공공폐수처리시설 설계지침

침지식 부착성장 공정은 여재의 형상과 크기가 공정의 운전과 처리능력의 특성에 중요한 영향인 자이며, 설계는 여재의 충전형상과 유입수의 분배형태 및 유출수의 수집형태에 따라 달라진다. 침지식 부착성장 공정은 침전지가 사용되지 않으며, 생물성장에 의해 과다 성장된 미생물과 여재사이에 포집된 유입수내의 고형물질은 정기적으로 제거되어야만 한다. 이를 위해서 대부분의 설계에서 상수처리장의 여과 공정과 같이 하루에 한번 정도 역세척에 의해 축적된 고형물질을 씻어내는 장치의 설치가 필요하다. 침지식 부착성장 공정의 주요한 장점은 비교적 작은 공간이 요구되며, 희석된 저농도의 하수를 효과적으로 처리할 수 있고, 활성슬러지 공정과 같이 침전지의 문제점이 발생하지 않으며, 고형물질의 여과로 깨끗한 유출수를 생산할 수 있다. 활성슬러지 반응조에서 미생물은 유출수가 배출되는 동안 MBR에 사용된 막의 외부 표면을 덮고, 보다 미세한 입자들은 막의 내부로 침투하면서 압력손실을 크게 한다. 따라서 막의 여과능력을 유지하기 위해서는 주기적인 세척과 함께 연속적인 막힘(Fouling)제어방법들이 MBR의 운전기간 동안 사용되어야 한다. 막 섬유의 외부표면에 대한 막힘을 조정하기 위한 방법은 첫째 포기에 의해 생성된 미세기포가 막 섬유의 하부에 공급하며, 공급된 공기입자들은 기계적 세척을 유발하도록 서로 부딪치면서 진동을 주고 수직으로 향한 섬유들 사이로 흐른다. 둘째 시스템 여과수로 역세척을 실시한다. 시스템은 역세척 동안에도 가동상태로 되며, 역세를 위한 전체 시간은 대략 하루 45min 정도이다. 역세수에는 통상 저농도의 염소를 유지하는데 이는 외부 막표면에 군집화 된 미생물을 제거하고 불활성화를 위해 서이다. 셋째 진한 차아염소산나트륨 또는 초산이 이용되는 유지관리세척을 행한다. 역압시스템(Back-pulse system)은 전형적인 세척시스템과 유사한 것으로 염소용액이 역세필터와 유사하게 역방향으로 막을 통하여 주기적으로 펌핑된다. 화학세정공정은 막면에 축적된 미생물막과 물리세정에 의해 제거되지 않은 유기물이나 무기물을 제거하기 위한 공정으로 막의 재질, 수질에 따라 약품종류가 달라지며 또한 막 제조업체에 따라 공정 주기가 달라진다. 화학세정은 크게 두 가지인 인라인 세정(in-line)과 침지 세정(cleaning-in-place : CIP)으로 나누어진다. 인라인 세정의 기본 방법은 역세척과 유사한 방식을 따르지만 역세수에 화학약품을 희석하여 주입하는 방법이며 침지 세정과 역세척의 장점을 모두 가지고 있지만 화학 세정력이 침지 세정보다 낮다는 단점을 가지고 있다. 침지 세정은 일정 농도로 희석된 화학 약품에 막 또는 프레임채로 침지하여 세정을 하는 방식이다. 초기의 침지세정은 막을 반응조에서 꺼내어 별도의 세정조에서 세정을 하는 방식으로 진행되었으나 공정의 편의를 증진하기 위해 반응조 내의 활성슬러지를 다른 곳으로 이송시키고 반응조에 세정액을 채우는 방식도 개발되었다. 무기계 오염물질은 산에 의해, 유기계 오염물질은 염기에 의해 제거됨에 따라 이러한 약품을 번갈아 이용하여 약품세정을 실시한다. 약품세정은 차압상승 추이를 파악하여 1년에 1~2회 정도 실시하며 너무 잦은 화학세정은 막의 수명을 저하시키는 단점이 있다. 공기와 물을 동시에 수분동안 주입하여 역세척하는 방법이며 단층 여과기가 균일한 여재로 구성되어 있을 경우, 이 방법으로 많이 세척한다. 일반적으로 공기와 물의 역세척 주기는 여층의 설계에 따라 다양하며, 역세척시 여층을 충분하게 휘저어 주면 여재입자는 공기와 물이 여층을 통해 위로 올라가는 것처럼 여과기의 위에서 아래까지 원형 형태로 움직인다. 조합된 공기-물세척의 말기에는, 유동속도로 2~3min 동안 물로만 세척하여 여층안에 남아있을지도 모르는 여과기내에 결합된 공기를 제거하는 것이 바람직하다. 다층 여과기에서는 역세척 속도를 높게 하여 여층을 팽창시켜야 하며 여과기의 표면까지 미세한 여재를 이동시킬 수 있어야 한다. 또한 이층 이상의 다층여과기에서도 이 방법으로 세척시 여층의 성층화를 위해 역세척 주기 말기에 0.5~0.6m/min의 유속으로 1~2min 정도 물세척해야 한다(WEF & ASCE, 1992). 지지층은 여재가 하부집수장치로 빠져 나오지 못하도록 여층과 집수장치 사이에 설치하는 층으로서, 하부집수장치의 종류에 따라 형식이 달라지며 여재의 지지층은 여재의 유효경 및 분산시설에 따라 다양하다. 여재 입경보다 작은 슬롯이 있는 노즐로 이루어진 바닥층이나 자갈, 석류석 등의 지지층이 일반적으로 여재를 지지하는 층으로 사용되고 있다. 즉 단층여과기를 예로 들면, 여재가 모래인 경우 이를 지지하기 위해 자갈을 이용하는데 지지층인 자갈 위층의 크기는 모래크기에 따라 달라지는 반면 바닥의 자갈크기는 집수시설의 형태에 따라 달라진다. 또한 안트라사이트 여층을 지지하기 위해서 5cm 두께의 자갈이나 체거름된 안트라사이트를 사용하기도 한다. 지지층을 자갈이나 석류석으로 할 경우 깊이는 5~50cm 정도로 다양하며 이러한 지지층에 사용되는 입경은 두‧ 세 종류로서 층을 이루어 상부에는 입경이 작은 것을 하부에는 큰 것을 채운다. 지지층의 역할은 여재가 집수장치에서 유출하지 않도록 할뿐 아니라, 하부집수장치의 고정 및 집수장치에서 토출하는 역세척수를 여층 중에 균일하게 분산시키는 것이다. 살수여상의 깊이는 접촉시간, 살수, 악취 등에 관여하는 살수여상 설계에 중요한 인자이다. 여상의 깊이는 여재의 종류에 따라 달라진다. 플라스틱모듈을 사용할 경우에는 최소의 접촉시간으로 폐수를 분산시키기 위해 최소 높이 3m가 요구된다. 플라스틱 여상 깊이는 생물학적 처리효율 보다는 탑높이에 대한 외관, 안정성, 요구되는 펌프 수두 등에 의해 제한을 받는다. 여상의 깊이 증가는 여상표 면의 균일한 습윤에 요구되는 유량을 최소화 시킬 수 있고 따라서 재순환도 줄어든다. 깊이가 깊은 여상에서는 높은 수리학적 부하의 적용이 가능하다. 여상의 깊이에 따른 처리효율의 변화는 아직까지 정확하게 밝혀지지 않았으며 일부에서는 처리효율의 향상은 살수여상의 깊이 보다는 수리학적 살수율 또는 유기물부하율에 기인한다는 연구결과가 있다. 이상적인 살수여상의 여재는 비표면적(단위용적당 표면적)이 크고 가격이 싸고 높은 내구성을 지니며, 공극률이 높아 폐쇄가 자주 일어나지 않는 여재이다. 여재에 있어 중요한 특성은 비표 면적과 공극률이다. 비표면적의 증대는 단위 용적당 많은 미생물을 확보할 수 있고 공극률의 증가는 수리학적 부하와 산소전달을 증대시킨다. 석재 여재나 혹은 슬래그는 입경이 증가할수록 비표면적이 감소하지만 공극율은 증가한다. 비표면적과 공극율이 큰 합성여재는 유입 수리학적 부하와 유기물 부하의 증가를 가져올 수 있다. 그밖에 중요한 사항으로는 단위 중량, 여재의 형태, 여재의 재질과 크기이다. 단위 중량이 무거운 여재는 고강도의 기초나 벽이 필요하다. 또한 여상의 형태도 한정되어 있어 설치비용에 영향을 미친다. 여재는 내구성과 내식성이 있어야 하며 동결시에도 파손이 없어야 한다. 근래에 교차흐름 또는 수직흐름의 플라스틱여재가 많이 이용하고 있다.