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논문명/저자명
UASB와 AF결합공정을 이용한 PTA폐수 처리효율 향상연구 = A study on PTA wastewater treatment performance enhancement by using combined UASB and AF processes / 전완명 인기도
발행사항
서울 : 중앙대학교 대학원, 2017.2
청구기호
TD 621.2 -17-1
형태사항
viii, 140 p. ; 26 cm
자료실
전자자료
제어번호
KDMT1201716692
주기사항
학위논문(박사) -- 중앙대학교 대학원, 기계공학부 열/유체/에너지전공, 2017.2. 지도교수: 김태국
원문

목차보기더보기

표제지

목차

Key to Abbreviations 10

제1장 서론 12

1.1. 연구 배경 및 필요성 12

1.2. 연구내용 및 목적 14

제2장 이론적 배경 16

2.1. PTA 개요 16

2.1.1. PTA 산업동향 16

2.1.2. PTA 제조공정 19

2.1.3. PTA 폐수의 발생 특성 21

2.2. PTA 처리공정 23

2.2.1. 물리화학적 처리 23

2.2.2. 혐기성 소화 28

제3장 CFD 해석 59

3.1. 서론 59

3.2. 다상유동해석 67

3.2.1. 다상유동해석의 기본개념 67

3.2.2. 다상유동 해석모델 69

3.2.3. Interphase exchange force 74

3.2.4. Eulerian granular method 77

3.3. CFD 해석방법 및 조건 82

3.4. CFD 해석 결과 91

3.4.1. UASB Zone 유동해석 결과 91

3.4.2. 반응조 내부의 그래뉼 입자 거동 100

3.4.3. AF Zone 유동해석 결과 103

3.5. 소결 107

제4장 실증 Plant를 이용한 처리효율 및 미생물 생장특성 분석 109

4.1. 서론 109

4.2. 실험장치 및 방법 110

4.2.1. 혐기성 반응조 110

4.2.2. 실험항목 및 방법 111

4.2.3. 유입수 성상분석 112

4.2.4. 운전조건 114

4.2.5. 그래뉼 분석 114

4.2.6. 미생물 활성평가 116

4.3. 실험결과 120

4.3.1. COD 제거효율 및 바이오가스 발생량 120

4.3.2. TA, BA, p-Toluene and 4-CBA 123

4.3.3. pH, Alkalinity and VFA/Alkalinity ratio 125

4.3.4. 그래뉼 특성분석 126

4.3.5. 미생물 활성평가 127

4.3.6. 미생물 증식량 산정 129

4.3.7. 공정별 경제성 평가 131

4.4. 소결 133

제5장 종합결론 135

참고문헌 137

국문초록 148

ABSTRACT 150

Table 2.1. PTA producing companies in Asia 17

Table 2.2. Characterization of the PTA wastewater 22

Table 2.3. Some characteristics of the aromatics present in PTA... 22

Table 2.4. Oxidation by-products(PTA manufacturing process by... 23

Table 2.5. Overall pseudo-first-order kinetic rate constants(κoverall),...(이미지참조) 24

Table 2.6. Important features of the various high-rate anaerobic wastewater treatment system 33

Table 2.7. Other design criteria for UASB reactors treating... 38

Table 2.8. Coefficients for stoichiometric equation for anaerobic... 46

Table 2.9. Advantage and disadvantage of anaerobic digestion... 47

Table 2.10. Summary of design parameters for completely mixed... 48

Table 2.11. Temperature range of each anaerobic bacteria 50

Table 2.12. Estimated minimum alkalinity as CaCO₃ required to maintain a... 52

Table 2.13. Nutrients requirements for anaerobic treatment 55

Table 2.14. Possible methods to control toxicity in anaerobic treatment 57

Table 2.15. Inhibitory degree over cation concentration 57

Table 3.1. Nomenclature of Momentum equation 72

Table 3.2. Solids pressure functions 78

Table 3.3. Radial distribution functions 79

Table 3.4. Solids shear viscosity functions 79

Table 3.5. Mesh condition 84

Table 4.1. Physical characteristics of anaerobic filter 111

Table 4.2. Influent wastewater characteristics 113

Table 4.3. Physical characteristics of target Granule 115

Table 4.4. Experimental conditions for BMP Test 116

Table 4.5. Medium ingredients for BMP Test 117

Table 4.6. Test summary during operating periods 122

Table 4.7. Summary of previous studies results 122

Table 4.8. Removal efficiency of TA, BA, p-toluene and 4-CBA 123

Table 4.9. Comparison of p-Tol removal efficiency 124

Table 4.10. EDX result summary 126

Table 4.11. Anaerobic granule production 130

Table 4.12. Economic analysis on anaerobic processes 131

Fig. 2.1. Business field using PTA 16

Fig. 2.2. PTA producing process 19

Fig. 2.3. Chemical reaction in PTA producing process 20

Fig. 2.4. Possible degradation pathway for TPA by advanced... 25

Fig. 2.5. Generation comparison of anaerobic digestion process 30

Fig. 2.6. Sludge concentration and volumetric loading over... 37

Fig. 2.7. Relationship on various parameters for sludge granulation 37

Fig. 2.8. Total suspended solids(㎎/L) and percent volatility on... 40

Fig. 2.9. Attached solids(express as ㎎/L) and percent volatility... 40

Fig. 2.10. Anaerobic digestion process 43

Fig. 2.11. General anaerobic degradation 44

Fig. 2.12. Anaerobic degradation on TA 45

Fig. 2.13. Optimum pH of acidogensis and methanogensis 51

Fig. 2.14. pH-CO₂-Alkalinity relation 53

Fig. 2.15. The effect of concentration of a typical inhibitory... 56

Fig. 3.1. Overview of CFD analysis procedure 62

Fig. 3.2. Procedure of SIMPLE scheme 63

Fig. 3.3. Analysis process of Ansys Workbench 65

Fig. 3.4. 3D modelling of a UASB and AF Zone 83

Fig. 3.5. Generated mesh condition of a UASB Zone 85

Fig. 3.6. Generated mesh condition of a AF Zone 86

Fig. 3.7. Boundary conditions of wall 89

Fig. 3.8. Flow analysis results by efflux angle of distributor(Side View) 92

Fig. 3.9. Flow analysis results by efflux angle of distributor(Top View) 94

Fig. 3.10. Flow analysis results by flow rate(Side View) 96

Fig. 3.11. Flow analysis results by flow rate(Top View) 98

Fig. 3.12. Granule conc. in effluent over inflow rate 99

Fig. 3.13. Particle tracking result for Granules 101

Fig. 3.14. Flow analysis result for outflow pipe(Side View) 104

Fig. 3.15. Flow analysis result for outflow pipe(Top View) 104

Fig. 3.16. Flow analysis result for outflow pipe and reactor(Side View) 106

Fig. 3.17. Flow analysis result for outflow pipe and reactor(Top View) 106

Fig. 4.1. Schematic diagram of a combined process of UASB and AF 110

Fig. 4.2. BMP Test procedure 118

Fig. 4.3. Pictures on experimental apparatuses 119

Fig. 4.4. Biogas production over VLR 121

Fig. 4.5. COD removal efficiency during operating periods 121

Fig. 4.6. VFA/Alkalinity ratio change during operating periods 125

Fig. 4.7. Scanning electron microscopy of suspended and Granule... 126

Fig. 4.8. Accumulative biogas yield over experimental periods 128

Fig. 4.9. Accumulative CH₄ yield over experimental periods 128

Fig. 4.10. COD variation over heights of anaerobic digestor 130

초록보기 더보기

 PTA 폐수를 처리하기 위해 UASB 공법 및 AF 공법 등의 혐기성 소화공법이 널리 사용되어왔다. 하지만, UASB 공법과 AF 공법은 그래뉼(Granule)의 Washout 및 Channeling 현상 등의 문제점이 있어 이를 해결하기 위한 노력이 계속되고 있다. 따라서 본 연구에서는 UASB와 AF 공정의 문제점을 해결하기 위해 UASB와 AF의 결합공정을 제시하였다. 또한, 결합공정의 처리특성을 분석하고 CFD를 활용해 반응조 내부의 수리학적 거동을 파악하였다. 유동해석 결과에 따르면 유입배관의 각도가 30° 및 45°인 경우 유속분포가 대칭적이고 Dead Zone인 영역이 적은 것으로 확인되었다. 반송유량이 1Q까지는 유속분포가 균일하고 적정한 와류가 형성되어 그래뉼이 UASB Zone에서 Washout되지 않고 일정층을 형성할 수 있을 것으로 예측되었으며, 실제 현장의 그래뉼 유출농도도 동일한 경향이 나타남을 확인하였다. 그래뉼 입자의 Particle tracking 결과 UASB Zone 상부의 3.5~4.5m 높이에서 특정 층을 형성하였으며, 이는 선행연구 결과에 비해 다소 높은 것으로 확인되었다. 최종 처리수의 방류유속은 0.57~0.73m/sec로 이론상의 유출유속인 0.62m/sec와 유사한 것으로 나타났다. COD 제거효율은 시운전 기간 동안 70% 이상 나타났다. 또한, 이 기간 동안의 VFA/Alkalinity 비가 0.15-0.31의 범위로 안정적으로 유지되었다. BMP Test 결과 메탄수율은 0.39L CH₄/gCOD로 나타나 안정적으로 그래뉼이 형성되어 COD 제거 및 메탄생성이 이루어진 것으로 판단된다. UASB와 AF결합공정의 경제성 평가에서 UASB변법공정과 AF공정에 대한 공사비 및 운영비에 있어서 경제성을 확보한 것으로 나타났으며, 다만 에너지 사용량에 있어서 UASB변법공정은 약 2.25배, AF공정은 약 63% 정도의 전력이 사용되는 것으로 평가되었다.

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