생물학적 폐수처리 공정의 포기조 설계를 위한 온도와 SRT에 따른 비산소소비율 상관관계에 관한 연구 = (A)study on the SOUR with temperature and SRT variation for designing the aerator in biological wastewater treatment process

국문 초록 (Abstract)

국내에서 운영되고 있는 하수 및 오수처리장은 2004년부터 고도 처리 공정으로 개선되었거나 공사가 진행 중에 있으며, 다수의 처리장이 위와 같은 수질 기준에 적합하도록 기존 설계방법에 의하여 시공되어 지고 있다. 그러나 기존의 설계 방법은 계절별 수온 특성을 단순한 안전계수 (S.F. ; Safety Factor)만으로 고려하고 있으며, 또한 미생물 활성도에 따라 비기질소비율(U)이 변화하지만 처리장을 설계할 경우 일반적 설계 지침에 따른 비기질소비율(U) 값을 정하고, 미생물 체류시간(SRT)를 선정한 후 포기조 부피를 계산하는 방법을 적용하여 설계․시공함으로써 처리장 운영에 있어서 유입수 유량 및 수질 변동, 계절별 수온에 따른 미생물 활성도 변화에 BOD 제거 및 질산화 운전 조건을 안정적으로 확립하기 어려운 것이 현실이다.
따라서 본 연구에서는 비산소소비율 (SOUR ; Specific Oxygen Uptake Rate)에 의한 새로운 설계 인자를 비기질 소비율(U)과 미생물 체류시간(SRT)에 접목시켜 국내 하수 및 오수 유입조건에 적합한 새로운 포기조 설계법을 제안하고자 실험실 규모 연속식 반응기 4기를 설치하고, 실험 조건으로 온도에 따른 비산소소비율 및 오염원의 거동을 반응조 온도 10℃, 20℃, 25℃로 설정하여 분석하였으며, 해당온도에 따라 미생물 체류시간을 5day, 10day, 20day, 30day로 운전하여 그에 따른 비산소소비율 및 수질 분석을 통한 비교․분석을 실시하였다.
실험 조건별 수질 분석 결과로는 각 조건별로 평균 유기물 제거율 90%, 질소 제거율 60%, 인 제거율 25%로 나타났으며, SRT 5day, 10day 10℃조건에서만 완전한 질산화가 이루어지지않고, 나머지 조건에서는 모두 동일한 질산화가 이루어진 것으로 분석되었다. 각각의 결과를 바탕으로 조건별 비기질소비율을 분석한 결과 Mode1에서 온도별 U= 0.72, 0.79, 0.87 TCODCr/kg MLVSS·day, Mode2에서 온도별 U= 0.47, 0.513, 0.684 TCODCr/kg MLVSS·day, Mode3에서 온도별 U= 0.35, 0.423, 0.473 TCODCr/kg MLVSS·day, Mode4에서 온도별 U= 0.33, 0.3544, 0.43 TCODCr/kg MLVSS·day으로 나타났으며, SRT가 증가할수록 비기질소비율은 감소하는 경향을 나타내고 있다. 또한 SRT 5day에서의 비기질소비율값과 나머지 SRT 10day, 20day, 30day에서의 비기질소비율값은 현저한 차이를 나타내고 있는데 이는 SRT 5day의 미생물군과 나머지 SRT 10~30day의 미생물군이 다르기 때문인 것으로 해석할 수 있으며, 온도 변화에 따라서 비기질소비율의 변화는 SRT와 관계없이 온도 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
또한 온도와 SRT변화에 따른 비산소소비율 분석 결과는 온도가 증가할수록 비산소소비율도 증가하고, 온도가 감소할수록 비산소소비율도 감소하는 비례 관계로 나타났으며, 반면 SRT가 증가할수록 비산소소비율은 감소하고, SRT가 감소할수록 비산소소비율은 증가하는 것으로 나타났다.
실험 결과를 종합하면 온도와 SRT 변화에 따른 비산소소비율 변화는 기존의 연구결과와 마찬가지로 온도가 증가할수록 SRT가 감소할수록 비산소소비율 값은 증가하고, 반대 조건의 경우 비산소소비율 값은 감소하는 것으로 나타났다. 또한 온도와 SRT 변화에 따른 비기질소비율 역시 비산소소비율 값의 변화와 동일한 경향을 나타내는 것으로 분석되었다.
비산소소비율의 실험식 유도를 위하여 비기질소비율과 비성장율과의 관계식으로부터 비산소소비율과 비성장율과의 관계식을 도출하고, 정상상태의 가정조건하에 비성장율은 SRT와 반비례관계가 성립되므로 비산소소비율과 SRT의 실험식을 로 나타낼 수 있었으며, 의 비산소소비율과 비기질소비율의 관계식을 유도할 수 있었다. 유도된 식에 실험 결과에 따라 추세선을 이용한 실험식의 도출이 가능하였으며, 비산소소비율을 이용한 포기조 설계식 적용순서를 결정하였다. 첫째 설계조건에 적합한 질산화 미생물의 순성장율로부터 을 결정하고, 둘째 해당되는 의 비산소소비율값을 도출한 후 그에 따른 비기질소비율을 해당 온도 조건에 따라 나타낸다. 마지막으로 비산소소비율이 고려된 비기질 소비율로부터 을 이용하여 포기조 체류시간을 도출하여 적용한다.
이와 같은 설계법을 이용하여 서로 다른 SRT를 갖는 4가지 공법을 선정하여 비교한 결과 SRT가 증가할수록 기존 설계법과 비산소소비율을 이용한 설계법의 체류시간이 증가하는 경향을 나타내었는데, 기존 설계법에서는 SRT가 길어질수록 포기조 체류시간을 결정하는 비기질소비율(U)값의 변수인 Y, kd, 의 감소로 인하여 같은 유입 기질 농도를 방류수 설계 농도까지 제거하는데 요구되는 체류시간이 증가되기 때문인 것으로 판단되며, 이는 SRT가 증가할수록 미생물 군이 내생 성장 단계로 바뀌면서 대수성장기에 증식하는 미생물 군에 비하여 성장, 분열, 증식 속도가 감소하기 때문인 것으로 사료된다.
비산소소비율을 이용한 설계법 역시 SRT가 증가할수록 포기조 체류시간도 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 같은 온도 조건에서 비기질소비율(U)값을 나타내는 미생물 활성도가 SRT에 따라 낮아지기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 SRT의 증가에 따른 기존 설계법과 비산소소비율과의 포기조 체류시간 변화범위를 살펴보면 기존 설계법에 비하여 비산소소비율을 이용한 설계법의 체류시간 변화가 큰 것으로 나타나고 있으며, 이는 기존 설계법에서 비기질소비율(U)값을 변화하는 인자가 로그함수(로그역함수)의 경향으로 변하는 것에 비하여 미생물 활성도와 비기질 소비율(U)과의 상관관계가 온도와 유입 기질의 특성에 따라 1차 선형 함수의 경향으로 변하기 때문이다.
또한 기존 설계법의 체류시간에 비해서 비산소소비율을 이용한 설계법의 체류시간의 차이가 SRT가 짧을수록 큰 폭으로 나타났으며, 이는 SRT와 SOUR의 실험 결과로부터 유추하면 SRT에 짧을수록 미생물활성도는 지수함수형태로 증가하기 때문에 유입수 기질을 기존 설계식의 SRT에 따라 미생물 성장만 고려된 방법보다 빠른 시간에 분해 할 수 있기 때문인 것으로 해석할 수 있다.
동일한 감소추세를 나타내는 기존 설계법과 비산소소비율을 이용한 설계법의 가장 큰 차이점은 기존 설계법에서는 유입 기질의 특성을 고려하지 않고 SRT의 질산화에 필요한 안전계수(S.F.)를 설계 자료의 그래프 곡선에 따라 적용하였고, 비산소소비율을 이용한 설계법은 유입 기질을 미생물 활성도 값의 변화를 줄 수 있는 온도에 따라 포기조 미생물이 호기성 분해하는 속도를 추가적으로 고려한다는 점이다.
이와 같이 기존 설계법에서 고려하지 않았던 기질의 특성을 비산소소비율을 측정․분석하여 적용함으로써 포기조 설계시 미생물 특성뿐만 아니라 유입 기질의 특성도 동시에 반영할 수 있을 것으로 사료되며, 설계뿐만 아니라 포기조 운전 인자로 적용할 경우 계절별 온도변화에 따라 안정적인 공법 제어가 가능하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It is operated in the country, the wastewater treatment planthad improved or is being built advance process. Most plants are suitable in Water quality standard and built up of existing design. But existing design considers water temperature quality which it follows in season with the simple S.F (safety factor). Also specific substrate utilization rate(U) changed on microbe activity, If it design plant, it fix specific substrate utilization rate(U) value and SRT on design manual. After that, By means of it design and build with the method which calculates a volume. Regarding the operation, it is difficult to stably fix operation condition (influent quantity, water quality fluctuation, microbe activity change on water temperature in season, removal BOD, Nitrification).
Consequently, this study suggest new design method for aeration tank volume. It is working on specific substrate utilization rate(U) value and SRT with SOUR(specific oxygen uptake rate). It is also suitable in domestic water and sewage influent condition. It is designed four lab-scale continuous reactor, is set experiment condition on SOUR in temperature change and movement of pollutant. Condition is reactor temperature (10℃, 20℃, 30℃), SRT(5day. 10day, 20day, 30day). It analyzed water analysis and compared SOUR(specific oxygen uptake rate).
According to experiment result, It meet with results ; organic removal rate: 90%, nitrogen removal rate: 60%, phosphorus removal rate: 25%. It also analyzed that don't go on nitrification at SRT(5,10 day on 10℃), nitrification happened for the rest of condition.
From each result, The result which analyzes specific substrate utilization rate(U) produce
; Mode1:U= 0.72, 0.79, 0.87 TCODcr/Kg MLVSS·day on the temperature, Mode2 :U=0.47, 0.513, 0.684 TCODcr/Kg MLVSS·day on the temperature, Mode3 :U=0.35, 0.423, 0.473 TCODcr/Kg MLVSS·day on the temperature, Mode4 :U=0.33, 0.3544, 0.43 TCODcr/Kg MLVSS·day on the temperature. It shape up SRT increased, while specific substrate utilization rate(U) decreased. It sharply different specific substrate utilization rate(U) (SRT 5day) to specific substrate utilization rate(U) (SRT 10day, 20day, 30day). It can be interpreted in Difference of microbe group (SRT５day) from others(SRT 10,20,30 day). Specific substrate utilization rate(U) on temperature independent of SRT increased relative to temperature.
The SOUR result on temperature and SRT change is that temperature increase along with SOUR and temperature decrease along with SOUR, on the other hand, It shape up SRT increased, while SOUR decreased and SRT decreased, while SOUR increased.
When this result puts together, the result of SOUR change on temperature and SRT change is analogous to existing research, it shape up SRT and temperature decreased, while SOUR increased , on the other hand, SOUR decreased in counter-condition. Specific substrate utilization rate(U) also get Similar result with SOUR.
It was leads to relation SOUR and μ from the relation U and μ to induce the emprical equation of SOUR, on the assumption that steady state, μ is in inverse proportion to SRT. Thus relation SOUR and SRT is express , and relation SOUR and U is express too. By the relation equation was substitued results, induced the emprical equation. It was determinated application order of aeration tank design equation using SOUR. 1. Determination of θcm from net growth of nitrification bacteria apropriate design condition. 2. Be lead to SOUR of the θcm, show for temperature. 3. It was lead to aeration tank stay time using from U considered SOUR, apply.
Using like this design method, It was select 4 processes have the each SRT, and compared. As a result, the more increase SRT, the more increse SRT at existing process and process using SOUR. the more increse SRT at existing process, reson of reducing that parameters(Y, Kd, μn, =μh) of U determinating aeration tank stay time, take more time to removal until the efluent reference. It is the more SRT, bacteria species come to decay growth, This is, because of the velocity of growth, dissolution, propagation reduced.
The more SRT, more increase stay time of aeration tank in process using SOUR too, This is, because of bacteria activity is decrease follow the SRT at same temperature condition. But process using SOUR is more large variation of stay time at aeration than existing process. relationship bacteria activity and U show 1st linear function follow temperature and influent substrate contrast with the factor shifting U have the log function at existing process.
Besides there are big gap at existing and using SOUR follow more short stay time. Less SRT, bacteria activity increase form of an exponential function on the analogy of SRT and SOUR experiments. Thus be concluded that the method of only considered bacteria growth follow SRT of existing design equation more decomposite influent substrate.
The biggest difference of existing process and process using SOUR, represented same decrease current rate, don't considered character of influent substrate in existing process, apply safe factor which is need to nitrification to graph curve of design data in existing process. be considered that bacteria in aeration tank decomposite influent substrate the follow temperature ,temperature can vary bacteria activity value, under the aerobic condition in process using SOUR.
Like this, simultaneous considered bacteria's character as well as character of influent substrate, in case of use to design as well as operating factor of aeration tank, It is possible that stable operation at every season.