하수처리시설 설계기준 5.1활성슬러지법의 설계인자

하수처리시설 중 활성슬러지법의 설계인자에 대해서 알아보겠습니다. F/M 비율, MLSS 농도, SRT, 송풍량, 포기 시간, 슬러지 반송 비율, 유기물 부하, 잉여 슬러지 생성량, 용존 산소 농도, 필요 산소량 및 슬러지 침강 특성 등이 필요합니다. 

 

 

설계 및 조작인자에 영향을 미치는 조건

활성슬러지법의 각종 변형에서 조작 조건에는 F/M 비율, MLSS 농도, SRT, 송풍량, 포기 시간, 슬러지 반송 비율, 유기물 부하, 잉여 슬러지 생성량, 용존 산소 농도, 필요 산소량 및 슬러지 침강 특성 등이 포함됩니다.

6-8 시간의 수리 시간 (HRT)을 갖는 표준 활성슬러지법의 경우, 질산화가 완전히 중단되거나 완전한 질산화가 발생하는 경우, N-BOD의 영향이 비교적 낮으며 BOD 제거 효율이 높게 유지됩니다. 그러나 수온이 상승하거나 하강하는 경우 불완전 질산화의 영향으로 인해 BOD 제거 효율이 상대적으로 저하될 수 있습니다.

SRT는 반응기 유입수질을 가정하고 각 활성슬러지법의 경험적인 HRT와 MLSS 농도를 설정하여 구할 수 있습니다. 여기서 MLSS 농도는 슬러지 반송률과 슬러지 추출률에 의해 결정됩니다. 또한 잉여 슬러지 생성량은 SRT가 길수록 적으며, SRT가 긴 경우 질산화 반응에 필요한 산소량과 활성 슬러지의 내생 호흡에 필요한 산소량이 증가하므로 처리량 당 산소 소비량 (결국 필요한 공기량)이 증가합니다.

활성 슬러지의 침강 및 농축 특성이 악화되는 원인 중 하나는 필라멘토스 균에 의한 벌킹입니다. 이 경우 혼합액에서 필라멘토스 균의 증식을 억제하는 운전 인자를 고려하여 적절한 대책을 취해야 합니다.

반응조의 종류

 

(1) 반응조의 형상 활성슬러지법의 반응조의 형상에는 사각형 수로와 장원형 무한수로가 있습니다.

(2) 혼합방식 반응조는 혼합액의 혼합방식에 따라 플러그흐름형 반응조와 완전혼합형 반응조로 구분됩니다.

(3) 호기상태, 무산소상태와 혐기상태에 의한 반응조의 구별 생물반응조액을 처리목적에 따라 부분적으로 포기하거나 간헐포기 하는 경우가 있으며, 질소 제거시에는 공기가 공급되지 않은 상태에서 교반만 적용하는 무산소상태로 만들고, 인제거시 에는 인방출을 위하여 혐기상태로 만듭니다.

(4) 하수의 유입방법과 단위조작의 구성 하수의 유입방법은 연속식활성슬러지법과 회분식활성슬러지법으로 구분됩니다.

 

SRT(Solids Retention Time)

SRT는 반응조, 이차침전지, 반송찌꺼기(슬러지)등의 처리장내에 존재하는 활성슬러지가 전체 시스템내에 체류하는 시간을 의미합니다. 활성슬러지 중 특정한 미생물의 증식 속도를 결정하는 SRT 구성은 하수처리장 설계에서 잉여슬러지 양을 예측하며, 유기물 제거 및 질산화 반응 예측에도 유용합니다.

 

활성 슬러지의 비증식 속도는 자기 분해를 고려할 경우 SRT를 역수로 볼 수 있습니다. 활성 슬러지법의 처리 성능을 고려할 때는, 활성 슬러지의 정화 능력과 관련이 깊은 미생물의 비증식 속도를 고려하여 SRT를 설정하고 관리해야 합니다. 특히 질산화 미생물은 유기물을 제거하는 미생물과 비교하면 비증식 속도가 작기 때문에, 증식 속도에 큰 영향을 미치는 수온에 따라 달라집니다. 하지만 SRT를 크게 하면 질산화가 진행됩니다. (질산화과정은 SRT가 깁니다. )

실제 처리장에서의 SRT와 이차침전지 유출수의 C-BOD 관계

위 그림 실제 처리장의 SRT와 이차 침전지 유출수의 C-BOD 관계를 보여줍니다. 이 결과는 정상 상태에서의 완전 혼합형 활성 슬러지법의 처리 수농도(S)를 예측한 아래의 식과 동일한 경향을 보입니다.

동일한 수온에서는 SRT가 길수록 처리수의 C-BOD가 낮아지며, 동일한 SRT에서는 수온이 낮을수록 처리수의 C-BOD농도가 높아집니다. 이는 수온이 활성 슬러지법의 C-BOD 제거 특성에 영향을 준다는 것을 알 수 있습니다.

종래의 BOD-SS 부하(F/M 비)를 이용하여 경험적으로 처리수의 수질 (BOD)을 예측하는 방법 이외에, 정상 상태에서의 완전 혼합형 활성 슬러지법의 동력학적 모형을 통한 계산 결과도 가능합니다. 이는 미생물의 활동에 영향을 주는 수온 등의 인자와 SRT라는 개념을 사용하여 활성 슬러지법의 하수 처리에서 유기물 제거 성능을 더 정확하게 예측할 수 있습니다.

 

또한, 처리수의 C-BOD 월평균치를 대상으로 합니다. 실제 상정된 처리수의 C-BOD 최대치와 월평균치를 비교하면, 설정한 수온과 SRT의 값에서 처리수의 C-BOD를 예측할 수 있습니다. 한편, 표준 활성 슬러지법을 채용한 실제 처리장의 처리수의 C-BOD 95% 비초과 확률치와 평균치의 비는 2.2 정도이며, 최대치와 평균치의 비는 3.0 정도입니다. 이에 비해 위 그림의 C-BOD 평균치는 6 mg/이므로, 최대일 때에도 20 mg/을 넘지 않습니다.

유기물 부하

SRT를 관리하기 위해서는 HRT, 활성슬러지 미생물량, 유기물량 등의 인자가 사용되며, 일반적으로 이러한 인자를 유기물량과 활성슬러지 미생물량의 비(F/M비)로 표현하고, 실제로는 유기물을 BOD, 활성슬러지 미생물을 반응조내의 SS로 대표하여 BOD-SS부하 (kg BOD/kg MLSS/d)로써 설계와 운전관리의 지표로 활용하고 있습니다. 

미생물농도

일반적으로 활성슬러지 미생물농도를 대표하는 것으로서 MLSS농도 또는 MLVSS농도를 사용하고 있지만, 유입하수의 조성, 일차침전지에서의 BOD와 SS의 제거율, F/M비, SRT의 대소에 따라 미생물농도, MLVSS농도 및 MLSS농도의 비율이 달라집니다.

유입수의 조성과 활성슬러지의 조성의 관계 모형화

잉여슬러지발생

잉여찌꺼기(슬러지) 발생량은 생분해성 유기물을 이용하는 종속영양미생물에 의한 세포합성량 (A)과 질산화를 담당하는 독립영양미생물(질산화미생물)에 의한 세포합성량(B), 미생물의 사멸에 의한 세포잔류물(C)과 유입수내 생물학적으로 분해 불가능한 VSS량(D)의 합으로 다음 식처럼 구할 수 있습니다.

 

슬러지 침강성

(1) 찌꺼기(슬러지)지표(SVI) 

찌꺼기(슬러지)지표는 활성슬러지의 침강성을 보여주는 지표로서 광범위하게 사용되며, 간단히 찌꺼기(슬러지)지표라고 하면 통상 슬러지용량지표(SVI : sludge volume index)를 의미하며, SVI는 반응조내 혼합액을 30분간 정체한 경우 1 g의 활성슬러지 부유물질이 포함하는 용적을 ml 로 표시한 것이며, 동일한 시료에 대해 MLSS농도 및 활성슬러지 침전율(SV30 : 용적 1L의메스실린더에 시료를 30분간 정체시킨 후의 침전찌꺼기(슬러지)량을 그 시료량에 대한 백분율로 표시한 것)을 측정하여 다음의 식에 의해 산출합니다..

 

(2)활성슬러지계면의 초기침강속도

활성슬러지의 이차침전지에서 침강성과 농축성을 보다 잘 예측하기 위해서는 침강과정에서의 벽면효과를 가능한 한 적게 하도록 직경과 높이가 큰 침강관에서 정지상태의 활성슬러지 계면 침강곡선을 조사할 필요가 있습니다. 일반적으로 활성슬러지의 초기 침강속도는 수온과 MLSS농도에 의해 영향을 받는입니다. 즉, 수온이 낮은 동절기에는 사상균의 벌킹이 일어나지 않아도 활성슬러지의 농축성이 저하되고, 반송찌꺼기(슬러지)의 SS농도가 떨어질 수 있습니다.

활성슬러지의 침강곡선

용존산소농도 및 필요산소

포기의 목적은 활성슬러지 미생물의 산화 및 동화작용(BOD제거)와 질산화 반응에 필요한 산소의 공급과 하수와 활성슬러지와의 혼합액을 교반하여 활성슬러지를 부유상태로 유지하기 위함입니다. 활성슬러지법의 하수처리에 있어서 필요산소량은 다음의 식과 같습니다.

 

필요산소량 (AOR: Actural Oxygen Requirement) = OD1 + OD2 + OD3 + OD4

• OD1 : BOD의 산화에 필요한 산소량
• OD2 : 내생 호흡에 필요한 산소량
• OD3 : 질산화 반응에 필요한 산소량
• OD4 : 용존산소농도의 유지에 필요한 산소량

 

필요공기량

필요공기량의 산출에 사용되는 포기장치의 산소이동효율은 청수상태에서의 성능이기 때문에, 필요산소량(AOR)은 청수상태에서의 산소공급량(SOR)으로 환산하고, 그 산소이동효율에서 실제필 요공기량(Gs)을 구합니다.

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