AAOAO-MBBR 공정 및 오존 산화를 기반으로 한 Xin'an Qianhe 수질 정화장의 설계 및 실행 업그레이드
칭다오는 국가연해중심도시로서 생태거버넌스 분야에서 중요한 성과를 거두었습니다. 그러나 상위-수준의 국제 대도시와 비교하면 도시 물 환경 관리 시스템은 여전히 구조적 어려움에 직면해 있습니다.
현재 배수관망의 피복률, 폐수 처리 시설의 운영 효율성 및 고품질 수질 환경에 대한 대중의 기대 사이에는 격차가 있습니다.- '아름다운 칭다오' 건설이라는 생태학적 비전을 실현하는 것에도 거리가 있다.
이러한 과제를 해결하기 위해 칭다오는 과학적인 계획, 최적화된 자원 배분, 인프라 투자 강화 등 체계적인 조치를 시급히 시행해야 합니다. 이러한 노력은 폐수 수집 네트워크와 최종 처리 능력의 효율성을 종합적으로 향상시켜 도시의 지속 가능한 발전을 위한 생태학적 기반을 강화하는 것을 목표로 합니다.
Xin'an Qianhe 수질정화공장 프로젝트는 칭다오 서해안 신구에 위치합니다. 설계 처리 용량은 50,000m3/d, 총 부지 면적은 33,154m², 총 투자액은 1억 8,240만 위안입니다. 2021년 3월 사업 타당성 조사 보고서가 완료됐고, 같은 해 6월 기본설계와 예산이 승인됐고, 2023년 4월 정식 착공해 현재 건설 단계에 있다. 원래 설계에서는 주요 배출 매개변수가 GB 3838-2002 "지표수 환경 품질 표준"에 지정된 클래스 V 표준을 충족해야 하고, 총 질소(TN) 및 기타 지표는 GB 18918-2002 "시립 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준"의 A등급 표준을 충족해야 했습니다.
2022년 3월, 칭다오 수자원국은 '칭다오 도시 폐수 처리장 업그레이드 및 개조 작업 실시에 관한 통지'를 발표했습니다. 이 공지는 Jiaozhou Bay, Bohai Bay 및 강변 주변의 처리장에서 업그레이드를 완료하여 방출 기준을 준-등급 IV 지표수 품질로 높이고 배출수 TN을 10~12mg/L 사이로 제어하도록 요구했습니다. 이 정책의 발표는 프로젝트의 예비 설계 승인(2021년 6월)과 실제 시작(2023년 4월) 사이의 간격 내에 이루어졌기 때문에 이미 승인된 원래 설계 표준과 최신 환경 요구 사항 사이에 기술적 격차가 발생했습니다. 서해안 신지역의 신규 폐수처리 시설로서 준공 후 규정 준수를 보장하기 위해 건설 단계에서 공정 최적화를 병행하고 타당성 조사를 통해 경제적으로 실현 가능한 업그레이드 계획을 개발하는 것이 필수가 되었습니다.
1. 공정 계획 설계 및 선택
1.1 설계된 배출수 품질
프로젝트의 배출수 기준이 준-클래스 V에서 준-클래스 IV 지표수 품질로 업그레이드되었습니다. BOD, COD 등 지표값을 더욱 낮추기 위해서는 합리적인 기술적 해결방안이 필요했습니다.크롬,유출수의 TN, NH₃-N 및 TP. 구체적인 분석은 다음과 같습니다.표 1.
1.2 엔지니어링 기술방안 선택
건설중인 플랜트의 공정 흐름은 다음과 같습니다.그림 1.
건설 중인 공장은 "전처리 + 수정된 AAOAO 생화학 탱크 + 2차 침전조 + 고-효율 침전조 + V-형 필터 + 오존 산화" 공정을 채택합니다. 구조물의 레이아웃은 콤팩트하여 업그레이드 프로젝트를 위한 잉여 토지를 남기지 않으므로 진행 중인 건설을 기반으로 해야 합니다. 업그레이드는 주로 COD와 같은 오염물질 제거를 목표로 합니다.Cr, NH₃-N, TN 및 TP. 두 가지 비교 계획이 제안되었습니다.표 2.
계획 1: AAOAO-MBBR + 높은-효율성 침전조 공정
- 생화학적 시스템 수정: 건설 중인 AAOAO 생화학 탱크의 구조를 최적화합니다. 무산소 구역의 부피를 확대하여 탈질 능력을 향상시킵니다. 동시에 호기성 구역에 국지적으로 MBBR 캐리어를 추가하여 복합 공정을 형성하고 NH₃-N 및 TN의 생화학적 제거 효율을 강화합니다.
- 물리화학적 시스템 업그레이드: 안정적인 TP 준수를 보장하기 위해 고효율 침전조의 탱크 구조와 지원 장비 매개변수를 최적화합니다.-
- 고급 치료 강화: 난분해성 유기물을 더욱 분해하여 COD를 보장하려면 오존 산화 장치의 주입량을 늘리십시오.Cr방전 준수.
계획 2: 고-효율성 침전조 + 탈질 심층 필터 공정
- 작동 모드 최적화: AAOAO 생화학탱크의 본래 구조를 유지합니다. 유입수 품질에 따라 무산소/호기성 모드 간을 동적으로 전환하기 위해 사후-무산소 구역에 조정 가능한 폭기 장치를 추가하여 NH₃-N 처리 효과를 보장합니다.
- 물리화학적 시스템 업그레이드: 안정적인 TP 준수를 보장하기 위해 고효율 침전조의 탱크 구조와 지원 장비 매개변수를 최적화합니다.-
- 탈질필터 채용: V-형 필터를 탈질 심층 필터로 전환하여 탄소원 투입량을 활용하여 TN 제거 능력을 강화합니다.
- 고급 치료 강화: 난분해성 유기물을 더욱 분해하여 COD를 보장하려면 오존 산화 장치의 주입량을 늘리십시오.Cr방전 준수.
두 방식 모두 질소 및 인 제거 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 반응식 1은 TN 제거를 달성하기 위해 생화학 탱크에 대한 변형을 활용합니다. 그 장점은 유입 탄소원을 최대한 활용하는 데 있습니다. 유입수 TN이 변동하는 경우 TN 제거를 위해 무산소 구역에 외부 탄소원을 추가할 수도 있습니다. 이에 비해, 반응식 2에 사용된 탈질 심층 필터는 외부 탄소원의 사용이 필요하고 필터 내 미생물 활동을 장기간 유지해야-하여 운영 비용이 증가합니다. 두 계획의 건설 투자 비용은 비슷하지만 운영 비용 관리, 공정 안정성 및 탄소원 활용 효율성을 포함한 다차원적인 고려 사항을 기반으로 경제성과 운영 유연성을 모두 제공하는 계획 1-이 최종적으로 업그레이드 프로젝트의 구현 프로세스로 선택되었습니다.
2. 주요 엔지니어링 설계 포인트
2.1 생화학적 시스템 수정
MBBR 공정의 핵심 기술은 설계를 통해 부유 운반체의 효율적인 유동화 이동을 달성하여 시스템의 오염 물질에 대한 생분해 효율을 크게 향상시키는 데 있습니다. 이 프로세스 시스템은 높은-기계적-강도 생물막 운반체, 개조된 유압 탱크 구조, 방향성 폭기 시스템, 정밀 차단 스크린 장치, 유체 추진 장비 등 5가지 핵심 요소로 구성됩니다. 조정된 탱크 용량과 지역 하수 시스템 내 운영 중인 20,000m³/d 폐수 처리 장비(MBBR) 임대 프로젝트의 설계 매개변수를 기반으로 계산된 부유 운반선의 총 필요 유효 표면적은 약 2,164,000m²입니다. MBBR 캐리어의 설계된 유효 비표면적은 750m²/m² 이상입니다. 수정된 AAOAO-MBBR 탱크 용량에 대한 설계 계산표는 다음과 같습니다.표 3.
2.2 물리화학적 시스템 업그레이드
고효율{0}}침전조는 두 개의 병렬 그룹으로 작동하도록 설계되었습니다. 이 장치의 혁신은 전체 프로세스 기술 보증 및 성능 약속을 제공하는 장비 공급업체와 함께 프로세스 패키지 형식을 채택합니다.{2}} 핵심 공정 매개변수 및 장비 구성은 다음과 같습니다.
응고탱크는 총 4개의 구획으로 구성된 2개의 그룹으로 구성됩니다. 설계된 단일 구획 크기는 2.675m × 2.725m × 5.9m입니다. 최대 체류 시간은 약 3.8분이며 속도 구배(G)는 250s-1 이상입니다. 각 교반기는 4kW의 단일{10}}단위 전력으로 구성됩니다.
응집 탱크는 총 2개의 구획으로 구성된 두 그룹으로 구성됩니다. 설계된 단일 구획 크기는 5.65m × 5.65m × 5.9m입니다. 최대 체류 시간은 약 8.3분입니다. 드래프트 튜브의 내부 직경은 2,575mm입니다. 이는 각각 7.5kW의 출력을 갖는 Φ2,500mm 터빈-형 교반기로 구성됩니다.
침전조는 두 그룹으로 구성됩니다. 단일 그룹의 경사 튜브 면적은 약 84m²입니다. 침전조 직경은 11.7m이다. 기울어진 튜브 표면에 설계된 평균 수력학적 부하율은 12.4m²/(m²·h)이며, 최대값은 16.1m²/(m²·h)입니다. 퇴적지대에 대해 설계된 평균 수리부하율은 7.6m²/(m²·h)이며, 최고값은 9.9m²/(m²·h)입니다.
약품 투여 시스템은 다음과 같이 구성됩니다. 상업용 폴리염화알루미늄(PAC) 액체(10% Al2O₃)를 응고제로 설계하여 응고조 유입부 여러 지점에 투여합니다. 설계된 최대 투여량은 300mg/L이며, 평균 투여량은 150~200mg/L입니다. 10-배 온라인 희석 시스템으로 구성된 기계식 다이어프램 정량 펌프가 사용됩니다. 음이온성 폴리아크릴아미드(PAM)는 고효율 침전조의 응집 섹션에 투여되는 응집제로 설계되었습니다. 완전 자동 연속 PAM 용액 준비 및 투여 장치 세트가 사용되며 용액 농도는 2g/L입니다. 설계된 최대 투여량은 0.6mg/L이며, 평균 투여량은 0.3mg/L입니다. 도징 펌프는 스크류형 정량 펌프이며 10배 온라인 희석 시스템도 갖추고 있습니다.
2.3 파일럿-규모의 오존 산화 실험 검증
본 연구에서는 업그레이드된 시설의 방류수가 4등급 지표수 기준(COD 농도 30mg/L 이하)을 안정적으로 충족하는지 검증하기 위해 2024년 6월 연완허 수질정수장 1, 2단계 2차 방류수를 연구 대상으로 선정하고, '모래여과+오존산화' 고도처리 공정에 대한 성능 검증 실험을 수행했다. 실험의 목적은 Xin'an 프로젝트 설계에 대한 이 프로세스의 적용 가능성과 목표 달성 가능성을 평가하는 것이었습니다.
이 실험에서는 Lianwanhe 공장 내 기존 소규모{0}}모래 여과 장치(처리 용량 1.5m³/h)를 활용했습니다. 파일럿-규모의 오존 산화 반응 장치(타워 반응기, 유효 부피 0.5m³)가 현장에 설치되었습니다.- 기존 2차 침전조 유출수는 작은 모래여과기로 여과한 후 펌프로 들어올려 위에서부터 오존산화탑으로 유입됩니다. 오존의 산화 효과를 이용하여 유입수에서 난분해성 유기물을 제거함으로써 COD를 더욱 감소시켰습니다.
2.3.1 오존 주입량 20mg/L 및 HRT 30분에서 "모래 여과 + 오존 산화" 성능
이 연구 단계에서 유입되는 COD 농도는 38.2~43.4mg/L 범위였으며 평균은 40.4mg/L였습니다. "모래 여과 + 오존 산화" 공정으로 처리한 후 최종 배출수 COD는 평균 28.8mg/L였습니다. 실험 결과 COD 농도가 높을 때에도 배출수 COD가 기준을 충족하지 못하는 경우가 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한, 파일럿 테스트의 최종 유출수 색상은 유입수보다 높게 유지되어 배출 기준을 충족하지 못했습니다. 자세한 내용은 다음 항목에 나와 있습니다.그림 2(a).
2.3.2 오존 주입량 25mg/L 및 HRT 30분에서 "모래 여과 + 오존 산화" 성능
COD 제거를 더욱 개선하고 배출수 색을 줄이기 위해 이 단계에서는 HRT를 30분으로 유지하면서 오존 주입량을 계속 늘렸습니다. 이 실험 단계에서 유입수 COD 농도 범위는 36.3~46.2mg/L, 평균 40.4mg/L였습니다. 처리 후 COD 농도는 28mg/L로 감소했습니다. 파일럿 테스트의 최종 유출수 색상은 여전히 유입수보다 높게 유지되어 배출 기준을 충족하지 못했습니다. 자세한 내용은 다음 항목에 나와 있습니다.그림 2(b).
2.3.3 오존 주입량 30mg/L 및 HRT 30분에서 "모래 여과 + 오존 산화" 성능
오존 투여량 30mg/L, HRT 30분 조건에서 "모래 여과 + 오존 산화" 공정은 2차 유출수 COD에 대해 우수한 처리 효과를 나타냈습니다. 이 테스트 단계에서 유입수 COD 농도 범위는 38.2~42.2mg/L, 평균 40.2mg/L였습니다. 처리 후, 유출수 COD 농도는 30mg/L 미만, 평균 26mg/L로 안정적으로 유지되었습니다. 이 단계에서 프로세스는 우수한 색상 제거 효과도 입증했으며, 측정된 색상은 지속적으로 20 미만으로 방전 기준을 안정적으로 충족했습니다. 자세한 내용은 다음 항목에 나와 있습니다.그림 2(c).
2.3.4 실험적 결론
실험 결과에 따르면, 최적의 반응 조건에서 오존 처리 장치의 COD 제거(12.2mg/L)에 대한 오존 투여량(30mg/L)의 비율은 2.45:1.00이었습니다.
파일럿 실험에서는 "모래 여과 + 오존 산화" 고급 처리 공정이 Lianwanhe 공장의 대표적인 2차 배출수의 COD 값을 효과적으로 감소시킬 수 있음을 입증했습니다. 따라서 Xin'an Qianhe 프로젝트의 고급 처리 공정으로 "모래 여과 + 오존 산화" 공정을 채택하는 것은 타당성이 좋으며 프로젝트의 폐수 COD가 30mg/L 미만으로 안정적으로 유지되도록 보장할 수 있습니다.
3. 결론
이 연구는 세 가지 핵심 수정 모듈에 중점을 둡니다. 생화학적 처리 시스템은 AAOAO-MBBR 하이브리드(정지 및 부착 성장) 프로세스를 채택합니다. 물리화학적 처리 장치는 고효율 침전조를 위한 탱크 구조 및 장비 선택을 최적화합니다.- 고급 처리 링크는 파일럿- 규모의 오존 산화 실험을 통해 검증되었습니다.
이 프로세스 체인의 시너지적 최적화를 통해 "생화학적 강화 – 물리화학적 개선 – 고급 보호"의 전체{0}} 프로세스 처리 시스템이 구축됩니다. 동시에 이 엔지니어링 설계는 진행 중인 현재 프로젝트 건설의 객관적인 사실을 따르므로 기존 시설의 활용을 극대화하고 개조 작업량을 최소화하기 위해 모든 구조물에 대한 건설 순서의 조정된 최적화가 필요합니다.
이 프로젝트는 건설 중인 발전소의 배출수 품질 표준을 설계 유입수 품질의 기준으로 사용합니다. COD 배출농도Cr, BOD₅, NH₃-N 및 TP는 GB 3838-2002 "지표수 환경 품질 표준"에 명시된 클래스 IV 표준(TN 10/12 mg/L 이하)을 준수해야 합니다. 기타 지표는 GB 18918-2002 "시립 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준"의 A급 표준을 준수해야 합니다. 본 업그레이드 프로젝트의 설계 규모는 50,000m3/d, 총 투자액은 2750.7백만 위안, 운영 비용은 0.3위안/m3, 총 비용은 0.39위안/m3, 운영 용수 가격은 0.45위안/m3입니다.