다시 뛰는 공정도시 서울!

문서번호 운영과-21302 결재일자 2022. 8. 25. 공개여부 부분공개(5) 방침번호 시 민 주무관 주무관 운영과장 난지물재생센터소장 채호승 代정경성 김봉철 08/25 송장현 협 조 주무관 김도훈 A2O공법에서의 T-N 저감방안 연구 중간보고 2022. 08. 서울특별시 난지물재생센터 (운영과) A2O공법에서의 T-N 저감방안 연구 중간보고 우리 센터 내부반송 펌프는 유입하수량 대비 용량이 큰 관계로 정확한 내부반송 유량제어가 어려운 실정으로 내부반송 유량계 설치 및 최적화를 통한 방류수 T-N 농도 저감을 도모하고자 본 연구를 추진 중임. 개 요 ㅇ 실험기간 :‘21.6 ~‘22.6 (약 13개월) ㅇ 실험장소 : 난지물재생센터 제1·2처리장 ㅇ 실험내용 : 하수처리공정 계열별 한 개지 씩 호기조에서 무산소조로 연결된 반송 수로에 내부반송 유량계(레이더식) 설치를 완료하여, 펌프 작동조건에만 의존하는 것이 아닌 실제 공정에서 반송되는 유량 값을 정립하고, 내부반송율 및 체류시간 등 하수량 관련 인자들이 T-N 제거율에 미치는 영향에 대한 상관관계를 조사·분석 결과 및 분석 ㅇ 내부반송 유량 및 내부반송율 - 내부반송 유량계를 각 계열 한 개지 씩 설치완료(시설보수과,‘21.6월)하여 유입하수 총량 변화에 따른 내부반송 유량 실측값을 조사 유량 환산값 (시설용량 = 1.0Q) 내부반송 유량 (계열별 1/4지) 1계열 2계열 3계열 4계열 5계열 6계열 0.6Q 이하 18,526 19,835 18,422 20,606 21,310 21,200 0.7~0.8Q 23,274 23,012 25,503 21,823 25,371 25,784 0.9~1.1Q 25,600 27,853 28,937 27,128 29,382 29,346 1.2Q 이상 27,517 25,704 30,448 26,946 31,345 33,690 ※ 계열별 유량 균등분배가 가능하도록 운영하나, 생물반응조 미생물 상태 및 MLSS, MLDO, F/M비 등 계열별 운영조건이 상이하여 내부반송 유량 차이는 있을 수 있음. < 1·2처리장 계열별 내부반송율 현황 > - 유입수 내 T-N 제거 목적으로 호기조에서 무산소조로 하수를 반송하는 내부반송 펌프를 전 계열에 운용하고 있으며, 유입량 0.6Q이하 5/5분 운전부터 1.2Q 이상에서 연속운전에 이르기까지 유입하수량 변화에 따라 내부반송 유량제어를 실시하여 공정 운영 중임 - 내부반송율은 계열별 유입하수량 대비 내부반송 유량의 비율로 정의하며, 평상시(0.5~0.8Q)에서 80~95%, 강우시(0.9~1.1Q) 70~80%, 바이패스 발생시(1.2Q 이상) 약 65%의 내부반송율 수준으로 운영되었고, 3계열을 제외한 대부분의 계열에서 유입하수량이 증가함에 따라 내부반송율이 점차 감소하는 경향을 보였음 < 내부반송 펌프작동조건에 따른 유량제어 환산표 > 계열별 유량 범위(m3/hr) 운전시간(분) 휴지시간(분) 펌프 회전수(㎐) 5,375 이상 연속운전 45 4,777 ~ 5,375 8 2 40 4,180 ~ 4,777 7 3 40 3,583 ~ 4,180 6 4 40 2,986 ~ 3,583 5 5 40 ※ 생물반응조 지별 질산화 및 탈질 효율에 따라 작동조건을 달리하여 운영할 수 있음. ㅇ 생물반응조 체류시간 - 하수 내 T-N 제거에 있어 체류시간(Retiention time)은 공정 운영에 매우 중요한 인자로서 충분한 고형물 체류시간(SRT) 확보를 통한 생물반응조 내 적정 활성슬러지 농도(MLSS 2,500 ~ 3,500mg/L)가 유지될 수 있도록 해야 하며, 설계기준에 준하는 수리학적 체류시간(HRT) 확보로 반응조 내 미생물의 충분한 생물학적 반응을 통해 높은 질산화 및 탈질율을 달성할 수 있어야 함 < 유입하수량에 따른 체류시간 변화 > 유량 환산값 (시설용량 = 1.0Q) 고형물 체류시간(SRT) 수리학적 체류시간(HRT) 1처리장 (설계치 : 10.4 hr) 2처리장 (설계치 : 12.4 hr) 1처리장 (설계치 : 6.6 hr) 2처리장 (설계치 : 6.6 hr) 0.6Q 이하 14.7 18.0 11.4 10.8 0.7~0.8Q 12.9 15.6 9.3 9.2 0.9~1.1Q 12.0 14.6 7.0 6.9 1.2Q 이상 13.2 17.8 5.9 5.8 - 2021년 6월부터 약 13개월간 생물반응조 체류시간을 조사한 결과, 고형물 체류시간(SRT), 수리학적 체류시간(HRT) 모두 설계치를 상회하는 것으로 나타나 T-N 제거에 있어 충분한 체류시간이 확보되고 있으며, 우리 센터 평상시 유입하수량은 시설설계용량 대비 60~65% 수준으로 체류시간이 설계치보다 큰 이유임 ㅇ T-N 제거율 - A2O공법에서 T-N 제거는 유입하수의 암모니아성 질소(NH4+)가 호기조에 도달하여 용존 유리산소가 풍부한 조건에서 질산성 질소(NO3-)로 질산화가 이루어지고, 호기조 말단에 하수를 산소부족 조건의 무산소조로 반송하여 질소가스(N2) 형태로 탈기 처리하여 제거됨 < 계열별 T-N 제거율 현황 > 유량 환산값 (시설용량 = 1.0Q) 1처리장 2처리장 0.6Q 이하 60.4 59.1 0.7~0.8Q 58.4 54.2 0.9~1.1Q 57.1 53.7 1.2Q 이상 50.6 49.0 < 유입하수량 변화에 따른 T-N 제거율 변화 > - 평상시(0.5~0.8Q)에 T-N 제거율은 약 60% 수준으로 지난 기술진단(2017)에서의 분석 결과와 비슷한 수준이며, 유입하수량이 상승함에 따라 내부반송율 저하 영향으로 T-N 제거율도 감소하는 경향을 보임 - 우리 센터는 적정 송풍량 관리 및 MLSS, MLDO 유지로 질산화율은 좋은 편이나, 무산소조는 호기조 대비 1/4 크기로 협소하여 탈질율 저하에 취약하므로 반응조 내 DO 농도(0.2mg/L 이하) 및 ORP 값을 유지하도록 적정 내부반송율 운영 및 지속적인 모니터링 필요 ㅇ T-N 제거율과 상관관계 분석 - 위 측정 결과를 바탕으로 T-N 제거율과 하수량 영향인자(내부반송율, SRT, HRT)와의 상관관계를 분석하여, T-N 제거율에 대한 인자별 연관성 및 우선순위를 결정 < T-N 제거율과 각 영향인자 간 상관관계 > 구 분 1처리장 2처리장 T-N 제거율 상관성 내부반송율 상관계수R 0.9781 0.9587 - R2 0.9567 0.9192 직접적 영향인자 고형물 체류시간(SRT) 상관계수R 0.3184 0.0770 - R2 0.1014 0.0059 간접적 영향인자 수리학적 체류시간(HRT) 상관계수R 0.8815 0.9254 - R2 0.7770 0.8564 직접적 영향인자 ※ R2(결정계수)가 1에 가까울수록 선형(비례)관계로 대상과 인자 간 상관성 높음을 의미함. < T-N 제거율과 각 영향인자 간 회귀직선 - 1처리장 > ① 내부반송율 ② 고형물 체류시간 ③ 수리학적 체류시간 - T-N 제거율과 인자별 결정계수(R2)를 계산한 결과, 1·2처리장 모두 내부반송율이 가장 높은 상관성을 보였으며, 고형물 체류시간(SRT) 변화에 대해서는 상대적으로 덜 영향을 받는 것으로 나타남 - 결정계수(R2) 값이 낮다고 해서 중요도가 낮음을 의미하는 건 아니며, 내부반송율 및 수리학적 체류시간(HRT)이 하수 처리공정 T-N 제거율을 결정하는데 직접적 연관성이 있음을 수치화 한 것임 A2O공법에서의 T-N 저감방안 연구 - 검토의견 1) 하수 내 T-N 제거에 있어「내부반송율」이 생물반응조(무산소조) 탈질율 주요 결정인자로서, 계열별 유입하수량에 따른 내부반송율 증감 운영이 가장 중요 ① 평상시(0.5~0.8Q), 내부반송 펌프를 5/5~7/3분 수준에서 운전하되 무산소조의 DO 및 ORP가 상승하지 않는 범위 내에서 내부반송 유량을 제어해야 함 ② 강우 발생 및 유량 상승시(1.0Q 이상), 내부반송 펌프의 연속운전을 통해 내부 반송률을 유지하여, T-N 처리효율이 하강하는 것을 방지하여야 함 2) T-N 제거에 영향을 주는 다른 하수량 관련 인자로「체류시간」이 있으며, 설계기준 이상 수리학적 체류시간(HRT)으로 운영하여야, 반응조 내 미생물의 충분한 반응시간 확보로 질산화 및 탈질율이 높아져 T-N 농도를 저감 시킬 수 있음 3) 무산소조 말단 유출구에서 호기조 내 공기기포가 역류하는 현상이 빈번하게 발생하는 편이며, 기포에 의한 무산소조 DO 상승은 탈질율 저하의 직접적 원인이므로 정류벽 설치를 통해 이러한 현상을 방지할 수 있을 것으로 판단됨 4) 우리 센터는 30년 이상 운영 중인 처리시설로서 각종 설비의 노후화 및 기존의 구조적 한계점을 가지고 있어, 지속적 설비 유지보수 추진과 더불어 3차 총인처리시설(2023년) 완공 후, T-N 저감을 위한 공법 개선·변경도 고려할 수 있음 결론 및 향후 계획 ㅇ 우리 센터 내부반송 펌프만 설치되어 계열별, 지별 정확한 내부반송 유량을 확인할 수 없었으나, 내부반송 유량계 설치 및 본 연구를 통한 시운전을 진행하여 유입하수량에 따른 내부반송 유량을 통계화하였음 ㅇ 약 13개월간 내부반송율 및 체류시간(SRT, HRT)을 조사한 결과, 하수량이 증가함에 따라 모두 감소하는 경향을 보였으며, 상관관계 분석에서 내부반송율과 수리학적 체류시간(HRT)의 결정계수(R2)가 높게 나타나 T-N 제거율에 직접적 영향인자로 판단됨 ㅇ 하수 처리공정 T-N 제거율 결정에 있어 내부반송율 및 체류시간 관리 가장 중요한 것으로 판단되며, 그 외 MLSS, MLDO, F/M비, pH, ORP, 알칼리도 등 영향인자들에 대해서도 지속적인 모니터링이 요구됨 ㅇ 본 연구는 유량 및 각 인자에 대한 연도별, 계절별 누적 통계를 필요로 하며, 추후 빅데이터를 활용한 종합적인 분석 및 방류 T-N 저감을 위한 공법 개선이 필요할 것으로 보임. 끝. [ 참고자료 ] ㅇ 총질소(T-N) 뜻 - 암모니아성, 아질산성 질소 등 용존 상태의 무기성 질소와 단백질, 요소, 아미노산와 같은 유기성 질소의 질소량 합계로 정의하며, 일반적으로 공공하수처리시설 방류수 수질기준에서는 암모니아성(NH4+), 아질산성(NO2-), 질산성(NO3-) 등 수중에 포함된 질소화합물 농도의 총량을 뜻함 ㅇ A2O 공법에서 질소 제거 - 유입하수 내 질소화합물이 호기조에서 산소공급 및 질산화미생물에 의해 산화되며, 내부반송을 통해 무산소조로 이송되어 탈질미생물에 의해 환원반응을 거쳐 질소기체 형태로 탈기처리하여 하수 내 질소를 제거함 < 하수 내 질소 제거반응 > ※ 질산화 반응 2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 2H2O + 4H+ (1단계 미생물 : Nitrosomonas) 2NO2- + O2 → 2NO3- (2단계 미생물 : Nitrobacter) ∴ NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+ ※ 탈질 반응 2NO3- + 5H2 → N2 + 4H2O + 2OH- (미생물 : Pseudomonas, Bacillus 등) 2NO3- → NO2- → NO → N2O → N2↑ ⇒ 산소부족 조건인 무산소조에서 탈질미생물은 질산성, 아질산성 질소의 결합산소를 이용하면서 하수 내 T-N은 질소가스 형태로 환원되어 대기 중에 방출 제거된다. ㅇ 공정 운영시 T-N 상승 원인 저해 요인 현재 상태 설 명 질산화 반응 호기조 MLDO 감소 양호 하수 내 용존산소(MLDO)는 암모니아성 질소 산화에 사용 최적 MLDO : 2.0 ~ 4.0mg/L ※ NH4-N 산화·환원반응 통하여 미생물은 생장에 필요한 에너지를 얻음 유기물 농도 감소 양호 하수 내 유기물 농도 감소하면, 종속영양미생물에 의한 완전분해로 CO2 생성 감소(=미생물 활성도↓) 수온 저하 양호 (동절기 주의) 최적온도 : 28 ~ 36℃ pH 저하 양호 최적 pH : 7 ~ 8 무기탄소원 감소 - 질산화 미생물 세포 성장에 필요 SRT 감소 충분 질산화 반응속도는 느린 편이므로 충분한 접촉시간 필요 독성물질 존재 - 유해 중금속, 고농도 암모니아 등 알칼리도 감소 양호 (T-N 상승시 pH 현장측정 및 대응조치) pH 저하 완충할 수 있는 능력 cf. 질산화는 하수 내 알칼리도 소모반응 ※ 유입수 암모니아 30mg/L 기준 : 적정 알칼리도 210 CaCO3 mg/L MLSS 감소 충분 (일부지 부족) 미생물 수 ※ 지속적 모니터링 및 미생물 현미경 관찰 탈질 반응 무산소조 MLDO 상승 양호 반응조 내 산소가 유입되면 탈질 미생물이 전자수용체로 결합산소가 아닌 용존산소를 사용하면서 탈질 효율 감소↓ 독성물질 존재 - 유해 중금속, 고농도 암모니아, 음이온성 계면활성제 등 MLSS 감소 충분 (일부지 부족) 미생물 수 ※ 지속적 모니터링 및 미생물 현미경 관찰

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20220826045008

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운영과-21302

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