Microsoft PowerPoint - 개인하수-처리시설 원리 및 설계(환경보전협회) [호환 모드]

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혜라 장
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1 하수처리시설원리및설계 환경보전협회 손대희

2 물의중요성과 물절약을위한실천사항

3 인체의구성성분 물의역할 체중의 7/10 이물, 각종대사에관여 소중한자원 문명의시작은물가에서 생활용수, 공업용수, 농업용수 에너지의생산 ( 수력발전 )

4 지구의물분포현황 전지구상의물중 % 만가용

5 세계인구변화와물부족인구

6 대표적인물분쟁지역 물의부족과오염은인류의건강을위협 물부족현상심화로인한생활수준저하 지구환경변화로수자원이위협받아 국제물분쟁위기

7 국가별 1 인당이용가능한물의양

8 OECD 국가중물사용량현황

9 하수개요

10 하수처리시설의개요 하수의정의액상또는고상의더러운물질이수중에혼합되어있어그상태로는사람의생활이나사업활동에사용할수없는물로서사람의일상생활및사업활동등으로배출되는것 ( 유기물질, 영양물질 (N, P 등 ) 및독성유발물질, 현탁성무기물질등을포함 ). 하수처리시설하수중에포함되어있는오염물질을제거하기위하여여러가지처리방법 ( 물리적, 화학적, 생물학적방법 ) 들을이용하여그양이나농도를저감시키는것 하수처리목적하수의배출에따른하천이나호소의오염을사전에방지하여물의이용가치를높이고, 수중동식물의서식환경을보호

11 하수처리시스템의구분 1) 종말처리시스템 : 하수관거를통하여차집되어하수종말처리시설로유입처리 2) 개인처리시스템 : 발생원에개별하수처리시설을설치하여하수종말처리시설을거치지않고일정기준농도이하로처리하여방류 개인하수처리시설방류수수질기준 (50톤/ 일미만 ) 지 역 항 목 기 준 수변구역 BOD (mg/l) 10 이하 SS (mg/l) 10 이하 특별지역 BOD (mg/l) 20 이하 SS (mg/l) 20 이하 기타지역 BOD (mg/l) 20 이하 SS (mg/l) 20 이하 하수도법

12 개인하수처리시설방류수수질기준 (50 톤 / 일이상 ) 지역항목기준 모든지역 BOD (mg/l) SS (mg/l) T-N (mg/l) T-P (mg/l) 총대장균군수 ( 개 /ml) 10 이하 10 이하 20 이하 20 이하 3,000 이하 정화조방류수수질기준 (11 인용이상 ) 지역항목기준 수변및특정지역 BOD Rem.(%) BOD (mg/l) 65 이상 100 이하 기타지역 BOD Rem.(%) 50 이상

13 공공하수처리시설방류수수질기준 생물화학적산 화학적산소요 부유물질 총질소 총인 총대장균군 생태독성 구분 소요구량 (BOD)( mg /L) 구량 (COD)( mg /L) (SS)( mg /L) (T-N)( mg /L) (T-P)( mg /L) 수 ( 개 / ml ) (TU) 1일하수처 Ⅰ지역리용량 이하 20 이하 10 이하 20 이하 0.2 이하 1,000 이하 1 이하 m3이상 Ⅱ지역 5 이하 20 이하 10 이하 20 이하 0.3 이하 3,000 이하 Ⅲ지역 10 이하 40 이하 10 이하 20 이하 0.5 이하 Ⅳ지역 10 이하 40 이하 10 이하 20 이하 2 이하 1일하수처리용량 500m3미만 50m3이상 1일하수처리용량 50m3미만 10 이하 40 이하 10 이하 20 이하 2 이하 10 이하 40 이하 10 이하 40 이하 4 이하 2012 년 1 월 1 일부터적용되는기준

14 하폐수처리계통도 오염발생원 하 가 수 정 분 뇨 공 장 축산농가 개별처리 주방등 개인하수처리시설 수세식화장실 정화조 수거식화장실 산업폐수 방지시설 축산폐수 축산폐수처리시설 공공처리 하수종말처리시설 ( 하수, 분뇨, 우수 ) 분뇨처리시설 ( 분뇨, 슬러지 ) 공단폐수종말처리시설 축산폐수공공처리시설 공공수역

15 하수처리원리 / 설계

16 하수처리시설의공법별대별 하수처리시설은공법별로물리적, 화학적, 생물학적처리공법으로크게대별됨 하수처리시설의공법 물리적처리화학적처리생물학적처리 특징 : 전처리또는후처리에주로이용 처리의목적 - 고형물의양및협작물의양저감 - 기계설비보호 - 유입유량일정유지등 처리방법 - 스크린, 집수조, 침사지, 유수분리기, 침전, 농축, 여과등 특징 : 난분해성유기물및독성물질처리가능 처리의목적 - 하수중특정오염물질을화학제를이용산화, 환원, 분해, 중화등을통해무해화및저감 처리방법 - 중화처리, 산화처리, 환원처리, 응집등 특징 : 하폐수처리의주공정으로주로이용 처리의목적 - 유입수중의유기물질을미생물을이용하여호흡, 합성, 자산화를통해안정화내지저감 처리방법 - 활성슬러지, 접촉산화, 현수미생물, 살수여상, 혐기성소화법등

17 주공정 - 생물학적처리의원리 유기물의제거기작 미생물 + 유기물 = 흡착 유기물 미생물성장 호흡 일부제거 ( 손실 ) 폐기처분 하수중유기물제거 미생물의성장조건 ( 온도, ph, 산소등 ) 을일정하게유지시켜유기물을기질로, 합성, 호흡, 흡착, 자기산화등을통하여하수중유기물을분해, 저감시킴.

18 하 / 폐수처리주요미생물 미생물이란? 육안으로식별되지않는 1mm 이하크기의생물을총칭하며, 소수의우생동물과원생동물, 조류, 균류, 세균, 바이러스등이포함 생물은크게동물, 식물, 원생생물로분류

19 순수배양미생물성장모형 표준 미생물성장모형 : 1 유도기 2 대수증식기 3 정지기 4 사멸기 장기 미생물성장대수곡선

20 미생물에의한유기물의제거작용 ( 호기성조건 ) 합성반응 : 유기물 + O 2 NH 3 + 세포물질형성 + CO 2 + H 2 O + Energy 호흡반응 : 유기물 + O 2 CO 2 + H 2 O + Energy 자기산화반응 : 세포물질 + O 2 CO 2 + H 2 O + Energy 미생물의성장 (Biological growth) 유기물분해 (Decay) 흡착작용 (Adsorption) 먹이대미생물비 (F/M) 에따른 BOD 제거특성 높은 F/M 비 대수성장단계, 최대대사율 침전특성불량 BOD 제거율불량 낮은 F/M 비 기아상태, 내생호흡단계 생체량의자기산화 침전특성양호 BOD 제거효율높다

21 호기성생물처리의반응기구 호기성미생물에의한유기물질의생물화학적반응 ( 하수의생물정화반응 ) 은유기물질의 산화분해와세포물질의합성에의해서이루어지지만동시에세포물질의내생호흡에의해 서합성된세포물질이산화분해된다. (1) 산화반응 (2) 세포물질합성

22 (3) 내생호흡 (4) 세포물질증식량 CxHyOz : 기질 (C 5 H 6 NO 2 )n : 미생물세포물질 H : 반응열 X : 미생물증식량 Lr : 제거 BOD량 X MLVSS a : 미생물전환율 (kgmlvss/kgbod5) b : 내생호흡속도정수 X는세포물질증식량을나타내는것으로계외로뽑아내는잉여슬러지량은아님. 잉여슬러지량은 X에유입수중에함유되어있는미생물과반응하지않은슬러지량과의합계량임. a의값은유기물질의성상에따라서다르지만유기산은 10~60%, 탄화수소는 65~85% 정도이고, 공장폐수에서는 50~70% 의것이많음.

23 생물반응의지배인자 1) 영양원 에너지원, 탄소원, 질소원, 무기염류등 2) 온도 수온이 5 이하로되면반응속도는 1/10 이하로되며, 슬러지의유출이일어남 Eckenfelder 처리가능수온범위 4~45

24 3) ph 6.0~8.5 : 최적 ( 반응조 ) 7.0~7.5 의범위가가장적정 4) 중금속 중금속의혼입은미생물의반응성저해, 혼입량이많으면미생물 floc의붕괘 ( 미생물의사멸 ) 가일어남 Cr, Cu, Ni, 등은그총량이 10mg/L이하에서는큰영향이없음 5) DO 2mg/L 이상의유지필요

25 반응조의형태 1) 회분식반응조 (completely mixed batch reactor, CMB) 유량이없고반응조내의액체는완전혼합 2) 연속류반응조 (continuous flow stirred tank reactor, CFSTR) 유입하는액체가반응조내에서즉시로완전혼합되며균등하게분산되고유입한액체의일부분은즉시유출됨 3) 플러그흐름형반응조 (plug flow reactor, PFR) 반응조에유입하는액체가순서대로유출되며반응조내에서는혼합이없음. 모든액체는공칭 (V/Q) 체류시간만큼반응조내에머무름.

26 4) 임의흐름형반응조 플러그흐름형반응조와연속류교반형반응조의특징이혼합된흐름형 임의의혼합 5) 충전층반응조 쇄석, 슬랙, 세라믹, 플라스틱등의재료를반응조내에충전 연속또는간헐적으로액체가유입되며, 이때액체의흐름방향은주로위에서아래로흐르는하향류가많음 6) 유동층반응조 반응조내를충전재로서충전하고액체의흐름을아래에서위로흐르게하는상향류가되도록함 이때충전재가팽창하고그사이에공극이발생 공극률은상향유속에의하여달라짐.

27 활성슬러지공정의설계 (HRT 산정 ) - 유기물 (BOD) 부하 1 (F/V 비 ) 2 V : 활성슬러지조용적 (m/d) Q : 유입폐수량 (m 3 /d) X : 포기조내활성슬러지의평균농도 (MLSS : mg/l) S 0 : 유입수의 BOD 농도 (mg/l)

28 처리방법별폭기조설계자료 구 분 F/M 비 (kg/kgday) BOD Load (kg/m 3 - day) MLSS (mg/l) SRT(day) HRT(hr) Return ratio(%) 표준활성슬러지법 단계식슬러지법 0.2~ ~0.8 1,000~3,000 3~6 6~8 20~40 0.2~ ~1.4 1,000~1,500 3~6 4~6 10~20 장기폭기법 0.03~ ~0.25 3,000~4,000 13~50 16~24 50~150 산화구법 0.03~ ~0.2 3,000~4,000 8~50 16~24 50~150 접촉안정법 0.5~2 1.4~2.9 2,000~6, 이상 50~100

29 - 슬러지체류시간 (SRT) - 활성슬러지조에서활성슬러지의평균체류시간을나타낸지표 SRT(θc) = VX / X r Q w = θx / (as 0 + bsss cθx) a: 용해성 BOD에의한슬러지전환율 (0.4~0.6) b:ss에대한슬러지전환율 (0.9~1.0) c: 내생호흡계수 (0.03~0.05 / 일 ) V Q, C 0 (Q+Q R ) X v X v, C 0 FST (Q-Q w ), C e, X e Q R, X vr, C e Q w, X vr

30 문제 ) 다음조건에서 SRT 를구해보자 -HRT = 8hr -MLSS = 2,000 mg/l -유입 C-BOD = 200 mg/l -유입 SS = 200 mg/l - a=0.5, b=1, c=0.05 SRT = 0.3*2000 / (0.5* * *0.3*2000) = 2.2 day

31 - 슬러지일령 (SA) - 활성슬러지조에서고형물의평균체류시간을나타낸지표 3 3 식을 1 식에대입하면,

32 반송비 (recycle ratio) Xr = 10,000mg/L 일때 MLSS 2,500mg/L 유지를위한반송비는?

34 활성슬러지설계순서 1 유입하수성상파악 ( 유량, 유기물-부유물질농도, 질소등 ) 2 방류수기준에준한항목및처리수질결정 ( 하수도법 ) 3 폭기조 MLSS 농도결정 4 SRT 범위결정 ( 고율, 표준, 장기 ) 5 폭기조 HRT 결정 ( 반응조설계 ) 6 폭기조산소소요량결정 7 SRT 유지를위한폐 ( 잉여 ) 슬러지량결정

35 활성슬러지설계 ( 예 ) 유입수성상및유량 - 종류 : 아파트에서배출되는생활하수 ( 기타지역 ) - 배출량 : 50 m 3 /day - 배출시간 : 12 시간 - 운전시간 : 24 시간 - 수질조건 구분유입수목표수질방류수기준비고 BOD(mg/L) 하수도법 SS(mg/L) 하수도법 침사조 / 스크린 유량조정조 생물학적처리 ( 폭기조 + 침전조 ) 여과 / 흡착설비 처리시스템구성 ( 안 )

36 침사조 / 스크린 설치기준 1 일반침사조 - 유효용량시간최대하수량의 1/60 이상 - 평균유속 : 0.3 m/sec - 체류시간 : 30~60sec - 표면부하율 : 1,800 m 3 /m 2 -day 2 스크린 ( 파쇄기를설치하지않은경우 ) - 조목스크린 (30mm) 설치 - 세목스크린 (10mm) 설치 1 일하수량 50 m 3 / 일 = 2.08 m 3 /hr - 시간최대하수량 = 2.08 *3( 우천시계획하수량 ) = 6.24 m 3 /hr - 침사조용량 = 6.24/60 = 0.1 m 3 - 체류시간 170sec 로기준만족

37 유량조정조 설치기준 1 하수량시간변동에의해정함. 2 하수계량장치설치 3 하수교반장치설치 : 유량조 1m 3 당 1m 3 /hr 공기량투입 4 유효수심 : 3~5 m 표준 5 펌프로하수이송할경우 2 대이상설치 - 배출시간과처리시간에차이가있는경우 ( 시간당배출량 시간당처리량 )* 배출시간 = (4.16m 3 /hr 2.08m 3 /hr)* 12hr = = 25m 3 - 시간당유량변화가심한경우유량누적곡선을이용한다.

38 생물학적처리 ( 폭기조 + 침전조 ) 폭기조설치기준 1 활성슬러지법 - 설계인자 : SRT, MLSS, HRT, 잉여슬러지량 - HRT : 6~8 hr( 표준 ) - SRT 에따라유출수수질이결정됨 하수도시설기준 (2011 년 )

39 -HRT = 8hr -온도 = 20도 -MLSS = 2,000 mg/l -유입 C-BOD = 200 mg/l -유입 SS = 200 mg/l - a=0.5, b=1, c=0.05 SRT = 0.3*2000 / (0.5* * *0.3*2000) = 2.2 day 위그림에서 Y = 10.42*X 에적용 C-BOD = 6.9 mg/l로예상되어만족 HRT 8시간으로설계 V = 16.7 m 3 최종 20 m 3

40 침전조설치기준 1 표면부하율 : 20~30 m 3 /m 2 -day 2 월류부하율 : 190 m 3 /m-day 이하 3 유효수심 : 2.5~4 m 이상 4 체류시간 : 3~5 hr - 필요수면적 : A = 30 m 3 /m 2 day / 50 m 3 /day = 0.6 m 2 - 필요월류웨어 : L = 150 m 3 /mday / 50 m 3 /day = 3 m - 체류시간 : 3hr - 직경 (D) : D2/4 = 0.6 m m

41 여과 / 흡착설비 여과기설치기준 1 가동시간 : 15 hr/day 2 여과선속도 : 12 m 3 /m 2 -hr 3 높이 : 직경 = 2:1 을넘지않음 4 순수충전층의높이는통상여과탑의직경과같게함. 5 역세척이가능하도록배관함. 1 일하수량 50 m 3 / 일 > 3.3 m 3 /hr(15hr 가동기준 ) - 여과단면적 A = 3.3 m 3 /hr / 12 m 3 /m 2 -hr = m 2 - 여과기직경 D = (4*0.275/π) 0.5 = 0.59 m - 높이를적절히설정함.

42 질소인고도처리

43 질산화공정이란? 질산화및탈질 호기성상태에서암모니아성질소 (NH 4+ ) 가미생물인 Nitrosomonas 와 Nitrobactor 에의하여아질산성질소 (NO 2- ) 를거쳐질산성질소로전환 Nitrosomonas NH O 2 2 H + + H 2 O + NO - 2 Nitrobactor NO O 2 NO - 3 총괄식 NH O 2 NO H + + H 2 O 1g 의질소를산화시키는데 4.6g 의산소가필요하며, 반응결과 ph 가낮아지며, 미생물의성장속도가느려반응시간이오래걸린다는단점있음

44 탈질공정이란? 산소가없는상태에서질산염 (NO 3- ) 형태로존재하는질소성분을미생물을이용한생물학적처리를통해질소가스 (N2) 로전환시켜대기중으로환원시켜제거하는방법이다. 여기에는미생물의에너지원으로메탄올과같은유기탄소가이용됨 NO 3- + 유기탄소 NO 2- + 유기탄소 N 2 + CO 2 + H 2 O NO CH 3 OH ( 메탄올 ) H 2 CO C 5 H 7 O 2 N N 2 + HCO H2O 이론적으로 1g 의질산성질소를제거하기위해서는 2.47g 의메탄올이소모되며, 0.45g 의미생물, 3.57g 의알칼리도가생성

45 질소고도처리공정 A/O(Ludzack-Ettinger) Process Influent ANOXIC ZONE OXIC ZONE Clarifier Effluent 전탈질공정 RAS Sludge waste Influent O/A(Wuhrmann) Process OXIC ZONE ANOXIC ZONE Clarifier Effluent 후탈질공정 RAS Sludge waste

Nitrified recycle(100-400%) Influent Clarifier Predenitri fication type Oxic zone RAS Anoxic zone Effluent MLE process (A 2 O, VIP, UCT,

46 Nitrified recycle( %) Influent Clarifier Predenitri fication type Oxic zone RAS Anoxic zone Effluent MLE process (A 2 O, VIP, UCT, Bardenpho, SBR process) Step Feed Postdenit rification type Influent RAS Clarifier Effluent Oxic zone Anoxic zone Multi-anoxic zone process with step feed

47 반송비에따른질소제거효율 Nitrogen removal efficiency(%) I : nitrified internal recycle ratio R : return activated sludge recycle ratio Total recycle ratio(i+r) 처리수중의질산성질소농도 = 유입수암모니아성질소농도 * [1- (I+RAS)/(1+(I+R))]*100 내부반송비가 2, 슬러지반송비가 1 일때질소제거효율은?

48 생물학적인제거원리 일반적인유기물제거미생물인함량 : % PAOs(Phosphorus Accumulating Organisms, 인축적미생물 ) 의이용 PAOs 의최대인함량 : 3 ~ 8% 생물학적인제거 ( 인의과잉섭취 ) 인의제거원리를정의하면 인을방출한미생물몸속으로일시적으로인을다량섭취시켜미생물에함유된인을슬러지폐기로제거하는방법

49 조건별수중인농도변화 PO 4 -P 의농도

50 화학적인제거원리 Al 3+ Al(OH) 2+ Al(OH) 2+ Al(OH) 3 (l) Al(OH) - 4 Particle + Al x (OH) (3x-y) y or Al(OH) 3 Precipitation PO 3-4 or SO Al(OH) 3 Precipitation PO Al x (OH) (3x-y) y or Al(OH) 3 Al y PO 4 (OH) 3y-3 (phosphate) Organic compounds + Al x (OH) (3x-y) y Al complexes 응집제경쟁반응 : 인 + SS

51 목적에맞는하수처리공정

52 최신도입공정예 (MBR 공법 )

53 3 세대멤브레인 Permeate Air Wasting 90 년대후반등장생물반응조에침지 ( 일체형 ) Plate, Hollow Fiber Aeration 을이용한 Fouling Control Siphon 원리를이용한중력여과분리막의수명확보에가장이상적인운전방식

54 다음폐수를질소고도처리로설계해보자 Q = 70 m 3 /d BOD 1,350 mg/l, T-N 1,730 mg/l, T-P 60 mg/l methanol Nitrified recycle( %) membrane Influent Effluent RAS Oxic zone Anoxic zone Design : HRT 를구하는것탈질조 (2), 질산화조, MBR 조

55 1. Design sludge age μ N,MAX(T) = μ N,MAX(15 ) (e 0.098(T-15) ) temp= 20 μ N,MAX(15 ) = day -1 μ N,MAX = μ N = μ N,MAX (NH 3 -N/(K N + NH 3 -N))(DO/(K O + DO)) K N = 0.57 Knd= 0.05 μ N = K O = 0.5 SRT theory = 1/μ N = 1.39 SRT design = (SRTtheory)(S.F.) = S.F. = HRT (t N ) of aerobic tank(nitrification tank) SRT = (X V t N )/((a)(s r ) - (k b )(X d )(X V t N )) = X V t N = t N = day = 33.1hr 3. HRT (t DN ) of anoxic tank(denitrification tank) R DN(T) = R DN(20 ) (1.09 (T-20) )(1-DO) R DN(20 ) = 0.5day -1 DO(anoxic) = 0.1mg/L R DN(20 ) = day -1 t DN = (dno - 3 -N)/(X V )(R DN ) = day = 12.9hr t DN (2)= (dno3 --N)/(XV)(RDN) = day = 2.5hr

56 4. Trial and error methods(considering F/M ratio) assumption : aerobic volume fraction = 0.7 decide this value when 2 is equal to 1 approximately SRT' = (SRT design )/(aerobic volume fraction) = 29.9days X d = (0.8)/(1 + (0.2)(k b )(SRT')) = t = (a)(s r )(SRT')/{(X V )[1 + (k b )(X d )(SRT')]} = day = hr t DN = (1 - aerobic volume fraction)t = day hr t' DN = (dno - 3 -N)/(X V )(R DN ) = day hr t N = t - t DN = day = hr 5. Volume of aerobic and anoxic tank, Total recycle ratio V N = V DN = V DN(2) = m m3 10m3 Internal recycle ratio for denitrification R = (inf. TKN - eff. NH 3 -N)/(eff. N N) - 1 = 4 eff. of #1 oxic N0-3 -N = eff. of #2 oxic N0-3 -N = 343.8mg/L 0mg/L

57 감사합니다.(Q?)

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<32C2F E313129C0E7B9DFBCDB2E687770> [ 덧붙임] 정보제공제출양식 제목호기성고농도수처리방법과장치 정보생산자 최홍복 정보출처 차세대환경부과제수행중에실험및조사된자료 (23.~26..3) 생산일자 23 년 -26 년수집일자 26. 제출일 26. 제출매수표지포함 매 내용요약. 2. 3. 서론 이론적고찰 적용방안 참고문헌차기제출예정정보요약 ( 주 ) 에코데이, 환경부과제 (23~26) : 유체유동을이용하여오폐수분해