ASRT 공정개념을 적용한 중□소규모 폐수처리 공정의 실험적 평가

이성우, 한덕규, 조욱상, 김성중．, 윤성진．, 남양원．．

수원대학교, 환경시설공사．, (주)OHK．．

Experimental Study for the Small Wastewater Treatment Process

based on ASRT Process Concepts

S.W. Lee, D.G. Han, W.S. Cho, S.J. Kim．, S.J. Yun．, Y.W. Nam．．

Dept. of Env.Eng. The Univ. of Suwon,

The Environmental Facillities Management Corp.．,

OHK．．

서론

현재 도시하수에 있어서 질소나 인에 대한 처리문제는 다양한 방법이 소개 되어 왔으며 현재 몇가지 방법은 고도처리 기술로서 실재 현장에 적용, 가동중에 있다. 그러나 소규모 하수처리장의 경우 질소나 인에 대해서는 경제성등의 이유로 인하여 충분한 제거가 이루어지질 않는 것이 현실이다. 현재 기존의 폐수처리장에서 운영되고 있는 표준 활성슬러지 공법의 경우 주처리 대상물인 유기물에 국한되어 질소나 인 제거효율은 낮으나 폭기조의 운영방법을 변형시켜 운전할 경우 질소나 인의처리에 있어 효율을 높이는 것이 가능하다. 따라서 본 연구는 간헐폭기방식인 ASRT (Aerobic Solids Retention time)공법을 적용하여 복잡한 공정을 없애고 단일 반응조내에서 간헐 폭기를 통한 호기□무산소시간 싸이클과 잉여슬러지를 직접 인발하여 SRT등의 인자를 조절하므로서 유기물 제거 및 질소□인의 동시제거가 가능한지를 실험실과 진천 소재 폐수종말처리장의 처리결과를 통해 그 타당성을 평가해 보고자 하였다.

실험방법

본 연구에서는 ASRT공법을 적용한 진천 폐수종말처리장의 조업현황 및 운영자료를 바탕으로 COD, BOD, T-N, PO43-등의 제거효율을 평가해 보았으며, 실험실에서는 폭기/비폭기의 시간주기를 ASRT식에 의해 계산된 값으로 하수를 이용한 60/180분과 축산폐수와 혼합한 120/120분을 이용하였다

.

on/off	CODcr (mg/□)	BOD5 (mg/□)	NH3-N (mg/□)	NO3-N (mg/□)	NO2-N (mg/□)	T-N (mg/□	PO43- (mg/□)
60/180	61	48.8	20.6	2.3	0.005	38.25	6.5
120/120	345	293	68	12	0.04	144.1	8.3

Table 1. 폭기/비폭기 실험에 사용된 유입수의 성상

초기 유입수의 성상은 (Table 1)과 같으며, 폭기조의 용적은 60□, 유입유량은 수원시 종말처리장의 1차 초침을 거친 생활하수로 90□/d로 유입되었으며, 반송율 100%로 운전시키면서 BOD, COD, MLSS, T-N등을 분석하였다. (Table 2)는 유입수의 BOD농도에 따른 폭기/비폭기 시간에 따른 폐수처리공정의 주요인자들을 보여주고 있다. 한편 BOD에 대한 슬러지 전환율은 0.75kgMLSS/kg BOD를 고려하였다.

유입BOD	< 100	100-200	200-250	250-300
On/Off (hr)	0.5/3.5	1.0/3.0	1.5/2.5	2/2

운전인자	MLSS	F/M	C/N	반송율 (%)	ASRT (day)	인발량 (□/d)
60/180	3,700	0.02	1.6	100	7.5	2
120/120	4000	0.1	2.4	100	6	5

Table 2. 호기/무산소 조건에 대한 각각의   Table 3. 유입 BOD농도별 폭기조

운전인자                                  on/off 운영조건

이론적 고찰

ASRT공법에서 잉여슬러지로서 폭기조에서 직접 인발되는 고형물량은 유입수를 처리하는 과정에서 발생된 활성슬러지 발생량과 같은 양으로 하며, 잉여슬러지농도는 폭기조의 MLSS와 같기 때문에 다음 (식-1)로 표현 할 수 있다.

[eqn: 잉여슬러지 인발량(Qex, {m }^{3 } /일)= {활성슬러지발생량(kg/일) TIMES 1000 } over {폭기조 MLSS농도(mg/L) }]  (식-1)

잉여슬러지양이 결정되면, 잉여슬러지농도와 활성슬러지 농도는 동일하므로 SRT는 다음의 (식-2)와 같이 정의된다.

[eqn: SRT = {V□MLSS } over {Qex□MLSSex } ={V} over {Qex}]                (식-2)

위 (식-2)를 통해 ASRT는 다음 (식-3)으로 정의 할 수 있으며, 호기시간비(Ta)는 (식-4)로 정의 할 수 있다.

[eqn: ASRT = SRT□ { Ta} over {24 } = {V} OVER {Qex}□{Ta} over {24}]             (식-3)

[eqn: Ta = { 설정 ASRT} over {SRT } □24(시간/일)]                (식-4)

다만 유기물 제거 및 질산화 반응에 의해 소비된 pH 저하방지, 최종 침전지에서 탈질에 의한 슬러지 부상 방지등을 위해 호기처리시간은  12시간/일 정도의 범위에서 결정했다.

위의 식들을 이용하여 위의 (Table 3)은 Pilot plant에서의 운전 mode를 토대로 유입 BOD별 호기/무산소 시간을 ASRT공법에 의해 이론적으로 산출한 값이다.

결과 및 고찰

먼저 단조식 ASRT공법을 적용한 진천 폐수종말처리장의 8월 1달간의 운전 Data를 분석하였다. 다음의 fig.1.은 진천 폐수처리장의 공정도이다. 최초 침전지없이 유입수가 바로 폭기조로 들어가며, 응집/여과/탈수가 하나의 조에서 동시에 처리된다. 8월중 집중호우로 인한 월류수가 많았음에도 불구하고 fig.2와 fig.3 에서 보는바와 같이 90분/150분으로 운전 하였을 때 유기물 및 질소가 85%이상의 우수한 제거효율을 보여 주었다. 단 T-P의 유입농도가 낮기 때문에 인 제거의 규명은 실질적으로 확인되지는 않았다. 이러한 실제 폐수처리장에서의 조업결과와 더불어 폭기조 용적 60□규모의 Pilot plant 실험에서 유입수의 BOD 48.8 □/□, ASRT 7.5일 , MLSS 3700 □/□로 운전하였을 때  이론적인 호기시간은 약 1시간 즉, 호기/무산소시간을 1시간/3시간으로 운전하였을때 fig.4에서 보여주는 바와 같이 높은 제거효율을 보여주었다. 이때 유입 COD농도는 약 61 □/□에서 방류수 9.2 □/□로 85%의 제거효율을 보여주었으며, 질산화와 탈질이 적절히 나타남을 알 수 있었다. T-P또한 다소 제거됨을 알 수 있었다. fig.5.를 보면 유입수 T-N은 38.25 □/□에서 방류수 9.66 □/□로 75%의 제거효율을 보여주었다. 이러한 결과를 토대로 같은 조건에서 CODcr 122 □/□의 하수가 유입되는 경우에서도 훌륭한 처리효율을 보여주었다. fig.6와 7에서 는 하수와 축산폐수가 혼합된 시료를 이용, 높은 유기물 농도와 T-N, 등의 경우에 어떠한 효과가 있는지를 확인해 보았다. 이때 MLSS 4000 □/□, 120/120분의 시간주기에서 CODcr 345 □/□, C/N 2.4 에서 COD 37□/□로 89.3%의 제거효율을 보여주었으며 144.1 □/□의 T-N은 37.3 □/□로 74 %의 높은 제거효율을 보여주었다. 특히 fig.7에서 보여주는 바와 같이 안정된 질산화와 탈질의 거동을 보여주었다.

일반적으로 이러한 간헐폭기방식은 예전부터 많은 연구가 이루어져 왔으나 실제 유입농도 부하에 적절히 대처하지 못하는 단점으로 인해 ORP등 여러 가지 방법으로 이를 대체하려 했다. 그러나 이러한 ASRT공법은 단순조업으로 인한 인건비 및 조업비의 절감고 같은 경제적효과 뿐만 아니라 부하변동에 능동적으로 대체 할 수 있다는 장점을 확인 할 수 있었으며, 일반 하수와 같은 저 농도에서도 제거효율이 우수함을 보이므로서 소규모 부락단위 하수처리장에 매우 유용할것으로 판단되었다.

참고문헌

1. Levin,g.v., et al., Pilot Plant Tests of a phosphate Removal Process, J. Water Pollut. Control Fed., Vol. 44, No. 10, pp. 1940-1954, 1972.

2. K. Sakai, S. Ohba, Intermittent Aeration System for Sewage Treatment of Small Communities, 2nd WEF Asia/Pacific Rim Conference on Water Pollution Control, Yokohama, pp. 453-460, 1992.

3.T. Osada, K. Haga, Y. Harada, Removal of Nitrogen and Phosphorus from Swine Wastewater by the Activated Sludge Units with the Intermittent Aeration Process, Water Research, Vol. 25, No. 11, pp. 1377-1388, 1991.

4.K. Hanaki, C. Wantawin, et al., Effects of the Activity of Heterotrophs on Nitrification in a Suspended-growth Reactor, Wat. Research, Vol.24, No.3, pp.289-296, 1990.

fig 1. ASRT공법을 적용한 진천 폐수처리장의 공정도

fig.2. 8월중 일별 T-N, T-P 변화              fig.3. 8월중 일별 COD 농도변화

(진천 폐수처리장)                                 (진천 폐수처리장)

fig4. 60/180분 운전시 반응조내 거동           fig.5. 60/180분 운전시 질소의 거동

(MLSS 3700□/□)                             (MLSS 3700□/□)

fig.6. 120/120분 운전시 반응조내 거동         fig.7. 120/120분 운전시 질소의 거동

(MLSS 3700□/□)                            (MLSS 3700□/□)