중력식 슬러지 농축조

왜 배우는가: 중력식 슬러지 농축조는 하수처리장에서 잉여슬러지의 부피를 줄여 소화조와 탈수설비의 규모와 비용을 낮추는 첫 단계 설비다. 설계 단면적과 운전 조건이 맞지 않으면 슬러지 부상, 농축 불량이 생겨 후속 공정 전체에 영향을 주므로 시험에서 원리와 설계식을 함께 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제130회 2교시 1번, 제117회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

중력식 슬러지 농축조는 슬러지를 침전 시켜 고형물 농도를 높이고 부피를 줄이는 설비다.

핵심 키워드

• 중력농축(Gravity Thickening)
• 고형물 부하(Solids Loading, kg/m²·day)
• 농축 단면적(Thickener Surface Area)
• 고형물 회수율(Solids Recovery)
• 상등수 반송(Supernatant Return)
• 부상·부패 현상(Floating and Septic Sludge)
• 체류시간(Detention Time)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 물에 섞인 슬러지를 큰 통에 가만히 두어 무거운 고형물은 바닥에 가라앉히고 위쪽의 맑은 물은 빼내는 방법이다. 농축조는 침전지와 구조가 비슷하지만 목적이 다르다. 침전지는 맑은 상등수를 얻는 것이 목적이고, 농축조는 바닥에 모이는 슬러지의 고형물 농도를 높이는 것이 목적이다.

정식 정의는 다음과 같다. 중력식 슬러지 농축조(Gravity Thickener)는 중력에 의한 고액 분리로 잉여슬러지 또는 생슬러지의 고형물 농도를 높이고 슬러지 부피를 감소시키는 조이다. 농축된 슬러지는 소화 또는 탈수 공정으로 보내고, 상등수는 수처리 계통으로 반송한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다. 농축은 고형물 농도를 높이는 조작을 뜻한다. 고형물 부하는 단위 면적당 하루에 들어오는 고형물량이며, 단위는 kg/m²·day다. 상등수는 농축 후 위쪽에 떠 있는 맑은 액이다. 농축조 설계는 고형물 부하를 기준으로 면적을 정하는 것이 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

하수처리 과정에서 1차 침전지와 2차 침전지가 발생시키는 슬러지는 함수율이 매우 높다. 대부분 물이고 고형물은 1% 안팎에 불과하다. 이렇게 묽은 슬러지는 펌프로 이송하기도 어렵고, 소화조의 용량을 불필요하게 키우며, 탈수에 필요한 약품과 동력을 늘린다. 따라서 슬러지 처리의 첫 단계로 부피를 줄이는 농축이 필요하다.

농축 방법은 여러 가지가 있다. 중력식 농축은 설비가 단순하고 운전비가 적어 1차 슬러지에 널리 쓰인다. 반면 농축성이 나쁜 2차 슬러지, 즉 활성슬러지 계통의 잉여슬러지는 비중이 가벼워 중력식으로는 잘 가라앉지 않는다. 이 경우 부상식 농축(DAF)이나 원심농축을 쓴다. 따라서 중력식 농축조의 설계와 이상 원인을 이해하려면 슬러지 종류별 농축 특성을 먼저 알아야 한다.

현장에서 농축조는 하수처리 계통의 중간 단계다. 농축 효율이 떨어지면 후속 소화조 부하가 커지고, 탈수 케이크의 함수율이 올라간다. 그 결과 처리 비용과 최종 처분량이 함께 증가하므로, 농축조는 전체 슬러지 처리 계통의 효율을 좌우하는 설비로 인식된다.

4. 구성요소·원리·절차

중력식 슬러지 농축조는 원형 또는 사각형 탱크에 슬러지를 연속으로 유입시켜, 고형물이 중력에 의해 바닥으로 가라앉고 상징수가 위쪽으로 빠져나가게 하는 장치다. 구성요소는 유입관, 중앙 웰(Center Well), 상징수 위어(Overflow Weir), 농축 슬러지 인출관, 바닥 경사부, 교반기(Rake Mechanism)로 나뉜다. 각 요소의 역할을 표로 정리하면 다음과 같다.

교반기는 농축조의 가장 중요한 부속이다. 레이크가 천천히 회전하면서 압밀된 슬러지 층을 부드럽게 흔들어 간극수를 빠져나오게 한다. 레이크가 없으면 슬러지 층에 물길이 생기고 상징수가 탁해진다.

농축 원리는 침강 과정의 단계별 해석으로 설명한다. 슬러지 농도가 낮을 때는 입자가 서로 떨어져 독립적으로 가라앉는 자유침강이 일어난다. 농도가 높아지면 입자끼리 가까워져 함께 가라앉는 계면침강(지역침강)이 일어난다. 농도가 더 높아져 바닥 쪽 층이 쌓이면 압밀(압축) 단계가 된다. 중력식 농축조의 설계는 주로 계면침강 속도에 의해 정해진다. 계면침강 속도는 슬러지 농도와 SVI에 따라 달라지므로, 농도-침강속도 곡선(플럭스 곡선)을 그려 한계고형물 플럭스를 구한다.

농축 절차는 다음과 같다.

• 원슬러지를 중앙 웰로 완만하게 유입시킨다.
• 고형물이 침강하면서 계면을 형성하고 농도가 점차 높아진다.
• 바닥 부근에서 압밀이 진행되어 농축 슬러지가 쌓인다.
• 레이크가 바닥 슬러지를 중앙 인출구로 천천히 모은다.
• 농축 슬러지는 인출관으로 배출하고, 상등수는 위어로 월류시킨다.
• 상등수는 반류수로 최초침전지 또는 유입 측으로 되돌린다.

농축 효율의 핵심 식은 고형물 부하(고형물 플럭스)다.

$J = \frac{Q \cdot C_0}{A}$

여기서 J는 고형물 플럭스(kg/m²·h), Q는 유입 슬러지량(m³/h), C_0는 유입 슬러지 고형물 농도(kg/m³), A는 농축조 단면적(m²)이다. 이 값이 한계 고형물 플럭스 J_L을 넘으면 농축조가 고형물을 처리하지 못해 상징수가 탁해진다.

농축조 단면적은 한계 고형물 플럭스로 결정한다

5. 관련 법령·기준·표준

중력식 슬러지 농축조의 설계·운영 기준은 「하수도 시설기준」과 「하수도 설계 지침」에 있다. 공공하수처리시설의 시설 기준과 운영 관리 기준은 「하수도법」과 그 하위 기준에서 정한다. 「하수도법」은 공공하수처리시설의 설치와 운영을 규율하는 법률이며, 농축조는 슬러지 처리 계통의 일부로 여기에 포함된다. 세부 설계 수치는 하수도 시설기준의 농축 관련 조항을 따른다.

기준 수치는 다음 표에 모은다.

표의 체류시간과 농도 값은 설계 교재에서 널리 쓰는 값이다. 2차 슬러지는 중력농축 효율이 낮아 부상농축을 선택하는 경우가 많다. 농축 효율이 낮은 2차 슬러지는 부상식 농축과 비교해 설명하면 답안 흐름이 자연스럽다.

개정 연혁은 설계 기준의 수치 변경을 중심으로 본다. 기준이 바뀌면 해당 시설기준의 현행 조항을 우선한다.

6. 유형과 비교

중력식 슬러지 농축조는 중력농축(gravity thickening)을 기본으로 하지만, 현장에서는 부상농축, 원심농축, 드럼농축 등과 함께 선택된다. 농축 방식은 슬러지의 성상(1차슬러지와 2차슬러지의 침강성 차이)과 후속 처리 방식에 따라 결정된다. 아래 표는 주요 농축 방식을 비교한 것이다.