compare to classical activated sludge process grace to high pollutants application loading rate which can be achieved by biological pollutants degradation through biofilm fixed in the filter media bed and simultaneous SS removal through media filtration in the same reactor.
Now a day two french compaies sales exclusively this tecnology by not opening the technological know-how to the others. So the introduction of this new process from foreign companies is very expensive to pay the technical know-how.
In the case that we do not secure the design skill for BAF process, the foreign companies which have possessed this technology will have big markets share of Korea Wastewater treatment basic facilities which is planed to invest 14 trillion Won.
For this reason, the independent development of BAF basic design technology is very urgent domestic need.
Ⅲ. Scope of Research
In two-bed BAF system,
To confirm the eliminating efficiency of organics, nitrogen, and phosphorus
To compare the eliminating efficiencies depending on various operating conditions and prove the mechanism
To measure the quantity of biomass and observe microbes for each reactor
To optimize the operating condition For establishing theory of BAF process,
The research physical characteristics and filtration effects of themedia, and the characteristics of biofilm detachment have been studied.
Measurement methods of mass and thickness microorganisms have been developed.
Biomass distribution the specific Oxygen uptake rate(SOUR) in reactor and of the biomass have been investigated.
Study of organic removal and nitrification kinetics and establishment of mathematical model have been done.
Using these results, BAF process basic design package for organics and N, P removal was developed.
Essential element technology improvement
BAF pilot field test
Development of basic design package
Ⅳ. Result of Research
Using a in situ sampler biofilm samples could be obtained at any location in the column reactor. the thickness, mass and activity of biofilm were measured. The thickness was in the range of 200∼600 ㎛ and showing the lower part thicker. The biomass per media volume of reactor is 26.9 kg/m3.
The ratio of attached to suspended biomass was 0.55 : 1. The SOUR of the heterotrophs was 16∼48 mgO2/g-MLSS·hr and that of the autotrophs was 6∼32mgO2/g-MLSS·hr according to the variation of HRT. Generally the SOUR of the heterotrophs was somewhat higher than that of the autotrophs, and the SOUR of the autotrophs was the highest at HRT 1 hr. The SOUR of BAF were about two times higher than that of the aerobic cells of K sewage treatment plant.
The specific growth rate was 0.011 hr-1, and rx was 0.12 gMLSS/L·hr are in gained reactor. Using YN and YCOD in the literature, the YN and YCOD were estimated as each growth rate is 0.015 gMLSS/L·hr and 0.095 gMLSS/L·hr, respectively. The ratio of produced heterotrophs and autotrophs in reactor was calculated as 6.3:1
The semi-mechanistic Eckenfelder model gave a resonable prediction of the effluent quality at varing influent concentration and A/Q.In this model, the height and area of reactor, the flow rate, and the characteristics of media were important parameters.
In the study of two-bed BAF system, the hydraulic retention time was 2hr. The removals of COD, BOD, SS were 85.3%, 94.1% and 98.6%, respectively. T-N and T-P removal were 82.5% and 72.2%, respectively. Even if it reduced the hydraulic retention time was 2hr, under organic loading of 2.62 kgCOD/m3/day and SS loading of 1.65 kgSS/m3/day, the removals of COD, BOD, SS were 81.8%, 87.8% and 93.5%, respectively. T-N and T-P removal were 62.3% and 56.2%, respectively. In conclusion, the denitrification and removal of phosphorus which can not be occurred in the ordinary biofilm process were achieved in this two-bed BAF system. This process is very economic and efficient since it can remove organics, suspended solid, nitrogen and phosphorus from wastewater. In addition, this can be easily applied to small-scale facilities where they limit space requirement.
Essential element technologies, diffuser and nozzle, were produced by own technology, and improved considering for construction convenience. This means reduction of costs.
In this research, BAF process concept was pre-denitrification, and this method is no need of external carbon sources. During experiment period, EBCT was only 1.5∼2.5hrs. But, in the case of 5.4kgTCODCr/㎥/d loading rate, TCODCr removal efficiency was above 85%. And BOD5 removal efficiency was above 94% in 2.7kgTBOD5/㎥/d. NH4-N removal loading rate was 0.36kgNH4-N/㎥/d at 12℃, and 0.64kgNH4-N/㎥/d at 23℃.
T-N removal rate was dependent on C/N ratio and internal recycle ratio. Average T-N removal efficiency was 60%. When increasing C/N ratio, about 7, above 80% T-N removal efficiency was achieved at 1∼4.2kgN/㎥/d loading rate. Phosphorus removal using Alum was researched. There is no need additional flocculation equipments. At Al:P molar ratio 1:1, above 85% T-P removal efficiency was achieved.
Ⅴ. Plan for Application of Research Results
In accordance with the experimental results, BAF process can be incorporated easily into existing plants to treat organics, nitrogen and phosphorus. According to an object, biological method(two-bed BAF system) or biological-chemical method(pre-denitrification BAF process+chemical dosing) can be applied. With optimizing design parameters and operation conditions for various types of wastewater, these processes will be utilized effectively as an advanced wastewater treatment process at any field.

목차 Contents

• 제1장. BAF 기술을 활용한 유기물 및 질소·인 동시제거공정 기본설계 기술 개발
  제1절. 서론
  1. 연구개발의 목적 및 필요성
  2. 연구개발의 범위
  제2절. 국내외 기술개발 현황
  1. 기술개발현황
  2. 생물여과공정의 Mechanism
  가. 유기물 및 SS 제거
  나. 질산화(Nitrification)
  다. 탈질산화(Denitrification)
  라. 화학적 인제거
  3. 이론
  가. 기초이론
  (1) Biofilm Charateristic in BAF System
  (2) Biofilm Formation in BAF System
  (3) Population dynamics in BAF System
  나. Biofilm kinetic model
  (1) Substrate removal rate : 1st order Kinetic
  (2) Microbial growth : 1st order Kinetic
  다. Hydraulic approach
  (1) 여과 이론
  (2) 초기 수두손실 영향인자
  (가) 입자 크기와 모양(d, ψ)
  (나) 유속(V)
  (다) 여재층 높이(H)
  (3) 운전시 수두손실 영향인자
  라. 여재(Media) 특성
  (1) 여재 크기와 모양
  (2) 여재 밀도
  (3) 여재 내부공극 및 비표면적
  (4) 침강속도
  (5) Attrition
  (6) Friability
  제3절. 연구개발수행내용 및 결과
  1. 개요
  가. 실험방법
  (1) 유기물 제거 및 질산화 BAF Pilot 실험
  (2) 질소제거 BAF Pilot 실험
  (3) 유기물, 질소 및 인 동시 제거 BAF Pilot 실험
  나. 시료 채취 및 분석방법
  2. 연구내용 및 결과
  가. 핵심요소기술
  (1) 여재
  (2) 원수 및 역세수의 균등분배
  (3) 고효율 산기장치
  (4) 반응 특성 실험
  나. 유기물 제거 및 질산화
  (1) 대상 하수의 특성
  (2) 유기물 및 부유물질 제거
  (3) 질산화
  (4) 유기물 및 암모니아성 질소의 여재층 높이별 Profile
  (5) 유기물 및 SS제거와 질산화 반응 Mechanism
  (6) 역세
  (7) 동절기 운전
  (가) 유입수 특성
  (나) 하수(1차침전)의 유기물 및 SS제거 결과
  (다) 질산화 결과
  (라) 2차 생물학적 처리수의 3차 고도처리
  (마) 역세전후 여재층내의 슬러지 축적과 배출 분포
  (1) 대상 하수의 특성
  (2) 질소제거 BAF Pilot의 수리학적 운전조건
  (3) 결과 및 고찰
  (가) 유기물 및 부유물질의 제거 결과
  (나) 질산화-탈질
  (4) 역세
  (가) 역세주기
  (나) 역세슬러지 발생 및 미생물 관찰
  (다) 슬러지 Yield
  (라) 총수두손실(ΔP) 변화
  (마) 여