반류수 MLE공정에서 고형물 부하율 기반 일차슬러지 제어기술 개발

장신요(Shinyo Chang),신풍식(Pung Shik Shin),박현(Hyeon Park),정연구(Yeon-Koo Jeong) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회지 Vol.42 No.12

목적: 반류수를 대상으로 고형물 부하율을 측정하여 일차슬러지 제거, 재순환, 투입에 대한 제어기술을 개발하여 처리용량 증가 및 공정성능 향상을 달성하고자 하였다. 방법: 파일럿 플랜트는 실플랜트와 유사하게 일차침전지+MLE공정으로 제작하였고, 유입 고형물 부하율을 기반으로 슬러지 인발량을 제어할 수 있도록 구성하였다. 상태점 분석으로 일차슬러지에 대한 제거 하부배출속도, 전체 하부배출속도를 결정하였다. 수동인발, 자동인발, 자동인발+재순환, 자동인발+투입 방식으로 구분하여 운전하였다. 일차슬러지 제어기술에 대한 성능평가 항목은 일차, 이차침전지의 SS 제거효율과 일차슬러지 농도로 하였다. 재순환 및 투입에 의한 생물반응조 성능향상은 암모니성질소, 총무기질소(TIN), 인산염인 제거효율과 SNR, SDNR을 통해서 판단하였다. 재순환으로 변화된 아세트산 농도와 미생물 군집특성을 비교하여 성능향상 원인을 분석하였다. 결과 및 토의: 유입 반류수 SS 모니터링 평균값은 2.2 (0.7 ~ 6.3) g/L로 일차침전지는 고농도 SS와 변동에 대응한 처리가 필요하였다. 실제 침강속도에 기반한 상태점 분석이 정밀하게 일차슬러지 제거, 재순환, 투입에 대한 안정적인 운전 가능여부와 구체적인 설계 및 운영기준을 제시할 수 있는 것으로 나타났다. 유입 고형물 부하율 변화에 따라서 하부배출속도를 제어하는 자동인발은 고농도 슬러지를 안정적으로 인발할 수 있으며, SS 제거효율도 안정적으로 유지할 수 있었다. 슬러지 재순환 운전에서도 안정적 운전이 가능하며 실플랜트에서 일차침전지 처리용량을 2배 이상 증가할 수 있는 것으로 나타났다. 일차슬러지 재순환으로 생물반응조 TIN 제거효율은 24.2 ~ 52.3% 향상되었고 인산염인 제거효율은 최대 20.1% 향상되었다. 일차슬러지 투입으로 생물반응조 TIN 제거효율이 32.6% 향상되었다. 아세트산을 포함한 휘발성 유기산이 생성되고 제거효율이 향상된 것은 재순환에 의해 일차슬러지와 접촉하였고 발효 미생물 주요 종 비율이 2.0% 존재하였기 때문으로 판단된다. 유입 반류수에는 질소, 인 처리미생물 주요 종이 26.4% 존재하여, 일차슬러지 투입으로 미생물 공급이 이루어져서 제거효율을 향상시켰다고 판단된다. 결론: 반류수를 대상으로 고형물 부하율을 측정하여 일차슬러지 제거, 재순환, 투입을 제어하는 기술은 일차침전지 처리용량을 증가시킬 수 있고 생물반응조의 질소, 인 제거효율을 향상시키는 것으로 사료된다. Objectives : By measuring the solids loading rate for the sidestream, it was intended to achieve increased treatment capacity and improved process performance by developing control technologies for primary sludge removal, recirculation, and input. Methods : The pilot plant was manufactured by the primary clarifier + MLE process similar to the full-scale plant and was configured to control the amount of sludge withdrawal based on the inflow solids loading rate. The state point analysis was used to determine removal underflow withdrawal rate and the total underflow withdrawal rate for the primary sludge. The operation was divided into manual withdrawal, automatic withdrawal, automatic withdrawal + recirculation, and automatic withdrawal + input methods. The performance evaluation items for primary sludge control technology were primary sludge concentration and SS removal efficiency for primary and secondary clarifiers. The improvement in the performance of the bioreactor by recirculation and input was judged through the removal efficiency of ammonium nitrogen, TIN (Total Inorganic Nitrogen) and phosphate phosphorus, SNR (Specific Nitrification Rate), and SDNR (Specific Denitrification Rate). The cause of the performance improvement was analyzed by comparing the acetic acid concentration changed by recirculation and the microbial community characteristics. Results and Discussion : The average value of SS monitoring of the sidestream influent was 2.2 (0.7 ~ 6.3) g/L and the primary clarifier needed treatment in response to high concentration SS and fluctuations. It is judged that the state point analysis based on the actual settling rate can accurately suggest whether the stable operation of primary sludge removal, recirculation, and input is the possible and specific design and operation standards. The automatic withdrawal that controls the underflow withdrawal rate according to the change of the inflow solids loading rate could stably draw out the high-concentration sludge and maintain the SS removal efficiency. It is believed that stable operation is possible even in the sludge recirculation operation, and the treatment capacity of the primary clarifier can be increased more than two times in a full-scale plant. By recirculation of the primary sludge, the TIN removal efficiency in the bioreactor was improved by 24.2 ~ 52.3%, and the phosphate phosphorus removal efficiency was improved by up to 20.1%. The TIN removal efficiency in the bioreactor was improved by 32.6% by the input of primary sludge. VFAs (Volatile Fatty Acids) including acetic acid was produced and the removal efficiency was improved because it was in contact with primary sludge by recirculation and the ratio of major fermentation microorganisms was present at 2.0%. It is determined that 26.4% of the main species of microorganisms treated with nitrogen and phosphorus exist in the sidestream inflow and the removal efficiency was improved by supplying microorganisms through the input of primary sludge. Conclusions : Technology that controls primary sludge removal, recirculation, and input by measuring the solids loading rate for the sidestream is believed to increase the treatment capacity of the primary clarifier and improve the nitrogen and phosphorus removal efficiency of the bioreactor.

전기전도도 측정을 통한 반류수 MLE공정에서 공기공급 제어기술 개발

장신요(Shinyo Chang),신풍식(Pung Shik Shin),정연구(Yeon-Koo Jeong),최영준(Young June Choi) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회지 Vol.42 No.3

목적 : 반류수를 대상으로 무산소조에서 전기전도도 측정을 통해 호기조의 공기공급량을 제어할 수 있는 기술을 개발하여 공정성능 향상 및 에너지 사용량 절감을 달성하고자 하였다. 방법 : 전기전도도가 생물학적처리의 운전지표로 활용될 수 있는지를 검증하기 위해 각 공정별 수질인자와 전기전도도의 상관성 분석을 여름철(메탄올 투입), 겨울철, 가을철 시기로 나누어 실험하였다. 기존에 제시된 필요공기량 수식을 간단히 정리하여 경험식을 제시하고, 이를 활용해 전기전도도 범위에 공기공급량을 순차적으로 넣어 조견표를 작성하였다. 성능평가는 암모니아성질소와 총무기질소의 제거효율, SNR과 SDNR, 공기공급량의 변화, 유입수 변화에 대한 공정의 안정성 등을 기준으로 판단하였다. 결과 및 토의 : 계절별로 전기전도도와 각 수질항목의 상관계수가 0.5267 ~ 0.9115 범위로 암모니아성질소, 총무기질소, DOC, 인산염인 순서로 높게 산출되었다. 상관계수 0.5 이상으로 생물학적 처리공정의 운전지표로 전기전도도 가 활용될 수 있음을 알 수 있었다. 전기전도도와 암모니아성질소의 회귀식은 계절별로 재현성이 확보되어 전기전도도를 통해 암모니아성질소를 추정하는 것이 가능할 것으로 판단된다. 호기조 말단 DO가 3.4 mg/L 정도에서 겨울철 질소처리효율이 가장 양호하였다. 호기조 DO는 공기공급량으로 제어할 수 있으며 질소와 상관성이 높은 전기전도도를 직접 측정하여 공기공급량을 제어하고 질소처리효율을 향상시키는 것이 가능함을 알 수 있었다. 전기전도도와 유입유량을 통해 필요공기량을 산정할 수 있는 경험식을 제시하였고, 식 계수를 구한 결과 A", (B" + X") 는 각각 0.0589 (m³-air/h)/(m³/h)/(μS/cm), -77.562 (m³-air/h)/(m³/h)로 나타낼 수 있었다. 겨울철기간 무산소조의 전기전도도 측정값에 따라서 공기공급량을 자동 제어한 결과는 총무기질소 제거효율과 SDNR이 실플랜트 조건보다 각각 8.3%, 0.007 g-N/g-MLSS/d 높게 나타났다. 자동제어한 기간 동안에 공기공급량/유입유량 평균비가 36(m³-air/h)/(m³/h)로 실플랜트 조건보다 공기공급량을 21.7% 감소시킬 수 있었다. 결론 : 전기전도도 기반 MLE공정의 공기공급 제어기술은 질소제거 효율 향상 및 에너지 사용량 절감을 동시에 달성할 수 있을 것으로 판단된다. Objectives : This study aimed to achieve improved process performance and energy saving by developing a technology to control the air supply of an aerobic basin by measuring the conductivity in the anoxic basin. Methods : To verify whether conductivity can be used as an operation indicator of biological treatment, the correlation analysis between water quality factor and conductivity of each process was conducted by dividing into summer (methanol input), winter and autumn periods. An empirical formula was presented by briefly arranging the required air quantity formula, and a quick reference was prepared by putting air supply in the conductivity range sequentially. The performance evaluation was judged based on the removal efficiency of ammonia nitrogen and total inorganic nitrogen, SNR and SDNR, the change of air supply, the stability of the process against inflow change. Results and Discussion : The seasonal correlation coefficients of conductivity and water quality items were calculated in the order of ammonia nitrogen, total inorganic nitrogen, DOC, and phosphate in the range of 0.5267 ~ 0.9115. It was found that the conductivity could be used as an operation indicator of the biological treatment process with a correlation coefficient of 0.5 or more. The regression equations for the conductivity and ammonia nitrogen are secured by season, so it is possible to estimate the ammonia nitrogen through the conductivity. At the end of the aerobic basin DO was 3.4 mg/L, the nitrogen treatment efficiency in winter was the best. The aerobic basin DO can be controlled by the air supply, and it can be seen that it is possible to control the air supply and improve the nitrogen treatment efficiency by directly measuring the conductivity having a high correlation with nitrogen. An empirical formula for estimating the required air volume through conductivity and inflow is presented. A" and (B" + X") are 0.0589 (m³-air/h)/(m³/h)/(μS/cm) and -77.562 (m³-air/h)/(m³/h). The result of automatic control of air supply according to the measured conductivity of anoxic tank during winter season showed that total inorganic nitrogen removal efficiency and SDNR were 8.3% and 0.007 g-N/g-MLSS/d higher than the actual plant conditions, respectively. During the automatic control period, the air supply/inflow average ratio was 36 (m³-air/h)/(m³/h), which could reduce the air supply by 21.7% compared to the actual plant conditions. Conclusions : The air supply can be estimated from the flow rate and conductivity. The air supply control technology of the conductivity-based MLE process will be able to simultaneously improve nitrogen removal efficiency and reduce energy consumption.