정수 여과 방식

왜 배우는가: 정수 여과 방식은 정수장 공정에서 탁도와 미생물을 최종적으로 걸러내는 단계라서 설계와 운전의 기본이 된다. 완속여과와 급속여과의 원리 차이는 상하수도기술사 시험에서 용어형과 논술형 모두로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제132회 3교시 6번, 제127회 1교시 9번, 제123회 3교시 4번, 제110회 1교시 8번, 제92회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

정수 여과는 모래 등 입상 여재층에 물을 통과시켜 현탁물질과 미생물을 물리·화학·생물학적으로 제거하는 공정이다.

• 완속여과(Slow Sand Filtration): 생물막(Schmutzdecke)에 의한 생물학적 정화 방식
• 급속여과(Rapid Sand Filtration): 응집 플록의 여재 부착에 의한 물리·화학적 정화 방식
• Schmutzdecke(슈무첸데케): 완속여과 표층에 형성되는 생물막
• 역세척(Backwashing): 여재에 쌓인 탁질을 역방향 물 흐름으로 씻어내는 조작
• 여과속도: 단위 여과 면적당 통과 유량으로 완속과 급속을 가르는 기준
• 니구(Mud-ball): 세척이 부족할 때 플록이 뭉쳐 생기는 덩어리
• 단락류(Short-circuiting): 여층 내 편향된 흐름으로 처리 효율이 떨어지는 현상
• 탁질누출(Break Through): 여과층 말기에 탁질이 여과수로 빠져나오는 현상

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 물을 모래 층에 천천히 통과시켜 흙탕과 세균을 걸러 내는 것이 여과다. 여과 방식은 물이 여재를 지나는 속도와 여재 표면에서 무엇이 일어나는지에 따라 나뉜다.

정식 정의로는 여과는 입상 여재층을 통한 고액 분리로, 여재 표면 부착과 여재 내부 포획이 주된 기작이다. 완속여과는 여재 표층에 생물막(Schmutzdecke)이 자라 생물학적 분해와 흡착으로 오염물질을 제거한다. 급속여과는 응집(Coagulation)으로 미세 입자를 플록으로 키운 뒤, 여재 입자 표면에 부착시켜 제거한다.

완속여과의 핵심은 생물막이다. 생물막 속 세균과 원생동물이 유기물을 분해하고, 점질 기질에 입자가 포획된다. 그래서 완속여과는 세균 제거에 강하다.

급속여과의 핵심은 응집제 투입이다. 응집제가 없으면 미세 현탁입자는 여재에 붙지 않아 제거되지 않는다. 그러므로 급속여과는 응집·침전과 한 묶음으로 이해해야 한다.

여재 입도는 두 방식을 가르는 중요한 차이다. 완속여과의 모래는 상대적으로 가늘고, 급속여과의 모래는 더 굵다. 여재가 굵을수록 깊은 층까지 탁질을 포집하는 깊이여과(Depth filtration) 성격이 강해진다.

3. 등장 배경과 필요성

19세기 유럽 도시에서 원수 오염으로 수인성 전염병이 반복되면서 모래여과가 도입됐다. 초기 완속여과는 수질 개선 효과가 커서 도시 상수도의 표준 공정이 됐다.

도시가 커지고 원수의 탁도가 높아지면서 완속여과만으로는 처리량을 감당하기 어려워졌다. 이에 응집제를 쓰는 급속여과가 개발되어 넓은 면적 없이 대량 처리할 수 있게 됐다.

현재는 두 방식이 역할을 나눠 쓴다. 탁도가 낮고 수질이 양호한 원수는 완속여과로, 탁도가 높은 원수는 응집·침전 후 급속여과로 처리한다. 두 방식의 차이를 이해해야 원수 조건에 맞는 공정을 고를 수 있다.