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1. 산화구처리시설의 구조와 기능

a. 개요
    산화구법은 활성슬러지법의 일종으로 수심이 얕은 탱크에 혼합기를 설치하여 분뇨액을 혼합시켜 순환시키는 과정에서 생물학적인 반응이 일어나게 되어 정화되는 것이 특징이다. 산화구는 순환식의 긴 수로이므로 호기성 환경을 유지하여도 수로내에서는 용존산소의 농도구배가 형성되므로 호기성 조건과 혐기성 조건이 서로 교대로 반복되면서 유기물만이 아니라 영양염류까지도 제거할 수 있는 방법이다.
    현재, 우리나라에서 가동중인 산화구는 대부분 호기성 조건에 대한 질산화 반응까지만 유지되어 침전지로 유입되도록 설계되었으며, 질소제거를 위한 혐기성 조건의 유지를 위해서는 체류시간이 부족한 상태이다.
    현재 가동중인 산화구법의 일반적인 설계제원은 다음과 같다.

< 산화구법의 일반적인 설계제원 >

항 목 단 위 제 원

BOD-SS 부하 ㎏-BOD/㎏-MLSS·일 0.03 ~ 0.07

BOD 용적부하 ㎏-BOD/㎥·일 0.1 ~ 0.2

MLSS ㎎/ℓ 2,500 ~ 5,000

슬러지반송비 % 100 ~ 200

체류시간 hr 24 ~ 36

슬러지체류일수 일 15 ~ 50

질산화 속도 ㎎-N/g·MLSS·일 0.2 ~ 0.7

탈질 속도 ㎎-N/g·MLSS·일 0.1 ~ 0.4

b. 산화구의 구조와 기능

가. 구조 및 크기
    산화구의 형상은 일반적으로 장방형의 무종단수로이며, 철근콘크리트 등의 수밀구조이다. 산화구의 수심은 1.0~3.0m가 표준이지만, 최근에 포기장치의 개량과 유속 발생장치 등으로 수심이 깉은 산화구가 개발되었다. 그러나 이 경우에는 저부 유속의 확보와 혼합액의 교반에 충분히 대처할 수 있어야 한다. 또한 수로폭은 2.0~6.0m가 표준이지만 최종침전지와 동심원형으로 하는 경우 등에 있어서는 그 한계가 명확하지 않고 이보다 클 수도 있다. 산화구내에 슬러지 퇴적을 방지하기 위하여 유속은 25㎝/sec이상이 유지되도록 한다.
    코너부분의 외주는 유속이 빠르고 내주에는 유속이 느려 흐름이 정체되어 슬러지의 침강에 따른 유효용적 감소경향이 발생할 수 있다. 따라서 코너부분에는 가이드벽(guide wall)을 설치하여 내측의 유속을 증대시킬 필요가 있으며, 패들(paddle)식은 필요에 따라서 회로의 도중에 20~50m마다 저류벽을 설치한다.

나. 포기장치
포기장치의 기본적인 기능은 산화구에 산소를 공급하고, 혼합액에 순환유속(평균 0.25m/sec정도)을 부여하며 유입분뇨와 활성슬러지를 혼합 교반하며, 사고 등에 의해 운전이 정지되는 경우에 산화구의 기능을 확보하기 위하여 1지에 2기 이상의 포기장치를 설치한다.
    포기장치는 로터나 프로펠러, 스크류 등을 이용한 기계식 수면 폭기장치가 이용된다.
산화구내의 DO상태는 유입유량 및 농도, 수온 및 MLSS 농도에 따라 변화하므로 계절적인 변동 정도에 대응할 수 있도록 산소공급량을 조절하여 운영하여야 한다.
    수위조정으로 DO를 제어하는 때는 유출구에 가동웨어를 설치한다.
(산소 공급량 조절방법 예)
▷ 운전방법의 선택
    - 포기장치 대수의 변경, 연속 또는 간헐 운전
▷ 포기장치의 조절
    - 침적심의 변경, 회전수의 변경, 송풍공기량 조절

다. 유입 및 유출 위치
    유입수 및 반송슬러지의 유입위치와 혼합액의 유출위치는 흐름방향에서 멀리 떨어진 곳에 설치토록 한다. 유입구는 유입수를 탈질반응의 탄소원으로 되게 혐기부분의 시작 부근에 설치하여 반송슬러지의 유입도 같다. 혼합액의 유출위치는 최종침전지에서의 혐기성상태 방지를 위해 포기장치 직후의 호기부분에 설치한다.

c. 최종침전지의 구조와 기능

가. 최종침전지는 일반적으로 원형방사류식을 채택하며 침전지에 유입된 고형물 농도가 활성슬러지법의 2배 이상으로 침강속도가 늦어 침전시간을 충분하게 고려하여 설계하는 것이 바람직하다.
다음에서 침전지의 설계제원을 나타내었다.

< 침전지의 설계제원 >

항 목	단 위	제 원
수면적 부하	㎥/㎡·일	8 ~ 12
유효수심	m	3.0 ~ 4.0
침전시간	시간	6 ~ 12
월류부하	㎥/m·일	25 ~ 30

나. 슬러지의 인발 및 반송
① 반송슬러지 펌프의 최대능력을 일최대슬러지량의 100~200% 정도로 하여 활성슬러지의 침강성이 악화된 경우에는 MLSS의 농도를 적절히 유지하기 위해 슬러지의 반송율을 증대시킬 필요가 있다.
② 잉여슬러지 펌프의 능력은 잉여슬러지 발생량이 유입 SS량의 약 75%이므로 발생 슬러지량을 고려하여 정하고 잉여슬러지의 인발은 타이머를 설치하거나 대수를 제어하여 이용한다.
③ 슬러지 펌프는 무폐쇄형 횡축펌프가 일반적으로 사용되며, 슬러지 인발 배관은 폐쇄를 방지하기 위해 최소 100㎜이상으로 한다.

2. 산화구처리시설의 운전

a. 산화구 운전
    산화구시설의 운전은 처음에 시운전하는 동안 구속의 슬러지 농도인 혼합액 부유고형물질(MLSS)농도를 4,000㎎/ℓ 정도로 만드는 것이 필요하다. 일단 이것이 4,000㎎/ℓ에 도달하면 Rotor의 침수깊이는 단지 Rotor의 상류부분에 0.5㎎/ℓ 이상의 용존산소 농도를 공급하기 위하여 조절해야만 한다. 하루 가동하는 동안 Rotor의 상류부분의 용존산소 농도는 다양할 것이다. 슬러지 반송률은 시설로 들어오는 평균 유량과 관련시켜 조절되어야만 한다. 일단 이렇게 조절해 놓으면 과다슬러지의 주기적인 폐기처분을 제외하고는 별다른 조절 없이 효과적으로 운영할 수 있다. 산화구의 운영은 다른 어떤 처리보다도 포괄적으로 처리할 수 있으며, 충격부하를 감수할 수 있고 공정에 의해서 발생되는 실질적인 방류수 특성에 대해서도 매우 낮은 부하량으로 운영할 수 있다. 산화구법으로 운영되는 분뇨처리장의 운전조건을 변경하거나 수정할 때 다음과 같은 기본적인 세가지 방법이 있다.
혼합액 속의 용존산소 농도조절
반송슬러지의 재순환을 조절
슬러지처리를 통한 적정 MLSS농도 조절

가. 용존산소 농도
    혼합액 속에서의 필요한 산소농도의 조절은 로터의 물속 잠김을 조절해 주므로써 가능하다. 로터가 많이 잠길수록 산소공급은 적어진다. 로터의 잠김은 포기조의 수면을 조절하여 변경되는데 이것은 포기조안의 조절웨어를 크랭크로 오렸다 내렸다 함으로써 가능하게 해준다. 정상적인 작동하에 포기조안의 용존산소 농도는 0.5에서 2.0㎎/ℓ가 되어야 하는데, 이 수치는 대략 로터의 4.5m 상류부분에서 측정한 것이어야 한다. 만일 용존산소 농도가 2.0㎎/ℓ보다 높다면 동력을 낭비하고 있는 것이고, 농도가 0.5㎎/ℓ보다 낮다면 처리수준을 낮추어야 한다. 이때 로터가 물속에 적당히 잠기도록 하여 포기조안에 있는 혼합액의 슬러지가 포기조 바닥에 침전되지 않도록 하여야 하며, 또한 로터에 무리가 가지 않도록 너무 깊이 잠기지 않도록 해야 한다. 대략의 최고 또는 최저 잠김 허용수치는 로터 설치설계 도면에 명시되어 있다. 이 수치는 모터의 출력을 실제로 측정함으로써 알 수 있다.

나. 활성슬러지의 재순환
    침전조안의 슬러지층이 상승하여 침전웨어를 넘을 것 같으면 슬러지 반송율을 높여야 한다. 만일 반송슬러지 펌프가 최대용량으로 작동되고 있는데 슬러지층을 방류웨어 밑으로 억제하지 못하거나 침전조안의 슬러지가 이미 난류상태로 되어 가라앉힐 수 없으면 너무 많은 슬러지가 산화구안에 유입된 것이며 이러한 슬러지는 제거하여야 한다. 계산에 의한 반송슬러지량의 측정은 다음 공식에 의하여 계산한다.
q = ( Q + q )×(SVF)
여기에서 Q : 유입수량(㎥/hr)
              q : 반송슬러지량(㎥/hr)
              SVF : 반송슬러지량 지수

다. 슬러지처리
    잉여슬러지 처분의 필요성은 처리장의 실제 부하와 최종 방류수질의 허용기준치에 의하여 관리된다. 산화구는 잉여슬러지의 생성이 없이 균형된 상태로 작동될 수 있으며 BOD와 SS의 제거능력(효율)은 방류웨어를 넘어가는 현탁물과 BOD의 유실 때문에 낮아진다. 산화구가 설계최대용량을 처리하는 완전 가동상태로 되었을 때, 높은 처리효율을 요구한다면 포기조 안에는 처리되어야 할 잉여슬러지가 쌓이게 될 것이다. 포기조안에 MLSS가 생성되는 비율은 유입수 안에 있는 비활성 고형물의 양과 매일 제거되는 BOD와 슬러지 처분 비율에 의해서 결정된다. 따라서 슬러지가 침전조의 방류웨어(Effluent weirs)를 넘어가지 않도록 해야 하며, 슬러지층이 높을때는 침전조의 바닥으로부터 활성슬러지를 제거하도록 한다.

b. 운전중 발생할 수 있는 문제점

① 거품(Foaming)
    최초 가동 중, MLSS가 낮거나 잉여슬러지 처리 후 포기조에 거품이 생길 수가 있다. 거품은 잔류하는 합성세제나 높은 포기율로 인한 다른 계면 활성제와의 결합이나 낮은 MLSS에 관련되어 다른 계면 활성제와의 결합 등으로 생겨나는 것으로 믿어진다. 슬러지 고형물과 기름 및 박테리아를 포함하는 거품은 통상적으로 적정한 포기조의 MLSS가 형성되어 처리장이 제기능을 찾게 되면 저절로 없어지게 된다.
② 탁한 방류수(Cloudy effulent)
    과부하나 빈부하에 의한 불균형한 영양상태, 포기조의 부적합한 용존산소 농도, 너무 높거나 낮은 pH, 독성물질 등이 포기조 혼합액 속의 미생물에 영향을 주기 때문이다.
③ 슬러지 부상(Rising 슬러지)
    슬러지 부상은 침전조에서의 너무 긴 체류시간에 의한 결과로 나타나는데, 그것은 슬러지가 질소를 방출하면서 그 질소 기포가 슬러지 가운데 갇혀서 슬러지를 표면으로 부상시키는 것이다. 활성슬러지의 반송율을 높여줌으로써 슬러지 부상 문제는 처리할 수 있다. 슬러지 부상을 슬러지 팽화와 혼돈해서는 안되며, 슬러지 부상에서는 침전성과 밀집성(Compation)이 양호하나, 팽화된 슬러지는 혼합액의 침강성 실험에서 보면 잘 침전되지 않는다.
④ 슬러지 팽화(Sludge bulking)
    슬러지 팽화는 침강성 물질 시험에서 잘 침전되지 않거나 아주 미미하게 침전되는 현상을 가리킨다. 슬러지 팽화의 원인이 되는 실 모양의 유기체(사양균)는 서로 뭉쳐서 점액질로 증식함으로써 보통의 유기체군처럼 밀집될 수 없다. 산화구는 비교적 낮은 F/M(Food and Microorganism Ratio)를 유지함으로써 슬러지 팽화를 일으키는 실 모양의 유기체(사상균)를 생성시키지 않는다. 경우에 따라서 처리장 규모에 비해 작은 최종 침전조와 혹은 부족한 반송슬러지 비율은 최종침전지에서 슬러지가 웨어를 넘는 원인이 되기도 한다. 실제로 슬러지 팽화의 원인이 되는 보통 사상 유기체(사상균)의 발생은 낮은 pH, 포기조 내의 낮은 용존산소 농도, 높은 F/M비, 영양물질(N,P) 불균형 등과 연관되어 있다.