【상하수도공학】 2018 국가공무원 5급(기술) 제4문

2018 국가공무원 5급(기술) 제4문^]

 

추천글 : 【상하수도공학】 상하수도공학 목차 

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a. 화학의 기초

b. 산소요구량 

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Q. 고도하수처리 공정으로 A₂O 공정을 사용하고 있는 S시 하수처리장의 운영과 관련된 ⟨조건⟩은 다음과 같다. 물음에 답하시오. (단, 소수점 둘째자리에서 반올림하시오.)

 

 

Q1. S시 하수처리장에서 이론적 총질소 제거율을 구하고자 한다. 물질수지를 이용하여 1차 침전지의 총질소 제거율(%)과 2차 침전지의 내생탈질 질소 제거량(kg/d)을 각각 구하시오.

  

A1.

○ 문제에 대한 이해

○ A₂O 공정은 anaerobic-anoxic-oxic의 약자로 하수처리에서 질소와 인을 동시에 제거할 수 있게 만들어진 공법

○ TBOD (total BOD) : 생물학적으로 분해 가능한 유기물 전체. 250 mg/L

○ T-N (total nitrogen) : 암모니아성 질소, 아질산성·질산성 질소, 유기 질소 등 모든 질소 형태를 포함한 총 질소 농도. 50 mg/L

○ T-P (total phosphorus) : 인산염, 유기물에 포함된 인 등 모든 인 형태를 포함한 총 인 농도. 6 mg/L

○ SS (suspended solids) : 부유물질. 200 mg/L 

○ 내부 반송 200% : 호기조 출력수를 혐기조와 무산소조 사이로 보내는 비율이 유입수 유량 Q의 2배

○ 외부 반송 100% : 2차 침전지에서 침전된 슬러지를 1차 침전지 또는 혐기조로 되돌리는 비율이 유입수 유량 Q와 같음 

○ 1차 침전지의 총질소 제거율

○ 1차 침전지에서 입자성 질소량은 SS와 함께 제거됨 

○ 1차 침전지의 SS 제거율 60%

○ 1차 침전지로 유입되는 총질소의 30%가 입자성 성분이고, 이 중 60%가 SS와 함께 제거됨

○ 총질소 제거율(%) = 0.3 × 0.6 × 100 = 18%

○ 2차 침전지의 내생탈질 질소 제거량

○ 혐기조, 무산소조, 호기조를 거치면서 생물학적 질소 제거가 진행되어 다소 질소 제거량이 복잡하게 나타남

○ 문제에서는 2차 침전지에서 내생탈질로 인해 제거되는 질소량을 유입수의 총질소량의 4%로 명시했으므로 문제가 쉽게 풀림

○ 내생탈질 질소 제거량 = 10000 m³ Q/d × 1000 L / m³ × 50 mg T-N/L × 0.04 = 20 kg/d

 

Q2. 무산소조의 TBOD가 충분하여 탈질율이 100%라고 가정할 때, 유출수의 최종 총질소 제거율을 구하시오. 

 

A2. 

○ 생물반응조 (= 혐기조 + 무산소조 + 호기조)에서 입자성 질소가 모두 용해성 질소로 전환되므로 반송슬러지 및 혐기조 이후의 단계는 질소가 모두 용해성으로 가정한다. 즉, 그 단계에서 입자성 질소 = 0 mg/L.

○ 무산소조의 탈질 과정은 질산성 질소(즉, NO₃^-) →  질소(즉, N₂)와 같이 질소가 환원되는 과정으로, 산화를 하는 전자 공여체는 산소가 아니라 유기탄소원이다. 왜냐하면 탈질 과정은 혐기성 조건에서 진행되기 때문이다. 그러므로 TBOD가 충분하면 전자를 공여할 유기탄소원이 충분하므로, 탈질 반응이 원활하게 진행되어 탈질율이 100%에 도달할 수 있다.

○ 호기조를 거치기 전 용해성 질소는 탈질 과정을 거치기 위한 질산성 질소(즉, NO₃^-)는 아니라고 가정하자.

 

○ 유출수의 용해성 질소 = x mg/L 

○ 호기조 통과 후 용해성 질소 = y mg/L

 

○ 1차 침전지 통과 후 외부 반송슬러지와 섞이기 전 용해성 질소 = 50 mg/L × 0.7 = 35 mg/L

○ 1차 침전지 통과 후 외부 반송슬러지와 섞이기 전 입자성 질소 = 50 mg/L × 0.3 × (1 - 0.6) = 6 mg/L

○ 1차 침전지 통과 후 외부 반송슬러지와 섞인 후 용해성 질소 = (x + 35)/2 mg/L 

○ 1차 침전지 통과 후 외부 반송슬러지와 섞인 후 입자성 질소 = 3 mg/L

○ 혐기조에서 사용된 BOD = (250 mg/L × 50% × 52%)/2 = 32.5 mg/L

○ 미생물 세포합성 시 이용된 질소량 = 32.5 × 5% = 1.625 mg/L

○ 혐기조 통과 후 내부 반송슬러지와 섞이기 전 용해성 질소 = (x + 35)/2 + 3 - 1.625 mg/L

○ 혐기조 통과 후 내부 반송슬러지와 섞인 후 용해성 질소 = ((x + 35)/2 + 3 - 1.625 + y)/2 mg/L

○ 무산소조에서 사용된 BOD = (250 mg/L × 50% × 48%) / 4 = 15 mg/L

○ 미생물 세포합성 시 이용된 질소량은 15 × 5% = 0.75 mg/L

○ 무산소조에서 탈질 과정 및 세포 합성을 거친 후 용해성 질소 = ((x + 35)/2 + 3 - 1.625)/2 - 0.75 mg/L (∵ y는 질산성이므로 제거됨)

○ 호기조를 통과한 용해성 질소 = ((x + 35)/2 + 3 - 1.625)/2 - 0.75 mg/L (∵ 용해성 질소는 질산화되어 질산성 질소(즉, NO₃^-)로 변환)

○ 2차 침전지에서 내생 탈질되는 용해성 질소 = 20 kg/d / 10000 m³/d / 2 = 1 mg/L

○ 2차 침전지를 통과한 용해성 질소 = ((x + 35)/2 + 3 - 1.625)/2 - 0.75 - 1 mg/L

 

○ y = ((x + 35)/2 + 3 - 1.625)/2 - 0.75
○ x = ((x + 35)/2 + 3 - 1.625)/2 - 0.75 - 1

○ ∴ x = 10.25

○ ∴ 유출수의 최종 총질소 제거율 = (1 - 10.25 / 50) × 100 = 79.5% 

 

Q3. 무산소조의 탈질율이 ⟨조건 2⟩의 ⑨에 의해 제한을 받는다고 할 때, 유출수의 최종 총질소 제거율을 구하시오.

 

A3. 

○ 유출수의 용해성 질소 = x mg/L

○ 호기조 통과 후 용해성 질소 = y mg/L

 

○ 1차 침전지 통과 후 외부 반송슬러지와 섞이기 전 용해성 질소 = 50 mg/L × 0.7 = 35 mg/L

○ 1차 침전지 통과 후 외부 반송슬러지와 섞이기 전 입자성 질소 = 50 mg/L × 0.3 × (1 - 0.6) = 6 mg/L

○ 1차 침전지 통과 후 외부 반송슬러지와 섞인 후 용해성 질소 = (x + 35)/2 mg/L 

○ 1차 침전지 통과 후 외부 반송슬러지와 섞인 후 입자성 질소 = 3 mg/L

○ 혐기조에서 사용된 BOD = (250 mg/L × 50% × 52%) / 2 = 32.5 mg/L

○ 미생물 세포합성 시 이용된 질소량 = 32.5 × 5% = 1.625 mg/L

○ 혐기조 통과 후 내부 반송슬러지와 섞이기 전 용해성 질소 = (x + 35)/2 + 3 - 1.625 mg/L

○ 혐기조 통과 후 내부 반송슬러지와 섞인 후 용해성 질소 = ((x + 35)/2 + 3 - 1.625 + y)/2 mg/L

○ 무산소조에서 사용된 BOD = (250 mg/L × 50% × 48%) / 4 = 15 mg/L

○ 이므로 미생물 세포합성 시 이용된 질소량 = 15 × 5% = 0.75 mg/L

○ 무산소조에서 탈질된 질소량의 상한 = 15 mg/L / 3.0 = 5 mg/L 

○ 무산소조에서 탈질 과정 및 세포 합성을 거친 후 용해성 질소 = ( (x + 35)/2 + 3 - 1.625 + y - min(y, 5) )/2 - 0.75 mg/L 

○ 호기조를 통과한 용해성 질소 = ( (x + 35)/2 + 3 - 1.625 + y - min(y, 5) )/2 - 0.75 mg/L

○ 2차 침전지에서 내생 탈질되는 용해성 질소 = 20 kg/d / 10000 m³/d / 2 = 1 mg/L 

○ 2차 침전지를 통과한 용해성 질소 = ( (x + 35)/2 + 3 - 1.625 + y - min(y, 5) )/2 - 0.75 - 1 mg/L

 

○ y = ( (x + 35)/2 + 3 - 1.625 + y - min(y, 5) )/2 - 0.75

○ x = ( (x + 35)/2 + 3 - 1.625 + y - min(y, 5) )/2 - 0.75 - 1

○ ∴ x = 22.75 mg/L, y = 23.75 mg/L (ref) (즉, min(y, 5) = 5가 성립하는 상황)

○ ∴ 유출수의 최종 총질소 제거율 = (1 - 22.75 / 50) × 100 = 54.5% 

 

입력: 2024.12.17 07:55