폐수처리설계폐수처리설계

(1)

목포해양대학교 해양환경전공 김 우 항

폐수처리설계

(2)

제 5 장 생물학적 처리

(3)

1) 폐수의 생물학적 처리

목적 : 유기물의 안정화 및 비침강성 고형물의 응집제거 미생물의 역할 : 유기물을 가스나 세포조직으로 변환 물보다 비중이 약간 커 침강

2) 생물학적 처리의 개요

원리 : 폐수에 포함된 유기물을 박테리아나 원생동물등의 미생물을 이용하여 무기물화 하는 공정

5.1 생물학적 처리의 개요

호기성미생물

유기물 + O₂ + 영양염 → 새로운미생물 + CO₂ + H₂O + 최종생 성물

(4)

3) 증식단계

가 . 미생물의 세포 수에 따른 증식곡선

정체기 (lag phase) : 초기에 미생물이 적응하는 단계

대수증식기 (exponential phase) : 미생물의 분열속도가 최대 , 미 생물

의 크기는 최소 , 환경에 민감 , 분열시간 몇분에서 몇일 ( 대개 10-60 분 )

감소증식기 (decling growth phase) : 유기물과 필수영양물질의 감소로 인해 일어남 , 미생물의 증식속도 감소

최대정지기 (maximum stationary) : 증식속도와 사멸속도가 같아 짐

하강기 (increasing death) : 사멸속도가 증식속도를 초과 대수사멸기 (log death) : 사멸속도가 최대

나 . 미생물의 양에 따른 증식곡선 대수성장기

성장감퇴기 내생기

(5)

정체기

대수성장기

감소성장기 정지기 하 강 기

대 수 사 멸 기

박테리아 성장곡선

시 간 log

( 세 포 수 )

(6)

Engineering of wastewater treatment

전형적인 박테리아 성장곡선

(7)

미생물합성

Bacteria 미생물호흡 유기물

산소

새로운 세포

CO₂+H₂O+ --

미생물합성

Bacteria 미생물호흡 유기물

무산소

CH₄+CO₂+ -- 미생물합성

Bacteria 미생물호흡 CO_2, NH₄⁺

산소

NO₂^-, NO₃^-, + --

4) 박테리아의 물질대사

호기성 종속영양

호기성 독립영양

혐기성 종속영양

새로운 세포

(8)

- 화 학 유 기 종 속 영 양 생 물 (chemoorganotrophic heterotroph, chemoheterotroph 또 는 heterotroph) : 에너지 , 수소 , 전자 및 탄소원으로서 유 기화합물을 사용

ex) 박테리아 , 곰팡이 , 원생생물 및 동물

- 화학무기독립영양생물 (chemolithotrophic autotroph 또는 chemoautotroph): 탄소원으로 이산화탄소를 이용 하며 , 에너지와 전자를 얻기 위해 철 , 질소 , 황 분자 같은 환 원된 무기물을 산화시킴 .

ex) 황 - 산화 세균 , 수소 - 산화 세균 , 질화세균 , 철 - 산화 세 균

폐수처리에 사용되는 미생물

(9)

5) 생물학적 산화

유기물의 산화 ( 이화과정 )

CHONS( 유기물 ) + O₂ + bacteria

→ CO₂ + NH₃ + 에너지 + 기타 생성물

 합성 ( 동화과정 )

CHONS ( 유기물 ) + bacteria + 에너지

→ C₅H₇O₂N ( 증식 박테리 아 )

 자기산화 ( 내생호흡 )

C₅H₇O₂N + 5O₂ → 5CO₂ + NH₃ + 2H₂O + 에너지

(10)

6) 호기성 박테리아의 경험적 분자 식

• 호기성박테리아 (C₅H₇O₂N)

⇒ 인을 고려하였을 때 : C₆₀H₈₇O₂₇N₁₂P

• Fungi( 균류 ) : C₁₀H₁₇O₆N

• Algae( 조류 ) : C₅H₈O₂N

• Protozoa( 원생동물 ):C₇H₁₄O₃N

• 혐기성 박테리아 : C⁵H⁹O³N

(11)

문제 1) 미생물의 증식단계를 설명하시오 .

문제 2) 미생물에 의한 유기물의 분해과정에서 이화과정과 동화 과정을 설명하시오 .

퀴즈 10-1

(12)

5.2.1 호기성 처리

1) 원리 : 유기물을 분해시에 산소를 필요로하는 박테리아에 의해서 처리하는 공정

2) 처리방법

부유미생물 : 활성슬러지법 , 접촉포기법 , 장기포기법 등 부착미생물 : 살수여상법 , 회전원판법 등

기타 : 연속회분식공정 , 산화지공정 , 접촉산화공정 등 3) 분해과정

5.2 호기성 및 혐기성 처리

호기성미생물

유기물 + O₂ → 미생물 + 에너지 +CO₂ + H₂O + 최종생성 물

(13)

5.2.2 혐기성 처리

1) 원리 : 유기물을 분해시에 산소를 필요로 하지 않는 박테리아에 의해서 처리하는 공정

2) 처리방법

부유미생물 : 임호프탱크 , 부패조 , 표준혐기성소화조 등 슬러지상공정 : UASB, 고정과립상공정 ,

혐기성 배플반응공정 등

부착미생물 : 고정상 부착 성장 공정 , 여과상공정 , 팽창상공정 , 유동상공정 등 3) 분해과정

유기산균 메탄생성균

유기물 → 유기산 → 메탄 (CO₂, H₂S, NH₃ 등 )

(14)

5.3 호기성 부유미생물 처리

5.3.1 개요

1)용존성 BOD(SBOD) : 활성슬러지 처리장에서 용존성 BOD 는 설계의 기준 . 생물학적 산화에 의해 제거 .

2) VSS (volatile suspended solids ) : 휘발성 부유고형물 3) NVSS : 비휘발성 부유고형물 , NVSS = TSS - VSS

4) MLVSS (X_v,a) : 포기조의 미생물 농도를 나타냄 5) MLSS = MLVSS + MLNVSS

MLVSS 대신 포기조의 미생물 농도도 사용

(15)

포 기 조 침전지

유 출 수

폐 슬 러 지

5.3.2 폐수의 물질수지

Q_F = Q_e + Q_w , 유입유량 = 유출유량 + 폐기량 r = Q_R/Q_F, 반송율 = 반송유량 / 유입유량

Q_R= rQ_F, 반송유량 = 반송율 * 유입유량 포기조 유입유량

Q_o = Q_F+ Q_R= Q_F(1+r)

Q_F

Q_R Q_o

Q_w Q_e

반송유량 유입유량

포기조 유입유량

(16)

예 제

포기조의 부피가 100 m³ 이고 유량이 100 m³/d 일 때 포기조에 서 체류시간을 계산하시오 . 또 반송 유량이 100 m³/d 일 때 포기 조로의 반송율과 포기조의 체류시간을 계산하시오 .

포기조 체류시간

T = V/Q = 100 m³ / 100 m³/d = 1d 반송율

r = Qr/Qf = 100/100 = 1 반송을 고려한 체류시간

T = V/(Qf+Qr )= 100 m³ / 200 m³/d = 0.5d

(17)

포기조부피 ,V

MLSS, X 침전지부피 , V_s 유입유량 ,Q

유입 BOD 농도 ,S

유출수량 , Q_e

유출 BOD 농도 ,S_e 유출수 SS, X_e

반송슬러지량 , Q_r

반송슬러지농도 , X_r 폐슬러지량 , Q_w 폐슬러지농도 , X_w

1) 용적부하 : 단위 용적당 1 일 유입 BOD 량 (kg BOD/m³.d)

V : 반응기의 부피 (m³) Q : 유량 (m³/d)

S : 유 입 수 BOD 농 도 (mg/l)

X : MLVSS 농도 (mg/l) HRT : 수 리 학 적 체 류 시 간 (hr)

( / 3. )

/

BOD kgBOD m d BOD

QS S V HRT

F M MLVSS

 

 

 

용적부하 유량유입

포기조용적

(18)

2) 슬러지부하 (F/M 비 ) : 단위 미생물당 1 일 유입 BOD 량 (kg BOD/kg MLVSS.d)

HRT X

S VX

QS

MLSS d BOD

m kgBOD BOD

 





 

포기조용적 유입 슬러지부하( / ³. ) 유량

(19)

예 제

폐수량 1000m³/d, BOD 200mg/l 인 폐수를 500m³ 의 포기조와 MLVSS 2000 mg/l 로 처리할 때 BOD 의 슬 러지부하 (F/M 비 ) 는 ?

F/M 비 =1000m³/d×0.2kg/m³ / 400m³×2kg/m³

= 0.25kg BOD/ kg MLVSS.d

(20)

예제

BOD 300mg/l, 유량이 4,000m³/d 의 폐수를 활성슬러 지 법 으 로 처 리 할 때 BOD 슬 러 지 부 하 0.5kg/kg.d, MLVSS 2000mg/l 로 하기 위하여 필요한 포기조의 용적 은 ?

BOD 슬러지부하 = BOD×Q/MLSS×V

V= 4000 m³/d ×300mg/l / 2000 mg/l×0.5kg/kg.d

= 1200m³

(21)

폐 수 량 1000m³/d, BOD 200mg/l 인 폐 수 를 400m³ 의 유효 용량의 포기조로 처리할 때 BOD 의 용 적부하는 ?

1000m³/d×0.2kg/m³ / 400m³ = 0.5kg/m³.d

문 제 1

퀴즈 10-2

(22)

활성슬러지의 BOD 용적부하가 0.4kg BOD/m³.d 이며 총 BOD 유입량은 750kg/d 이다 . 이 때 포기조의 수심을 4m 로 할 경우 포기조의 표면적은 ?

포기조의 용적 = 총 유입 BOD 량 / BOD 의 용적 부하

= 750/0.4 = 1875m³

포기조의 표면적은 = 1875/4 = 468.7m² 문 제 2

(23)

가 ) 정의 : 하수가 포기조에 머무는 시간 나 ) HRT = 포기조의 용적 / 유량

= V/Q ( 반송이 없을 때 ) r : 반송비

V : 포기조의 용적 Q : 유량

3) 수리학적 체류시간 (HRT. hydraulic retention time)

(1 ) HRT V

Q r

 

^{( 반송이 있을 때} ⁾

(24)

예 제

MLVSS 농도가 2000mg/ℓ 이고 , F/M 비가 0.2/day 인 폭기 조에 BOD 가 200mg/ℓ 인 폐수가 1000m³/day 로 유입 되고 있다 . 폭기조의 용량 (m³) 과 폭기조 내 체류 시간 (hr) 을 각각 구하시오 .

/ Q BOD V MLVSS F M

t V

Q

 





3

3 3

1000 200 2000 0.2 500

500 0.5 12

1000 /

V m

t m day hr

m day

  



  

(25)

가 ) 정의 : 반송유량을 유량으로 나눈 비 (R=Q_r/Q) 나 ) 유입수의 SS 를 무시할 경우

물질수지식 : X_rQ_r = X(Q+Q_r) 양변을 Q 로 나누고 정리하면

X_r R = X(1+R)

X_r ≒ 10⁶/SVI

다 ) 유입수의 SS 를 고려한 경우

물질수지식 : X_rQ_r + Q.SS= X(Q+Q_r) 양변을 Q 로 나누고 정리하면

X_r R + SS = X(1+R) R = (X-SS)/(X_r-X)

4) 슬러지의 반송비

포 기 조

침전지

유 입 수 유 출 수

반 송 슬 러 지 폐 슬 러 지

Q.SS

X_rQ_r

X(Q+Q_r)

6 r

X X

R= =

X -X 10 -X SVI

(26)

하수의 유량이 50,000m³/d, BOD 는 200mg/l. SS 는 0mg/l 이 다 . 포 기 조 의 용 량 은 10,000m³, MLSS 2,000mg/l 이고 반송슬러지의 농도가 12,000mg/l 이면 반송율은 얼마인가 ?

R = (X)/(Xr-X) = 2000/(12000- 2000)=0.20

예 제

(27)

문 제

슬럿지의 SVI 가 100 일 때 폭기조의 MLSS 농도를 2000mg/l 로 유지하기 위해서는 슬러지의 반송율 (%) 은 ? ( 단 , 원폐수 중의 SS 량은 무시하고 반송 슬러지의 농도는 혼합액을 30 분 간 정치했을 때의 농도와 같다 )

6

= 2000 0.25

10 -2000 100



(28)

가 ) 정의 : 고형물 ( 미생물 ) 이 포기조에 머무는 시간 나 ) SRT, solid retention time : 고형물 체류시간 생성되는 미생물 = 폐기되는 미생물량 이면

5) 고형물 체류시간 (SRT)

X : 포기조내 MLSS 농도 Xr : 반송슬러지의 농도 Xe : 유출수의 SS 농도 Q : 유량

Qw : 폐기유량

r w e

w r

w

Q X

VX )X

Q (Q

X Q

SRT VX 



 

(29)

예 제

포기조 용적이 10,000m³ 이고 MLSS 농도가 3g/l 인 활성 슬러지공정에서 고형물의 체류시간이 10 일이고 반송슬러지의 함수율이 99% 일 때 폐슬러지의 발생 유량 (m³/day) 은 얼마 인가 ? ( 슬러지의 밀도는 1 g/ml)

Qw = VX/XrSRT = 10,000×3/10/0.01 = 300m³/day

(30)

문 제 1

포기조의 용적이 1000m³ 이고 처리장으로 유입되는 폐수량 4000m³/day 로 유입되고 있다 . 2 차 침전지에서 포기조로 반송되는 반송유량이 5000m³/day 일 때 포기조의 체류 시 간 (hr) 을 구하시오 .

1000 0.2 4.8

4000 1000

r

t V day hr

 Q Q   

 

퀴즈 10-3

(31)

하수의 유량이 50,000m³/d, BOD 는 200mg/l. SS 는 200mg/l 이다 . 최초침전조에서 BOD, SS 제거율이 50% 이 고 , 포 기 조 의 용 량 은 10,000m³, MLSS 2,100mg/l 일 때 반송슬러지의 농도를 구하시오 . 단 , 반 송율은 20% 이다 .

포 기 조 유 입 수 의 SS 는 200(1-0.5) = 100mg/l

R = (X-SS)/(Xr-X) = 2100-100/Xr- 2100=0.20

0.20(Xr-2100) = 2000 Xr = 12100mg/l

문 제 2

(32)

포 기 조 내 MLSS 가 3000mg/l, 포 기 조 용 적 이 1000m³ 인 활성슬러지법의 최종침전지에서 매일 20m³ 의 폐슬러지를 뽑아서 소화조로 보내 처리한다 . 이 때 폐슬 러지의 농도가 10,000mg/l 라면 세포의 평균체류시간 (SRT) 은 얼마인가 ? ( 단 , 2 차 처리수의 SS 는 0 이 다 .)

SRT = VX/QwXr

= 1000×3000/10000×20 = 15day

문 제 3

(33)

μ : 비성장속도 (/day)

μ_max : 최대성장속도 (/day) S : 기질의 농도 (mg/l)

K_s : 1/2μ_max 의 기질농도 (mg/l) 5.3.3 미생물 증식속도

max

[ ]

s

[ ] S K S

 ^ 



max

[ ]

m

[ ] V S V  K S



2) Michaelis-Menten 식 1) Monod 식

(34)

Kim Woo-Hang, Mokpo National Maritime University

* [S]= K_m 일 때 V =V_max/2

* [S]≫ K_m 일 때 V= V _max

* [S]≪ K_m 일 때

V= (V _max/K_m)[S]

위의 식을 그래프로 나타내면

[S]

K

[S]

V V

m

max

 

[S]

, V

(35)

Michaelis-Menten 식에서 걸리는 시간

비성장속도 V 는 유기물 제거 속도의 함수이므로 -dS/dt 로 나타낼 수 있다 .

max

dS dt

( 1)

ln ( )

m

m m

o

m o

o

m o

V S K S

K S K

dS dS V dt

S S

K S S S V t

S

K S S S

t S

V

 



    

  

 



max[ ]

m [ ] V S V  K S



(36)

예 제

V_max =40 mg/l min, K_m=100 mg/l 일 때 유기물의 농도가 1000mg/l 에서

100mg/l 로 감소하는데 걸리는 시간을 Michaeles-Menten 식을 이용하 여 구하시오 .

dS/dt= - V_max [S]/(K_m + [S] )

(K_m + C )/C dC = - V_maxdt (K_m/C +1)dC = - V_maxdt

K_m ln(Co/C)+(Co-C) = V_max t t = K_s ln(Co/C)+(Co-C)/ V_max

= [100 ×ln10 +(1000-100)] /40 = 28.3 min

(37)

예 제

효 소 반 응 속 도 와 기 질 의 농 도 가 다 음 과 같 은 때 Lineweaver Burke plot 를 이용하여 V_max 와 K_m 을 구하라 .

S (mg/l) 10 100 1000 10000 V (/day) 0.1 0.5 1.2 2.5

1/S 0.1 0.01 0.001 0.0001 1/V (day) 10 2 0.83 0.4

1/V = [K_m]/V_max1/[S] + 1/V_max 1/V_max = 0.72

V_max = 1.387

[K_m]/V_max= 93.1 [K_m] = 129.2mg/l

(38)

문제

Michaelis-Menten 식에 의하여 정의된 반응의 80% 가 완료되는데 걸리는 시간은 ? ( 단 , 이때 초기기질농도 = 32 mg/ℓ, 최대반응속도 V_max = 4.3 mg/ℓ.hr, 상수 K_m = 1.5

mg/ℓ 이다 )

= 1.5 ln(32/6.4)+(32-6.4) / 4.3 = 6.5hr

max

dS dt

( 1)

ln ( )

m

m m

o

m o

m o o

V S K S

K S K

dS dS V dt

S S

K S S S V t

S

K S S S

t S

V

 



    

  

 



(39)

3) 호기성 미생물의 기질분해 메커니즘

기질 (BOD)

최종생성물

CO₂+ H₂O +

…

새로운 세포 에너지 ,

a

세포합성 Y ,

내생호흡 k_d, b

(40)

(1) 박테리아

* 성분 : 물 : 80% ,

고형물 : 20% : 유기물 90%

무기물 10%

* 화학식 C₅H₇O₂N

C₆₀H₈₇O₂₃N₁₂P (2) 미생물생성계수

미생물의 생성계수 Y

6 12 6 2 3 5 7 2 2 2

3C H O 8O  2NH  2C H O N 8CO 14H O

5 7 2 6 12 6

( ) 2 113

0.42 / glucose

( ) 3 180

C H O N

Y g cells g

C H O

 

  

 

(41)

(3) ThOD 로 환산

(4) 박테리아의 ThOD 값 계산

C₅H₇O₂N +5O₂ →5CO₂ + 2H₂O +NH₃ 분자량 113 5×32

박테리아 1kg 을 ThOD 로 나타내면

kg O₂/kg 박테리아 = 160/113 = 1.42

6 12 6 2 2 2

2

2 6 12 6

5 7 2

6 6 6

( ) 6 32

1.07 / glucose

( ) 180

( ) 2 113

0.39 / ThOD

( ) 3 180 1.07

C H O O CO H O

ThOD O g O g

C H O C H O N

Y g cells g

ThOD

  

 

  



 

  

  

(42)

(5) 소비된 산소량

제거된 ThOD = 세포생성 ThOD + 산화된 ThOD( 무기화 ) 산화된 ThOD 는 소비된 산소량과 동일하므로

소비된 산소량 = 제거된 ThOD- 세포생성 ThOD

= 577.8 g - 320.9 g = 256.9g O₂

단위 ThOD 당 소비된 산소량 ( 산소소비계수 a)

2

256.9

0.44 / ThOD glucose 3 (1.07 / glucose)(180 g glucose/mole) g O g

mole g ThOD g

 

소비된산소 as BOD

1mole ) cells )(2mole 113g

cells g

O 1.42g (

1mole ) glucose

)(3mole 180g glucose

g

O 1.07g

( ²   ² 



(43)

시료 1 m³ 내에 22.6 kg 의 포도당 (C₆H₁₂O₆) 을 포함하고 있다 . 만약 포도당 1 kg 당 미생물 0.5 kg 이 합성되었다면 , 포도당이 세포로 합성 및 최종생성물로 완전 산화되는데 필요한 산소의 양을 계산하시오 . 산화에 의한 최종생성물은 탄산가스와 물이다 . ( 단 , 반응식은 다음과 같다 .)

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ →6CO₂ + 6H₂O

C₆H₁₂O₆ + O₂ + NH₃→ C₅H₇O₂N + CO₂ + 4H₂O 예 제

(44)

1) 박테리아의 세포합성에 이용된 포도당의 양은

박테리아의 세포합성 = 22.6 kg × 0.5/ 1 = 11.3 kg 세포에 이용된 포도당 = 11.3 × 180/113 = 18 kg 2) 이용된 산소량

박테리아 합성에 사용된 산소량 =18×32/180 = 3.2 kg 남은 포도당이 완전산화 하는데 필요한 산소량

= (22.6-18) × 192/180 = 4.9 kg 총 산소 소비량 = 8.1 kg

(45)

시료 1 m³ 내에 22.6 kg 의 카세인 (C₈H₁₂O₃N₂) 을 포함하 고 있다 . 만약 카세인 1 kg 당 미생물 0.5 kg 이 합성되었다 면 , 카세인이 세포로 합성 및 최종생성물로 완전 산화되는데 필 요한 산소의 양을 계산하시오 . 산화에 의한 최종생성물은 탄산 가스와 암모니아 및 물이다 . 단 , 질소는 세포합성에 관여하지 않으며 암모니아로 전환되는 것으로 가정한다 . ( 반응식은 다음 과 같다 .)

C₈H₁₂O₃N₂ + 3O₂ → C₅H₇O₂N + 3CO₂ + NH₃ + H₂O 184 3^×32 113

C₈H₁₂O₃N₂ + 8O₂ → 8CO₂ + 2NH₃ + 3H₂O + 에너지 184 8×32

문 제 1

퀴즈 11-1

(46)

1) 박테리아의 세포합성에 이용된 카세인의 양은

박테리아의 세포합성 = 22.6 kg × 0.5/ 1 = 11.3 kg 세포에 이용된 카세인 = 11.3 × 184/113 = 18.4 kg 2) 이용된 산소량

박테리아 합성에 사용된 산소량 =18.4×96/184 = 9.6 kg 남은 카세인이 완전산화 하는데 필요한 산소량

= (22.6-18.4) × 256/184 = 5.8 kg 총 산소 소비량 = 15.4 kg

(47)

시료 1 L 내에 0.5 kg 의 카세인 (C₈H₁₂O₃N₂) 을 포함하고 있 다 . 만약 카세인 1 kg 당 미생물 0.5 kg 이 합성되었다면 , 카 세인이 세포로 합성 및 최종생성물로 완전 산화되는데 필요한 산 소의 양을 계산하시오 . 산화에 의한 최종생성물은 탄산가스와 암모니아 및 물이다 . 단 , 질소는 세포합성에 관여하지 않으며 암모니아로 전환되는 것으로 가정한다 . ( 반응식은 다음과 같 다 .)

1. 해당 반응식

C₈H₁₂O₃N₂ + 3O₂ → C₅H₇O₂N + 3CO₂ + NH₃ + H₂O 184 3^×32 113

C₈H₁₂O₃N₂ + 8O₂ → 8CO₂ + 2NH₃ + 3H₂O + 에너지 184 8×32

예 제

(48)

2. 박테리아의 세포합성에 이용된 카세인의 양은

박테리아의 세포합성 = 0.5 kg × 0.5/ 1 = 0.25 kg 세포에 이용된 카세인 = 0.25 × 184/113 = 0.407 kg 3. 이용된 산소량

박테리아 합성에 사용된 산소량 =0.407×96/184 = 0.21 kg 남은 카세인이 완전산화 하는데 필요한 산소량

= (0.5-0.407) × 256/184 = 0.13 kg 총 산소 소비량 = 0.34 kg

(49)

예 제

아래 그림에서 보는 바와 같이 반송이 없는 호기성 완전혼합 생물학적 처리 공정에서 500g/m³ 의 용존 BOD_u 가 유입된다 . 유량이 1000m³/d 이고 방류수의 BOD_u 와 VSS 의 농도는 각각 0g/m³, 200g/m³ 일 때 미생물의 생성계수와 이용된 산소량을 구하시오 . 단 , 유입수의 VSS 는 0 이다 .

유량 Q : 1000m³/d VSS: 0g/m³

BOD_u: 500g/m³

O₂

CO₂

Q : 1000m³/d VSS: 200g/m³ BOD_u: 0g/m³

(50)

기질의 호기성 분해 및 미생물의 성장

기질 (BOD)

최종생성물

CO₂+ H₂O +

…

a

(51)

1. 미생물의 생성계수

유기물 + O₂ + 영양물질 → C₅H₇O₂N +CO₂+H₂O 500g BOD/m³ 200g VSS/m³

- 생성된 VSS(g/d ) : 200 g/m³ × 1000m³/d = 200 kg/d

- 제거된 BOD (g/d) : (500-0)g BOD/m³× 1000m³/d =500 kg/d

- 미생물 생성계수 Y = 200/500 = 0.40 kg VSS/kg BOD 2. 소비된 산소량

소비된 산소량 = 제거된 BOD- 세포생성 BOD

- 제거된 BOD(g/d) = (500-0)g BOD/m³× 1000m³/d =500 kg/d

- 세 포 생 성 BOD (g/d) = 200 g/m³ × 1000m³/d ×1.42 O₂/VSS

= 284 kg/d - 산소소모량 = 500-284 = 216 kg/d 단위 BOD 당 소비된 산소량 = 216/500

= 0.432 kg O₂/kg BOD

(52)

문 제

아래 그림에서 보는 바와 같이 반송이 없는 호기성 완전혼합 생물학적 처리 공정에서 500g/m³ 의 용존 BOD_u 가 유입된다 . 유량이 1000m³/d 이고 방류수의 BOD_u 와 VSS 의 농도는 각각 10g/m³, 200g/m³ 일 때 미생물의 생성계수와 이용된 산소량을 구하시오 . 단 , 유입수의 VSS 는 0 이다 .

유량 Q : 1000m³/d BOD_u:

500g/m³

O₂

CO₂

Q : 1000m³/d VSS: 200g/m³ BOD_u: 10g/m³

(53)

1. 미생물의 생성계수

유기물 + O₂ + 영양물질 → C₅H₇O₂N +CO₂+H₂O 500g BOD/m³ 200g VSS/m³

- 생성된 VSS(g/d ) : 200 g/m³ × 1000m³/d = 200 kg/d

- 제거된 BOD (g/d) : (500-10)g BOD/m³× 1000m³/d =490 kg/d

- 미생물 생성계수 Y = 200/490 = 0.41 kg VSS/kg BOD 2. 소비된 산소량

소비된 산소량 = 제거된 BOD- 세포생성 BOD

- 제거된 BOD(g/d) = (500-10)g BOD/m³× 1000m³/d =490 kg/d

- 세 포 생 성 BOD (g/d) = 200 g/m³ × 1000m³/d ×1.42 O₂/VSS

= 284 kg/d - 산소소모량 = 490-284 = 206 kg/d 단위 BOD 당 소비된 산소량 = 206/490

= 0.42 kg O₂/kg BOD

(54)

5.3.4 내생호흡

호기성 미생물의 생성 및 분해

기질 (BOD)

최종생성물

CO₂+ H₂O +

…

a

(55)

1)k_d: 내생호흡 계수

반응조내 MLVSS = X_v,a V

산화된 미생물량 kg of MLVSS/day = k_d X_v,a V

2) b: 내생호흡 산소계수

내생호흡의 산소량 kg O₂/day = b X_v,a V b/ k_d = 1.42

MLVSS

of kg 반응조내

MLVSS/day

of kg 산화된 k_d 

MLVSS

of kg

O of kg

b ²

반응조내

소비된 내생호흡에



(56)

5.3.5 산소의 물질수지 1)기질산화에 필요한 산소량

kg O₂/day = a(S_o - S_e)Q_o = aS_r Q_o

S_r : BOD 제거 농도 , mg/liter Q_o : 유입유량 , m³/d

2) 내생호흡에 필요한 산소량 kg O₂/day = b X_v,a V

3) 총 산소 필요량

kg O₂/day = aS_r Q_o + b X_v,a V

MLVSS

of kg

O of kg

a ²

반응조내

소비된 산화에

 기질

MLVSS

of kg

O of kg

b ²

반응조내

소비된 내생호흡에



(57)

예 제

어떤 유기성 폐수를 활성슬러지법으로 처리하려고 한다 . 필요한 산소량을 나타내는 식이 다음과 같을 때 주입공기량을 구하시오 . 실험 결과 a = 0.5, b = 0.05/day 의 값을 얻었다 . 식 : S(kg O₂/day)= aLr + bSr, 여기서 , Lr : BOD 제거량 (kg/day) Sr : 반응조내 미생물량 (kg)

조건 : 원수의 BOD : 250mg/L 유량 : 1000 ㎥ /day 처리수의 BOD : 50mg/L 산소무게비율 : 23.2%

MLSS : 2000mg/L 산소전달률 : 5%

폭기조의 부피 : 200 ㎥ 공기밀도 : 1.2

(58)

2) 필요 산소량을 공기량 ( ㎥ /day) 으로 환산하시오 . 1) 필요한 산소량 (kg/day) 을 구하시오 .

X ㎥

AIR =

120kgO₂ 100kgAI

R ㎥ Air 100

= 8620 ㎥ /day day day 23.2kgO

2

1.2kgAIR 5

S = 0.5 × 0.2kg/ ㎥ × 1000 ㎥ /day + 0.05/day × 2kg/ ㎥ × 200 ㎥

= 120kg/day

(59)

문 제 1

아래 그림에서 보는 바와 같이 반송이 없는 호기성 완전혼합 생물학적 처리 공정에서 500g/m³ 의 용존 BOD_u 가 유입된다 . 유량이 1000m³/d 이고 방류수의 BOD_u 와 VSS 의 농도는 각각 10g/m³, 200g/m³ 일 때 미생물의 생성계수와 이용된 산소량을 구하시오 . 단 , 유입수의 VSS 는 0 이다 .

유량 Q : 1000m³/d BOD_u:

500g/m³

O₂

CO₂

Q : 1000m³/d VSS: 200g/m³ BOD_u: 10g/m³

퀴즈 11-2

(60)

문 제 2

어떤 유기성 폐수를 활성슬러지법으로 처리하려고 한다 . 필요한 산소량을 나타내는 식이 다음과 같을 때 주입공기량을 구하시오 . 실험 결과 a = 0.5, b = 0.07/day 의 값을 얻었다 . 식 : S(KgO₂/day)= aLr + bSr, 여기서 , Lr : BOD 제거량 (Kg/day) Sr : 반응조내 미생물량 (kg)

조건 : 원수의 BOD : 400mg/L 유량 : 5000 ㎥ /day 처리수의 BOD : 50mg/L 산소무게비율 : 23.2%

MLSS : 8000mg/L 산소전달률 : 5%

폭기조의 부피 : 1000 ㎥ 공기밀도 : 1.201

(61)

2) 필요 산소량을 공기량 ( ㎥ /day) 으로 환산하시오 . 1) 필요한 산소량 (Kg/day) 을 구하시오 .

X ㎥

AIR =

1435kg O₂

100kgAI

R ㎥ Air 100

= 10300.24

㎥ /day day day 23.2kgO

2

1.201kgAI

R 5

S = 0.5 × 0.35kg/ ㎥ × 5000 ㎥ /day + 0.07/day × 8kg/ ㎥ × 1000 ㎥

= 1435kg/day

(62)

5.3.6 비기질제거속도 상수 물질수지

유입기질량 = 유출기질량 + 분해된 기질량 Q_oS_o = Q_oS_e + (dS/dt)V

Q_o : 유입유량 , m³/d , S_o : 유입농도 , mg/l

S_e : 유출농도 , mg/l, V: 반응조 용적 , m³ , dS/dt : 기질제거속도

비기질제거속도 q 는

q = 1/X_v,a (dS/dt) , X_v,a: 반응조내 미생물 농도 , mg/l

t_h = V/Q 이므로

q = 1/X_v,a (dS/dt)= (S_o-S_e)/X_v,at_h= (S_o-S_e) Q_o/X_v,aV

(63)

기질의 제거속도가 1 차 반응이라고 가정하면 dS/dt = KS_e , K ; 속도상수

위의 두식을 합하여 정리하면

q = 1/X_v,a KS_e= (S_o-S_e)/X_v,a t_h k = K/X_v,a 로 두고 q 에 대해 정리하면 q = (S_o-S_e)/X_v,at_{h =}kS_e

k : 비기질제거 속도상수

(64)

비기질제거 속도상수 구하기

S_e q(S o-S e)/X v,a t h

k ( 비기질제거 속도상수 )

(65)

예 제

활성슬러지공정으로 실험한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다면 비기질제거상수 k 를 구하시오 .

Reactor

No. S_o(mg/l) S_e(mg/l) X_v,a(mg/l) Retention Time (d)

1 220 24.8 3200 2

2 160 13.3 3000 3

3 130 8.8 2800 4

4 110 6.7 2500 5

(66)

Reactor

No. S_o(mg/l) S_e(mg/l) X_v,a(mg/l) Retention

Time (hr) q(/d)

1 220 24.8 3200 2 0.0305

2 160 13.3 3000 3 0.0163

3 130 8.8 2800 4 0.0108

4 110 6.7 2500 5 0.0083

비기질제거속도 q 는

처리수농도 와 비기질제거속도 q 를 플롯하여 비기질제거속 도상수 k 를 구하면

0.0012 l/mg.day

(67)

(68)

문 제

활성슬러지공정으로 실험한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다면 비기질제거상수 k 를 구하시오 .

Reactor No. S_o(mg/l) S_e(mg/l) X_v,a(mg/l) Retention Time (d)

1 500 80 500 6

2 500 44 1000 6

3 500 24 2000 6

4 500 12 4000 6

(69)

비기질제거속도 q 는

0.0018 kg BOD/kg MLVSS.day

Reactor No. So(mg/l) S_e(mg/l) X_v,a(mg/l) Retention

Time (hr) q(/d)

1 500 80 500 6 0.1400

2 500 44 1000 6 0.0760

3 500 24 2000 6 0.0397

4 500 12 4000 6 0.0203

(70)

(71)

5.3.7 미생물 순 생성량

1) 동화에 의한 미생물 생성량 Y(S_o-S_e)Q_o = Y S_rQ_o 2) 내생호흡에 의한 미생물 감소량

kg MLVSS oxidized /day = k_d X_v,a V 3) 미생물의 순 생성량 , ΔX_v

kg MLVSS /day = ΔX_v = Y(S_o-Se) Q_o - k_d X_v,a V

폐수처리설계폐수처리설계