Korean Chem. Eng. Res., Vol. 46, No. 3, June, 2008, pp. 60-68 총 설 모델링기법을이용한하수처리공정설계와환경성및경제성평가 김민한 유창규 경희대학교환경응용화학대학그린에너지센터 / 환경연구센터 446-70 경기도용인시기흥구서천동 (2008 년 2 월 2 일접수, 2008 년 4 월 7 일채택 Design and Environmental/Economic Performance Evaluation of Wastewater Treatment Plants Using Modeling Methodology MinHan Kim and ChangKyoo Yoo College of Environmental and Applied Chemistry, Green Energy Center/Center for Environmental Studies, Kyung Hee University, Seocheon-dong, Giheung-gu, Yongin-Si, Gyeonggi-Do 446-70, Korea (Received 2 February 2008; accepted 7 April 2008 요 약 실제하수처리시스템에서유입조건, 공법, 다양한운전조건과복잡한인자에대하여실험을통하여많은처리공법을비교하고각공정별최적조건을찾는것은쉽지않은일이며, 많은비용과시간을필요로한다. 본연구에서는하수처리시스템의주요생물학적하수처리공정인 A 2 O( 혐기 / 무산소 / 호기, Bardenpho(4 단계, VIP(Virginia Initiative Plant, UCT(University of Cape Town 공정의활성오니공정모델을이용한모델링을수행하고, 이를바탕으로공법별환경성과경제성평가의비교분석을수행하였다. 이를위해다양한하수처리공정의처리효율을비교하고새로운지표로나타낼수있는환경성평가기준과동시에비용산출을고려한평가지표를제시하였다. 제시된지표를바탕으로통해각공정최적화와유입조건에따른고도처리공정의공법선정에유용하게쓰일수있음을보였다. 또한유입유량과호기조부피의변화에따른경제성과환경성지표의변화를파악하고, 나아가다양한운전조건하에서의최적지표를예측할수있었다. Abstract It is not easy to compare the treatment processes and find an optimum operating condition by the experiments due to influent conditions, treatment processes, various operational conditions and complex factors in real wastewater treatment system and also need a lot of time and costs. In this paper, the activated sludge models are applied to four principal biological wastewater treatment processes, A 2 O(anaerobic/anoxic/oxic process, Bardenpho(4 steps, VIP(Virginia Initiative Plant and UCT(University of Cape Town, and are used to compare their environmental and economic assessment for four key processes. In order to evaluate each processes, a new assessment index which can compare the efficiency of treatment performances in various processes is proposed, which considers both environmental and economic cost. It shows that the proposed index can be used to select the optimum processes among the candidate treatment processes as well as to find the optimum condition in each process. And it can find the change of economic and environmental index under the changes of influent flowrate and aerobic reaction size and predict the optimum index under various operation conditions. Key words: Activated Sludge Models(ASMs, Modeling Methodology, Process Design, Optimization, Environmental Performance, Economic Performance. 서론 최근도시화및인구증가와함께생활수준의향상으로도시하수와산업폐수의발생량과오염부하량이증가되고그특성이다양해지고있다. 특히질소와인등의오염물질이하천유입으로하천수질이악화되어향후용수원확보에큰어려움을겪을것으로예상 To whom correspondence should be addressed. E-mail: ckyoo@khu.ac.kr 되고, 수질관리의중요성이커지고있다. 이에정부는 996년부터질소와인의방류수수질기준을수질환경보전법에명시하여규제하기시작하였고, 그기준을강화하도록하였다. 이렇게점차적으로강화되는규제에맞춰 BOD, SS 제거에주목적을둔표준활성슬러지공정으로건설된하수처리장은질소및인을제어할수있는고도처리공정으로개보수되어야할필요가있었고, 고도처리시설의처리효율이보다높고, 그에따라미치는영향을정확하게분석하기위해많은연구가진행되었다 [-2]. 60
모델링기법을이용한하수처리공정설계와환경성및경제성평가 6 특별히하수처리공정에서의제어전략을평가할때에는모델기반시뮬레이션을수행하는것이한방법이될수있다. IWA (International Water Association 산하 Task Group과 European COST action 682와 624는표준실험방법론을제시하였고, 시뮬레이션벤치마크 (Simulation benchmark 라불렀다 [3]. Benchmark는시뮬레이션모델, 플랜트레이아웃, 실제유입부하량과실험프로토콜을정의내리는독립적시뮬레이션절차이다 [4]. Activated sludge model (ASM 모델은 IWA에서 980년대초반부터제시한방법으로하수처리모델링과분석을통하여활성오니공정의디자인과운전을위한수학적모델들을제시하였다. ASM 모델은하수처리공정내에서일어나는미생물반응에대한수학적모델은이론적인반응속도식을바탕으로하여여러운전변수에대한반응결과를제시해주며, 복잡한실험과정을거치지않고도하수처리공정에서발생하는여러상황에대한전산모사를가능케한다. 이러한 ASM 모델을이용한하수처리공정의모델링, 제어, 최적화는최근고도처리를위한질소와인제거에대해많이응용되고있다 [5-8]. 하수처리시스템에서생물학적고도처리공법을이용하여오염물질의제거효율을평가하고최적의운전조건을도출하기위한연구는오래전부터수행되었다. 기존의하수처리시스템에서의연구는실험실규모의실험과이를바탕으로한파일럿플랜트운전을통해서이루어졌으나, 이와같은과정은비용이나시간적인면에서많은문제점을일으킨다. 이러한문제점들을해결하기위한대안으로모델링기법을이용하여다양한조건에서모사한분석및모델링이필요하다. 특히모델링기법을사용한시뮬레이션방법은이러한문제점을극복하고경제적으로제거효율을평가할수있는하나의좋은대안이다 [6]. 또한국내에현재이러한경제성과환경성을동시에고려하는에코지표가없기때문에, 다음과목표를제시하고자본연구를수행하였다. 공정별효율비교로새로운지표로나타낼수있는환경성평가기준제시 Ë 우리나라의비용산출을고려한경제성평가지표제시 Ë 경제성과환경성을동시에고려하는물환경지표제시 Ë 새로운처리장건설의최적공법선택기준개발 Ë 기존공정의질소인처리고도처리로의전환시최적운전조건과 retrofitting기법개발따라서본연구에서는, 하수처리시스템의질소와인제거를위한주요하수처리공정인 A 2 O, Bardenpho(4단계, VIP(Virginia Initiative Plant, UCT(University of Cape Town 공정의모델링을수행하고, 각모델을바탕으로각공정별처리효율과환경성및경제성평가의비교분석을실시하였다. 2. 활성오니공정모델 (Activated sludge models, ASMs 생물학적하수처리공정에대한수학적모델링은 980년대이후많은연구자들에의해시도되었다. 하수처리공정내에서일어나는미생물반응에대한수학적모델은이론적인반응속도식을바탕으로하여여러운전변수에대한반응결과를제시해주며, 복잡한실험과정을거치지않고도하수처리공정에서발생하는여러상황에대한전산모사를가능하게한다. 따라서 IAWQ(International Association in Water Quality 산하 Task Group에서 983년이후현 재까지활성슬러지공정에대한수학적모델식을정리하여활성슬러지모델 (Activated sludge model, ASM No., 2, 2d, 3를개발하였다 [6]. 이후 ASM 모델을이용한생물학적하수처리공정의설계와운전에대한연구가활발히진행되고있다. 활성슬러지모델은유기물, 질소, 인제거의모델링에효과적이고모델링기반처리장최적화는하수처리공정에서질소와인제거에대해최적운전조건을찾는데사용되어왔다 [5,9]. 2-. Activated sludge model no. (ASM 987년 IAWQ 산하 Task Group에서유기물제거, 질산화, 탈질등에관여하는활성슬러지의모델들을검토하고, 간단하고사실적으로반응을예측할수있는모델인 ASM을발표하였다. ASM은단일미생물군으로사용한부유성장미생물공정에대해광범위한적용이가능한것으로알려지고있으며지금까지알려진여러모델가운데실제공정을모사함에있어서가장정확하고응용성이큰것으로알려져있다. ASM은독립영양미생물과종속영양미생물의성장과사멸, 가수분해등 8개의공정과 4종류의유기물질과질소성물질등의 3개의성분으로이루어져있으며, 효과적으로모델을표현하기위해서 Petersen 행렬을사용하였고각반응은식 ( 의물질수지식에기인한다 [5]. Accumulation = Input + Output ± Reaction ( 각성분의생성과소멸에대한물질수지식은 Table 로나타낸 Petersen 행렬을통해쉽게얻을수있고, Table 의각성분은행성분 (i, 공정은열성분 (j 으로표시되었고, 각반응에관련한반응속도식은 Monod 식의형태로표현되었다. 유입항과유출항은물질전달과시스템의물리적특성에관련한항이며, 반응항은 Table 에서제시한반응속도식과각성분의양론계수의곱을합한식 (2 와같이나타낸다. r i = v ij ρ j j 예를들어, 용존산소 So에대한반응식은식 (3 과같으며, 연속반응기에서의물질수지식은식 (4 로나타낼수있다. Y μs R so = ----------- ----------------X S z (3 Y + B bx B K S S S V d -------- = QS dt O input + VR SO, Q, output 2-2. Activated sludge model no.3 (ASM3 IAWQ에서는 999년 ASM의단점을보완하고자 ASM3를개발하였다. ASM과 ASM3의가장큰차이점은 ASM3에서는활성슬러지공정내종속영양변환에서생성되는폴리머축적의중요성을인식하고있다는점이다. ASM3에서의호기성축적과정은빠르게생분해되는물질 (S S 이세포내부구성요소 (X STO 로축적되며, 미생물을축적된기질로사용하여성장한다 [9]. 또한 ASM3에서는사멸 -재생성개념을내생호흡개념으로대체하였다. 내생호흡에관련한속도상수는회분실험으로간단히구할수있다. 마지막으로 ASM3 에서는호기조건과무산소조건에서의미생물사멸반응을구분하는데, ASM에서는미생물의사멸, 재생반응이서로연관되어있는반면, ASM3에서는두미생물 (X A, X B 의전환반응이분리되어 (2 (4 Korean Chem. Eng. Res., Vol. 46, No. 3, June, 2008
62 김민한 유창규 Table. Petersen Matrix of ASM [5] Component Process Aerobig growth of heterotrophic biomass 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 3 S I S S X I X S X BH X BA X p S NO S NH S ND X ND S ALK ------ Y H Y -------------- H Y H Process rate(ρi S ------ μ s 4 maxh --------------- ---------------------X + + BH K s S s 2 3 4 5 6 7 Anoxic growth of heterotrophic biomass Aerobic growth of autotrophic biomass Decay of heterotrophic biomass Decay of autotrophic biomass Ammonification of soluble organic nitrogen Hydrolysis of slowly biodegradable substrate ------ Y H - ------ i Y XB ------ A Y A -f p - f p f n -f p - f p f n - S S η g μ maxh --------------- --------------------- Y -------------------------- H i K s + S s + ------ XB 4 2.86Y H 4 S ----------------------- NO X + BH K NO S NO 2 S ------------ ------ μ NH 4Y H 4 maxa ----------------------- -------------------- X + + BA b H X BH b A X BA K NH ----- k 4 a S ND X BH S NH K OA X k s X BH h K ------------------------------X X + X S X BH BH + K --------------------- + η OH h --------------------- ----------------------- + + S NO K NO S NO 8 hydrolysis of organic nitrogen - ρ 7 ( X ND X S 있고, 또한 ASM3에서는가수분해반응보다는여러연구자들에의해관찰된유기물질의저장반응을보다중요시하였다 [5]. 2-3. Activated sludge model no.2d (ASM2d 도시하수로부터질소및인의제거를위한생물학적고도처리기술은이들물질이수중생태계의파괴현상인부영양화의주원임이밝혀진이후이에대한다각적인연구가진행되어왔다 [5]. 이에따라 IAWQ는생물학적질소및인제거공정을모사할수있는모델의개발이요구됨에따라 Activated sludge model no.2(asm2 를개발하였고, 이후여러연구자들에의해서무산소조건하에서도인을과량섭취할수있는 DPAOs(denitrifying phosphorus accumulating organisms 의존재가확인됨에따라이러한반응을활성오니공정모델에도입하여 ASM2의확장모델인 ASM2d가개발되었다. ASM2d 는 8개의성분 ( 용해성성분과입자성성분 으로나누어지며, 각공정과성분의관계를효과적으로나타내기위하여 Table 2와같이행렬의형태로표현하였다 [0]. 본논문에서는모델링을통한고도처리공정들의비교가목적이므로질소와인을포함하는 ASM2d를기본모델로사용하였다. 3. 연구방법모델링기법을이용하여하수처리공정의성능을최적화하고, 환경성및경제성평가기준을제시하기까지이르는연구순서는 Fig. 과같다. 첫째, 공정을선정한다. 연구의목적에맞는비교분석이가능한공정들을선택하게된다. 둘째, 설계기준에따라공정별반응조의부피와사이즈를결정한다. 셋째, 모사프로그램을통하여공정별 layout을만들고, 각각의운전조건을설정한다. 넷째, 차설 계에대하여시뮬레이션을하고, 다섯째, 설계기준을만족시키기위하여운전최적화과정을거쳐최적운전조건을도출한다. 여섯째, 각공정의성능을평가하기위하여환경성및경제성평가를실시한다. 마지막으로, 이와같은순서로도출한결과를통하여공정별비교하고, 연구목적에맞게어떠한공정이가장적합한지선정한다 []. 본연구에서는모델링프로그램으로동력학적모델링소프트웨어인 GPS-X program(hydromantis Inc, Canada 을이용하여하수처리공정의운전을모사하였다 [2]. 3-. 공정선정본연구에서사용하기위한공정은질소와인제거를목적으로하는생물학적고도처리의대표적공정인 A 2 O, Bardenpho, VIP, UCT 공정을선정하였다. 3--. A 2 O 공정 Fig. 2(a 와같이 A 2 O 공정은혐기성조, 무산소조, 호기성조로구성되어있으며, BOD와질소, 인제거를목표로한다. 호기성조에서질산화를통하여생성된질산성질소를무산소조로반송하여탈질함으로써질소를제거 ( 총질소제거율 40~70% 할수있으며, 인의방출에대한질산성질소의영향을감소시킨다. 또한혐기성조에서인을방출하고, 호기성조에서그인을흡수함으로써인이제거된다 [3]. 3--2. Bardenpho(4단계 공정 Fig. 2(b 의 4단계 Bardenpho 공정은 2개의무산소조와 2개의호기성조로구성되어있다. Bardenpho 공정의질소제거는 A 2 O 공정과마찬가지로무산소조로의내부반송에의하여제거되며, 인의경우는잉여슬러지의폐기에의하여이루어진다. 본공정에서의인제 화학공학제 46 권제 3 호 2008 년 6 월
Table 2 Matrix representation in ASM2d [5]. Component Process 모델링기법을이용한하수처리공정설계와환경성및경제성평가 63 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 3 4 5 6 7 S 02 S P S A S NH4 S NO3 S PO4 S i S ALK S N2 X i X S X H X PAO X PP X PHA X AUT X TSS υ /Y -i Aerobic hydrolysis -fsi υ i,nh4 υ i,po4 f Si - υ,tss 2 Anoxic hydrolysis -fsi υ i,nh4 υ i,po4 f Si - υ 2,TSS 3 Anaerobic hydrolysis -fsi υ i,nh4 υ i,po4 f Si - υ 3,TSS 4 Aerobic growth on S P -(/Y H -/Y H 5 Aerobic growth on S A -(/Y H -/Y H 6 Anoxic growth on S P -(/Y H -/Y H -(-Y H (-Y H /2.86Y H /2.86Y H 7 Anoxic growth on S A -/Y H -(-Y H (-Y H /2.86Y H /2.86Y H 8 Fermentation - 9 Lysis f Xi -f Xi - 0 Storage of X PHA - Y PO4 -Y PO4 Aerobic storage of X PP -Y PHA - -Y PHA 2 Anoxic storage of X PP υ 2,NO3 - -υ 2,NO3 -Y PHA 3 Aerobic growth of X PAO υ i3,o2 -i PBM -/Y H 4 Anoxic growth of X PAO υ 4,NO3 -i PBM -υ 4,NO3 -/Y H 5 Lysis of X PAO -υ i5,no3 f Xi -f Xi - 6 Lysis of X PP - 7 Lysis of X PHA - 8 Aerobic growth of X AUT (4.57-Y A /Y A i8,nh4 A PBM 9 Lysis of autotrophs υ i9,nh4 υ i9,po4 f Xi -f Xi - 20 Precipitation - υ 20,ALK.42 2 Re-dissolution υ 2,ALK -.42 가높다면혐기성조로의반송을줄여야하므로반응조내의 MLSS 농도등에문제가생기게된다. 또한인을 mg/l이하로방류시키기위해서는 alum, 철염등을첨가하거나여과장치가필수적이다 [3]. 3--3. UCT(University of Cape Town 공정 Fig. 2(C 의 UCT 공정은혐기성조와 2개의무산소조, 호기성조로구성되며 2번의내부반송으로운영된다. UCT 공정은 A 2 O 공정과유사하나 A 2 O 공정은 2차침전지의반송슬러지를혐기성조로직접반송시키는반면, UCT 공정은반송슬러지를혐기성조에유입시키지않고무산소조로유입시킨다. 이렇게함으로써반송슬러지내의질소가인의방출에나쁜영향을미치는것을방지하여혐기성조에서질산성질소의농도를낮게유지하고, 호기성조에서는인의흡수를최대로증가시킬수있게한공정이다 [3]. Fig.. Procedure of this study []. 3--4. VIP(Virginia Initiative Plant 공정 VIP 공정은 UCT 공정과유사하나약간의차이점이있다. 혐기성조, 무산소조, 호기성조에대해한개의반응조를사용하는것이아니라 Fig. 2(d 와같이각각의조건에대하여최소한 2개이상의완전혼합조를직렬로사용하여첫번째호기성조에서잔류유기물농도를높게유지하여인의흡수속도를증가시킨다. 호기성조에서질산화된혼합액은반송슬러지와함께무산소조의입구로순환되며무산소조의혼합액은혐기성조로반송된다 [3]. 거는과잉의인을섭취하고있는슬러지를폐기함으로이루어지며, 효과적인인제거를위해서는혐기성조에질산성질소가유입되지말아야하는데만약최종침전지의슬러지내에질산성질소의농도 3-2. 공정별반응기 차설계 차설계는모델링에필요한공정별운전조건을설정하는것이다. 유입과유출수기준을 Table 3과같이하였고, 공정설계의기존연 Korean Chem. Eng. Res., Vol. 46, No. 3, June, 2008
64 김민한 유창규 Table 4. Primary design of operational conditions A 2 Anaerobic 467-6250 5000 Anoxic 3333 3500 6250 3500 Oxic 7500 7500 2500 3000 Volume(m 3 Anoxic2-4000 - 3500 Oxic2-0000 - - total 25000 25000 25000 35000 Waste sludge(m 3 /d 250 3000 667 0000 Recycle(m 3 /d 35000 75000 75000 50000 Internal recycle (m 3 /d 200000 200000 50000 50000 Internal recycle 2(m 3 /d - - 50000 50000 Settler surface area(m 2 467 467 467 4500 Fig. 2. Layout of 4 processes for advanced nutrient removal, (a A 2 O process, (b Bardenpho process, (c UCT process, (d VIP process [2]. Table 3. Influent conditions and effluent conditions Influent conditions Effluent conditions Flow 00,000 m 3 /d BOD 5 0 mg/l BOD 5 220 mg/l TSS 5 mg/l TSS 220 mg/l T-N 20 mg/l T-N 40 mg/l T-P 2 mg/l soluble T-P 4 mg/l Alkalinity 5 mole/m 3 구를바탕으로본연구에서는 4개의공정설계를위한수력학적체류시간 (Hydraulic retention time, HRT 와슬러지체류시간 (Solids retention time, SRT, 슬러지반송율과내부반송율, 반응조별부피, 폐슬러지유량, 이차침전조의표면적및수심등을 Table 4와같이결정하였다 [2,4]. GPS-X 프로그램을이용하여각공정별 layout을 Fig. 2와같이설정하고, 차설계에따른수치와유입수와각반응조, 침전조에대한모델을선택하였다. 유입모델은 BOD based 모델 (BOD 측정자료는있고 COD Cr 자료는없는경우, 각반응조 ( 혐기성조, 무산소조, 호기성조 는 ASM2d, 침전조는 Simpled 모델을사용하였다. 그리고 GPS-X program에직접입력한 차설계값에대하여시뮬레이션을하여그결과를도출하였다. 3-3. 최적운전조건도출 차설계값에대한시뮬레이션결과가유출수질기준을만족시키지못했기때문에민감도분석 (Sensitivity analysis 과시행착오법에 의해최적운전조건을도출하였다. 폐수처리공정이비선형이고모델또한비선형이라서 modern optimization방법을적용결과지역해 (local optimization 에빠지게되어좋은최적운전조건을찾지못하였다. 이것을보안하기위해서본연구에서는시행착오법으로최적운전조건을도출하였다. 민감도분석에서선정된변수를바꾸어가면서각항목에해당되는결과값이유출수질기준을만족할수있도록보정하였다. 예를들어, 유출수의총질소 (total nitrogen, T-N 목표농도를유출수질기준인 4 mg/l를만족시키기위하여무산소조의부피를변화시키거나, 내부회송유량또는슬러지반송유량을변화시켜가며유출수질기준을만족시키는최적의 T-N 값을찾는다. 이러한운전변수변경을통하여최적의유출수질기준을만족시키는결과값과이에해당하는설계값을알수있었다. 3-4. 공정성능평가하수처리공정의성능을평가하기위해서는무수히많은데이터가필요하다. 하지만이렇게많은데이터를어떻게평가해야하는지의문제점이있고, 평가과정을돕기위해성능지표를개발하고이지표들을사용하여동역학적반응을비교분석하고제어전략을선정하는과정이필요하다. 성능지표는유출수중 COD, T-N, T-P, TSS와같은여러가지변수들을결합하여하나의독립된지표로계산된다. 여기서또한유출수질, 펌핑에너지량, 폭기에너지량, 슬러지생산량의측정치를포함한다 [3]. 3-4-. Effluent Quality Index, EQI(kg/d 유출수에서환경성평가와관련된항목들은여러가지가있지만, 본연구에서는유출수의 TSS, BOD 5, T-N, T-P를선정하였다. 공정의환경성평가를위해이와같은여러항목의비교분석을쉽게하고이해를돕기위하여간단화하여하나의새로운지표를만드는것이필요하였다. Effluent Quality Index(EQI 는유출오염물질들의부하를하나의단일지표로정량화한것을나타낸다 [3]. 이러한 EQI 를통해유출수의상태를한눈에파악하고비교할수있는장점이있다. 여기에서의시스템은정상상태로가정하였고, EQI는식 (5 와같이나타낼수있다. 하첨자 e는유출수농도를나타낸다. EQI = (β TSS TSS e + β COD COD e + β BOD BOD e + β TN TN e * Q e (5 여기에서, β TSS =2, β COD =, β BOD =2, β TN =20를적용하였고, β factor 는유출성분의가중치를나타내며, Vanrolleghem and Gillot(2002 에의해제시된실험계수를적용하였다. 화학공학제 46 권제 3 호 2008 년 6 월
모델링기법을이용한하수처리공정설계와환경성및경제성평가 65 3-4-2. 운전비용하수처리장의운전비용에대한경제성평가를하기위한운전비용산출과정에서고려할사항으로는폭기, 펌핑, 혼합등의에너지비용과슬러지생산과처리비용, 시설비용, 화학약품구입비용, 인건비용, 토지비용, 기타유지비용및세금등이포함된다 [4]. 하지만비용계산을위한각각의구체적지표들이적립된바가없고, 개략적인공정의비교를위함이기때문에본연구에서는슬러지생산량, 펌핑에너지량, 폭기량의세가지인자를고려하여계산하였다. 3-4-2-. 슬러지생산량 (Sludge production, SP 최종침전지로부터하루생산되는슬러지양은식 (6 과같이나타낼수있고, 최종침전지에서발생하는 TSS 양과최종침전지에서버려지는폐유량을측정함으로써계산된다. SP(kg/d=TSS W * Q W (6 여기에서, TSS W = 침전지에서의폐유량 m 3 당발생하는폐슬러지양 (kgtss/m 3 Q w = 최종침전지에서의폐유량 (m 3 /d 3-4-2-2. 펌핑에너지량 (Pumping energy, PE 펌핑에너지량을줄이기위하여대부분의하수처리장에서는각반응조간에자유낙하로이동하도록설계되어있다. 반응조간의내부반송과, 침전지에서발생하는슬러지와유량의반송등을펌프를이용하여적용하고, 하루동안소비되는펌핑에너지량은식 (7 과같이나타낼수있다. 최종침전지에서의반송, 내부반송, 폐슬러지에대한유량의합에변환인자를곱하여계산된다. 용을더하여총비용 (total COST 을산출하였다. 이값을우리나라비용산출에맞도록원 ( 단위로환산하였고, =300 을적용하였다. 4. 결과및분석 차설계값과그에대한시뮬레이션결과값이각각 Table 4와 Table 6로나타냈다. 시뮬레이션결과값을살펴보면각공정별 TSS, BOD 5, TN, TP의대부분의값이유출수질기준을만족시키지못하는것을알수있으며, 이를최적화시키기위하여운전최적화과정을수행하였다. A 2 O 공정의혐기성조, 무산소조, 호기성조의각부피와내부반송슬러지량, 반송슬러지량, 폐슬러지량을기초변수로삼아민감도분석을실시한결과는 Fig. 3과같다. 민감도분석은 A 2 O Table 6. Simulation result from primary design (mg/l standard A 2 O BDP VIP UCT TSS 5 22.4 4.2 0.6 0.8 BOD 5 0 60 62 28 3.9 TN 20 5.9 32. 2.9 26.7 TP 2 2.3 5.4 2.4 4 PE(kWh/d = 0.04 * ( Q ir + Q r + Q w (7 여기에서, Q ir = 슬러지내부반송유량 (m 3 /d Q r = 슬러지반송유량 (m 3 /d Q w = 최종침전지에서의폐유량 (m 3 /d 3-4-2-3. 폭기량 (Aeration energy, AE 활성슬러지법, 호기성소화법등에서의산소는미생물의호흡작용과고형물을부유시킬수있도록반드시공급되어야하고혼합이이루어져야한다. 이러한전달과혼합은산기식압축공기, 기계적폭기또는기계적교반으로순수산소를공급함으로써이루어진다 [5]. 이렇게하루동안호기성조에주입되는폭기량은식 (8 과같이계산될수있다. 2 AE(kWh/d = 0.4032 * K La + 7.8408 * K La (8 여기에서, K La (h = 호기성조에서의시간당산소전달계수 3-4-2-4. 전체운전비용으로전환위의식 (5, (6, (7, (8 에의해서 EQI(kg/d, 슬러지생산량 (SP, kg/d, 펌핑에너지량 (PE, kwh/d, 폭기량 (AE, kwh/d 을계산할수있었다. 각항목별나타내는단위가모두다르기때문에운전비용을계산하기위해서는 Table 5의각항목에해당되는 cost factors를곱하여유로단위 ( 로변환하였다 [4]. 변환된각각의유로단위의비 Table 5. Cost multiplication factors Cost factors Multiplier Units Effluent fines 50 C= /EQI (EQI=kg/d Sludge treatment costs 75 C= /SP (SP=kgTSS/d Energy costs 25 C= /PE or AE (PE=AE=kWh/d Fig. 3. Sensitivity analysis for each parameters in A 2 O process. Korean Chem. Eng. Res., Vol. 46, No. 3, June, 2008
66 김민한 유창규 Table 7. Optimized operational conditions A 2 Anaerobic 5500-5250 5500 Anoxic 3000 3500 5250 200 Oxic 9500 9000 5000 5000 Volume(m 3 Anoxic2-3500 - 4000 Oxic2-9000 - - total 28000 25000 25500 26700 Waste sludge(m 3 /d 550 2000 775 2000 Recycle(m 3 /d 34000 55000 75000 60000 Internal recycle (m 3 /d 230000 80000 25000 00000 Internal recycle 2(m 3 /d - - 50000 50000 Settler surface area(m 2 5000 4500 4900 5000 Table 8. Simulation result from the optimized design (mg/l standard A 2 TSS 5 2.8 4. 5.4 3.2 BOD 5 0 5 5.5 5.8 5.4 TN 20 0.5 2.7 5.5 TP 2.3.8 0.8 0.7 공정의유출수의 TSS와 T-N, T-P에대한민감도분석을실시하였고, 전체적으로가장민감한변수로는폐슬러지량으로나타났으며, 내부반송슬러지량, 혐기성조부피등이결과에많은영향을미치는것으로나타났다. 차설계값의시뮬레이션결과의대부분이유출수질기준의대부분을만족시키지못하였기때문에운전최적화과정을수행하였고, 최적의운전조건을 Table 7, Table 8과같이도출하였다. Table 4와 Table 7을비교하면운전최적화과정을거친후에반응조의사이즈나폐슬러지량, 반송슬러지량, 내부반송량등에변화가있는것을알수있다. Table 8에서는운전최적화과정을거친후에모든항목에서유출수기준을만족시키는것으로나타났다. 공정각각의최적화된운전조건을기초로식 (5, (6, (7, (8 에따라계산된 EQI와슬러지생산량, 펌핑에너지량, 폭기량의값을 Table 9에나타내었다. Table 0에서는 Table 9에서계산된값에각항목별 cost factors를곱하여유로단위로환산된값과그의합인 total COST( 유로, 원단위 를나타내었다. Fig. 4는 차설계의시뮬레이션결과값과운전최적화과정을거 Table 9. EQI and operational cost A 2 EQI(kg/d 29279.03 28655.20 33427.67 386.20 SP(kg/d 22459.5 2320 2974.5 22720 PE(kWh/d 0622 9480 407 2480 AE(KWh/d 486.08 9632.6 486.08 486.08 친후최적화에이르기까지의시뮬레이션결과값의 EQI와 total COST를계산하여그래프로나타낸것이다. 전체적으로환경성및경제성부분에서의효율이좋아진것을알수있으며, EQI 효율의경우 A 2 O가 48%, Bardenpho가 66.3%, VIP가 2%, UCT가 4% 좋아졌고, total COST는 A 2 O가 22%, Bardenpho가 53%, VIP가 8%, UCT가 29% 줄어들었다. Bardenpho 공정이다른공정들과비교하여가장효율이좋아진것으로나타났다. 연구결과로볼때, 차설계에대한시뮬레이션결과에서는대부분이유출수질기준을만족시키지못한반면보정과정을통한모델링후에는유출수질기준을만족시킬뿐만아니라환경성및경제성부분에서모두좋아진것을알수있다. 제안된환경성과경제성평가의평가지표를가지고각공법들에대한외란조건의평가를위해다음의 3가지사례연구를수행하였다. 4-. 사례연구 : 유입유량이 00,000 m 3 /d 지금까지언급한연구방법과시뮬레이션결과값은유입유량이 00,000 m 3 /d로써사례연구 에해당된다. Fig. 5에 EQI-COST로표현된단일지표로써그래프를나타내었다. EQI-COST 측면에서 A 2 O 공정과 Bardenpho 공정이 VIP와 UCT 공정에비해환경성및경제성의효율이좋은것을알수있고, UCT 공정이 EQI와 COST 모두가장낮은효율을보이는것으로나타났다. 4-2. 사례연구 2: 유입유량이 0,000 m 3 /d 사례연구 에적용된조건외에다양한조건하에서의결과는어떻게달라지는지알아보기위해서사례연구를수행하였고, 사례연구 2에서는유입유량을제외한모든변수와연구방법및순서는동일하게적용하였으며, 단지유입유량만을 0,000 m 3 /d로바꾸어주었다. Fig. 6에서알수있듯이, total COST가일년에 5억 6천만원 (A 2 O와 Bardenpho 공정 에서 6억 천만원 (VIP 공정 까지분포하였고, Bardenpho 공정이 EQI 값이가장적은것을알수있다. A 2 O 와 VIP, UCT 공정은 EQI는비슷하나, COST가차이가많이나는것으로 VIP 공정이경제성평가에서효율이낮은것으로나타났다. 4-3. 사례연구 3: 호기성조의부피변화사례연구 3은모든조건은사례연구 과동일하게적용하고, 오직호기성조의부피만 ±2000 m 3 범위내에서변화를주어, 그에대하여시뮬레이션을수행하고결과를도출하였다. 그결과 Fig. 7과같이호기성조의부피가커질수록환경성및경제성평가부분에서의효율이모두좋아지는것을알수있다. 유입수량과호기성조부피의변화에따른경제성과환경성지표를파악한사례연구, 2, 3 의경우에서는 A 2 O와 Bardenpho 공정이 VIP와 UCT 공정보다환경성, 경제성면에서더낫다는것을알수있었고, 다양한운전조건하에서각각의지표를예측할수있음을보여주었다. Table 0. Total EQI and total COST with cost factors A 2 EQI( C= /y,464,000,433,000,67,000,908,000 SP( C= /y,684,000,599,000,648,000,704,000 PE( C= /y 266,000 237,000 352,000 32,000 AE( C= /y 20,000 24,000 20,000 20,000 Total COST( C= /y 3,534,000 3,50,000 3,792,000 4,044,000 Total COST(won/y 4,595,000,000 4,562,000,000 4,929,000,000 5,258,000,000 화학공학제46권제3호 2008년 6월
모델링기법을이용한하수처리공정설계와환경성및경제성평가 67 Fig. 4. EQI-COST graph for simulation result from primary design to optimized design. Fig. 5. EQI-COST graph for case. Fig. 7. EQI-COST graph for case 3. 5. 결론 Fig. 6. EQI-COST graph for case 2. 본연구에서는하수공정모델링기법을사용하여처리공정을설계하고질소와인제거의주요공정인 A 2 O, Bardenpho, VIP, UCT 공정의모델링을통해유출성상의농도를예측할수있었다. 이에관하여유출기준에맞게재분석하여최적의운전조건을도출하였고, 각공정별 EQI와 COST를계산하여그상관관계를알수있었으며, 연구에사용된 4개의공정외에다른공정들과의비교를가능하게해주어서추후에각유입조건에따른고도처리공정의공법선정에유용하게쓰일수있음을보였다. 더나아가유입유량과호기성조부피의변화에따른경제성과환경성지표의변화를파악하 Korean Chem. Eng. Res., Vol. 46, No. 3, June, 2008
68 김민한 유창규 고, 다양한운전조건하에서의지표를예측할수있었다. 본연구결과는 EQI와 COST의단일화된지표로써질소와인제거를위한생물학적영양물질제거공정들중공정을선별하는데에있어서의기준과지표를제시할수있게되어서새로운처리장건설의최적공법선택시, 그리고공정의고도처리로의전환시에최적운전조건을위한표준화된프로토콜로서사용될수있음을보였다. 총비용계산시운전비용의각항목별 cost factors를유럽에서제시한기준으로사용하였는데, 이후국내의실정에맞게수정이필요하고적합한 cost factors에대한연구를진행할필요가있다. 또한모델링기법을이용하여 ASM 모델의표준화된보정프로토콜에대해연구를하고, 이것으로생물학적하수처리장을위한동적모델링과보정그리고모델기반최적화의원천기술로써사용될수있다. 실규모하수처리장의질소와인의최적화, 모듈기반인터넷리모트감시및제어시스템, 최종적으로는통합하수처리장의관리시스템에도주요한기술로서사용될수있다. 감 본연구는 2007년정부 ( 교육인적자원부 의재원을한국학술진흥재단 (KRF-2007-33-D00089 과서울시정개발연구원의산학협력과제 (CS07060 의지원을받아수행되었으며이에감사드립니다. 사 참고문헌. Heo, H. S., Optimization of Advanced Sewage Treatment Process Treating High Fraction of Nondegradable Material, Ph. D. thesis, the Univ. of Seoul, Korea(2006. 2. Kim, J. R., Model Optimization and Model Based Supervisory Local Control for Activated Sludge Process, Ph. D. thesis, Pusan univ, Korea(2006. 3. Copp, J. B., The COST-simulation benchmark : description and simulator manual, COST Simulation Benchmark Manual(200. 4. Vanrolleghem, P. A., Gillot, S., Robustness and Economic Measures as Control Benchmark Performance Criteria, Water Sci. Technol., 45(4-5, 7-26(2002. 5. Henze, M., Gujer, W., Mino, T. and Loosdrecht, M., Activated Sludge Models ASM, ASM2, ASM2d and ASM3, IWA Scientific and Technical report No.9, IWA, UK(999. 6. Olsson, G. Newell, B., Wastewater Treatment System - Modelling, Diagnosis and Control, IWA, UK(999. 7. Sin, G., Insel., G., Lee, D. S. and Vanrolleghem, P. A., Optimal But Robust N and P Removal in SBRs: A Model-based Systematic Study of Operation Scenarios, Water Sci. Technol., 50(0, 97-05(2004. 8. Artan, N., Wilderer, P., Orhon, D., Tasli, R. and Morgenroth, E., Model Evaluation and Optimisation of Nutrient Removal Potential for Sequencing Batch Reactors, Water SA., 28(4, 423-432 (2002. 9. Petersen, B., Calibration, Identifiability and Optimal Experimental Design of Activated Sludge Models, Ph. D.thesis, BIOMATH, Gent UNIV., Belgium(200. 0. BIOMATH, Activated Sludge model Calibration-BIOMATH protocol(200.. Kim, C. W., The Way of Using GPS-X, The First Water Supply and Drainage Simulation Workshop, Pusan univ(2005. 2. Hydromantis, Inc., GPS-X Tutorial Guide, Hydromantis(2004. 3. Lee, S. W., The Environmental Engineer for Water Quality, SeongAn-dang(2006. 4. Benedetti, L., Probabilistic Design and Upgrade of Wastewater Treatment Plants in the EU Water Framework Directive Context, Ph. D.thesis, BIOMATH, Gent univ., Belgium(2006. 5. Reynolds, T. D., Richards, P. A., Unit operations and processes in environmental engineering, 2nd edition, BS:PWS publishing company(996. 화학공학제 46 권제 3 호 2008 년 6 월