[출처= 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2009년 5월호 특집 기사]

▲ 김갑수 박사 /서울시정개발연구원 선임연구위원, 대한환경공학회 고문, 본지 자문위원
[논문]

활성슬러지공법으로 하수를 처리하고 있는 지자체 담당자들에게 도움이 되도록 하기 위해

김갑수 서울시정개발원 선임연구위원께서 일본에서 입수하여 번역한 ‘우천시 하수 활성슬러지처리법의 처리원리와 도입효과’에 대한 우수연구논문(일본 『하수도협회지』 Vol. 43, No. 523, 2006년 5월호)을  2회에 걸쳐 게재한다.

합류식 하수도에서는 강우량이 일정수준을 넘으면, 빗물과 함께 오수의 일부나 관내에 퇴적된 오염물 등이 하천 등에 직접 방류되기 때문에 수질오염의 원인이 되고 있다. 일반적으로 합류식 하수도에서 차집되는 우천 시 하수 중 시간최대오수량에 관해 활성슬러지법은 주로 2차처리 때 실행하고, 나머지는 최초 침전지에 의한 침전처리만 거쳐 간이방류된다.

합류식 하수도를 채택한 3개 도시의 1년간 시뮬레이션 해석으로 직접방류·간이방류·2차처리에 관해 방류수량과 방류오염 부하량을 비교했다. 비교 결과, 차집배율이 3배가 되는 경우, 간이방류는 우천 시 방류수량의 26∼37%를 차지하고, 방류오염 부하량의 49∼64%를 차지한다는 결과가 나타났다. 이 때문에 간이방류를 하는 우천 시 하수도는 한층 더 활성슬러지 처리를 강화하는 것이 우천 시 방류오염 부하량의 삭감에 크게 기여한다고 생각할 수 있다.

이 논문에서는 지금까지 간이방류하고 있던 우천 시 하수를 반응조 후단에 단계적으로 유입해, 우천시 활성슬러지처리수량을 증가시키는 ‘우천시 하수도활성슬러지처리법’ [그림 1]의 처리원리를 명확히 설명하고자 한다.

또 우천시 하수도활성슬러지처리법 의한 대량 우천시 하수의 처리성능에 관해 실운전 조사를 실행해, 처리성능 및 도입에 의한 효과에 관해 서술키로 한다.

 

▲ [그림 1] 우천시 하수활성슬러지처리법

2. 단계적(Step) 유입에 관한 최종침전지 고형물 부하 상승 억제

침전지의 설계는 단립자 침강의 이론에 근거한 Camp식의 기본인자라고 하는 수면적 부하를 지침으로 행해지고 있다. 그러나 최종침전지와 같이 고형물농도가 높은 경우는 계면침강(zone setting)의 거동을 나타내 보인다고 생각할 수 있기 때문에 고형물 부하를 고려할 필요가 있다.

오사카시에서는 3층 최종침전지의 기능평가의 일환으로서, 쯔모리 하수처리장에 고액분리의 한계수량 실험을 했다. 이 실험에 대해서 반응조 후단으로부터도 하수를 단계적으로 유입시키는 것에 따라 최종침전지 유입수량을 증가시켰지만, 시간최대오수량의 3배의 수량을 투입해도 최종침전지에서의 고액분리는 정상으로 행해져, 당초의 실험 목적은 달성할 수 없었다.

그러나 생각을 바꾸면 이 사실은, 반응조 후단에 단계적으로 유입시키는 것에 따라 우천시에 일시적으로 증가하는 다량의 하수를 처리할 수 있는 가능성이 있는 것을 시사하는 것이다.

여기서 시간최대오수량을 초과한 우천시 하수를 반응조 후단에 단계적으로 유입시켰을 경우에 있어서, 반응조의 농도 변화와 최종침전지의 유입고형물 부하를 시험적으로 계산해, 단계적 유입이 없는 경우와 비교했다. [그림 2]는 시험적 계산을 이용한 반응조 및 최종침전지의 처리 흐름(Flow)을 나타낸다.

 

▲ [그림 2] 시험적 계산을 이용한 단계적 유입처리 Flow

시험적 계산을 할 때, 잉여슬러지 제거를 하지 않는데 이유는 반응조의 활성슬러지의 생물학적 증감량이나 반입·반출 SS(부유물질)양은 반응조내의 슬러지량에 비교하여 매우 작은 양이기 때문이다.
또한 최종침전지와 반송슬러지계 내에 존재하는 총 고형물의 변화는 없다고 가정해, 최종침전지에 유입되는 반송슬러지는 순간에 반응조 전단에 유입하는 것으로 했다. 더욱더 반응조 전단과 후단 각각의 조에 완전혼합을 했다. 짧은시간 dt로의 반응조 전단·후단에 관한 고형물 수지를 취하면 다음과 같다.

 

또, 반응조 내의 슬러지의 총량은 변화하지 않기 때문에, (3)과 같이 된다.

(2)와 (3)을 풀면, (4)가 된다.

여기에서 (4)식을 이용하면, 유입수량을 F=1로부터 3까지 증가되는 경우에, 반응조 후단의 슬러지농도 X₂를 런지(Lunge)·쿠타법(3차 정도, 타임스텝 0.6분)으로 구한다. 최종침전지의 고형물부하 L(mg/㎡·hr)의 경시변화를 요구한다.

시험적 계산 조건은 실제로 가동하는 오사카시의 하수처리시설을 상정하여, 초기슬러지농도 X₂를 1,000mg/L, 반응조 체류시간 1.2(Va + Vb / Qsh(아래첨자)를 6.5시간, 반응조 전단과 후단의 체적비 Va : Vb를 3:1, 슬러지반송비 R을 0.25로 했다.
또, 수량은 F=1로부터 3까지 1차 함수적으로 증가하는 것으로 하여, F=3에 도달할 때까지의 시간을 단계적으로 유입이 있을 경우에 대해서는 1분, 10분, 20분의 3개의 패턴하고, 단계적으로 유입이 없을 경우에 대해서는 20분의 1개의 패턴으로 설정했다. 고형물 부하는 0분(F=1)의 고형물부하에 대한 비로 나타냈다. 시험적 계산 결과는 [그림 3]에 나타냈다.
단계적으로 유입이 없는 경우에는 반응조후단의 슬러지농도 X₂가 초기슬러지농도 Xi로 일정하게 되기 위해 [그림 3]과 같이 고형물부하는 상승하여 그 후 또 일정하게 된다.

 

▲ [그림 3] 단계적 유입의 유무와 최종침전지의 고형물 부하의 경시 변화

한편, 단계적 유입이 있는 경우에는 최종침전지의 고형물부하는 일시적으로 높아지지만, 단계적 유입이 없는 경우와 비교하여 피크시의 상승이 억제돼 1시간 정도에 정상상태로 도달하게 된다.
정상상태에서 (1)(2)(4)식의 좌변은 0이 되기 때문에, 이것을 풀면, 다음과 같이 된다.

 

여기서 유입수량과 정상시에 대한 고형물부하 L과의 관계를 (5)(7)로 구해 결과를 [그림 4]에 나타냈다. 또한 고형물부하는 F=1에 대한 고형물부하에 대한 비로 나타냈다. 예를 들면 F=3일 때, 단계적인 유입을 시키지 않고 전량을 반응조 전단으로 유입시킬 경우의 고형물 부하비는 2.6배가 됐다.
그러나 시간최대오수량의 초과분을 반응조 후단으로부터 단계적으로 유입시킬 경우는 1.18배에 머무른다. 이때 식(7)보다 반응조 후단의 활성슬러지농도는 Xi의 0.45배에 희석되고 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이 반응조 후단에 단계적 유입을 하는 것에 따라, 초기에 있어서 최종침전지의 고형물부하의 상승을 억제시키는 일이 생기고 정상상태에 있어서 부하를 저감시키는 일이 생긴다. 즉, 반응조 후단에 단계적 유입을 하는 것에 의해, 우천시에 활성슬러지처리량을 증가시키는 가능성이 시사됐다.

 

▲ [그림 4] 유입수량과 고형물부하비와의 관계

3. 활성슬러지의 흡착에 의한 용해성 유기물 제거

활성슬러지법에 있어 용해성유기물은 우선 흡착에 의해서 급격히 제거되고, 그 후에 완만하게 분해가 진행된다. 이 방법에 의해 후단까지 유입하는 우천시 하수는 통상의 활성슬러지처리와 비교하여 수리적으로 체류시간은 짧아지지만, 이 초기흡착에 의해 용해성유기물을 제거할 수 있는 것으로 생각할 수 있다.

여기서 활성슬러지의 흡착제거의 특성을 조사하면 H500mm×W400mm×D300mm의 수조(용량 60L)를 반응탱크로 이용하여, 연속폭기를 하면서 오사카시 치시마 하수처리장·히라노 하수처리장(동쪽계열)의 시험 결과를 이용하여 회분실험을 했다. 치시마 하수처리장·히라노 하수처리장(동쪽계열) 처리 실적 현황을 나타내면 [표 1]과 같다.

▲ [표 1] 치시마 하수처리장·히라노 하수처리장(동쪽계열) 현황

[표 2]에 회분실험에 관한 실험조건을 나타냈다. 회분실험에는 각 하수처리장 최종침전지 유출수와 반송슬러지에 상당하는 조정슬러지를 혼합한 것을 이용했다. 반응조 제1조의 조건을 재현하기 위해 유입수와 조정슬러지와의 혼합비는 실제의 처리시설에 상정되는 반송률에 기초한 [표 2]과 같이 설정했다.

 

▲ [표 2] 회분실험 실험조건

또한, 활성슬러지농도를 변화시키기 위한 조정슬러지는 각 하수처리장의 경우, 농축분리를 한 반송슬러지와 처리수를 이용하여, 반송슬러지농도의 약 0.5배, 1배, 1.5배의 3단계 농도로 조정한 것을 사용했다. 채수는 혼합·교반한 직후를 초기조건(0분)으로서 0∼240분의 시간으로 했다. 채수한 것은 즉시 침강분리한 후 상징수를 여과한 용해성 BOD 농도(S-BOD)를 측정했다.

활성슬러지농도에 대해서는 교반직후의 0분의 것을 이용하여 측정했다. 측정 시 일반적으로 하수시험방법을 준수했다. [그림 5]는 S-BOD 제거율의 경시변화를 보이고 있다. [그림 5]와 같이 S-BOD는 초기 30분 정도의 처리시간 동안 60∼70% 정도까지 급격하게 제거되고, 그 이후는 완만하게 감소했다. 이번 실험에서는 수온, 활성슬러지농도, 혼합비의 조건이 변화하는 경우에 있어서 경시변화는 특히 큰 차이를 볼 수 없었다.

▲ [그림 5] 회분식 실험에 대한 S-BOD 제거율의 경시변화

오사카시의 12개 하수처리장의 처리실적을 기초로 평균적인 운전상황에서 F=3의 경우, 반응조 후단으로부터 유입하는 시간최대수량의 2배에 상당하는 하수의 실질적인 체류시간은 약 30분 정도가 된다.

반응조 후단으로부터 유입되는 하수는 통상적으로 활성슬러지처리와 비교하여 수리학적으로 체류시간이 짧기는 하지만, 본 절의 결과로부터 분명하게 초기 흡착에 필요한 체류시간을 확보하고 있기 때문에 양호한 처리수질을 유지할 수 있는 것으로 생각된다.