개념 한 쪽
생물학적 처리공정은 미생물을 이용해 폐수 중 유기물을 분해하는 방법으로, 공정별 작동 원리와 운전 조건을 이해하는 것이 중요하다. 활성슬러지법은 미생물이 부유 상태로 유기물을 분해하는 부유 증식 방식이며, SBR은 동일 탱크 내에서 유입·반응·침전·배출을 시간적으로 순환하는 간헐식 공정이다. 운전에서는 용존산소, MLSS, pH 같은 미생물 환경 인자와 체류시간 및 용적부하 계산, 영양염(BOD:N:P) 보정이 핵심이다.
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출제기준 단원 「생물학적 처리 원리」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 미생물 체류시간 계산 | 1 | 반응조 내 고형물량과 일일 유출량으로 SRT를 계산하기 |
| 폭기조 체류시간(부하 역산) | 1 | BOD 부하와 용적부하로 폭기조 용적을 구해 체류시간을 산정하기 |
| 부영양 보정(요소 투입량) | 1 | BOD:N:P 비율로 부족한 질소를 요소량으로 환산하여 계산하기 |
활성슬러지법은 미생물(활성슬러지)이 폐수의 유기물을 산화·분해하는 호기성 부유 증식 공정이다. 폭기조에 공기를 공급해 미생물을 부유 상태로 유지하며 유기물을 분해하게 한다. 활성슬러지법의 운전 변수로는 포기조 내 용존산소(DO), MLSS, pH 등이 있으며 이들 변동이 미생물 활동에 직접적인 영향을 주므로 우선적으로 점검해야 한다.
SBR(Sequence Batch Reactor)은 하나의 탱크에서 시간적으로 유입, 반응, 침전, 배출 과정을 순차적으로 수행하는 회분식 공정이다. 동일한 탱크에서 공정을 순환시키므로 공간을 절약하면서 처리 조건을 시간적으로 조절할 수 있다. 회전원판법, 살수여상 등은 작동 원리가 다르므로 SBR의 '시간적 순환' 특성을 기준으로 구분한다.
설계 및 운전에서 자주 쓰는 수치적 개념으로는 미생물 체류시간(SRT)과 폭기조 평균 체류시간(HRT)이 있다. SRT는 반응조 내 총 고형물량을 하루 동안 시스템 밖으로 나가는 고형물 총량으로 나눈 값으로 계산한다. 폭기조의 평균 체류시간은 폭기조 용적을 유량으로 나누어 구하며, BOD 기준 부하를 이용해 폭기조 용적을 역산하는 방식이 자주 쓰인다.
미생물 성장에 필요한 영양염 비율로는 유기물:질소:인의 비를 100:5:1로 본다. 폐수에 이미 포함된 질소와 인을 고려해 부족분만을 보충하며, 비료형태(예: 요소)의 원소 함량 비율을 이용해 실제 투입량을 산정한다. 요소의 질소 비율은 분자량과 질소 원자량 비로 환산하여 계산해야 한다.
1) 미생물 체류시간(SRT) 계산 예시: 포기조 용적 20m³, MLSS 2000mg/L일 때 포기조 내 총 고형물량은 20m³ × 2kg/m³ = 40kg이다. 처리수 유실은 유량 100m³/day에 SS 20mg/L이므로 100×0.02kg/m³ = 2kg/day이다. 폐기 슬러지 1m³/day에 SS 1%(10kg/m³)이므로 10kg/day이다. 하루 배출량 합은 12kg/day이므로 SRT = 40kg ÷ 12kg/day ≒ 3.33일이다.
2) 폭기조 평균 체류시간 계산 예시: BOD 450mg/L, 유량 650m³/day, 부하 기준을 0.5킬로그램 BOD/m³·일로 가정할 때 일일 BOD 부하는 0.45kg/m³ × 650m³/day = 292.5kg/day이다. 필요한 폭기조 용적은 292.5kg/day ÷ 0.5kg/m³·day = 585m³이다. 평균 체류시간은 585m³ ÷ 650m³/day = 0.9day = 21.6시간으로, 근사값 22시간을 선택한다.
3) 영양염(요소) 보정 계산 예시: BOD 1250mg/L일 때 필요한 질소량은 1250 × (5/100) = 62.5mg/L이다. 폐수에 이미 질소 5mg/L가 있으므로 부족분은 57.5mg/L이다. 요소(CO(NH2)2)의 질소 함량은 질소 2개(28) ÷ 분자량 60이므로 요소 중 질소 비율은 28/60이다. 따라서 필요한 요소량은 57.5 × (60/28) ≒ 123mg/L이다.
활성슬러지 공법으로 100m³/일의 폐수를 처리한다. 포기조 용적이 20m³, 포기조내 MLSS가 2000mg/L로 유지된다. 처리수로 유실되는 SS농도는 평균 20mg/L, 폐기시키는 슬러지의 양은 1m³/day이며 폐기되는 슬러지의 SS농도는 1%이라면 미생물 체류시간은?
정답 ③ · 미생물 체류시간(SRT, θc)은 반응조 내 미생물 농도(MLSS, X)와 반응조 용적(V)의 곱을 하루에 반응조 밖으로 배출되는 전체 미생물 양으로 나누어 구합니다. 배출되는 미생물 양은 처리수로 유실되는 양(Qe*Xe)과 의도적으로 폐기하는 양(Qw*Xw)의 합입니다.
반응조 내 미생물 총량을 하루 배출량(처리수 유실+의도적 폐기)으로 나눈다.
BOD가 450 mg/L이고 유량이 650 m³/day인 폐수를 BOD 용적부하 0.5 kg/m³-day의 활성슬러지 공법으로 처리하고자 할 때 폭기조의 평균 체류시간은?
정답 ③ · BOD 용적부하율 공식은 (유입 BOD 농도 × 유량) / 폭기조 용적 입니다. 주어진 조건에 따라 폭기조 용적(V)을 먼저 구하면, V = (450mg/L × 650m³/day) / (0.5kg/m³-day = 500g/m³-day) = (0.45kg/m³ × 650) / 0.5 = 585m³ 입니다.
BOD 용적부하 공식으로 폭기조 용적을 구한 후 유량으로 나누어 체류시간을 계산하면 약 21.6시간이 되어 22시간이 정답이다.
폐수처리에 사용되는 호기성 생물학적 처리공정 중 부유 증식 처리공정은?
정답 ① · 문항은 호기성 생물학적 처리공정 중에서 부유 증식 방식에 해당하는 공정을 묻고 있다. 부유 증식은 미생물이 반응조 내에 부유하는 형태로 작동하는데 활성슬러지법이 대표적인 부유 증식 공정이다.
부유 증식 공정은 미생물이 물속에 부유 상태로 존재하며 처리하는 방식으로 활성슬러지법이 대표적이다.
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