하수처리시설 운영상 문제점 분석을 통한 개량방안 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

One treatment facility which has design capacity of 50,000 ㎥/day has difficulty to meet effluent BOD and T-N limits during winter season, although average inflow and daily maximum inflow are 35,328 and 46,540 ㎥/d, respectively. High influent BOD and T-N concentrations are believed to be culprits for these effluent limit violations. EQPS (Effluent Quality Prediction System) is used to provide the suggestion to meet effluent limits in winter season. In order to find diurnal concentration variation of influent, 24-hour sampling and measurement campaign was carried out, Daily influent measurement data along with diurnal concentration data were used as input data for EQPS simulation. Also, organic fractions in influent were defined experimentally. At the beginning study, influent equalization basin was considered to meet effluent T-N limit, However, the effluent ammonia concentration was more than 1.5 ㎎/L which is criterion of nitrification. For this study, the nitrification criterion is defined as below 1.5 ㎎/L of ammonia nitrogen. For above this concentration, denitrification is assumed not to occurred due to nitrification failure. According to this criterion, EQPS simulation found that studying facility could handle only 45,000 ㎥/d in winter which was less than 10 % of design flow. Although 45,000 ㎥/d capacity can handle current flows which has daily maximum flow of 37,645 ㎥/d in winter season, this study facility is determined to retrofit to treat design inflow of 50,000 ㎥/d to accompany wastewater from future land development. Through many simulations, 6th train has to be operated. When this studying facility was constructed, only 5 trains were operated, although total of 6 train were built, the 6th train was built as civil structure without mechanical and IC (Instrument and control) systems. This study found that this studing facilty can handle design flow which is 50,000 ㎥/d, if 6th train is operational. From this study, it is found that 1) EQPS can be an effective tool to define treament capacity of wastewater treatment facilty, 2) it is needed to train operators to handle model to find the optimum operational strategy, 3) integrated drainage area management is needed to improve water quality in discharging lake and 4) continuous monitoring of diurnal influent characteristics is needed to increase reliability of predication from model simulation.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 00시 00구에 위치한 00하수처리시설 하수처리시설의 운영실태를 면밀히 분석하고, 미래 유입 하수량 및 고농도 수질 변화에 따른 장래의 처리 용량 한계를 객관적으로 평가하며, 이를 해결하기 위한 실질적인 개량방안을 제시하고 그 효과를 다각적으로 검토하는 것을 목적으로 한다. 현재 00하수처리시설은 설계유량 50,000 ㎥/일 대비 약 75~79% 수준의 유량(2017년 기준 일평균 35,328 ㎥/일, 일최대 46,540 ㎥/일)이 유입되고 있음에도 불구하고, 유입수 수질, 특히 BOD와 T-N 농도가 설계치보다 약 1.5배 높은 고농도 상태로 유입되고 있어 효율적인 운영에 지속적인 어려움을 겪고 있다. 이러한 고농도 유입수는 특히 동절기 저수온 조건에서 질산화를 저해하여, 총질소(T-N) 방류수 수질 기준 준수에 심각한 문제가 발생할 것으로 예측되었다.
본 연구에서는 IWA(International Water Association)의 활성 슬러지 모델(ASM)을 기반으로 개발된 동적 시뮬레이터인 EQPS(Effluent Quality Prediction System, 방류수 수질 예보 시스템)를 활용하여 00하수처리시설의 복잡한 처리 성능을 정밀하게 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 현재 시설에 6,000 ㎥ 규모의 유량균등조를 설치하더라도, 기존 5계열 시설만으로는 일 최대 45,000 ㎥/일까지만 안정적인 질소 제거가 가능한 것으로 파악되었다. 이 경우 동절기 최종 방류수 NH3-N 농도는 최대 1.48 ㎎/L로 나타나, 안정적인 생물학적 질소 제거를 위한 순간 최대 NH3-N 농도 기준인 1.5 ㎎/L 내외를 만족하는 수준이다. 그러나 00시 하수도정비 기본계획에 따른 00역세권 등 7건의 신규 개발지역 유입하수량 증가 및 자연 인구증가분으로 인해, 설계유량인 50,000 ㎥/일이 유입될 경우, 동절기 최종 방류수 NH3-N 농도가 최대 1.85 ㎎/L에 달하는 것으로 예측되어, 질산화 저해에 따른 법적 총질소 방류수 수질 기준(20 ㎎/L)을 준수하기 어려울 것으로 예측되었다.
이러한 시급한 운영상의 문제점을 해결하기 위한 최적의 개량 방안으로 기존 A2O 공법과 동일한 방식으로 생물반응조 1계열을 증설하여 총 6계열로 확장하는 것을 제시하였다. 6,000 ㎥ 유량균등조와 1계열이 추가된 총 6계열의 00하수처리시설에 설계유량 50,000 ㎥/일이 유입되는 조건으로 시뮬레이션한 결과, 동절기 최종 방류수 NH3-N 농도는 최대 1.45 ㎎/L로 나타나, 안정적인 질소 제거가 가능하며 법적 총질소(T-N) 방류수 수질 기준 20 ㎎/L를 충분히 만족할 수 있는 것으로 확인되었다. 본 연구는 하수처리시설의 설계 및 운영 경험이 풍부한 연구자의 시각에서 현실적인 문제 진단과 효과적인 해결 방안을 제시하여 00하수처리시설의 안정적인 운영과 더불어 00저수지의 수질 개선에 크게 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구 배경 및 필요성 1
• 제 2 절 연구 목적 및 범위 2
• 제 2 장 00하수처리시설 현황 및 운영 문제점 분석 3
• 제 1 절 시설 개요 3
• 제 2 절 유입수량 및 수질 현황 6
• 제 1 항 유입수량 현황 6
• 제 2 항 유입수질 현황 8
• 제 3 항 방류수질 현황 9
• 제 3 절 운영 문제점 10
• 제 3 장 공정 모델링 및 처리 가능 용량 평가 11
• 제 1 절 공정 모델링 방법 11
• 제 2 절 수질분석 12
• 제 3 절 유입수 유기물 분획 실험 15
• 제 4 절 EQPS에 사용된 모델 계수 16
• 제 5 절 설계 유량 유입 시 처리 가능성 평가 17
• 제 1 항 모델 구축을 위한 시간대별 유입수 수질 및 수량 추정 17
• 제 2 항 유량조정조 설치 후 설계유량 유입시 00하수처리시설 처리가능성 평가 26
• 제 6 절 현재 시설의 최대 처리 가능 용량 산정 29
• 제 4 장 개량 방안 및 처리 성능 평가 33
• 제 1 절 개량 방안 33
• 제 2 절 개량 후 처리 성능 평가 34
• 제 5 장 결론 및 제언 37
• 제 1 절 결론 37
• 제 2 절 제언 38
• 참고문헌 40
• 부 록 41
• 부록 1. EQPS의 “유입수 도구” 41
• 부록 2. EQPS에 사용된 모델 계수 44
• Abstract 52