천진시 하수처리장 업그레이드 프로젝트의 운영효과
천진의 한 폐수 처리장은 Modified Bardenpho-MBBR 공정을 채택하는 업그레이드 및 개조 프로젝트를 진행하여 "시립 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준"(GB 18918-2002)에 명시된 A급 표준에서 천진 지역 표준 DB 12/599-2015의 A급 표준으로 배출수 품질을 높였습니다. MBBR(이동층 생물막 반응기) 공정에는 MBBR 부유 담체를 반응기에 추가하고, 미생물 부착을 위한 장소를 제공하고, 부착된 생물막을 형성함으로써 시스템의 유효 바이오매스를 증가시키고 오염물질 제거를 달성하는 과정이 포함됩니다. MBBR 공정은 높은 처리 부하, 충격 부하에 대한 강한 저항성, 안정적인 처리 성능, 간단한 운영 관리, 유연한 공정 운영 등의 장점을 제공합니다. 중국에서는 점점 더 많은 수의 WWTP가 개조를 위해 MBBR 프로세스를 채택하고 있습니다. 본 논문은 유사한 업그레이드 프로젝트에 대한 참고 자료를 제공하는 것을 목표로 업그레이드 후 천진 WWTP의 운영 성능을 분석합니다.
1. 현재의 생물학적 질소 및 인 제거 공정
원래 생물학적 탱크는 12,500t/d의 처리 용량을 갖춘 A²/O 공정을 활용했습니다. 설계 총 슬러지 기간은 14일, 혼합액 부유 고형물(MLSS) 농도는 3,500mg/L, 설계 수온은 10도, 슬러지 수율은 0.936kgSS/kgBOD, 슬러지 부하량은 0.082kgBOD/kgMLSS였다. 생물학적 탱크의 유효 수심은 6m였으며, 총 탱크 부피는 9,052.2m3이고 총 수리학적 체류 시간(HRT)은 17.4시간이었습니다. HRT 분포는 선택 구역 0.58시간, 혐기성 구역 1.38시간, 무산소 구역 2.85시간, 스윙 구역 0.92시간, 호기성 구역 11.67시간이었습니다. 슬러지 재활용률은 100%, 혼합액 내부 재활용률은 300%이다. 원래 생물학적 탱크는 주로 혐기성-무산소-호기성 섹션으로 구성되었습니다. 작동 매개변수는 유입수 조건과 유출수 요구사항에 따라 조정되어 질소 및 인 제거를 달성할 수 있으며 유출수 품질은 GB 18918-2002의 A등급 표준을 충족합니다.
2. 업그레이드 및 리모델링 프로젝트 개요
이번 업그레이드는 천진 지역 표준 "시립 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준"(DB 12/599-2015)의 A급 표준을 충족하도록 폐수 품질을 향상시키는 것을 목표로 했습니다. 설계된 유입수 및 유출수 품질은 다음과 같습니다.표 1. 설계 유입수 및 유출수 TN 값에 따르면, 유출수 TN을 10mg/L 미만으로 달성하려면 생물학적 탱크 시스템에서 75.6%의 탈질율이 필요합니다. 원래 생물학적 탱크는 A²/O 구성을 사용했습니다. 원래 탱크 구성을 기반으로 계산한 결과, 대량의 외부 탄소원을 추가하고 내부 재활용 비율을 원래 200%에서 310%로 늘려야 하는 것으로 나타났습니다. 이는 운영 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 내부 재활용 흐름의 양이 많아 무산소 환경을 방해할 수 있습니다. 이로 인해 무산소 구역의 실제 HRT가 최소 요구 사항보다 낮아 탈질 효율에 영향을 줄 수 있습니다. MBBR 공정은 부유 운반체를 추가하여 탱크 내 바이오매스 농도를 높여 시스템의 탈질 기능을 강화하고 배출수 품질을 향상시켜 업그레이드 요구 사항을 충족시킵니다.
기존 생물조 용량을 변경하지 않고 생물조 내부 기능구역을 재구성하였습니다. 원래 A²/O 구성(무산소-무산소-호기성)은 Bardenpho 6-단계 구성(혐기성 구역, 무산소 구역, 스윙 구역, 유산소 구역, 후-무산소 구역 및 후-호기성 구역)으로 수정되었습니다. 구체적으로, 원래 선택기 구역은 혐기성 구역으로 전환되었습니다. 원래의 무산소 구역, 스윙 구역(앞부분), 무산소 구역을 모두 전-무산소 구역으로 사용했습니다. 원래 에어로빅 존의 첫 번째 복도의 앞쪽 절반을 스윙 존으로 조정했습니다. 원래의 첫 번째, 두 번째, 세 번째 호기성 통로는 MBBR 구역으로 전환되었으며, 여기에는 입구/출구 스크리닝 시스템 및 바닥 보조 폭기 시스템과 함께 매달린 캐리어가 추가되었습니다. 네 번째 유산소 통로는 이후-무산소 구역으로 전환되었습니다. 원래 스윙 구역은 기능적으로 분할되어 -무산소 후 구역과 유산소 후 구역으로 조정되었습니다. 개조된 생물탱크의 매개변수는 다음과 같습니다.표 2.
공정 운전과 관련하여, 호기성 구역의 혼합액은 무산소 구역으로 재활용되고, 무산소 구역 내에 탄소원이 추가됩니다. 탈질세균은 호기성 구역에서 생성된 질산성 질소를 제거하기 위해 탈질을 위해 탄소원을 활용합니다. 잔류 질산염 질소는 탈질을 계속하기 위해 추가 탄소원이 추가되는 무산소 이후 영역으로 들어갑니다. 개조 후 MLSS(혼합액 부유 고형물) 농도는 4,000mg/L, 슬러지 재활용은 50%~100%, 혼합액 내부 재활용은 200%~250%, MBBR 구역의 용존 산소는 2~5mg/L입니다. 개조 후 프로세스 흐름도는 다음과 같습니다.그림 1.
3. 생물탱크 개조 후 시스템 시운전
생물탱크 개조가 완료된 후 시운전 단계가 시작되었습니다. 다른 폐수처리장에서 탈수된 슬러지를 생물학적 탱크에 추가하여 단시간에 슬러지 농도를 3,000mg/L 이상으로 급격히 증가시켰습니다. 이를 통해 슬러지 배양 및 적응 기간이 단축되어 생물조의 신속한 가동 및 질소, 인 제거 능력의 회복이 가능해졌습니다. 시운전 기간 동안 유입수 유량과 오염물질 농도가 상대적으로 낮아 실제 운전부하는 설계부하보다 낮았다. 접근 방식은 먼저 생물학적 시스템이 안정화되고 유출수 품질이 표준을 충족할 때까지 활성 슬러지를 배양하고 적응시킨 다음 생물막 형성을 위해 MBBR 담체를 추가하는 것이었습니다.
담체를 생물학적 탱크의 호기성 구역에 추가한 후 먼저 침지시켰습니다. 미생물이 점차 표면에 부착됩니다. 시각적으로, 더 많은 미생물이 부착되고 생물막이 더 조밀해짐에 따라 담체 표면의 색상은 흰색에서 희미한 흙빛 노란색으로 변했습니다. 캐리어 색상이 점차 깊어졌습니다. 담체 첨가 2개월 후, 생물막 형성이 양호하여 담체 표면이 황{4}}갈색으로 나타나고 색이 점차 진해졌습니다. 담체 첨가 4개월 후, 담체 표면의 생물막은 짙은 갈색으로 나타났으며 조밀했습니다. 생물막 형성의 진행은 그림과 같이 캐리어 색상의 변화를 기반으로 직관적으로 관찰할 수 있습니다.그림 2. 2021년 12월, 생물학적 탱크의 활성 슬러지와 운반체의 슬러지를 현미경으로 조사한 결과 흡착 및 침전 특성이 우수한 조밀한 플록 구조가 밝혀졌습니다. 시각적으로, 캐리어는 명백한 생물막 형성을 보여주었습니다. 현미경 검사를 통해 Vorticella, Opercularia 및 Epistylis와 같은 유기체가 가끔 발견되었으며, 이는 생물막 형성 단계가 완료되었음을 나타냅니다.
4. 생물탱크 개조 후 운영실적
4.1 개조 후 COD 및 BOD 제거 성능
2022년 배출수 COD 및 BOD 값은 다음과 같습니다.그림 3. 배출수 COD 범위는 10.2~24.9mg/L였으며 평균은 18.0mg/L였습니다. 배출수 BOD 범위는 2.1~4.9mg/L, 평균 3.4mg/L였습니다. 폐수 COD와 BOD 모두 천진 지역 A급 표준을 안정적으로 충족했습니다. 개조된 시스템은 COD 및 BOD에 대한 우수한 제거 성능을 입증했을 뿐만 아니라, 플랜트의 실제 유입수 부하가 설계 용량의 110%에 도달한 경우에도 홍수 기간 동안 안정적이고 규정을 준수하는 폐수 COD 및 BOD 수준을 유지했습니다. 이는 시스템이 충격 부하에 대한 저항력이 우수하다는 것을 나타냅니다.
4.2 개조 후 TN 및 NH₃-N의 제거 성능
2022년 배출수 TN 및 NH₃-N 값은 다음과 같습니다.그림 4. TN 범위는 3.72~8.74mg/L이며, 평균은 6.43mg/L입니다. NH₃-N 범위는 0.02~1.25mg/L이며 평균은 0.12mg/L입니다. 겨울철 운전 중에는 기온이 낮아져 질산화율과 탈질율이 감소합니다. 실제로 슬러지 농도는 6,000 mg/L 이상으로 증가하였습니다. 높은 슬러지 농도에서 작동하는 것은 특히 저온에서 충격 부하에 대한 생물학적 시스템의 저항력을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 높은 슬러지 농도와 MBBR 담체에 부착된 생물막 간의 시너지 효과는 생물학적 시스템의 처리 효과를 향상시킵니다.
MBBR 캐리어는 미생물 군집에 유리한 환경을 제공하여 성장과 번식을 지원합니다. 순응 및 성숙 후에 생물막의 질산화 및 탈질화 능력이 강화됩니다. 미생물은 담체 표면에 층층이 부착되어 성장하여 동물원의 밀도를 높이고 크고 조밀하며 빠르게 안정적인 슬러지 구조를 형성합니다. 외부 수질 변화에 직면할 때 담체 표면의 미생물은 자기 보호를 위해 EPS(세포외 고분자 물질)를 분비하여-갑작스러운 수질 변화가 내부층 미생물에 미치는 영향을 줄입니다.-
MBBR 공정을 사용하는 폐수처리장에서는 호기성 운반체 구역에서 동시 질산화 및 탈질화(SND) 현상이 관찰되었습니다. 호기성 운반체 구역의 유입수와 유출수의 TN 값을 테스트한 결과 2~6mg/L의 차이가 나타났습니다. 이러한 차이는 특히 호기조의 용존산소를 2mg/L 미만으로 제어할 때 더욱 뚜렷해졌으며, 이는 낮은 용존산소 조건에서 SND가 더 유의미하다는 것을 나타냅니다. 2차 침전조의 유출수 TN은 기준을 완벽하게 충족시켰습니다. 이는 생물학적 처리 단계에서 TN 제거가 완료되었음을 의미합니다. 실제 작동에서는 탈질 심층-베드 필터가 보호 프로세스로 작동합니다. 정상적인 조건에서는 SS 표시기가 표준을 충족하는지 확인하는 일반 필터 역할을 합니다.
4.3 개조 후 TP 및 SS 제거 성능
2022년 배출수 TP 및 SS 값은 다음과 같습니다.그림 5. WWTP의 폐수 TP 범위는 0.04~0.22mg/L이며 평균은 0.10mg/L입니다. 배출수 SS의 범위는 1~4mg/L였으며 평균은 2.2mg/L였습니다. 업그레이드 후 2차 침전조 유출수 TP는 약 1.0mg/L, SS는 약 26mg/L였습니다. 응집력을 높이기 위해 고효율 침전조에 염화제2철과 PAM을 첨가하고 탈질 심층-층 필터에서 추가 정화를 통해 배출수 TP와 SS는 천진 지역 A급 표준을 안정적으로 충족했으며 색상 값이 크게 감소했습니다.
5. 결론
텐진 현지 클래스 A 표준을 충족하기 위해 WWTP의 원래 A²/O 프로세스는 Bardenpho 5{0}}단계 구성으로 전환되었으며, 호기성 섹션에 MBBR 프로세스를 통합하여 생물학적 질소 제거를 강화하고 폐수 TN 및 NH₃-N을 줄였습니다. 홍수기에는 유량이 과부하되는 동안 모든 지표가 안정적으로 기준을 충족하여 우수한 내충격성을 나타냈습니다. 생물조 개조 후 내부 재활용률은 200%~300%, 외부 슬러지 재활용률은 50%~100%, 슬러지 농도는 4,000~6,000mg/L, 호기조 용존산소는 3~5mg/L, 혐기성조 용존산소는 0.2~0.5mg/L로 관리되었다. 2022년 WWTP의 폐수 수질은 COD 10.2–24.9 mg/L, 평균 18.0 mg/L; BOD 2.1~4.9mg/L, 평균 3.4mg/L; NH₃-N 0.02~1.25mg/L, 평균 0.12mg/L; TN 3.72~8.74mg/L, 평균 6.43mg/L; TP 0.04~0.22mg/L, 평균 0.1mg/L; SS 1~4mg/L, 평균 2.2mg/L. 모두 천진 지역 표준 "시립 폐수 처리장 오염 물질 배출 표준"(DB 12/599-2015)의 A급 표준을 안정적으로 충족했습니다.