도시 폐수 처리장 업그레이드 및 재건축을 위한 MBBR+ACCA 프로세스 사례 연구
중국의 경제 호황을 배경으로 산업화와 도시화 속도가 눈에 띄게 가속화되었습니다. 이러한 과정에는 필연적으로 산업 폐수 및 생활 오수의 배출량이-연도 대비-증가하여 수질 오염 문제가 악화되고 중국의 지속 가능한 생태 문명 건설에 영향을 미치게 됩니다. 수질 오염 예방 및 통제 실행 계획의 포괄적인 시행으로 전국의 도시 폐수 처리장에 더 엄격한 배출 요건이 부과되었습니다. 일부 도시의 지역 기준은 준-클래스 IV 수질에 도달했으며, 민감한 수역으로 배출되는 폐수의 경우 특정 개별 지표가 지표수에 대한 클래스 III 표준에 점차 접근하고 있습니다. 그러나 생물학적 처리 후 도시 폐수에 잔류하는 오염물질은 주로 생분해성이 낮은 비-생분해성 유기 화합물입니다. 전통적인 생물학적 강화 기술에만 의존하는 것은 점점 더 엄격해지는 배출 기준을 충족시키기에 충분하지 않습니다.
활성코크스는 물 속의 거대분자 오염물질을 흡착할 수 있는 고도로 발달된 메조다공성 시스템을 보유하고 있습니다. 기계적 강도가 높고 안정성이 높으며 흡착 성능이 좋고 가격이 상대적으로 경제적이기 때문에 생분해가 어려운 산업폐수 처리에 널리 적용되어 왔습니다. 최근 몇 년 동안 활성 코크스를 매체로 사용하는 여과 기술은 도시 폐수 처리장의 고급 처리에 특정 응용 분야를 발견하여 궁극적으로 오염 물질을 제거하는 데 좋은 결과를 얻었습니다. 허난성 폐수 처리장의 업그레이드 프로젝트의 엔지니어링 사례를 결합하여 저자는 도시 폐수 처리를 업그레이드하기 위해 MBBR+ACCA(활성 코크스 순환 흡착) 공정을 채택했습니다. 폐수 COD, NH₃-N 및 TP 지표는 GB 3838-2002 Class III 수질 기준을 충족하여 다른 폐수 처리장의 프로젝트 업그레이드에 대한 참고 자료를 제공합니다.
1. 폐수처리장의 기본현황
이 폐수 처리장의 총 설계 용량은 50,000m3/d이며, 1단계 설계 용량은 18,000m3/d이고 2단계 설계 용량은 32,000m3/d입니다. 주로 도시 생활 하수와 소량의 산업 폐수를 처리합니다. 2012년에 업그레이드가 완료되어 폐수는 도시 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준 GB 18918-2002의 1A등급 표준을 충족했습니다. 주요 공정은 다단계 AO + 탈질 필터 + 고밀도 침전조입니다. 프로세스 흐름은 다음과 같습니다.그림 1.
현재 폐수처리장은 거의 풀가동 중이다. 현재 운영 데이터에 따르면, 적절한 공장 유지 관리 하에 배출수 품질은 GB 18918-2002 Grade 1A 표준으로 안정적으로 유지될 수 있습니다. COD, BOD₅, NH₃-N, TN 및 TP의 배출 농도 범위는 각각 21.77~42.34mg/L, 1.82~4.15mg/L, 0.13~1.67mg/L, 8.86~15.74mg/L, 0.19~0.42mg/L입니다.
업그레이드 이전에 공장은 다음과 같은 문제에 직면했습니다. 1) 전처리 구역의 노후화 및 손상된 스크린으로 인해 일부 부유 잔해물이 생물학적 탱크로 유입되어 펌프가 쉽게 막히고 후속 처리에 영향을 미쳤습니다. 2) 낮은 겨울 기온과 수질 및 양의 상당한 변동 동안 불안정한 TN 제거; 3) 1단계 생물학적 탱크의 탱크 용량이 부족하고 불합리한 무산소 구역 분할로 인해 TN 제거 효율이 떨어지고 후속 탄소원 추가를 위한 높은 화학물질 투여량이 발생합니다. 4) 원래의 폭기 시스템은 에너지 소비가 높은 구식의 전통적인 원심 송풍기를 사용했습니다. 5) 탈질여과지 여과재의 막힘이 심하고 역세정이 불완전하여 안정적인 운전이 어렵다. 6) 고밀도 침전조의 혼합 및 교반 장치의 빈번한 고장- 7) 기존 슬러지 탈수용 벨트 필터 프레스 2대의 빈번한 고장, 탈수된 슬러지의 수분 함량이 높고, 슬러지 양이 많고, 슬러지 처리 비용이 높습니다. 8) 전처리 및 슬러지 처리 시스템의 악취 제어 시설이 부족합니다. 9) 데이터 저장 용량이 제한되어 있고 대부분의 원격 작동 기능이 손실된 노후화된 중앙 제어 시스템.
2. 수질 설계
수년간의 발전소 운영 수질 데이터를 90% 신뢰 수준과 일정 마진을 포함하여 고려하여 설계 유입수 수질을 결정했습니다. 수용 수역의 환경 품질 요구 사항에 따라 업그레이드된 배출수 COD, BOD₅, NH₃-N 및 TP는 GB 3838-2002 클래스 III 수질 표준을 충족해야 하며, TN 및 SS는 원래 표준을 준수해야 합니다. 설계 유입수 및 유출수 품질은 다음과 같습니다.표 1.
3. 개념 및 프로세스 흐름 업그레이드
3.1 개념 업그레이드
설계 배출수 품질에 따라 이번 업그레이드는 COD, BOD₅, NH₃-N 및 TP에 대한 더 높은 요구 사항을 설정합니다. 공장의 현재 공정, 수질 특성 및 기존 문제를 고려하여 안정적인 TN 제거를 보장하는 동시에 COD, NH₃-N 및 TP의 제거를 강화하는 데 중점을 두고 있습니다. 또한, 기존 공장 내 제한된 가용 공간으로 인해 COD, NH₃-N, TN 및 TP의 효과적인 제거를 목표로 장비 갱신, 공정 강화 및 개조를 통해 기존 구조의 잠재력을 최대한 활용해야 합니다. 따라서 원래의 다단계 AO 탱크를 활용하고 부유 캐리어를 추가하여 하이브리드 생물막-활성 슬러지 MBBR 공정을 형성하면 처리 안정성과 충격 부하 저항을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 담체에 있는 생물막의 긴 슬러지 수명은 질화제 성장과 높은 질화제 농도 유지에 적합하여 시스템 질화 능력을 크게 향상시킵니다. 담체 내부의 조밀한 생물막은 긴 슬러지 수명을 가지며, 상당한 양의 질산화 및 탈질화 박테리아를 수용하여 동시 질산화{10}}탈질화(SND)를 가능하게 하여 TN 제거를 강화합니다. 따라서 MBBR 프로세스는-이 공장의 업그레이드에 매우 적합합니다.
유사한 업그레이드 프로젝트 경험을 바탕으로 COD 및 TP에 대한 안정적인 규정 준수를 보장하려면 MBBR과 결합된 기존 프로세스 외에 추가 보호 처리 시설이 여전히 필요합니다. 활성코크스는 다공성 물질로서 활성탄에 비해 훨씬 뛰어난 흡착 성능을 발휘하여 COD, SS, TP, 색상 등을 효과적으로 제거합니다. 또한, 생물학적 활성 코크스는 부착된 미생물을 활용하여 유기물을 분해하여 오염물질을 흡착하면서 흡착 부위의 재생이 가능합니다. 이 동적 평형 메커니즘을 통해 지속적이고 안정적인 시스템 작동이 가능합니다. ACCA(활성 코크스 순환 흡착) 공정은 활성 코크스를 매체로 사용하여 여과와 흡착을 통합합니다. 압축 공기를 사용하여 필터 매체를 들어 올리고 청소합니다. 역-흐름 구역화 및 균일 흐름 설계를 통해 활성 코크스와 폐수 사이의 완전한 접촉을 보장하여 궁극적인 수질 개선을 달성하고 안정적인 유출수 규정 준수를 보장합니다.
공장의 노후화되고 결함이 있는 장비의 경우 기술적으로 진보된 에너지{0}}효율적인 장비로 교체하여 운영 비용을 절감할 것입니다. 특히, 전처리 스크린은 머리카락과 섬유질을 차단하기 위해 내부 공급되는 미세 스크린으로 교체되어 MBBR 캐리어 보유 스크린이 막히는 것을 방지합니다.
3.2 프로세스 흐름
업그레이드된 프로세스 흐름은 다음과 같습니다.그림 2. 헤드 요구 사항을 충족하기 위해 새로운 리프트 펌프 스테이션이 추가되었습니다. 새로 구성된 V-형 필터는 후속 활성화 코크스 흡착을 위한 전처리 장치 역할을 하여 ACCA 시스템 안정성을 보장합니다. 원수는 스크린과 그릿 챔버를 통과하여 부유물, 머리카락, 미립자를 제거한 후 하이브리드 MBBR 생물학적 탱크로 들어가 질소 제거를 강화합니다. 그런 다음 혼합액은 고형분 분리를 위해 2차 정화기로 들어갑니다. 상청액은 새 펌프장을 통해 탈질 필터와 고밀도 침전조로 들어 올려집니다. 그런 다음 폐수는 새 펌프장을 통해 V-형 필터와 고급 처리를 위한 2-단계 활성화 코크스 흡착 탱크로 들어 올려 COD, TP, SS, 색상 등을 추가로 제거합니다. 최종 폐수는 배출 전에 소독됩니다.
4. 주요 처리단위의 설계변수
4.1 생물학적 탱크
기존의 1단계 생물탱크는 상대적으로 탱크 용량이 작지만 구조가 견고한 두 그룹으로 나누어집니다. 따라서 이번 업그레이드를 위해 헤드 요구 사항을 충족하면서 탱크 벽을 0.5m 높였습니다. 개조 후 총 유효 부피는 10,800m3이며 총 HRT는 14.4시간, 무산소 구역 HRT는 6.4시간으로 무산소 체류 시간을 늘려 TN 제거를 개선합니다. 기존의 2단계 생물학적 탱크는 유효 부피가 19,600m3, 총 HRT가 14.7시간, 무산소 구역 HRT가 6.8시간입니다. 이 프로젝트에는 1단계 및 2단계 생물학 탱크의 폭기 시스템과 일부 노후된 수중 혼합기를 교체하고 부유 운반체와 보유 스크린을 추가하는 작업이 포함되었습니다. 캐리어는 폴리우레탄 또는 기타 고성능 복합 재료로 만들어지며 입방 사양은 24mm, 비표면적은 4,000m²/m3, 충전율은 20%입니다. 생물학적 처리 시스템의 AOR은 853.92kg O2/h이고 공기 공급 속도는 310.36Nm³/min입니다.
4.2 리프트 펌프장 및 폐수 탱크
추가 처리를 위해 고밀도 침전조에서 배출수를 V-형 필터로 펌핑하기 위해 새로운 리프트 펌프 스테이션이 건설되었습니다. 폐수 탱크는 필터에서 나온 역세 폐수를 저장합니다. 충격 부하를 방지하기 위해 역세 폐수를 2단계 생물학적 탱크로 고르게 펌핑하는 데 소형 펌프가 사용됩니다. 가변 주파수 구동(VFD) 제어 기능을 갖춘 3개의 보조 리프트 펌프(2 듀티 + 1 대기, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 kW)가 설치되었습니다. 역세 폐수조에는 이송펌프 2대(1대+ 1대기, Q=140 m3/h, H=7m, N=5.5 kW)와 침강방지용 수중믹서(N=2.2 kW) 1대가 장착되어 있습니다.
4.3 V-유형 필터
새로운 V-형 필터는 36.9m(L) × 29.7m(W) × 8.0m(H)의 구조 치수로 구성되었습니다. 균질한 석영모래 필터 매체를 사용합니다. 필터는 2열로 배열된 6개의 셀로 나누어집니다. 각 셀의 출구 파이프에는 일정한 수위 작동을 제어하는 전기 조절 밸브가 있습니다. 역세 과정은 PLC를 통해 조절될 수 있습니다. 설계 여과율은 7.0m/h, 강제 여과율은 8.4m/h, 단일{12}}여과 면적은 49.4m²입니다. 역세수 강도는 11m3/(m²·h), 역세 공기 강도는 55m3/(m²·h), 표면 청소 강도는 7m3/(m²·h)입니다. 역세 시간은 10분입니다. 역세 주기는 24시간(조정 가능)이며 한 번에 하나의 셀을 세척합니다. 석영사 매체 크기는 1-1.6mm이고 k₈₀ < 1.3입니다. Cast- 단일체 필터 플레이트가 사용됩니다.
4.4 활성코크스 흡착탱크
새로운 활성코크스 흡착조는 49.5m(L)×30.15m(W)×11.0m(H)의 구조적 치수로 건설되었다. 이는 총 36개 셀(단계당 18개 셀)이 있는 2{4}}단계 여과 구성을 사용합니다. 최대 여과율은 6.02m³/(m²·h)이며, 평균 여과율은 4.63m³/(m²·h)입니다. 1단계-단일-셀 크기는 L×W×H=5.0 m × 5.0 m × 11.0 m이며, 빈 베드 접촉 시간(EBCT)은 1.4시간입니다. 2단계-단일-셀 크기는 L×W×H=5.0 m × 5.0 m × 9.5 m이고 EBCT는 1.08 h입니다. 이 시스템은 입자 크기가 2~8mm인 활성 코크스 2,000톤을 사용하며 이동식 코크스 세척기, 물 분배기, 입구/출구 웨어 등을 갖추고 있습니다.
4.5 활성 코크스 빌딩
활성코크스를 저장하고 흡착조에 공급하기 위해 새로운 활성코크스 건물을 건설했습니다. 구조적 치수는 33.5m(L) × 13.0m(W) × 6.5m(H)입니다. 주요 보조 장비에는 활성화된 코크스 탈수 진동 스크린 1개, 코크스 공급 펌프 3개(2 듀티 + 1 대기, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 여과액 배출 펌프 2개(1 듀티 + 1 대기, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 공기 압축기 2개(1 듀티 + 1 대기, Q=7.1 m³/min, N=37 kW) 및 공기 저장 탱크(V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 플레이트-및-프레임 탈수실
기존 슬러지 탈수실 옆에 새로운 플레이트-및-프레임 탈수실이 건설되었습니다. 공간의 제약으로 인해 플레이트-및-프레임 필터 프레스(필터 면적 300m²) 한 세트가 벨트 필터 프레스에 대한 백업 역할을 하도록 구성되었습니다. 보조 시설에는 하나의 컨디셔닝 탱크(유효 부피 80m3)가 포함됩니다. 슬러지 양은 6,150kg DS/d이며, 농축된 공급 슬러지 수분 함량은 97%, 탈수 케이크 수분 함량은 60%입니다. 주요 보조 장비에는 다음이 포함됩니다: 2개의 공급 펌프(1개의 듀티 + 1 대기, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2개의 프레스 워터 펌프(1개의 듀티 + 1 대기, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1개의 세척 펌프(Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 정량 펌프 2개(1 듀티 + 1 대기, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 공기 압축기 1개(Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 공기 탱크 탱크 1 세트(V=5 m³, P=1.0 MPa) 및 PAM 준비 장치 1세트(Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 냄새 제어 시스템
설계 공기 유량이 12,000m³/h인 새로운 생물여과 악취 제어 시스템이 추가되었습니다. 유리 강화 플라스틱(GRP) 파이프는 전처리 및 슬러지 처리 시스템에서 발생하는 악취를 수집하고 처리하는 데 사용됩니다. 스테인레스 스틸 프레임과 PC 내구성 보드는 전처리 장비를 밀봉하는 데 사용됩니다.
4.8 기타 시설 업데이트
- 스크류 컨베이어와 세척수 탱크, V=10 m³ 및 2개의 세척수 펌프(1 듀티 + 1 대기, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW)를 갖춘 5mm 구경의 내부 공급형 미세 스크린 2개로 교체되었습니다.
- 더욱 효율적인 에어 서스펜션 블로워 4개로 교체, VFD 제어(3 듀티 + 1 대기, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- 기존 탈질여과기의 여과재를 1,800m3의 세라믹 여과재(입자크기 3~5mm)로 교체하였습니다.
- 고밀도 침전조(속도 60-80rpm, N=5.5kW)의 혼합 교반기 2개(속도 60-80rpm, N=5.5kW), 응집 교반기 4개(속도 10-20rpm, N{6}}kW) 및 튜브 침전기(260m²)를 교체했습니다.
- 벨트 필터 프레스를 2m 폭의 벨트와 그에 맞는 공기 압축기 1세트로 교체했습니다.
- 원래의 중앙 제어실, 업데이트된 장비, 계측기, 확립된 중앙 제어를 활용하여 중앙 제어실과 변전소 간의 데이터 통신을 달성하고 생산 공정 제어의 자동화를 달성하기 위한 공장{0}}전체 데이터 통신 시스템을 구축했습니다.
5. 운영 성과 및 기술-경제 지표
5.1 운영 성과
이번 업그레이드 프로젝트 완료 후 모든 처리 장치가 안정적으로 운영되고 있습니다. 2023년 유입수 및 방류수 수질 모니터링 데이터는 다음과 같습니다.표 2.
표시된 바와 같이 COD, NH₃-N, TN, TP 및 SS의 평균 배출 농도는 11.2, 0.18, 8.47, 0.15 및 2.63 mg/L였으며 평균 제거율은 각각 95.16%, 99.45%, 77.31%, 94.75% 및 97.38%였습니다. 유출수 COD, NH₃-N 및 TP는 GB 3838-2002 클래스 III 수질 기준을 일관되게 충족했습니다.
업그레이드된 프로젝트는 거의 2년 동안 운영되어 왔습니다. 결과에 따르면 MBBR+ACCA 공정은 안정적이고 효율적이며 고품질-폐수를 생성하여 충격 부하 및 저온-온도 조건에 대한 강한 저항성을 보여줍니다. 겨울철 최저 수온이 9.4도에 달하고 수질 변동이 심한 상황에서도 방류수 수질은 안정적으로 유지돼 방류기준을 충족했다. 업그레이드 전후에 탄소원 투입량은 증가하지 않았지만 TN 제거는 크게 향상되었습니다. 이는 한편으로는 MBBR 담체에 부착된 질산화 미생물이 안정된 호기성 환경에서 성장 및 축적되어 보다 완전한 질산화를 유도하기 때문이다. 반면, 업그레이드된 MBBR 탱크와 무산소조에서는 질산염이 추가로 제거되었다. 최종 ACCA 시스템은 보호 장치 역할을 하여 난분해성 COD, TP, SS 등을 추가로 흡착 및 제거하여 폐수 품질을 더욱 안정적으로 만듭니다. 또한, 프로젝트 구현 후 공장에서는 고품질의 재생수를 생산할 수 있어 향후 물 재사용을 위한 기반을 마련할 수 있습니다.
5.2 기술-경제 지표
이 프로젝트의 총 투자액은 86,937,600 RMB였으며 건설 및 설치 비용은 74,438,500 RMB, 기타 비용은 7,593,500 RMB, 우발 비용은 4,101,600 RMB, 초기 운전 자본은 804,000 RMB였습니다. 안정적인 시스템 운영 후 전체 공장의 추가 전기 비용은 0.11 RMB/m3, 활성화된 코크스 비용은 0.39 RMB/m3이므로 총 운영 비용은 약 0.50 RMB/m3 증가합니다.
6. 결론
- 본 프로젝트에서는 기존 폐수처리장에 장비 갱신, 공정강화, 개량을 시행하고 고도처리를 추가하여 COD, NH₃-N, TN, TP의 제거효율을 향상시켰습니다.
- 업그레이드 후, 주요 "MBBR+ACCA" 공정을 이용하여 배출수 COD, NH₃-N, TP가 Grade 1A에서 지표수 Class III 기준으로 안정적으로 개선되었으며, TN 제거율이 크게 향상되었습니다.
- 실습에 따르면 이 공정은 안정적이고 효율적으로 작동하고, 부하 충격에 강하고,-고품질 폐수를 생성하며, 약 0.50RMB/m³의 운영 비용을 추가합니다. 이는 다른 폐수 처리장의 프로젝트 업그레이드 및 물 재사용 계획에 대한 참고 자료 역할을 할 수 있습니다.