본 연구에서는 연속식 회분반응기(SBR)의 단점을 보완하기 위하여 개발된 Internal circulation sequencing batch reactor(IC-SBR)을 이용하여 고농도로 유입되는 질소 및 인의 처리효율을 향상시키고자 한 것으로, IC-SBR은"침전" 과정에서 압밀된 슬러지 하단부에 분배관을 통해 상등액과 원수를 혼합하여 유입함으로서 먼저 처리된 상등액으로 인한 유입수의 혼합효과가 일어나 유입 농도를 희석함으로서 처리효율을 높일 수 있는 공정으로 전탈질을 도모하게 되어 반응조 내 용존 산소의 농도가 낮을수록 탈질율을 증대할 수 있으며, 본 장치는 교반이 없이 상등액을 표면 하단부에서 흡입하고 유입수와 혼합하여 압밀 슬러지 층으로 하단 주입하므로 표면의 교란이 없어 산소 투과율을 최소화 할 수 있으며 혼합된 유입수와 상등액은 압밀 슬러지층을 통과하므로 고도로 농축된 슬러지 층에서 산소소모율을 높일 수 있는 장점이 있다.
하지만 기 개발된 IC-SBR의 경우 전체면적에서 상등액이 슬러지를 이용할 수 있도록 하는 내부순환관의 개선이 필요하며, 후탈질의 과정에서 유기물의 부족으로 처리효율이 떨어지는 것을 방지하기 위한 다단계유입을 추가하여 후탈질의 처리효율을 높이는 것을 목적으로 하였다.
실험 결과 내부순환관 유출구의 위치 및 흐름방향, 내부순환관의 재배열 등을 적용하여 개선된 내부순환관으로 반응조를 구현하여 운전한 결과 비포기 구간에서 기존의 SBR운영보다 더 빠르게 용존산소가 제거됨을 확인하였으며 탈질반응 역시 처리효율이 약 68% 증가함을 나타내었다. 이는 기존 SBR에서 비포기구간 운영 시 교반보다 내부순환이 외부 산소와의 접촉을 차단시켜 보다 빠르게 무산소 조건에 도달 시킨다고 보여진다.
또한 기존의 SBR과 달리 탈질과정 시 부족한 유기물을 보충하기 위한 수단으로 다단계 유입을 실시한 결과 다단계 유입을 진행할수록 보다 낮은 유출수 농도를 가질 수 있음을 확인하였으며, C/N비, MLSS농도에 따라 최적 유입 비율이 달라져 C/N비 3이상, 3차 다단계 유입 시 가장 높은 효율의 질소 제거효율을 가지는 것을 확인하였다. 이로써 하수처리장의 다양한 유입 원수 성상에 따른 반응조의 운영 sequence를 제공할 수 있으며, 그 때의 처리효율을 미리 예측하고 대비할 수 있다.
한편, 반응조 운전 후 침전 전 단계에 포기구간을 삽입함으로써 비포기 구간에서 생성된 인의 흡수와 침전기능의 향상을 도모하였다. 그 결과 인의 처리효율은 눈에 띄게 감소하여 최고 99%까지 처리되었으며, 슬러지의 침전성능을 SVI값을 활용하여 나타낸 결과 간헐포기를 진행 한 경우 SVI값이 70으로 현저하게 감소하여 약 53% 침전성능이 향상되었다. 이로써 간헐포기의 삽입을 통해 하수의 고도처리가 원활하게 이루어질 수 있음을 확인하였으며 침전성능의 향상은 유입과 유출이 한 반응조에서 이루어지는 SBR의 구조 상 보다 많은 처리 유량을 설정할 수 있어 반응조 대비 높은 처리용량을 가지는 반응조를 설계할 수 있다. Lab-scale의 IC-SBR 반응조를 토대로 Pilot-scale IC-SBR반응조를 구현하여 실제 하수처리장의 유입 원수를 이용하여 실험을 진행한 결과 내부순환관을 통해 전체적면으로 반응조 상등액이 순환함을 확인하였으며 용존산소의 감소 및 전탈질 효율이 증대됨을 확인하였다. 또한 다단계 유입을 통해 다단계 유입 시의 처리효율을 산출한 결과 약 17%의 처리효율이 증대됨을 확인하였다.