명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 mbr 하수고도처리 및 무방류...

31
명명명명명 명명명명명명명 명명명명명명 MBR 명명명명명명 명 명명명 명명명 명명 명명명명명 : 명명명 / 명명명 명명명명명 : 명명명 , 명명명 , Chackrit N. 2002/03/22

Upload: alexia-jacobs

Post on 27-Dec-2015

239 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

원격자동제어MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발

연구책임자 : 안규홍 / 이용훈참여연구원 : 조진우 , 서영우 , Chackrit N.

2002/03/22

Page 2: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

금수강산 21- 필요성

골프장골프장• 농약 (RUN OFF, 지하수 )• 환경호르몬류

점오염원점오염원• 질소 , 인 및 유기물• 산업폐수• 환경호르몬류

비점오염원비점오염원• 질소 , 인• 농약 등 환경 호르몬• 표면 유출 및 지하수 침투

정수정수장장

축산폐수축산폐수• 고농도 질소 및 유기물• 항생제등 난분해성 물질

200

250

300

350

400

1994 2001 2006 2011연도

억톤

-30

-20

-10

0

10

20

30수요 공급 과부족

물부족 전망물부족 전망

0

1

2

3

4

1992 1994 1996 1998 2000

, m

g/L

농도

COD(mg/L) T- N(mg/L)

팔당호 수질팔당호 수질

2 급수 COD

1 급수 COD

5 급수 T-N

2 급수 T-N

Page 3: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

축산폐수축산폐수

점오염원점오염원

골프장골프장

비점오염원비점오염원

환경호르몬 관리기술

환경호르몬 관리기술

호소정화 및 호소정화 및 관리기술 관리기술

팔당호

중수도

오염예방기술

중수도

오염예방기술

정수장정수장

일급음용수 일급음용수 생산기술생산기술

금수강산 21- 연구개요

Page 4: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

금수강산 21- 과제 구성

환경신소재 이용 오염예방 및 요소기술 개발

하이브리드 수처리시스템 개발

환경호르몬 조기검출및 저감기술 개발

안규홍 / 이용훈 ( 최승일)

유영숙 / 정봉철

박대원 / 심상준금 수 강 산

21송휴섭 / 안규홍

상수원 오염 자동감시온라인 센서 및 시스템 개발

이석헌 / 신평균

환경공정

미래기술

재료 시스템

생체과학

Page 5: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

금수강산 21- 연구체계

- 서울대 , 고려대 ,

연세대 , KAIST,KJIST 등

총 27 개 대학

학계학계- 대기업

- 벤처형 중소기업

기업기업

- 건설기술연구원- 환경정책평가원

연구소연구소

- 국립환경연구원- 한강수질검사소- 한국수자원공사

국공립기관국공립기관- 미국 일리노이주립대- 미국 델라웨어주립대

-독일 KIST-유럽연구소

-테국 AIT 대학

해외해외

• 미래기술연구본부 • 환경공정연구부• 재료연구부• 시스템연구부• 생체과학연구부

금수강산 21연구사업단 (KIST)

• 청화대 비서실• 국무총리실 수질개선기획단 • 환경부• 건설교통부• 경기도 등 지차체

자문단 Pool

Page 6: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

환경신소재 이용오염예방 및

요소기술 개발

금수강산 21- 환경신소재 이용 오염예방 및 요소기술 개발

고분자 분리막 소재 및 표면개질기술 개발

정범석

원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류

시스템 개발

안규홍 / 이용훈

수처리용 분해분리소재 기술 개발

김구대 / 최승일

미래 시스템

재료

Page 7: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

I. Backgrounds

II. Research Objectives and Scopes

III. Materials and Methods

IV. Results & Discussions

CONTENTS

Page 8: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

General Backgrounds

+

Membrane Bioreact

or

Submerged-typeMembrane BioReactor

=

Settling

Sludge Returning

Why MBR?

Page 9: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

General Backgrounds

SMBR MBR fouling control by uplifting air compact and low energy consumption

fouling control by crossflow high energy consumption

Influent

Bioreactor

PEffluent

Suction pump

(submerged membrane)(submerged membrane)

Influent

Bioreactor

Effluent

Recircultionpump

(side-stream membrane)(side-stream membrane)

P

Page 10: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

General Backgrounds

Fouling Additional Operating Cost

Backwashing

Chemical washing

Energy consumption

Replacement Prediction of Membrane fouling is very important

What is the main problem?

Page 11: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

General Backgrounds

Membrane type Module type Operating strategy Cleaning strategy

Current issue : The role of SMP on membrane fouling

Fouling control

Organics Nutrients Biomass conc. Operating strategy

Water Quality

SRT HRT MLSS Wastewater Quality

Fouling factors

SMP

SMP relationship with fouling control & water quality

Page 12: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Research Objectives and Scopes

Development of SMBR system for wastewater treatment

Construct MMI system Provide MMI protocol versatile to other systems

Remote access via internet Real time maintenance and data collection

Remote control & monitoring

Zero-Discharging system Particulate free effluent Less Sludge Production

Optimal MBR operation Flux for stable MBR operation Physical & chemical cleaning methods for fouling control

Advanced wastewater treatment using membrane

Page 13: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Research Objectives and Scopes

Compare simulation results with experimental data from bench scale MBR

1.Establish mathematical model describing water quality and membrane fouling

2.Determine kinetic parameters by independent batch test1) Water quality : Kinetic parameters related with

EPS2) Membrane fouling : Specific resistance

3.Model evaluation & Simulations

1) Modifying ASM introducing EPS as soluble matters

2) Applying membrane fouling model

TSS and EPS as major membrane foulants

Introducing Specific resistance for considering EPS effects

3) Sensitivity analysis

Page 14: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Materials and Methods

Bench-scale SMBR system

SP

BPFPPM1,2,3

FM

AFM

AB

Temp

DO

Level

Membrane Module

Air LiftFeed Tank Effluent Tank

Wastewater

Effluent

Comparing data from bench scale MBR with simulation result

10L/min/moduleAeratio

n

Polyethylene with hydrophilic coating, 0.4 ㎛ hollow-fiber (MF, Mitsubishi Rayon, Japan) Effective filtration area of 0.2m2/module

Membrane

Municipal wastewaterInfluen

t

Suction

Resting

Backwashing

8 min.

2 min.

30 sec.

Page 15: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Materials and Methods

Remote monitoring and control

Control Center (KIST)

Local System (Kwangjoo)

Operator

MBR Reactor

CentralControl Center

Local ControlCenter

Remote Control

Monitoring/Alert Signal

(GUI system) InternetWAPMobile phone

Real-time monitoring

Real-time control

Data acquisiti

onOperation/System control

Monitoring Factors : Pressure, Flow-rate, DO, Temp, Level

Control Factors : Flow-rate, Operation time/interval, Aeration

Page 16: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Materials and Methods

Overall Modeling Structure

Influent

Modified ASM introducing SMP

Membrane fouling model Mass transfer onto Membrane

∆Resistance∆Transmembrane pressure

SSMP, XTSS

Effluent

Page 17: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Materials and Methods

Membrane fouling : Resistance in series Model

( )Attach TSS EPS

dmJ X S

dt

m Accumulated mass on membrane surface

Membrane(Rm)Shear stress

Permeate

t

PJ=

R

(Air bubbling effect)

Coefficient of crossflow effects (Shear force effects)

Km

Page 18: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Materials and Methods

αBiomass with SMP = fn (Conc. of Biomass & SMP)

10.5

Nitrogen gas

Solution reservoir

Magnetic stirrer

Flow meter

Pressure gauge

Membrane

Data collection

Permeate

Measuring Specific Resistance

Investigate the effects of TSS with EPS on membrane fouling Conditions : TSS=3,000;5,000;8,000;10,000;15,000 (mg MLSS/L) SMP=1;2;5;10;20 (relative concentration)

Page 19: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Materials and Methods

Extraction and Measurement of EPS

TOC analysis &Collect for batch test

Sampling & Centrifuging

Discard

Centrifuging

Washing with Saline and re-suspending by D.I water

Resin

Hydrophobic zone

Oligomer and small organics

Extracelluar ploymersPO4n-

COO-

OH-

N+ Bacteria

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Page 20: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

Design & operating parameters for a bench-scale SMBR system

- Effects of design parameters on hydrodynamic

conditions

- Effects of operating parameters on fouling and

critical flux Pressure gauge Permeate

Suction pump

Flow meterP

Dm Dm DWDW

Db

Dto

pD

mh

Blower 20.00 25.00 30.000.00 5.00 10.00 15.000.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

20.00 25.00 30.000.00 5.00 10.00 15.000.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

20.00 25.00 30.000.00 5.00 10.00 15.000.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

Page 21: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

SMBR System installed in Kwangjoo WWTP

Green Korea 21 SMBR Plant Site Bench-scale MBR system

Page 22: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

Total Suspended Solids accumulation

0

3000

6000

9000

12000

15000

0 20 40 60 80 100

15LMH 15LMH

Sludge Wasting

10LMH

Operating Days

To

tal

Su

spen

ded

So

lid

s (m

g

ML

SS

/L)

Operation halt two times for system repair

System AcclimationInitial MLSS 3,000mg/L

No Sludge wasting for 80 days

Sludge production rate for 80 days = 0.1gMLSS/day

MLSS 11,000±1,000mg/L

Page 23: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

Flux variation due to membrane fouling

Flu

x (J

s/Jo

)

Operating Days

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80

10LMH

15LMH 15LMH

System AcclimationInitial MLSS 3,000mg/L

Operation halt two times for system repair

No Feeding

MLSS 11,000±1,000mg/L

Outstream chemical washing

Page 24: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

Effluent Quality Under Extended Aeration

0

100

200

300

400

500

0 20 40 60 80 100

Time elapsed(day)

TCOD variations

influent

effluent

mg

CO

Dc

r/L

TSS variations

Time elapsed(day)

TS

S (

mg

ML

SS

/L)

0

100

200

300

400

500

0 20 40 60 80 100

influent

No TSS in effluent (100% removal) More than 90% removal of TCOD

Page 25: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

Model simulations for various conditions

Control factors : SRT, HRT, F/M RatioMonitoring factors : effluent quality and membrane flux variation The usage of simulation results

Predict effluent quality in given conditions

Determine optimal membrane regeneration time

Determine SRT and HRT for minimizing membrane fouling

Page 26: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

Effects of SRT on flux decline

The rate of flux decline tends to increase with SRT

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 5 10 15 20 25

Operation time, Day

Sp

ec

ific

flu

x, J

/Jo

SRT=2

SRT=5

SRT=10

SRT=20

SRT=100

Page 27: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

Effects of SRT on cleaning cycle

Cleaning cycle interval decrease with increasing SRT up to 20 days

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100

SRT, Day

Cle

an

ing

Cy

cle

, D

ay

Js/Jo=0.2 Js/Jo=0.3 Js/Jo=0.5

Page 28: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

Effects of SRT on TSS accumulation rate

The amount of TSS accumulation reaches a steady state value

0

20

40

60

80

0 5 10 15 20 25

Operation time, Day

Re

lati

ve

co

nc

. of

TS

S

SRT=2 SRT=5 SRT=10

SRT=20 SRT=50 SRT=100

Page 29: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

Effects of SRT and F/M ratio on SMP

Region I : The relative SMP conc. decreases with increasing SRT

Region II : The relative SMP conc. seems to be independent of SRT

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

F/M Ratio

Re

lati

ve

co

nc

. of

SM

P

SRT=2

SRT=5

SRT=10

SRT=50

SRT=100

Region IIRegion I

F/M < 1.2 F/M > 1.2

Page 30: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Results and Discussions

Composition of effluent COD

The refractory matters such as SMP and inert soluble substances are critical factors affecting the effluent quality

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

2 5 10 20 50 100

SRT, Day

Co

nte

nt

of

Eff

lue

nt

CO

D, %

Readily biodegradable Inert soluble SMP

Page 31: 명지대학교 환경생물공학과 원격자동제어 MBR 하수고도처리 및 무방류 시스템 개발 연구책임자 : 안규홍 / 이용훈 참여연구원 : 조진우,

명지대학교 환경생물공학과

Thanks for your attention !