하수처리 개요(2)

5. 활성슬러지법의 설계 및 운전인자

  가. 활성슬러지 미생물은 산화와 동화작용을 통해 하수의 유기물을 영양원으로 사용하여 증식하고 하수의 유기물을 산화 분해시켜 처리한다. 미생물은 여러가지 조건에 따라 처리성능과 수질이 변화하는데 F/M비, BOD 용적부하, MLSS농도, SRT, 송풍량, 포기시간, 슬러지반송비 등의 변화에 민감하게 반응한다. 

    1) F/M비(Food/Micro-organism)    

      (1) 포기조 내 단위 미생물량이 처리하는 유입 유기물량 또는 단위 미생물량에 가해지는 유기물량을 의미하며, 유기물을 BOD 활성슬러지 미생물을 반응조내의 SS로 표현하여 BOD-SS부하(kgBOD/kgMLSS·d)로도 표현하며 설계와 운전관리의 주요 지표로 활용하고 있다. 

      (2) F/M비가 낮으면 미생물의 먹이가 되는 오염물질량이 부족하여 미생물이 내생호흡 단계에 있어 침전성이 불량하게 되며, F/M비가 높으면 단위 미생물량이 처리해야 하는 오염물질량이 많아져 처리수질이 불량할 가능성이 높다. 또한 미생물이 대수증식기에 있어 Floc형성이 불량하여 침전성이 낮아진다. 

      (3) 일반적으로 표준활성슬러지법은 0.2~0.4, 순산소포기법은 0.3~0.6, 장기포기법은 0.05~0.1, 산화구법은 0.03~0.05 kgBOD/kgMLSS·일의 F/M비를 기준하여 설계하고 운전한다. 

    F/M비 = (CxQ)/(VxMLSS) = kgBOD/kgMLSS·일

      - C : 포기조 유입 BOD농도 (kgBOD/㎥)

      - Q : 포기조 유입 유량 (㎥/day)

      - V : 포기조 용적 (㎥)

      - MLSS : 포기조 활성슬러지 농도 (kgMLSS/㎥)

    2) BOD용적부하 

      (1) BOD용적부하는 BOD부하와 같은 뜻으로 사용하며 포기조 단위 부피 당 하루에 유입되는 BOD 부하로 나타낸다. 즉 하루에 단위 포기조 부피에서 처리되는 유기물의 양을 나타낸다. 

BOD용적부하 = (CxQ)/V = kgBOD/㎥·일 

      - C : 포기조 유입 BOD농도 (kgBOD/㎥)

      - Q : 포기조 유입 유량 (㎥/day)

      - V : 포기조 용적 (㎥)

    3) 활성슬러지 농도(MLSS농도) 

      (1) 포기조 내 오염물질을 처리하는 활성슬러지 미생물 농도를 나타내는 지표로서 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid)로 표현한다. 엄밀한 의미로는 MLVSS(Mixed Liquor Volatile Suspended Solid)를 사용해야 하나 통상적으로 MLSS를 사용한다. 

      (2) 활성슬러지법을 이용하는 하수처리에서 미생물이 유기물을 분해·섭취하기 때문에 처리에 관여하는 미생물농도가 가장 중요한 설계·운전 조건이 된다. 

      (3) 일반적으로 표준활성슬러지법 1,500~2,000,  순산소포기법 3,000~4,000, 장기포기법은 3,000~4,000, 산화구법은 3,000~4,000mgMLSS/L로 설계하고 운전한다. 

    4) 고형물체류시간 (SRT : Solid Retention Time)

      (1) SRT는 활성슬러지가 처리장 전체 시스템 내에 체류하는 시간을 의미하지만 통상적으로 최종침전지 및 반송슬러지의 경로 등에 포함되어 실제 처리에 관여하지 않는 활성슬러지량과 처리수 중의 활성슬러지량을 무시한 포기조의 활성슬러지만으로 계산한다. 최종침전지에서 분리된 고형물의 일부는 폐기되고 체류하게 된다. 이를 슬러지일령(sludge age) 또는 고형물체류시간(Solid Retention Time : SRT)이라 하며 미생물이 포기조에는 머무는 평균 체류시간으로 표현된다. 

    5) 수리학적 체류시간 (Hydraulic Retention Time) 

      (1) 수리학적 체류시간 (Hydraulic Retention Time : HRT)은 반송슬러지와 잉여슬러지를 고려하지 않은 하수의 포기시간 또는 체류시간을 의미한다. 유입수의 유량, 수질에 따라 HRT는 변화하며 BOD 용적부하에 의해서 포기조 용적이 결정되면 HRT는 쉽게 결정된다. 

      (2) 유입수량에 대한 포기시간이 정상 범위 이내라도 유입수 농도가 설계수질보다 크게 낮아 처리수의 수질이 양호하지 않을 때는 포기 시간을 단축하여 양호한 처리수질을 유지할 수 있다.

      (3) 저농도 하수 처리의 경우 HRT를 일반적인 기준시간보다 단축하여도 유기물 처리효율에 큰 영향을 미치지 않는 것 으로 나타날 경우 HRT를 낮게 운전하여 여분의 포기조 용적을 탈질공정을 위한 처리시설이나 유입유량의 과부하에 대처할 수 있는 시설로 활용할 수도 있다. 

      (4) 일반적으로 표준활성슬러지법은 6~8, 순산소포기법은 1.5~3, 장기포기법은 16~24, 산화구법은 24~48시간으로 설계하고 운전한다. 

            HRT = (V/Q)x24 = hr 

          - HRT : 수리학적 체류시간(hr)

          - V : 포기조 용적(㎥)

          - Q : 유량(㎥/day)

    6) 송풍량 

      (1) 포기의 목적은 활성슬러지 미생물이 유기물을 분해 섭취하고 새로운 세포의 동화작용에 필요한 산소의 공급과 포기조 내 혼합액의 교반을 위한 것이다. 정상적인 운전관리를 위해서 2mg/L 내외로 유지하는 것이 일반적이다. 

    7) 슬러지 반송비 

      (1) 포기조의 활성슬러지 농도를 일정한 농도로 유지하고 F/M비와 SRT의 적정범위를 유지하기 위해서는 2차침전지의 슬러지를 포기조로 반송할 필요가 있다. 반송슬러지 농도 및 적정 반송비의 유지관리는 활성슬러지법 운전조작에 있어서 가장 중요한 요소의 하나이다. 포기조 내 유기물 분해에 필요한 미생물량은 침전조에서 고액 분리된 활성미생물을 반송시켜 유기물과 미생물의 비율 즉 F/M비를 적정하게 유지하여 처리수질을 안정화 시킬 수 있다. 

      (2) 하수처리장 설계와 운영 시 적용되는 반송비는 물량에 의한 비율, 농도에 의한 비율 및 농도와 물량에 대한 비율로 표현될 수 있다. 반송비에 의한 포기조의 미생물 농도와 반송슬러지의 농도의 상관관계 그리고 슬러지의 침전성 등의 운전요소와 밀접한 관계가 있으므로 반송비의 결정은 포기조 수온과 유기물 부하정도 및 처리수질 등에 따라 체계적으로 관리를 해야 한다. 표준 활성슬러지법의 경우 50~150%의 범위이나 국내 하수처리장의 경우 30~70%의 범위에서 운영되고 있다. 일반적인 반송비의 결정방법은 다음과 같이 계산한다. 

        가) 유입유량과 반송유량에 의한 반송비 결정 

             r = Qr/Q

           - r   : 반송비 

           - Q  : 유입유량(㎥/day)

           - Qr : 반송유량(㎥/day)

           (가) 위 식을 이용해 반송비를 결정할 경우에는 반송되는 활성슬러지의 농도가 일정해야 한다. 슬러지의 침전성은 미생물의 상태, 포기조의 수온, 유기물의 부하량, 용존산소의 농도 등에 따라 변화하므로 반송농도가 높을 때와 낮을 때 실제 반송되는 슬러지의 양이 다를 수 있기 때문에 직접 적용하기에는 다소의 문제가 있지만 간단하게 계산되므로 일반적으로 유입유량 대비 반송유량비 계산방법을 사용한다. 

        나) 활성슬러지 농도에 의한 반송비 결정

             r = (X-Xe)/(Xr-X)    

           - X   : 포기조 미생물의 농도(mg/L)

           - Xe  : 처리수 고형물 농도(mg/L)

           - Xr   : 반송슬러지의 미생물 농도(mg/L)

          (가) 유입유량과 반송유량에 의한 반송비에 의한 계산식 보다 합리적일 수 있으나, 유입유량과 반송유량이 반영되지 않아 정확성이 결여되어 잘 사용하지 않는다.

        다) 농도 및 유량에 의한 반송비 

             r = (1-θ/θc)/(Xr/X-1)

           - θ   : HRT(수리학적 체류시간, 일)

           - θc  : SRT(고형물 체류시간, 일)

          (나) 유입유량과 반송유량에 의한 반송비와 활성슬러지 농도에 의한 반송비 결정의 단점을 보완한 계산식으로 정확성과 신뢰성을 갖는 식이다. 슬러지 침전성이 좋지 않아 반송농도가 포기조의 미생물 농도에 비해 높지 않을 경우 반송유량을 증가시켜야 한다. 그리고 반송농도가 상대적으로 높을 때에는 반송유량을 감소시켜야 한다.

          (다) 슬러지 반송은 가능하면 균일하게 유지해야 한다. 균일한 반송비를 유지해야 일정하게 미생물 농도를 유지할 수 있으며 계절별로 포기조의 미생물 농도 및 반송슬러지 농도를 유지하여 반송율을 기준한 반송량을 유지하여야 한다. 그러나 수식이 복잡하여 잘 사용하지 않는다. 

    8) 슬러지용적지수(SVI)와 슬러지밀도지수(SDI)

      (1) 슬러지지수는 활성슬러지의 침전특성을 나타내는 것으로 슬러지 용적지수(Sludge Volume Index : SVI)와 슬러지 밀도지수(Sludge Density Index : SDI)를 사용한다. 이 지표는 이차침전지에서 슬러지 침전성을 확인하기 위해 매우 중요하며 슬러지 팽화(Sludge Bulking) 여부를 확인하는 지표로 사용된다.

      (2) SVI란 슬러지의 침전 농축성을 나타내는 지표로서 포기조 내 혼합액 1L를 30분간 침전시킨 후 1g의 MLSS가 차지하는 침전슬러지의 부피(mL) (SV30)를 나타낸 것으로 보통 SVI가 50~150일 때 침전성은 양호하며, 200이상이면 슬러지 침전 성능이 불량할 가능성이 높다. 

SVI =  (30분간 침강된 슬러지 부피(mL/L)/MLSS 농도(mg/L)) x 1,000

     = (SV30(%) x 10,000)/MLSS 농도(mg/L)

      (3) SDI는 침전슬러지량 100mL 중에 포함된 MLSS를 그램(gram)수로 나타낸 것으로 SVI와 다음과 같은 관계가 있다. 침강성이 좋은 혼합액은 SDI값이 0.7보다 크다. SDI와 SVI값은 역수의 관계를 갖고 SVI값이 작으면 침강성이 양호하기 때문에 SVI 값이 작아 SDI 값이 클수록 침강성이 양호하다고 판정 가능하다. 

 SDI = 100/SVI

      (4) SVI와 SDI를 구하기 위해서 먼저 SV30을 현장에서 측정하여야 한다. 1L 메스실린더에 포기조의 혼합액을 붓고 30분 후 그 부피를 측정한다. 그리고 MLSS를 측정하고 관련 식을 적용하여 값을 구한다. 

    9) 용존산소(DO)  

      (1) 포기조의 목적은 활성슬러지 미생물이 유기물을 분해 산화시키고 새로운 세포의 동화작용에 필요한 산소의 공급과 포기조 혼합액의 교반을 위한 것이다. 실제 처리장에서 수량 및 수질은 항상 변동하므로 송풍량은 포기조에서 안전한 운전관리를 위해서는 용존산소농도를 2mg/L 내외로 유지하는 것이 바람직하다. 

      (2) 활성슬러지 공법에 사용되는 포기장치는 크게 산기관과 기계식으로 분류할 수 있으며 이러한 포기장치는 활성슬러지에 산소를 공급시켜야 함은 물론 포기조를 혼합시켜 포기조내의 MLSS가 침전되지 않도록 하는 기능을 수행해야 한다. 산기식 포기장치는 공기를 포기조에 공급시키는 동시에 포기조를 혼합시킨다. 공급된 공기 중의 산소가 하수에 용존되는 산소전달량에 영향을 미치는 인자는 공기방울의 크기, 산기장치의 송풍량, 산기기의 배치 및 물의 유속 등이 있다. 동일한 송풍량에 있어서 공기방울의 크기가 증대될수록 공기와 물이 접하는 면적이 감소되의 산소 전달량은 적어진다.