표준 활성슬러지법

왜 배우는가: 표준 활성슬러지법은 하수처리장 생물학적 처리의 기본 공법이며, 반응조 설계와 운전 문제를 묻는 문항이 여러 회차에 걸쳐 반복 출제된다. 이 절은 정의, 개념 풀이, 등장 배경을 먼저 익혀 뒤 절의 설계인자와 변법을 이해하는 기반을 만든다.

출제 이력: 제134회 4교시 4번, 제122회 2교시 3번, 제111회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의:

표준 활성슬러지법은 포기조에서 호기성 미생물 집단인 활성슬러지를 하수와 혼합·포기하여 유기물을 분해하고, 최종침전지에서 고액분리한 뒤 슬러지 일부를 포기조로 반송하는 생물학적 하수처리 공법이다.

핵심 키워드

• 활성슬러지(Activated Sludge): 호기성 미생물과 유기·무기 부유물이 응집한 플록 집합체
• 포기조(Aeration Tank): 산소를 공급하며 유기물 분해가 일어나는 반응조
• 최종침전지(Final Clarifier): 활성슬러지를 처리수와 분리하는 고액분리 시설
• 반송슬러지(Return Sludge): 침전된 슬러지를 포기조로 되돌리는 흐름
• MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids): 포기조 혼합액의 부유물질 농도
• HRT(수리학적 체류시간): 포기조 용량을 유입유량으로 나눈 평균 체류시간
• SRT(고형물 체류시간): 미생물이 시스템 안에 머무는 평균 시간

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 하수에 공기를 불어넣어 미생물을 키우고, 그 미생물 덩어리가 유기물을 먹게 한 뒤 가라앉혀 물과 나누는 방법이다. 미생물 덩어리가 계속 재사용되므로 '활성'이라는 이름이 붙었다.

정식 정의는 다음과 같다. 활성슬러지법은 세균, 원생동물, 후생동물 등으로 이루어진 혼합미생물 집단을 이용해 하·폐수 중 유기 오탁물질을 호기 조건에서 산화·분해하고, 최종침전지에서 혼합액을 고액분리하여 청정한 처리수를 얻는 공법이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

활성슬러지는 호기성 미생물이 하수 속 미립자와 부착하여 만든 플록이다. 미생물이 플록의 유기물을 분해하고 물을 정화한다. 활성슬러지는 여러 번 재사용할 수 있다는 점이 특징이다.

플록(Floc)은 미생물과 부유물이 엉겨 붙은 덩어리로, 침강성이 좋아야 최종침전지에서 물과 잘 분리된다.

MLSS는 포기조 안 혼합액의 부유물질 농도로, 미생물량을 나타내는 운전 지표다. 활성슬러지법은 포기조 MLSS를 일정하게 유지하고 반송 슬러지량을 조절하여 운전한다.

반송비는 유입 유량 대비 반송슬러지 유량의 비다. 반송을 통해 포기조 안에 충분한 미생물을 유지한다.

3. 등장 배경과 필요성

하수를 자연 정화에만 맡기면 하천 용존산소가 부족해지고 수질오염이 심해진다. 산업화와 도시화로 하수 발생량이 늘어나면서 짧은 시간에 유기물을 안정적으로 제거할 공법이 필요해졌다.

활성슬러지법은 1880년대 Angus Smith가 탱크에서 하수를 포기하여 유기물 산화를 촉진하는 연구를 한 데서 기원한다. 이후 1910년대 영국에서 포기 방식의 공정 연구가 진행되었고, 이를 바탕으로 공법이 체계화되었다. 이 공법은 부지 면적이 작고 처리 효율이 높아 대규모 도시하수처리장의 표준 공법이 되었다.

현재도 하수처리장의 2차 처리는 대부분 활성슬러지계열 공법을 쓴다. 질소·인 제거를 위한 A2O 등 고도처리 공법도 기본적으로 활성슬러지 반응조를 바탕으로 한다. 따라서 표준 활성슬러지법의 설계와 운전 원리를 이해하는 것이 변법과 고도처리 공법을 이해하는 출발점이 된다.

또한 활성슬러지법은 유지관리가 까다롭다는 한계도 있다. 슬러지 팽화나 거품 같은 이상 현상이 생기면 최종침전지에서 고액분리가 되지 않아 처리수질이 악화된다. 그래서 설계 단계에서 HRT와 같은 기준을 정하고, 운전 단계에서 MLSS와 SVI를 관리하는 것이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

표준 활성슬러지법은 포기조, 최종침전지, 반송슬러지 설비로 구성된다. 1차침전지에서 유출된 하수가 포기조에 유입되어 활성슬러지(미생물 집합체)와 혼합되고, 산소가 공급되면서 미생물이 유기물을 섭취·산화한다. 혼합액은 최종침전지에서 고액분리되어 상등수는 방류되고, 침전된 슬러지의 일부는 반송슬러지로 포기조에 되돌아가며 나머지는 잉여슬러지로 빠진다.

위 표에서 포기조는 처리의 중심이고, 최종침전지는 처리수 질을 좌우한다. 두 설비의 용량이 맞지 않으면 슬러지가 유출되어 처리 효율이 떨어진다.

포기조 내 미생물농도(MLSS)와 반송비가 처리 효율과 침전성을 함께 결정한다.

원리는 미생물의 기질 섭취와 산화, 세포 합성, 내생호흡의 세 과정이다. 기질이 많을 때는 증식이 빠르고, 기질이 줄면 내생호흡 단계로 들어가 플록 형성과 침강성이 좋아진다. 포기조 운전은 F/M비와 SRT를 조절해 이 단계를 맞추는 일이다.

절차는 다음과 같다.

• 1차침전지 유출수를 포기조에 유입시킨다.
• 포기조에서 산소를 공급하고 혼합하여 미생물이 유기물을 분해하게 한다.
• 혼합액을 최종침전지로 보내 고액분리한다.
• 침전 슬러지의 일부를 반송슬러지로 포기조에 되돌린다.
• 나머지 슬러지를 잉여슬러지로 배출하여 SRT를 유지한다.
• 상등수의 BOD와 SS를 측정하여 운전 조건을 조정한다.

핵심 공식은 다음과 같다. 포기조 F/M비는 다음과 같이 정의한다.

$F/M = \frac{Q \cdot S_0}{V \cdot X}$

여기서 Q는 유입유량(m³/d), S_0는 유입 BOD(mg/L), V는 포기조 용적(m³), X는 MLSS(mg/L)이다. 반송비는 R = Q_R/Q로 정의하며 Q_R은 반송슬러지량(m³/d)이다.

계산 예: 유입 BOD 120mg/L, Q 150m³/d, 포기조 용적 2m×2m×4.5m = 18m³, MLSS 2,000mg/L이면

$F/M = \frac{150 \times 120}{18 \times 2000} = 0.5\ \text{kg BOD/kg MLSS·d}$

결과 0.5는 표준 활성슬러지법의 일반 범위 안에 있어 상식적이다.

그림은 흐름도로 표현한다.

5. 관련 법령·기준·표준

상하수도 설계에서 표준 활성슬러지법의 기준은 하수도시설기준 및 환경부 고시 하수처리 설계기준에 따른다. 주요 기준값은 다음 표와 같다.

위 기준값은 설계 초기 검토에 쓰며, 실제 설계에서는 처리 목표와 지역 조건에 맞춰 조정한다. 개정 연혁과 최신 세부 기준은 관련 고시로 확인된다.

관련 법률은 「하수도법」이다. 방류수 수질기준은 「하수도법 시행규칙」의 기준을 따르며, 설계 기준은 하수도 설계 지침을 따른다.

6. 유형과 비교

표준 활성슬러지법은 유입 BOD 부하, 포기 방식, 반응조 형식에 따라 여러 변법으로 나뉜다. 변법은 대부분 포기시간과 부하율을 바꾸어 처리 안정성, 슬러지 발생량, 산소 소요량 중 어느 것을 우선할지에 따라 선택한다.