탄광 국내 폐수 처리에 수정된 AAO 공정 적용
탄광의 생활폐수는 주로 직원식당, 기숙사, 사무실, 세탁실, 욕실 등에서 발생하며, 욕실 배수가 전체의 55% 이상을 차지합니다. 목욕수의 배출은 상대적으로 집중되어 있어 유량 변동이 심합니다. 낮은 유기 농도와 높은 부유 물질(SS)을 특징으로 하는 목욕 배수는 일반적인 가정 하수와 상당히 다릅니다. 다른 폐수 흐름과의 엇갈린 배출 패턴은 상당한 수질 변동에 기여합니다.
중국의 대부분의 탄광은 슬러지 운송 비용이 높은 외딴 지역에 위치하고 있습니다. 따라서 슬러지 생산량이 낮은 처리 공정을 선택해야 합니다. 광산이 개발되고 직원 수가 증가함에 따라 폐수 흐름이 원래 설계 용량을 초과하는 경우가 많으므로 동일한 공간 내에서 수질 및 수량 변화에 강력하게 적응할 수 있는 프로세스가 필요합니다. 처리된 폐수의 완전한 재사용을 요구하는 점점 더 엄격해지는 환경 정책에 따라 프로세스는 높고 안정적인 폐수 품질을 제공해야 합니다.
현재 AAO(혐기성-무산소-산소) 공정이 도시 폐수 처리에서 선호되는 선택입니다. 이 기사에서는 고유한 특성을 바탕으로 탄광 생활 폐수에 대한 수정된 AAO 프로세스(AAO + 부유 운반 프로세스)의 적용 효율성을 분석합니다.
1. 수정된 AAO 프로세스
AAO 공정은 질소와 인을 동시에 제거하기 위한 가장 간단한 흐름 구성입니다. 사상균은 혐기성, 무산소, 호기성 조건이 교대로 반복되는 조건에서 광범위하게 증식할 수 없어 슬러지 벌킹을 방지합니다. 화학물질을 첨가할 필요가 없으며 혐기성 및 무산소 탱크에서 약간만 혼합하면 운영 비용이 절감됩니다. 슬러지에는 인 함량이 높아 비료 가치가 높습니다.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%, 이 내부 재활용은 상당한 에너지를 소비합니다. 2차 정화기로 유입되는 유출수는 혐기성 조건과 인 방출을 방지하기 위해 특정 용존 산소(DO) 수준을 유지해야 하지만, 재활용된 혼합액을 통한 무산소 탱크의 탈질화를 방해하지 않도록 너무 높지 않아야 합니다.
수정된 AAO 프로세스(AAO + Suspended Carrier 프로세스)는 이러한 단점을 효과적으로 완화합니다. 이는 생물학적 탱크의 미생물 질량을 증가시키고, 부피 부하를 향상시키며, 수리학적 체류 시간(HRT)과 슬러지 체류 시간(SRT)의 완전한 분리를 달성하고, 수리학적 및 유기 충격 부하에 대한 탄력성을 강화하며, 저탄소 소스에서도 우수한 유출수 품질을 제공하고, 점점 더 안정적인 슬러지를 생성합니다(하류 슬러지 처리 용량 요구 사항 감소). 유출수는 석탄 세척을 위한 '도시 재활용수 재사용-도시 기타 물에 대한 수질 표준'(GB/T 18920-2020) 및 '석탄 준비 공학 설계 코드'(GB 50359-2016)의 수질 표준을 충족할 수 있습니다. Hou Feng et al. 지하 폐수 처리장에 AAO+ 정지 담체 공정을 적용하여 "시립 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준"(GB 18918-2002)에 따라 등급 1A 표준을 달성했으며, 주요 지표(COD, BOD5, NH3-N, TP)는 "지표수에 대한 환경 품질 표준"(GB 3838-2002)에 따라 클래스 IV 표준에 도달했습니다. Hao Ruiganget al. 탄광 가정폐수처리장 증설에 "A/O 생체 접촉 산화 + 천공 소용돌이 응집 + 경사관 침전 + 활성 모래 여과"를 사용하여 1A 등급보다 우수한 방류수 수질을 달성했습니다. Yan Ziyuet al. 또한 기존 탄광 가정 폐수 처리를 개조하기 위해 생물막 공정을 사용하여 좋은 결과를 얻었습니다. 수정된 AAO 프로세스를 사용하면 최소한의 수정만으로 기존 플랜트의 용량을 늘리고 배출수 품질을 개선할 수 있습니다.
이 공정에는 활성 슬러지 및 생물막 공정의 장점을 결합하여 무산소 및 호기성 탱크에 부유 운반체를 추가하는 작업이 포함됩니다. 이는 높은 부피 로딩, 큰 바이오매스, 높은 처리 효율성, 물과 물량화에 대한 강력한 적응성, 향상된 공정 안정성 및 우수한 영양소 제거 기능을 갖추고 있습니다. 이는 고도로 특화된 활성 생물막을 형성하여 반응기 부피당 효율성과 안정성을 높여 더 작은 반응기를 허용합니다. 박피 생물막 슬러지는 더 많은 원생동물/후생동물을 포함하고 밀도가 더 높으며 입자 크기가 더 크기 때문에 침전성이 좋고 고체{3}}액체가 쉽게 분리됩니다. 완전한 SRT-HRT 분리가 가능하고 슬러지 벌킹을 제거하며 수용성 유기물이 풍부한 폐수에 적합합니다.
2.1 사례 연구
Zichang 시에서 약 16km 떨어진 Yan'an 시의 한 탄광에는 설계 용량이 1200m³/d인 가정 폐수 처리 시설이 있습니다. 프로세스는 "스크린 + 균등화 탱크 + 부유 캐리어가 있는 AAO + 고급 처리(응고-침전-여과) + 소독"입니다. 슬러지는 "중력 농축 + 스크류 프레스 탈수"를 통해 처리됩니다. 폐수는 석탄 세척수에 대한 보다 엄격한 *GB/T 18920-2020* 및 GB 50359-2016 제한을 충족합니다. 처리된 물은 광산 녹지 및 석탄 준비 공장의 보충수로 재사용됩니다. 설계 유입수/유출수 품질은 다음과 같습니다.표 1. 프로세스 흐름은 다음과 같습니다.그림 1.
폐수는 스크린(5mm 간격, 설치 각도 75도)을 통해 균압 탱크(L×B×H=14.0m×6.0m×6.0m, 유효 깊이 2.95m, 부피 247.8m³, HRT 4.13h)로 통과하여 GB 50810-2012 요구 사항을 충족합니다. 두 개의 믹서가 침전을 방지합니다. 3개의 수중 펌프(2 듀티 +1 대기, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW)가 물을 생물학적 탱크로 들어 올립니다.
생물학적 시스템은 두 개의 병렬 열차로 구성됩니다. 열차당:
- 혐기성 탱크: L×B×H=2.0 m×5.0 m×5.0 m, 유효 수심 4.5 m, HRT 1.5 h.
- 무산소 탱크: L×B×H=4.0 m×5.0 m×5.0 m, 유효 수심 4.25 m, HRT 2.83 h.
- 에어로빅 탱크: L×B×H=15.0 m×5.0 m×5.0 m, 유효 수심 4.0 m, HRT 10.0 h.총 시스템 HRT는 15.75 h입니다. 호기조에는 현수 캐리어(충진율 80%, 비표면적 600m²/m3)가 설치됩니다. 설계 공기-대-물 비율은 13.7:1입니다. 3개의 루츠 송풍기(2 듀티 +1 대기, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa)가 사용됩니다. 슬러지 재활용률은 100%, 혼합주 재활용률은 200%입니다.
2개의 직사각형 주변-입구/출구 2차 정화기(각각 L×B×H=5.0 m×5.0 m×3.5 m)의 표면 부하율은 1.2 m³/(m²·h)이고 HRT는 2.5 h입니다.
통합형 정수기(응고, 침전, 여과 결합)는 추가 SS 및 인 제거를 위한 고급 처리 기능을 제공합니다.
슬러지 처리에는 중력 농축(Φ2.5m×5.0m 탄소강 탱크)과 스크류 프레스 탈수가 포함됩니다. 폴리아크릴아미드(PAM)는 탈수 전에 건조 고형물 톤당 3.0~5.0kg을 투입합니다. 일일 탈수 슬러지 케이크는 150kg 이하이고 수분 함량은 80% 이하이며 현장 외부로 운송됩니다-.
소독은 깨끗한 우물 입구에 투입되는 현장 ClO2 발생기(유효 염소 투여량 120g/h)를 사용합니다.{0}} 투명 우물의 유효 부피는 250m3이며 접촉 시간은 4.2시간입니다.
이 공장에는 광범위한 온라인 모니터링(유량계, 잔류 염소, pH, DO, COD, 탁도, 슬러지 수준/농도)과 펌프, 송풍기, 역세, 화학물질 투입 및 혼합을 위한 자동화 제어 시스템이 갖춰져 있어 지능형 무인 운영이 보장됩니다.
2.2 성능 분석
이 공장은 2021년 시운전을 완료해 2년 넘게 운영됐다. 실제 2024년 유입수/유출수 품질은 다음과 같습니다.표 2.
유입수 BOD5/N 비율은 5.5로 탄소-대-질소(C/N) 비율이 낮은 폐수를 나타내며, 강우 침투 및 습관 변화로 인해 여름철에 더욱 감소합니다. 옌안의 겨울 기온은 영하 21도에 이릅니다. 실제 배출수 품질은 설계보다 우수하며 제거율은 COD 97.8%, BOD5 99.7%, SS 99.7%, NH3-N 93.5%, TP 87.10%에 달하며, 연화 및 석탄 세척 표준을 충족합니다.
무산소/호기성 탱크의 활성 생물막 질량은 125g/m² 담체만큼 높으며 이는 기존 활성 슬러지의 4배인 MLSS 13g/L-에 해당합니다. 미생물은 내인성 호흡 단계에 있으므로 일일 슬러지 생산량이 기존 방법의 약 1/3에 달하며 침강성이 향상되어 더 작은 슬러지 처리 장비를 사용할 수 있습니다.
생체-접촉 산화는 슬러지 재활용 없이도 작동할 수 있지만 Xiong Ren 등의 연구는 다음과 같습니다. 재활용 시스템은 COD, TN, NH3-N, SS에 대한 더 높은 제거율을 달성하고 슬러지 수율을 29.6% 감소시키는 것으로 나타났습니다. 이 설계에는 폐수 품질에 따른 운영 유연성과 함께 혼합액 재활용이 포함되어 있습니다.
공장(1200m³/d)은 1350.3m²를 점유하고 자본 투자는 2천만 CNY, 운영 비용은 1.05 CNY/m3입니다.
효과적인 저온 작동을 위해 확장된 SRT가 필요한 기존 AAO와 비교하여{0}} 이 수정된 공정은 동시 영양분 제거의 단순성을 유지하면서 운반체로 생물학적 군집을 풍부하게 합니다. SRT-HRT 분리는 생체-안정성을 향상시켜 낮은 C/N 및 낮은{4}}온도 조건에서 안정적인 작동을 보장합니다. 슬러지 재활용이 거의 또는 전혀 없이 안정적인 유출수를 유지할 수 있어-현장 슬러지 감소와 슬러지 처리 비용 절감이 가능합니다. 단순성과 벌킹 부족으로 인해 탄광 국내 폐수 처리에 매우 적합합니다.
3. AAO 프로세스 최적화 연구
수정된 AAO 프로세스는 일반적으로 "실외 폐수 공학 설계 표준"(GB 50014-2021)의 매개변수에 따라 설계됩니다. 그러나 향후 설계 및 운영을 위한 최적의 조건을 식별하려면 탄광 폐수에 특정한 운영 매개변수(HRT, SRT, 폭기, 재활용 비율, MLSS)의 최적화가 필요합니다.
기존 AAO에서 슬러지는 호기조에서 혐기성 탱크로 재활용되어 질산염과 높은 DO를 운반하며 이는 생물학적 인 제거를 저해할 수 있습니다. 슬러지를 무산소 탱크로 재활용하고, 질화액을 무산소 탱크로 재활용하며, 바이오{1}}P 제거를 향상시키기 위해 무산소 탱크에서 혐기성 탱크로의 추가 재활용을 추가하는 케이프타운 대학(UCT) 공정을 고려할 수 있습니다.
슬러지 처리 비용은 공장 운영 비용의 50~60%를 차지할 수 있습니다. 현장-슬러지 감소 기술을 채택해야 합니다. 개조된 AAO 바이오{5}}탱크의 MLSS가 높으면 F/M 비율이 높아져 분리 대사가 발생하여 슬러지 감소를 촉진하고 슬러지 처리 비용을 낮출 수 있습니다. 향후 초점은 미세-분해를 통한 은밀한 성장, 산소-침강-혐기성(OSA) 공정, 탄광 폐수 처리 시 대사 분리와 같은 현장 감소 기술을 적용하는 데 맞춰야 합니다.
이 공정은 탄광의 기존 AAO 플랜트를 개조하는 데 적합합니다. 무산소/호기성 탱크에 담체를 추가하면 유출수 품질을 개선하고 용량을 늘리며 시스템 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 배출수 요건이 더 엄격한 공장의 경우 2차 정화기를 MBR 시스템으로 교체하면 수질을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
4. 결론
- 수정된 AAO 프로세스는 탄광의 기존 AAO 시스템을 업그레이드하여 안정성을 강화하고 용량을 늘리거나 보다 엄격한 표준을 충족하는 데 적합합니다.
- 탄광 생활 폐수를 처리할 때 배출수는 도로 급수/녹지에 대한 *GB/T 18920-2002* 표준과 석탄 세척수에 대한 GB 50359-2016 표준을 동시에 충족할 수 있어 수질 및 수량 변화에 대한 강력한 적응성을 보여줍니다.
- 침강성이 좋고 분리가 용이한 안정적인 슬러지를 생산하고, 슬러지 발생량이 적으며, 슬러지 처리 비용을 절감할 수 있는 공정입니다.