폐수처리공학 정의
생물은 폐수내에 포함되어 있는 유기물질을 끊임없이 분해(먹이로 섭취)하고 있다. 혐기성상태, 즉 용존산소가 결핍된 상태하에서 분해가 진행되면 폐수의 수질은 악화되어 악취를발생하게 되나 호기성 상태, 즉 용존산소가 충분히 존재하는 상태에서 분해가 진행될 때에는 양호한 수질상태를 유지할 수 있다.
이 지구상에는 순수한 물이란 존재하지 않을 것이다. 예를 들면, 빗물조차도 대기로부터 지면에 도달하는 동안, 가스상 물질, 입자상 물질 및 기타 불순물에 의해 오염되게 되며, 물이 지면에 도달한 후에는 지표면을 따라 흐르는 동안 접촉하게 되는 물질의 특성을 띄게 될것이라는 것을 우리는 쉽게 예상할 수 있다. 예를 들면, 이 물에는 여러 가지 광물질이 용존하게 되어 기존에 함유되어 있는 용존성 염분의 양이 가중될 것이며, 이와 동시에 분해된식물이나 토양내의 유기성 물질 또한 용해되므로 물 자체는 많은 자연적인 불순물을 지니고있다고 말할 수 있다. 따라서, 폐수란 인간에 의해 사용되어지고 난 후 폐기되는 물 외에도자연적인 불순물을 함유한 물을 말한다.
폐수라는 용어는 폭 넓은 의미를 함축하고 있는 단어이다. 일반적으로 폐수내에는 인간의활동에 의해 오염된 물뿐만 아니라 가정, 산업 혹은 상업적 이용으로부터 발생한 액체 및수분을 함유하고 있는 고형물이 포함되어 있으므로 이것이 하수구에 배출될 때는 상당히 악화된 상태의 수질을 보이게 된다. 상당히 오랜 기간 동안에 걸쳐 사용되어 온 이 폐수라는용어는 일반적으로 가정하수만을 포함하고 있는 물을 가리키는 용어로 사용되어져 왔으나,기술적인 측면에서 보면, 폐수는 통상 하수관거를 통하여 흐르는 모든 물을 의미한다고 볼수 있다.
일반적으로 폐수는 하수관거로부터 배출되는 액상폐기물로서, 폐수의 특성은 특정지역의생활양식에 따라 달라진다. 폐수의 성분은 용존성 유기고형물과 부유성 유기고형물로 나누어지는데, 이들은 대부분 생물학적으로 분해가능한 물질로서 부패하기 쉽다. 폐수내에는 무수히 많은 박테리아, 균류, 조류 및 원생동물 등과 같은 미생물이 활동하고 있습니다.
1.1 폐수처리의 목적
폐수처리란 폐수내의 오염물질을 부분적으로 제거하고 분해되는 과정을 통하여 매우 복잡한 부패성 유기물을 무기물이나 비교적 안정한 유기물로 변화시키는 것으로서, 폐수의 변화정도는 어떠한 처리과정을 거치느냐에 따라 달라진다. 폐수처리의 목적은 일반적으로 폐수로 인하여 야기되는 공공위생의 위험성을 감소시키거나 최소화하고, 방류수역의 수질환경에 대한 폐수의 저해요인 · 영향을 제거 및 감소시키며, 배출시설의 방류수 수질기준을 만족시키기 위한 목적 등을 위해 수행된다.
1.2 폐수배출에 의한 영향
폐수처리공정으로부터 제거되지 않은 각종 오염물질이 수역으로 배출될 경우 인간 건강의 위험은 물론 슬러지 퇴적층 및 스컴 형성으로 인한 수역 오염, 산소결핍으로 인한 어류및 수생식물의 사멸, 악취발생 등의 악영향이 초래된다.
폐수배출에 의한 영향 중 가장 중요한 것은 인간의 건강에 대한 영향이다. 배출되는 폐수내에는 일반적으로 질병을 유발하는 박테리아나 바이러스가 존재하고 있기 때문에, 이들에의해 오염된 수역을 음용 수원으로 이용할 경우, 수인성 질병이 확산되어 대량의 환자가 발생하게 될 가능성이 높다.
만일 어떤 폐수가 충분히 처리되지 않고 수역에 배출되게 되면 상당량의 고형물이 수역의저부에 침강. 축적되어 슬러지 퇴적층을 형성하거나, 부상하여 스컴층을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 퇴적 슬러지와 스컴은 그 양에 있어 상당할 뿐만 아니라, 포함되어 있는 유기물은 산소결핍의 주요 원인으로 작용하여 부패 및 악취가 발생하게 된다. 따라서, 이들 유기물은 수역에 방류되기 이전에 폐수처리공정을 통하여 제거되어야 한다.
한편, 어류 및 기타 수생 생물과 같은 대부분의 생물체는 생존을 위해 산소를 필요로 한다. 대부분의 하천과 같은 지표수 내에는 약 0.001%(10 mg/L) 이하의 용존산소가 포함되어있으며, 대부분의 어류는 5mg/L의 용존산소만으로도 번식이 가능하다. 폐수가 하천에 배출되면, 박테리아는 폐수를 먹이로 이용하기 위해 분해하거나 폐수내의 화합물을 간단한 화합물로 전환시킨다. 유기성 폐수가 증가하면, 박테리아는 급속도로 증식하게 되어 많은 양의용존산소를 소모하게 된다. 폐수유량이 많으면, 박테리아의 수는 급격히 번식하게 되어 대기로부터 자연확산에 의해 하천에 공급되는 산소 공급속도보다 소비속도가 빨라 용존산소량이 부족하게 되어 하천의 어류나 대부분의 기타 생물은 사멸하게 된다.
이외에도 용존산소의 결핍으로 인해 야기되는 또 하나의 문제는 악취문제이다. 수역내의모든 용존산소가 소모되면 혐기성 박테리아는 황산과 같은 화합물형태 내의 기타 원소와 화학적으로 결합된 산소를 이용하기 시작하며, 혐기성 박테리아가 황화합물로부터 산소를 제거할 때 달걀 썩는 냄새를 내는 황화수소가 생성된다. 기타의 영향으로는 탁도나 색도, 중금속 같은 독성물질의 유입, 맛과 냄새, 영양물질에 의한 과도한 수생식물의 증식 등이 있다.
1.3 폐수처리 방법
폐수처리는 폐수내의 오염물질을 부분적으로는 제거하고 분해과정을 통하여 매우 복잡한유기고형물을 무기물이나 비교적 안정한 유기고형물로 변환시키기 위한 과정으로 처리의정도는 어떠한 처리과정을 거치느냐에 따라 달라진다. 또한, 이러한 모든 처리과정을 거친후에도 처리과정에서 발생된 슬러지를 처리해야 하는 문제가 발생된다.
폐수처리에서 사용되고 있는 단위조작 및 공정은 이들의 주요 기능에 따라, 물리적, 화학적, 생물학적 처리로 구분된다. 엄격히 말해서, 물리적 처리는 단위조작(unit operation)에 속하며, 화학적, 생물학적 처리는 단위공정(unit process)으로 속한다고 볼 수 있으나, 현재에는보통 구분치 않고 같이 사용하고 있다. 폐수처리는 이용된 처리과정의 특성 즉, 물리적, 화학적, 생물학적인 특성에 의해서 체계적으로 분류될 수 있으며, 기본적인 처리단계는 다음<표 1-1>과 같다.
폐수처리의 대표적인 단위조작으로는 침전, 부상 및 여과 등이 있으며, 대표적인 단위공정으로는 응집, 활성탄 흡착, 이온교환, 염소처리, 활성슬러지, 살수여상, 호기 및 혐기성 소화 등이 있다. 이중 침전, 여과, 응집 등은 상수 및 폐수처리에 모두 이용되고 있는 처리방법이다.
1.3-1 폐수처리 방법의 분류
물리적 처리스크리닝 침전침사지 여과 부상 가스전달 등 화학적 침전중화화학적 처리응결과 응집전기투석법 살균 소독 등 이온교환법 활성탄 흡착생물학적 처리활성슬러지법회전원판법 혐기 · 호기 소화법 등 살수여상법산화지법
침전은 가장 보편적인 물리적 처리조작의 하나로서 고형물의 분리를 목적으로 하는 침전은 보통 폐수처리공정의 초기 및 최종 단계에서 사용된다. 이밖에 물리적으로 공기를 주입하여 폐수에 산소를 공급하는 폭기와 여재를 이용하여 폐수내 고형물을 분리하는 여과 등이 있다.
화학적 처리는 화학반응을 이용하여 수질을 향상시키기 위한 처리공정으로서, 이 중 가장 널리 이용되고 있는 방법으로는 염소처리가 있다. 강력한 산화제인 염소는 박테리아를 사멸시키고, 폐수의 분해속도를 지연시키는 데에 사용된다. 이 밖에 널리 이용되고 있는 화학적 처리로는 중화, 응집, 활성탄 흡착, 이온교환 등이 있다. 중화는 산이나 염기를 주입하여 pH를 중성으로 조절하기 위한 방법으로 산성폐수를 중화시키기 위한 중화제로 소석회 등이 이용된다. 응집은 화학약품을 투입하여 화학반응을 통해 형성된 비용해성 물질을 이용하여 폐수로부터 오염물질을 제거하기 위한 방법으로 대표적인 응집제로는 석회, 철화합물(염화철, 황산제이철) 및 명반(황산알루미늄) 등이 있다. 활성탄 흡착과 이온교환은 특성상 실제로 물리적 및 화학적 처리로 분류되고 있는데, 활성탄 흡착은 유기물을 흡착 · 제거하기 위한 방법이며, 이온교환은 특정이온을 다른 이온으로 변화시켜 처리하는 방법이다.
생물학적 처리는 미생물 즉, 대부분 박테리아를 이용하여 생물학적 분해과정을 통해 안정한 최종부산물을 얻기 위한 처리방법으로 유기물은 최종적으로 이산화탄소, 물 및 기타 부산물로 전환된다. 일반적으로 생물학적 처리방법은 용존산소의 이용도에 따라 호기성 처리와 혐기성 처리로 나누어진다.
한편, 폐수처리에서 이용되고 있는 처리방법은 매우 다양하며, 주로 물리, 화학, 생물학적방법을 병행하여 실시하는데, 처리방법은 예비처리, 1차 처리, 2차 처리, 살균소독, 3차 처리(고도처리), 슬러지처리 등으로 분류된다. 폐수처리는 처리의 정도에 따라, 보통 1차, 2차 및3차 처리라는 말로 사용되고 있으며, 3차 처리는 2차 처리 후에 잔존하는 오염물질을 추가적으로 제거하기 위하여 실시되는 처리이다.
일반적으로 폐수에 당초 함유된 부유물의 제거 과정을 1차 처리(primary treatment), 유기물의 산화 분해와 세포합성에 따라 발생하는 활성슬러지 등의 고액분리까지의 과정을 2차처리(secondary treatment)라고 한다. 특히, 2차 처리공정을 거친 후에도 처리목적을 달성할수 없는 경우, 또한, 탈질, 탈인 등을 필요로 하는 경우에는 고도의 처리수를 얻기 위한 공정이 도입되는데, 이러한 공정을 3차 처리(tertiary treatment) 또는 고도처리(advanced treat-ment)라고 한다.
폐수처리에서 이용되고 있는 대표적인 처리공정도는 다음 <그림 1-1>과 같으며, 1차 처리와 2차 처리에 사용되는 단위조작과 공정에 의해 수행된 처리정도는 다음 <표 1-2>와 같다. 또한, 현재 국내에서 적용되고 있는 생물학적 고도처리의 종류 및 특성은 <표 1-3>과같다.
그림 1-1 폐수처리에서 이용되고 있는 대표적인 처리 계통도
1차침전지/2차(최종)침전지/스크린침사지 유량조절조폭기조고도처리 → 소독1~2분반송슬러지×2-442-분리액상등액상등액2차1차최종처분소화조소화조
1.4 슬러지의 처분
고형물 및 슬러지, 그리고 처리시 제거된 농축 오염물질의 최종처분은 폐수처리공학 분야에서 가장 어렵고 비용이 많이 드는 과제이다. 대기 및 지하수오염에 대한 관심 때문에 소각 및 퇴비화 혹은 매립에 의한 슬러지 처분이 특별한 주의를 끌고 있다. 그러나, 매립장의 수와 용량이 감소되고 있으며, 환경과 사회적, 경제적인 요구를 만족시키는 새로운 매립지를 찾기가 점점 어려워지고 있다. 결과적으로 슬러지의 처리와 처분은 환경공학도에 대한 가장 중요한 도전중의 하나로 대두되고 있다.
현재 사용되는 슬러지 처분방법에 있어서 매립, 연료화, 슬러지의 토지주입은 슬러지 처분에 흔히 사용되는 방법이다. 슬러지의 토지주입은 나쁜 땅을 개량하는 방법으로 또는 슬러지 내의 영양소를 이용하는 방법으로써 사용할 수 있다. 그러나 현재 국·내외적으로 매립 혹은 슬러지의 토지주입에 대한 규제가 강화되고 있으며, 슬러지 처분을 위한 장소를 찾기가 더 힘들어지고 있다. 매립의 한계 때문에 퇴비화는 토지개량제로서 재사용을 위하여 슬러지를 안정화시키는 인기 있는 방법이 되고 있으며, 최근 퇴비화 기술의 현저한 발전이 이루어지고 있다. 또한, 국내의 경우 음식물류 폐기물 분리수거 이후 소각시설에 반입되는 폐기물의 발열량이 설계기준에 비해 높아짐에 따라 적정 운전조건을 맞추기 위해 폐수 슬러지 등을 혼합하여 소각하고 있는 경우가 많은데 운영 및 관리에 특별한 주의가 요망된다.
1.5 환경기준 및 방류수 수질기준
처리방식의 선정에 있어서 방류수역의 수질 환경기준, 방류수역의 현재 및 장래의 이수(利水)상황, 유입폐수의 수질과 수량 등을 고려하여 종합적으로 판단하는 것이 중요하다. 우리나라의 수질 및 수생태계 환경기준은 다음 <표 1-4>와 같으며, 공공 하수처리시설을 비롯한 각종 처리시설의 수질기준은 <표 1-5><표 1-11>과 같다.
폐수의 발생원과 유량
수계의 오염에 가장 큰 영향을 미치고 있는 폐수는 생활하수인데, 그 이유는 이들 폐수내에는 상당히 많은 유기성 물질이 포함되어 있기 때문이다. 산업폐수 또한 상당량의 유기성 물질을 포함하고 있는데, 야채, 과일 등의 포장과정에 의해 발생되거나, 유가공 식품, 제지 및 섬유제조공정 등으로부터 발생한다.
또한, 어떤 산업폐수는 크롬이나 구리 등과 같이 무기성 물질이 포함되어 있는 경우도 있는데, 이들 물질은 수생 생물에 맹독성을 띠는 물질이다. 기타 산업폐수(자갈 세척장과 같은 폐수)에는 상당량의 토양, 모래, grit와 같은 무기성 물질이 배출되기도 한다.
유기 및 무기물의 분류에 어느 쪽에도 속하지 않는 두 가지 주요 폐수로는 냉각수 및 방사성 폐수가 있다. 냉각수는 산업시설 제조공정 및 발전소 등으로부터 발생되며, 방사성폐수는 병원, 실험실, 발전소 등으로부터 발생한다.