하수고도처리용 친환경 외부탄소원 개발 및 현장적용성 평가 = Development of environment friendly alternative external carbon source for advanced sewage treatment system and its field applicability assessment

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 하수고도처리용 대체탄소원으로서의 현장적용성을 평가하기 위해 부족한 탄소원을 보충할 물질로 친환경 외부탄소원(RCS5, RCS15, TPA5)의 개발 및 lab test와 pilot plant의 현장설치 실험을 통한 메탄올과의 탈질능 비교 실험과 생분해성 검토를 수행하였으며, 대체탄소원의 현장적용을 통한 질소 제거효율과 방류수질을 평가하고자 하였다. 또한, 하수처리장의 수온 감소기와 증가기의 질소제거특성을 Van't Hoff-Arrhenius 식의 온도계수에 대한 매개변수 추정을 통해 검토하고자 하였다.
본 연구에 사용된 실험실 규모 MLE 반응기는 총 용적 28 L(5.6 L × 5)의 크기였으며, 무산소조 2단과 뒤 이은 호기조 3단으로 구성되었다. 유입수는 N하수처리장의 스크린을 통과한 것을 사용하였으며, 대체탄소원으로는 RCS5, RCS15, 탄소원 무첨가, 대조군으로 메탄올을 사용하여 비교실험을 하였다. 또한 S하수처리장은 TPA5를 이용하여 CODCr 농도 130～150 mg/L로 조정하였고, NH4Cl, Na2HPO4․12H2O를 이용하여 NH4+-N과 PO43--P 농도가 각각 30 mg/L, 1 mg/L가 되도록 주입하였다. 대체탄소원의 현장적용실험은 K하수처리장, N하수처리장, S하수처리장의 운전조건과 동일한 방식으로 적용하여 실험을 실시하였다.
실험결과 대체탄소원(RCS5, RCS15, TPA5)은 메탄올과 동등 수준의 생분해속도 및 탈질속도를 가진 것으로 판단되며, 질소제거율은 메탄올 67.6%, RCS5 68%, RCS15 72%, TPA5 63%로 각각 나타났다. 또한, 부산물의 탄소원 호환성을 평가하기 위해 메탄올, RCS, 메탄올 순서로 교차투입시 생분해도와 탈질능에서 빠른 회복을 보였다. K, N 그리고 S하수처리장은 대체탄소원의 공급을 통해 외부탄소원 비용의 54% 이상을 절감할 수 있어 외부탄소원의 경제적 수급과 산업 부산물의 재활용이라는 성과를 거두었다. 하수처리장의 수온 감소기와 증가기의 질소제거특성을 Van't Hoff Arrhenius 식을 적용하여 온도보정계수(ΦN, ΦD)를 추정한 결과 수온 감소기의 온도보정계수는 각각 1.199와 1.197이였고, 수온 증가기에는 각각 1.417과 1.366으로 수온 증가기가 더 높은 값을 나타내어 수온의 영향을 많이 받는다는 것을 확인할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 이 론 4
• 1. 생물학적 질소제거 4
• 2. 질산화 및 탈질 메카니즘 6
• 가. 질산화(Nitrification) 6
• 나. 탈질(Denitrification) 17
• 3. 탈질에 이용되는 탄소원 26
• 가. 탈질 탄소원의 조건 26
• 나. Ss(RBDCOD : readily biodegradable COD) 분석 29
• 다. 대표적인 탈질 탄소원 39
• Ⅲ. 실험재료 및 방법 52
• 1. 실험재료 52
• 2. 실험장치 및 방법 54
• 가. 대체탄소원의 평가 및 현장적용단계 54
• 나. 실험장치 56
• 다. 운전조건 58
• 라. 대체탄소원(TPA5)의 전산모사(Simulation)방법 59
• 마. 수온감소기와 증가기의 질소제거특성 64
• Ⅳ. 결과 및 고찰 68
• 1. Lab-scale 적용실험 결과 68
• 가. 대체탄소원(RCS5, RCS15)의 평가 결과 68
• 나. 대체탄소원(TPA5)의 평가 결과 72
• 다. 대체탄소원(RCS5)의 교차주입 실험 75
• 라. 대체탄소원(TPA5)의 호흡율 측정 결과 78
• 마. 대체탄소원(TPA5)의 탈질율 평가 80
• 바. 전사모사(Simulation) 82
• 2. 현장적용실험 결과 90
• 가. 대체탄소원(RCS5)의 평가 결과 90
• 나. 대체탄소원(RCS15)의 평가 결과 95
• 다. 대체탄소원(TPA5)의 평가 결과 98
• 3. 경제성 평가 103
• 4. 수온감소기와 증가기의 질소제거특성 평가 105
• 가. 온도변화에 따른 공정성능 변화 105
• 나. 온도변화에 따른 비질산화율과 비탈질율의 변화 107
• 다. Van't Hoff-Arrhenius 식의 적용과 온도보정계수(Φ) 추정 109
• Ⅴ. 결 론 114
• 참고문헌 116
• APPENDIX 124
• Abstract 162