WWTP의 고급 질소 제거: 순수 생물막 MBBR 공정 설계 및 성능 분석|사례 연구

고급 질소 제거를 위한 순수 생물막 MBBR 공정의 엔지니어링 설계 및 성능

중국의 생태문명 건설이 종합적으로 발전함에 따라 폐수처리장(WWTP)의 배출 기준이 점점 더 엄격해지고 있습니다. '시립 폐수 처리장의 오염물질 배출 표준'(GB 18918-2002) A급 표준에서는 15mg/L 이하의 TN을 요구하는 반면, 베이징 및 산동과 같은 지역의 현지 표준은 명시적으로 10mg/L 이하의 TN 한계를 설정합니다. 이러한 강화된 기준은 수질 제한을 넘어 배출수 안정성에 대한 요구를 더욱 엄격하게 만듭니다. 결과적으로, 처리 공정의 질소 제거 능력을 향상시킬 필요성이 절실히 필요합니다. 한 가지 접근 방식은 탈질을 개선하기 위해 기존 공정에서 탄소원 투입량을 늘리는 것이지만, 이는 높은 운영 비용과 탄소 배출 증가로 이어집니다. 대안으로, 탈질 박테리아를 효율적으로 풍부하게 하기 위해 종종 생물막 방법을 사용하는 고급 질소 제거 시설을 추가하면 TN 제거를 향상시키고 외부 탄소원의 필요성을 줄이며 탄소 배출을 줄일 수 있습니다. 이동층 생물막 반응기(MBBR)는 강력한 기능성 박테리아 농축, 작은 설치 공간, 간단한 작동 및 유지 관리 등의 장점을 바탕으로 WWTP의 건설, 확장 및 업그레이드에 널리 적용되었습니다. 준등급 IV 지표수 품질보다 더 나은 배출 기준을 안정적으로 달성할 수 있으며 WWTP의 고급 질소 제거에 대한 상당한 잠재력과 이점을 보유하고 있습니다. 이 기사에서는 효율적인 폐수 탈질소화를 위한 기술적 참고 자료를 제공하는 것을 목표로 고급 질소 제거를 위한 순수 생물막 MBBR 공정을 적용하는 설계 이론적 근거와 운영 성능을 분석하기 위한 사례 연구로 산동의 WWTP를 사용합니다.

1. 프로젝트 개요

1.1 프로젝트 소개

산동의 WWTP는 두 단계로 건설되었습니다. BIOLAK 공정을 활용하는 첫 번째 단계는 2003년 11월 공식적으로 40,000m³/d의 처리 용량으로 시운전되었습니다. BIOLAK 프로세스의 레이아웃과 업그레이드 가능한 영역은 다음과 같습니다.그림 1. 처음에는 유출수 품질이 GB 18918-2002의 B 등급 표준을 충족했습니다. 2020년까지 탄소원 주입 강화와 고급 처리 추가를 통해 배출수 품질이 A등급 표준으로 향상되었습니다. 운영 3년 후인 2023년까지 전체 배출수 품질은 일반적으로 A등급 표준을 충족할 수 있지만 질소 제거와 관련하여 두 가지 주요 과제에 직면했습니다.

높은 탄소원 복용량: 15 mg/L 이하의 TN 목표를 달성하려면 상당한 양의 외부 탄소원이 필요했습니다. 프로세스 섹션을 기반으로 한 계산에서는 C/N 비율이 5.9로 높게 나타났으나, 플랜트 두 번째 단계의 AAO 프로세스에서는 안정적인 TN 준수를 보장하기 위해 4.5~5.0의 C/N만 필요했습니다. 대규모 탄소원 추가는 또한 호기성 질산화 과정에 부정적인 영향을 미쳐 호기성 구역의 산소 요구량을 증가시킵니다.

질소 제거 안정성이 좋지 않음: 동일한 탱크 내에서 서로 다른 요구조건으로 질산화와 탈질화가 이루어지기 때문에 유입수 변화에 따른 운전변수의 빈번한 조정이 필요했습니다. NH₃-N과 TN을 조절하는 것은 모순적이어서 질산화와 탈질화 사이의 안정적인 균형을 유지하기 어려웠습니다. 시스템의 충격 부하 저항은 평균 수준이어서 유출 안정성이 좋지 않았습니다.

따라서 질산화와 탈질화 사이의 충돌을 해결하고, 질소 제거 운영 비용을 줄이고, 배출수 안정성을 향상시키는 핵심 목표를 가지고 원래 BIOLAK 공정의 업그레이드가 필요했습니다.

1.2 업그레이드 과제

BIOLAK 공정은 성능 향상을 위한 탱크 내부 개조에 적합하지 않았기 때문에 새로운 첨단 질소 제거 장치를 구축하여 처리를 강화할 계획이었습니다. 원래 BIOLAK 공정은 주로 질산화에 초점을 맞추고 탈질화를 2차로 진행한 반면, 새로운 공정은 탈질화에 초점을 맞췄습니다. 실제 개조 요구 사항을 고려할 때 이 프로젝트는 새로운 프로세스에 사용할 수 있는 토지가 제한되어 있고 운영 효율성이 높아야 한다는 두 가지 주요 과제에 직면했습니다.

새로운 공정을 위한 제한된 가용 토지: 신규 건설은 본질적으로 유보지가 없는 기존 공장 부지 내에서 완료되어야 했습니다. 건설은 BIOLAK 탱크에 인접한 그린벨트에서만 가능했으며 가용 면적은 400m²입니다. 이는 새 프로젝트의 물 처리 단위당 설치 면적이 0.01m²/(m³·d) 이하여야 함을 의미합니다.

높은 운영 효율성 요구 사항: 이는 단순한 업그레이드가 아닌 생화학적 기능영역을 더욱 최적화한 것입니다. 새로운 장치는 20mg/L의 질소 제거 부하를 처리할 것으로 예상되었습니다. 이 공정은 제한된 토지에서 완료되어야 할 뿐만 아니라 안정적인 탈질 성능을 보장하면서 원래 BIOLAK 탈질에 비해 탄소원 투입량을 줄여야 했습니다. 따라서 질소 제거 효율과 탄소원 활용 효율 모두에 대한 요구가 높았습니다.

2. 공정 비교 및 ​​선택

BIOLAK 공정으로 처리한 후 배출수 TN은 주로 질산성 질소로 구성됩니다. 현재 성숙한 고급 질소 제거 공정은 주로 미생물이 부착된 상태에서 담체 표면에 효율적으로 농축되는 생물막 방법을 활용하여 기존 활성 슬러지 공정보다 훨씬 더 높은 기능성 박테리아 농축 효율을 제공합니다. 생물막 공정은 다음과 같이 운반체 유동화에 따라 고정-층과 이동-층 유형으로 더 나눌 수 있습니다.그림 2.일반적인 고정층 생물막 공정인 탈질 필터는 고정형 입상 필터 매체를 미생물 성장 매개체로 사용합니다. 외부 탄소원을 추가함으로써 생물막의 탈질화와 배지 여과를 활용하여 NO₃를 동시에 제거합니다.^--N, SS 및 기타 오염물질. 장점으로는 처리된 수질이 안정적이고 2차 정화기가 필요 없으며 레이아웃이 컴팩트하므로 2차 폐수에서 TN 제거를 강화하기 위한 고급 처리 장치로 WWTP 업그레이드에 널리 사용됩니다. 그러나 운영상의 초점은 C/N이 고급 탈질 효율에 미치는 영향에 맞춰져야 합니다. 역시 40,000m³/d 용량을 갖춘 Pingtang WWTP 1단계 업그레이드 프로젝트는 탈질 필터 + 고{7}}효율 용존 공기 부유선광(DAF)을 고급 처리 공정으로 사용하여 배출수 TN을 준-클래스 IV 지표수 기준으로 높여 약 0.045m²/(m³·d)의 설치 공간을 달성하고 토지를 절약하고 효율적인 처리를 가능하게 하지만 C/N은 높습니다. 18.34. 폐수 TN에 대한 새로운 지역 기준을 충족하기 위해 청두 No{11}} 물 재생 공장은 업그레이드 프로세스로 고밀도 침전조와 탈질 심층층 필터를 채택했으며 C/N은 5.7로 높은 기준에 따른 고급 처리를 달성했습니다. Haining의 Dingqiao WWTP는 Qiantang 강 유역에 요구되는 A등급 배출 표준을 충족하지 못했습니다. Gao Feiyaet al. 고급 TN 처리를 위해 탈질 심층-층 필터를 사용하여 SS와 TP를 동시에 제거하여 배출수 품질을 준-클래스 IV 표준에 가깝게 만들었지만 C/N이 15.68로 높아 질소 제거 비용이 높습니다. 또한 필터 공정에는 일반적으로 공기-수세정을 사용하는 정기적인 역세척이 필요하며 이는 운영 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

탈질 필터의 불안정성으로 인해 황-기반 독립 영양 탈질(SAD)을 탈질 필터에 적용하는 연구가 주목받고 있습니다. SAD는 NO₃를 줄이기 위해 혐기성 또는 무산소 조건에서 전자 공여체로 원소 황 또는 황 화합물을 활용합니다.^--N에서 N²로. 탈질 효율이 좋고, 유기 탄소원이 필요 없으며, 운영 비용이 낮고, 슬러지 발생량이 적은 등의 장점을 제공합니다. Song Qingyuanet al. 는 2차 유출수에 대한 SAD 필터의 질소 제거 효과를 연구했습니다. 파일럿 조건을 최적화한 후 질산염 제거는 95% 이상 안정적으로 유지되었지만 배출 황산염 농도가 증가하고 pH가 감소하면서 배지 소비율이 연간 20%에 도달했습니다. SAD로 인한 2차 오염 위험을 피하기 위해 Li Tianxin et al. 황과 석회석 분말의 혼합물을 펠렛화하여 준비된 매체. 여과층에 일정 비율의 석회석을 추가하면 생성된 산성도를 중화하고 CaSO₄ 침전물이 생성되어 유출 황산염 농도를 낮추고 산 생성 및 높은 황산염 수준 문제를 효과적으로 해결합니다. 그러나 석회석이 차지하는 공간은 시스템 내의 전자 공여체 매체를 의미하며, 고급 탈질 능력을 약화시키고, 유출수 경도를 높이며, 운영 비용을 증가시킵니다. SAD 기술에 대한 현재 연구는 주로 실험실 및 파일럿 규모로 진행되며 참조할 수 있는 엔지니어링 경험이 부족합니다. 산업 규모로 진흥하기 전에 추가 응용 연구가 필요합니다.-

MBBR은 유동층 생물막 공정의 대표적인 대표 기술이자 최근 몇 년간 큰 주목을 받고 있는 새로운 폐수 처리 기술입니다. 물에 가까운 밀도의 부유 담체를 사용하여 미생물을 구체적으로 풍부하게 하고 생물막을 형성하여 고급 질소 제거를 달성합니다. 유동층 생물막 공정은 또한 매체 막힘 및 역세 문제를 방지합니다. 현재 고급 WWTP 탈질소화를 위한 순수 생물막 MBBR은 해외에서 20년 이상의 성공적인 운영 경험을 갖고 있으며 중국에서는 점점 더 광범위하게 적용되고 있습니다. Zheng Zhijiaet al. 고급 탈질화를 위해 2-단계 순수 생물막 MBBR 공정을 사용했습니다. C/N=4.0에서 시스템의 배출 질산염 질소는 (1.87 ± 1.07) mg/L로 안정화되었으며 평균 TN 제거율은 93.3%였습니다. 특정 도시의 개발 구역 WWTP에서는 탈질 강화를 위한 3차 첨단 처리 장치로 새로운 MBBR 바이오탱크를 건설했습니다. 순수 생물막 MBBR 무산소 구간의 TN 제거 부하량은 1.1g/(m²·d)로 시스템 탈질 신뢰성을 향상시켰다. Gao Yanbo 등은 원래 공장의 용량을 늘리려는 목표로 새로운 2단계 AO 순수 생물막 MBBR 바이오{21}}탱크를 건설하여 높은 탈질 효율과 함께 5mg/L 미만의 안정적인 배출수 TN을 달성했습니다. 따라서 순수 생물막 MBBR 공정은 높은 탄소원 활용 효율성, 높은 처리 부하 및 작은 설치 공간과 같은 장점을 결합하여 WWTP에서 고급 질소 제거에 대한 큰 잠재력을 보여줍니다. 그러나 장비에 대한 요구도 높아져 안정적인 공정 운영을 지원하려면 신뢰할 수 있는 장비가 필요합니다. 일반적인 고급 질소 제거 공정의 비교는 다음과 같습니다.표 1.

포괄적인 비교에 따르면, SAD 공정은 탄소원 추가가 필요하지 않지만 현재 적용은 아직 성숙하지 않았고 2차 오염 위험이 있으므로 이번 업그레이드는 고려되지 않았습니다. 탈질 필터가 널리 사용되기는 하지만 설계 유입/유출 TN이 종종 15/12 mg/L인 경우 상대적으로 작은 TN 제거 부하를 처리하는 WWTP 업그레이드에 주로 사용됩니다. 이 프로젝트는 장기적으로 높은 TN 제거 요구 사항을 충족해야 했기 때문에 작동 시 필터의 역세 주기가 크게 단축되어 작동 난이도와 불안정성이 증가했습니다. 순수한 생물막 MBBR 공정은 높은 탄소 활용 효율성, 역세 필요 없음, 성숙한 적용 및 2차 오염 없음과 같은 장점을 결합합니다. 공정 과제와 혁신 요구 사항을 고려하여 프로젝트는 궁극적으로 C/N=4.5으로 설계된 첫 번째 단계의 고급 질소 제거 솔루션으로 새로운 순수 생물막 MBBR 바이오-바이오 탱크(이하 MBBR 탱크라고 함)의 건설을 선택했으며 계획된 투자 회수 기간은 7.37년입니다.

3. 신축계획

3.1 프로세스 흐름

개조 후 폐수 처리 공정 흐름은 그림에 나와 있습니다.그림 3. 식물의 유입수는 유기물, 암모니아 질소 등의 제거를 위해 BIOLAK 바이오{1}}탱크에 들어가기 전에 미세한 스크린, 와류 침사지 및 1차 침전조를 통과합니다. 그런 다음 고급 TN 제거를 위해 펌프를 통해 MBBR 탱크로 들어갑니다. MBBR 탱크는 유입수 TN 35mg/L 및 유출수 TN 15mg/L 이하를 위해 설계되었습니다. MBBR 유출수는 2차 펌프를 통해 고형-액체 분리 및 슬러지 낭비를 위한 공장의 기존 고급 처리 시설로 이송됩니다. 최종 유출수는 유입 강으로 배출되기 전에 소독됩니다. 잉여 슬러지는 걸쭉해지고 탈수된 후 폐기를 위해 현장 외부로 운반됩니다.{10}}

3.2 새로운 MBBR 탱크

MBBR 탱크는 모듈식 조립을 위해 Lipp 탱크를 사용하여 제작된 AO 프로세스를 사용하며 30일 만에 완료됩니다. 전체 시스템 유압 유지 시간(HRT)은 1.43시간입니다. SPR-III 유형 특수 호기성 및 무산소 부유 운반체가 탱크 내부에 추가되며, 호기성 구역에서는 충전율이 60%, 무산소 구역에서는 55%입니다. 캐리어는 직경 25mm, 높이 10mm의 편원형 원통형이며 유효 비표면적이 800m²/m² 이상입니다. 무산소 구역에는 각각 N=5.5 kW의 MBBR-전용 가변-주파수 믹서(SPR 화학 전력 유형) 4개가 장착되어 있어 캐리어에 균일하고 충분한 유동화를 제공합니다. 생물막 성숙 후, 2개의 믹서가 일상적으로 작동되고 나머지 2개는 상시 대기 상태로 작동됩니다. 호기성 구역에서는 폭기를 위해 스크류 블로어를 사용합니다. 단일 송풍기의 공기 용량은 14.50m³/min, 압력 90kPa, N=22kW입니다. 호기존 전용 유공관 디퓨져(SPR형) 1세트가 설치되어 있습니다. 필요한 통기량이 낮기 때문에 일반적으로 기존의 1단계 송풍기를 활용할 수 있으며, 새로운 송풍기와 1단계 송풍기는 상호 백업 역할을 합니다. 두께 12mm, 설계 수명 30년의 신물질 차단 스크린(SPR 유형)이 호기성 구역과 무산소 구역 모두에 설치됩니다.

3.3 새로운 지원 시설

• 유입수 시스템: BIOLAK 바이오{0}}탱크의 폐수는 MBBR 탱크로 들어 올려집니다.. 4 흡입 펌프가 설치되어 있습니다(2 듀티, 2 대기). 각각 Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW입니다.
• 탄소원 투여 시스템: Phase I BIOLAK 바이오{0}}탱크의 유출수에는 활용이 어려운 COD만 포함되어 있습니다. MBBR 탱크의 무산소 구역에서 고급 탈질을 보장하기 위해 외부 탄소원으로 아세트산나트륨이 사용됩니다.. 4 정량 펌프가 설치되어 있으며(2 듀티, 2 대기) 각각 Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW입니다.