호기성 폐수처리와 예비 과정

호기성 폐수처리

 

생물학적 처리법은 산소의 이용 유무에 따라 호기성 처리와 혐기성 처리로 크게 나뉘는데 호기성 처리에서 시행하는 포기 (aeration)는 초기에는 폐수 저장조에서의 악취를 감소시키는 한 가지 가능한 방법으로 이용되었다. 거의 같은 시기에 토양 삼투(soil percolation) 중에 폐수의 흐름이 토양의 통기를 위해 간헐적으로 정지되면 처리 효율이 개선되며 부하 능력이 향상된다는 것이 알려졌다. 그 후에 이런 정화 능력은 생화학적 산화 때문이라는 것을 발견하였으며 폐수의 연속적 유입과 연속적 포기를 채택한 체제의 개발 같은 중요한 발전도 있었다.

 

그런 체제는 활성 슬럿지 공정(activated sludge process)의 전단계이었으며 토양 삼투 법은 살수 여과(trick ling filtration) 또는 삼투 여과(percolating filtration)로 알려진 방법으로 발전되었 다. 이들 두 공정 또는 변형된 방법은 오늘날 전 세계적으로 생활하수의 처리에 가 장 빈번히 이용되고 있다. 이 방법들은 폐수내의 용해성 (soluble) 또는 부유성 (suspended) 유기물질의 산화를 목표로 하는 2차 처리 공정으로 이용되고 있다. 그러나 처리를 위해 유입되는 폐수는 2차 처리 공정에 들어가기 전에 보다 효율적인 처리를 위해 몇 단계를 거친다. 다음 절에서는 비록 이 단계들이 생물학적 공정은 아니 지만 전체적인 폐수 처리 과정의 이해를 위해 예비 처리 (preliminary treatment) 및 1차 처리(primary treatment) 단계에 대해 간략하게 설명하고자 한다.

 

예비 처리와 1차 처리

 

가정 하수의 조성

 

선진국에서는 폐수를 사용된 물(used water)'로 지칭하는 것이 보다 일반화되고 있다. 폐수의 99.9%는 실제로 물이며 나머지 0.1%, 즉 1 g/l는 약 70%의 유기물과 30%의 무기 조형물로 구성되어 있다. 고형물의 약 반이 부유물이며 나머지 반 은 용해되어 있다. 유기물 성분은 암모니아, 염소, 금속염(metallic salts)을 포함하 며 복합 하수관이 이용되는 곳에서는 토사도 존재한다. 생물학적 관점에서 중요한 주요 유기물 성분은 표 13.1에 나와 있다.

 

예비 처리 과정

 

예비 처리는 크거나 또는 다루기 어려운 떠 있거나 부유하는 물질을 제거하는 것 으로 그다음 단계들에서 이용되는 펌프와 밸브가 막히거나 손상받게 될 위험을 줄 임으로써 폐수를 보다 쉽게 처리할 수 있게 만든다. 큰 물질들은 종종 40-80 mm 간격의 평행한 바(bar)로 구성된 바 스크린(bar screen)에 의해 제거된다. 여기에 걸린 물질들은 긁어내어 매립하거나 소각한다. 작은 돌들과 토사는 침사지 (grit channel)에서 제거되는데 폐수는 토사가 침전되기에 충분히 낮은 일정한 속도로 침 사지를 통과하며 덜 조밀한 유기물은 폐수 내에서 그대로 부유 상태를 유지한다.

 

1차 침전(primary sedimentation)

 

예비 처리를 거친 폐수는 그 오염 부하에 어느 정도의 실질적인 효과를 가지고 있는 첫번째 처리 단계로 들어간다. 침전(sedimentation) 시의 입자의 제거는 크기, 밀도, 표면 부하(surface load), 유출 속도(overflow rate) 등을 포함한 여러 요인에 의해 조절된다. 폐수는 사각형 또는 수평 흐름 수조의 한쪽 끝이나 원형 또는 방사 상 흐름 수조의 중앙으로 들어가며 고형물이 바닥에 가라앉기에 충분한 시간 동안 침전조(sedimentation tank 또는 clarifier)에 머무르는데 보통 2 내지 6시간 정도가 소요된다.

 

침전된 고형물은 1차 슬럿지(primary sludge)라고 부르며 scraper 같은 기 계 장치로 침전조 바닥의 hopper로 모은 후 펌프로 이송하여 후속 처리를 하거나 처분한다. - | 1차 침전은 약 55%의 부유성 고형물과 약 35%의 total BOD를 제거한다. 1차 침전에서는 생물학적인 작용이 거의 일어나지 않으며 여기에서의 BOD 제거는 단 순히 부유 물질 중 많은 것이 유기물이며 생분해 가능하다는 사실 때문이다. 1차 침전 후의 폐수는 1차 유출수(primary effluent)라고 하며 전형적인 부유성 고형물 (suspended solids, SS)의 농도가 200 mg/L이며 BOD는 250 mg/l 정도이다.

 

폐수 처리의 목적

 

폐수 처리의 주된 목적은 전염병의 감소와 지표수(surface water) 오염의 방지에 있다. 후자를 충족시키기 위해 정해진 최초의 기준은 1889년에서 1915년 사이에 영 국의 폐수 방류 위원회(Royal Commission on Sewage Disposal)에 의한 것으로 최 종 방류수에서 부유성 고형물이 30g/l, BOD는 20 mg/l를 넘지 못하도록 규정하였는데 2g/l 이하의 BOD를 가진 강물과 적어도 1:8의 비율로 희석되는 것을 가정하여 정해졌다.

 

이 기준(standard)은 오늘날 사용되는 많은 표준(criteria)의 기초로 여전히 활용되며 소위 '30:20’ 기준으로 알려져 있다. 어떤 지역에서는 10:10 기준처 럼 아주 엄격한 제한이 적용되기도 하며 종종 10mg/l 또는 그 이하 수준의 암모니 아예 대한 기준을 추가하여 10:10:10 기준을 이용하기도 한다. 적당한 방류수 수질을 얻기 위해서는 생물학적 2차 처리 과정의 처리 효율이 보통 90% 이상의 BOD와 부유성 고형물의 제거율을 가져야만 한다는 것이 분명하다. 활성슬러지 공정(activated sludge process)

 

공정의 개요

 

활성 슬럿 지법은 폐수내에 존재하는 물질을 산화시키기 위해 호기성 생물체들의 혼합 배양(활성 슬럿지)을 이용한다. 활성 슬럿지라는 용어는 생물체들이 자유롭게 부유하는 floc의 형태로 존재하는 어떤 공정에서든 일반적인 의미로 사용되는데 floc은 세포 밖으로 분비된 점액성 물질에 묻혀있는 많은 세포들의 집합체로 직경 이 약 0.2-1m 정도이다. 미생물 세포들의 floc내의 존재는 별도의 2차 침전조에서의 정지된 조건하에서 침전에 의해 세포들을 뭉쳐지게 할 수 있다.

 

이로 인해 얻어지는 floc이 없는 상등액은 공정으로부터의 유출수로 방류되며 침전된 뭉쳐진 세포 들은 포기조(aeration tank)로 재순환(반송)되어 유입 폐수와 섞이게 된다. 이 세포 들과 폐수의 혼합물을 혼합액(mixed liquor)이라 부르는데 미세한 기포가 순수한 산소의 형태로 포기(aeration)할 수 있는 수표면 바로 아래에 위치한 기계적 포기 장치나 포기조 밑바닥에 있는 산기 장치(diffuser)에 의해 부유 상태를 유지한다. 이 공정은 생물량의 되먹임(feedback)을 채택한 단일 수준의 연속 배양 체제로 간 주될 수 있다. 전체 공정의 개요와 포기조의 단면이 그림 13.1에 나타나 있다.

 

운전 조건

 

(a) 생물량 농도 포기조 내의 생물량 농도는 혼합액 부유 고형물(mixed liquor suspended solids, MLSS)로 나타낼 수 있다. MLSS는 무기 고형물도 포함하고 있을 수 있으므로 생 물적 구성 요소를 보다 정확히 나타내려면 혼합액 휘발성 부유 고형물(mixed liquor volatile suspended solids, MLVSS)을 이용한다. MLSS나 MLVSS 모두 존재하는 살아있는 미생물 세포들의 개체수나 생물량과 직접적으로 연관되는 것은 아니 다.

 

(b) 체류 시간, 희석률, 생장률 간단한 chemostat와는 달리 희석률(D)과 생장률(山)은 운전상의 관점에서는 거의 사용되지 않는다. 또한 많은 비율의 생물량이 재순환되기 때문에 희석률과 생장률 이 단순 chemostat와 달리 동일하지 않으며 노는 D보다 훨씬 낮다. 생물량의 생장율 은 보통 슬럿지 일령(sludge age)이나 평균 세포 체류 시간(mean cell residence time, 0.), 또는 슬러지 체류 시간(sludge retention time, SRT)으로 나타낸다.

 

이 조건은 성장률의 역수와 같다: 여기서 X2, X와 X4는 각각 포기조, 방류수와 폐기 슬럿지 내의 생물량 농도이며 Q3와 Q4는 각각 방류수와 폐기 슬럿지의 유속이며 V2는 포기조의 부피이다. 방정식 (13.1)의 아래 첨자의 숫자들은 그림 13.2에서 각각 다른 지점들을 나타내는 것이 다. A는 보통 일 단위로 나타내며 안정 상태에서는 포기조의 생물학적 고형 물량을 매일 폐기되는 양으로 나눈 것이 된다.

 

일반적인 공정에서 는 보통 4에 수리 부하(hydraulic loading)도 종종 이용되는데 이것은 D와 직접적으로 유사하여 포기조의 단위 부피당 유입되는 폐수의 유속으로 나타낸다.

 

(c) 기질 부하(substrate loading) 이 조건은 종종 공정 부하(plant loading)라고도 하는데 공정에의 기질 투여율이 된다. BOD 부하는 간단히 BOD량/포기조 단위 부피/일 (Bv, BOD)로 표시할 수 있다. 기질 부하는 또한 BOD 같은 기질량/단위 생물량/일 로도 나타낼 수 있는데 이것은 슬럿지 부하(sludge loading, Bx, BOD), 또는 food to microorganisms ratio(f/m)이라 고도하며 다음과 같이 계산된다.

 

여기서 S는 각 지점에서의 기질 농도를 나타낸다. 가끔 f/m은 부하보다는 기질 이용을 나타내는데 이용된다. 정상 운전 시에는 적은 잔류 기질 농도, S가 이 목적을 위해 생물량에 의해 이용되지 않기 때문에 방정식(13.3)은 S 대신 (S-S3)로 치환해서 변형되기도 한다.

 

어떤 경우에는 공정의 운전 측면과 관련된 용어는 일반적으로 표준화되어 있지는 않으며 만일 f/m 같은 용어를 보게 되면 정확하게 그것이 무엇을 뜻하는지 주의해야 만 한다.