슬러지 반류수 처리

왜 배우는가: 반류수는 처리장 본류 부하와 방류 수질에 직접 영향을 주므로 실무에서 중요하다. 이 주제는 4개 회차에 걸쳐 출제되었으며, 슬러지 처리 공정과 수처리 공정을 함께 묻는 문항의 핵심 개념이다.

출제 이력: 제128회 3교시 6번, 제119회 1교시 3번, 제114회 3교시 4번, 제102회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

반류수는 슬러지 처리 과정에서 생기는 액상 부분을 총칭하며, 수처리시설로 다시 되돌려 보내지는 물이다.

Sidestream 이라고도 부르는 반류수는 슬러지의 농축, 소화, 탈수, 세정 공정에서 고형물과 분리되어 나오는 액체를 가리킨다. 하수처리시설의 주 흐름인 본류와 구분하여 옆 흐름이라는 뜻의 이름이 붙었다. 이 액체는 수처리 공정의 앞부분으로 되돌아가므로 처리 계획을 세울 때 본류와 함께 검토해야 한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 반류수: 슬러지 처리 공정에서 생기는 액상 부분의 총칭
• 상등액: 농축조와 소화조에서 위쪽에 맑게 떠오르는 액체
• 탈리액: 탈수 공정에서 고형물과 분리되어 나오는 액체
• 원심분리액: 원심탈수기에서 나오는 탈리액, centrate 라고도 부름
• 질소·인 부하: 반류수가 수처리 공정에 더하는 질소와 인의 양
• 고형물 농도(TS): 액체 속 총고형물이 차지하는 질량 비율
• 암모니아성 질소: 소화 과정에서 생겨 반류수의 질소 농도를 높이는 형태

2. 개념 풀이

반류수는 슬러지 처리 공정에서 발생하여 수처리시설로 되돌려 보내지는 액체를 통틀어 가리키는 용어이다. 농축조 상등액, 소화조 상등액, 세정액, 탈수 공정의 탈리액이 모두 여기에 해당한다. 개념의 핵심은 발생 위치가 슬러지 처리 공정이라는 점과, 수처리시설로 되돌아간다는 흐름에 있다.

반류수가 오염되는 원리는 슬러지의 성질에서 나온다. 슬러지는 고형물과 물이 섞인 혼합물이므로, 중력 농축이나 기계식 탈수를 거치면 고형물은 슬러지 쪽에 남고 물은 액상으로 빠져나간다. 이 액상은 고형물 대부분을 걸러낸 물이지만, 슬러지 속 용해성 유기물과 암모니아성 질소, 인산염, 미세한 부유물을 그대로 품고 있으므로 원수보다 오염물질 농도가 높다.

혐기성 소화를 거친 슬러지에서는 이 현상이 더 뚜렷하다. 소화 과정에서 유기물이 분해되면서 질소가 암모니아 형태로 빠져나오기 때문에, 소화조 상등액과 탈리액의 질소 농도가 크게 올라간다. 이 때문에 혐기성 소화를 적용한 처리장일수록 반류수의 질소 관리가 중요해진다. 반면 잉여 활성슬러지처럼 안정화가 덜 된 슬러지는 유기물 함량이 높아, 그 반류수는 유기물 부하가 큰 특징을 보인다.

반류수가 본류에 더하는 오염 부하는 유량과 농도의 곱으로 나타낸다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$L = QC$

여기서 L은 질소 또는 인의 부하(kg/일), Q는 반류수 유량(㎥/일), C는 반류수 속 항목의 농도(kg/㎥)이다. 농도가 같더라도 유량이 늘면 부하가 커지므로, 반류수를 한꺼번에 본류에 넣는 운전은 처리장에 부담이 된다.

탈리액은 탈수기에서 분리되는 액체이다. 탈수 방식에 따라 벨트프레스에서 나오는 것은 filtrate(여액)라 부르고, 원심분리기에서 나오는 것은 원심분리액이라고 구분한다. 탈리액의 고형물 농도는 소화 관리 상태에 따라 달라진다. 관리가 양호할 때 탈리액의 고형물 농도(TS)는 0.2~0.5% 정도이다.

탈리액의 TS가 통상보다 높아지는 원인은 소화슬러지 인출량 부족, 조 내 고형물 과다, 불완전 소화, 스컴 혼입, 슬러지와 탈리액의 분리 불량이다. 이 원인들은 모두 소화 조건이나 탈수 조건의 문제로 이어지므로, 반류수 관리는 소화 운전과 분리해서 생각할 수 없다.

상등액은 농축조와 소화조에서 위쪽에 맑게 떠오른 액체이다. 고형물이 적어 외관은 맑지만, 용해성 질소와 인을 많이 포함하므로 반류수에 해당한다. 맑게 보인다는 사실이 오염이 낮다는 뜻이 아니라는 점과 구분해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

반류수를 원수에 그대로 되돌리면 본류의 질소·인 부하가 함께 늘어난다.

반류수는 슬러지 처리 공정이 있는 처리장이라면 반드시 생기는 부산물이다. 하수처리 과정에서 제거된 고형물은 농축, 소화, 탈수를 거쳐 처분되고, 이 과정마다 물이 분리되어 나오기 때문이다. 반류수가 문제로 부각되는 이유는 슬러지 처리 공정이 본류의 오염물질을 줄이면서도, 그 결과로 생긴 액체가 다시 본류로 되돌아오는 구조이기 때문이다. 즉 슬러지 쪽에서 덜어낸 오염이 물 쪽으로 옮겨 와 본류의 부담이 되는 셈이다.

반류수는 질소와 인을 많이 포함하므로, 이를 원수에 그대로 되돌려 보내면 생물학적 처리 공정에 질소·인 부하가 추가된다. 질소는 질산화 단계에서 산소를 더 요구하고, 탈질 단계에서는 탈질 미생물이 쓸 유기물과 경쟁하게 된다. 이 두 가지 때문에 설계된 처리 효율을 유지하기 어려워진다. 인도 부하가 늘어나므로 인 제거 공정의 여유가 줄어든다.