공공폐수처리시설 설계지침

살수여상(撒水濾床: trickling filter)은 호기성 부착성작식 생물학적 처리법의 대표적인 공정의 하나로 자갈, 석재, 플라스틱제 등의 여재(濾材: media)에 하수를 연속적으로 분배시키는 비침지식 생물막 반응조이다. 하수는 부착 생물막을 통과하면서 미생물의 산화작용으로 처리된다. 살수여상의 형상은 일반적으로 원형이며, 하수는 회전분배기에 의해 여상의 상부에서 분배된다. 살수여상은 여재뿐만 아니라, 하수 주입 혹은 분배 시스템(살수기), 하수배수구조, 여재를 충전하기위한 구조물로 구성되어 있다. 하부배수 시스템은 살수여상의 유출수의 차집과 공기가 순환될 수 있는 다공성 구조로 되어 있다. 하수배수시스템에서 수집된 살수여상 유출수나 침전지 유출수의 일부는 유입수의 농도를 희석하고 생물학적 점액질층의 수분을 충분히 유지하기 위하여 살수여상의 유입흐름으로 재순환된다(Metcalf & Eddy/Aecom, 2014). 여재에 부착된 점액층의 두께는 깊이 10mm 정도에 까지 이른다. 막표면(0.1~0.2mm)에서는 유기물이 호기성 미생물에 의해 분해된다. 미생물이 성장하고 점액층의 두께가 증가함에 따라 생물막의 전체 깊이를 통과하기 전에 산소가 소모되고 여재의 표면 근처에서는 혐기성 상태가 형성된다. 즉 미생물막 내부는 혐기성에 가깝고 막표면만이 호기성상태라 할 수 있다. 점액층의 두께가 증가하면 하수 중의 기질이 생물막의 내부 깊이를 통과하기 전에 사용되고, 점액층 내의 박테리아가 내생호흡상태로 되며 여재 표면에 부착되는 능력을 잃게 된다. 그러면 흘러내리는 물이 여재의 점액층을 씻어내어 생물막에서 떨어지는 형상을 이를 탈리(脫離: sloughing)라고 한다. 부착미생물은 탈리 직전 최대두께에 도달할 때까지 유입부하에 따라 증가한다. 이 최대 두께는 유기물 부하, 수리학적 살수율, 여상의 종류, 유입 유기물의 성상, 성장에 필요한 영양물질, 온도, 미생물 성장특성 등의 여러 요소에 따라 좌우된다. 일반적으로 과도한 미생물의 축척은 호기성상태 유지를 어렵게 하므로, 계속적이고 일정한 미생물막의 탈리는 정상적인 운전에 필수적이다. 저율살수여상(低率撒水濾床: low rate trickling filter)은 표준살수여상으로 불리우며 넓은 부지를 필요로 한다. 비교적 낮은 BOD부하에서 운전되는 저율살수여상은 상대적으로 단순하며, 유입수의 농도변화에 대해 일정한 수질의 유출수를 얻기 위한 공정이다. 일반적으로 여상의 상부에서만 생물학적 점액층이 두드러지게 형성되므로, 여상의 하단부분에는 암모니아성질소를 질산성 질소나 아질성질소로 산화시키는 독립영양질산화 박테리아가 성장할 수 있다. 질산화 미생물이 충분히 안정되고 기후 조건과 하수의 특성이 적합하면 암모니아성질소의 제거도 이루어져 안정된 처리수를 얻을 수 있다(Metcalf & Eddy/Aecom, 2014). 일반적으로 BOD제거율은 약 85%이다. 폐수의 처리도(處理度)는 용존성 BOD, 영양염류, pH, 독성물질 등에 의하여 영향을 받는다. 살수여상에서 특정폐수의 처리도는 용존성 유기물농도에 대한 부유물질/콜로이드성물질의 비에 따라 달라 질 수 있다. 살수여상에서 부유물질/콜로이드성 물질은 생물학적 산화, 합성에 의해서만이 아니라 생물학적 응집, 흡착으로 제거된다. 설탕, 알콜, 유기산 등의 용존성 유기물은 짧은 체류시간 안에서도 쉽게 제거된다. 따라서 살수여상은 용존성의 저분자 유기물이 많이 포함된 산업폐수의 처리시 효율이 높다. 원활한 운전을 위해서는 폐수중에 적당한 영양물질을 필요로 한다. 살수여상의 미생물막의 증식은 폐수내에 유기물 농도에 따라 변화하므로 살수여상을 이용할 때는 폐수내의 유기물 농도에 따른 미생물막의 과도한 증식을 염두에 두어야 한다. 설계에 앞서 대상폐수의 총BOD, 용존성BOD, TSS, TKN, 암모니아성 질소농도와 유량의 시간별, 계절별 변화에 대한 조사가 이루어져야 한다. 살수여상을 활성슬러지의 전단계로 이용할 경우 살수여상에서 용존성BOD를 제거함으로써 활성슬러지 공정의 벌킹 조절에 도움이 될 수 있다. 사상균의 성장을 방지하고 조절하는 하나의 방안으로 인정받고 있는 것으로 독립된 반응조, 혹은 선택조(selector)를 설치하는 방법이 있다. 기본개념은 1차침전유출수와 반송슬러지가 유입, 혼합되는 포기조 앞부분에 제한된 용존산소농도하에서 높은 F/M비를 갖는 반응조 즉 미생물선 택조를 설치하여 사상균의 성장을 억제하고 플록형성미생물의 선택적 성장을 도모하는 것이다. 기질의 농도구배가 크기 때문에 용존유기물이 플록형성미생물에 신속히 흡착된다. 용존유기물의 급격한 제거에 따라 사상균의 성장에 필요한 유기물이 극히 적게 된다. 사상균의 출현을 억제하기 위해 포기조 앞부분에 설치되는 이러한 선택조는 완전혼합형 포기조에 적용하는 경우에는 별도의 조를 설치하고 플러그흐름형 포기조에 적용하는 경우에는 포기조를 분할하여 앞부분을 선택조로 사용한다. 반송슬러지의 일부를 혐기성 탈인조(anaerobic phosphate stripper)로 유입시켜 혐기성 상태에서 인을 방출한 후 그 상징액에 과량 함유된 인을 응집제로서 침전시키는 방법이다. 즉 다른 생물학적 인 제거 공정과 마찬가지로, 혐기성과 호기성 상태의 반복으로 폐슬러지내의 인의 농도를 증가 시키며, 이러한 부가적인 인 제거 방법(Sidestream)은 분해 가능한 유기물을 첨가함(1차처리수, 미처리수를 혐기성 탈인조로 첨가)으로써 인 제거 효율을 증진시킬 수 있다. 인 농도가 높은 상징액은 별도의 반응조에서 석회나 기타 응집제로 처리되어 1차침전지로 유입되거나 별도의 응집조 및 침전지에서 침전 분리된다. 인의 생물학적 제거 공정의 제거효율은 유입수의 BOD에 좌우되지만, 포스트립 공정에서는 비교적 유입수 BOD의 영향을 적게 받고, 상당량의 인이 침전슬러지로 제거되어 인을 과잉으로 함유하는 폐활성슬러지보다 처리가 용이하다. 또한 석회주입량은 알루미늄이나 금속염과 달리 알칼리도에 의하여 결정되고, 탈인조 상징액이 총 유입수량에 비하여 아주 적으므로 인을 침전시키기 위하여 소요되는 석회의 양은 순수 화학적 처리방법 보다 적어 약품비가 절감된다. 일반적으로 침전지깊이 산정시에는 유량변화에 따른 안정한 슬러지블랭킷층을 확보하여야 한다. 일반적으로는 최대유량에 대하여 슬러지블랭킷층의 높이를 1m 정도 확보할 수 있도록 하는 것이 좋다. 이외에 침전지깊이 결정시 고려사항으로는 슬러지제거장치, 유입장치, 웨어의 종류, 침전지의 위치 및 지하수위 등이며 무엇보다 건설비와 처리수질을 고려하여 침전지깊이를 결정하여야 한다. 활성슬러지공정을 운영할 경우 정상상태가 오랫동안 지속되는 것은 어려운 일이다. 유입유량이 변하고, 포기조내 MLSS가 변하고, 슬러지의 침강성이 날마다, 계절마다 변한다. 따라서 슬러지 침강성이 심한 변화를 보이는 곳에서는 안전계수를 많이 확보한 설계가 침전지 운전시 보다 유리할 수 있다. 침전지깊이 산정시 한 가지 주의할 점은 얕은 침전지인 경우 상대적으로 슬러지 블랭킷층의 적정운영이 어려워 침전지에서 농축슬러지의 농축농도를 증가시키는데 한계가 있으므로 반송슬러지라인에서 펌핑률을 증가시켜야 한다는 것이다. 오존의 용해성을 높이기 위해 가압식 오존 용해탱크(reactor)를 이용하는 방법으로 처리유량 전체를 가압식 용해탱크에 주입하는 전체가압(full stream) 방식과 처리유량 중 오존주입을 위해 일부 혹은 필요량을 가압식 용해탱크에 주입하는 측면가압(side stream) 방식이 있다. 전체 가압식 방법은 처리유량 전체를 펌핑하여 인젝터 등으로 통과시키고 이때 인젝터 등에 오존을 주입시켜, 특수노즐이 부착된 가압식 용해탱크(reactor)에서 1~3분 정도 체류시켜 처리하는 방식으로 용해탱크는 내식성 및 안전성을 고려하여 콘크리트제 또는 스테인레스제의 완전밀폐구조로 설치하며 미반응된 오존이 외부로 누출되지 않도록 하여야 한다. 전량 가압반응시킴으로 동력소모량이 많이 소요되고, 시간별 유입유량이 변동하는 하수처리 시설의 특성을 고려하여 오존공급시스템의 빈번한 단락이 발생하지 않도록 하여야 할 것이다.