1차 침전지 설계

왜 배우는가: 1차 침전지는 하수처리장에서 생물반응조의 부하와 송풍 동력을 정하는 출발점이 된다. 시험에서는 구조 설명과 표면부하율·체류시간 계산 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제123회 4교시 5번, 제122회 2교시 4번, 제116회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

1차 침전지는 하수 중 중력으로 가라앉는 부유물질을 분리하여 후속 처리의 부하를 줄이는 시설이다.

• 1차 침전지: 침사지 뒤, 생물반응조 앞에 설치되는 침전지다.
• 부유물질(SS): 하수 속 고형 오염물로, 1차 침전지에서 주로 제거된다.
• 침강속도: 입자가 정지한 물속에서 가라앉는 속도다.
• 표면부하율: 침전지 단위 표면적당 처리 유량이다.
• 체류시간: 탱크 용적을 유량으로 나눈 평균 머묾 시간이다.
• 슬러지 수집기: 바닥에 가라앉은 슬러지를 모아 배출하는 장치다.
• 월류위어: 맑은 상등액을 고르게 넘겨 보내는 둑이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 하수를 천천히 흘려 보내 무거운 찌꺼기를 바닥에 가라앉히고, 맑은 물만 위로 넘기는 시설이다. 하수 속 모래와 흙 같은 무기성 입자는 비중이 2.6~2.65 정도라 잘 가라앉는다. 유기성 입자는 비중이 1.2~1.4 정도로 가벼워 침강이 느리다.

정식으로는 1차 침전지를 중력침강에 의해 하수 중 부유물질을 분리하는 1차 처리 단위 공정으로 정의한다. 분리된 생슬러지는 슬러지 처리 계열로 보내고, 상등액은 생물반응조로 보낸다. 침전지는 유입부, 침전부, 슬러지 저류부, 유출부로 나뉜다.

설계 이론은 이상 침전지 가정에서 출발한다. 흐름이 수평으로 균일하고 입자가 바닥에 닿으면 제거된다고 본다. 이때 침강속도가 표면부하율보다 큰 입자는 모두 제거되고, 작은 입자는 그 비율만큼 제거된다.

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

여기서 v_o는 표면부하율(m3/m2·d), Q는 설계 유량(m3/d), A는 침전지 표면적(m2)이다. 제거율 E는 E = v_s / v_o (단, v_s < v_o)로 구하며, v_s는 입자 침강속도다. 두 속도는 같은 단위(m/d)로 맞춘다.

$t = \frac{V}{Q}$

여기서 t는 체류시간(h), V는 침전지 용적(m3), Q는 유량(m3/h)이다. 표면부하율은 침전지 면적을 정하고, 체류시간은 수심과 용적을 정한다. 1차 침전지의 표면부하율은 설계 기준이 정한 범위로 잡는 것이 일반적이다.

3. 등장 배경과 필요성

하수에 포함된 SS가 생물반응조에 그대로 들어가면 유기물 부하가 커진다. 그만큼 폭기 동력과 산소 요구량이 늘고, 잉여 슬러지 발생량도 증가한다. 1차 침전지는 이 부담을 생물반응조 전에 덜어 주는 역할을 한다.

이 때문에 1차 침전지가 있으면 생물반응조와 송풍기의 용량을 줄일 수 있다. 침전으로 얻은 1차 슬러지는 혐기성 소화의 원료가 되어 소화가스 생산 기반을 만든다. 표준 활성슬러지법은 1차 침전지, 폭기조, 2차 침전지, 슬러지 반송 설비로 구성된다. 1차 침전지는 그 가운데 가장 앞에서 SS를 제거한다.

하수도 설계에서 최초침전지의 침전시간은 1일 최대 오수량을 기준으로 정한다. 분류식 활성오니법과 합류식에서는 관련 기준이 정한 체류시간을 표준으로 한다. 침전시간이 길면 SS와 BOD 제거율은 올라가지만, 증가 폭은 시간이 갈수록 줄어든다. 지나치게 길면 하수가 부패하여 후속 처리에 지장을 준다.

합류식 하수도에서는 우천 시 유입 부하가 급격히 늘어난다. 이때 1차 침전지는 유량 변동을 완충하는 기능도 함께 맡는다. 따라서 설계 시 평상시 유량과 우천 시 유량을 모두 검토한다.

4. 구성요소·원리·절차

1차 침전지는 하수 중 부유물질(SS)을 중력으로 가라앉혀 제거하는 침전지이다. 구조는 유입부, 침전부, 유출부, 슬러지 호퍼로 나뉜다. 핵심은 표면부하율과 체류시간이 침전 효율을 결정한다는 점이다.

유입부 정류설비는 단락류와 와류를 줄여 침전 면적을 최대로 쓰게 한다. 유출부는 침전 후 표면 근처의 맑은 물만 월류시켜 미세 플록의 유출을 막는다. 침전부 아래 호퍼에 모인 슬러지는 수집기로 밀어 배출한다.

원리: 입자의 침강속도 v_s가 표면부하율 v_o보다 크면 모두 제거된다. 표면부하율은 다음과 같다.

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

여기서 Q는 유량(m³/day), A는 침전지 표면적(m²)이다. 체류시간은 다음과 같다.

$t = \frac{V}{Q} = \frac{A \cdot h}{Q}$

여기서 V는 침전지 용적(m³), h는 유효수심(m)이다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 설계 유량 Q와 목표 침전속도 v_s를 정한다.
• 표면부하율 v_o를 정하고 필요 표면적 A = Q/v_o를 구한다.
• 체류시간 t에서 용적 V = Q \cdot t를 구한다.
• 유효수심 h = V/A를 구하고 기준 범위에 맞는지 확인한다.
• 길이 대 폭 비와 지 수로 1지당 폭을 정한다.
• 유입·유출 위어 길이와 수면적부하를 검토한다.

5. 관련 법령·기준·표준

1차 침전지의 설계 기준은 「하수도 시설기준」과 하수도 설계지침에 제시된다. 이 절에서 다룬 값은 다음과 같다.

침전시간은 1일 최대 오수량 기준이다. 침전시간이 길수록 BOD·SS 제거율은 늘지만 증가율은 떨어지며, 지나치게 길면 하수가 부패한다. 표면부하율과 수심은 설계 조건과 처리장 규모에 따라 달라진다. 개정 연혁은 「하수도 시설기준」의 개정 시마다 갱신되므로 설계 시점의 현행 기준을 따른다.

본 절에서는 표의 값을 대표 범위로 쓰며, 설계 시 적용 기준을 우선한다.

6. 유형과 비교

1차 침전지는 형상과 슬러지 제거 방식에 따라 장방형과 원형으로 나뉜다. 장방형은 부지 활용이 좋고 체인식 슬러지 수집기를 쓰며, 원형은 중앙 유입과 회전식 수집기 구조로 소규모 시설에 많이 쓴다.

장방형은 긴 흐름 방향 때문에 흐름 균등화가 쉽고 대규모 처리장에 적합하다는 점을 답안에 함께 쓴다. 원형은 수집기 구조가 단순하나 대형화에 불리하다.

하수 1차 침전지는 대부분 보통 침전 방식이며, 응집제 주입은 고도 처리 목적일 때 선택한다. 두 방식의 설계 근거가 다름을 구분해 쓴다.