생물반응조 미생물농도 및 슬러지반송비

왜 배우는가: 생물반응조의 미생물농도(X)와 슬러지반송비(R)는 활성슬러지 공정의 처리능력과 침전지 운전을 결정하는 핵심 운전인자이다. 실무에서는 유입 변동에 따른 반송 조정이 침전지 슬러지 유실을 막는 기본 수단이다. 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제로 반복 출제되어 정의와 상관관계를 함께 정리해야 한다.

출제 이력: 제139회 1교시 11번, 제131회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

생물반응조의 미생물농도(X)는 포기조 내 활성슬러지 고형물 농도이고, 슬러지반송비(R)는 유입수량에 대한 반송슬러지량의 비이다.

• MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids): 포기조 혼합액의 부유물질 농도로 X의 대표 값
• MLVSS(Mixed Liquor Volatile Suspended Solids): 강열감량으로 측정한 유기성 부유물질, 미생물량 추정에 사용
• 반송슬러지(Return Sludge): 최종침전지에서 농축되어 포기조로 되돌려 보내는 슬러지
• 슬러지반송비(R): 반송슬러지량 대 유입수량의 비
• SRT(고형물 체류시간): 포기조 미생물이 체류하는 평균 시간
• F/M비: 유입 기질량 대 포기조 미생물량의 비
• SVI(슬러지용적지수): 침강 특성을 나타내는 지표

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 X는 포기조 안에 있는 미생물의 양이고, R은 침전지에서 다시 돌려보내는 슬러지의 비율이다. 두 값은 포기조의 생물량을 유지하는 데 함께 쓰인다.

미생물농도(X)는 포기조 혼합액 1L 속 부유고형물의 질량으로, 단위는 mg/L이다. 통상 MLSS로 관리하며, 유기물 분해에 실제 관여하는 생물량은 MLVSS로 나타낸다. 웹 자료에 따르면 MLVSS는 MLSS의 약 0.5~0.7배 범위에서 변한다. MLVSS = 0.5~0.7 MLSS 값은 BOD-SS 부하가 높을수록 커진다.

슬러지반송비(R)는 다음과 같이 정의한다.

$R = \frac{Q_r}{Q} \times 100\,(\%)$

• Q: 유입수량 (㎥/d)
• Q_r: 반송슬러지량 (㎥/d)

반송이 필요한 이유는 미생물의 증식속도가 포기조 내 평균 체류시간보다 느리기 때문이다. 따라서 침전된 미생물을 연속적으로 반송하지 않으면 필요한 생물량을 유지할 수 없다. 반송은 포기조의 MLSS 농도를 일정하게 유지하는 수단이다.

반송슬러지 농도 X_r와 포기조 농도 X의 관계는 물질수지로 정리된다. 반송 농도는 포기조 농도보다 높아야 하며, 이상적인 침전지에서 유출수 고형물과 잉여슬러지를 무시하면 다음 근사식이 성립한다.

$R \approx \frac{X}{X_r - X}$

여기서 X_r은 반송슬러지 농도(mg/L), X는 포기조 MLSS 농도(mg/L)이다. 이 식은 R이 커질수록 X가 높게 유지될 수 있음을 보여 준다.

3. 등장 배경과 필요성

활성슬러지법은 포기조에서 미생물이 유기물을 섭취하여 응집한 슬러지를 만들고, 이를 침전지에서 분리하는 공정이다. 침전지에서 분리된 슬러지를 포기조로 돌려보내지 않으면 생물량이 빠져나가 처리능력이 떨어진다. 그래서 반송설비가 공정의 필수 구성요소가 되었다.

초기 연구에서는 활성슬러지 공정의 기본 설계 개념을 이해하는 기술자가 적었다. 이 때문에 X와 R의 관계를 정량적으로 정리하는 것이 설계와 운전 모두에 필요해졌다. 표준 활성슬러지법은 일반적으로 1차침전지, 포기조, 2차침전지, 슬러지 반송시설로 구성된다.

고도처리 요구가 커지면서 MBR 같은 방식이 등장했다. MBR은 막분리로 고형물을 분리하여 MLSS를 8,000~12,000mg/L 범위로 운전할 수 있다. 일반 활성슬러지법의 MLSS 1,500~2,000mg/L보다 훨씬 높다. 따라서 X와 R의 관리 개념은 공정 방식에 따라 달라지는 기준으로 이해해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

생물반응조의 미생물농도와 슬러지반송비는 활성슬러지법의 핵심 구성요소인 포기조, 최종침전지, 반송설비가 함께 작동하여 결정된다. 포기조에서 유기물을 분해하는 활성슬러지가 최종침전지에서 분리되고, 그중 일부가 반송슬러지로 다시 포기조에 돌아온다. 따라서 미생물농도는 반송량과 침전지 상태에 의해 함께 조절된다.

표의 구성은 표준 활성슬러지법의 처리계통과 같다. 반송설비는 포기조의 MLSS 농도를 일정하게 유지하는 역할을 한다. 잉여슬러지 인발량은 반송비와 별도로 정해지므로, 두 값을 따로 관리해야 한다.

원리는 물질수지로 설명한다. 포기조에 유입하는 미생물량은 반송슬러지에 의한 양과 유입수 내 미생물의 합이다. 미생물은 증식하여 포기조 안에 머물고, 증가분은 잉여슬러지로 빠진다. 반송비를 높이면 포기조의 미생물농도가 높아지고, 미생물과 유기물의 비율인 F/M비가 낮아진다. 반대로 반송비를 낮추면 포기조 미생물농도가 낮아져 처리능력이 떨어진다.

반송비가 높을수록 포기조 미생물농도는 증가하고 F/M비는 감소한다

절차는 다음과 같다.

• 유입수가 1차 침전지를 거쳐 포기조에 들어가 활성슬러지와 혼합된다.
• 포기조에서 호기성 미생물이 유기물을 산화분해하고 증식한다.
• 혼합액이 최종침전지에서 고액분리되고 상등수는 방류된다.
• 침전된 슬러지 중 반송량만큼 포기조로 되돌린다.
• 나머지 잉여슬러지를 인발하여 SRT를 조절한다.

반송비의 정의식은 다음과 같다.

$R = \frac{Q_r}{Q} \times 100\ (\%)$

Q: 유입수량 (㎥/d), Q_r: 반송슬러지량 (㎥/d). 포기조 미생물농도는 물질수지로 근사할 수 있다.

$X = \frac{R}{1+R} X_r$

X: 포기조 MLSS (mg/L), X_r: 반송슬러지 농도 (mg/L), R: 반송비(무차원, 소수). 이 식은 유출수 중 고형물과 잉여슬러지 영향을 무시한 근사식이다.

계산 예제로 확인한다. 유입수량 Q=1,000㎥/d, 반송슬러지량 Q_r=500㎥/d, 반송슬러지 농도 X_r=8,000mg/L이면 R=0.5이다. 따라서 X = \frac{0.5}{1.5} \times 8{,}000 \approx 2{,}667 mg/L이다. BOD 부하가 큰 경우의 표준 활성슬러지법 MLSS 범위(3,000~5,000mg/L)와 비슷하여 상식 범위이다.

5. 관련 법령·기준·표준

하수처리 생물반응조의 운전 기준은 하수도법 체계와 하수도시설 설계기준에서 정한다. 아래 표는 활성슬러지법의 대표적 관리 기준을 정리한 것이다. 기준 수치는 공정의 표준 범위이며, 법령에 직접 명시된 값으로 단정하지 않는다.

표준 활성슬러지법의 MLSS는 근거에 따라 일반적으로 mg/L 단위로 관리한다고 쓴다. MBR은 막이 고액분리를 맡기 때문에 침전성 제약 없이 MLSS를 더 높게 운전한다. 계단식 포기법은 같은 반송량에서 포기시간을 줄일 수 있으나 처리 안정성은 표준법보다 낮다. 개정 연혁은 확인된 자료가 없으므로 쓰지 않는다.