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- 유기물
제거 |
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활성슬러지의 증식과 BOD 제거의 관계는 다음 식과
같다 |
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(1)식을
변형하면, |
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여기서, dS/dt는 활성슬러지의
증식속도(㎎/ℓ·일), Y는 수율계수(㎎MLVSS/㎎ BOD), dℓr/dt는 활성슬러지의 BOD제거속도(㎎/ℓ·일), S는 활성슬러지
미생물농도(㎎/ℓ), b는 활성슬러지의 자기분해계수(1/일), 1/S·dS/dt는 활성슬러지의 비증식속도(1/일), 1/S·dℓr/dt은
BOD의 비제거속도(1/일)
또한, 활성슬러지미생물의 비증식속도와
기질(BOD)농도의 관계는 Monod 식에 의해 나타내고, 이것에 활성슬러지의 자기분해계수를 고려하면 (3)식이 얻어진다.
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여기서, μ는 비증식속도(1/일),
μmax는 최대비증식속도(1/일), Ks는 포화정수(㎎/ℓ), ℓe는
기질평형농도(㎎/ℓ)
그리고, 미생물에 의한 기질의
비제거속도는 효소반응의 Michaelis- Menten의 식에 따른다고 보면 다음 식으로 나타난다.
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여기서, k는 기질의
최대비제거속도(1/일)
(4)식을 (2)식에 대입하면 (5)식이 얻을 수
있다. |
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여기서, 1/S·dS/dt는 μ,
Y·k는 μmax이므로 (5)식과 (3)식은 일치한다. |
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본 법과 같이 연속유입완전혼합형의
활성슬러지법으로서 잉여슬러지를 반응조에서 직접 인발하여 탈수처리하는 경우, 반응조내의 활성슬러지미생물의 물질수지는 다음과 같이 표현할 수
있다. |
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여기서, V는 반응조의 용량(㎥),
Qw는 잉여슬러지인발량(㎥), Qs는 유입수량(㎥), So, Se은 각 유입수중의 미생물농도 및 처리수의
미생물농도(㎎/ℓ)
그리고 유입수중의 미생물농도가
0(So=0)이라고 가정하면 정상상태에서는 dS/dt=0 이므로 (6)식은 다음과 같이 된다. |
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좌변은 반응조에 있어서의 SRT 즉
활성슬러지미생물의 체류시간의 역수를 나타내고 있고, 여기서 Se가 대단히 작기 때문에 S≫Se, Qw·S≫Qs·Se 라고 하면 (7)식은
(8)식으로 나타낼 수 있다. |
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(8)식은 BOD제거 동력학기초식 (2)식와
동일하므로 |
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(9)식을 (5)에 대입하면 (10)식을 얻을 수
있다. 이것을 ℓe 로서 정리하면
(11)식이
유도된다. |
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(11)식에 있어서 Y, k, Ks, b는 각각
하수중의 유기오탁기질과 활성슬러지에 관한 정수이며, 활성슬러지법에 있어서 처리수질의 ℓe는 반응조내의 수리학적체류시간(HRT)이 아니고, SRT 엄밀히
따져서는 호기조건하에서의 활성슬러지 미생물체류시간인 ASRT에 의해서 결정되는 것임을 알 수 있다. 이것은 활성슬러지법의 유지관리이 있어서
ASRT가 중요한 지표가 된다는 것을 가리키고 있다. |
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또한, 유입수와 처리수의 BOD농도를
각각 ℓs, ℓe 이라고 하면 BOD의 기질제거속도는, |
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(8)식을
변형하면 |
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(13)식에 (12)식을
대입하면 |
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단,
V/Qs=HRT |
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(14)식을 보면 활성슬러지미생물농도는 SRT의
함수인 것을 알 수 있다.
상기 model에 있어서, 우선 SRT의
값을 설정하면 Y, k, Ks, b, ℓs의 값을 가정하는 것에 의해, (11)식으로부터 ℓe의 값이 구할 수 있다.
HRT의 값을 설정하면 (14)식으로부터 S가 결정된다. 여기서 각 parameter의 값을 아래와 같이 가정하여 얻은 값을 그림4-1에
SRT와 처리수BOD 및 MLSS의 관계로 나타냈다. |
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Y=0.62(㎎MLVSS/㎎BOD, 실험값),
k=5.6(1/일), Ks=50(㎎BOD/ℓ), b=0.0072(1/일, 실험값), ℓs=200(㎎BOD/ℓ),
HRT=0.83일 |
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그림4-1 SRT와 처리수 BOD 및 MLSS의 관계
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활성슬러지법에서 처리수질을 규정하는 것은
SRT, 엄밀한 의미로는 ASRT인 것을 기술하였다. 그림4-1을 보면 model계산결과로부터 BOD는 1∼2일이 짧은 SRT에서 충분히
목표치를 달성할 수 있다는 것을 알 수 있다. 본 법에서와 같이 완전혼합형의 단일반응조에서 BOD 제거 및 질소제거를 위해서 유기물산화세균에
비하여 증식속도가 매우 느린 질산화세균를 계내에 유지할 수 있는 ASRT에서 운전하면, BOD 제거에는 전혀 문제가 없다고 말할 수
있다. |
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- 질소
제거 |
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활성슬러지중의 질산화세균의 증식과 NH₄-N 제거
사이에는, 다음 식이 성립된다. |
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여기서,
dSNH/dt는 질산화세균의 증식속도(㎎/ℓ·일), dNHR/dt는
질산화속도(㎎/ℓ·일), SNH는 질산화세균 농도(㎎/ℓ), YNH는 수율
계수(㎎-세포/㎎-NH₄-N), bNH는 질산화세균의 자기분해계수(1/일), NH는 평형 NH₄-N농도(㎎/ℓ),
KNH는 질산화반응의 포화정수(㎎/ℓ), kNH는 최대 질산화속도
항수(1/일)
(2)식을(1)식에 대입하고, 양쪽 변을
SNH로 나누면 (3)식을 얻을 수 있다. |
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회분실험에 의한 활성슬러지의 질산화속도
실험결과에서는, 그림4-2와 같이 NH₄-N은 거의 0㎎/ℓ 근처까지 직선적으로 감소했다. 이것은 질산화 반응이 영차반응에서 진행되고 있는 것을
나타내고 있고, 동시에 (3)식에 있어서 KNH의 값이 대단히 작다는
것을 시사하고 있다. EPA에서는 KNH를 온도(℃)의 함수
(4)식로 나타내고 있다. |
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KNH=100.051T-1.158 ―――――――――――――――――――――――――(4) |
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일례로 20℃ 일때,
KNH는 0.7㎎/ℓ가 된다. |
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그림4-2 반응시간과 NH₄-N 농도의 관계
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이상에서 KNH <<
NH 이기 때문에, (2)식 및 (3)식으로부터 각각 다음 식이
성립된다. |
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여기서,
μNH는 질산화세균의 비증식속도(1/일), YNH·kNH
=μNHmax는 질산화세균의 최대비증식속도(1/일) |
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(6)식에서 질산화세균은 NH₄-N
농도에 관계없이 일정한 비의 증식 속도로 증식하고, 최종적으로 그 균체분량은 유입하는 NH₄-N 부하량에 알맞은 량에까지 도달한다. 즉,
NH₄-N 부하량에 의해 질산화세균의 균체량은 변화하고, 부하가 높은만큼 균체량은 증가한다. 한편 (5)식에서 질산화속도는 질산화세균의 균체량에
비례한다. 이상에서, 유입 NH₄-N 농도가 높은 만큼, 반응조내의 질산화세균량이 많아지고 질산화속도가 빨라지는 것을 알 수 있다.
일반적으로 활성슬러지는 응집흡착작용이 풍부하기
때문에 질산화세균은 활성슬러지속에 균일하게 분포하고, 슬러지내에 일정하게 유지된다고 볼 수 있다. 따라서, 잉여 활성슬러지양으로부터 결정되는
ASRT를 반응수온에 대해서 질산화세균 증식에 필요한 레벨(ASRT>1/μNH)로 유지하면, 위에
기술했던 바와 같이 질산화반응은 영차반응이 된다. 그러므로, 겨울철의 저수온하에서도 완전질산화를 달성할 수 있다. 이것을 그림4-3에 나타냈다.
원래 대로라면, ASRT≒1/μ로 처리수 NH₄-N은 거의 0이 되지만, 포화 정수가 큰 경우나 일간 변동에 의한 원수중 질소의 농도 변화가
있는 경우는 1/μ이상의 ASRT가 필요하게 된다. |
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그림4-3 유입 Kje-N 농도가 일정할 경우 ASRT와 처리수NH₄-N 농도와의
관계
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더욱이, 본 법에 있어서는 동일의 반응조에서
BOD와 질소 제거를 하지만, 유기물 산화 세균과 비교해 증식 속도가 늦은 질산화 세균을 계내 유지를 할 수 있는 ASRT로 운전하면, BOD
제거는 전혀 문제가 되지 않게 된다. |
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- 실제 하수처리장을 가정한 유입부하 변동과 ASRT의
관련성
부하변동과 질산화의 관계를 그림4-4에 나타냈다.
이것은 당초 질산화대상질소(이하, 기질이라 칭함)가 일정 속도로 반응조로 공급되고, 그 후 1주일 사이에 고부하, 저부하가 반복되는
주간변동하에서 질산화된 NH₄-N, 잔류 NH₄-N 및 계내의 질산화세균량의 거동을 표현한 것이다.
반응조가 완전혼합형으로 DO가 변화되지
않고, 질산화반응을 영차반응으로 가정한 경우, 부하변동에 의한 처리수 NH₄-N의 잔류는 아래와 같이 설명할 수 있다. 계내의 질산화세균량이
일정속도로 공급되고 있는 기질을 완전질산화하는데 충분한 양으로 정상상태를 유지하고 있는 계에, 지금까지 이상의 속도로 기질이 공급된 경우,
질산화세균은 공급 기질량으로 인해 보다 큰 속도에 증식하려고 하지만, 기질 공급속도의 증가가 있는 한도보다 빠르게 기질은 잔존한다. 반대로
기질공급 속도가 늦어지면 증식속도는 그것에 비례하여 감소한다. 즉 기질공급 속도가 증감할 때, 질산화세균의 증식 속도는 기질공급의 감소
방향으로는 비례하지만, 증가 방향에 반드시 비례하지는 않는다. 질산화세균에 있어서, ASRT는 증식에 걸리는 시간이라고 하는 견해도 가능하고,
기질존재하에서는 ASRT가 긴 만큼 증식 속도는 커진다.
한편, 주일의 전반과 후반에 기질공급
속도가 5배 이상 변동하는 경우에서는 부하에 적합한 잉여활성슬러지의 인발 및 호기시간, 즉 부하가 클 때는 잉여활성슬러지의 인발양을 많게
포기시간을 길게 하고, 부하가 작을 때는 그와 반대로 하는 ASRT 일정 제어운전을 하지 않으면, 그림 4-4에 나타내듯이 계내 질산화세균량은
점점 감소한다.
그 결과, 기질공급 속도(부하)가 작을
때는 완전질산화가 달성되지만, 부하가 커지게 되면 보다 고농도의 NH₄-N 이 잔류하게 된다.
그림4-4 부하변동과 질산화
관계
이와 같이 장주기의 큰 부하변동이 있는
경우에는 고부하시에 맞취 ASRT를 설정하고, 그 일정 제어운전이 필요하게 된다. 부하변동하에서의 완전질산화의 조건을 도식한 것이 그림4-5
이다.
고부하시에 필요한 ASRT에 일정
제어운전을 하면 계내의 질산화세균량은 고부하시의 공급 기질량으로 알맞은 양까지 도달해, 완전질산화가
달성된다. |
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그림4-5 완전질산화 조건
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- 탈질반응 |
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탈질반응에서의 NOx- N의 제거
속도는(7)식에서 나타낸다. |
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(7)식의 양변을 S로 나누면 (8)식을 얻을 수
있다. |
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여기에서 1/S·dNr/dt 는
탈질속도(kg-NOx-N/kg-SS·일), 1/S·dℓr/dt 는 BOD제거속도(kg-BOD/kg-SS·일), a는 제거되는 BOD중에 탈질에
이용되는 비율(-), b는 내생탈질속도(kg-NOx-N/kg-SS·일)
활성슬러지에 의한 탈질반응은
질산화반응과 같이 영차반응인 것이 보고되었다. 따라서, 탈질속도는 NOx-N 농도가 아닌 수소공여체로서의 유기기질(BOD)농도에 의해
좌우된다. (8)식에서, BOD제거율이 일정하면, 탈질속도는 BOD-SS부하에 비례한다.
다음으로 ASRT 제어
관점에서 탈질속도 보면, 저부하시에는 필요한 ASRT를 확보하는 량만큼 만 포기하고, 그 외에는 포기하지 않고 혐기시간을 길게 하는
것이 혐기시간대의 BOD-SS부하를 증가시켜 탈질에 이용되는 유기물량(활성슬러지 흡착유기물도 포함)을 증대시킨다. 그 결과 탈질속도가
빨라진다.
이상, 질산화반응에 있어서는
질산화세균의 계내 유지와 활성유지, 탈질반응에 있어서는 유기기질의 유효 이용과 탈질활성의 유지라고 하는 관점으로부터 ASRT는 운전제어와
설계인자로서 매우 중요하다는 것을 알 수 있었다. |
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- 인
제거 |
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생물학적 질소제거법과 생물학적 인제거법의 사이에는,
원리에 있어서 근본적인 상위가 있고, 어느 쪽의 process라도 효율적인 질소·인 동시제거의 어려움이 지적되어 있다. 이 원리상의 상위란
생물학적 질소제거법에서는 비증식속도가 느린 질산화세균을 계내에 유지하기 위해서 SRT가 긴 운전이 필요한 반면 생물학적 인제거법에서는
활성슬러지에 과잉 인을 섭취시키기 위해서 SRT를 짧게 하여, 잉여슬러지의 생성량을 많게 하는 운전제어가 필요하다는 것이다.
따라서 본 법에서는 그림4-6과 같은
활성슬러지 미생물에 의한 인의 방출 및 과잉섭취의 대사를 이용하여 보다 많은 인을 활성슬러지중에 함유시켜 활성슬러지를 인발탈수처리함으로서 인제거
효율을 높인다. 즉 인의 과잉섭취가 이루어지는 호기시간대에 집중적으로 잉여슬러지의 인발탈수를
진행한다. |
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그림4-6 생물학적 인제거의 원리
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일반적으로 표준활성슬러지법에서의 인 함유량은 통상
0.02∼0.03 g-P/g- MLSS인데 비하여 혐기호기를 병행하는 공법에서의 활성슬러지 미생물 세포내에 폴리인산이 축적되어 인의
함유량은 0.025∼0.05g-P/g-MLSS에 이르는 것으로 알려져 있다 |
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