이차침전지 운영

왜 배우는가: 이차침전지는 활성슬러지 공정에서 처리수와 활성슬러지를 분리하고 반송슬러지를 만드는 핵심 장치라 침전 불량은 방류수 수질과 생물반응조 운전을 동시에 무너뜨린다. 고도처리 전환 후 질소·인 제거를 위해 체류 조건이 바뀌면서 이 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제135회 4교시 2번, 제102회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

이차침전지는 폭기조에서 나온 혼합액을 침전·농축시켜 처리수와 활성슬러지를 분리하고, 슬러지를 반송하는 시설이다.

• 이차침전지
• 활성슬러지 분리
• 반송슬러지
• 고형물 체류시간(SRT)
• 표면부하율
• 고형물 플럭스
• 침전 불량(벌킹·스컴)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 이차침전지는 생물반응조에서 미생물이 유기물을 먹고 뭉친 덩어리(플록)를 물에서 가라앉혀 맑은 물을 얻는 탱크다. 미생물 덩어리가 가라앉아야 맑은 처리수가 나오고, 가라앉은 슬러지를 다시 폭기조로 보내야 미생물 농도가 유지된다.

정식 정의는 다음과 같다. 이차침전지(Secondary Clarifier)는 활성슬러지법 등 생물학적 2차처리 공정에서, 생물반응조 유출 혼합액을 중력침강으로 고액 분리하는 침전지다. 이때 가라앉은 슬러지의 일부는 반송슬러지로 생물반응조에 되돌리고, 나머지는 잉여슬러지로 빼낸다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 반송슬러지는 생물반응조의 미생물 농도를 유지하기 위해 이차침전지 바닥에서 되돌려 보내는 슬러지다. 잉여슬러지는 미생물이 증식한 만큼 제거해야 하는 슬러지로, 고형물 체류시간을 결정한다. 표면부하율은 유량을 침전지 수면적으로 나눈 값으로 맑은 물이 올라오는 속도를 나타내며, 이차침전지는 고액분리 능력의 기준이 된다. 고형물 플럭스는 단위 면적을 통과하는 고형물 양으로, 침강성과 농도 조건에 따라 침전지 용량이 정해진다.

이차침전지는 1차침전지와 목적이 다르다. 1차침전지는 주로 부유물질(SS)을 제거하고, 이차침전지는 생물학적으로 생긴 플록을 분리하여 처리수의 BOD·SS를 낮춘다. 따라서 이차침전지의 성능은 생물반응조의 미생물 응집성과 침강성에 직접 좌우된다.

3. 등장 배경과 필요성

활성슬러지법이 보편화되면서 생물반응조 뒤에 고액분리 장치가 필요해졌다. 미생물 덩어리를 걸러내지 않으면 처리수에 부유 미생물이 섞여 나가고, 미생물을 되돌려 보내지 못하면 생물반응조의 미생물 농도가 떨어진다. 이차침전지는 이 두 문제를 동시에 해결하는 장치로 자리 잡았다.

하수처리 기준이 강화되면서 필요성은 더 커졌다. 과거에는 BOD·SS 제거가 주목표였지만, 이후 질소·인 제거를 위한 고도처리가 도입되었다. 질소·인 제거 공정은 무산소·혐기 구간을 두어 체류 조건이 바뀌므로, 이차침전지가 받는 슬러지의 침강성과 농도도 함께 달라진다.

특히 고도처리 전환 시 이차침전지가 병목이 되는 이유가 있다. 탈질 과정에서 질소 가스가 슬러지에 붙어 떠오르거나, 인 제거를 위해 혐기 구간을 넣으면서 미생물 구성이 바뀌어 슬러지가 잘 뭉치지 않을 수 있다. 이런 변화는 침전 불량으로 나타나므로, 고도처리를 도입하는 시점에 이차침전지의 용량과 운전 방식을 함께 검토해야 한다.

또 택지개발 등으로 유입 수량과 수질이 바뀌면 설계 당시의 표면부하율과 체류시간이 맞지 않게 된다. 이 경우 이차침전지는 과부하 상태가 되어 SS 유출이 늘어난다.

4. 구성요소·원리·절차

이차침전지는 생물반응조에서 나온 혼합액을 고액분리하는 시설이다. 침전된 슬러지는 반송슬러지로 생물반응조에 되돌리고, 나머지는 잉여슬러지로 빼낸다. 따라서 이차침전지의 성능은 처리수 수질과 생물반응조의 미생물 농도를 함께 좌우한다.

이차침전지는 활성슬러지의 침강성에 따라 처리수질과 반송 능력이 정해지는 고액분리 시설이다.

가. 구성요소

표 아래 설명: 침강 구역과 농축 구역의 면적·깊이 배분이 이차침전지 설계의 핵심이다. 농축 구역이 부족하면 슬러지가 월류하여 처리수 SS가 급증한다.

나. 원리

이차침전지의 분리 능력은 플록의 침강속도와 농축속도로 설명한다. 혼합액의 계면 침강 특성에 따라 침강 구역 면적이 정해지며, 농축 구역에서는 바닥으로 갈수록 슬러지 농도가 높아진다. 제한 요인은 두 가지다. 하나는 표면부하율로 정해지는 침강 능력이고, 다른 하나는 고형물 플럭스로 정해지는 농축 능력이다. 두 값 중 큰 면적을 택해 설계한다.

다. 절차(운전 기준)

• 생물반응조 혼합액을 유입부로 균등 분배한다.
• 침강 구역에서 플록을 중력 침강시켜 상등액과 슬러지를 분리한다.
• 바닥 슬러지를 수집기로 집적하고 반송슬러지를 생물반응조로 되돌린다.
• 반송 비율을 조정하여 생물반응조 MLSS를 일정하게 유지한다.
• 잉여슬러지를 빼내어 고형물체류시간(SRT)을 관리한다.
• 상등액을 월류위어로 배출하고 스컴을 주기적으로 제거한다.

라. 주요 식

$A = \frac{Q}{SOR}$

여기서 A는 침전지 표면적(㎡), Q는 설계 유량(㎥/d), SOR은 표면부하율(㎥/㎡·d)이다.

$G_s = \frac{Q\,(1+R)\,X}{A}$

여기서 G_s는 고형물 플럭스(kg/㎡·h 환산 시 시간 단위 맞춤), R은 반송비, X는 혼합액 부유물 농도(MLSS, mg/L)이다. 단위는 G_s를 kg/㎡·d 로 맞추려면 Q를 ㎥/d, X를 kg/㎥ 로 대입한다.

5. 관련 법령·기준·표준

이차침전지 자체를 직접 규정한 법령 조문은 확인된 자료가 없다. 설계·운영 기준은 하수도 시설 기준과 설계 지침의 수치를 따른다. 아래 표는 설계 검토에 자주 쓰는 기준값이다.

표 아래 설명: 표면부하율과 고형물 부하는 설계 면적을 정하는 핵심 기준이다.

개정 연혁: 하수도 설계 기준은 「하수도법」 및 하위 기준에 따라 관리된다.

마. 설계 시 확인 사항

• 최대 유량과 수질 변동에 따른 표면부하율 검토
• 반송비 범위 내 농축 구역 고형물 부하 검토
• SVI 상승 시 면적 여유 확보

수식과 기준값은 설계 조건에 따라 달라지므로 답안에는 기준 이름과 핵심 수치만 쓴다.

6. 유형과 비교

이차침전지는 구조 형태와 흐름 방식에 따라 나뉜다. 설계 목적은 활성슬러지를 상등수와 분리해 반송하는 것이므로, 유형마다 수면적부하와 고형물부하 조건을 달리 잡는다.