활성슬러지공법 개요 (호기성, 생물학적처리)

 

안녕하세요 홍앤강 Environment의 강입니다.

고농도 폐수처리에 사용되는 전통적인 활성슬러지공법에 대해서 개요를 정리하고자 합니다.

생물학적 처리공법의 기본이고 그 내용이 응용공법과 미생물까지 방대하여 입문인 개요와

국내 논문에 수록된 일부 내용을 공유하고자 합니다.

 

 

 

1. 호기적 처리조건

① 산소 : 폐수 중에 유기물이 많으면 산소 요구량이 많아지게 된다. 따라서, 유기물질을 호기적으로 분해하려면 대량의 공기가 공급되어야 한다.

② 온도 : 일반적으로 세균은 0~75℃ 범위에서 증식하게 되는데 최적온도는 세균의 종류에 따라 달라지게 된다. 온도가 10℃가 상승하면 생물학적 작용은 2배가 되지만, 40℃ 이상이 되면 열에 의한 단백질의 불활성화를 일으킨다.

③ pH : 폐수의 pH는 생물증식을 좌우한다. 다수의 세균이 pH 5.0~8.5에서 증식하지만 최적 pH는 6.5~7.5 범위가 바람직하다.

④ 영양 : 미생물이 증식하기 위한 균형잡힌 영양소를 필요로 한다. NH4+ 형태의 질소와 PO43- 형태의 인이 생물학적 산화에 가장 유리하다.

- BOD : N : P = 100 : 5 : 1

⑤ 독성물질 : 폐수 중에는 생물의 활동을 저해하거나 억제하는 유기물 및 무기물이 함유될 수 있으며, 이들에 의한 영향은 pH와 온도, 염류 농도, 접촉시간 등에 따라 그 정도가 달라진다. 각 화합물의 저해 농도는 다음과 같다.

저해물질	저해농도(ppm)	저해물질	저해농도(ppm)
KCN(CN-)	2(0.8)	합성세제(ABS, LBS)	40
K2Cr2O7(Cr6+)	8(2.8)	아세트알데히드	100
PCP(제초제)	12	크레졸	120
HCHO	25	페놀	600
CuSO4	40(10)	NaCl(Cl-)	5,000(3,000)

 

2. 활성슬러지법(Activated Sludge Processes)

1) 개요 :

- 활성슬러지란 통상 반응력이 있는 슬러지를 말하며, 이는 Floc을 형성한 호기성 및 조건성 세균을 주로 하는 미생물 세포의 응집체를 총칭한다.

- 형성과정은 하폐수나 침전폐수에 충부한 산소를 공급하면서 교반하면 호기성 세균 및 미생물의 작용에 의해서 오니가 형성된다.

- 형성된 오니는 유기물에 대한 흡착 및 산화작용이 매우 활발하고 침전성도 극히 양호하게 되는데 이를 활성슬러지라 한다.

→ 현재 반도체, 디스플레이 등 첨단 전자산업에서는 TMAH, IPA, DMSO 등 난분해성 물질을 포함한 유기 폐수를 처리하기 위하여, 일반적인 하수 처리를 위해 개발된 활성 슬러지(Activated sludge) 기반의 생물학적 고도산화처리공법(Advanced oxidation process, AOP)을 적용하고 있다.

2) 공정원리 :

- 유기물을 함유하는 폐수를 일정시간 폭기하면 호기성 박테리아와 원생동물이 번시하면서 젤라틴 상의 침전물이 형성된다.

- 이 침전물은 유기물을 흡착하고, 미생물은 부착된 유기물을 생화학적으로 신속하게 산화 분해시킴으로써 폐수 중의 유기물질을 안정화 시키는 방법이다.

- 현재 이러한 방법은 도시하수 및 유기성 산업폐수처리에 널리 이용되고 있다.

→ 생물학적 공법의 경우 미생물에 의한 반응이기 때문에 반응조의 온도에 따른 영향이 매우 큰 것으로 나타나고 있다.

활성슬러지 공법 처리 프로세스

장점	단점
설치면적이 적게 든다. 처리수의 수질이 양호하다. 악취나 파리의 발생이 거의 없고 2차 공해의 우려가 낮다. BOD, SS 제거율이 높다.	유지관리에 숙련을 요한다. 운전비용이 많이 든다. 수량 또는 수질의 영향을 많이 받는다. 슬러지의 생성량이 많다. 슬러지 팽화가 문제점으로 지적된다.

 

전자산업 폐수처리시설 특화 Water Digital Twin모델인 e-ASM을 이용하여 랩-파일럿 처리장 데이터를 바탕으로 모델 보정(Calibration), 유입 성상에 따른 제거 효율, 유출수 예측

 

 

3. 1차 침전조(Primary Setting Tank)

1) 기능 : 스크린과 침사지 다음에 생폐수로부터 침강성 고형물을 제거하기 위해 설치되며, 설계를 양호하게 하면 SS 60%와 BOD 30% 정도를 제거할 수 있다.

2) 1차 침전지 생량 시 장단점이 있다. (고농도 유기물질 부패방지, 슬러지양 감소, 소요면적 감소 / 부하 적응령 감소, SS 처리효율 감소, 운전유의)

 

4. 포기조(Aeration Tank)

1) 목적

- 호기성 미생물의 화학적 반응에 필요한 산소공급

- 강제교반에 의한 액체측의로의 산소전이 촉진

- 포기조 내의 활성슬러지 침전방지

- 원활한 혼합과 폐수의 부패방지

- 플록에 의한 유기물의 흡착 산화 촉진

2) 유입구 0.5~1mg/L, 유출구 1~3mg/L, BOD 1kg당 산소 1kg 소요, BOD 1kg당 60m3 송기량 권장

 

5. 포기장치

1) 개요 : 포기장치는 활성슬러지에 산소를 공급시켜야 함은 물론 포기조를 혼합시켜 포기조 내의 MLSS가 침전하지 않도록 하는 역할을 해야한다. 포기조 내의 유속을 0.3m/sec 정도로 해야 하는데, 최소한 0.1m/sec이상 되어야만 한다.

2) 포기장치의 종류 : 중력식 / 분무식 / 기계식 / 산기식

3) 산기장치 설계기준

- 포기방식 : 전면포기식, 선회류식, 미세기포 분사식, 수중교반식

- 포기조 유효수심 : 4~6m를 표준으로 함

- 주벽과 여유고 : 주벽의 상단은 지면보다 15cm 이상 높게하고, 여유고는 80cm 정도로 함

- 포기조 용량 : 계획 1일 최대 오수량에 따라서 설정

- 포기조 형상 : 직사각형 또는 정사각형으로 함

- 유로의 폭 : 수심의 1~2배 범위 내로 정하고, 필요에 따라서 저류판을 설치함

- 포기조의 수 : 최소 2조 이상으로 함

*고효율 포기시스템 반응조는 재래식 활성슬러지공법의 포기조내 포기시스템을 획기적으로 개선한 공법으로 독일의 Vogelpohl교 수 등에 의해 개발되어 COD 용적부하율 120kg/㎥·d까지 운전하였으며, Brauer교수는 COD 용적 부하율 800kg/㎥·d까지 운전하는 등 고농도의 오염부하에 적합한 처리방법이다.

 

6. 표준 활성슬러지 공법의 설계

1) 반응시간(t)

2) 수리학적 체류시간(HRT, Hydraulic Retention Time) : 6~8시간

3) 고형물 체류시간(SRT, Solids Retention Time) : 3~6일

4) MLSS 농도와 슬러지 반송비 : 1500~3000mg/L, 25~100%

5) 유기물 부하 : 유기물량과 활성슬러지 미생물량의 비(F/M비)로 표현, 처리수의 BOD와 BOD 제거율의 예측 및 공기소비량의 예측을 위한 지표로 사용될 수 있음. 0.2~0.4

 

7. 잉여 슬러지 발생량

유입수 중의 용해성 유기물로부터 전환된 활성슬러지와 유입수 중의 고형물로부터 전환된 활성슬러지양의 합계에서 활성슬러지 미생물의 내생호흡에 따른 자기분해량을 뺀 값임

 

8. 활성슬러지의 제어지표

1) 슬러지 용량지표(SVI, Sludge Volume Index) : 활성슬러지의 침강성을 보여주는 지표, 50~150이 적정, 200 이상으로 과대할 경우 슬러지 팽화의 원인이 됨

2) 슬러지 밀도지수(SDI, Sludge Density Index) : 활성슬러지의 침강성을 보여주는 지표, SVI 역수에 100배

3) 미생물 지표 : 생물 관리지표로써 원생동물 등을 지표로 함

 

9. 활성슬러지법의 운영상 문제점 및 대책

1) 슬러지 팽화(Bulking Sludge)

- 증상 : 침전조 전체지역에 슬러지가 뿌옇게 소용도리쳐 올라오면서 퍼지는 현상

- 문제점 : 유기물 부하와 용존산소량 불량, 사상균(Sphaerotilus) 증식 등

- 점검사항 : DO, MLSS, SRT 감소 / SVI 및 F/M비의 증가

- 조치사항 : DO량을 증가시킨다. / 슬러지 반송률을 증가시킨다 / SRT를 장기시킨다 / SVI 150을 맞추기 위해 염소나 과산화수소를 첨가한다.

2) 슬러지 부상(Sludge Rising)

- 증상 : 골프공 크기에서 농구공 크기만한 슬러지 덩어리 등이 침전조 수면에 떠롤라 퍼지는 현상이 나타난다.

- 문제점 : 침전조의 탈질화 현상

- 점검사항 : 2차 처리수의 질산성 질소량, 유기물 부하량, 포기조의 용존산소 및 온도

- 조치사항 : 활성슬러지 반출을 하루에 10% 이상으로 증가시켜 질산화 현상을 감소시킴, 슬러지 일령 및 F/M비가 적정한 범위내에서 처리되도록 하기 위해 적당한 활성슬러지를 인발, 용존산소량을 최저 수준으로 유지(1mg/L)

 

[참고문헌]

1) 수질환경기사/산업기사, 성안당, 이승원, 2015

2) 첨단 전자산업 폐수처리시설의 Water Digital Twin(II): e-ASM 모델 보정, 수질 예측, 공정 선택과 설계, 허성구 외 6인, 2021

3) 고효율 포기 시스템을 이용한 유기성 슬러지의 감량화, 오세배 외 1명, 2012

 

 

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