폐수 처리장을 준-클래스 IV 표준으로 업그레이드하는 데 BIOLAK 프로세스 적용
21세기 초 중국에 도입된 BIOLAK 공정은 구조가 간단하고 투자 비용이 낮아 도시 폐수 처리에 폭넓게 적용되었습니다. 최근 몇 년 동안 배출 기준이 강화되고 자동화가 증가함에 따라 대부분의 기존 BIOLAK 공장은 업그레이드에 직면해 있습니다. 부유 캐리어 추가, 탱크 개조, 기능 구역 재정의 등의 개선 사항이 구현되어 질소 및 인 제거가 향상됩니다. 새로 건설된 공장에서는 주로 A²/O 및 산화 배수로 공정을 채택하고 있지만, 특히 엄격한 배출 기준 하에서 BIOLAK의 실제 성능에 대한 보고는 거의 없습니다. BIOLAK 공정은 스윙 폭기 체인을 활용하여 시간적 무산소 및 호기성 구역을 생성하며, 본질적으로 다단계 A/O 공정으로 기능합니다. 운영 최적화를 통해 배출수 품질은 준-클래스 IV 지표수 기준을 안정적으로 충족할 수 있습니다.
1 프로젝트 배경
허베이성의 한 폐수처리장은 BIOLAK 공정을 핵심 기술로 활용하고 있습니다. 유입량 범위는 18,000~22,000m3/d, 평균 19,000m3/d이며 주로 도시 생활 하수와 소량의 농업 공정 폐수를 처리합니다. 설계된 유입수 및 유출수 품질은 다음과 같습니다.표 1. 원래의 배출 표준은 *"시립 폐수 처리장의 오염 물질 배출 표준"(GB 18918-2002)*의 A급 표준이었습니다. 탈질 및 탈인을 강화하기 위해 혐기성 구역을 분할하는 작업이 포함된 업그레이드 이후, 이 공장은 이제 *"다칭 강 유역의 수질 오염 물질 배출 기준"(DB13/2795-2018)*의 주요 통제 구역 제한을 준수합니다. 총질소를 제외한 다른 모든 지표는 *"지표수 환경 품질 표준"(GB 3838-2002)*에 지정된 클래스 IV 표준을 충족합니다. 프로세스 흐름은 다음과 같습니다.그림 1.
이 공장에서는 소독을 위해 차아염소산나트륨을 사용합니다. 슬러지는 시멘트 가마에서 공동 처리를 위해 운송되기 전에 고압 플레이트 및 프레임 여과를 통해 수분 함량 60% 미만으로 탈수됩니다.-
오염 물질 제거에 대한 각 처리 장치의 기여도는 문헌에서 참조한 특정 방법을 사용하여 질량 균형을 기반으로 계산되었습니다.
2 운영 통제 최적화 조치
폐수 안정성을 강화하고 에너지 및 비용 절감을 달성하기 위해 운영 중에 다양한 최적화 조치가 구현되었습니다.
2.1 향상된 용존산소(DO) 제어
기존 BIOLAK 개조 프로젝트에서는 약한 구역화가 다단계 A/O 변형으로 나타나는 경우가 많아 탈질 효율성이 낮다고 지적하는 경우가 많습니다. 이 프로젝트에서는 배출되는 암모니아 질소 규정을 준수하면서 폭기 구역 끝의 최대 DO를 기존 DO 제어 요구 사항보다 낮은 0.5~1.0mg/L로 유지했습니다.
2.2 향상된 프로세스 데이터 모니터링
DO 제어 및 외부 탄소원 투여를 안내하기 위해 혐기성 구역 끝과 BIOLAK 탱크에서 질산성 질소와 암모니아성 질소를 모니터링하여 최적의 제어 범위를 결정했습니다. 작동 중 혐기성 구역 끝의 질산성 질소가 감소하면 외부 탄소원 투여를 줄이거나 중단했습니다.<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 내부 배출수 관리 목표 설정
안정적인 준수를 위해 오염물질별 관리 난이도를 고려하여 배출허용기준의 30~80%를 내부관리목표로 설정하였습니다. 이러한 내부 한계를 초과하면 배출 농도를 허용 가능한 범위로 되돌리기 위해 즉각적인 공정 매개변수 조정이 시작되었습니다. COD, 암모니아성 질소, 총질소, 총인에 대한 연간 내부 통제 목표는 각각 15mg/L, 0.5mg/L, 12mg/L, 0.12mg/L였습니다.
2.4 적정 슬러지 농도 유지
슬러지 낭비량은 유량, 부하, 계절에 따라 조정되었습니다. 슬러지 체류시간(SRT)은 15~25일로 유지되었고, 혼합액 부유고형물(MLSS) 농도는 2,500~4,500 mg/L로 유지되었습니다. 구체적으로 MLSS는 여름과 가을에는 2,500~3,500mg/L, 슬러지 부하량은 약 0.06kgCOD/(kgMLSS·d)로 관리되었고, 겨울과 봄에는 3,500~4,500mg/L, 슬러지 부하량이 약 0.04kgCOD/(kgMLSS·d)로 관리되었다.
2.5 첨단처리시설 운영 조정
겨울의 낮은 기온은 응집과 침전에 영향을 미쳤습니다. V- 유형 필터를 시기 적절하지 않게 역세하면 배출 부유 물질 및 COD가 높아질 수 있습니다. 따라서 동절기 운전시에는 응집성능에 따라 역세횟수를 증가시키고, 응집{3}}침전조의 슬러지 배출을 강화하여 유출수 부유물질 농도를 감소시켰습니다.
3 처리성능
연간 유입수 COD 범위는 109~248mg/L, 평균 176mg/L입니다. 배출수 COD 범위는 9.5~20.1mg/L, 평균 12.1mg/L입니다. 유출수 COD가 내부 제어 목표(15mg/L)를 초과하는 경우, 부유 물질을 줄이기 위해 필터 역세 빈도를 높였습니다. 응집 효율성을 높이려면 응고-침전조를 고밀도{11}}또는 자성 응고{12}}침전조로 업그레이드하는 것이 좋습니다.
연간 유입되는 암모니아 질소의 범위는 17.8~54.9mg/L, 평균 31.9mg/L입니다. 배출되는 암모니아 질소의 범위는 0.12~1.30mg/L, 평균 0.5mg/L입니다. 내부 통제 목표를 초과하는 경우 최적화 조치에 따라 폭기를 조정했습니다. 배출수 품질은 일년 내내 *DB13/2795-2018*의 주요 관리 영역 제한을 안정적으로 충족했습니다.
유입되는 탄소원 농도가 낮기 때문에 공정 조건을 최적화하여 질소 및 인 제거를 향상시키는 데 중점을 두고 에너지 및 비용 절감을 목표로 했습니다.
3.1 DO 제어 최적화 및 총 질소 제거
연간 유입수 총 질소(TN) 범위는 20.3~55.6mg/L입니다(참조:그림 2), 평균 42.1 mg/L. 유출수 TN의 범위는 2.5~14.2mg/L, 평균 8.8mg/L였으며 내부 통제 목표(12mg/L) 내였습니다. 평균 TN 제거율은 79.1%였다. 슬러지 재활용률이 90%(내부 혼합액 재활용 없음)인 경우 이론적 탈질 효율은 47.4%로 혐기성 선택기 이외의 다른 공정 영역에서도 탈질이 발생했음을 나타냅니다. 일반적인 주기에서 처리 과정에 따른 질소 변화는 다음과 같습니다.그림 3.
일반적인 사이클에서 유입수 TN은 42.0mg/L였으며, 암모니아와 질산성 질소의 합은 35.2mg/L였습니다. 혐기성 선택기 이후의 TN은 16.7mg/L로 질량 균형을 통해 이론값과 일치하는 43.5% 제거율을 나타냈습니다. BIOLAK 탱크는 24.0%의 TN 제거에 기여했습니다. 2차 침전조에서 유출수 TN이 더욱 감소하여 추가로 11.3% 제거에 기여했습니다. 이는 주로 내인성 탄소원-에 의한 탈질화를 가능하게 하는 긴 수리학적 체류 시간(8.6시간)으로 인해 발생했습니다. 다른 단위는 1.9% 제거에 기여했습니다. 최종 유출수 TN은 8.1mg/L였으며 총 제거율은 80.7%였습니다.
운영 경험에 따르면 DO 제어는 BIOLAK 공정에서 TN 제거에 중요합니다. 기존 공정에서 DO는 일반적으로 DO가 단면에 걸쳐 상대적으로 균일한 채널 구조의 호기성 구역 끝에서 측정됩니다.- 그러나 BIOLAK 탱크에서는 폭기 구역 끝의 폭이 거의 70미터에 달하며 DO는 경사면 가장자리에서 중앙으로 증가하며 0.5~1.0mg/L 정도 차이가 납니다. 따라서 DO 프로브의 위치는 세심한 주의가 필요합니다.
BIOLAK 폭기 구역 말단의 최대 DO를 엄격하게 제어하여 탈질에 필요한 무산소 환경을 효과적으로 보장했습니다. 내인성 탄소원을 활용한 동시 질화 및 탈질화(SND)가 달성되어 효과적인 TN 제거가 이루어졌습니다.
3.2 총 인 제거 및 운영 최적화
연간 유입수 총인(TP) 범위는 1.47~4.80 mg/L입니다(참조:그림 4), 평균 2.99 mg/L. 배출수 TP 범위는 0.04~0.17mg/L입니다. 인제거제 투여량은 내부 대조 목표(0.12 mg/L)를 기준으로 조정되었습니다. 평균 방류수 TP 농도는 0.07mg/L로 배출기준을 안정적으로 충족하였으며, 평균 TP 제거율은 98.3%였다.
일반적인 주기에서 처리 과정에 따른 인산염의 변화는 다음과 같습니다.그림 5.
유입 인산염은 2.70mg/L, 반환 슬러지 인산염은 0.58mg/L로 혐기성 선택기로 유입되는 이론적 인산염은 1.70mg/L입니다. 폴리인산염-축적 유기체(PAO)에 의한 혐기성 인 방출 후 인산염 농도는 3.2mg/L에 도달했습니다. 인산염 농도 비율(혐기성 구역/유입수에서 최대값)은 1.9로 상당한 방출을 나타냅니다. 주된 이유는 낮은 DO 조건에서 효과적인 탈질을 통해 혐기성 구역으로 반환되는 슬러지의 질산염 농도를 낮추고 우수한 혐기성 환경(일반적으로 -200mV 미만의 ORP)을 유지하며 인 방출을 촉진하기 때문입니다.
BIOLAK 폭기 구역 이후 상당한 인 흡수가 발생하여 최종 인산염 농도가 0.3mg/L로 감소하여 생물학적 인 제거 효율 88.9%를 달성했습니다. 침전 및 안정화 탱크 이후 인산염 농도는 0.64 mg/L로 증가했습니다. 분석에 따르면 이는 침전조의 긴 HRT와 BIOLAK 탱크의 DO가 엄격하게 제어되어 침전조에 혐기성 조건이 생성되고 2차 인 방출이 발생했기 때문인 것으로 나타났습니다. 응고 장치에 화학 물질을 투여한 후 유출되는 인산염은 0.06mg/L로 감소되었습니다. 따라서 경제적 비용과 운영 복잡성을 고려하면 탈질을 향상시키기 위해 일부 생물학적 인 제거 효율을 희생하는 것이 유사한 플랜트에 대한 실행 가능한 최적화 전략입니다.
4 운영 비용
직접 운영 비용에는 전기, 화학약품, 슬러지 처리 등이 포함됩니다. 연간 통계에 따르면 특정 전력 소비량은 0.66kWh/m3입니다. 전기 요금이 0.65 CNY/kWh(피크/오프{4}}피크 요금 복합 기준)인 경우 전기 요금은 0.429 CNY/m³입니다. "시립 폐수 처리장의 운영 품질 평가 기준"에 따르면 이러한 소비량은 더 높은 편인데, 이는 주로 폭기 시스템의 산소 이용 효율이 약간 낮기 때문입니다. 아세트산나트륨, 인 제거제, PAM, 차아염소산나트륨, 탈수 화학물질을 포함한 화학물질 비용은 총 0.151 CNY/m3입니다. 구체적인 사용량과 비용은 다음에 나와 있습니다.표 2.
슬러지는 주로 생물학적 및 화학적(응고조) 소스에서 발생합니다. 고압-압력 플레이트 및 프레임 여과는 석회 및 염화제2철을 컨디셔닝제로 사용합니다. 석회 투입량은 건조 슬러지 중량의 약 25%입니다. 탈수 케이크의 수분 함량은 60%입니다. 일일 탈수 슬러지 생산량은 약 9톤이며, 건조 슬러지 비생산량은 약 0.15%입니다. 슬러지 운송 비용은 250 CNY/ton이므로 슬러지 처리 비용은 약 0.118 CNY/m3입니다. 따라서 총 직접 생산 비용은 0.698 CNY/m3입니다.
5 결론
① 허베이성의 한 폐수처리장은 도시 폐수를 BIOLAK 공정으로 처리하며 *DB13/2795-2018*(준등급 IV 지표수 표준)의 핵심 관리 구역 제한을 안정적으로 충족하는 유출수 품질로 1년 동안 지속적으로 운영되었습니다.
② 다단계 A/O 공정의 변형으로, BIOLAK 폭기 구역 끝의 최대 DO를 0.5~1.0 mg/L로 제어하면 BIOLAK 구역에서 TN 제거율이 24.0%, 침전조에서 11.3%로 나타났습니다. 이는 질산화-탈질화와 내인성 탄소원 탈질화를 동시에 달성하여 상당한 질소 제거 능력을 입증했습니다.
③ BIOLAK 공정의 직접 운영비는 0.698 CNY/m3이다. 프로세스 데이터 모니터링 및 합리적인 내부 통제 목표 설정을 포함한 운영 최적화 조치는 유사한 폐수 처리장에서 운영을 최적화하고 에너지/비용 절감을 달성하기 위한 참고 자료를 제공할 수 있습니다.