저-부하 송풍기 폭기조의 기술 기초 및 운영 관리
1. 개요
1.1 송풍기 폭기조의 작동 원리
중국에서 일반적으로 사용되는 송풍기 폭기는 주로 확산형, 나선형형 및 미세다공성 폭기형을 포함합니다. 폭기조는 일반적으로 폭기 시스템, 조 구조, 유입/출구 포트로 구성되며 활성 슬러지 폐수 처리의 핵심 구조 역할을 합니다. 일반적인 통기 방법에는 기계적 통기와 송풍기 통기가 있습니다. 송풍기 폭기 시스템은 일반적으로 특수 폭기 장치와 송풍기로 구성됩니다. 유역은 종종 여러 구획으로 나누어지며, 각 구획은 독립적인 유입수 공급이 가능합니다. 폐수는 유역으로 들어가 반대쪽 끝으로 나갑니다. 이 과정에서 공기는 압축기를 통해 세면대 바닥에 있는 디퓨저로 전달되어 거품으로 방출됩니다.
1.2 송풍기 폭기조 관련 연구
Cheng Dandan 등의 연구. 중국의 도시 폐수 처리장(WWTP)에서 폭기 송풍기가 전체 에너지의 약 60%를 소비한다는 사실을 발견했습니다. 폭기 시스템을 용존 산소(DO)에 대한 지능형 PID 폐쇄형{3}}루프 제어와 통합하고 송풍기 에너지 절약 전략을 구현하면{4}}WWTP 폭기 시스템의 높은 에너지 소비를 효과적으로 해결하여 이를 30% 이상 줄일 수 있습니다.
Liu Xiaoqi et al. 에너지 소비를 낮추면서 처리 중 폐수의 산소 함량을 높이기 위해 분산 흐름 폭기 장치를 사용했습니다. 이는 또한 균일한 물-공기 혼합 및 분배를 달성하여 폭기 장치 설치 레벨링에 대한 정밀도 요구 사항을 줄였습니다.
Chang Kaiet al. 원래 공기 수집 모드를 수정하여 기존 폭기조 시스템 성능을 개선했습니다. 그들은 기존의 미세 다공성 폭기 장치를 산소- 전달 효율이 높은 실리콘 판 미세 다공성 폭기 장치로 교체하고 단일-패스 직선-흐름 폭기 장치를 3-패스 구불구불한 흐름 장치로 대체했습니다. 정밀한 폭기 제어 기능을 통합하여 시스템을 더욱 향상시켜 기존 송풍기 폭기 방법의 높은 에너지 소비, 낮은 효율성 및 불량한 물질 전달 문제를 해결했습니다.
1.3 송풍기 폭기조의 운영 관리
송풍기 폭기조는 폐수 처리에 널리 사용됩니다. 특정 WWTP의 식염수 폐수 처리 장치는 "다른 폐기물 흐름에 대한 별도 처리" 원칙에 따라 주로 대기-진공 증류, 스트리핑 정제수, 알킬화 중화 폐수 및 일부 상등액 및 고염도 유출수에서 발생하는 전기 담수화 폐수를 처리합니다.{2}} 이 장치는 송풍기 폭기조를 2단계로 포함하는 3{4}}단계 생물학적 처리 시스템을 갖추고 있습니다. 유입수 평균 화학적 산소 요구량(COD)은 지속적으로 100mg/L 미만으로, 이를 저부하-활성 슬러지 공정으로 분류합니다. 장비 업그레이드 외에도 최적의 운영을 유지하려면 프로세스 매개변수를 신중하게 제어하고 조정해야 합니다.
2. 시설개요
2.1 식염수 폐수 처리 장치 공정 흐름
이 장치는 "균등화 + 오일 분리 + 2-단계 부유선광 + 3-단계 생물학적 처리" 공정을 사용하며 처리된 폐수는 연마 장치로 보내집니다. 오일 분리기는 수평 흐름과 경사판 설계를 결합하여 사용합니다. 두 가지 부양 단계는 각각 CAF(Vortex Cavitation Air Flotation)와 부분 환류 가압 용해 공기 부양(DAF)을 활용합니다. 세 가지 생물학적 단계는 순차적으로 순수 산소 폭기조 III, 송풍기 폭기조 및 2차 생화학 탱크(EM-BAF)입니다. 프로세스 흐름은 다음과 같습니다.그림 1.
2.2 송풍기 폭기조 설명
송풍기 폭기조는 원래 1995년에 유성 폐수 처리 장치의 일부로 건설된 용도 변경된 시설입니다. 이는 유효 부피가 3,888m³이고 현재 수리학적 체류 시간(HRT)이 약 17.6시간인 전통적인 플러그{2}}폭기 설계를 사용합니다. 유역은 두 개의 평행 열차로 운영되며, 각각은 4개의 구획으로 구성되어 있습니다. 하단에는 통풍장치가 설치되어 있으며, 원심 송풍기에 의해 공급되어 활성 슬러지 대사를 위한 산소를 공급합니다. 또한 2개의 2차 정화기(Φ18m x 5m)도 갖추고 있습니다.
3단계-생물 시스템 내에서:
- 1단계(순수산소폭기조III): 주요 기능은 COD 제거입니다.
- 2단계(블로워 폭기조): 1차 기능은 암모니아성 질소(NH₃-N) 제거이고, 2차 기능은 추가 COD 제거입니다.
- 3단계(2차 생화학 탱크 - EM-BAF): 방류수 COD 및 NH₃-N을 더욱 연마하여 최종 수질을 보장하는 기능을 합니다.
2.3 송풍기 폭기조 유입수 및 배출수 품질
송풍기 폭기조로 유입되는 유입수는 순수 산소 폭기조 III에서 나오며, 오염 물질 제한은 다음과 같습니다. CODcr 300 mg/L 이하, NH₃-N 30 mg/L 이하, 부유 물질(SS) 50 mg/L 이하.
그 유출수는 2차 생화학 탱크로 공급되며 한도는 다음과 같습니다. CODcr 120 mg/L 이하, NH₃{1}}N 30 mg/L 이하, SS 50 mg/L 이하.
2차 생화학 탱크의 최종 유출수는 다음을 충족해야 합니다. CODcr 70 mg/L 이하, 석유 5 mg/L 이하, NH₃-N 3 mg/L 이하.
2021년 전체에 걸쳐 유역의 평균 유입수 CODcr은 67.094mg/L, 평균 NH₃-N은 23.098mg/L로 둘 다 설계 요구 사항을 충족했습니다. 그러나 유입수 COD가 현저하게 낮기 때문에 활성 슬러지의 탄소원 결핍이 발생하여 정상적인 대사에 영향을 미쳤습니다. 반대로, 혼합액 내 충분한 암모니아 질소와 낮은 유기 오염 물질 농도는 질산화에 유리하여 효과적으로 진행되었습니다.
3. 운영 영향 요인 및 통제 조치
3.1 낮은 유입수 부하와 슬러지 노화의 영향
유입수 COD가 설계 한계(300mg/L 이하)와 미생물 탄소 요구량(약. 100mg/L BOD₅)보다 낮은 67.094mg/L-인 경우-활성 슬러지는 탄소원 부족을 겪었습니다. 부하가 낮으면 슬러지 성장이 느려지고 노화되기 쉽고 느슨한 구조가 형성됩니다. 오래되고 죽은 슬러지가 2차 침전지 표면에 떠다니는 쓰레기를 형성했습니다. 쓰레기 수거 장비가 부족하여 이 쓰레기는 폐수와 함께 흘러나와 탁도를 유발하고 COD 및 SS 제한을 초과했으며 결과적으로 하류의 2차 생화학 탱크에 과부하가 걸려 최종 폐수 품질에 영향을 미쳤습니다.
대책: 운영팀에서 MLSS(혼합주 부유물질) 농도를 관리하였습니다. 30분 SVI(슬러지 부피 지수) 테스트를 위해 1000mL 눈금 실린더를 사용하여 약 2g/L의 MLSS에 해당하는 약 20%의 SVI를 유지했습니다. 이는 슬러지 노화, 부유 및 수질 악화를 방지하면서 오염 물질 제거 효율을 균형있게 유지합니다. 느린 슬러지 성장은 슬러지 낭비가 최소화되고 드물게 발생하여 질화 박테리아가 최소 생성 시간을 초과하는 체류 시간을 허용하여 질화를 더욱 촉진한다는 것을 의미합니다.
3.2 용존산소(DO) 제어의 영향
활성 슬러지의 미생물은 주로 호기성이며 일반적으로 1-3 mg/L 사이의 DO를 필요로 합니다. 기업 표준은 전통적인 플러그 흐름 폭기조의 DO 범위를 2-4mg/L로 설정하고, 질산화에 필요한 DO는 일반적으로 2.0mg/L 이상입니다. 현재 낮은 유입수 부하와 더욱 감소된 MLSS 농도로 인해 DO 수요가 낮아져 제어가 어려워졌습니다. 완전 혼합을 유지하면 DO가 4mg/L 이상으로 증가하는 경우가 많았고, DO를 목표 범위 내로 제어하면 일부 영역에서는 혼합이 부적절해 슬러지가 침전되는 경우가 있었습니다.
또한, DO가 높으면 유기물 분해가 촉진되어 슬러지 노화가 악화됩니다. 따라서 실제로 DO는 3mg/L 정도로 조절됩니다. 또한 모든 공기 밸브는 혼합 균일성을 개선하고 휴면 플록을 재활성화하며 활성 바이오매스를 유지하기 위해 대략 매달 조정됩니다.
3.3 수온의 영향
온도는 미생물 활동에 큰 영향을 미칩니다. 적절한 온도는 활동을 촉진하는 반면, 낮은 온도는 활동을 억제하거나 감소시키며, 높은 온도는 생리를 변화시키거나 사망을 유발할 수 있습니다. 이 시스템에서는 호열성 박테리아가 주요 기능 그룹입니다. 시스템 안전을 위해 온도는 일반적으로 15~35도 사이로 유지되지만 적절한 범위는 10~45도입니다. 30도를 초과하면 질산화 단백질이 변성되어 활성이 감소할 수 있습니다. 활성 슬러지에는 COD-분해 박테리아와 질산화 박테리아가 모두 포함되어 있으며, 질산화는 5~30도의 더 좁은 최적 범위를 갖습니다.
염분 폐수 유입수에는 고온-온도의 흐름이 포함되어 있습니다. 과거 사건에서는 유입수 온도가 연속적으로 40도를 초과하여 슬러지 분해, COD-분해 장치 및 질산화 장치의 사망, 시스템 붕괴를 초래했습니다. 그 후, 균압조 유출 라인에 온도계를 설치하여 배출 온도를 40도를 초과하지 않도록 엄격하게 제어하여 슬러지 온도 요구 사항을 충족시켰습니다. 2021년에는 질산화에 영향을 미치는 유사한 사건이 발생하지 않았습니다.
3.4 알칼리도의 영향
관련 기업 표준에 따르면, 암모니아 제거를 위해 활성 슬러지를 사용할 때 유입되는 총 알칼리도 대 암모니아 질소 비율은 7.14 이상이어야 합니다. 그렇지 않으면 알칼리도를 보충해야 합니다. 설계 유입수 NH₃-N이 30mg/L이고 실제 평균이 23.098mg/L인 경우 필요한 총 알칼리도는 214.2mg/L 이상입니다. 현재 유입수의 알칼리도가 부족하여 공정 요구사항을 충족하기 위해 매일 소다회(Na2CO₃)를 첨가해야 합니다.
3.5 pH 및 독성 물질의 영향
Activated sludge microorganisms thrive in a pH range of 6.5–8.5. Below pH 4.5, protozoa largely disappear, most microbial activity is inhibited, fungi become dominant, floc structure is destroyed, and sludge bulking can occur. Above pH 9, metabolism is severely affected, causing floc disintegration and bulking. Wastewater with pH >10 또는<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
호기성 미생물 대사는 pH 변화를 적당히 완충할 수 있습니다. 예를 들어, 질소 화합물 활용은 질산화 중에 pH를 낮출 수 있는 반면, 탈카르복실화는 알칼리성 아민을 생성하여 pH를 높일 수 있습니다. 이를 통해-약산성/알칼리성 폐수에 장기간 적응할 수 있습니다. 폐수의 고유한 알칼리성은 또한 pH 저하를 억제하는 데 도움이 됩니다.
그러나 급격한 pH 변화(예: 산성 시스템으로의 급격한 알칼리 유입)는 미생물에 심각한 영향을 미치고 작동을 방해할 수 있습니다. 따라서 중화 필요성은 구체적인 사례에 따라 다릅니다. 특히 약산/염기의 경미하고 일관된 pH 변동에는 중화가 필요하지 않을 수 있습니다. 변동이 커지면 pH를 중성으로 조정해야 합니다.
질화 박테리아는 pH-에 매우 민감하며 pH 7.2~8.0에서 최적의 질화 반응을 보이는 반면, 일반 미생물은 6.5~8.5를 선호합니다. 특정 산업폐수의 경우 독성 물질 유형은 고정되어 있는 경우가 많지만 농도와 배출량은 변동됩니다. 균등화 외에도 유입 독성 물질 수준을 모니터링하고 제어해야 합니다. 슬러지 순화 후, 순화 정도와 운영 경험을 바탕으로 최대 유입수 농도 제한을 설정해야 합니다. 초과량이 장기간 지속되면 미생물 중독 및 처리 실패를 방지하기 위해 유입 감소, 슬러지 재활용 증가 또는 산소화 강화와 같은 조치가 필요합니다. 현재 유역 유입수에서는 미생물 중독을 일으키는 독성 물질이 검출되지 않았습니다.
3.6 유입수 충격하중의 영향
유입수 COD는 약간의 변동을 제외하고 안정적으로 낮게 유지되며, NH₃-N 및 총질소(TN)도 장기간에 걸쳐 상대적으로 안정적인 범위 내에 유지됩니다. 질산화물질의 개체수는 상대적으로 고정되어 있습니다. 그러나 느린 성장률로 인해 유입수 NH₃-N 또는 TN의 급격한 증가는 유역의 제거 용량을 포화시켜 유출수 NH₃-N 및 TN 품질을 저하시킬 수 있습니다.
이론적으로 미생물의 N과 P 수요는 BOD₅:N:P 비율 100:5:1을 따릅니다. 그러나 N과 P 함량은 산업 폐수 유형에 따라 크게 다릅니다. 일부 폐수에는 N과 P 함량이 높아 기준을 충족하려면 제거가 필요합니다. 다른 것들은 결핍되어 있어 대사 제한을 피하기 위해 보충이 필요합니다. 낮은 N/P 폐수를 처리하는 운영 유역의 경우, 약 10mg/L NH₃-N 및 5mg/L 인산염의 유입수 수준이 미생물 요구를 충족할 수 있습니다. 이보다 낮은 수준이 장기간 지속되면 N/P 투여량을 늘려야 합니다.
일일 작업에서는 하류 연마 장치에 과부하가 걸려 최종 배출수 안전을 위협하는 것을 방지하기 위해 모든 유입 흐름과 균압 탱크 배출수 및 조정 탱크의 재순환 흐름에서 NH₃-N 및 TN을 면밀히 모니터링해야 합니다.
4. 결론
염수 폐수 처리 장치의 핵심 질산화 반응기인 송풍기 폭기조는 수온, 유입수 NH₃-N 및 TN을 매일 면밀히 모니터링해야 합니다. MLSS 농도를 엄격하게 제어하고 DO를 3mg/L 정도 유지하며 적절한 알칼리도 첨가를 보장하는 것이 필수적입니다. 이러한 최적화된 조치에 따라 시스템은 평균 COD 54.213 mg/L, NH₃-N 9.678 mg/L, SS 23.849 mg/L로 우수한 유출수 품질로 안정적으로 운영되어 2차 생화학 탱크의 유입수 요구 사항을 완전히 충족합니다. 장비 신뢰성과 시스템 처리 효율성을 더욱 보장하려면 다양한 측면에서 지속적인 테스트, 요약 및 최적화도 중요합니다.