The Upflow Multilayer Bio-Reactor (UMBR)/Oxic process was developed to remove nutrients from wastewater. The UMBR having multiple functions of denitrification, anaerobic reaction, and sludge thickening is an upflow and plug-flow reactor which could maintain high concentration of biomass in the UMBR could be maintained. This process train was the same as the conventional activated sludge process except replacing a primary settling tank with the UMBR. Since the primary settling tank in a conventional process can be easily retrofitted to the UMBR, the UMBR/Oxic process could be a viable alternative to conventional BNR processes. The main objective of this study was to develop and to verify the UMBR/Oxic process model applying a biological settling model, and to evalute the characteristics of the process with the process model.
As results, the biological settling model was developed by combining one-dimensional layer model with ASM No. 3 $+$ bio-P module and verified with opearating result of the lab-scale and semi-pilot UMBR/Oxic process. This model could simulate the all components in the UMBR and the clarifier according to their depth and confirm the characteristics of the UMBR/Oxic process. And the UMBR/Oxic process has high potential to remove nitrogen in low COD/N ratio in the experimental results. This high TN removal efficiency was due to high biomass concentration in the UMBR. TN removal was mainly affected by TCOD/TN ratio of influent but became better after the process acclimimated. On the other hand, TP removal was not stable and generally dependent of the amount of wasted sludge. Enhanced biological phosphorus removal was not active in the UMBR/Oxic process. And the UMBR could play a role of a sludge thickening. MLSS of wasted sludge from the bottom of the UMBR was very high.
Sensitivity analysis was conducted by the `single parameter method (SPM)`. As results, sensitivity of parameters and components about heterotrophic organisms was dependent on the initial conditions of batch tests (e.g. F/M ratio). And estimation of parameters and components about autotrophic organisms could be inhibited by organic matters. Identification analysis was conducted by the SPM and Monte-Carlo method (MCM) and `R-square` was applied to absolutely quantify the identification of parameters. Almost sensitive parameters and components were identifable. Especially $Y_{STOO}$ and $Y_{STONO}$ were very sensitive and identifiable under high F/M ratio. The combination parameters, $b_{HO}X_{H}$ and $b_{HNO}X_{H}$ had better sensitivity than each a parameter under low F/M ratio. The simulated settling curve with settling parameters estimated by the suggested simple method, and the observed settling curve had good agreement. And the empirical relationship between SSVI$_{3.5}$ and settling parameters ($k$, $n$), Pitman equation was modified with the simulation results of SSVI test and verified with the batch settling test. The simulated continuous experimental results by the double exponential functions had good relationship with the observed results.The estimated settling parameter values by the batch settling experiment did not represent the sludge setteability under the batch and the continuous settling conditions.
본 연구에서 사용한 UMBR/Oxic process는 하수 내 질소와 인을 생물학적으로 처리하는 공정으로써 1차 침전조를 UMBR(Upflow Multilayer Bio-Reactor)로 개량하여 질소를 매우 효율적으로 처리한다. UMBR/Oxic Process의 핵심적 기능을 담당하고 있는 UMBR은 완전혼합형 반응조이 아닌 상향류 압출형 반응조이다. 하부에서 유입되는 하수와 질산성 질소가 많은 내부 반송수가 최종침전조에서 반송된 슬러지와 함께 유입되어 plug flow 형식으로 천천히 올라간다. 이와 같은 형식은 미생물을 고농도로 유지시킬 수 있고 높이별로 다른 환경조건을 만들어 줄 수 있다. 즉, 밑부분은 탈질을 위한 무산소조로 윗부분은 인방출을 위한 혐기조가 될 수 있다. 따라서 A2/O 공법에서 앞쪽의 혐기조와 무산소조가 UMBR 안에 모두 있는 것이다. 또한 고농도의 미생물로 인해 하수뿐만 아니라 독성 및 난분해성 폐수에 대한 처리도 기대할 수 있다. 본 연구의 목적은 침전조 모델과 생물학적 모델을 결합한 생물학적 침전 모델(biological settling model)을 이용하여 복잡한 현상을 나타내는 UMBR/Oxic process 모델을 개발하고 실험결과를 통하여 검증 및 본 공정의 특성을 파악하는 것이다.
UMBR/Oxic process 모델은 one-dimensional layer model과 ASM No. 3 $+$ Bio-P module을 결합하여 개발되어 있으며 lab-scale과 semi-pilot UMBR/Oxic process 연속 운전 결과를 이용하여 검증하였다. 수학적 모델과 실험결과를 바탕으로 UMBR/Oxic process의 높은 질소 제거율이 검증되었다. 질소 제거율은 유입 하수의 C/N 비에 의해 영향을 받지만 적응 후에는 낮은 C/N 비에서도 높은 질소제거율을 나타내었다. 또한 UMBR 내 높은 미생물 농도는 본 공정의 탈질 능력을 향상시킨다. 또한 내부 반송율 변화에 의한 영향 평가에서 내부 반송비가 증가함에 따라 UMBR 내에서 상향 유속의 증가로 미생물 농도가 감소하였으며 UMBR의 탈질 능력이 초과한 후로는 질소 제거율이 더 이상 증가하지 않고 오히려 감소하였다. 이와 같은 UMBR/Oxic process의 질소 제거 특징은 실험결과와 모델결과 모두에서 확인되었다. UMBR은 슬러지 농축조 역할을 동시에 수행하였으며 하부에서 폐기된 슬러지 농도는 20--30 g/L로 매우 높았다. 즉, UMBR/Oxic process는 농축조를 따로 운영할 필요가 없다. 하지만 인제거에 있어서는 UMBR이 무산소조로 사용되는 경우에 PAOs가 성장하지 못하므로 EBPR 현상은 나타나지 않았지만 폐기되는 슬러지 내 인함량은 재래식 활성슬러지 공정보다는 매우 높았다.
ASM3P 내 수많은 모델 상수는 single parameter method(SPM)와 Monte Carlo method (MCM)를 이용하여 회분식 실험(OUR, NUR, PRU)에 대한 민감도와 식별성 분석을 실시하였다. 모델 상수는 각각의 회분식 실험 F/M 조건에 따라 민감도와 식별성에 영향을 받았다. SPM과 MCM은 모델 상수의 민감도와 식별성을 평가하는데 효과적으로 사용되었으며, 식별성 인자로 R-square 값은 좋은 대표값을 제시하였다. 본 연구에서는 침전 모델 상수를 추정 방법으로 간단한 최적화 방법이 제시되었고, 기존의 Pitman 경험식을 모델 결과를 이용하여 보정하였다. 또한 5가지의 침전 속도식을 평가하여 지수형태의 침전속도식이 비교적 정확한 것을 확인하였다. 하지만 회분식 실험으로 추정된 침전 속도 상수는 연속 침전 실험을 모사하는데 오차를 나타내었다.
