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윤충–섬모충 기반 생태학적 메커니즘을 통합한 정화조 슬러지 감소 예측용 확장 ASM 모델 개발 KCI 등재
Development of an extended ASM framework integrating rotifer–ciliate ecological mechanisms for predicting sludge reduction in septic tank systems
pp.295-313
정화조(Septic tank) 시스템에서의 슬러지 지속적 축적은 처리 효율 저하와 유지관리 비용 증가를 초래한다. 그러나 기존 활성슬러지 모델(activated sludge models, ASM)은 세균의 영양단계에 초점을 두고 있어, 상위 포식자에 의해 유도되는 슬러지 저감 메커니즘을 정량적으로 설명하는 데 한계가 있다. 본 연구는 ASM3의 저장–성장 틀을 기반으로, 윤충(rotifer biomass, )과 섬모충(ciliate biomass, XC)의 생태역학을 통합한 확장 모델을 제안한다. 이를 위해 세균 군집을 일반 박테리아와 필라멘트성 박테리아로 구분하고, 이를 선택적으로 섭식하는 포식자를 도입하여 총 16개의 상태변수와 13개의 공정으로 구성하였다. 포식 과정에서는 기근 조건에서의 호흡 및 유지대사 등, 내부 저장물질(XSTO)에 의해 매개되는 동적 과정을 수리적으로 구조화하였다. 총부유물질(XSS)의 질량수지식을 전개⋅분석한 결과, 기존의 내생호흡 경로 외에도 포식 단계에서 발생하는 추가적인 탄소 무기화가 슬러지 저감의 핵심 메커니즘임을 이론적으로 도출하였다. 특히 윤충의 필라멘트성 박테리아 섭식은 슬러지 벌킹 완화 가능성을 시사한다. 본 연구는 포식–피식 상호작용을 반영하여 슬러지 생성 및 감량 메커니즘을 재해석할 수 있는 이론적 틀을 제시한다. 제안된 모델의 반응식 및 계수의 예측 정확성은 향후 파일럿 규모 실험과 장기 운전 데이터를 통해 단계적으로 검증할 예정이며, 이를 통해 다양한 운전 조건과 포식자 군집 변화에 따른 슬러지 제거수율 변동을 예측하고, 저에너지⋅저슬러지 운전 전략 수립을 위한 기반을 제공하고자 한다.
Sludge accumulation in septic tank systems reduces treatment efficiency and increases maintenance costs. However, conventional activated sludge models (ASMs) focus on bacterial trophic processes and have limited capability to describe sludge reduction mechanisms driven by higher-level predators. This study proposes an extended ASM3 (Activated Sludge Model No.3)-based model integrating the dynamics of rotifers (XR) and ciliates (XC) to represent sludge reduction in septic tanks. The bacterial community is divided into normal bacteria (XB) and filamentous bacteria (XFB), with predator groups introduced to graze on these populations. The framework consists of 16 state variables and 13 processes. Predation is structured to represent mechanisms mediated by internal storage compounds (XSTO), including respiration and maintenance metabolism under starvation conditions. Analysis of the mass balance equation for total suspended solids (XSS) indicates that, beyond endogenous respiration, carbon mineralization during predation plays a key role in sludge reduction. Rotifer grazing on filamentous bacteria suggests mitigation of sludge bulking. By incorporating predator–prey interactions into process modeling, the framework provides a basis for interpreting sludge generation and reduction pathways. The predictive accuracy of the reactions and yield coefficients will be evaluated through pilot-scale experiments and long-term operational data to assess sludge reduction efficiency under varying operational conditions.
ABSTRACT
1. 서 론
2. 연구방법
2.1 생물학적 전제 및 모델링 설계
2.2 구성요소
2.3 연구 과정
3. 결과 및 고찰
3.1 기존 ASM3 모델과의 비교 분석
3.2 동역학 기반 슬러지 감소 메커니즘 분석
4. 결 론
References
