다단무산소조의 무동력 교반장치에 의한 영양염류 제거효율 평가 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 다단무산소조에 적용된 무동력 교반장치의 유체 유동 특성과 질소·인 제거 효율을 평가하고, 기존 동력 교반 방식과의 차별성과 적용 가능성을 검토하는 것을 목적으로 하였다. 무동력 교반 방식은 유체의 자유낙하 및 상향 흐름을 활용하여 별도의 에너지 투입 없이 교반 효과를 확보할 수 있는 기술로, 에너지 절감형 하·폐수 처리공정으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 다단무산소조를 대상으로 CFD 해석을 수행하여 유입 속도, 유입 배관 높이, 가이드베인 형상 변화에 따른 유동 특성과 교반 성능을 분석하였다. 또한 현장 운영 자료를 기반으로 총질소(T-N)와 총인(T-P)의 제거 효율을 비교·평가하였다. 해석 결과, 무동력 교반장치는 반응조 전반에 비교적 균일한 유속 분포를 형성하며, 사류 발생을 최소화하는 것으로 나타났다. 특히 유입 조건과 내부 구조에 따라 교반 성능이 크게 영향을 받는 것으로 확인되었다. 현장 실증 결과에서도 무동력 교반 방식은 동력 교반 방식과 유사하거나 일부 조건에서는 더 우수한 질소·인 제거 효율을 보였다. 본 연구 결과는 무동력 교반 기술이 에너지 절감과 처리 효율을 동시에 달성할 수 있는 대안 기술임을 시사하며, 향후 고효율·저에너지 하·폐수 처리공정 설계 및 운영에 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ⅰ
• 표 목 차 ⅳ
• 그림목차 ⅴ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구 배경 및 필요성1
• 2. 연구의 내용 및 방법3
• Ⅱ. 이론적 고찰 5
• 1. 하․폐수 처리 기술의 개요5
• 1) 기술 개요 5
• 2) 물리적 처리 기술6
• 3) 화학적 처리 기술8
• 4) 생물화학적 처리 기술 10
• 5) 고도처리 및 통합공정 12
• 6) 자원회수와 지속적 가능성13
• 7) 정책적․사회적 요구 15
• 2. 회분식 반응조(SBR)의 원리와 특성 16
• 1) 운전 원리와 단계 17
• 2) 구조적 특성과 장점20
• 3) 미생물 군집과 반응 동역학 23
• 4) 한계와 문제점 26
• 5) 기술적 개선 방향 28
• 3. 혐기/무산소 반응조의 역할과 에너지 자립성30
• 1) 혐기조의 기능 31
• 2) 무산소 반응조의 기능과 역할32
• 3) 혐기/무산소 반응조와 에너지 자립성 34
• 4. 교반 기술의 이론적 배경36
• 1) 동력 교반장치의 원리와 특성36
• 2) 무동력 교반(유체자유낙하, 상향흐름 제어) 원리 37
• 3) 교반과 질소·인 제거 효율의 상관관계38
• 4) CFD 기반 교반 성능 해석39
• Ⅲ. 연구방법48
• 1. 연구 대상 및 시스템 개요 48
• 2. 다단무산소조 및 NP제거장치의 무동력 교반 해석 방법 50
• 3. 자료 수집 및 분석 절차 52
• Ⅳ. 연구결과 및 고찰 54
• 1. 다단무산소조 CFD 모델 구성 결과 54
• 1) 지오메트리 설계54
• 2) 격자 생성 및 독립성 검토56
• 3) 지배 방정식과 난류 모델 57
• 4) 경계 조건 설정 58
• 2. 무동력 교반 성능 해석 결과59
• 1) 유입 속도 조건별 결과60
• 2) 유입 배관 높이별 결과 해석 78
• 3) 콘 가이드베인 형태별 해석(직선 vs 곡선)90
• 4) CFD 유동 해석에 대한 고찰102
• 3. 다단무산소조 질소․인 제거 효율 분석 결과104
• 1) 현장 운영 개요 104
• 2) 질소 및 인 제거 효율 비교106
• 4. CFD와 현장 실증의 평가 결과 고찰110
• Ⅴ. 결론 및 제언112
• 1. 결론 112
• 2. 연구 결과의 시사점114
• 3. 연구의 한계 및 향후 연구과제 115
• 참 고 문 헌 117
• ABSTRACT 122
• 감사의 글 124