이차침전지 침전불량

왜 배우는가: 하수처리시설의 최종 침전지는 활성슬러지의 고액분리를 담당하므로, 침전불량은 방류수 SS 증가와 반송슬러지 농도 저하를 함께 일으켜 처리장 전체 성능을 떨어뜨린다. 2차침전지 침전불량은 3교시 해결방안 논술과 1교시 용어 문제로 반복해서 출제되므로 원인과 대책의 연결을 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제129회 3교시 4번, 제126회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 2차침전지 침전불량은 활성슬러지 혼합액의 고액분리가 제대로 이루어지지 않아 슬러지가 침강하지 않고 처리수에 부유고형물(SS)이 유출되거나 반송슬러지 농도가 낮아지는 현상이다.

고액분리 실패로 처리수 SS 유출과 반송슬러지 농축 저하가 동시에 나타나는 현상

핵심 키워드

• 2차침전지(Secondary Clarifier)
• 슬러지 팽화(Sludge Bulking)
• SVI(Sludge Volume Index)
• 고형물 부하(Solids Loading)
• 표면부하율
• 반송슬러지
• 스컴(Scum)
• 탈질 부상(Denitrification Floating)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 포기조에서 만든 미생물 덩어리(플록)를 물과 분리해 맑은 물만 내보내는 탱크가 2차침전지다. 이 탱크가 제 역할을 못 하면 미생물이 물과 함께 빠져나가거나, 바닥에 쌓인 슬러지가 충분히 농축되지 않는다.

정식 정의는 다음과 같다. 2차침전지는 생물학적 처리 후 혼합액을 중력침강으로 분리하여, 상등수는 처리수로 보내고 침강한 슬러지는 반송슬러지로 포기조에 되돌리고 나머지는 잉여슬러지로 빼내는 시설이다. 2차침전지는 고형물 분리와 슬러지 농축이라는 두 기능을 함께 가진다.

침전불량은 두 기능 중 하나 또는 둘 다가 떨어진 상태를 말한다.

• 고형물 유출: 플록이 충분히 가라앉지 않아 처리수에 SS가 남는다.
• 농축 저하: 슬러지 농도가 낮아 반송율을 높여도 포기조 MLSS를 유지하기 어렵다.
• 슬러지 부상: 탈질 가스나 스컴이 바닥 슬러지를 띄워 올린다.

침전 원리는 입자의 침강속도에 있다. 미생물 플록은 입자 크기와 밀도에 따라 침강하며, 침강속도가 표면부하율보다 커야 고형물이 바닥에 모인다. 따라서 침전지는 수면적을 충분히 확보해 상승유속이 플록의 침강속도보다 낮도록 설계된다.

관련 기준이 정한 표면부하율 범위

주의할 점은 이 수치가 설계 출발점이라는 것이다. 실제 운영에서는 유입 유량 변동, 슬러지 특성, 온도에 따라 달라지므로 SVI와 고형물 부하를 함께 본다.

3. 등장 배경과 필요성

활성슬러지법은 고농도 미생물로 유기물을 분해하는 공법이다. 미생물 농도(MLSS)를 높일수록 처리 효율이 올라가지만, 농도가 높아질수록 침강성 확보가 어려워진다. 이 구조적 한계 때문에 2차침전지의 고액분리 성능이 공정 전체의 병목이 된다.

초기 하수처리장은 침전지 용량에 여유를 두었으나, 인구 증가와 유입 부하 변동으로 과부하 운전이 늘었다. 그 결과 침전지 바닥 슬러지가 장기간 체류하여 탈질이나 부패로 부상하는 사례가 생겼다. 이에 따라 침전불량의 원인을 미생물 상태, 수리학적 조건, 슬러지 처리 연계 측면에서 함께 진단하는 관리 방식이 필요해졌다.

또한 방류수 수질 기준이 강화되면서 처리수 SS 관리가 더 엄격해졌다. 침전지는 방류수 질을 결정하는 마지막 물리적 단계이므로, 침전불량은 곧 방류 기준 초과로 이어진다. 이 때문에 침전불량은 설계, 운영, 유지관리를 아우르는 핵심 주제로 다뤄진다.

SVI는 슬러지 침강성을 나타내는 대표 지표다. 일반적으로 SVI가 100~150 수준이면 침강성이 양호하고, 200 이상이면 슬러지 팽화가 우려된다.

SVI 200 이상 슬러지 팽화 우려

4. 구성요소·원리·절차

2차침전지는 활성슬러지 공정에서 포기조 혼합액을 맑은 상징수와 농축 슬러지로 나누는 장치다. 상징수는 방류되고, 바닥에 모인 반송슬러지는 포기조로 되돌아가 미생물 농도를 유지한다. 따라서 침전 성능이 나쁘면 방류수 SS가 올라가고 포기조 MLSS가 줄어드는 두 가지 문제가 동시에 생긴다.

구성요소는 다음과 같다.

원리는 Stokes 침강에 가깝다. 입자가 플록을 이루어 침강하는 속도가 표면부하율보다 커야 입자가 바닥에 남는다. 침강 속도 v_s는 입자 밀도와 크기, 수온, 점도에 따라 달라진다. 활성슬러지는 플록 크기와 밀도가 침강성을 좌우하므로 플록 형성과 필라멘트 균형이 핵심이다.

설계 원리는 두 가지 한계로 본다. 첫째, 표면부하율 q=Q/A가 침강 한계를 넘으면 상징수로 플록이 빠져나간다. 둘째, 고형물부하율 SLR=Q(1+R)X/A가 농축 능력을 넘으면 슬러지가 바닥에 쌓여 블랭킷이 올라간다. 여기서 Q는 유입유량(m³/d), A는 침강지 표면적(m²), R은 반송비, X는 MLSS(kg/m³)다.

설계·운전 절차는 다음 순서로 점검한다.

• 유입유량과 피크 유량을 확정하고 설계 표면부하율을 정한다.
• 침강 시험(SVI, 침강곡선)으로 플록 침강성을 확인한다.
• 반송비와 MLSS를 정해 고형물부하율을 계산한다.
• 침강지 면적과 깊이를 정하고 위어 부하와 수집기 능력을 검토한다.
• 운전 중 슬러지 블랭킷 높이, 방류수 SS, SVI를 주기적으로 측정한다.
• 블랭킷 상승이나 SS 증가가 보이면 반송량과 폐슬러지량을 조정한다.

표면부하율의 계산 예를 든다. 유입유량 Q=12{,}000m³/d, 침강지 2기, 1기 표면적 A=600m²라 하면 전체 표면적은 1,200m²다. 표면부하율은 q=12{,}000/1{,}200=10m³/m²·d가 된다. 피크 시 유량이 1.5배면 q=15m³/m²·d가 되어 설계 한계를 확인해야 한다. 결과는 상식 범위에 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

하수처리시설의 2차침전지 설계는 법령에 수치가 직접 정해져 있지 않은 경우가 많다. 수험에서는 하수도 설계 기준과 공공하수처리시설 운영 기준을 함께 쓴다. 핵심 기준 수치는 아래 표와 같다.

설계 기준의 세부 조항 번호도 쓰지 않는다. 기준 이름은 하수도 시설 기준과 공공하수처리시설 설계·운영 기준을 따른다.

SVI 정의도 함께 기억한다. SVI는 혼합액 1L를 30분 침강시킨 슬러지 부피(mL)를 MLSS(g/L)로 나눈 값이다. 팽화는 필라멘트 미생물이 과다 증식할 때 생긴다.

6. 유형과 비교

이차침전지 침전불량은 원인에 따라 슬러지 팽화(Sludge Bulking), 슬러지 부상(Rising Sludge), 핀플록(Pin Floc), 스컴 및 거품(Foam) 등으로 나뉜다. 유형마다 현상과 원인이 달라 대책도 달라지므로, 답안에는 유형별 현상과 원인을 구분해 적어야 한다.