활성슬러지 운전인자

왜 배우는가: 활성슬러지법은 국내 하수처리장의 대표 공정이라 운전인자의 의미를 알아야 처리 효율과 슬러지 관리를 설명할 수 있다. SRT, F/M비, MLSS 같은 인자는 설계와 운전 장애 대응 문제에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제128회 1교시 10번, 제99회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

활성슬러지 운전인자는 포기조 안의 미생물 양과 먹이(유기물) 양, 체류 조건을 나타내어 처리 효율과 슬러지 상태를 조절하는 기준 변수다.

활성슬러지 운전인자는 포기조의 미생물 농도, 유기물 부하, 고형물 체류시간을 조절해 BOD 제거와 침강성을 확보하는 변수다

• SRT(고형물 체류시간)
• 유기물부하(F/M비)
• 미생물농도(MLSS)
• MLVSS
• SVI(슬러지용량지표)
• 반송비
• BOD 용적부하

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 활성슬러지 운전은 포기조 안에 미생물을 얼마나 많이, 얼마나 오래 머물게 하고, 그 미생물에게 먹이를 얼마나 주느냐를 정하는 일이다. 이 세 가지를 맞추면 유기물이 잘 분해되고, 미생물 덩어리가 잘 가라앉아 맑은 처리수가 나온다.

정식으로는 포기조 혼합액 부유물질(MLSS)의 농도, 단위 미생물량당 하루 투입 BOD량인 F/M비, 미생물이 조 안에 머무는 평균 시간인 고형물 체류시간(SRT)을 합쳐 운전인자라 한다. MLSS는 포기조 내 부유물질 전체이며, 그중 유기성 부분인 MLVSS가 미생물량의 지표로 쓰인다. 자료에 따르면 MLVSS는 MLSS의 0.5~0.7 수준이며, BOD-SS 부하가 높을수록 이 비율이 커진다.

F/M비는 유기물부하의 대표 지표다. 식은 $F/M = \frac{Q \cdot S_0}{V \cdot X}$ 이며, Q는 유입유량(m³/d), S₀는 유입 BOD(mg/L), V는 포기조 부피(m³), X는 MLSS(mg/L)다. F/M비가 낮으면 미생물이 대수성장 단계에 있어 BOD 제거 효율이 떨어지고, 너무 높으면 유입수 일부가 처리되지 않은 채 유출된다. 따라서 처리 효율이 가장 좋은 범위를 유지해야 한다.

SRT는 미생물이 포기조에 머무는 평균 일수이며, 잉여슬러지 인출량으로 조절한다. 자료에서는 SRT를 슬러지 일령과 같은 개념으로 설명한다. 짧으면 미생물이 충분히 증식하지 못해 질산화가 어렵고, 길면 내생호흡이 많아져 잉여 슬러지가 줄고 침강성이 나빠질 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 하수처리는 잘 가라앉는 고형물만 침전으로 분리하는 방식이었으나, 용존성 유기물은 제거되지 않았다. 이를 해결하기 위해 미생물을 높은 농도로 공기와 함께 섞어 유기물을 분해하는 활성슬러지법이 발전했다. 이 공법은 처리 용량이 크고 효율이 높아 현재 하수처리장의 주류가 되었다.

그러나 유입 하수의 양과 농도는 시간대와 계절에 따라 크게 변한다. 부하가 갑자기 늘면 미생물이 적응하지 못하고, 부하가 줄면 미생물이 먹이 부족으로 활력을 잃는다. 그래서 MLSS, F/M비, SRT 같은 운전인자를 측정하고 반송슬러지량과 잉여슬러지량을 조절하여 미생물 상태를 일정하게 유지하는 운전 관리가 필요해졌다.

또한 운전인자의 불균형은 슬러지 팽화나 거품 같은 침강 장애를 일으켜 이차침전지의 고액분리를 어렵게 한다. 따라서 운전인자는 처리수질과 슬러지 관리를 함께 보는 핵심 지표로 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

활성슬러지 운전인자는 포기조 안의 미생물 상태와 유입 부하를 나타내는 값들이다. 운전인자는 서로 얽혀 있어 한 값을 바꾸면 나머지도 함께 움직인다. 답안에서는 SRT, F/M비, MLSS, BOD 용적부하를 중심으로 구성 요소를 나누어 쓴다.

표의 값은 운전 조건에 따라 달라지므로 설계 조건과 함께 적는다. 표의 칸에는 굵은 핵심어만 두고 수치는 설명 문장에서 다룬다. MLSS는 설계 때 가정하는 값이며 표준활성슬러지법에서 흔히 1,000~2,000mg/L 수준으로 운전한다고 본다.

원리

활성슬러지 공법에서 미생물은 유입 유기물을 섭취하여 증식한다. 증식한 미생물 중 일부는 잉여슬러지로 빠지고 나머지는 반송되어 포기조에 남는다. 따라서 먹이 공급량과 미생물량의 평형이 운전의 기본이다. 이 평형은 F/M비로 표현되고, 미생물이 머무는 평균 시간은 SRT로 표현된다.

SRT를 길게 하면 미생물이 늘 내생호흡 영역에 머물러 잉여슬러지가 줄고 질산화가 쉬워진다.

SRT가 짧으면 미생물이 빠르게 빠져나가 유기물 제거는 되지만 응집성과 침강성이 떨어질 수 있다. 반대로 SRT가 길면 슬러지 생산이 줄고 안정화가 진행된다.

계산식

$\theta_c = \frac{V \cdot X}{Q_w \cdot X_w + (Q - Q_w) \cdot X_e}$

여기서 \theta_c는 고형물 체류시간(d), V는 포기조 부피(㎥), X는 포기조 MLSS(kg/㎥), Q_w는 잉여슬러지 유량(㎥/d), X_w는 잉여슬러지 농도(kg/㎥), Q는 유입유량(㎥/d), X_e는 유출수 고형물 농도(kg/㎥)다.

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

여기서 S_0는 유입 BOD(kg/㎥), V는 포기조 부피(㎥), X는 포기조 MLSS(kg/㎥)다. 단위는 kg-BOD/kg-MLSS·d로 쓴다.

절차

• 유입 유량과 BOD 농도를 측정하여 BOD 부하(kg/d)를 구한다.
• 목표 MLSS 농도와 포기조 부피를 정하여 BOD 용적부하와 F/M비를 계산한다.
• 목표 SRT를 정하고 잉여슬러지량을 산정한다.
• 2차 침전지의 고액분리 상태를 SVI와 SV로 확인한다.
• 반송비와 잉여슬러지량을 조정하여 MLSS를 목표 범위로 유지한다.
• 유출수 BOD와 SS를 확인하고 운전 조건을 다시 맞춘다.

5. 관련 법령·기준·표준

하수처리 활성슬러지 운전인자는 법령으로 개별 값이 정해지기보다 설계기준과 운영 지침에서 다룬다. 방류수 수질 기준은 「하수도법」과 시행규칙에 따르고, 운전인자는 공정 설계 기준과 기술 지침의 범위 안에서 정한다. 아래 표는 널리 쓰이는 표준활성슬러지법의 기준 범위다.

표의 값은 교재와 설계 실무에서 널리 쓰는 범위다. 실제 설계는 처리 방식과 방류 조건에 맞추어 정한다.

개정 연혁

하수도 관련 기준은 「하수도법」과 「하수도 시설기준」으로 나뉘어 관리된다. 운전인자 자체의 개정보다는 방류수 수질 기준과 설계 기준이 바뀌면서 운전 범위가 조정되어 왔다. 최근 질소·인 규제 강화로 SRT를 늘리는 설계가 늘고 있다.

F/M비와 SRT는 방류 수질과 슬러지 생산량을 함께 정하는 핵심 인자다.

흔한 실수

• F/M비를 BOD 부하만으로 계산하고 MLSS 대신 MLVSS 기준을 혼용한다.
• SRT를 HRT와 혼동한다. SRT는 미생물이 머무는 시간이고 HRT는 액체가 머무는 시간이다.
• 기준 표의 값을 모든 처리장에 그대로 적용한다.

6. 유형과 비교

활성슬러지법은 운전 조건에 따라 여러 방식으로 나뉜다. 유기물 부하, 포기 방식, 반응조 구조가 달라지면 F/M비와 SRT가 달라지고, 그에 따라 처리 효율과 슬러지 발생량도 달라진다. 답안에는 표준 활성슬러지법, 산화구법, 연속회분식(SBR) 세 가지를 기준으로 비교하는 것이 좋다.