2{0}}단계 AO와 3단계- AO 프로세스 비교: 엔지니어링 관점
현재 중국의 대다수 폐수 처리장(WWTP)은 폐수 처리를 위해 활성 슬러지{0}} 기반 공정을 채택하고 있습니다. 이 중 거의 절반이 무산소-산소(AO) 공정을 활용합니다. AO 공정은 안정적인 운영과 저렴한 비용 등의 장점을 제공합니다. 그러나 일반적으로 60%~80% 범위의 총 질소(TN) 제거 효율은 내부 재활용 비율에 의해 제한됩니다. 질소 제거에 대한 국가적 요구 사항이 점점 더 엄격해짐에 따라 기존의 단일{8}}단계 AO 공정은 TN 처리 요구 사항을 충족하는 데 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 따라서 다단계 AO 프로세스가 등장했습니다. 두 개 이상의 AO 단계를 직렬로 연결함으로써 이전 호기성 단계에서 생성된 질산염은 다음 무산소 단계에서 탈질을 위한 기질을 제공합니다. 이는 전체 TN 제거를 향상시키면서 내부 재활용 비율을 낮추는 목표를 달성합니다. 그러나 과도한 단계는 운영 복잡성을 증가시킬 수도 있습니다. 결과적으로, 현재 중국에서 가장 일반적으로 적용되는 구성은 2단계 및 3단계- AO 프로세스입니다. 본 논문은 사례 연구로 중국 남부의 WWTP를 사용하는 2{18}}단계 및 3단계- AO 프로세스에 대한 비교 분석을 제시하며, 유사한 프로젝트의 기술 경로 선택에 대한 참고 자료를 제공하는 것을 목표로 합니다.
1 프로젝트 개요
중국 남부의 WWTP는 총 8헥타르에 달합니다. 원래 설계 용량은 90,000m3/d였으며, 유출수 품질은 "시립 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준"(GB 18918-2002) 및 광동성의 "수질 오염 물질 배출 제한"(DB 44/26{11}}2001)(이하 "준등급"이라고 함)의 A등급 표준을 모두 충족해야 합니다. V'). 공장은 최대 용량으로 가동되고 있었습니다. 관련 계획에 따르면 확장이 필요했습니다. 현재 상태를 기반으로 한 향후 배출수 기준에서는 10mg/L 이하의 TN에 대한 장기적인 요구 사항을 고려해야 했습니다. 이번 확장공사의 토목공사 규모는 현장의 실정을 종합적으로 고려해 70,000m3/d로 결정됐다. 이 플랜트는 단기적으로 50,000m³/d로 운영되고 장기적으로 70,000m³/d 규모에 도달하여 플랜트의 총 처리 용량을 160,000m³/d로 끌어올릴 것입니다. 설계된 유입수 및 유출수 수질은 다음과 같습니다.표 1.
현장 제약으로 인해 확장을 위한 예비 계획에서는 "다단계 AO + 주변 장치-주변 장치 내-외부 직사각형 침전조 + 고-효율 침전조 + 섬유판-및-프레임 필터"의 프로세스 경로를 채택했습니다. 모든 주요 유닛의 토목 구조물은 70,000m3/d 규모로 건설되었으며, 장비는 50,000m3/d 용량으로 설치되었습니다. 생물학적 탱크는 단기적으로 다단계 AO 프로세스를 채택할 것입니다. 장기적으로 부유 운반체를 추가하면 하이브리드 생물막{17}}활성 슬러지 공정이 생성되어 40% 용량 확장 수요를 충족할 수 있습니다. 이 설계에서는 70,000m³/d 규모에 대해 수력학적 조건이 고려되었으며, 50,000m³/d 규모에 대해서는 생물학적 처리가 설계되었습니다. 본 프로젝트에서는 다단계 AO 프로세스를-도입하고자 2단계 AO와 3단계 AO를-비교하였습니다.
2 2-단계 및 3단계- AO 프로세스 비교
2.1 프로세스 흐름
다단계 AO 공정의 핵심 원리는 선행 호기성 단계에서 생성된 질산염을 다음 무산소 단계의 탈질에 활용하여 내부 재활용 비율을 줄이는 것입니다. 이론적으로 더 많은 단계가 더 나은 TN 제거로 이어지지만 제어는 더 복잡해집니다. 엔지니어링 실무에서는 2단계-와 3단계- AO가 우세합니다. 프로세스 흐름은 다음과 같습니다.그림 1. 2단계- AO의 경우 내부 재활용은 일반적으로 첫 번째 AO 단계 내에서 설계됩니다. 3-단계 AO의 경우 일반적으로 내부 재활용이 사용되지 않습니다. 2단계 AO 프로세스를 사용하는 베이징의{5}}폐수처리장에는 Qinghe(400,000m³/d), Xiaohongmen(500,000m³/d), Gao'antun(400,000m³/d), Dingfuzhuang(200,000m³/d) 및 Huaifang(600,000m³/d)이 있습니다. 이 공정은 간단한 장비, 낮은 운영 및 유지 관리 비용, 충격 부하에 대한 강한 저항성, 다른 공정과의 높은 호환성 등의 장점을 제공하여 더 높은 배출 기준을 충족하기 위한 향후 업그레이드를 촉진합니다. 이론적으로 3단계-직렬 AO는 내부 재활용 장비의 필요성을 제거하고 탄소원을 보다 합리적으로 할당하며 투자 및 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 이 프로세스는 탄소원이 충분하고 질소 제거에 대한 요구가 높은 시나리오에 주로 적용됩니다. 대표적인 사례로는 윈난성 취징 폐수처리장(80,000m3/d), 텐진 닝허구 도시 폐수처리장(90,000m3/d), 텐진 장귀좡 폐수처리장(200,000m3/d), 베이징 다오샹후 매립공장(80,000m3/d) 등이 있다.
2.2 프로세스 비교
이 현장에서 향후 업그레이드를 위한 추가 토지가 없다는 점과 일부 새로운 지역 프로젝트가 이미 10 mg/L 이하의 폐수 TN 표준을 구현하고 있다는 점을 고려하면, 공정 비교에서는 향후 더 엄격한 폐수 요구 사항의 가능성을 수용하기 위해 생물학적 탱크 폐수 TN을 10 mg/L 이하로 고려했습니다. 기타 지표는 설계 유출수 품질을 준수합니다. 레이아웃을 기준으로 하면 -50,000m³/d의 단기 규모에 대해 생물학적 탱크의 최대 수력학적 체류 시간(HRT)은 18시간이었습니다. 프로젝트의 실제 조건, BioWin 시뮬레이션 결과, 부유 캐리어와의 결합 편의성을 결합하여 2{9}}단계 및 3단계{10}} AO 프로세스 간의 비교를 수행했습니다.
2.2.1 BioWin 시뮬레이션
초기 HRT는 18시간으로 설정하고 점차적으로 줄였습니다. 폐수 TN 요구 사항을 충족하는 최소 HRT는 14시간이었습니다. 2-단계 AO의 경우 유입수 분배 지점은 혐기성 구역, 1단계-무산소 구역, 2단계-무산소 구역이었습니다. 3단계- AO의 경우 유입 지점은 혐기성 영역, 2단계 무산소 영역, 3단계-무산소 영역이었습니다.
① 고정된 유입수 분포 비율을 이용한 연구
둘 다에 대해 유입수 분포 비율을 4:3:3으로 설정한 시뮬레이션에서는 3가지 계획을 비교했습니다. 2-단계 AO(재활용 비율 200%), 총 재활용 비율이 200%인 3-단계 AO(첫 번째 AO 단계 내에서 100% 재활용 + 100세 번째 산소 산소 구역에서 첫 번째 무산소 구역으로 재활용) 및 재활용 비율이 있는 3-단계 AO 100%(첫 번째 AO 단계 내에서만 재활용) 시뮬레이션 흐름은 다음과 같습니다.그림 2.
표 2HRT=14 h에서 고정된 유입수 비율에 대한 시뮬레이션 결과를 보여줍니다.
표 2에서 볼 수 있듯이 2{1}}단계 AO와 3단계- AO 모두 첫 번째 AO 단계에서 내부 재활용을 설정하여 원유수 내 탄소원을 활용하여 첫 번째 무산소 구역에서 탈질을 최대화하는 것이 권장되는 것을 알 수 있습니다. 3-단계 AO의 경우 3단계 끝에서 첫 번째 무산소 구역까지 내부 재활용을 설정하면 TN 및 TP 제거가 약간 향상되었으나 유기물 제거 효율은 감소했습니다. 이는 재활용으로 인해 생물학적 탱크의 전체 유량이 증가하여 용존 산소를 무산소 구역으로 운반하여 무산소 환경에 영향을 미치기 때문이라고 추측됩니다. 또한 각 구역의 실제 HRT가 단축되고 운영 조건 간의 전환이 가속화되어 효율성이 저하되었습니다. TN 농도가 그리 높지 않은 중국 남부의 이 프로젝트와 같은 유입수 특성의 경우 2-단계 AO는 배출수 요구 사항을 완전히 충족할 수 있으며 3-단계 AO에는 뚜렷한 이점이 없습니다. COD 및 TN 유입량이 높은 시나리오의 경우 3단계{11}} AO가 더 적합할 수 있습니다.
② 유입수 분포율 조정에 관한 연구
2단계 AO와 3단계- AO는 모두 첫 번째 AO 단계에서 내부 재활용 비율을 100%로 설정했습니다. 다지점 유입수 분포 비율(1:0:0, 3:7:0, 2:4:4)에 대한 연구가 수행되었습니다. 여기서 1:0:0은 모든 유입수가 가장 앞쪽으로 유입된다는 의미입니다. 3단계- AO의 경우 3:7:0은 유입수가 혐기성 구역과 두 번째 AO 단계에만 분배된다는 의미입니다. 조정된 분포 비율에 대한 시뮬레이션 결과는 다음과 같습니다.표 3.
표 3을 보면 분배비율이 배출수질에 약간의 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 일반적인 추세는 유입수 후단으로 분배되는 비율이 증가함에 따라 유출수 TN, NH₃-N, TP 농도가 증가하고, 폭기요구량도 점차 증가하는 것입니다. 유입수 비율이 3:7:0일 때 3{7}}단계 AO는 2단계 AO보다 약간 더 나은 TN 제거율을 보였고 공기-대-물 비율도 약간 더 낮았습니다. 그러나 실제 작동에서는 이 차이가 일반적으로 무시할 수 있습니다. 또한, 후기 단계로의 유입수 비율을 증가시키는 것은 탈질에 있어 탄소원 활용에 유리하지만, NH₃-N, 유기물, TP의 투입으로 인해 생화학 반응에 대한 부하가 증가할 수밖에 없습니다. 따라서 다-유입수 구성을 유지하고 운영 중 실제 수질에 따라 단계적으로 조정하는 것이 좋습니다. 유입수 비율이 2:4:4인 경우 3{17}}단계 AO가 2단계 AO보다 TN 제거율이 더 우수했지만 이후 단계로의 유입량이 증가함에 따라 배출수 NH₃-N이 증가하는 경향을 보였고, 이 시점에서 NH₃-N은 더 이상 배출수 기준을 충족할 수 없게 되었습니다.
③ 2단계-및 3단계- AO의 처리 성능
3-단계 AO 구성은 HRT=14 h, 각 단계의 동일한 부피 비율(1:1:1), 첫 번째 AO 단계에서 설정된 100% 내부 재활용, 유입수 비율 4:3:3을 사용하여 100% 재활용 및 재활용 폐쇄라는 두 가지 조건에서 시뮬레이션되었습니다. 2단계 AO 구성은 HRT=14h, 100% 내부 재활용 세트, 유입수 비율 4:3:3으로 시뮬레이션되었습니다. 결과는 2-단계 AO가 6.29 mg/L에서 최적의 배출수 TN을 달성한 것으로 나타났습니다. 전면에 100% 내부 재활용이 가능한 3{19}단계 AO는 7.51mg/L로 차선책을 달성했습니다. 내부 재활용이 없는 3{22}}단계 AO는 8.52mg/L로 더 나빴습니다. 세 가지 시나리오 모두 배출수 검증 요구 사항(TN 10mg/L 이하)을 충족할 수 있습니다.
표 42단계 AO와 3단계- AO 간의 설계 매개변수 비교를 보여줍니다. 두 공정 모두에서 배출수 TN 요건을 달성하는 데 필요한 HRT가 18시간 미만임을 알 수 있습니다. 두 프로세스의 주요 차이점은 다음과 같습니다.
에이. 이론적으로, 3-단계 AO의 상한이 더 높습니다. 즉, 제대로 운영된다면 투자 비용과 운영 비용을 모두 낮출 수 있습니다. 2-단계 AO는 장비 항목과 단계가 적기 때문에 장비 비용이 낮아지고 운영 관리 어려움이 줄어듭니다.
비. 이 특정 프로젝트의 경우, 장기간을 고려하고 탱크 용량이 18-시간 HRT에 맞게 설계되었으므로 토목 투자는 2{2}}스테이지 또는 3{4}}스테이지 AO를 채택하더라도 동일할 것입니다. 3-단계 AO의 장비 비용은 더 높습니다. 따라서 투자 관점에서는 2단계 AO를 채택하는 것이 더 경제적입니다.
기음. 운영비용에 관해서, 3단계- AO는 100% 혼합액 재활용 에너지 비용을 제거하여 약 0.002 CNY/m³를 절약할 수 있습니다. 3-단계 AO의 무산소/산소 조건 교대로 인해 실제 운영에서 탄소원 활용 효율이 감소할 수 있다는 점을 고려하면, 운영 비용의 실제 차이는 훨씬 더 작을 가능성이 높습니다.
2.2.2 장기-운송 중단 시나리오 분석
이 프로젝트의 고유한 요구 사항으로 인해 생물학적 탱크는 장기 용량 확장 계획의 타당성과 편의성, 즉 정지 운반체 추가의 영향을 고려해야 했습니다.-
MBBR 공정의 핵심은 부유 담체를 추가하여 반응기 내 바이오매스를 늘리는 것입니다. 이는 호기성, 무산소 또는 혐기성 탱크에 추가될 수 있습니다. 그러나 담체 유동화를 고려하면 이를 혐기성 또는 무산소 탱크에 추가하면 혼합 전력 요구 사항이 크게 증가합니다. 따라서 호기성 탱크에 추가하는 것이 우선적으로 권장됩니다. 혐기성/무산소 구역의 부피는 호기성 구역에서 분할하여 보충할 수 있으며, 호기성 부피의 부족은 추가된 운반체에 의해 보상됩니다. 즉, 부족한 호기성 부피는 필요한 운반체 양을 결정하기 위한 오염물질 부하 변환을 기반으로 계산된 부유 운반체의 증가된 표면적에 의해 발생하며, 추가된 부피를 얻기 위해 특정 충전 비율을 제어합니다.
계산에 따르면, 2단계 AO 프로세스를 채택하고 장기적으로 모든 정지 캐리어를 1단계{1}} 에어로빅 영역에 추가하는 경우 필요한 MBBR 캐리어 표면적은 2,597,708m², 비용은 1,299만 위안입니다. 기타 관련 고정 장비 비용(MBBR 유동화 시스템, 전용 혼합기, 스크리닝 시스템 및 지능형 제어 시스템 포함)은 615만 위안입니다. 3단계 AO 프로세스를 채택하는 경우 영역이 더 분산되므로 MBBR 영역을 2개의 섹션(1단계-단계 및 2단계{12}}호기성 영역)으로 나누어야 합니다. 결과적으로 해당 MBBR 고정 장비 설치 비용(캐리어 자체 제외)은 777만 위안으로 약간 증가하는 반면 캐리어 비용은 동일하게 유지됩니다. 이는 3단계- AO를 채택하면 향후 개조 투자가 162만 위안 증가하고 개조 복잡성도 증가한다는 의미입니다. 게다가 심사 시스템은 통신사 추가 이후 가장 문제가 발생하기 쉬운 영역입니다. 3단계-AO에는 화면 섹션이 추가되어 작동 난이도가 높아집니다.
위의 비교에서 볼 때, 3{0}}단계 AO의 과도한 파티셔닝으로 인해 각 파티션의 볼륨은 비슷하기 때문에 개조 난이도가 2-단계 AO보다 높습니다. 건설, 운영 복잡성 및 검사 장비 추가로 인해 2단계 AO보다 더 많은 투자가 발생합니다-. 따라서 2-단계 AO를 채택하는 것이 향후 부유 캐리어와의 결합에 더 도움이 됩니다.
2.3 비교 결과
위의 분석에 따르면 2단계 및 3단계- AO 공정 모두 10mg/L 이하의 배출수 TN 목표를 달성할 수 있습니다. 이 프로젝트의 경계 조건-제한된 공간, 단기-탱크 용량 극대화 필요성, 정지 캐리어 추가를 위한 장기-계획-2-스테이지 AO는 단기 투자 및 장비 관리/유지보수 편의성 측면에서 장점이 있습니다.- 또한 매달린 캐리어를 사용하여 향후 개조에 대한 더 높은 호환성을 제공하므로 전체 투자가 줄어들고 개조 및 운영상의 어려움이 줄어듭니다. 따라서 종합적인 고려 끝에 이 설계에는 2단계 AO 프로세스가 권장되었습니다.
3 운영실적
이 프로젝트의 총 예상 투자액은 3억 457억 2100만 위안, 건설 비용은 2억 4360억 1900만 위안, 단위 건설 비용은 3480.03위안/m3입니다. 처리비용은 1.95 CNY/m3, 운영비용은 1.20 CNY/m3이다.
이 프로젝트의 경우 생물학적 탱크의 총 HRT는 18시간입니다(구성: 혐기성 구역 2시간, 1단계-무산소 구역 3.5시간, 1단계-단계 호기성 구역 7.5시간, 탈기 구역 0.5시간, 2단계 무산소 구역 2.5시간, 2단계-단계 호기성 구역 2시간), 유효 수심은 8.6입니다. m. 조정 가능한 단면 취수구가 구현되어 필요에 따라 유입수 분포 비율을 20% 단위로 조정할 수 있습니다. 실제 운영에서 생물학적 탱크의 혼합액 부유물질(MLSS) 농도는 3,500~4,000mg/L 범위이고, 슬러지 회수율은 40%~100% 범위이며, 혼합액 내부 재활용율은 100%~200% 범위입니다. 실제 유입수 및 유출수 품질은 다음과 같습니다.표 5, 이는 기본적으로 시뮬레이션 결과와 일치합니다.
4 결론
중국 남부의 WWTP를 사례 연구로 사용하여 BioWin 시뮬레이션을 통해 2단계 AO 프로세스와 3단계{1}} AO 프로세스 간의 기술 및 경제적 비교를 수행했습니다. 2{3}}단계 AO는 더 적은 수의 장비 항목과 단계, 더 낮은 장비 비용, 더 낮은 운영 관리 난이도를 가지며 유입수 TN이 그다지 높지 않은 중국 남부의 조건에 더 적합합니다. 3-단계 AO의 경우 3단계 끝에서 첫 번째 무산소 구역까지 내부 재활용을 설정하면 TN 제거 효율성에 부정적인 영향을 미치고 운영 관리 어려움이 증가하며 투자 비용이 증가했습니다. 이 설계는 50,000m³/d 및 10mg/L 이하의 TN의 단기 처리 요구사항을-동시에 충족하는 동시에 부유 캐리어와 결합하여 70,000m³/d의 장기 규모를 달성할 수 있습니다. 실제 운영 결과는 BioWin 시뮬레이션 결과와 대체로 일치하며, 평균 유출수 TN은 6.86mg/L로 설계 요구 사항을 충족합니다.