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SUMMARY

목차

1. 연구개발과제의 개요 28

1-1. 연구개발 목적 30

1-2. 연구개발의 필요성 32

1-3. 최종목표 및 연구개발 범위 35

가. 최종목표 35

나. 연구개발 범위 37

2. 국내외 기술개발 현황 40

3. 연구수행내용 및 결과 58

3-1. 현지 현황 분석 60

가. 현지 폐수처리장 운영현황 및 분석 60

나. 시료 채취·분석 및 시스템 설계치 고려사항 67

3-2. Test Bed 최적설계를 위한 여과장치 유동해석 71

가. 기술원리 및 구조 71

나. 사이클론 여과장치 유동해석 75

다. 입자 여과장치 유동해석 80

3-3. 3,000톤/일 실증시설 설계 표준화 및 상세설계 94

가. 전처리 여과장치 상세설계 94

나. 열교환기 상세설계 104

3-4. 3,000톤/일 실증시설 운전결과 및 분석 116

가. Pilot 설비 운전 위치파악 및 최적의 Test Bed 설치지점 검토 116

나. 3,000㎥/일 규모 Test Bed 부대시설, 500㎥/일 Pilot 설비제작 및 현장설치 118

다. 3,000톤/일 규모 실증 폐수열 회수설비 설치 144

라. 3,000㎥/일 규모 실증 폐수열 회수설비의 운전에 대한 결과분석 158

3-5. 화학적 처리공정에 대한 운영현황 검토 167

가. 이론적 고찰 167

나. 화학적 처리공정의 운영현황 및 분석 170

다. 기존 운영중인 DAF공정관련 운전변수에 대한 검토 174

라. 폐수열회수로 예상되는 약품투입량 절감 검토 187

3-6. DAF 대응형 응집모니터링시스템 구축을 위한 모듈개발 188

가. 상용화된 DAF 응집모니터링시스템 사례조사 188

나. DAF대응형 응집모니터링시스템 개발 189

3-7. DAF 대응형 응집컨트롤시스템 구축 및 현장실험 204

가. 응집컨트롤시스템 구축을 위한 기초실험 204

나. DAF 대응형 응집컨트롤시스템관련 현장실험 209

3-8. 기타 운영관리효율향상 방안 검토 223

가. TEST BED내 2차 침전지의 운영현황 223

나. 2차 침전지 계면측정시스템 구축 225

3-9. 제지공정 배출 폐수 부하 감축량 평가 및 유지관리비 예측 기술 개발 232

3-10. 연구개발 결과 요약 277

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도(환경적 성과 포함) 282

4-1. 목표달성도 284

4-2. 관련분야 기여도 286

5. 연구결과의 활용계획 288

6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 292

7. 연구개발결과의 보안등급 296

8. NTIS에 등록한 연구시설·장비 현황 300

9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 304

10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 308

11. 기타사항 312

12. 참고문헌 316

부록 : 기타 부록, 지침서, 매뉴얼, 안내서, 핸드북 등 320

표 1-1. Test Bed 현지 폐수처리장 문제점 분석 34

표 3-1. 대상폐수처리시설의 설비 및 운영현황 61

표 3-2. 제지폐수처리장 월별 포기조 MLSS 및 반송슬러지 농도분포 63

표 3-3. 제지폐수처리장 월별 부유물질(SS) 농도분포 63

표 3-4. 제지폐수처리장 월별 포기조 MLSS 및 반송 RSS 농도분포 64

표 3-5. 제지폐수처리장 월별 Main stream의 COD 농도분포 65

표 3-6. 대상폐수처리시설의 설비 및 운영현황 66

표 3-7. 대상폐수처리시설의 물리적 현상조사결과(6월~8월) 68

표 3-8. Cyclone 여과장치 규격 및 시나리오 설정 76

표 3-9. 입자여과 장치의 기본 설계구조 88

표 3-10. 입자여과 SUS Ball 크기 및 운전설계 시나리오 89

표 3-11. 원심여과장치 종류에 따른 발생압력 특징 94

표 3-12. Shell & Tube type의 열교환기 종류별 적용 및 비교 105

표 3-13. 예상 설치지점 및 장단점 117

표 3-14. 청수 및 폐수배관의 설치에 대한 파악 및 문제점 118

표 3-15. 온수배관 설치에 대한 파악 및 문제점 119

표 3-16. 폐수유입 및 유출 배관 설치에 대한 파악 및 문제점 120

표 3-17. 500톤/일 규모 Pilot 폐수열 회수설비 상세사양 122

표 3-18. 500㎤/일 Pilot 폐수열 회수설비의 운전결과에 대한 통계분석 129

표 3-19. 열효율을 결정짓는 다양한 시나리오 130

표 3-20. 월별 운영결과에 대한 통계분석 132

표 3-21. 단계별 부유물짙(SS) 농도 134

표 3-22. 단계별 부유물질(SS) 처리효율 135

표 3-23. 연료비 절감 및 온실가스 감축량 분석 136

표 3-24. 폐수열 회수설비의 운영현황과 문제점 파악 141

표 3-25. 3,000톤/일 폐수열 열교환기 사양 149

표 3-26. 제지 폐수열로부터 회수된 열에너지, 열손실 및 열효율 163

표 3-27. 폐수로부터 열에너지 회수에 대한 에너지 절감 및 수익분석 164

표 3-28. 회수된 열에너지로부터 온실가스 감축량 분석 165

표 3-28. 시료의 기본 성상 175

표 3-29. 발생폐수 침강전과 후의 폴리머 응집상태 비교 178

표 3-30. 처리수 침강전과 후의 폴리머 응집상태 비교 178

표 3-31. 발생폐수의 온도별 응집실험 결과 184

표 3-34. 발생폐수 온도별 침강 전·후의 폴리머 응집상태 비교 185

표 3-35. DAF전 혼합슬러지 용도별 응집실험 결과 186

표 3-36. DAF전 혼합슬러지의 온도별 침강 전·후의 폴리머 응집상태 비교 186

표 3-37. 탁도측정 시험용 LED광원 및 검출기 사양 190

표 3-38. 실험조건 및 대상시료의 SS농도 195

표 3-39. TEST BED 내 DAF 유입전 응집플럭의 침강특성 모니터링 결과 196

표 3-40. 전하기반 응집측정시스템 실험결과 203

표 3-41. 기존 운영중 응집조건에 대한 전하 중화 특성조사 205

표 3-42. 고정유량 운전 시 응집플럭의 특성 210

표 3-43. 변동 유량 시 운전조건 211

표 3-44. 변동유량 운전 시 응집플럭의 특성 211

표 3-45. 고정유량 운전 시 발생폐수의 특성 216

표 3-46. 변동유량 운전 시 발생폐수의 운전조건 217

표 3-47. 변동유량 운전 시 발생폐수의 특성 217

표 3-48. 운전 시 발생폐수의 특성 221

표 3-49. 제기공정 폐수처리 단계에서 발생되는 폐수의 특성 233

표 3-50. 응집·침전처리 전후의 SS, UVA254와 제거율 238

표 3-51. 시료의 특성 242

표 3-52. 응집제별 응집실험 조건 242

표 3-53. 응집공정 최적화를 위한 응집실험 조건 246

표 3-54. 제지공정 폐수 특징 246

표 3-55. 제지공정 폐수 수질 253

표 3-56. 응집실험 조건 253

표 3-57. CCD와 반응결과 255

표 3-58. 반응결과를 위한 다항식 모델의 계수 256

표 3-59. 월별 원폐수, 1차처리수, 방류수의 COD, SS 통계값 261

표 3-60. 월별 온도, 1차폭기조 MLSS, 2차폭기조 MLSS, 반송SS 통계값 262

표 3-61. 월평균 COD, SS 제거율 264

표 3-62. 변수들의 상관관계 265

표 3-62. 변수들의 상관관계(6월, 7월 데이터) 267

표 3-63. 폐수열 회수장치 전후 수질의 통계값 271

표 3-64. 폐수열 회수장치 폐수유량 및 전후 온도 통계값 274

그림 1-1. 종이의 제조공정 32

그림 1-2. 한솔아트원 신탄진 공장 33

그림 1-3. 한솔아트원 신탄진 공장 34

그림 2-1. 온도차 미활용에너지 분야 및 적용분류 42

그림 2-2. 최근 열회수 시스템의 기술개발 추진 현황 47

그림 3-1. 한솔아트원폐지공장 내 폐수처리장 공정도 및 위치도 60

그림 3-2. 제지공정 내 폐수처리 발생량 62

그림 3-3. 제지폐수처리장 포기조 MLSS 및 반송슬러지 농도분포 62

그림 3-4. 제지폐수처리장 유입 및 처리된 부유물질 농도분포 63

그림 3-5. 제지폐수처리장 포기조 MLSS 및 반송슬러지 농도 막대 그래프 64

그림 3-6. 제지폐수처리장 각 단위공정별 COD농도 변화 65

그림 3-7. 제지폐수처리장 단계별 COD 제거효율 65

그림 3-8. 제지폐수처리장 PAC 및 Anion폴리머 주입농도 분포 그래프 66

그림 3-9. 제지폐수처리장 황산제2철 및 황산 농도 분포 그래프 67

그림 3-10. 제지폐수처리장 초지폐수의 시료채취 67

그림 3-11. 대상폐수처리시설 조사사진 68

그림 3-12. 하폐수 처리에 관여하는 대표적 미생물의 최적온도 69

그림 3-13. 멀티여과 장치 71

그림 3-14. 1단계 원심력 사이클론(Cyclone) 여과장치 72

그림 3-15. 2단계 구심력 여과장치 72

그림 3-16. 3/4단계 SUS Ball 입자 여과장치 73

그림 3-17. 수치해석의 정의 74

그림 3-18. 원심력 사이클론 Case별 3차원 도면 기본 프레임 77

그림 3-19. Case별 유입속도에 따른 압력부하에 대한 유동장 분석 77

그림 3-20. Case별 유입속도에 따른 압력부하에 대한 유동장 분석 78

그림 3-21. Case별 유입속도에 따른 압력부하에 대한 유동장 분석 79

그림 3-22. Case2에 대한 유입속도에 따른 부유물질(SS) 제거효율에 대한 유동장 분석 79

그림 3-23. 유체 부유물질 입자의 제거원리 81

그림 3-24. 입자여과 여재(Media)의 배열과 구조 82

그림 3-25. 유체의 무질서 램던 충진 가정에 따른 난류형성 가정 85

그림 3-26. 입자여과의 압력강화(ΔP) 86

그림 3-27. 4.9mm SUS Ball 크기에 대한 유체흐름의 유동장 분석 89

그림 3-28. 4.9mm SUS Ball 크기에 대한 입자 레이놀드수 유체흐름의 분석 90

그림 3-29. SUS Ball size에 따른 여과유속 및 압력변화 유동장 분석 90

그림 3-30. SUS Ball 크기에 따른 시간에 따른 압력부하 대한 유동장 분석 91

그림 3-31. 여과시간에 따른 유입 SS 대비 유출농도에 대한 분석 92

그림 3-32. 여과시간에 따른 SUS Ball 크기별 부유물질 제거효율에 대한 유동장 92

그림 3-33. 원심입자여과장치의 설계 94

그림 3-34. 한계입경과 내통과의 관계 97

그림 3-35. 구심입자여과장치의 설계 102

그림 3-36. Floating Type Heat Exchanger 104

그림 3-37. Fixed Type Heat Exchanger 104

그림 3-38. U-Tube Heat Exchanger 105

그림 3-39. Pilot 설비 운전 및 최적의 Test bed 설치지점을 위한 현장점검 116

그림 3-40. Pilot 설비 운전 및 최적의 Test bed 설치지점 117

그림 3-41. 청수(clean water) 및 폐수(wastewater) 배관공사 118

그림 3-42. 온수(Recovery hot water from wastewater heat) 배관공사 119

그림 3-43. 폐수열 회수설비의 폐수 유입 및 유출 배관공사검 120

그림 3-44. 폐수열 회수설비의 제작과정 흐름도 121

그림 3-45. Pilot 폐수열 설비의 기본 하부 base 제작 123

그림 3-46. Pilot Plant 설비 중 전처리 장치에 해당하는 여과설비 제작 구성도 124

그림 3-47. Pilot Plant(열교환부) 가공·제작 및 최적의 Test bed 현장 설치완료 125

그림 3-48. Pilot Plant 제어반 구성품 제작 126

그림 3-49. 3,000톤/일 규모 전처리 여과장치 제작 127

그림 3-50. 500톤/일 규모 Pilot 폐수열 회수설비 현장설치 128

그림 3-51. 500㎥/일 Pilot 폐수열 회수설비의 운전결과 시계열 그래프 129

그림 3-52. 500톤/일 Pilot 폐수열 회수설비의 열효율 시계열 그래프 130

그림 3-53. 폐수열 회수설비의 월별 막대 시계열 그래프 133

그림 3-54. 폐수열 회수설비의 열효율 월별 막대 시계열 그래프 133

그림 3-55. 폐수열 회수설비의 열량 막대 시계열 그래프 133

그림 3-56. 멀티여과 장치 단계별 부유물질 처리효율 135

그림 3-57. 폐수열 회수설비의 열량 막대 시계열 그래프 136

그림 3-58. 설계치 대비 운영치의 변화패턴 확인 142

그림 3-59. 3,000톤/일 규모 테스트베드 설치지점 변경 143

그림 3-60. 3,000톤/일 규모 폐수열회수설비 제작 145

그림 3-61. 3,000톤/일 규모 폐수열 회수설비 설치 145

그림 3-62. 3,000톤/일 규모 실증시설 중 폐수열 유입라인 공사 146

그림 3-63. 3,000톤/일 규모 실증시설 중 폐수열 유입라인 공사 147

그림 3-64. 3,000톤/일 규모 실증시설 중 온수 배관 라인 공사 147

그림 3-65. 3,000톤/일 규모 실증시설 중 연결배관 및 계장공사 148

그림 3-66. 3,000톤/열 규모 테스트베드 설치 149

그림 3-67. 3,000톤/일 규모 테스트베드 설비 중 전처리 Sus ball 입자여과기 150

그림 3-68. 폐수열 회수시스템을 이용한 폐수열 회수설비의 공정도 154

그림 3-69. 폐수열 회수시스템을 이용한 폐수열 회수설비 중 PLC 모니터링 화면 154

그림 3-70. 3,000㎥/일 폐수열 회수 실증설비 운전 및 데이터 수집 158

그림 3-71. 3,000톤/일 폐수열 회수 실증설비 운전결과에 대한 데이터 리포팅 159

그림 3-72. 폐수유입수에 대한 온도변화 특성분석 160

그림 3-73. 페수열 열교환 유입과 유출에 대한 온도변화 특성분석 161

그림 3-74. 열교환기로부터 폐수열 회수에 대한 온도변화 162

그림 3-75. 열교환기로부터 폐수열 회수에 대한 온도빈도 분포도 162

그림 3-76. 열에너지 빈도분포 분석 164

그림 3-77. 온실가스 감축량 모델에 대한 실측값 대비 예측값 정확도 166

그림 3-78. 응집슬러지 형태 167

그림 3-79. 전기이중층 모식도 168

그림 3-80. Z.P에 따른 입자의 분산특성 168

그림 3-81. pH변화에 따른 Z.P값 변화 169

그림 3-82. 현장에서 활용되고 있는 대표적 응집제 주입 방식 169

그림 3-83. TEST BED 내 DAF 전경 170

그림 3-84. TEST BED 내 DAF공정의 운영 Flow 171

그림 3-85. DAF공정 처리수의 COD농도(a) 및 SS농도(b) 변화 172

그림 3-86. DAF공정 전·후의 COD(a) 및 SS농도(b)의 변화 173

그림 3-87. 생물 반응조 수온과 DAF공정 처리수 COD(a) 및 SS농도(b)변화 173

그림 3-88. TEST BED에서 사용하는 ANION POLYMER(a)와 PAC(5%)(b) 174

그림 3-89. Jar-Test 시험순서 175

그림 3-90. 5% PAC 투입 및 pH 조정 후의 응집상태 (a : 침강전, b : 침강후) 175

그림 3-91. 발생폐수에 대한 폴리머 JAR-TEST 결과 176

그림 3-92. 초고속교반을 이용환 응집 TEST 176

그림 3-93. 침전전과 후의 폴리머 응집상태 비교 177

그림 3-94. TEST BED의 원수 및 응집운전시의 입도분포(a : 원수, b : 응집 반응 후) 179

그림 3-95. TEST BED의 원수의 적정 응집시 입도분포 (a : pH 조정 전, b : pH 조정 후) 180

그림 3-96. 발생폐수의 응집특성에 따른 CODMn농도 변화 181

그림 3-97. DAF공정으로 유입되는 유량의 변화 182

그림 3-98. DAF공정으로 유입되는 SS농도의 변화 182

그림 3-99. DAF공정 유입량 대비 약품량 조절 현황 183

그림 3-100. 발생폐수시료 온도 조정 184

그림 3-101. DAF전 혼합슬러지의 온도 조정 185

그림 3-102. 유동흐름 전위와 적정 곡선 188

그림 3-103. SCD 측정기기 188

그림 3-104. Jar-Test 실험방법 189

그림 3-105. 탁도측정용 표준시약 및 제조된 시험용 시약 190

그림 3-106. HACH사 분광광도계 측정Method를 활용한 탁도 검량선 190

그림 3-107. HACH사 분광광도계 흡광도를 활용한 탁도 검량선 191

그림 3-108. 분광광도계 흡광도를 활용한 4가지 LED타입 파장별 탁도 검량선 191

그림 3-109. 개발용 LED광원을 활용한 탁도측정모듈 실험사진 192

그림 3-110. 개발용 LED광원을 활용환 탁도측정 가능성 실험결과 192

그림 3-111. 탁도기반 응집모니터링시스템 구성도 193

그림 3-112. 탁도기반 응집모니터링시스템 HMI 제작 194

그림 3-113. 투명한 실린더의 광원 및 광검출기 설계 194

그림 3-114. 응집측정에 대한 흐름도 195

그림 3-115. 침강기반 응집모니터링시스템 연속실험 Setting 사진 197

그림 3-116. 발생폐수의 연속응집에 대환 침강성 실험 197

그림 3-117. DAF처리수의 연속응집에 대한 침강성 실험 198

그림 3-118. 침강기반 응집모니터링시스템 원리 및 측정높이 199

그림 3-119. 침강기반 응집모니터링시스템의 응집측정에 대한 흐름도(a) 및 사진(b) 200

그림 3-120. 침강기반 응집모니터링시스템 측정패턴 201

그림 3-121. 침강기반 응집모니터링시스템 설계 구성도 201

그림 3-122. 전하기반장비 실험사진 202

그림 3-123. 응집제 주입 전·후의 측정값 변화 203

그림 3-124. 시간대별 폐수유량변화와 응집상등수 탁도변화 204

그림 3-125. 포터블 탁도 장치(a)와 오토샘플러(b) 205

그림 3-126. DAF공정 발생폐수(a)와 응집상등수(b)에 대한 전하값 측정 결과 206

그림 3-127. TEST BED에서 운영 중인 응집플럭(a) 및 적정 응집플럭(b)의 비교 207

그림 3-128. TEST BED에서 발생되는 폐수의 SS농도와 고형물 부피(SV)의 상관성 207

그림 3-129. 발생폐수의 고형물농도변화에 따른 약품의 주입량 변화 208

그림 3-130. 시간대별 폐수에 적정 PAC 주입시 pH 변화 209

그림 3-131. 침강기반 모니터링을 통한 응집컨트롤시스템 구성도 210

그림 3-132. 기존 응집조건슬러지(a) 과 개선 응집조건슬러지(b) 응집플럭의 비교 211

그림 3-133. 변동유량실험시 시간대별 탁도(a)와 플럭상태(b) 212

그림 3-134. 침강기반(a)과 탁도기반(b) 응집모니터링시스템의 HMI구성화면 212

그림 3-135. 고형물변동에 따른 침전높이의 변화 213

그림 3-136. 현장 DAF의 응집플럭과 본 연구용 DAF의 응집플럭의 차이 213

그림 3-137. 농축시료의 주입에 따른 침강기반 모니터링시스템 측정결과 214

그림 3-138. 탁도기반 모니터링을 통한 응집컨트롤시스템 구성도 215

그림 3-139. 발생폐수의 SV(a)와 연구용, 현장의 응집플럭(b) 상태 216

그림 3-130. 발생폐수의 시간대별 탁도상태 분석 218

그림 3-141. 가동중인 현장 응집플럭의 시간대별 탁도상태 분석 218

그림 3-142. 연구용 응집플럭의 시간대별 탁도상태 분석 218

그림 3-134. 고형물농도의 변화에 따른 탁도기반 모니터링시스템 측정값 변화 219

그림 3-144. 최적 응집컨트를시스템 구성도 220

그림 3-145. 기존 방식의 응집플럭(a)과 응집콘트롤시스템을 적용한 응집플럭(b)의 비교 221

그림 3-146. 약품량제어 설정창(a) 과 운전모드 변경창(b) 222

그림 3-147. DAF 대응형 최적 응집콘트롤 시스템 설치전경 222

그림 3-148. 2차 침전지 계면관리를 위한 대응방안 223

그림 3-149. TEST BED 호기조 말단의 SV30 변화 224

그림 3-150. TEST BED 2차 침전지의 시간대별 슬러지계면 변화 224

그림 3-151. TEST BED에서 운영되는 침전지의 전경(a)과 제원(b) 225

그림 3-152. 광학식센서를 이용한 계면측정시스템 설계 226

그림 3-153. 광학식센서를 이용한 계면측정시스템 설치 모식도 226

그림 3-154. 이미지센서를 이용한 계면측정시스템 설계 227

그림 3-155. 이미지센서를 이용한 계면측정시스템 설치 모식도 227

그림 3-156. 인력 계면측정(a)과 광학식센서를 이용한 측정(b, c, d) 228

그림 3-157. 슬러지계면의 인력 측정값과 개발품에 의한 측정값의 비교 229

그림 3-158. 이미지센서에 의한 슬러지계면층 모니터링 영상(슬러지계면 2.3m) 230

그림 3-159. 개발된 계면측면시스템의 설치방안 및 운영 자동화 알고리즘 230

그림 3-160. 제지공정 배출 폐수 주요 염원(USEPA, 1995) 232

그림 3-161. 현장 제지공정 배출 폐수 수질 235

그림 3-162. 제지공정 배출 폐수 처리 공정 실험 사진 236

그림 3-163. Jar-test 결과 237

그림 3-164. MLP 구조 239

그림 3-165. RSM을 위한 변수 수준 설정 예시 241

그림 3-166. 3차원 등고선 표면 그래프 예시 241

그림 3-167. 응집제 양에 따른 응집제별 수질변화 243

그림 3-168. pH에 따른 응집제별 수질변화 244

그림 3-169. 온도에 따른 응집제별 수질변화 245

그림 3-170. 응집처리 효율 예측을 위한 실험적 모델(회귀다항식) 적용 249

그림 3-171. 응집처리 효율 예측을 위한 실험적 모델(회귀지수식) 적용 250

그림 3-172. 응집처리 효율 예측을 위한 ANN 모델 적용 252

그림 3-173. 탁도에 대한 두 개의 독립변수의 반응표면 256

그림 3-174. SS에 대한 두 개의 독립변수의 반응표면 257

그림 3-175. COD에 대한 두 개의 독립변수의 반응표면 257

그림 3-176. 반응최적화 방법을 이용한 응집조건의 최적화 258

그림 3-177. 수질데이터 샘플링 지점 259

그림 3-178. 폐수발생량 260

그림 3-179. 일평균 COD, SS 제거율 추이 264

그림 3-180. COD와 SS의 상관관계 266

그림 3-181. 방류수 COD의 예측값과 실측값 비교 268

그림 3-182. 방류수 SS의 예측값과 실측값 비교 268

그림 3-183. 폐수열 회수장치 전후의 수질 270

그림 3-184. 폐수열 장치 전후 수질 예측을 위한 실험적 모델 적용 272

그림 3-185. 폐수열 장치 전후 수질 예측을 위한 ANN 모델 적용 273

그림 3-186. 폐수열 장치 전후 연료비 절감 예측을 위한 실험적 모델 적용 275