A Mathematical Model for the Behavior of Nitrogen and Phosphorus During the Aerobic Digestion

호기성 소화과정 중 질소 및 인의 거동에 대한 수학적 모형

A mathematical model was developed to predict the concentrations of various nutrients in supernatants during aerobic digestion which is suitable to be employed in small wastewater treatment plants with such advantages as low capital cost and stable process. Significant reactions were determined with observing the behavior of nitrgen and phosphorus, and the model equations were built up in the form of simultaneous differential equations considering Mass Balance. Laboratory batch experiments were carried out at $20^{\circ}C$ and pH $7.5{\pm}0.5$ on the aerobic digestion of waste activated sludge at different solid levels. Nonlinear regression analysis was performed to estimate various reaction rate constants. The developed model can predict the behavior of Biomass N, dissolved organic N, $NH_4{^-}$-N, $NO_x{^-}$-N, and Biomass P, dissolved organic P, $PO_4{^-}$-P in aerobic digestion process. In this study, the results of simulation showed that dissolved nutrients had more effects on supernatants than nutrients in biomass, and phosphorus was more effective on supernatants than nitrogen.

혐기성 소화에 비해 낮은 시설비 및 공정의 안정성 등의 장점으로 중소규모 하수처리장의 슬리지 처리에 적합한 호기성 소화의 상징액내 영양염류 농도를 예측하기 위하여, 본 연구에서는 질소 및 인의 거동 관찰로 주요반응을 규정하고 물질수지를 고려해서 연립미분방정식 형태로 수학적 모형을 수립하였다. 하수처리장의 폐활성슬러지를 시료로 하여 초기 고형물 농도 수준을 다르게 한 회분식 호기성 소화조를 온도 $20^{\circ}C$, pH $7{\pm}0.5$의 조건에서 운영하였고, 반응계수 추정을 위하여 비선형 회귀분석을 실시하였다. 수립된 모형은, Biomass-N, 용존 유기질소, $NH_4{^-}$-N, $NO_x{^-}$-N과 Biomass-N, 용존 유기인, $PO_4{^-}$-P와 같은 영양염류의 거동 예측이 가능하였다. 모의실험으로 고형상의 영양염류보다 용존상 영양염류가, 질소보다는 인이 상징액에 미치는 영향이 크다는 것을 보였다.