Modified phased isolation intrachannel clarifier ditch system for enhanced nutrient removal and process optimization : 하수의 탈질·탈인을 위한 유로변경 간헐폭기식 침전지내장형 산화구시스템 및 공정최적화

국문 초록 (Abstract)

국내 중소규모 고도 하수처리시설에 보다 적합하고 경제적인 시스템의 하나로서, 기존 고도처리 산화구공정을 수정, 단순화한 유로변경 간헐폭기식 침전지내장형 산화구시스템 (Phased isolation intrachannel clarifier ditch system)을 개발하였다. 실험실규모 반응조 및 현장설치 파일럿의 3년간에 걸친 운영들 통하여, 유기물 및 질소·인 제거에 미치는 시스템 주요설계 및 운전인자들의 영향과 내부반응 거동분석 등을 통해 개발대상공법의 고유시스템 설계 및 운전기술을 파악한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
생물학적 영양염류제거공법 대안의 하나로서 고안된 「유로변경 간헐폭기식 침전지 내장형 산화구시스템」 의 장기간에 걸친 실험실 및 현장 파일럿 연구를 통하여 별도의 전단 혐기조, 외부 최종침전지, 인위적인 질산화수내부순환 및 슬러지반송 등이 없이도 하수의 고효율 유기물 및 질소 인 동시제거가 가능한 시스템 고유의 특성과 장점을 입증할 수 있었다.
건설비가 저렴하고 유지관리가 용이한 산화구를 기반으로 혐기·무산소·호기조건의 상분리를 위해 시간적 분할방법 (temporal phase separation)인 간헐폭기 및 공간적 분할방법 (spatial phase separation)인 유로변경 방법을 도입한 결과, 질산화·탈질·인방출 및 섭취를 위한 상분리가 완벽하게 구현되었다.
특히, 유로변경방법을 통해 탈질 및 인방출시 연속적인 하수공급에 의한 내부탄소원의 최대이용이 가능하였으며, 두 반응간의 기질경쟁이 완벽히 배제된 상태에서 탈질과 전자수용체에 저해도 없는 원활한 인방출이 가능하였다. 이러한 장점은 항상 별도의 전단 혐기단계를 두어야 하는 기존 BNR공법들에서의 내부탄소원 부족 및 전자수용체 저해 문제를 극복할 수 있었으며, 유입하수의 유기물 농도가 질소·인 농도에 비해 상대적으로 낮아 생물학적 영양염류제거에 어려움이 많은 우리나라 실정에서는 매우 바람직한 것이었다. 본 시스템의 이러한 장점에 힘입어, 최고 97.6%의 높은 총인제거가 가능하였고, 유입 BOD/TKN비가 2.3으로 낮은 조건하에서도 처리수 총질소농도 10mg/L 수준 이하의 만족할만한 질소제거가 안정적으로 가능하였다.
실험실규모 연구에서는 파일럿운전에서는 조절하기가 어려운 각종 운전조건들을 다양하게 조절하여 시스템 HRT 및 SRT, 그리고 사이클주기 등의 시스템 주요인차별 영향에 대해 알아보았으며, 운전결과를 종합하여 보면 사이클주기 4~8시간, 시스템 HRT 6~12시간, 시스템 SRT 9~31일의 범위에서 BOD와 총질소 및 총인 제거효율이 각각 98~97%, 70~84% 및 65~90% 범위의 처리수준을 나타내었다. 또한 실험실규모 연구결과를 바탕으로 보다 현장특성을 최대한 반영할 수 있는 파일럿 연구를 실시하였으며, 파일럿 운전결과를 종합하여 보면, 사이클주기 4시간, 시스템 HRT 10~21시간, 시스템 SRT 16~34일, 반응조수온 10℃ 이상에서 BOD와 총질소 및 총인 제거효율이 각각 90~99%, 64~93% 및 65~98% 범위의 전반적으로 양호한 처리수준들 유지할 수 있었다.
동절기 현장 파일럿연구를 통해 수온 5~10℃에서도 유기물 및 총인 제거는 큰 영향을 받지 않음을 알 수 있었으며, 단지 질소제거시의 저수온의 악영향은 시스템 HRT와 SRT의 동시증가에 의하여 상쇄 가능하였다. 또한 내부상분리 거동을 관찰한 결과 본 시스템은 한 사이클 내에서 형기·무산소·호기단계의 간단한 시간적 분할방법에 의하여, 질산화 및 탈질, 인의 방출 및 섭취 각 반응의 극대화가 가능하여, 기존 유사공법들과도 달리 별도의 전단 형기조가 생략 가능함을 알 수 있었다.
장기간의 실험실 및 파일럿 연구결과와 BNR시스템에 복합적으로 영향을 미치는 다양한 환경 및 운전인자에 대해 민감도 분석을 실시하여 비교한 결과, 본 시스템의 처리수준은 C/N비나 C/P비 등 유입하수의 성상이나 시스템 HRT보다는 시설설치후에 조작 가능한 운전인자인 시스템 SRT에 주로 영향을 받았고, 이 점은 시스템 제어성 측면에서 매우 유리하였다. 질소 및 인 제거의 극대화를 위한 각 시스템 SRT의 최적운전조건은 서로 상충하여, 질소제거 극대화해 중점을 둘 경우에는 최대시스템 SRT, 인제거 극대화에 중점을 둘 경우에는 최소시스템 SRT가 설정되어야 함을 밝힐 수 있었다. 본 연구조건하에서의 질소, 인제거 최적 시스템 SRT 및 HRT의 범위는 각각 20~25일, 10~14시간 이었다.
Cycle time 및 다양한 조건하에서의 시스템 내부거동 관찰을 통해, 본 시스템은 상황에 따라 각 상 및 사이클의 시간조절만에 의하여 즉시 각 반응에 필요한 반응조용량을 용이하게 증감시키는 효과를 기대할 수 있고, 각 반응의 극대화를 도모할 수 있는 단순성, 효율성, 신축성을 동시에 가지고 있음을 알 수 있었다. 이는 기존의 산화구채택 이차처리시설의 개조와 중소규모 하수처리장 신설시 유입부하변동 등에 보다 탄력적으로 대응할 수 있는 안정적이고 경제적인 고효율 질소·인 제거시스템의 한 대안이 될 수 있다고 판단되었다. 또한 파일럿 최적 운전조건을 대상으로 ASM2 모델을 이용하여 시스템내부거동을 예측한 결과 시뮬레이션 및 실측결과가 매우 잘 일치하였다.
실제 중소규모 하수처리장의 현장특성을 고려한 유기물 및 수리학적 충격부하에 따른 시스템의 거동에 대하여 실험실 및 파일럿 연구를 실시하였다. 처리특성에는 큰 영향을 미치지 않았으며, 약 16시간 이후에는 충격부하 이전의 기존 처리효율로 회복가능함을 알 수 있었다. 또한 저농도하수 유입시의 처리특성을 관찰하고자 실규모시스템이 적용된 K하수처리장 (합류식) 유입수를 대상으로 실험실규모 처리도실험 및 반응조내 주요인자의 거동을 관찰하였다. 저농도하수 적용시에도 분류식 (고농도)하수 적용시와 마찬가지로 안정적인 처리효율을 얻을 수 있었으며, 추가적인 화학적 처리없이도 고효율의 질소, 인 동시제거가 가능하였다.
동일 처리 대상하수에 대해 기존 상분리산화구공법의 일종인 BioDenitro와 본 시스템을 실험실규모연구에서 비교, 평가한 결과 처리효율에 있어서는 두 공정 모두 큰 차이가 없었다. 그러나 본 시스템은 최종침전지, 내부순환, 슬러지반송 및 관련 부대설비와 부지, 그리고 그에 따른 유리관리가 불필요할 뿐만 아니라, 보다 단순화된 시스템으로도 짧은 시간내에 보다 용이하게 완벽한 상분리에 의한 질소·인 동시제거가 가능하다는 차별성을 가지고 있기 때문에, 기존의 각종 BNR공법에 비하여 훨씬 우수함을 기대 할 수 있었다. 본 시스템의 최종실증을 위하여 경기도 양평군 K환경사업소에 설치되어 운영중에 있는 기존 산화구공정을 더욱 스케일업된 실규모시스템 (처리용량 5,000m^(3)/d)으로 개조하였다.
산화구해 내장형침전지 (intrachannel clarifier)를 도입함으로써, 기존 고도처리용 산화 구변법들의 단점을 개선한 보다 단순화한 효율적이고 경제적인 공정으로 기대될 수 있었으며, 본 시스템의 주요 관련장치기술중 하나인 내장형침전지의 실규모적용시 발생 가능한 예상문제점 상세파악 및 침전특성 최적화를 위하여, 축적된 파일럿 및 실험실 규모 설비의 설계·운전경험에 대한 상세해석을 실시하였다. 다양한 형태의 침전지를 바탕으로 실제 운전상태에서의 내부 유체거동을 파악하고, 내장형침전지 기술의 핵심적 기본 이론 및 현상을 이해하기 위한 내장형침전지 시뮬레이터를 이용하여 침전지 주요 영향인자 도출할 수 있었다. 또한 적용된 다양한 침전지형태중 상향류 및 수평류형 내장형침전지를 대상으로 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 도출된 실측결과와 비교한 결과 서로 잘 일치하였다. 상향류 및 수평류형 침전지 모두 침전특성에서는 큰 차이가 없었으나, 상향류형 내장형침전지의 경우 수평류형에 비해 시공 및 유지관리 측면에서 훨씬 유리할 것으로 판단되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Phased isolation ditch system with intrachannel clarifier devised in this study is an innovative biological nutrient removal system employing two ditches with intrachannel clarifiers. The evaluation of system performances, detailed assessment of internal behavior in a ditch and each reactions, and establishment of optimal operating strategies for the system were performed through long-term laboratory and field pilot experiments. The modified phased isolation ditch system was proven to be simplified novel process enhancing simultaneous removal of biological nitrogen and phosphorus in municipal wastewater in terms of elimination of additional pre-anaerobic reactor external clarifier, recycle of sludge, and nitrified effluent recirculation by employing intrachannel clarifier.
A significant level of removals of nitrogen and phosphorus could be also achieved even at the low influent carbon sources, respectively. When the laboratory-scale system was operated at the HRTs of 6~12hours, SRTs of 9~31days, and cycle times of 4~8hours. the system showed removals of BOD, TN, and TP as high as 88~97%. 70~84%, and 6590%, respectively. The pilot-scale system was also operated to assess the performance and optimal operating strategies of the system. When the pilot system was operated at the HRTs of 10~21hours, SRTs of 16~34days, and cycle times of 4hours, the system showed removals of BOD, TN, and TP at the mixed liquor temperature higher than 10°C as high as 90~99%, 64~93%, and 63~98%, respectively.
Temperature effect on TN removal was considerable at the results of pilot system, whereas no significant drops occurred in the removals of BOD and TP even at the low temperature of 5℃. However, the decrease of TN removal at the mixed liquor temperature below 10℃ could be improved by extension of system SRT and HRT. Settling performance was also affected by the drop of temperature.
The BOD removal was not affected by system HRT, especially even at shorter HRTs. Whereas, the degree of TP removal relatively decreased. Optimal ranges of system HRT considering scale-up of the system and the simultaneous removals of nitrogen and phosphorus were 10~14hours. The effect of system SRT on nitrogen and phosphorus removal was clearly identified, showing optimal operating conditions conflicted with each other. The effect of cycle time on system performance was shown in the inverted manner as that of the system SRT. Optimal cycle time satisfying simultaneous removals of nitrogen and phosphorus would be 4hours. The optimal mixed liquor DO concentration range for nitrification and denitrification was also 0.5~2.0mg/L.
The phase separation in a cycle maximizing phosphorus release and uptake as well as nitrification and denitrification was completely accomplished by scheduling of alternating flow and intermittent aeration in the simplified process scheme. Especially, temporal phase separation for phosphorus release without additional anaerobic reactor was successfully accomplished during anaerobic period without any nitrate interference and carbon-limiting. Simulated investigation using ASM2 model was also performed to predict and assess the internal behavior. The results between experimental and simulated investigation were well matched each other.
Sensitivity analysis on combined effect of major environmental and operating parameters on system performance using multiple regression on various parameters was performed. The system performance was mainly affected by mixed liquor temperature, and influent C/N and C/P ratio were lesser sensitive on the removals of nitrogen and phosphorus than other environmental and operating parameters. This tendency was well matched with the experimental results. In order to improve the system reliability, the performance response of the laboratory-and pilot-scale system on short-term hydraulic shock loading was evaluated. The performance of laboratory- and pilot-scale system were slightly decreased by increasing of influent flowrate, i.e. decreasing of system HRT, however the higher system performance could be achieved again after four cycles.
Intrachannel clarifier installed in the system represents a relative new alternative to conventional secondary clarifiers for oxidation ditch processes. Upward flow type intrachannel clarifier was more effective for construction, operation, and maintenance than that of horizontal flow type clarifier. Simulated investigation of the clarifier using FLUENT, which is computational fluids dynamics program, was performed to verify and predict the performance through the comparison with the result of experimental investigation. The results between experimental and simulated investigation were well matched each other.
Conventional wastewater treatment plant operated as oxidation ditch process was successfully retrofitted to the phased isolation ditch system revised in this study to improve nutrient removal performance. The design of full-scale system was performed based on optimal parameters derived from the results of laboratory-and pilot-scale system. The phased isolation ditch system could easily be expanded and upgraded by either adding another oxidation ditch by adding intra-clarifiers.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 = ⅰ
• ABSTRACT = ⅴ
• CONTENTS = ⅷ
• List of tables = xiv
• List of figures = xvii
• List of Abbreviation = xxiii
• CHAPTER 1. Introduction = 1
• 1.1 Research background and objectives = 1
• 1.2 Scope of research = 5
• 1.3 Dissertation structure = 7
• CHAPTER 2. Literature review = 8
• 2.1 Biological nitrogen removal = 8
• 2.1.1 Nitrification = 9
• 2.1.2 Denitrification = 15
• 2.2 Biological phosphorus removal = 20
• 2.2.1 Principle of biological phosphorus removal = 20
• 2.2.2 Factors affecting biological phosphorus removal = 22
• 2.3 Characteristics and treatment of municipal wastewater = 26
• 2.3.1 Characteristics and flowrates of municipal wastewater = 26
• 2.3.2 Biological treatment of municipal wastewater = 27
• 2.4 Research trend of biological nutrient removal processes of municipal wastewater = 29
• 2.5 Oxidation ditch modifications for nutrient removal = 32
• 2.5.1 General description of oxidation ditches for nutrient removal = 35
• 2.5.2 Phased isolation ditch technology = 40
• 2.6 Intrachannel clarifier = 47
• 2.6.1 Types of intrachannel clarifier = 49
• 2.6.2 BOAT clarifier = 50
• 2.6.3 BMTS intrachannel clarifier = 51
• 2.6.4 Design tradeoffs when considering intrachannel clarifiers = 52
• 2.7 Computational fluid dynamics (CFD) program = 53
• CHAPTER 3. Materials and methods = 55
• 3.1 Deseription of phased isolation intrachannel clarifier ditch system = 55
• 3.1.1 Laboratory-scale phased isolation ditch system = 57
• 3.1.2 Pilot-scale phased isolation ditch system = 61
• 3.1.3 Intrachannel clarifier simulator = 73
• 3.1.4 CFD program for simulated investigation = 76
• 3.2 Influent characteristics = 78
• 3.2.1 Laboratory-scale study = 78
• 3.2.2 Pilot-scale study = 80
• 3.3 Operational methods = 81
• 3.4 Analytical methods = 83
• CHAPTER 4. Performance evaluation and analysis of laboratory-scale system = 88
• 4.1 Overall system performance = 88
• 4.2 Performance response to influent characteristics = 93
• 4.2.1 Effect of influent loading = 93
• 4.2.2 Effect of influent C/N ratio = 98
• 4.2.3 Effect of influent C/P ratio = 101
• 4.2.4 Effect of pH and alkalinity = 102
• 4.3 Performance response to system variables = 104
• 4.3.1 Effect of system HRT = 104
• 4.3.2 Effect of system SRT = 109
• 4.3.3 Effect of cycle time = 113
• 4.4 Evaluation of settleability = 116
• 4.5 Internal behavior in a ditch by temporal phase separation = 118
• 4.5.1 Profiles of DO and alkalinity = 119
• 4.5.2 Profiles of nitrogen and phosphorus = 122
• 4.6 System stability on hydraulic shock loading = 129
• 4.7 Comparative system evaluation with existing phased isolation ditch technology = 132
• 4.8 System reliability of the system on weak municipal wastewater = 134
• 4.9 Summary = 137
• CHAPTER 5. Performance evaluation and analysis of pilot-scale system = 140
• 5.1 Overall system performance = 147
• 5.2 Performance response to environmental factors = 148
• 5.2.1 Effect of temperature on system stability = 148
• 5.2.2 Effect of influent characteristics = 156
• 5.3 Performance response to system variables = 165
• 5.3.1 Effect of system HRT = 166
• 5.3.2 Otpimal system SRT satisfying both N and P removal = 172
• 5.3.3 Optimal cycle time satisfying both N and P removal = 179
• 5.3.4 Effect of oxygen concentration = 190
• 5.4 Internal behavior in a ditch by temporal phase separation = 193
• 5.4.1 Profiles of DO and ORP = 194
• 5.4.2 Profiles of pH and alkalinity = 195
• 5.4.3 Denitrification rate = 196
• 5.4.4 Profiles of various organic matters = 198
• 5.4.5 Profiles of nitrogen and phosphorus = 198
• 5.5 Performance response to periodic shock loading = 203
• 5.5.1 Variations of influent characteristics during wet and dry seasons = 204
• 5.5.2 Comparison of system performance during wet and dry seasons = 205
• 5.5.3 Effect of hydraulic shock loading on system performance = 205
• 5.5.4 Effect of concentration shock loading on system performance = 208
• 5.6 Sensitivity analysis on combined effect of environmental and operating parameters on system performance = 209
• 5.6.1 Combined effect of various parameters on nitrogen removal = 209
• 5.6.2 Combined effect of various parameters on phosphorus removal = 212
• 5.7 Control of horizontal flow velocity and air supply in a ditch using pump ejector = 216
• 5.7.1 Control of horizontal flow velocity = 216
• 5.7.2 Control of air supply = 218
• 5.8 Summary = 220
• CHAPTER 6. Retrofit of full-scale conventional oxidation ditch for nutrient removal = 223
• 6.1 Field survey = 223
• 6.1.1 Variation of influent flowrate = 224
• 6.1.2 Wastewater characteristics = 225
• 6.2 Existing process performance = 226
• 6.3 Retrofit of full-scale conventional plant = 227
• 6.4 Mass estimation and activity test of microorganisms to predict the full-scale system performance = 230
• 6.5 Summary = 234
• CHAPTER 7. Assessment and optimization of intrachannel clarifier technology = 235
• 7.1 Laboratory-scale intrachannel clarifier = 235
• 7.2 Pilot-scale intrachannel clarifier = 237
• 7.2.1 Horizontal flow type = 238
• 7.3.2 Upward flow type = 240
• 7.3 Design and operating parameters through experiments = 241
• 7.3.1 Horizontal flow type = 242
• 7.3.2 Upward flow type = 258
• 7.4 Design and operating parameters through computer simulation = 260
• 7.4.1 Large-scale intrachannel clarifier simulator = 260
• 7.4.2 Pilot-scale intrachannel clarifier = 268
• 7.5 Optimization of design and operating parameters for intrachannel clarifier = 271
• 7.5.1 Preferable clarifier configuration = 271
• 7.5.2 Optimal design and operating conditions = 274
• 7.6 Summary = 277
• CHAPTER 8. Analysis of system variables with simplified mathematical model = 279
• 8.1 Description of phased isolation intrachannel clarifier ditch system = 279
• 8.1.1 Classification of cycle time = 280
• 8.1.2 Constitution of hydraulic retention time = 282
• 8.2 Identification of system variables based on mass balance of the system = 284
• 8.2.1 Process kinetics for phased isolation ditch system = 284
• 8.2.2 Biomass fate and substrate accumulation = 285
• 8.2.3 Nitrogen removal = 286
• 8.3 Comparative evaluation of behaviors in ditch using mathematical model = 291
• 8.3.1 Mass balance equations of the mathematical model = 291
• 8.3.2 comparison between experimental and simulated results = 298
• CHAPTER 9. Engineering significance = 300
• CHAPTER 10. Conclusions and recommendations = 308
• References = 312
• Appendices = 327
• Appendix A. Classification of BNR processes applied in Korea = 328
• Appendix B. ATP measurement = 329
• Appendix C. Volatile acids analysis = 332
• Appendix D. Respirometric test for denitrification rate analysis = 334
• Appendix E. Specific phosphorus uptake and release rates presented in the literature = 336
• Appendix F. Remedial action to malfunction of full-scale intrachannel clarifier (March, 2003) = 339
• VITA = 344