토목기사 요약/상하수도 공학/하수처리장 시설

하수처리 개요

1. 예비처리
   • 굵은 부유물, 고형물, 유지 제거와 분리(고체, 액체 분리)
   • 침사지, 스크린, 유량조정조, 예비폭기조
2. 1차처리
   • 미세 부유물질, 유기물 일부를 물리화학적으로 제거.
   • 1차(최초) 침전지
3. 2차 처리
   • 생물학적 처리. BOD, 콜로이드성 고형물 제거
   • 폭기조, 2차(최종) 침전지
   • 생물학적 처리 조건
     • BOD : N : P 농도비 = 100 : 5 : 1
     • 폭기조 내 용존산소 2mg/L
     • pH 최적조건 6.8-7.2
     • 높은 수온일수록 경제적(20-40도)
4. 3차 처리 또는 고도처리

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참고 자료

• 이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 
• 노재식 외 (2016). 《토목기사 대비 상하수도공학》. 한솔아카데미. 
• KDS 61 50 00 :2017 수처리시설 설계기준

하수처리 재이용 기본계획

• 하수처리수 재이용량은 해당지역 하수도정비 기본계획의 물순환이용계획에서 제시된 재이용량 이상으로 해야 한다.(16-4)

예비처리

침사지

02, 13-3, 14-3, 18-1

• 평균유속: 0.3m/s
• 체류 시간 30-60초
• 형상: 직사각형, 정사각형
• 오수 침사지 표면 부하율 1800m³/m²·day

1차(최초) 침전지

제원

• 침전지 체류시간: 2-4시간 (12-1, 18-1)
• 슬러지 제거기 설치 시 바닥의 기울기: 직사각형은 1/100 - 1/50, 원형 및 정사각형은 1/20 - 1/10
• 유효수심 2.5-4m
• 여유고: 40-60cm
• 표면부하율: 합류식에서 계획 1일 최대 오수량 기준 25-50m³/m²·day

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1. 96, 00, 05

인구 10만, 1일 1인당 오수량 250L, 하수 처리 침전지를 설계하기 위해 유효수심 3m, 침전시간 2시간으로 한다면 면적이 얼마여야할까?

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풀이

하수량 Q = 250×10^-3(m³/명·day)×100000(명) = 25000m³/day = 1041.7 m³/hr

${\text{침 전 속 도 }}={\frac {\text{유 효 수 심 }}{\text{침 전 시 간 }}}={\frac {3m}{2hr}}=1.5m/hr$

${\text{침 전 지 면 적 }}={\frac {\text{하 수 량 }}{\text{침 전 속 도 }}}={\frac {1041.7m^{3}/hr}{1.5m/hr}}=694.5m^{2}$

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2. 00, 14

최초 침전지 표면적 250m², 깊이 3m. 하수 350m³/hr가 유입될 때 수면부하는?

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풀이

${\begin{aligned}{\text{수 면 부 하 }}={\frac {Q}{A}}&=1.4m^{3}/m^{2}\cdot hr=1.4\times 24m^{3}/m^{2}\cdot day\\&=33.6m^{3}/m^{2}\cdot day\\\end{aligned}}$

활성슬러지법

• 슬러지란? 증식한 미생물 덩어리. 여기에 공기를 공급해서 오염성 유기물을 분해하도록 만든다.
• MLSS란? Mixed Liquor Suspended Solids. 폭기조 중의 부유물질(13-3, 19-3)
• 수리학적 체류시간(HRT)(15-1) : 오수의 반응탱크 유입부터 유출까지의 시간. 활성슬러지법 관리요인. 6-8시간 표준

미생물의 증식곡선

미생물의 성장곡선

01, 13-3

• 활성슬러지법은 도시의 하수 종말처리장에 적합. 주로 BOD를 없앰. 질소 성분은 없애기 힘들어서 따로 고도 처리 과정을 둠.
• 활성슬러지법에서 폭기조에서 성장하는 미생물은 최종침전지로 유입하기 전 내생성장 단계 초기에 있는 것임.
• 대수성장 단계는 영양분이 충분한 가운데 미생물이 최대 비율로 번식하는 단계. 유기물 분해속도 가장 빠름. 미생물은 서로 엉키지 않고 분산성장상태로 자란다.
• 감소성장 단계는 살아 있는 미생물 무게보다 미생물 원형질의 전체 무게가 더 큼. 미생물이 서로 잘 엉킨다. 하수처리장은 따라서 감소성장 단계 또는 내생성장단계 초반을 선택하여 운전.
• 내생성장 단계는 미생물 자신의 원형질을 분해시켜 원형질 전체 무게는 감소
• 내생호흡 단계 : 미생물 양이 점차 감소되다가 더이상 감소되지 않는 영역. 생물학적으로 분해 불가능한 유기물로 이루어져 있음

활성슬러지법 설계공식

BOD 용적 부하

16-2

${\text{BOD 용 적 부 하 }}={\frac {{\text{BOD 농 도 }}\cdot Q}{V}}$

97, 17-1

유량 3000m³/day, BOD 농도 200mg/L 하수를 용량 500m³폭기조로 처리할 때 BOD 용적부하는?

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풀이

공식 외우기보다... 단위를 가지고 잘 생각해보면 공식을 유도할 수 있다.

${\begin{aligned}{\text{BOD 용 적 부 하 }}&={\frac {{\text{1일 BOD 유 입 량 }}(kgBOD/day)}{{\text{폭 기 조 용 적 }}(m^{3})}}\\&={\frac {{\text{BOD 농 도 }}(kg/m^{3})\times {\text{유 량 }}(m^{3}/day)}{{\text{폭 기 조 용 적 }}(m^{3})}}\\&={\frac {0.2kg/m^{3}\times 3000m^{3}/day}{500m^{3}}}\\&=1.20kgBOD/m^{3}\cdot day\end{aligned}}$

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슬러지 일령

슬러지 일령(sludge age) : 유입된 부유물에 폭기가 되는 평균적인 시간.

슬러지 반송이 없는 경우 사용

♣♣♣이 그림으로 슬러지 일령, SRT 유도하는 것임. 식 단순 암기하지 말 것.

${\text{슬 러 지 일 령 }}={\frac {V\cdot X}{Q\cdot SS}}={\frac {V\cdot X}{{\frac {V}{t}}\times SS}}={\frac {tX}{SS}}$

• V: 폭기조 부피(m³)
• X: 폭기조 내의 MLSS 농도(mg/L)
• Q: 유입수량(m³/day)
• SS: 폭기조로의 유입 부유물 농도(mg/L)
• t: 폭기 시간(day) $\left(={\frac {V}{Q}}\right)$

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2. 98

활성슬러지법을 사용하는 어떤 폭기조의 용적이 2800m³, 폭기조 내 MLSS가 3600mg/L, 유입하수량 140m³/day, 폭기조로 유입하는 SS농도가 12000mg/L일 때 고형물 체류시간 SRT는?

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풀이

SRT 문제이지만 슬러지 반송이 없어서 슬러지 일령 공식으로 푼다.

SS = 12000mg/L = 12 kg/m³

MLSS = 3600 mg/L = 3.6 kg/m³

슬러지 일령 = ${\frac {V\times X}{Q\times SS}}={\frac {2800\times 3.6}{140\times 12}}=6days$

고형물 체류시간(SRT)

= Solids Retention Time

사용된 슬러지 일부는 폐기되고, 일부는 다시 폭기조로 돌아가는데 이 슬러지는 폭기시간보다 긴 시간동안 폭기조에 체류한다. 이 시간을 고형물 체류시간(SRT)이라고 한다.
$SRT={\frac {VX}{Q_{w}X_{r}+(Q-Q_{w})X_{e}}}$

• Q_w : 잉여슬러지량(m³/day)
• X_r : 반송슬러지 SS 농도(mg/L)
• X_e : 유출수 내의 SS 농도(mg/L)

KDS 61 50 00 :2017 수처리시설 설계기준 5.1.3 SRT에 따르면♣♣♣ 그림과 함께 이걸 잘 이해해야 한다.

${\begin{aligned}SRT&={\frac {{\text{수 처 리 시 스 템 내 존 재 활 성 슬 러 지 량 }}(kg)}{{\color {red}{\text{하 루 에 시 스 템 외 부 로 배 출 되 는 슬 러 지 량 }}}(kg/day)}}\\&={\frac {VX}{Q_{w}X_{r}}}\\\end{aligned}}$

여기서 $X_{r}=X_{w}$이고, $X_{e}\doteqdot 0$이기 때문에 설계기준의 식과 위 식은 같은 의미이다.

반송슬러지는 다시 유입수에 들어가니까 첫 식의 분모에 $Q_{r}$이 안 들어가는 것임.

다음 자료를 추가로 참고함

• 이종형. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 365, 371쪽.  식 형태는 위 두 가지와 다르나, 같은 이야길 하고 있음.
• 학교 수업 PPT. 역시 문자만 다르게 쓰고 같은 이야기.

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15-2

폭기조내 MLSS 3000mg/L, 체류시간 4시간, 폭기조 크기 1000m³인 활성슬러지 공정이 있다. 최종 유출수 SS는 20mg/L이고 매일 폐기되는 슬러지는 60m³이다. 폐슬러지 농도는 10000mg/L일 때 세포 평균체류시간은?

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유입수량

$Q={\frac {1000m^{3}}{4hr}}\times 24hr=6000m^{3}/day$

${\begin{aligned}SRT&={\frac {VX}{Q_{w}X_{r}+(Q-Q_{w})X_{e}}}\\&={\frac {1000m^{3}\times 3000mg/L}{60m^{3}/day\times 10000mg/L+(6000-60)m^{3}/day\times 20mg/L}}\\&=4.17days\end{aligned}}$

슬러지 용적 지수(SVI)

♣♣♣04, 15-3, 19-2(정의)

${\begin{aligned}SVI&={\frac {{\text{1L 시 료 중 , 30분 간 침 전 된 슬 러 지 부 피 }}(SV_{30})(mL/{\cancel {L}})}{MLSS{\text{농 도 }}(mg/{\cancel {L}})}}\times 1,000\qquad (\because mg\longrightarrow g)\\&={\frac {SV_{30}(\%)}{MLSS{\text{농 도 }}(mg/L)}}\times 10,000\\&={\frac {SV_{30}(\%)}{MLSS(\%)}}\end{aligned}}$

• $SV_{30}(\%)$ : 메스실린더 1L에 혼합물을 30분 정체시킨 뒤 침전슬러지 양을 시료량에 대한 백분율로 나타낸 것.

05, 06, 09, 12, 19-2

• SVI: 폭기조 내 혼합물을 30분 정치한 뒤 침강한 1g의 슬러지가 차지하는 부피(mL)
• 정상 운전 폭기조 SVI 범위: 50 - 150
• 영향 인자: 폭기시간, BOD 농도, 수온

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참고 자료

• KDS 61 50 00 :2017 수처리시설 설계기준 5.1.7 찌꺼기(슬러지) 침강성
• 《토목기사 블랙박스 하권》. 한솔아카데미. 2020. 
• 노재식 외 (2016). 《토목기사 필기 상하수도 공학》. 한솔아카데미. 
• 이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 

슬러지 밀도 지수

06, 09, 12, 14-2, 15-3, 19-2

$SDI={\frac {100}{SVI}}$

F/M 비

Food-to-Microorganism

• FM비 높으면 대수성장단계

99, 00, 02

= BOD 슬러지 부하 = BOD-SS 부하

t가 폭기 시간, MLSS가 폭기조 내의 부유물질(Mixed Liquor Suspended Solids)

13-1, 14-3, 16-2

${\begin{aligned}F/M&={\frac {{\text{BOD 농 도 }}\cdot Q}{MLSS{\text{농 도 }}\cdot V}}={\frac {\text{BOD 농 도 }}{MLSS{\text{농 도 }}\cdot t}}\\&={\frac {BOD{\text{용 적 부 하 }}}{MLSS{\text{농 도 }}}}\\\end{aligned}}$

슬러지 반송율

04, 16-4, 19-1

$r={\frac {{\text{폭 기 조 의 MLSS 농 도 }}(mg/L)-{\text{유 입 수 의 SS 농 도 }}(mg/L)}{{\text{반 송 슬 러 지 의 SS 농 도 }}(mg/L)-{\text{폭 기 조 의 MLSS 농 도 }}(mg/L)}}$

잉여슬러지 건조중량, 발생체적

12-3, 15-3

${\text{잉 여 슬 러 지 건 조 중 량 }}(kg/day)={\text{처 리 수 량 }}(m^{3}/day)\times {\text{제 거 되 는 부 유 물 }}(SS){\text{농 도 }}(mg/L)$

${\displaystyle {\text{잉 여 슬 러 지 발 생 체 적 }}(m^{3}/day)={\text{처 리 수 량 }}(m^{3}/day)\times {\text{제 거 되 는 부 유 물 }}(SS){\text{농 도 }}(mg/L)}\times {\frac {100}{100-{\text{함 수 율 }}}}\times {\frac {1}{\text{비 중 }}}$

활성슬러지법 변법(종류)

98, 02, 19-3

• 장시간 폭기법(extended aeration): 잉여슬러지량을 크게 감소시키기 위한 방법. BOD-SS 부하를 아주 작게. 폭기시간을 길게하여 내생호흡상으로 유지되도록 하는 방법(95)
• 산화구법(oxidation ditch)
• 계단식 폭기법(step aeration)
• 점감식 포기법(tapered aeration)(04)
• 접촉안정화법(contact stabilization process) : 유기물 흡착한 활성슬러지를 안정화조에서 2-3시간 공기공급하면 응집흡착력이 강한 활성슬러지가 생김. 이걸 하수와 접촉혼합조에서 0.5-2시간 혼합 후 2차 침전시키면 수질 양호한 물이 얻어짐.

슬러지 팽화

03

원인

• 슬러지 배출량 조절 불량
• 유입하수량 및 수질의 과도한 변동
• 부적절한 온도, 질소 또는 인의 결핍

부착 미생물에 의한 생물학적 처리법

반응조 내 여재 등의 접촉제 표면에 미생물로 된 생물막을 만들어 오수를 접촉시켜 오수 중 유기물 분해, 처리하는 방식.

종류

13-2, 15-2, 17-1

• 회전원판법
• 접촉산화법
• 침적여과형 호기성여상법
• 살수여상법

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참고 자료

• KDS 61 50 00 :2017 수처리시설 설계기준
• 환경부 (2011). 《하수도시설기준》. 499쪽. 

회전 원판법

회전원판법(Rotating Biological Contactor)

97

• 회전속도는 주변속도로 표시됨. 일반적으로 15m/min
• 일반적 침적률 40 - 45%

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• 회전판은 과도하게 부착된 미생물을 떨어지게 함.

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1. 01

BOD가 200mg/L인 하수 1400m³/day를 회전원판법으로 처리하려 한다. 원판 면적 4000m²인 경우 BOD 부하는?

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풀이

${\begin{aligned}{\text{BOD 부 하 }}&={\frac {\text{BOD 유 입 량 }}{\text{면 적 }}}\\&={\frac {200mg/L\times 1400m^{3}/day}{4000m^{2}}}\\&={\frac {200g/m^{3}\times 1400m^{3}/day}{4000m^{2}}}\\&=70g/m^{2}\cdot day\end{aligned}}$

살수여상법

살수여상법(Trickle Filter)

• 폭기에 동력 필요 없음
• 간단히 동작
• BOD 갑작스런 변화에 대한 미생물 감응이 낮고 빨리 회복됨
• 활성슬러지법보다 BOD 제거 효율이 낮음

최종침전지

18-2

• 유효수심: 2.5-4m
• 침전시간이 길면 침전 효율은 좋으나 어느 시간을 초과하면 제거 효율은 더이상 증가하지 않음
• 침전시간은 계획1일평균오수량에 따라 정하며 3-5시간
• 유속감소, 유량분산을 유도하여 흐름을 양호하게 하려고 유입구에 정류판(baffle) 설치
• 표면부하율은 표준활성슬러지의 경우 계획 1일최대오수량에 대해 20-30m³/m²·day
• 수면 여유고는 40-60cm로 함.

상하수도 수조 제원정리

대분류	시설	유효수심	체류시간
상수도	취수 시설 - 침사지	3-4m	계획취수량의 10-20분
	정수장 - 착수정	3-5m	1.5분 이상
	정수지	3-6m
	배수지	3-6m
하수도	하수 침사지		30-60초
	최초 침전지	2.5-4m	2-4시간
	최종 침전지	2.5-4m

하수고도처리

• 모래여과법은 고도처리의 흡착법, 투석법의 전처리로써 중요

질소와 인을 동시 제거하는 방법(00, 04, 15-2, 18-3)

• A²/O(Anaerobic Anoxic Oxic)법(혐기무산소호기조합법)

질소, 인 제거 고도처리 도입 이유(14-3)

• 폐쇄성 수역 부영양화 방지
• 처리수 재이용
• 수질환경기준 만족
• 슬러지 발생량 저감 이건 아님!

인 제거 방법

14-2, 18-2

• 응집제첨가 활성슬러지법
• 정석 탈인법(=정석법, 접촉여과법) : ${\ce {Ca5 OH(PO4)3}}$은 인산을 불용화하는 촉매. ${\ce {Ca5 OH(PO4)3}}$ 입상물이 든 수조에 소석회(수산화칼슘(${\ce {Ca (OH)2}}$))를 넣으면 물에 있던 인산이 불용화되어 여재 표면에 붙는다. 이렇게 인산을 제거함.
• 생물 탈인법
  1. 혐기상태에 두면 인산(H₃PO₄)이 수중에 나오고,
  2. 호기상태로 바꾸면 슬러지가 인을 평상시의 슬러지보다 고농도로 흡수.(활성슬러지의 인 과잉섭취) 이 슬러지를 제거하면 인을 없앨 수 있음.

질소 제거 방법

04, 08, 14-1

• 생물학적 질화-탈질법 : 호기→혐기
  • 호기 : 질산화. NH₃-N → NO₂-N → NO₃-N (16-1)
  • 혐기 : 탈질화. 질산성 질소 - 아질산성 질소 - 질소 가스 (01, 19-2)
• 이온교환법
• break point(파괴점) 염소주입법
• Air Stripping(=ammonia stripping, 암모니아 탈기법) : 암모니아(NH₃) 제거

슬러지 처리시설

농축 - 소화 - 개량 - 탈수 - 최종처분

농축

농축 후 슬러지 체적

13-2, 14-3

$V_{2}={\frac {100-r_{1}(\%)}{100-r_{2}(\%)}}V_{1}$

• r₁ : 농축 전 슬러지 함수율
• r₂ : 농축 후 슬러지 함수율
• V₁ : 농축 전 슬러지 체적

중력식 농축조

01

• 슬러지 스크레이퍼 설치 시 탱크 바닥면 기울기는 5/100 이상(15-2)
• 슬러지 스크레이퍼 없는 경우 탱크 바닥 중앙에 호퍼 설치. 호퍼 측벽 기울기는 수평에 60도 이상
• 일반적으로 중력식 농축조 사용. 중력식 농축조 용량은 계획슬러지량의 18시간 분 이하
• 고형물 부하는 25-75kg/m²일을 기준으로 함. 슬러지의 특성에 따라 변경 가능.

소화

혐기성 소화

96

• 혐기성 소화를 위해선 유기물 농도, 단백질, 지방질 성분이 높아야함. 탄수화물보다.
• 단계 : 가수분해 - 유기산 생성 - 메탄 생성. 가치있는 부산물 생성됨(16-1)
• 정상적 소화 시 생성 가스는 메탄이 2/3, 이산화탄소가 1/3
• 혐기성 소화 시 작용하는 유기산균, 메탄균은 임의성균이 아니라 혐기성균.

04, 08, 09, 19-1

• 병원균 사멸률 높음
• 동력시설 없이 연속처리 가능
• 유지관리비 적게 소요
• 슬러지 발생량 적음
• 유기물 농도가 높은 하수처리에 적합
• 반응 느림. 에너지 효율 낮음.
• 운전조건 변화에 적응하는 시간 길다.

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• 영향인자(15-2, 16-2) : 체류시간, 온도, 독성물질, 알칼리도

혐기성 소화조 크기 결정 시 고려사항(14-1)

• 유입 슬러지 양, 특성
• 고형물 체류시간, 온도
• 소화조 운전방법

탄산염(탄산염 이온 (CO₃²⁻)이 존재하는 탄산의 염) 완충시스템에 관여하는 알칼리 종류(15-2)

• ${\ce {HCO3-}}$(탄산수소 이온)
• ${\ce {{CO3}^{2-}}}$(탄산염 이온)
• ${\ce {OH-}}$(수산화 이온)

호기성 소화

00, 14-2, 17-1

• 최초 시공비가 혐기성에 비해 적음
• 상징수(상등액) 수질 좋음
• 혐기성보다 악취 적음
• 운전 용이
• 소화슬러지 탈수불량

하수슬러지 개량방법

18-2

• 세척(세정)
• 약품처리
• 열처리
• 동결

탈수

• 진공여과, 가압탈수, 원심탈수가 있다.(15-2)