이 세계 최대 MABR 시스템은 통기 과정에 대한 이해를 바꿀 것입니다!
현재 대부분의 전통적인 폐수 처리장에서는 폭기 공정의 에너지 소비가 공장 전체 에너지 사용량의 50% 이상을 차지하므로 에너지 절약 가능성이 큽니다. MABR 기술은 막을 통한 선택적 산소 전달을 이용하여 산소를 공급하고 생물막 운반체 역할을 하는 생물학적 막 폐수 처리 기술로 폐수 처리 에너지 소비를 효과적으로 줄이고, 시설 부하를 늘리며, 질소 및 인 영양소 제거를 향상시킬 수 있습니다. 산소 요구량이 높은 폐수, 휘발성 유기 화합물 폐수 및 암모니아-질소 폐수를 처리하는 데 상당한 기술적 이점이 있습니다.
Hespeler 폐수 처리장: 세계에서 가장 큰 막 표면적 MABR 시스템
캐나다 온타리오 주 케임브리지에 위치한 Hespeler 폐수 처리장은 워털루 지역의 600명이 넘는 인구를 처리하는 13개 시설 중 하나입니다000.
원래 1973년에 건설된 이 공장은 1988년과 1992년에 업그레이드되었지만 이러한 업그레이드는 증가하는 인구 수요와 증가하는 폐수 처리 효율성 요구 사항을 충족하기에는 충분하지 않았습니다. 따라서 워털루 지방 정부는 헤스펠러 공장의 2차 처리 공정을 전면 점검하기로 결정했습니다.
헤스펠러 폐수처리장
2017년과 2018년 지방자치단체는 MABR 기술 설치에 대한 설계계획과 장기 성능, 경제성 등을 조사한 결과, 최종적으로 호기성 활성슬러지 시스템을 MABR/AO(무산소-산소) 복합공정 시스템으로 업그레이드하기로 결정했다. 2021년에 프로젝트가 시작되자 멤브레인 표면적 측면에서 세계 최대의 MABR 시스템이 되었습니다.
Hespeler 공장에 MABR 기술을 선택하기로 한 결정은 매우 유익한 것으로 입증되었습니다.
1. 에너지 절약의 관점에서:
Hespeler의 기존 호기성 활성 슬러지 공법과 관련하여 이 구간에서는 마이크로 버블 폭기에 산소가 필요하므로 전체 에너지의 60%를 소비했습니다. 업그레이드 과정에서 공장의 생화학적 에너지 소비가 40% 감소했습니다.
일반적인 폐수 처리장에서 기존의 폭기 방식은 송풍기나 기계적 폭기를 사용하여 공기나 순수한 산소를 기계적으로 폐수에 강제로 투입하는 방법입니다. 이러한 방법은 효과적이고 제어하기 쉽지만 많은 단점이 있습니다. 기포 통기 횟수가 많아 에너지 소비가 높고 운영 비용이 높으며 산소 전달 효율이 낮습니다.
MABR 기술과 달리 섬유막의 산소 함량은 통기가 시작된 후 내부와 외부 산소 함량의 차이에 의해 결정됩니다. 멤브레인 소재는 산소가 단일 분자로 용해 및 확산되어 멤브레인을 통해 확산될 수 있습니다. MABR은 기존의 폭기 방법과 비교하여 다음과 같은 몇 가지 장점을 가지고 있습니다.
그러나 산소는 생물막에 직접 전달될 수 있으며, 이는 액상을 통한 산소 전달 저항을 크게 감소시키고 100% 이상의 산소 활용도를 보장합니다. 기존 방법을 사용하면 산소 전달 효율이 1.5kg/(kW·h)에 불과한 반면 최대 6kg/(kW·h)까지 올라갈 수 있습니다.
◎ 미생물의 성장과 번식이 안정적인 환경입니다. MABR 통기강도가 약하여 막섬유에 부착된 미생물에 손상이 거의 없어 미생물의 성장이 안정됩니다.
◎ 이 에어레이션은 기포가 없으므로 일반적으로 기포를 통해 휘발성 성분이 공기 중으로 운반되는 것을 방지하여 2차 오염을 방지합니다. 또한, 미생물 대사로 인한 거품발생을 억제합니다.
◎ 산소 공급량을 쉽게 조절함으로써 반응에 필요한 최소 산소 요구량으로 인한 가스 낭비를 방지합니다.
2. 용량 확장 관점에서:
Hespeler 공장의 원래 처리 용량은 6,600m3/일이었습니다. 업그레이드 후 처리 용량은 40% 증가한 9,320m3/일로 증가했습니다.
MABR 장비는 컴팩트하고 공간을 거의 차지하지 않으며 기존 탱크에 직접 설치할 수 있습니다. 산소는 멤브레인을 통해 선택적으로 전달되어 기포 없는 통기가 가능하며 산소 전달 효율이 높습니다. 제공된 산소는 생물막에 의해 완전히 활용되어 산소 활용도가 높아지고 시스템의 바이오매스가 크게 증가하여 물리적 확장 없이 식물 용량 확장을 달성합니다.
MABR 업그레이드는 기존 폐수 처리장의 부하를 20%-40% 이상 증가시킬 수 있습니다.
MABR의 산소 이동 방향은 암모니아성 질소 및 유기물의 이동 방향과 반대 방향입니다. 질산화 박테리아는 막 표면 근처에서 우세한 성장을 형성하고 외부 생물막에 의해 보호됩니다. 이는 질산화 속도를 증가시킬 뿐만 아니라 질화 안정성도 보장합니다. 이러한 장점은 충격 부하가 있거나 추운 겨울철에 특히 두드러집니다.
업그레이드 전, 겨울 배출수 암모니아성 질소(최소 수온 10도)는 배출 기준 5mg/L를 초과했습니다. 업그레이드 후 배출수는 기준을 충족했습니다(겨울 배출 제한 < 5 mg/L, 여름 제한 < 2 mg/L).
또한 혐기성 또는 무산소 탱크에 MABR 반응기를 설치하면 질산화 및 탈질화가 동시에 가능합니다. 동일한 유출수 총질소 조건에서 A와 같은 다른 질소 제거 공정과 비교2O, 내부 재순환율을 감소시켜 탈질 효율을 높이고 탄소원과 에너지를 절약합니다.
MABR(막 통기형 생물막 반응기)에 영향을 미치는 세 가지 주요 요인
1. 폭기압력
MABR의 작동 압력은 멤브레인의 기포점 아래로 유지되어야 하므로 기포 없는 통기가 가능합니다.
◎ 압력이 너무 낮으면 생물막 내부에 용존산소가 충분하지 않아 호기성 질산화세균과 종속영양세균의 활동이 저하됩니다.
◎ 매우 높은 압력에서는 전체 생물막이 호기성 상태가 되어 혐기성 탈질균 및 기타 혐기성 균이 자라지 못하게 되어 탈질 과정에 악영향을 미칩니다.
실제로 처리효과는 구체적인 수질에 따른 적절한 수질강도 하에서 실제로 달성되어야 한다.
2. 물의 흐름 속도
미생물 부착 단계에서 과도한 유속은 미생물의 성장과 부착을 방해하므로 이 단계에서는 유속이 너무 높지 않습니다.
생물막이 형성되면 물 유속이 증가하여 액체 경계층 두께가 감소합니다. 안정적인 운전 시 생물막 두께가 안정화되면서 유속이 증가하면 액상의 경계층 두께가 감소하고 생물막 재생이 촉진되어 생물막 두께가 과도하게 감소되어 산소 및 오염물질 전달 효율이 증가합니다.
연구에 따르면 유출 유속은 미생물 성장과 생물막 두께에 영향을 미치는 요인 중 하나입니다.
◎ 경계층이 얇을수록 유속이 빨라지고 이에 상응하는 안정적인 생물막 두께가 형성되기 때문입니다.
◎ 오염물질 분해율을 높이려면 유속을 줄여야 하며, 안정한 생물막은 두껍고, 유속이 낮을 때는 안정한 생물막이 두꺼워야 합니다.
3. 폐수의 탄소, 질소, 인 비율
적절한 C:N:P 비율은 MABR 생물막에서 미생물 성장을 촉진하여 반응기에서 동시 질화 및 탈질화를 촉진합니다.
◎ C:N 비율이 낮은 경우에는 탈질소화에 필요한 탄소원 수요를 충족시키기에 유기탄소 농도가 부족하여 총질소 제거효율에 영향을 미친다.
◎ C:N 비율이 너무 높으면 호기성 종속영양세균이 증식하여 다량의 산소를 소비하게 되어 용존산소 농도가 낮아지고 질산화가 방해됩니다.
MABR(막 통기형 생물막 반응기)에 대한 4가지 일반적인 응용 시나리오
- 고암모니아질소 폐수 처리
- 농촌 가정 하수 처리를 위한 통합 장치
- 도시 하천수의 생물학적 복원
- 더 나은 성능을 위해 폐수 처리장 업그레이드
실제로 최근 몇 년 동안 MABR은 전 세계적으로 폐수 처리장에 점점 더 많이 적용되고 있습니다.
예를 들어, 미국 일리노이주 YBSD 폐수처리장에서는 원래의 호기성 생물반응기 10개가 혐기성 탱크 2개, MABR 무산소 탱크 2개, 호기성 탱크 6개로 업그레이드되었으며, 무산소 탱크에는 MABR 모듈 12개가 설치되었습니다. 이는 기존 호기성 공정을 질소, 인 제거 공정으로 전환해 처리 능력을 높이는 동시에 생물학적 질소, 인 제거를 강화한다는 목표를 달성한 것이다.
MABR 시스템의 생물막 순화기간은 3주에 불과하였고, 폐수처리 시스템이 완전히 가동된 후 유입수 BOD5 부하는 0.60 kg/(m3·day)로 이전 대비 47% 증가하였다. 업그레이드 수준.
공장의 최종 폐수는 폐수 BOD를 통해 모든 설계 기대치를 충족했습니다.5<10 mg/L, total suspended solids (TSS) < 10 mg/L, NH3-N < 1.5 mg/L, and TP < 1.0 mg/L. The average oxygen transfer rate (OTR) and oxygen transfer efficiency (OTE) were 10.8 g/(m2·day) and 33.3%, respectively.
생물막의 미생물 개체군 분석에서는 암모니아 산화 박테리아(AOB)와 아질산염 산화 박테리아(NOB)가 미생물 개체수의 40%를 차지하는 것으로 나타났으며 이는 기존 활성 슬러지 공정보다 4배 이상 높은 수치입니다.
또한, 같은 규모의 플랜트에 대한 CAS 공정(투자비 2,500만 달러, 공사기간 2.5년)에 비해 MABR 공정은 투자비 500만 달러, 공사기간 1년에 불과하며, 비용과 공사기간을 대폭 단축합니다.