폐수 처리 시설
생활하수처리란 도시 거주민의 생활 과정에서 발생하는 하수를 처리하여 방류 기준을 충족하고 환경오염을 유발하지 않도록 하는 것을 말합니다. 생활하수처리의 중요성은 자명하며, 이는 인간의 건강과 환경의 지속가능한 발전에 직결됩니다.
우선, 생활하수에는 다량의 유기물과 미생물이 함유되어 있어 환경에 직접 방류할 경우 수질 오염을 심각하게 유발합니다. 이러한 유기물과 미생물은 수중 산소를 소비하여 수질을 악화시키고 수생 생물의 생존에 악영향을 미칩니다. 또한, 생활하수에는 질소, 인 등의 영양물질도 다량 함유되어 있어 수역에 방류될 경우 부영양화를 유발하고 조류 번식을 촉진하여 수질과 생태계 균형을 해칩니다.
둘째로, 생활하수에는 중금속, 유기물, 약물 잔류물 등 다양한 유해 물질이 포함되어 있습니다. 이러한 물질들이 환경에 직접 배출될 경우 수질과 토양을 오염시키고 생태계와 인간 건강에 해를 끼칩니다. 따라서 생활하수의 효과적인 처리는 환경과 인간 건강을 보호하는 중요한 조치입니다.
또한, 생활하수 처리는 자원 활용을 실현할 수 있습니다. 생활하수에는 다량의 유기물과 영양분이 함유되어 있는데, 이를 적절히 처리하면 유기질 비료, 바이오가스 등의 자원으로 전환할 수 있어 자원 재활용을 실현하고 천연자원 소비를 줄일 수 있습니다.
일상생활에서 발생하는 폐수는 실제로 극히 일부만 처리되고 대부분은 정화 과정 없이 강으로 직접 방류됩니다. 특히 소도시의 경우 상황이 더욱 심각합니다.
대변 등은 일반적으로 직접 배출되지 않고, 수거 조치가 마련되어 있습니다.
폐수 내 오염물질의 구성은 매우 복잡하고 다양하여, 어떤 처리 방법으로도 완벽한 정화를 달성하기 어렵고, 처리 요구 사항을 충족하기 위해서는 여러 가지 방법을 조합하여 처리 시스템을 구축해야 하는 경우가 많습니다.
처리 정도에 따라 폐수 처리 시스템은 1차 처리, 2차 처리 및 고도 처리로 나눌 수 있다.
1차 처리는 주로 물리적 방법을 통해 폐수 내 부유 고형물만 제거하는 과정이며, 처리된 폐수는 일반적으로 방류 기준을 충족하지 못합니다.
2차 처리 시스템에서 1차 처리는 전처리입니다. 가장 일반적으로 사용되는 2차 처리 방법은 생물학적 처리로, 폐수 내 콜로이드성 물질과 용존 유기물을 크게 제거하여 폐수가 방류 기준을 충족하도록 합니다. 그러나 2차 처리 후에도 일정량의 부유물질, 용존 유기물, 용존 무기물, 질소, 인 등의 조류 증식 영양물질과 바이러스 및 박테리아가 여전히 남아 있습니다.
따라서, 유량이 적은 하천으로 처리하면 희석 능력이 부족하여 오염을 유발할 수 있고, 수돗물, 공업용수, 지하수 충전수로 직접 사용할 수 없기 때문에 더 높은 방류 기준을 충족할 수 없습니다. 3차 처리는 2차 처리에서 제거되지 않은 인, 질소 및 유기 오염물질, 생물학적 분해가 어려운 무기 오염물질 및 병원균과 같은 오염물질을 추가로 제거하는 과정입니다. 폐수 3차 처리는 2차 처리를 기반으로 화학적 방법(화학적 산화, 화학적 침전 등)과 물리화학적 방법(흡착, 이온 교환, 막 분리 기술 등)을 추가로 적용하여 특정 오염물질을 제거하는 "고급 처리" 방식입니다. 폐수 3차 처리는 비용이 많이 들지만, 수자원을 최대한 활용할 수 있게 해줍니다.
하수처리장으로 방류되는 하수 및 산업폐수는 다양한 분리 및 전환 기술을 사용하여 무해하게 처리할 수 있습니다.
기본 원칙
하수처리장에서 가장 일반적으로 사용되는 소모품
하수 처리 과정에서 다음과 같은 약제를 사용해야 합니다.
(1) 산화제: 액체 염소 또는 이산화염소 또는 과산화수소,
(2) 소포제: 양이 매우 적습니다.
(3) 응집제: 폴리알루미늄 클로라이드 또는 음이온성 및 양이온성 폴리아크릴아미드(음이온성 PAM 또는 양이온성 PAM으로도 알려짐)
(4) 환원제: 황산제일철수화물 등
(5) 산-염기 중화: 황산, 생석회, 가성소다 등
(6) 화학적 인 제거제 및 기타제.
청소 방법 및 일반적인 기술
물리적 방법: 물리적 또는 기계적 작용을 통해 폐수 내 불용성 부유 고형물 및 기름을 제거합니다. 여과, 침전, 원심 분리, 부유 등.
화학적 방법: 화학 물질을 첨가하여 화학 반응을 통해 폐수 내 오염 물질의 화학적 또는 물리적 성질을 변화시켜 화학적 또는 물리적 상태를 변화시킨 후 물에서 제거하는 방법. 중화, 산화, 환원, 분해, 응집, 화학적 침전 등이 있다.
물리화학적 방법: 물리적 및 화학적 작용을 종합적으로 이용하여 폐수를 정화하는 방법; 탈기, 흡착, 추출, 이온 교환, 전기분해, 전기투석, 역투석 등
생물학적 방법: 미생물의 대사 작용을 이용하여 폐수 내 유기 오염 물질을 산화 및 분해하여 무해한 물질로 전환하는 방법으로, 생화학적 처리 방법이라고도 하며 유기 폐수 처리에 있어 가장 중요한 방법입니다. 활성 슬러지, 생물학적 여과기, 생물 회전 테이블, 산화 연못, 혐기성 소화 등이 있습니다.
그중에서도 생물학적 폐수 처리 방법은 미생물이 효소 작용을 통해 복잡한 유기물을 단순 물질로, 독성 물질을 무독성 물질로 전환하는 원리에 기반합니다. 처리 과정에 관여하는 미생물의 산소 요구량에 따라 생물학적 처리는 혐기성 생물학적 처리와 산소 존재 하에서의 처리로 나눌 수 있습니다. 산소 존재 하에서의 생물학적 처리는 산소가 존재하는 환경에서 산소 존재 하에서의 미생물(선호기성 세균)의 작용으로 이루어집니다. 세균은 산화, 환원, 합성 등의 생명 활동을 통해 흡수된 유기물의 일부를 단순 무기물(CO2, H2O, NO3-, PO43- 등)로 산화시켜 성장과 활동에 필요한 에너지를 얻고, 나머지 유기물은 세균의 성장과 번식에 필요한 영양분으로 전환합니다. 혐기성 생물학적 처리는 산소가 없는 환경에서 혐기성 미생물의 작용으로 이루어집니다. 혐기성 세균은 유기물을 분해할 때 CO2, NO3-, PO43- 등으로부터 산소를 얻어 자신의 물질에 필요한 산소를 공급해야 하므로, 분해 산물은 CH4, H2S, NH3 등이 됩니다. 생물학적 공정을 이용한 폐수 처리에서는 폐수 내 오염물질의 생분해성을 먼저 분석해야 합니다. 생분해성은 크게 생분해성, 생물학적 처리 조건, 그리고 폐수 내 미생물 활동을 저해하는 오염물질의 허용 한계 농도의 세 가지 측면으로 나눌 수 있습니다. 생분해성은 미생물의 생장 활동을 통해 오염물질의 화학 구조가 얼마나 변화될 수 있는지, 즉 오염물질의 화학적, 물리적 성질이 얼마나 변할 수 있는지를 나타냅니다. 양호한 가스 생물학적 처리 조건이란 미생물이 중간 대사 산물을 거쳐 오염물질을 CO2, H2O, 그리고 생물학적 물질로 전환할 수 있는 가능성과, 양호한 가스 조건에서의 전환율을 의미합니다. 미생물은 특정 조건(영양 상태, 환경 조건 등) 하에서만 유기 오염물질을 효과적으로 분해할 수 있습니다. 적절한 영양 및 환경 조건을 선택하면 생물학적 분해가 원활하게 진행될 수 있습니다. 생물학적 분해 과정을 연구함으로써 pH, 온도, 탄소, 질소, 인의 비율과 같은 최적 조건 범위를 결정할 수 있습니다.
수자원 재활용 연구에서 나노미크론 크기의 다양한 미세 입자 오염물질 제거는 매우 중요한 관심사입니다. 수중 나노미크론 입자 오염물질은 1μm 미만의 미세 입자를 말하며, 미세 점토 광물, 합성 유기물, 부식질, 기름 및 조류 물질 등 매우 복잡한 구성 성분을 가지고 있습니다. 미세 점토 광물은 강력한 흡착력을 지닌 담체로서 독성 중금속 이온, 유기 오염물질, 병원성 세균 등의 오염물질을 표면에 흡착하는 경우가 많습니다. 자연수 속의 부식질과 조류 물질은 정수 처리 과정에서 염소 소독 시 염소와 반응하여 발암성 염소화 탄화수소를 생성할 수 있습니다. 이러한 나노미크론 입자 오염물질의 존재는 인체 건강에 직접적 또는 잠재적으로 유해한 영향을 미칠 뿐만 아니라 수질을 심각하게 악화시키고, 도시 하수 처리와 같은 수처리 공정을 더욱 어렵게 만듭니다. 그 결과, 침전조의 응집물이 위로 떠오르고 여과조로 침투가 용이해져 처리수 수질 저하와 운영 비용 증가를 초래합니다. 기존의 처리 기술로는 이러한 나노/마이크론 크기의 오염물질을 효과적으로 제거할 수 없으며, 초여과막이나 역삼투압과 같은 첨단 처리 기술조차도 높은 투자 비용 때문에 널리 활용하기 어렵습니다. 따라서 효율적이고 경제적인 새로운 수처리 기술의 연구 개발이 시급합니다.
처리 장비
가정 하수 처리 시스템에는 다양한 장비가 필요하며, 일반적으로 사용되는 처리 장비는 다음과 같습니다.
1. 그릴: 폐수에서 종이, 천 등과 같은 큰 입자성 물질을 제거하는 데 사용됩니다.
2. 모래 침전조: 폐수에서 모래, 모래 및 기타 고형 입자를 제거하는 데 사용됩니다.
3. 침전조: 1차 처리에 사용되며, 폐수 내 부유 고형물과 부유 침전물이 중력에 의해 침전됩니다.
4. 공기 부상조: 1차 처리에 사용되며, 폐수 내 부유 물질은 기포 작용으로 떠오르고, 이후 스크레이퍼로 제거됩니다.
5. 여과: 1차 처리 단계에서는 여과 매체를 통해 폐수 내 부유물질과 유기물을 제거합니다.
6. 활성 슬러지 반응조: 활성 슬러지와 산소를 첨가하여 미생물이 폐수 내 유기물을 분해할 수 있도록 하는 중간 처리 시설입니다.
7. 혐기성 소화조: 중간 처리 시설로, 혐기성 조건에서 미생물의 작용을 통해 폐수 속 유기물이 바이오가스로 전환됩니다.
8. 바이오필름 반응기: 중간 처리에 사용되며, 폐수 내 유기물은 바이오필름의 작용을 통해 분해됩니다.
9. 심층 여과기: 여과 매체를 통해 폐수에서 미량의 유기 물질을 제거하는 고도 처리 공정에 사용됩니다. 10. 활성탄 흡착기: 활성탄의 흡착을 통해 폐수에서 유기물을 제거하는 고도 처리 공정에 사용됩니다.
11. 오존 산화 반응기: 고도 처리용으로, 오존 산화를 통해 폐수 내 유기 물질을 제거합니다.
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