슬러지의 발생과 특성, 폐수처리와 생물고형물

폐수처리시설의 모습

폐수처리의 목적

폐수처리의 목적은 하천과 주위 생태계에 영향을 미치지 않고 가능한 안전한 처리수를 생산하는 것이다. 폐수처리시설의 주목적은 생태계의 일부인 인간에게 물로 인한 질병 발생의 피해를 받지 않도록 하기 위하여 질병을 감소시키는 것이다. 근래의 처리시설은 이러한 목적의 달성에 있어 매우 효과적이다. 처리시설의 운영불량으로 발생되는 폐수에 의해 사회적 건강문제를 발생시키는 사례는 감소하고 있다. 폐수처리산업은 다양한 방법으로 폐수처리의 1차 목적을 성공적으로 수행해 왔다.

폐수처리시설은 성공적인 폐수처리의 목석달성에도 불구하고 원하지 않는 부산물인 슬러지를 생산하게 된다. 폐수 슬러지는 1~5%의 무기성 및 유기성 부유고형물로서 매우 다양한 용존성 고형물이 함유된 액체에 혼합되어 있다. 이러한 폐수처리 부산물의 처분은 어렵고 비용이 많이 들며 보통 폐수처리시설 운영예산의 절반 이상이 요구된다.

폐수처리의 단계

폐수처리시설은 목표수질 달성을 위한 일련의 연속적인 운영 공정으로 구성되어 잇다. 일반적으로 폐수처리시설의 운영은 다음과 같이 나눌 수 있다.

• 전처리
• 1차 처리
• 2차 처리
• 고도처리 또는 3차 처리

전처리

전처리시설의 대표적인 형태는 바스크린과 그릿수집기가 있다. 전처리 시설은 바스크린으로 부터 걸러진 조대 협잡물 또는 그릿수집기로부터 걸러진 모래와 그릿으로부터의 시설 보호를 위해 설치되며 슬러지로 분류되지 않는 찌꺼기가 발생된다.

1차 처리

1차 처리는 침전성 고형물의 제거를 위한 중력식 침전과 그리스 및 스컴의 수집으로 구성된다. 그리스와 스컴 발생량은 적으며 종종 소각 또는 매립에 의해 처분된다. 반면에 침전성 고형물은 관리되어야 할 고형물의 주요 원인물질이다. 1차 처리 장치 또는 침전조에서 생산된 슬러지는 1차 슬러지로 알려져 있으며 몇 가지 좋지 않은 특성을 가지고 있다. 냄새가 나며 심미적으로 불쾌한 고형물을 포함하고 있는 유해한 물질이다. 폐수에는 수많은 병원성 유기체가 고형물 입자에 부착되어 있다. 1차 슬러지에는 인체에 감염성이 있는 모든 병원체가 포함되어 있다. 1차 처리된 폐수는 고형물의 상당 부분이 처리되었으나 하천으로 유출하기에는 여전히 산소요구량이 높다.

2차 처리

2차 처리의 목적은 생화학적 산소요구량의 제거이다. 이 목적을 달성하기 위해 첫 번째 단계에서 회분식 반응조를 가진 다양한 공법들이 사용되어 왔다. 살수여상법은 biomass가 자갈에 부착되고 폐수는 자갈 표면에 생성된  biomass와 접촉하여 흘러가게 된다. 부착성장 공법의 또 다른 형태로서 하수가 흘러내릴 때 서서히 회전하는 일련의 원판들로 구성된 회전원판접촉법이 있으며  biomass는 원판 표면에 부착되어 성장한다. 가장 보편적인 2차 처리 방법은 활성슬러지 공법이다. 부유성장 공정에서 폐수는 산소요구량을 감소시키면서 유기물질을 섭취하는 활동적인 biomass와 혼합하게 된다. 하지만 활성슬러지 공법은 biomass가 초과 증식되는 현상이 발생하며 이는 반드시 폐기되어야 한다. 이러한 폐활성슬러지 또는 2차 슬러지는 1차 슬러지와 명확히 구분된다. 이는 본질적으로 박테리아의 매우 복합적인 수중 배양균이며 고등동물에 속하는 미생물이다. 호기성 미생물들은 공기 공급으로 인한 충분한 산소 공급을 받을 경우 수중의 유기물질을 섭취하여 성장한다.

고도 처리

급속 여과법 또는 영양물질 제거와 같은 고도처리의 목적은 목표수질에 만족하는 처리수의 유출이다. 이 시스템은 관리되어야 하는 슬러지와 같은 고형물을 발생시키지 않는다. 폐수처리의 최종단계는 염소 또는 최근 자주 사용되는 자외선 조사에 의한 살균이다.

생물고형물 현황

다양한 형태의 슬러지는 안정화와 탈수공정과 같은 사전 처리가 없는 상태에서는 이용가치가 없다. 생물고형물은 이용가치가 있는 폐수슬러지를 일컫는 말로 발생량은 안정화의 형태와 탈수 방법에 따라 결정된다. 일반적으로 슬러지 안정화는 혐기성소화로 이루어진다. 50~80년 전 소규모 수처리시설에서 슬러지는 1차 처리 수준의 임호프 탱크 소화법이 사용되었다. 고형물은 탱크 바닥에 침전되고 농축되어 혐기성소화가 된다. 따라서 탱크는 가온이 없고 소화속도가 느리며 부하량이 작다. 결국 소화단계는 침전 작용과 소화 작용을 분리하여 구성하게 되었다. 이렇게 분리된 소화단계는 가온과 혼합이 이루어지고 약 30일간 고형물이 체류된다. 초기의 분리소화에서 교반운전은 부분적인 혼합으로 매우 비능률적이며 성능이 좋지 않았다. 탱크부피의 80% 이상이 사용되지 않고 부피의 20%에서 혼합이 이루어져 결과적으로 실질적인 고형물 체류시간은 설계시간에 비해 훨씬 짧다. 근래의 egg-shaped 소화조와 같은 소화법은 교반효과가 개선되고 감소된 고형물 체류시간을 요구한다.