살수 여상법
살수 여상법
  • 관리자
  • 승인 2003.08.05 10:54
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1. 개 요

보통 도시하수의 2차처리를 위하여 사용되며 활성슬러지 공법과는 달리 1차침전 유출수를 미생물 점막으로 덮인 쇄석이나 기타 매개층 등 여재위에 뿌려서 미생물막과 폐수중의 유기물을 접촉시키는 고정상에 의한 처리법이라고 할 수 있다.
미생물 막위를 폐수가 흘러내리면 용해된 유기물은 재빨리 미생물에 의해서 분해되고 colloid상의 유기물은 표면에 흡착된다.
여상 상부에 있는 물은 양분이 충분해서 대수성장단계가 유지되나 하부의 미생물은 충분한 유기물을 얻기 못하므로 여상 전체로 보면 내생성장단계에서 운영된다고 할 수 있으며 여상바닥 부근에는 질산화 박테리아가 서식하여 질산화가 진행되는 경우가 많다.

2. 살수여상 분류

살수여상은 수리학적부하 혹은 유기물부하에 으해서 분류한다.
살수여상은 저율 또는 표준율, 중간율, 고율, 초고율, 그리고 초벌여상으로 분류한다.
흔히, 살수여상이 연속적으로 연결되어 있는 2단계 살수여상이 사용된다.

○저율 살수여상 :
저율 살수여상은 매우 간단하며 유입수 농도의변화가 크더라도 일정한 유출수 수질을 유지할 수 있는 처리공정이다.
일반적인 모양은 원형 혹은 직사각형이다.
균일한 수리학적 부하는 재순환에 의하기 보다 흡입 수위조절 펌프나 주입 사이펀에 의하여 유지된다.
유입수 저류탱크는 작은데, 대개 평균 설계유량의 두배에 대하여 체류시간을 약 2분으로 하여 간헐적 주입을 최소화한다.
하지만 규모가 작은 처리장에서 밤에 유량이 적어 간헐적 주입이 될 경우 재순환으로 여재의 수분을 유지하는 것이 필요하다.
폐수 주입간격이 1~2시간 보다 길어지면 공정의 효율이 감소되는데 생물막의 성상이 수분부족으로 변화되기 때문이다.

대부분의 저율 살수여상에서 여재 상부 2~4ft(0.6~1.2m)에서만 적절한 생물막이 존재한다.
이에 따라 살수여상의 하부는 암모니아성 질소를 nitrite와 nitrate형태로 산화시키는 종속영양 질산화미생물로 구성되어 있다.
질산화미생물이 충분히 존재하고 기후조건과 하수 특성이 적당하면, 잘 운전되는 저율 살수여상은 높은 BOD 제거효율과 함께 고도로 질산화된 유출수를 만든다.

동수경사가 적절하다면 중력식 흐름은 상당한 이점이 있다. 장소가 평평하여 중력식 흐름이 가능하지 않으면 펌프를 사용해야 한다. 악취는 일반적인 문제점으로, 특히 하수가 부패했거나 기후가 따뜻하면 더욱 심하다.
살수여상은 악취 문제를 일으킬 곳에는 설치되지 말아야 한다.

○ 중간율과 고율여상 :
중간율과 고율여상에서는 여상처리수 또는 최종처리수의 재순환으로 더 높은 유기물부하가 가능하다.
여러 가지 중간율 및 고율 살수여상의 흐름도가 아래 그림에 나타나 있다.
중간율 살수여상은 저율 살수여상과 비슷하며 원형 혹은 직사각형이다.
비록 간혈적인 주입은 가능하나 대개 연속적으로 여상에 주입된다.

고율 살수여상은 저율 살수여상보다 더 높은 부하로 설계된다.
고율 살수여상은 살수여상 침전지로부터 나온 유출수의 재순환으로 저율 혹은 중간율 살수여상과
거의 같은 제거율을 얻을수 있다.

○ 초고율(Super-High Rate)살수여상 :
초고율 살수여상은 높은 수리학적부하와 유기물부하로 운전된다.
초고율 살수여상은 고율 살수여상보다 수리학적부하가 크며, 깊이가 더 깊다.
깊이가 더 깊은 이유는 가벼운 플라스틱여재를 사용하기 때문이다.
이런 살수여상들은 대부분 여재 충진 타워의 형태이다.

○ 초벌여상(Roughing Filter) :
초벌여상은 고율의 살수여상이며, 100 lb BOD/103 ft3 day(1.6kg/m3 d)이상의 유기물부하와
3.2 gal/ft2 min(187m3/m2 day) 까지의 수리학적부하를 처리할 수 있다. 이러한 형태의 살수여상들은
대부분 2차 처리전에 위치하며 플라스틱여재를 사용하여 설계한다.

○ 2단 살수여상(Two-Stage Filters) :
1단 살수여상에서 유출된 고형물을 제거하기 위한 중간 침전지를 가진 2단 살수여상은 고농도 폐수처리에 흔히 사용한다.
2단 살수여상은 질산화가 필요한 경우에 사용되는데 1단계 살수여상과 중간 침전지는 탄소성 BOD를 감소시키고
질산화는 2단계 살수여상에서 일어난다.

3. 물리적 시설들의 설계

살수여상 설계시 고려되어야 할 사항은 (1)주입율, (2)살수장치의 종류와 주입특성, (3)사용되는 여재의 종류와 물리적 특성, (4)하부 배수장치의 형태, (5)자연적 혹은 인공적인, 충분한 공기통풍, (6)소요되는 침전지의 설계 등이다.

○ 주입율(Dosing Rate) :
살수여상을 최적으로 운영하기 위해서는 (1)연속적이며 균등한 생물막의 성장과 (2)유기물 부하에 따라 생물막의 탈리가 연속적으로 균등하게 이루어져야 한다. 균등한 생물막 성장과 탈 리가 이루어지려면 일반적으로 사용되는 것보다 더 높은 주기적 주입율이 요구된다. 필요한 주입율은 유기물 부하에 0.12를 곱하여 대략적으로 산정할 수도 있다. 순간 주입율은 회전식 살수기의 회전속도나 고정식 살수기의 주입-중지 시간의 함수이다. 다음 관계를 이용하여 회전식 살수기의 원주속도를 결정할 수 있다.

필요한 주입율을 얻기 위해서 rotary dustributor의 회전속도를 다음 방법으로 조절한다. (1)기존의 오리피스의 위치를 분배기 arm의 앞으로 이동시키거나, (2)기존의 오리피스 방출구에 역방향의 반사판(deflector)을 설치하거나, 또는 (3)회전 분배기의 전동기를 변속전동기로 교체한다. 가장 느린속도에서, 25lb BOD5/103 ft3보다 작은 부하로 운영되는 여상의 주입율은 최소한 4in/pass가 되어야 한다.

● 살수장치

살수여상에서 회전식 분배기는 운전의 신뢰도와 고나리의 편의성 때문에 표준적으로 쓰인다. 살수여상에서 rotary distributor는 살수여상의 중심에 위치하는 회전축위에 올려져 있는 두 개 혹은 그 이상의 arm들오 구성되어 있고, 평면으로 회전한다. Arm은 속이 비었으며 이를 통하여 폐수를 살수여상으로 공급하는 노즐이 있다. 분배장치는 노즐로부터 공급되는 폐수의 반작용, 혹은 전기모터로 작동된다. 회전속도는 유량과 유기물부하에 따라 변화된다. 분배기와 여재층의 상부사이에 6~9in(150~225mm)의 간격을 주어야 한다. 이 간격은 노즐에서 나온 하수를 균등하게 살포하고 동절기에는 분배기의 운동을 방해하는 얼음의 생성을 억제한다.

살수여상에 사용되는 분배기는 지름 200ft(60m)까지 제작된다. 분배기의 단면은 작은 장치의 경우 일정하게 하거나 또는 최소 전달속도를 유지하기 위해서 점차 감소하는 모양으로 되어있다. 그리고 노즐을 불규칙하게 배치하여 중심부보다 원주 부근에서의 길이당 공급이 더 크게한다. 살수여상 전체에 균등한 분포로 하수를 공급하기 위해서 길이당 유량이 중심에서 반지름까지 비례하여야 한다. 분배기에서의 수두손실은 2~5ft(0.6~1.5m)정도이다. 분배기 선택시 고려해야 할 사항은 견고함, 청소의 용이성, 적절한 회전속도를 유지하면서 큰 유량변화에 대처할 수 있어야 하고, 재료와 피복구조의 부식 저항성 등이다.

고정노즐식 살수장치는 살수여상층이 정삼각형 각 꼭지점에 위치한 일련의 Spray 노즐로 구성되어 있다. 살수여상에 있는 배관망들은 폐수를 노즐로 균등하게 배분하는데 사용된다. 특수한 flat spray pattern의 노즐이 사용되는데, 압력을 규칙적으로 변화하게 하여 우선 노즐로부터 가장 먼 지점에 폐수가 떨어지고, 수두가 서서히 떨어지면서 폐수의 도달거리를 줄여 여재층의 전체면에 폐수가 균등하게 살포되게 한다. Half-spray는 살수여상 둘레 살수에 사용된다. 넓은 분사면적에 요구되는 높은 수두를 유지하여 더 많은 양을공급하기 위한 바닥이 경사진 모양이 같은 두 개의 주입탱크는 자동으로 물을 살수하며 한 대는 채워지고 다른 하나는 주입되도록 연결 되어있다. 살수여상의 표면으로부터 주입탱크 최대수위까지의 수두는 일반적으로 8~10ft(2.4~3m)이다.

●하수배수장치(Underdrains)

살수여상에서 하수 찻집구조는 하부배수장치로 구성되는데 이것은 여과에서 배출된 하수와 여재로부터 탈리된 고형물을 모아서 최종침전지로 보낸다. 석재여재의 하부배수장치는 대개 소성시킨 점토로 성형된 블록이나 콘크리트 기층위에 합성수지의 격자를 설치한 것으로 되어 있다. 바닥과 하부배수장치는 여재와 생물막의 성장, 그리고 폐수를 충분히 지지할 수 있어야 한다. 바닥과 배수 블록은 중심 혹은 원주방향의 수로로 1에서 5%의 구배를 가진다. 유출 배수로는 일평균유량에 대해 2ft/s(0.6m/s)의 초소 유속을 유지하게 설계되어야 한다. 배수시설의 양 끝은 개방하여 쉽게 조사할 수 있고 막혔을 때 청소할 수 있게 한다. 배수시설은 살수여상에 통풍이 되게 하여 여상 생물막의 미생물들에게 공기를 공급하여야 하며 중앙의 배수로 뿐만아니라 벽의 통풍을 위하여 주변통로에 대하여도 개방되어야 한다.

플라스틱여재의 배수와 지지구조는 보와 기둥 혹은 창살구조로 구성된다. 보와 기둥구조는 기둥 혹은 post에 의해서 지지되는 precast콘크리트 보로 되어 있는데, 여재는 보위에 위치하며 이 보들은 공기와 폐수의 흐름을 위해 상부에 배수로를 가지고 있다. 그리고 모든 하수배수장치는 여상운전 조건이 바뀌는 경우 강제 통풍장치를 설치할 수 있도록 설게되어야 한다.

● 공기흐름

살수여상을 성공적으로 운전하기 위해서는 충분한 공기의 흐름이 필요한다. 상부가 개방된 여상에서 공기흐름을 좌우하는 주요한 요소들은 자연통풍과 풍력이다. 자연통풍의 경우 공기흐름을 일으키는 힘은 대기온도와 여상내부 온도의 차이다. 폐수가 대기온도보다 낮으면 여상내 공기온도는 차게되어 흐름의 방향이 밑으로 향하게 된다. 반대로 대기온도가 폐수보다 낮으면 흐름은 위로 향하게 된다. 산소전달의 과정에서 보면 후자가 덜 바람직 한데 그 이유는 산소의 부분압이 산소가 가장 많이 필요한 곳에서 가장 낮기 때문이다. 미국내 여러 지역에서, 특히 여름철에 살수여상의 기온차가 적어 공기의 흐름이 발생하지 않는다.

●침전지

살수여상 뒤에 설치되는 침전지의 기능은 정화된 유출수를 만드는 것이다. 살수여상의 침전지는 활성슬러지에서 가장 필수적인 슬러지 반송이 거의 없다는 점에서 활성슬러지의 침전지와 다르다. 살수여상 침전지로부터 나온 모든 슬러지는 슬러지처리 공정에서 처리된다. 침전지 설계는 1차 침전지의 설계와 비슷하나 표면 부하율 산정시 유입유량에다 재순환 유량을 더하고 슬러지 제거유량을 빼는 것이 다르다.

4. 장 점

- 폭기에 동력이 필요없다.

- 건설비와 유지비가 적다.

- 운전이 간편하다.

- 폐수의 수질이나 수량변동에 덜 민감하다.

- 온도에 의한 영향이 적다.

- bulking 문제가 없다.

- 슬러지 반송이 필요없다.

5. 문제점

- 짧은 체류시간으로 생폐수내의 유기물질이 방류된다.

- 자연에 의한 공기주입 이므로 적정처리가어렵다. 특히 겨울에는 문제가 발생될지 모른다.

- 처리정도를 결정하기 힘들다.

- 유출수가 잘 처리되지 않는 경우 교정하기가 어렵다.

- 냄새가난다.

- 여재가 잘 막힌다.

- 여름철에 파리발생의 문제가 있다.

- 접촉 안정법

1. 개 요

아래 그림2.49에는 주로 용해성 유기물을 함유한 폐수와 부유성 콜로이드상 유기물을 함유한 폐수의 흡수, 흡착 특성을 나타내고 있다. 이 그림에서 알 수 있듯이 입자상 유기 고형물은 활성 슬러지 flocs에 의해 빨리 흡착되는 반면, 용해성 유기물은 보다 천천히 흡수된다는 것을 알 수 있다. 도시폐수는 통상적으로 유기물의 80~85%가 입자상 유기물질이며 폭기시간 1시간 이하에서도 BOD5의85~95%가 제거된다. 그림2.50와 같은 접촉안정또는 생체흡착 공법은 유기물 흡착에 사용되는 반응조와 흡착된 물질의 생물학적 산화에 사용되는 반응조로 구성되어 있다.

대개 이러한 형태의 처리장은 1차 침전지 시스템을 설치하지 않는다. F/M비는 0.2~0.6kg BOD5/kg MLSS-day이며 용적부하는 통상 0.4~ 0.8kg/m3-day 정도이다.

접촉조에 있어서, 접촉시간은 20~60분(Q를 기준)이며 생물학적 활성 고형물은 다량의 용존성 유기물질과 부유성 유기물질을 흡수,흡착하며, 이러한 생물학적 활성 고형물은 최종 침전지에서 처리된 폐수로부터 분리된다. 분리된 고형물 혹은 침전된 슬러지는 처리장으로 유입된 폐수량의 25~75% 정도이다. 분리된 생물학적 고형물의 자산화조 또는 안정조에서 3~6시간 동안(R을 기준)포기되며 흡수,흡착된 유기물질은 산화되어 최종산물과 새로운 미생물을 생성해 낸다. 이렇게 두 반응조를 설치하여 자산화 공정으로부터 접촉 공정을 분리함으로써 이 방법은 단지 재래식 총폭기조 용적의 50~60%만이 필요하게 되며, 또한 접촉조는 대개 처리장 총 용적의 30~35% 정도가 요구된다.

접촉 안정법은 유기물의 상당량이 입자상 고형물 상태로 존재하는 도시폐수를 처리하기 위해 개발되어졌다. 다른 폐수에 대해서는 bench-scale 또는 pilot-scale연구를 실시하여 특정한 폐수에 대한 이 공법의 가능성을 결정해야 한다.

왜냐하면 대부분의 경우 접촉조에 주어진 짧은 시간 동안에 폐수 중 유기물의 충분한 흡착이 일어나지 않기 때문이다. 어러한 이유 때문에 본 공법이 제한되고 있다. 접촉 안정법에 있어서 평균 미생물 체류시간은 4~18일 정도이며 MLSS농도는 2,000~4,000/l, 자산화조인 안정조에 있어서 MLSS 농도는 약 6,000~10,000mg/l 정도이다. 여기에서 BOD5와 SS의 제거율은 보통 85~95%이다.

2. 반응공정

접촉안정식은 하수처리와 활성 슬러지의 안정을 위하여 2개의 분리된 탱크나 격실을 사용한다. 안정화된 활성 슬러지는 유입하수(원수 또는 침전된 것)와 접촉조(Contact tank)에서 혼합된다. MLSS는 2차 침전지에서 침전되고 반송 슬러지는 유기물을 안정화하기 위하여 제 포기조(reaeration basin)에서 따로 포기된다. 포기조의 요구용적은 일반적으로 재래식 플러그 흐름에 비하여 50% 이하이다.

이 방법은 접촉조 외에 오니 재폭기조가 있는 것이 특징으로서 접촉조는 오탁물질의 활성 슬러지에 의한 흡착은 주로 하므로 최종 침전조를 넘어간 침전 슬러지 중에는 미산화된 유기물이 다량 함유되어 있어 그대로 다시 접촉(폭기)조로 반송하면 흡착이 충분치 못하게 된다. 그래서 침전된 슬러지를 재폭기조로 보내어 미산화된 유기물을 산화시켜 충분한 흡착 능력을 회복시킨 후 접촉조로 반송시키는 방법이다.

◀ 혐기 여상 접촉법

강도가 낮은 유기성 폐수에 대해서는 혐기성 소화의 적용이 부적절하다고 여겨져 왔는데 용해성이 저농도이면서 가정하수의 4~10배의 농도를 가지는 유기성 공장폐수의 혐기성 처리법으로 활성 슬러지법에 있어서의 반송슬러지의 방법을 도입한 혐기 여상 접촉법이 제안 되었다. 이 공정의 특징은 높은 희석속도로 유출하는 활성슬러지를 반응조의 후단에 설치한 침전지에 넣어 회수하고, 균체의 적절한 양을 반응조에 반송하여 유입원수와 혼합하는 것이며, 이것에 의해 반응조의 균체농도를 높게 유지하면서 수력학적 체류시간을 상당히 단축할 수 있다. 또한 희석속도와 균체농도를 별개로 제어할 수 있기 때문에, 세대시간이 길어 성장속도가 느린 메탄균을 효과적으로 유지할 수 있다. 공정 형식상 활성슬러지법과 유사하기 때문에 혐기성 활성슬러지법으로도 일컬어지고 있는데, 반응조로 부터 발생한 가스가 균체슬러지에 부착하여 침전지에서의 슬러지의 침강을 방해한다. 그 때문에 반응조와 침전지와의 사이에 감압장치를 설치하고, 액중의 가스를 제거한다.

본 법은 하수슬러지, 분뇨 등과 같은 고농도는 아니더라도, 활성슬러지법 및 살수여상법의 호기성 처리법에서는 과부하가 된다고 하는 고농도 유기성 폐수에 적용되어야 하는 처리법이라고 말할수 있다.

◀ 장기 폭기(extended aeration)법

폭기조에서 활성슬러지가 자기세포질을 대폭적으로 산화 감소시키는 세포의 내생호흡기에서 유기물질이 제거되도록 설계된 것으로 SRT는 15일 이상, F/M비는 0.05이하, MLSS는 4,000mg/ℓ정도, 반송율 50∼150%로 적용되고 폭기시간이 24시간 전후로서 잉여슬러지의 최대한 감소를 목적으로 한다.

○ 본법의 특징은

⑴ 탁월한 유출수와 적고 안정된 슬러지를 얻을 수 있다.

⑵ 유기물질의 제거율이 높고 슬러지 처리비용이 경감된다.

⑶ 폭기조의 규모가 커지고 에너지비가 과대하여지므로 보다 소규모 처리장에 적합하다.

⑷ 장시간 폭기로 인해 미생물이 파괴 또는 세분화되어서 이외로 처리 효과가 악화되 는 수도 있다.

유입수 - 폭기조 - 침전지 - 유출수 - 반송슬러지 - 폐슬러지

※ 참고문헌

1. 수질환경기사. 성안당. 장준영 著 1996.

2. 수질오염 방지기술. 동화기술. 1993

3. 폐수처리 공학. 동화기술. 1995

4. 인터넷. 환경공학 기술 Page

5. 산업폐수처리. 동화기술. 1997



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