이차침전지 설계

왜 배우는가: 이차침전지는 활성슬러지 처리에서 처리수 품질과 반송 미생물 농도를 함께 좌우하는 설비다. 설계 오류는 운영 중에 바로잡기 어려워 설계인자와 구조를 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제128회 3교시 1번, 제125회 2교시 6번, 제91회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

이차침전지는 폭기조 유출 혼합액을 침강시켜 처리수와 활성슬러지를 분리하고, 침전된 슬러지를 폭기조로 반송하는 침전지이다.

핵심 키워드

• 고액분리
• 반송슬러지
• 고형물부하율
• 표면부하율
• 웨어부하율
• 정류설비
• 슬러지 제거설비

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 이차침전지는 폭기조에서 자란 미생물 덩어리를 가라앉혀 맑은 물만 위로 넘기는 시설이다. 이 미생물 덩어리를 활성슬러지라 부른다. 활성슬러지는 물보다 무거워서 천천히 가라앉는다. 가라앉은 미생물은 버리지 않고 다시 폭기조로 돌려보내는데, 이것이 반송이다.

정식으로 정의하면, 이차침전지는 활성슬러지법의 생물반응조 뒤에 설치되어 혼합액을 정지 상태에 가깝게 두고 고액분리를 하는 중력식 침전 시설이다. 처리수의 부유물질(SS)과 BOD 수준은 이 침전지의 분리 성능에 크게 좌우된다.

핵심 용어는 다음과 같이 이해한다.

• 고액분리: 물과 고형물을 나누는 작업이다. 이차침전지의 본래 기능이며, 여기서 실패하면 방류수 SS가 올라간다.
• 반송슬러지: 침전된 활성슬러지 중 폭기조로 되돌리는 부분이다. 폭기조의 미생물 농도(MLSS)를 일정하게 유지하는 역할을 한다.
• 잉여슬러지: 반송하고 남아 계통에서 빼내는 슬러지다. 슬러지 처리 계통으로 보내 감량하고 처분한다.
• 고형물부하율: 침전지 단위 면적당 들어오는 고형물 양이다. 식은 $SLR = \frac{(Q + Q_R)\,X}{A}$ 이며, Q는 유입유량(m3/h), Q_R은 반송유량(m3/h), X는 혼합액 부유물 농도(kg/m3), A는 침전지 표면적(m2)이다. 단위는 kg/m2·h가 된다.
• 표면부하율: 침전지 표면적당 유량이다. 단위는 m3/m2·d이며, 침강 속도와 비교해 침전 가능성을 본다.
• 웨어부하율: 월류 웨어 길이당 유량이다. 단위는 m3/m·d이며, 월류부 유속과 처리수 흐름의 균등성에 관여한다.

이차침전지의 체류시간은 처리수 질과 슬러지 농축 시간을 함께 정한다. 최종침전지에서는 약 2.5시간을 표준으로 보는 자료가 많다. 침전시간을 늘리면 SS와 BOD 제거율은 높아지지만, 증가 효과는 시간이 갈수록 줄어든다. 체류가 길면 슬러지가 부패해 후속 처리에 지장을 준다.

3. 등장 배경과 필요성

활성슬러지법이 하수처리의 주류가 된 이유는 유기물을 미생물로 분해한 뒤 그 미생물을 분리해 회수하는 구조 때문이다. 생물반응조가 아무리 잘 작동해도 미생물이 빠져나가면 방류수의 SS와 BOD가 함께 올라간다. 2차처리는 대개 80% 이상의 유기물 제거율을 목표로 하며, 이 목표의 상당 부분을 이차침전지가 맡는다.

처리장 규모가 커지고 고도처리가 확산되면서 이차침전지의 역할은 더 커졌다. 질소·인을 제거하는 공정에서는 침전지 안에서 탈질이나 인 방출이 일어날 수 있다. 이때 슬러지가 떠오르면 침전불량이 생겨 처리수 질이 떨어진다. 따라서 침전지 설계는 공정 안정성과 직접 연결된다.

기후 변화로 집중호우가 늘면서 우천시 유입량이 증가하고 있다. 유입량이 늘면 침전지 표면적당 부하가 커져 고형물 과부하가 생긴다. 최근 행정안전부가 치수 시설의 방재 성능 목표를 상향하도록 권고한 것도 같은 흐름이다. 이차침전지 설계 유량과 여유율을 정할 때 이 변화를 반영해야 한다.

설계 단계에서 잡지 못한 문제는 운영으로 고치기 어렵다. 침전지의 면적과 깊이, 정류설비와 유출설비, 슬러지 제거설비는 한번 시공하면 바꾸기 힘들다. 그래서 설계인자의 의미와 상호 관계를 먼저 이해해야 한다. 예를 들어 표면부하율을 낮추면 침전 여유는 커지지만 건설비가 늘고, 웨어부하율이 높으면 월류부에서 상향류가 생겨 미세 플록이 유출될 수 있다.

이 때문에 이차침전지 문제는 시험에서 구조, 설계인자, 운영 장애를 묶어 묻는 경우가 많다. 침전불량의 원인이 설계에 있는지 운영에 있는지 구분하는 능력도 함께 요구된다.

4. 구성요소·원리·절차

이차침전지(Secondary Clarifier)는 폭기조에서 나온 혼합액을 침전·농축시켜 상등액(처리수)과 활성슬러지를 분리하는 설비다. 활성슬러지를 고액분리하고, 침전된 슬러지를 반송슬러지로 폭기조에 되돌리는 두 가지 역할을 한다. 따라서 침전 성능이 나쁘면 처리수의 SS가 높아지고 폭기조의 미생물 농도도 유지되지 않는다.

구성요소는 다음과 같다.

침전 원리는 입자의 침강속도와 흐름의 수평유속이 만드는 관계로 설명한다. 입자의 침강속도가 표면부하율과 같거나 크면 입자는 제거된다. 수평유속이 과대하면 침강된 플록이 다시 떠오르므로, 수평유속을 제한한다.

이차침전지의 설계 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 설계유량(평균·최대)과 반송비를 정한다.
• 고형물부하와 표면부하율로 침전지 면적을 구한다.
• 체류시간으로 침전지 깊이와 용량을 구한다.
• 유입·유출 정류 구조와 위어 길이를 정한다.
• 슬러지 제거·배출 설비 용량을 정하고 수리 검토를 한다.

고형물부하율(Solids Loading Rate)은 면적 기준 고형물 양으로 다음과 같이 정의한다.

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

여기서 Q는 유량(㎥/d), R은 반송비(무차원), X는 MLSS 농도(kg/㎥), A는 침전지 면적(㎡)이다. 계산 예: Q=10{,}000㎥/d, R=0.5, X=3.0kg/㎥이면 Q(1+R)X=45{,}000kg/d이다. 면적 A=1{,}500㎡이면 SLR=30kg/㎡·d가 되어 상식 범위에 든다.

5. 관련 법령·기준·표준

이차침전지의 설계기준은 하수도 시설기준과 관련 지침에 따른다. 하수도 설계 기준을 정하는 법령은 「하수도법」이고, 세부 설계기준은 환경부 고시 하수도 시설기준이다. 아래 표의 수치는 설계에서 널리 쓰는 대표 값이다. 설계 조건과 처리방식에 따라 달라지므로 적용 전에 해당 기준을 대조해야 한다.

표면부하율은 침전 효율의 기본 설계값이다. 고형물부하율은 SVI가 나쁠 때 침전지가 한계를 가지는 이유를 설명하는 값이다. 두 값을 함께 검토해야 하며, 어느 한 값만으로 면적을 정하면 안 된다.