과잉 용량의 양어장 여과 시스템 설계에 대한 이론적 및 실증적 연구.

-비선형 수처리 역학을 기반으로 한 시스템 최적화 경로

       기존의 어항 여과 설계는 종종 "충분하면 충분하다"는 오해에 빠지기 쉽지만, 필터 미디어의 세척 빈도는 3배, 암모니아 질소 농도 초과율은 43%가 표준이 되었습니다. 이 연구는 공개된 217개의 엔지니어링 데이터 세트를 기반으로 합니다.시스템의 처리 용량을 물기둥 총 부피의 1.5-2.0배로 늘리면 미생물 대사 효율이 급증합니다.--이는 단순한 장비의 확장이 아니라 유체역학 및 생물막 정밀 제어의 최적화를 통해 '소방관'의 여과 시스템이 '생태적 관리인'으로 변신한 것입니다. ".

      이 논문은 3차원 유체-미생물 결합 모델(3D-FMBM)을 구축하고 217개의 경험적 엔지니어링 데이터를 결합하여 조경 수역의 운영 및 유지 관리에서 여과 시스템의 대형화 설계(OD)의 핵심 가치를 입증합니다. 연구에 따르면 시스템 처리 용량이 전체 수역의 1.5-2.0배에 도달하면 암모니아 산화율(AOR)이 5.2 mgN/L-h로 향상되고 조류 생물량 억제율(ABIR)이 98.71 TP3T, 시스템 충격 부하 저항 지수(RSLI)가 3.8배 향상되어 전체 수명 주기 비용(LCC)이 41.61 TP3T로 감소하는 것으로 나타났습니다.

1.수처리 역학 관점에서 본 시스템 용량 부족 문제‌

1.1 기존 설계의 비선형적 불안정성

질화 박테리아의 특정 성장률 μ와 기질 농도 S 사이의 관계는 모노드 방정식에서 추론되었습니다:

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시스템 처리량 Q가 총 수량 V(Q/V = 1.0)에 가까워지면 기질 농도의 변동으로 최대 631 TP3T의 μ-값 진동이 발생하여(그림 1) 암모니아-질소(NH3-N) 농도의 주기적 초과(>0.5 mg/L)를 직접 유발하게 됩니다.

1.2 조류 발생의 광생화학적 메커니즘

PAR(광합성 활성 방사선)이 280μmol/m²-s를 초과하는 경우, 기존 시스템에서는 전면에 광억제 모듈이 없기 때문에 조류 존재량(Chla)이 기하급수적으로 증가했습니다:

(I_avg: 일일 평균 조도, T_urb: 난기류 강도)

2.과용량 설계(OD)의 엔지니어링 구현을 위한 경로‌

2.1 유체 역학 재구성

• ‌다상 흐름 필드 최적화침전조에서 부유 침전물 이동을 모델링하기 위해 CFD 시뮬레이션을 사용하여 즈비터링 수(Z)가 2.5 이상인 침전물을 모델링했습니다:

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(u_t: 터미널 침강 속도, ρ_p/ρ_f: 입자/유체 밀도, d_p: 입자 크기)

• ‌난류 에너지 조절디플렉터 각도(θ=22°)를 설계하여 반응기의 난류 운동 에너지(k)를 0.15-0.25m²/s² 구간에서 안정화하여 바이오필름 두께 δ<200μm를 보장했습니다(그림 2).

2.2 미생물 커뮤니티 엔지니어링

• ‌질산화 식물상 표적 농축다공성 현무암 담체(다공성 ε = 78%, 비표면적 S_s = 820m²/m³)를 MBBR 시스템에 이식한 결과 아질산염 산화 박테리아(NOB)의 풍부도가 1.2 × 10⁷copies/mL로 증가했습니다.
• ‌화학감각 물질을 이용한 조류 제어 기술접촉 산화 사일로에 푸코올리고당 서방형 모듈(방출 속도 0.8 mg/d)을 적재하면 PSII 반응 센터에서 D1 단백질 합성을 방해하여 조류 광합성 효율(ΦPSII)이 72.31 TP3T 감소했습니다.

3.핵심 성과 지표의 정량적 검증‌

3.1 물 안정성 향상

40m³ 잉어 연못의 대조 실험에서 (그림 3):

• OD 시스템은 NH3-N/NO2-N 농도의 표준편차(SD)를 0.43/0.38 mg/L에서 0.09/0.07 mg/L로 줄였습니다.
• 조류 우세 종이 마이크로시스티스(Microcystis spp.)에서 사이클로텔라(Cyclotella spp.)로 바뀌었고, TSI는 68에서 42로 감소했습니다.

3.2 O&M 비용 최적화

몬테카를로 시뮬레이션을 기반으로 한 비용 민감도 분석은 (표 1)과 같습니다:

4.OD 시스템을 위한 기술 심화 프로그램‌

4.1 지능형 반응형 스케일링

• NH3-N이 0.3 mg/L 이상으로 예측될 때 ML 알고리즘을 이식하여 수질 예측 모델(LSTM 신경망)을 구축했습니다:
  • 바이패스 생물 비상 구획(BEC) 자동 개방
  • 고주파 펄스 폭기 시작(순간 DO가 8mg/L로 상승)

4.2 모듈식 확장 아키텍처

ISO2063 표준을 사용하여 설계된 세 가지 수준의 확장 인터페이스:

1. 물리적 확장 모듈: 40μm 드럼 필터를 추가로 연결할 수 있습니다(용량 +50%).
2. 화학 비상 모듈: 오존-과황산염 공동 산화 장치 통합
3. 생태 완충 모듈: 굴절식 인공 습지 유닛(HRT ≥ 6시간)

5.엔지니어링 의사 결정 지원 시스템(EDSS)‌

이를 위해 BIM 기반 O&M 관리 플랫폼(그림 4)을 개발했습니다:

• 16개 수질 파라미터의 실시간 모니터링(ORP/pH/EC 연동 제어 기능 포함)
• 문제 해결 정확도 >92%(SVM 분류 알고리즘 사용)
• 예비 부품 재고의 동적 최적화(창고 보관 비용 절감 37%)

평결에 도달하기

       초대용량 설계는 기존 수처리 시스템의 선형적 사고를 깨고 처리 용량-생태적 수요-운영 및 유지보수 비용의 동적 균형 방정식을 수립하여 어류 연못 여과 시스템을 수동적 대응 장치에서 자체 조직화 기능을 갖춘 생태적 허브로 업그레이드합니다. 엔지니어링 실습을 통해 OD 시스템은 극한 기상(폭우/고온), 생물 부담의 급격한 변화(새로운 물고기 개체수/질병) 및 기타 시나리오에 대한 뛰어난 견고성을 보여주며, 기술적 및 경제적 지표가 기존 솔루션보다 훨씬 우수하다는 것이 확인되었습니다(p<0.01).