도시하수의 생물학적 고도처리를 위한 NBF 공정 개발

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 기존 산기장치를 대신하여 마이크로-나노버블 산기장치의 하수처리장 폭기조 내 적용을 통한 수질개선 및 에너지 절감비용을 평가하기 위해 산소전달효율 및 산소전달속도 등의 평가하여 기존 산기장치와 마이크로-나노버블 산기장치의 효율을 비교하였으며, 하수고도처리를 위한 Pilot plant를 제작하여 공정비교 및 운전조건을 산출하고, 최종적으로 NBFA^(2)/O Process를 개발하여 현장 적용성을 평가하는데 그 목적이 있다.
1차 침전지 유출 수에 대하여 CB 산기장치와 MNB 산기장치를 적용한 결과 각각 운전시간 300 min 및 120 min 경과 후 DO 농도는 각각 4.43 mg/L와 6.8 mg/L를 나타내었다. 동일 운전시간 120 min에서의 DO 농도를 비교해 보면, CB 산기장치와 MNB 산기장치의 경우 각각 DO 농도는 2.93 mg/L와 4.43 mg/L로 나타나 MNB 산기장치에서 높은 산소전달효율을 나타내었다. 또한, MNB 시스템의 경우 K_(L)a, N 및 VOTR 값이 각각 0.91hr^(-1), 3.22 g O_(2)/hr 및 8.04 kg/m³․hr로 나타나, CB 시스템의 0.15 hr^(-1), 0.535 gO_(2)/hr 및 1.34 kg/m³․hr에 비해 상수와 마찬가지로 기체전달이 효과적인 것으로 나타났다.
마이크로-나노버블 산기장치의 고도처리 적용성 평가를 위해 운전조건별 Pilot plant에 의한 제거효율 비교결과 기존 산기장치를 이용한 CB system에 비해 마이크로-나노버블 산기장치를 이용한 NMB system이 Run 4의 조건에서 BOD5 제거율이 89.4%로 나타나 CB system 87.4%보다 높게 나타났으며 T-N 제거율은 NMB system에서 39.3%, CB system에서의 35.7%로 나타나 마이크로-나노버블 산기장치에 의한 고도처리 방법이 유기물 및 영양염류 제거에 좀 더 효과적인 것으로 나타났다.
NBF A_(2)/O process를 이용하여 하수고도처리 성능을 평가하기 위해 Condition 1∼4의 운전조건에 의한 수질분석결과 운전기간 8/11∼11/4일 동안 BOD5, COD_(Mn), T-N 및 T-P의 최대 평균 처리효율은 각각 78.5%, 79.5%, 36.1% 및 64.8%로 나타났으며, 유기물질(BOD5 및 COD_(Mn))항목의 경우 Condition 3에서 가장 높은 결과를 나타내었으며, T-N의 경우 Condition 4, T-P의 경우 Condition 1로 나타났다. NBF A_(2)/O process 운전조건 중 제거효율을 기준으로 판단하면 Condition 3에서 가장 높은 BOD_(5) 및 COD_(Mn) 제거효율인 78.5% 및 79.5%를 나타내었지만 영양 염 류 제거 효율이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다. NBF A2/O process 운전조건 중 Condition 3 기준으로 운전한 결과를 바탕으로 최대 기질제거속도(K_(max))와 반포화농도(Ks)는 BOD5를 기준으로 했을 때 각각 0.342 day^(-1), 69.620 mg/L로 산출되었으며, COD_(Mn)를 기준으로 했을 때 각각 0.291 day^(-1), 54.874 mg/L로 산출되었다. 또한 미생물의 내생호흡계수(Kd)와 세포합성계수(Y)는 BOD5를 기준으로 했을 때 각각 0.0558 day^(-1) 및 0.1282였으며, COD_(Mn)를 기준으로 하 했을 때 각각 0.0186 day^(-1) 및 0.3472로 산출 되었으며 미생물의 최대 비 생장속도(μmax)는 BOD5와 COD_(Mn)를 기준으로 했을 때 각각 0.044 day^(-1) 및 0.101 day^(-1) 로 나타나 마이크로-나 노 버블에 의한 산소전달률 의 증가로 인해 상대적으로 짧은 체류시간 및 운전조건의 변화에서도 하수처리에 긍정적인 효과를 가져오는 것으로 보여진다. 이후 연구에서는 탄소 원을 첨가하여 보다 높은 영양염류 제거효율을 가질 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In order to evaluate water quality improvement and energy-saving costs by means of application of a micro-nano bubble diffuser inside an aeration tank of a sewage treatment plant, the present research compared efficiency of an existing diffuser with the micro-nano bubble diffuser by evaluating oxygen transfer efficiency, oxygen transfer rate, and etc.. The main objectives of this research are to develop the pilot plant(NBF A^(2)/O Process) and to evaluate field applicability for an advanced treatment of sewage by investigating process comparisons and operating conditions.
Oxygen transfer coefficients(K_(La)) of the effluent of primary clarifier were determined. Air flow in both the conventional bubbles(CB) diffuser and micro-nano bubbles(MNB) diffuser was set at 1 L/min, and the saturation oxygen concentrations in the effluent of the primary clarifier for the conventional diffuser and micro-nano bubbles diffuser with constant inflow were 4.4 mg/L for 300 mins and 6.8 mg/L for 120 min, respectively. Do concentrations after 120 min for CB system and MNB system with primary clarifier effluent are 4.4 mg/L와 6.8 mg/L. The values of KLa, N and VOTR of the effluent of the primary clarifier for the conventional diffuser were found be to 0.15 hr^(-1), 0.535 gO_(2)/hr 및 1.34 kg/m3․hr respectively. The values of KLa, N and VOTR of that for the micro-nano bubbles diffuser were found be to 0.91 hr^(-1), 3.22 gO_(2)/hr and 8.04 kg/m3․hr, respectively.
There were 4 different operating conditions which were Run 1(standard), Run 2(different retention times), Run 3(different MLSS concentrations) and Run 4(different recycle ratios) for each batch reactors (effective volume: 660L) to compare CB system with NMB. The NMB system using the micro-nano bubble diffuser showed 89.4% of BOD5 removal rate in conditions of Run 4, compared to a CB system using the existing diffuser, it appeared slightly higher than 87.4% of the CB system. As T-N removal rate appeared as 39.3% in the NMB system and appeared as 35.7% in the CB system, the advanced treatment method by the micro-nano bubble diffuser appeared as more efficient in removal of dissolved organic matter and nutrients such as nitrogen and phosphorus.
In order to evaluate an advanced treatment performance of sewage by using the piolt plant NBF A^(2)/O process(effective volume: 5 m3), there were 4 different operating conditions which were Condition 1, Condition 2, Condition 3 and Condition 4. As a result of water analysis by operation conditions of Conditions 1∼4, maximum average treatment efficiency of BOD_(5), COD_(Mn), T-N and T-P respectively appeared as 78.5%, 79.5%, 36.1% and 64.8% during an operating period of August 11∼November 4. Condition 3 showed the highest result in case of dissolved organic matter (BOD_(5) and COD_(Mn)), and Condition 4 showed the highest result in case of T-N, and Condition 1 showed the highest result in case of T-P. By judging removal efficiency among operating conditions of the NBF A^(2)/O process, Condition 3 showed the highest removal efficiency which is 78.5% in case of BOD_(5) and 79.5% in case of COD_(Mn), but removal efficiency of nutrients appeared as relatively low.
Based on the result operated with Condition 3 among operating conditions of the NBF A^(2)/O process, maximum substrate removal rate(K_(max)), half-saturated concentration(K_(s)), endogenous respiration coefficient (K_(d)) and cell synthesis coefficient(Y) were respectively calculated as 0.342 day^(-1), 69.620 mg/L, 0.0558 day-1 and 0.1282 on the basis of BOD_(5). maximum substrate removal rate(Kmax), half-saturated concentration(K_(s)), endogenous The respiration coefficient (K_(d)) and cell synthesis coefficient(Y) were respectively calculated as and were respectively calculated as 0.291 day^(-1), 54.874 mg/L, 0.0186 day^(-1) and 0.3472 on the basis of COD_(Mn). As maximum specific growth rate(μ_(max)) of a microorganism was calculated as 0.044 day^(-1) and 0.101 day^(-1) on the basis of BOD_(5) and COD_(Mn), respectively. It seems that it brings about positive effects in sewage treatment in spite of relatively short retention time and change of operating conditions due to increase of oxygen transfer rate by the micro-nano bubbles. It is judged that subsequent research would have higher removal efficiency of nutrients by adding carbon sources.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 문헌고찰 3
• 1. 산소전달계수 3
• 가. 이중막 이론 3
• 나. 산소전달계수의 측정 및 특성 5
• 다. 산소전달계수에 영향을 주는 인자 6
• 라. 하수의 포화용존산소 농도 7
• 2. 마이크로-나노버블 9
• 가. 마이크로-나노버블 생성원리 10
• 나. 마이크로-나노버블 상승속도 11
• 다. 마이크로-나노버블 자기가압 효과 12
• 라. 마이크로-나노버블 전위특성 12
• 마. 마이크로-나노버블 압축파괴 14
• 3. 생물학적 질소제거 20
• 가. 생물학적 질소제거 기작 20
• 나. 질산화 21
• 다. 탈질산화 24
• 4. 생물학적 인제거 26
• 가. 인제거 미생물 27
• 나. 생물학적 인제거에 미치는 영향인자 28
• 다. 호기성 신지대사의 화학양론적 모델 31
• 라. 혐기성 신진대사의 화학양론적 모델 33
• 5. 하수고도처리 34
• 가. 기존 하수처리 공법 36
• 나. 하수고도처리 공법 37
• 다. 국내 하수고도처리 기술 및 환경신기술 공정 55
• 6. 미생물성장 동력학 계수 68
• 가. 하수처리의 동력학 모델 70
• 나. 복합기질 모델 76
• Ⅲ. 실험장치 및 방법 79
• 1. 실험재료 79
• 2. 실험장치 80
• 3. 실험방법 82
• 가. 산소전달효율 82
• 나. 마이크로-나노버블 산기장치를 이용한 Pilot plant 적용 86
• 다. NBF A2/O process 고도하수처리시스탬개발 89
• 라. 수질분석 95
• Ⅳ. 결과 및 고찰 96
• 1. 기체전달효율 특성 96
• 가. 산소발생 성능평가 96
• 나. 총괄물질전달계수(KLa)와 산소용해효율 97
• 2. 마이크로-나노버블 산기장치를 이용한 Pilot plant 운전결과 102
• 가. Run1 운전조건 결과 102
• 나. Run2 운전조건 결과 109
• 다. Run3 운전조건 결과 115
• 라. Run4 운전조건 결과 121
• 마. 운전조건별 제거효율 127
• 3. NBF A^(2)/O process를 이용한 하수고도처리 운전결과 128
• 가. Condition1 운전조건 결과 128
• 나. Condition2 운전조건 결과 133
• 다. Condition3 운전조건 결과 137
• 라. Condition4 운전조건 결과 141
• 마. NBF A^(2)/O process 운전결과 및 동력학계수 산정 145
• Ⅴ. 결론 157
• 참고문헌 160