활성 슬러지 공법은 가장 기본이 되는 생물학적 처리 방법으로 유기물 제거를 목적으로 국내 하수처리시설과 산업폐수 처리시설에 널리 적용됩니다.
이 글에서는 이전에 포스팅한 A2O 공법과의 차이점을 포함하여 활성슬러지 공법의 원리와 구조, 처리 물질과 효율, 설계 요인, 관리 요인까지 설명하겠습니다.
1. 활성 슬러지 공법의 원리
활성 슬러지 공법은 A2O 공법과 유사하게 호기성 미생물을 이용하여 폐수 중의 유기성 오염물질을 분해·제거하는 생물학적 처리 방법입니다.
폐수가 호기성 상태로 유지되는 반응조에 유입되면, 미생물은 유기물을 탄소원과 에너지원으로 이용하여 증식하며 이를 이산화탄소, 물, 새로운 세포 물질로 전환합니다.
이 과정에서 미생물은 서로 응집하여 플록 형태의 활성 슬러지를 형성하고, 반응이 종료된 혼합액은 침전조로 이동하여 고액 분리가 이뤄집니다.
상등수는 오염물질이 제거된 물이고, 침전된 슬러지의 일부는 반송 슬러지로 다시 반응조에 투입되어 미생물 농도를 유지하고, 잉여 슬러지는 공법 외로 배출됩니다.
배출된 잉여 슬러지는 주로 농축조에서 농축한 후 탈수기를 통해 탈수하여 슬러지 Cake로 만들어 폐기물 배출합니다.
활성 슬러지 공법에서는 충분한 용존산소 공급과 적절한 미생물 농도 유지가 핵심이며, 이를 안정적으로 유지할 경우 지속적인 유기물 제거가 가능합니다.
2. 활성 슬러지 공법의 구조와 공정 흐름 설명
활성 슬러지 공법의 기본 구조는 유입수, 폭기조, 최종 침전조, 반송 슬러지 및 잉여 슬러지 계통으로 구성됩니다.
공정 흐름을 구조적으로 설명하면 다음과 같습니다.
먼저 전처리를 거친 유입수가 폭기조로 유입되면, 폭기조에서는 송풍기(Blower)를 통해 산소가 공급합니다.
산소가 공급되면 호기성 상태로 변환되며, 폭기조 내 혼합액은 일정 체류시간하며 생분해성 유기물이 제거됩니다.
폭기조에서 처리된 혼합액은 최종 침전조로 이동하여 고액분리를 통해 활성 슬러지와 처리수가 분리됩니다.
상등수는 방류되며, 침전된 슬러지는 일부가 반송 슬러지로 폭기조에 재유입되고, 나머지는 잉여 슬러지로 배출됩니다.
이 구조는 비교적 단순해 보이지만, 폭기 설비와 슬러지 순환 계통의 안정성만 확보하면 처리 효율이 좋게 나옵니다.
3. 활성 슬러지 공법의 처리 물질과 효율
활성 슬러지 공법은 주로 생분해성 유기물 제거에 특화된 공법입니다.
주요 처리 대상은 생화학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD) 중 생분해성 부분, 부유물질(SS)입니다.
적정 설계 및 정상 운영 조건을 만족할 경우, BOD 제거율은 일반적으로 90% 이상, SS 제거율도 90% 내외 수준이 가능합니다.
다만 질소와 인 제거만으로는 제한적이며, 질산화는 일부 발생할 수 있으나 탈질 및 인 제거를 위해서는 추가 공정이 필요합니다.
(주로 A2O 공법을 사용하며, A2O 공법에 대한 설명은 이 전에 업로드하였으니 참고 바랍니다.)
처리 효율은 유입수 성상, 수온, 부하 변동, 운영 관리 수준에 따라 달라질 수 있습니다.
4. 활성 슬러지 공법의 주요 설계 요인
활성 슬러지 공법 설계 시에는 반응조 용적, 미생물 농도, 체류시간 등 핵심 인자를 종합적으로 검토해야 합니다.
이전에 소개해 드렸던 A2O 공법과 핵심 인자는 비슷하며, 세부 내용은 다음과 같습니다.
① 수리학적 체류시간(HRT)
수리학적 체류시간은 폭기조에서 폐수가 머무르는 평균 시간으로, 다음과 같이 산정됩니다.
HRT(hr) = 폭기조 유효용적 / 유입 유량
일반적으로 4~8시간 범위로 설계되며, 유입수 농도와 처리 목표에 따라 조정할 수 있습니다.
② 유기물 부하율(F/M 비)
F/M 비는 미생물 활성 상태를 판단하는 대표적인 지표입니다.
F/M(kg BOD/kg MLSS·일) = 유입 BOD 부하량 / 폭기조 내 MLSS 질량
보통 0.2~0.5 범위에서 운전됩니다.
③ 공기 공급량(DO)
산소 요구량은 제거되는 BOD 양을 기준으로 산정하며, 산소 전달 효율과 폭기 방식에 따라 송풍기 용량이 결정됩니다.
5. 활성 슬러지 공법 운용 시 관리 요인
활성 슬러지 공법의 안정적인 운영을 위해서는 다른 생물학적 처리방법과 마찬가지로 지속적인 관리가 필요합니다.
미생물은 운전 조건에 굉장히 예민하므로, 폭기조의 용존산소 농도는 일반적으로 1.5~3.0 mg/L 범위를 유지하는 게 좋습니다.
과소 공급할 경우에는 처리 효율이 저하되며, 과잉 공급할 경우에는 폭기조에 사용되는 에너지 낭비가 발생할 수 있습니다.
MLSS 농도(미생물 농도)는 2,000~4,000 mg/L 수준으로 유지하는 것이 일반적이며, 슬러지 침전성을 나타내는 SVI 지표를 통해 슬러지 팽화 여부를 상시 점검하는 게 좋습니다.
또한 유입수 부하 변동에 대비한 단계적 운전 조정, 수온 저하 시 미생물 활성 저하에 대한 대응, 잉여 슬러지 적정 배출 관리가 중요합니다.
아무래도 생물학적 처리이다 보니, 인자 조정으로 인한 반응이 늦게 나타날 수 있습니다. 따라서 운영 기준을 넘어간 이상 징후를 발견하면 바로 원인을 찾아서 운영 인자 조정을 해주셔야 합니다.
6. 활성 슬러지 공법 실무 시 참고 사항
활성 슬러지 공법은 처리 대상 수질과 방류 기준에 따라 단독 적용이 적합하지 않을 수 있습니다.
특히 질소 및 인 규제가 적용되는 경우에는 이전에 포스팅한 A2O 공법이 더욱 적절할 수 있습니다.
다만 앞서 말씀드렸다시피 생분해성 유기물 제거는 가능하므로 발생하는 폐수의 성상에 따라 공법을 선택해 주시면 됩니다.
(A2O 공법보다는 공정이 단순하여 운영 인자 제어는 비교적 편하다는 장점이 있긴 합니다.)