활성슬러지법

Activated Sludge Process

쉽게 설명하자면 환경공학에서의 수처리의 끝판왕. 활성슬러지법이라는 이름에 걸맞게 활성슬러지를 이용한 생물학적 수처리, 혹은 그 변법을 통틀어 이르는 말이다.

역대 하수처리 공법 중 가장 경제적이고 효과적이기 때문에 세계 어느 나라에서건 쓰이는 방식.

기본적으로 활성슬러지를 만들어서, 활성슬러지가 호기성 상태에서 하수 속의 유기물을 저분자 물질인 이산화탄소, 물로 바꾸는 과정이다.

1 역사

근대 하수도의 도입은 19세기 영국으로부터 시작되었다고 보는데, 산업 혁명으로 도시에 인구수가 늘어남과 동시에 전염병 발병이 늘자, 빈민구호법 수정안이라는 법률로 하수도를 만들기로 아이디어를 제시했고, 런던시가 이를 먼저 도입하게 된다.

1800년대 후반까지만 해도 전세계적으로 폐수의 처리나 처분이 관심을 끌지 못했다. 하수도는 만들어졌어도 바다에 버리는 것 이외엔 어떠한 처리도 하지 않았다. 그도 그럴 것이 수질오염이라는 개념도 없었고 비교적 버릴 곳이 많아 보였기 때문이다(...). 1900년대 초에 들어서는 대도시 지역을 필두로 그냥 투기하는 것이 능사는 아닌데다가, 오염으로 인한 공중보건위생의 취약점이 나타나게 됨에 따라 여러 처리공법이 생겼다.

그 동안 모래여상이나 살수여상법(Trickling Filter), 임호프조(Imhoff Tank) 등 여러 하폐수 처리 공법이 제안되고 실제 운용되기 시작했으나, 1914년 영국의 Arden과 Lockett에 의해 활성슬러지법이 개발됨에 따라 나머지 공법들은 일부를 제외하고는 많이 쓰이지 않게 된다.

2 상세 공정

기본적으로는 활성슬러지를 이용한 생물학적 처리이지만, 20세기를 거쳐오는 동안 그 효율을 높이기 위해 각종 물리,화학적 처리공법을 병행하여 쓰게 된다. 대부분의 공정은 다음과 같다.

2.1 스크린 및 침사지

스크린과 침사지를 이용하여 큰 오염물을 제거한다. 스크린의 경우 일정한 간격을 가진 장치로서 뒷 공정의 처리를 방해하는 협잡물, 모래 등을 미리 제거하며, 침사지의 경우 오수 중 여러 부유물과 토사(무기물질)을 제거하기 위한 장치이다. 스크린과 침사지가 있어야만 2차 처리 등에서 부하가 적어지고 처리시설내 퇴적 등이 방지된다.

2.2 1차 침전지

앞서 처리된 생폐수에서 침강성 고형물을 제거하는 과정으로 물의 체류시간을 길게 늘여서 침강성 고형물이 아래로 퇴적되게 한 뒤, 상등수(위에 뜬 물)를 분리하여 다음 공정으로 보낸다.

2.3 폭기조

본격적인 활성슬러지 공정의 시작으로, 활성슬러지(미생물로 구성된 슬러지)가 물 속의 유기물질을 섭취하며 저분자 물질로 분해하는 과정이다. 이 과정에서 분해될 물질 중의 탄소 성분은 대부분 이산화탄소가 되거나 세포에 잔류하게 되며, 질소와 인이 일부 소비된다. 활성슬러지는 인위적으로 투입해야 생성되는 것인지 궁금해하시는 분들이 있는데, 정상 조건만 되면 어디서 알았는지 미생물이 잘 번식하게 된다. 후술하겠지만 최근 공정에선 인위적으로 슬러지를 주입하긴 한다.

반응식은 다음과 같다.

유기물 + a'O2 + N + P → a 세로운 세포 + CO2 + H2O + 비분해성 용해성 대사산물(SMP) (미생물의 유기물 분해, 다수반응)
세포 + b'O2 → H2O + N + P + 비분해성 세포 잔류물 + SMP (세포의 분해, 일부반응)

여기서 SMP라는 것은 생물학적으로 제거가 안되는 일부 고분자 유기물질을 의미하며, 생물학적 처리로 제거할 수 없다.

사실 이 반응들이 자연계에서 그냥 잘 일어난다면 하수라는게 생길리가 없다. 일반적으로 자정작용이라는게 위의 식에서 벗어나지 않는다. 단지 인위적으로 폭기(공기를 물 속에 주입)해주는 방식으로 활성슬러지를 만들고, 이 활성슬러지가 용존산소를 이용해서 유기물을 분해한다. 즉, 인위적 공간에서 짧은 시간안에 다량의 물질을 처리하게 만드는 것 이외에 인간이 할 수 있는 일이 없는 셈.

보통 그냥 밖의 공기를 펌프로 주입하는 것만으로도 공정이 운영되지만, 아주 가끔 처리가 어려운 경우 고순도 산소(대체로 산소조성이 50% 정도)를 때려넣어서 효율을 높일 수는 있다. 하지만 일반 하수처리에서 그 정도가 필요하진 않다. 산업폐수라면 모를까..

그렇게 미생물들은 음식들(우리가 보기엔 오염물)을 열심히 먹어주면서 유기물을 분해하니, 미생물 천지가 되어 미생물들이 서로 엉겨붙고, 하수 속 오염물질은 서서히 없어지게 되며 궁극적으로는 SMP와 아직 분해가 덜 된 약간의 유기물질(생물학적 공정에서 100%효율은 있을 수가 없다.)만을 남겨둔채 살맛 난다며 다음엔 무슨 밥을 줄까 하고 웃으며 다음 공정으로 넘어간다.

2.4 2차 침전지

하지만 미생물들의 운명은 여기까지다. 쉽게 설명하면 미생물들을 폭기조에서 실컷 이용한 뒤 버려지게 만드는 과정이다. 위 식에서 세포라고 써있는 잔존하는 미생물을 침전시켜 바닥에 가라앉힌뒤 상등수를 내는 과정이다. 일반 하수라면 2차 침전지 상등수만으로도 충분히 깨끗한 물이 되며, 기타 고도처리 과정이 없는 하수처리장에서 제일 깨끗한 물이다.

일반 학생들이나 어린 아이를 데리고 하수 처리장(요새는 물재생센터라고 이름을 거의 다 바꾸었다.)에 견학을 오면 다들 이해를 못하는게 폭기조까지의 냄새와 탁도로 봐서는 절대 깨끗해질리 없다고 생각했던 물이 조금 걸어서 2차 침전지로 오면 깨끗해져 있는 놀라운 기적을 체험하게 된다. 이 글을 잘 읽었다면 아시겠지만, 폭기조 후단부엔 미생물 덩어리만 제외하면 이미 깨끗한 물이고, 그 물만 따로 빼내기 위해 2차 침전지에서 침전을 시키는 것이다. 폭기조까지 이해를 하던 사람도 여기만 오면 왜 깨끗해졌는지 이해를 못하는 경우가 부지기수.

둥둥 떠다니는 미생물이라 생각하실지 모르겠지만, 활성슬러지는 플록을 형성하여 잘 침강하게 된다. 플록이 풀어지는 일이 가끔 일어나는데 그걸 제어하려고 하수 처리장 엔지니어들이 항시 상주하면서 플록이 깨지는지를 관찰하게 된다. 물론 다른 일도 많다. 특히 약품투입 공정이 있는 하수 처리장이라면 더더욱.

잘 침강한 슬러지는 이제 버리면 하수처리 끝! 하지만, 효율의 증대를 위해 슬러지를 다시 반송하여 폭기조 전단부로 일부분을 보낸다. 보낸 슬러지는 수명이 다소 연장되어 다시 폭기조에서 광란의 음식파티를 벌이게 되겠지만, 나머지 슬러지는 짤없이 침강되어 소화조로 보내어지는 운명을 맞이하게 된다. 즉 폐기물이 된다.

2.5 고도 처리

엄밀히 말해서 고도처리는 활성슬러지법을 벗어나는 범위이지만, 처리수를 방류하지 않고 재사용 하는 경우엔 고도처리를 이용하기도 한다. 21세기에선 막여과가 대세로 여겨진다. 막여과에 있어서 최종병기는 MF+RO(역삼투) 조합으로 알려지고 있다. 이 외에도 기존에 쓰이던 Sand Filter + Activated Carbon조합이나 급속여과 방식도 사용되고 있다.

2.6 소독

통상 염소소독이나 자외선 조사법을 주로 이용하며, 잔존 미생물이나 병원성 미생물을 제거하기 위해 투입된다. 처리장에서야 고마운 미생물들이지만, 방류된 뒤엔 어떠한 일이 있을지 모르기 때문이다. 특히 수인성 전염병을 야기시킬 수 있는 병원성 미생물을 적절한 소독 공정에 의해 제거한다.

소독 처리까지 마친 물은 드디어 깨끗한 물이 되어 하천이나 바다로 방류되게 된다. 그 동안 고생 많으셨습니다. 바다로 가셔서 푹 쉬십시오. 하지만 서해라면 어느 나라덕에 더러워질 기회는 충분히 있다.

3 장점

싸고 효율이 좋다. 개발된지 수십년이 넘어갔지만 아직도 주로 쓰이고 있는 이유이며, 앞으로도 이 공법을 대체할 다른 기술은 없는 것이나 마찬가지 이다. 예를 들자면, 물리, 화학적으로만 제거하려면 약품과 멤브레인 막이 수도 없이 많이 투입되어야 한다. 또한 활성슬러지법 이후의 다른 공정들에 비해 추가적인 동력 소요도 많이 들지 않는다. 에너지 소비 중 폭기조에 투입하는 에너지가 제일 많이 쓰일 정도. 척도효과도 꽤 있어서 크게 지을수록 시설단가가 절약된다.

어느 공정이나 효율상 문제로 다 들어가있다는 것을 부가 설명하자면, 처리가 안된 오염수를 가지고 처음부터 역삼투막으로 오염물 제거를 하려고 하면 막이 막히는 현상이 비교적 빨리 발생하고, 압력 부하도 커지게 된다. 그러나 비교적 깨끗한 물의 막여과는 많은 부하 없이 이루어지고 막 교체 시기도 비교적 길게 증대되는 것이다.

최근 녹조라떼(...) 등 부영양화 문제가 대두됨에 따라 질소나 인의 추가 제거 공정이 각광을 받고 있다. 가령 A2O공법(혐기조, 무산소조, 호기조의 3개조 운영)이나 화학적 인 제거 등의 제거 예가 있다. 그러나 A2O공법은 애초에 호기조, 즉 활성슬러지법을 마지막에 배치하며, 화학적 인 제거는 통상 2차침전지 이후(혹은 공정 내에서)에 약품투입후 추가 침전조를 만드는 것으로 동시에 처리하게 된다. 따라서 현대 하수처리에 있어서는 안쓰이는 곳이 없다.

4 단점

상대적으로 관리가 필요하다. 또한 온도에 따라 반응특성이 변해버리는 경우가 있으며, 슬러지가 다른 공법에 비해 비교적 다량이 나오게 된다. 그러나 앞서 설명했듯이 이러한 단점을 예로 들어 이 공정을 안쓰기엔 너무 싸고 효율적이다. 남는 돈으로 단점을 보완하는 방법으로 주로 운용하게 된다(...)

우리나라에서의 문제라고 하면 여름철에 폭기조에 Algae(말과 같은 조류)가 증식하여 처리효율을 떨어트리거나, 겨울철 온도 하강으로 인해 효율이 떨어지는 효과들이 보고되었다. 그래서 아예 처리장을 지하에 지어 차광과 보온을 동시에 이룸으로써 단점이 하나 사라지게 되었다.

5 경쟁 기술들

  • 회전생물접촉판법
    • 슬러지가 적고, 상대적으로 운전하기 쉬우며, 운전유지비도 낮다. 원리는 폭기조 대신 회전생물접촉조를 두는 것으로, 여러 원판을 수면에 40%쯤 담궈놓고 계속 원판을 돌리면 원판에 생물막이 자동 형성되어 생물막이 잠겨있는 동안 분해를, 떠있는 동안 산소에 접하게 된다. 뺑뺑이. 단점은 크게 지으나 작게 지으나 설비비가 동일비로 증감하기 때문에 대규모로 지을 수가 없다. 우리나라에서는 주로 대규모 하수처리장을 선호하므로, 우리나라에는 몇 군데 없다.
  • 살수여상법
    • 제일 오래된 폐수처리지만 활성슬러지법이 나온 뒤로 거의 자취를 감추었다. 일정한 충전재 위에 물을 계속 때려 박으면 끝난다. 운전하기도 쉽고 비교적 충격부하가 적다는 장점은 있지만, 여상 표면에 물이 고여버린다던가, 파리가 번식한다던가, 겨울에 얼어버린다던가(...) 하는 여러 귀찮은 점이 있다.
  • 혐기성 처리
    • A2O공법에서 보았듯이, 이젠 경쟁상대가 아니라 같이 유기물을 분해하게 되는 좋은 친구가 되었다. 애초에 혐기조만으로 모든 유기물질을 분해하기 어려운 측면이 있다.

6 기타

환경공학 전공자에게 있어서, 수처리에 관한 한 이 공정을 어떻게 운영, 설계, 보완, 문제점 포착 및 해결 할 것인지로 요약된다(...) 사실상 수처리에서 더 이상의 공정은 없다라고 단언해도 될 정도로 이미 좋은 공정이다. 이 공정을 개선하기 위한 방법도 이미 너무 많아서 변법이라고는 하지만 그 변법만으로도 책 절반을 넘게 차지할 정도로 많다. 더 이상의 공정을 개발할 생각보다는 이 방법을 이용해서 어떻게 하면 미생물을 더 굴릴수 있을까 효율을 높이거나 비용을 절감할 수 있을까의 문제로 이미 방향이 넘어갔다.

행여나 환경공학에 입문하고 싶어하는 사람이 있다면, 활성슬러지법 하나만큼은 꼭 배워놓자.

7 참고 도서

  • 김동민 외 9인, 폐수처리공학, 도서출판 동화기술, 2013.
  • 조관형 외 7인, 최신 상하수도, 신광문화사, 2008.
  • W. Wesley Eckenfelder, Jr., Industrial water pollution control, McGraw-Hill, 2000.