토목기사 요약/상하수도 공학/하수처리장 시설

하수처리 개요

예비처리
- 굵은 부유물, 고형물, 유지 제거와 분리(고체, 액체 분리)
- 침사지, 스크린, 유량조정조, 예비폭기조
1차처리
- 미세 부유물질, 유기물 일부를 물리화학적으로 제거.
- 1차(최초) 침전지
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)
3차 처리 또는 고도처리

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

1. 96, 00, 05

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

풀이

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

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

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

2. 00, 14

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

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.^[1]
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?

풀이

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

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

슬러지 일령

슬러지 일령(sludge age) : 유입된 부유물에 폭기가 되는 평균적인 시간.^[2]^[3]

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) $\left(={\frac {V}{Q}}\right)$

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?

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.^[3]
$SRT={\frac {VX}{Q_{w}X_{r}+(Q-Q_{w})X_{e}}}$

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.

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?

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

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

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%

회전판은 과도하게 부착된 미생물을 떨어지게 함.

1. 01

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

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^[4]^[5]
- 호기 : 질산화^[6]. NH₃-N → NO₂-N → NO₃-N (16-1)
- 혐기 : 탈질화^[7]. 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.

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)

각주

↑ 이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 364쪽.
↑ 이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 369쪽.
↑ ^3.0 ^3.1 노재식 외 (2016). 《상하수도 공학》. 한솔아카데미. 318쪽.
↑ 이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 454쪽.
↑ 노재식 외 (2016). 《토목기사 상하수도공학》. 한솔아카데미. 305쪽.
↑ 아리수 수질환경기사 블로그 - 질산화와 탈질화
↑ 혐기성 상태 탈질산화 과정

[1] 이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 364쪽.

[2] 이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 369쪽.

[:0-3] 3.0 ^3.1 노재식 외 (2016). 《상하수도 공학》. 한솔아카데미. 318쪽.

[4] 이종형 외. 《상하수도 공학》 5판. 구미서관. 454쪽.

[5] 노재식 외 (2016). 《토목기사 상하수도공학》. 한솔아카데미. 305쪽.

[6] 아리수 수질환경기사 블로그 - 질산화와 탈질화

[7] 혐기성 상태 탈질산화 과정

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