<32C2F E313129C0E7B9DFBCDB2E687770>

Size: px

Start display at page:

Download "<32C2F E313129C0E7B9DFBCDB2E687770>"

현상 진
6 years ago
Views:

1 [ 덧붙임] 정보제공제출양식 제목호기성고농도수처리방법과장치 정보생산자 최홍복 정보출처 차세대환경부과제수행중에실험및조사된자료 (23.~26..3) 생산일자 23 년 -26 년수집일자 26. 제출일 26. 제출매수표지포함 매 내용요약 서론 이론적고찰 적용방안 참고문헌차기제출예정정보요약 ( 주 ) 에코데이, 환경부과제 (23~26) : 유체유동을이용하여오폐수분해 및분리장치개발 ( 하수고도화및슬러지처리중심으로 ) 혐기성고농도수처리방법과장치 ** 참고문헌이 ( 주) 에코데이보고서중심으로되어있으나대부분의내용이환경공학에서원론적으로언급되어온내용을실질적 인반응기에적용한예이므로, 다른유사한장치에도그대로응용 적용할수있는정립된이론과실질적인자료이다.

2 . 서론 고농도축산폐수는환경분야종사자는물론이고많은일반인들에게도초미의관 심사가되고있다. 주요관심사가되는이유를보면우선에너지문제 ( 바이오가스의 에너지화), 국제기후협약문제( 대기중으로이동하는메탄의사전차단), 수질오염문제 ( 완전처리로총량제기여, 난분해성물질처리기술공급또는액비화), 고형물처리( 해 양투기대체로유기성퇴비로사용) 등으로나눌수있다. 각각의조건을종합하여보 면, 고농도적정처리는에너지문제를해결하면서동시에환경문제를해결할수있다. 반대로적정관리가부족할경우 에너지문제에기여하는바는전혀없을뿐만아니라 오히려대기( 기후온난화), 수질( 육상과해양을동시에오염), 토양( 저질의퇴비로토양 오염) 등총체적인환경오염을유발할수있다. 즉, 잘하면모든것을얻고, 잘못하면 기존의다른영역까지피해를주어총체적인손실을가져오는특이한특징을지니고 있다. 따라서고농도처리의중요성에대해서아무리강조해도지나침이없다고할수 있다. 그러나이러한중대성에비해서축산폐수중심으로개발된고농도처리방법은 그효과가매우미흡하다는것이다. 따라서이러한고농도처리개선부분에대하여여 러가지방법으로접근할수있으나본조사에서는수처리의가장핵심이되는반응기 중심으로고농도수처리효과와효율을살펴보고자한다. 생물학적처리공법에의해서기존의문제점을해소하여차별성있는기술이되려 면적어도다음사항들이고려되어야할것이다. 고농도유기물및질산화에필요한 용존산소공급, 물질전달을위한교반효과가저비용으로공급할수있을것, 2 고농도 기질에감당할수있는미생물의확보 ( 높은 MLSS를유지하면서동시에미생물의활 성도를유지, 고농도 MLSS 를쉽게분리및공급할수있는방안이동시에제시될것), 3 유기물및질산화를동시에유도하여처리시간을단축시키고질산화는 NO -N까지 유도하여질산화에소요되는시간단축, 후속탈질시간및탄소원의저감, 4 전처리의 고형물분리과정에서응집제금지또는부분적사용, 유기응집제사용 ( 응집제사용시 응집제자체의비용문제, 고형물에응집제가포함되어있어퇴비화가불가능하여해양 투기또는소각등으로추가비용발생), 5 유입수대비총량규제의개념으로써부하 량기준으로산정된방법( 총처리수유출량 X 처리수농도) 으로산출된방류수농도를 준수할것등이다. 본조사에서는이와같은문제를보다쉽게극복하고자전처리과정을수처리의 핵심부분으로접근( 고농도상태에서포기조유입) 하는방안을강구하고자한다. 아울 러어떤생물학적처리공법 ( 일반활성슬러지에의해서완전정화처리, 하수연계처리 등) 에의해서도쉽게처리할수있는방안을제시하고자하고아울러기존시설의경우 처리효과나효율을개선할수있는방안을제시하고자한다.

3 2. 이론적배경 생물학적처리에필요한필수적인구조물은생물반응기이다. 생물반응기는크게완 전혼합반응기와 PFR(Plug Flow Reactor) 형태의반응기로나눌수있다. 완전혼합 반응기는용어가내포하고있는것과같이유입수가반응기에유입되는즉시완전히 혼합되고처리대상물질은적정제거된후에방류된다. 완전혼합상태의농도가곧방 류수가되는처리수이므로, 반응조내에서유지해야할농도는방류수와같은매우저농 도가된다. 따라서일부유입된원수가바로유출되고, 저농도의상태에서반응속도는 매우느릴수밖에없어처리효율과처리속도는매우낮아지는현상이나타난다. 한조건은고농도폐수의경우더욱심각하게나타난다. 이러 반면에 PFR 형태반응기는이러한문제점을보완하고자개발된기술로반응기유입 구에서고농도상태의원수와반응이일어나고유출구부분에서저농도상태에서반응 이일어나도록하여처리속도와효율을동시에높일수있는반응기구조라고할수있 다. PFR 형태의반응기가현실적으로구현할수없는이상형의반응기라고하나생물 학적처리에또하나의근간이되는미생물의특성을보면, PFR의기능을충분히살리 면, 고효율의효과를충분히확보할수있는것으로예측할수있다. 즉, 박테리아는 종류에따라서성장속도의차이가있으나 주변환경조건이적절 할경우 FU 박테 리아는 28시간후에 FU( 건조중량으로 8kg) 이상까지증가할수있다. 이러한 일반적인조건은고농도폐수일수록처리시간과처리효율이높아, 오히려저농도보다 더안정적으로처리할수있음을보여주고있다. 그런데현실은반대이므로이에대한 이론적인배경을아래와같이살펴보고자한다. 식() 과그림 은플러그흐름반응기(Plug Flow Reactor) 를나타낸것으로유입수, 반응과정, 유출수의관계를나타낸것이다. 유입수는유출수와내부에서소모된물질의 합이된다. Decrease due to reaction [ Input] = [ Output] + () 식() 의구체적인항목을보면, 유입수(Input) 와유출수(Output), 반응에의해서손 실되는물질관계식을나타낸것이다. 이반응기는반응에의해서손실되는부분이클 경우유출되는양은거의없거나완전히제거될수있어고효율의가능성을언급하고 있다. 이런관계를보다구체적으로나타내면아래와같은식으로나타낼수있다. 반응 물질성분, 반응에참여하는반응기의단위공간의부피 dv r 는아래식(3) 과같다. Q = Q ( d) + rdvr (2) 다른식으로표시하면아래와같이표시할수있다. (2)

4 Qd = rdvr (3) (3) 그림. 플러그흐름반응기 (Plug-flow reactor) 여기서 r 반응속도를나타낸것이다. 식(3) 은 plug-flow reactor의가장일반적인 형태를나타낸것이다. 특수한경우로는수직으로반응기를구성할수있다. Plug-flow reactor 내부로흐르는유체가 차반응하는것으로가정할때 r, 는 k 와같으므로식(3) 은다시식(4) 와같이나타낼수있다. Qd k = dvr (4) (4) 식(4) 를다시배열하면아래와같이나타낼수있다. d = k Q V r dv r (5) 적분하여다시나타내면최종적으로식(6) 과같이나타난다. ln 2 = k Q V r (6) 여기서 Vr= Qθ 이고, θ = 유체의평균체류시간을나타내고식(6) 에서 Vr 를대체 하면식(7) 과같은형태가된다. ln = kθ (7) 따른식으로나타내면아래와같은식이된다. = e kθ (8) 식(8) 은결국동일한크기의완전혼합식반응기가여러개가연속적으로나열된형

5 태를나타낸식과유사한값을나타내게된다. 완전혼합반응조는그림2와같은구조로유입된원수가완전히혼합되어배출되는 그림 2. 완전혼합조(ompletely Mixes Reactor or ontinuously Stirred Tank Reactor, STR) 구조이다. 완전혼합조의물질평형식은식(9) 와같이누적되는물질은유입수에서 내부에서소모되는물질과외부로방출되는부분을제외한것이된다. Decrease due to reaction [ ccumulation] = [ Input] [ Output] 완전혼합조가 PFR처럼 차반응을하는것으로가정하고다음과같이나타낼수 있다반응속도를나타내는항목. 낼수있다. d (9) k 중심으로물질수지식은식() 과같이나타 V = Qdt Vkdt Qdt () 식() 을시간에따른농도변화로나타내면식() 과같다. d dt Q V = k θ () 완전혼합조의정상상태에서 d / dt=, 그리고수리적체류시간은 θ =V / Q 이 되고, 따라서식() 은식(2) 와같이나타나게된다.

6 = θ k θ 식 (2) 는식(3) 과같이재구성할수있다. (2) = + Kθ (3) 농도변화에따라서처리시간중심의식으로나타내면식(4) 와같이나타낼수있다. θ = k (4) 그림 3. 완전혼합반응조의수리학적체류시간( STR), PFR 의수리학적체류시간( PFR), 그리고처리효율(BOD 제거효율) 과의관계 이론적으로도출된식()~ 식(4) 을근거로하여, 완전혼합조와 PFR형태반응기의 초리속도( 처리시간) 과처리효율을나타내면그림 3 과같다. 그림3 에서보면, 처리효율 7% 이하로낮은조건에서는 2개의반응기의수리학적체류시간비는 2배이하로큰

7 차이가없는것으로나타나고있다. 2배의차이는통계적인유의수로보면매우큰차 이나수처리의경우온도, 유입수의부하등반응기이외적인요인이많이작용하므로 2 배의차이도현장에서큰차이로나타나지않을수있다. 그러나처리효율을증가시 킬경우에는완전혼합반응기의경우처리시간이급격히증가하는것으로나타나고있 다. 특히처리효율이 95% 이상유지해야할경우에는 PFR 반응기를사용할경우완전 혼합조의 / 의처리시간에서시설에서처리가가능하다. 최근총량규제실시와더불 어하수와같은저농도처리장조차도대부분의처리장은 9% 이상의처리효율을요구 하고있다. 처리시간과처리효율의관계를저농도( 하수) 와고농도( 축산폐수) 의예로다 음과같이설명할수있다. 사례) 하수처리 o 조건 : 하수원수 BOD 2 mg/l, 처리수 mg/l--- 95% 제거율 o 결과 : 95% 제거율을확보할경우방류가능 (BOD mg/l) 따라서완전혼합조로처리할경우 24 시간이소요되면, PFR로처리할경우 2.4 시간이소요된다. 사례2) 축산폐수 o 조건 : ) 축산폐수원수 BOD, mg/l, 처리수 5 mg/l---95% 제거율 2) 축산폐수원수 BOD, mg/l, 처리수 4 mg/l % 제거율 o 결과 : ) 95% 제거율을확보할경우방류불가능(BOD 5 mg/l) 2) 99.6% 제거율을확보할경우방류가능 (BOD 4 mg/l) 따라서완전혼합조로처리할경우 수있다. PFR에비해 수백배의차이를나타낼 3. 적용방안 완전혼합조의 PFR흐름반응기의처리형태는상기의그림과같이횡으로나타낼 수도있으나종의형태로도나타낼수있다. 중요한것은폐수가 " 유입수에서방출되 는단계까지점진적으로흘러가고있는것인가 " 가가장중요한사항이다. 점진적으로 흘러가기위해서는적어도유체를조정할수있는기능이첨가되어야한다. 유체는공 기와폐수로나눌수있는데폐수는유입구에서유출구까지점진적으로흘러가는특성 이있어비교적쉽게 PFR 의흐름을구성할수있다. 그러나공기의경우폐수수중내부 에유입되는순간공기의부력에의해서공기토출구에서부터폐수수면까지최단거 리를통해서상부로이동한다. 따라서공기자체를 PFR의형태로유도하는것은매우

8 어렵다. 더구나공기의이러한특징때문에폐수조차도 PFR의형태가아닌완전혼합조 로이동하게하는원인제공자가된다. 따라서어떤경우에도완전한 PFR 형태의반응 기를구성하는것은불가능하므로 PFR의기능을보강할수있는다른요소를고려하는 것이절실히필요하고할수있다. 이러한특수한상황때문에 2상의유체를최대한적 절히조합하여미생물, 용존산소, 유기물이동시에 PFR 형태의반응기가되도록유도 할필요가있다. 구체적인예로써아래그림 4 와같이설명할수있다. 그림 4의조건을표의형 태로보다구체적으로설명할수있다. 6 DO(mg/L) D B t (min) 그림 4. 반응조에서단위시간에산소를소모하는 MLSS 조건 표 그림 4의구역별로나타나는특징 구분 MLSS(mg/L) F/M 비고 2,~4,.~3 - 모든조건에서용존산소 2~5 mg/l B,~2,5.~2 3,~5,.~ D,5~5,.~ 유지 - PFR 의경우유입구(), 중간부(B,) 유출부(D) 로구성된다. - 완전혼합의경우전체(D)

9 % removal efficiency(%) 8% 6% 4% 2% % P F R ER - S T R HR T (d a y ) B % removal efficiency(%) 8% 6% 4% 2% % P F R E R - S T R H R T (d a y ) % removal efficiency(%) 8% 6% 4% 2% % P F R ER - S T R H R T (d a y ) 그림 5. 수리학적처리시간(HRT) 에따른제거효율 PFR: 이론적 PFR 반응기, ER- : 7% PFR 반응기, STR : 완전혼합반응기 : MLSS 3, mg/l, B: MLSS 2, mg/l, D: MLSS 4, mg/l

10 그림5는일반적인생물학적처리에서나타날수있는생물학적처리형태를보여주고 있는것이다. 그림 5. 가나타내고자하는것은반응기형태와 MLSS의농도에따라서 변화될수있는요소를살펴본것이다. 의형태를보면비록반응기가 PFR의형태로 되어있으나 MLSS 가낮을경우(MLSS 3, mg/l) 에는적정처리효율을유도하는 데에많은시간이소요됨을알수있다. 반면에 의형태처럼매우높은 MLSS 농도 (4, mg/l) 경우는처리속도는매우빠르나완전혼합조의경우처리효율의한계가 있음을보여준다. 즉, MLSS 4, mg/l 에상응한용존산소, F/M비를구성하는것 이매우어렵다. 이러한현상은적정 PFR 반응기를구성하는것이얼마나어려운것이 가를여실히증명해주는부분이라고할수있다. 즉, 유체의흐름자체가아무리 PFR의 형태가되어도 MLSS나용존산소가그에합당하게공급되지못할경우 PFR의가치는 오히려완전혼합반응기보다못할수있다는것을암시하는사항이다. 따라서상기에서제시한 ER-의반응기와같이완전한 PFR의형태를갖지는못하 나 MLSS를높일수있고 MLSS가일부 PFR 흐름을유지한다면마치이론적으로완전 한 PFR 반응기와유사한효과를얻을수있는것으로나타나고있다. 물론이반응기의 경우고농도 MLSS 에합당한산소를공급할수있는것으로확인되었다. 최근에수처리는담체를충진하는여러가지기술들이도출되고있다. 이러한기술 도역시완전한 PFR 형태의반응기를구성할없기때문에 MLSS의기능을강화하는 수단으로 MLSS 자체농도를증가시키는방안과담체에부착된미생물의개체수를늘 이거나미생물의활성을증가시키는연구가지속적으로병행되고있다. 앞으로도수처 리는반응기의기능을강화시키는방향으로지속적으로연구가진행될것이다. 따라서 호기성이나혐기성처리의경우반응기를통과하는반응기작들이모두동시에 PFR흐름 으로유도될수있도록하는것이기술의진보성이결정하는가장중요한요소가될 것이다. 물론여기에필요한산소공급은필수적인사항이라고할수있다. 물론이것을 실현하는방법은매우다양하게나타날수있다. 즉, 담체를사용할수도있고, 반응기 내부를다양하게구성하여유체의흐름을조정할수도있다. 이와같은 PFR의조건은 고농도로유입될수록처리효율을증가시키고처리시간의단축으로난분해성물질까지 저감시키는효과가있고기존시설을증설또는보완하는공법으로적용할수있다.

1-표지 및 목차 & 1-서론 (최종보고서안).hwp

1-표지 및 목차 & 1-서론 (최종보고서안).hwp 목차 표목차 그림목차 1 제 1 장서론 하수도시설내진기준마련을위한연구 1.1 1.2 1.3 제 1 장서론 하수도시설내진기준마련을위한연구 2 제 2 장 국내외주요지진발생현황 및피해사례조사 분석 하수도시설내진기준마련을위한연주 2.1 서론 2.2 국내지진발생현황및발생빈도 2.3 국외주요지진과하수도시설피해상황 제 2 장국내외주요지진발생현황및피해사례조사