1. 처리개요

    초심층폭기법(Deep Shaft Aeration System)은 영국의 ICI(Imperial Chemical Industries)가 1970년대 중반에 메탄올의 호기성 발효에 의한 단백질 생산기술을 연구하는 과정에서 개발한 호기성 처리공법으로서, 기존의 활성슬러지법에서 폭기조 내의 용존산소를 일정수준 이상으로 유지하기가 불가능하고, 용존산소를 소모하는 폭기조내의 미생물 농도가 한정되어 있다는 점과는 달리 직경 0.5~10m, 깊이 50~150m 이상으로 굴착하여 폭기조를 설치함으로써 저압하에서 송풍한 공기를 폐수와 함께 50m 수심이상, 수압 5㎏/㎠이상까지 가져가 거의 완전히 용해시켜 산소공급율을 높인다. 즉 수압상승에 비례하여 산소 용해도를 높이고 용존산소를 풍부하게 유지할 수 있도록 하여 미생물들이 짧은 시간동안에 폐수에 함유된 유기물을 처리하도록 한 공법이다.
   초심층 폭기법은 혐기성처리에서와 같이 독성물질에 의한 영향 없이 자체 희석효과에 의해서 고농도 폐수처리가 가능하며, 활성오니법 대신 이용할 경우 소요부지 지하공간을 활용할 수 있다는 면에서 소요부지 면적을 50%, 전체 폐수처리장 운전비의 30%를 절감할 수 있는 방법으로 이용될 수 있다.

a. 원리
    초심층 폭기설비는 Deep Shaft와 Head Tank로 구성되어 있다.
Deep Shaft는 대개 직경 0.5~10m, 깊이 50~150m의 원형구조와 Dwoncomer 및 Riser 2개의 part로 구성되어 있다.
    초기 운전 시공기를 초심층 폭기조내의 상승부인 Riser에 주입하여 기포가 상승하면 Air Lift 효과에 의해 순환류가 시작되고, 순환류의 유속이 기포의 상승속도(0.3m/sec)보다 충분히 큰 속도(1~2m/sec)에 이르면 하강부인 Downcomer의 중앙으로 포기용의 공기를 주입하기 시작하는데 이때 주입된 공기는 혼합폐수와 함께 초심층 포기조의 저부에 도달한 후 다시 상부로 부상한다. 이러한 과정에서 수심에 따라 수리학적 압력이 증가하여 수심 100m의 경우 헨리의 법칙에 따르면 수표면에 비해 산소용해도가 11배 증가하게 된다. 따라서 공급되는 공기 중 많은 양의 산소가 활성미생물에 흡수되고 이용되어 폐수처리 효율을 높인다. 이 흡수율은 기존 활성오니법의 6~8%와 비교하여 약 80%에 이른다.

    또한 초심층 포기조내의 혼합액 유속이 빠르기 때문에 흐름은 난류 상태로 되며 이 때문에 산소의 전달량은 더욱 높아지고(1.92~2.9㎏ O₂/Hr/㎥), 용해산소가 증가함에 따라 미생물의 활성도가 증가하여 짧은 시간에 유기물의 제거가 이루어진다(체류시간 1~2Hr).
    산소 이용효율면에서 산소와 미생물간 접촉시간의 차이 때문에(기존 활성오니법 : 7~8초, 초심층 폭기법 : 1~2분) 산소의 이용율이 10배 이상 증가하게 된다. 이러한 이유로, 초심층 포기법은 단위 전력당 산소 공급량이 3~4㎏이며 기존 활성오니법의 1㎏보다 3~4배 높다.
    초심층 포기법의 경우 포기조내의 사상균(filamentous microorganisms)의 성장이 억제되므로 활성오니법에서 운전상 가장 큰 문제인 팽화현상(bulking)이 발생하지 않는다.

b. 구조
SHAFT 형상
      - Center Downcomer, Annular Riser  

      - Center-Riser, Annular Downcomer

      - Split Shaft 

  또는

     - U-Tube Shafts

HEAD TANK
      Head Tank의 주목적은 순환수가 Downcomer로 유입되기 전 순환수로부터 gas를 제거하기 위함이다. gas 분리는 ML을 tank를 통하여 흐르게 하고 여기서 gas bubble이 표면으로 부상하고 대기중으로 방출된다. 선택되는 tank의 size는 95%의 gas가 방출되게 하는 크기이다.

DEGASSER
      Degasser의 주목적은 floc에 부착된 gas bubble를 제거하기 위함이며, degasser 내부를 진공상태로 하여 감압을 하고 gas bubble을 팽창시킨다. degasser는 수직으로 두 section으로 나뉘어지는데 riser와 Downcomer이다. liquid는 낮은 압에 의해 rise측으로 상승하고 riser의 상부에서 weir로 월류되어 downcomer로 흐른다. gas bubble은 rise상부의 원형의 weir에 의해 제거 효율이 증가되며,degasser내의 모든 흐름은 유입부와 유출부 head차에 의해 유지가 된다. degasser는 steel이나glass fiber, reinforced plastic이나 concrete 재질로 만들어진다.

CLARIFIER
      Clarifier의 목적은 SS농도를 원리 수질에 부응할 수 있도록 하며, 포기조내의 필요한 MLSS를 유지하고 잉여슬러지를 탈수하거나 처분하는데 도움이 된다. 일반적으로 shaft내의 MLSS는 500㎎/ℓ 이하가 되어야 처리수 SS가 안정되며, 침전된 슬러지의 농도는 대개 10,000~20,000㎎/ℓ이다.

AIR 공급
      Air를 공급하기 위해 compressor를 설치하며 이는 유체의 순환목적과 BOD를 생물학적으로 산화시키기 위함이다. 전형적인 전달 압력은 shaft 저부의 정수압에 대해 30~40%이다. 관리를 위하여 1set 또는 2set 이상의 stand-by compressor를 설치한다. riser측과 downcomer의 air량을 조절하기 위하여 valve를 설치해야 한다. 또한, air의 주입을 위해 open pipe type의 sparger를 설치한다.

2.장점 및 특성

a. 장점
    - 사용부지의 절감
      초심층 포기설비는 같은 용량의 기존활성오니법에 비해 포기조 사용부지의 10~20%만 사용하면 되므로, 폐수처리시설의 증설 또는 신설시 부지가 협소한 경우에도 가능하다.
    - 운전경비의 절감
      초심층 포기설비는 기존활성오니법보다 50%정도의 전력을 절감할 수 있는데, 기존활성오니법의 산소·미생물간의 접촉시간 7~8초보다 1~2분으로 길기 때문에 산소이용률이 10배 가량 높고, 단위 전 력당 산소 공급량이 3~4㎏으로, 기존활성오니법의 1㎏보다 3~4배 가량 높기 때문이다.
    - 환경문제 최소화
      기존의 포기조는 사용면적이 넓기 때문에 악취·소음·비산등의 환경문제로 민원 발생이 빈번하였으나, 초심층 포기설비는 기존 포기조의 10~20%의 면적을 사용하기 때문에 덮개를 씌우는 등의 방법으로 악취·소음·비산등의 문제를 최소화하여 민원문제가 말끔히 해소된다.
    - 높은 처리효율과 우수한 성능
      초심층 포기조내의 혼합폐수는 유속이 빠르기 때문에 흐름은 난류 상태로 되며 산소 전달량이 매우 높아지고(1.92~2.9㎏ O2/Hr/㎥), 용존산소가 증가함에 따라 미생물의 활성도가 증가하여 짧은 시간내에 유기물의 제거가 이루어지며(체류시간 1~2Hr), 인입폐수가 정상상태보다 많거나, 높은 농도, 갑작스런 폐수의 인입에 자동적으로 소화할 수 있는 시스템으로 설계되어 부하변동에 강하고 안정성이 높은 것이 장점이다.  

b. 특성
    - 액체순환특성
      일반적으로 초심층포기조는 액체와 기체가 하강하는 하향관(Downcomer)과 상승하는 하향관(Riser)의 관경이 같은 U형관(U-tube)이나 관경이 큰 상향관에 상향관 관경보다 작은 하양관이 삽 입된 동심이중관(Concentric tube)형태로 구성되어 있다. 액체와 공기의 흐름방향이 서로 다른 두개의 관을 가진 초심층포기조는 하향관에 주입된 공기량만으로 상향관과 하향관의 기포체류량에 기인하는 밀도차에 의하여 액체순환이 유도된다.
      초심층포기조의 하향관에서는 공기와 액체가 하강하므로 공기의 부상력을 상쇄시킬 수 있는 액체의 하강유속과 시간이 있어야 한다. 대개 초심층 포기조의 액체순환시간은 1~2분이며 기-액 접촉시간은 2분 정도로서 일반 산기식 포기장치의 기-액 접촉시간 10초보다 10배 이상 크다. 또한 액체순환을 유도하기 위하여 초기공기를 공급하였을 때, 하향관의 하강유속은 1m/sec 이상 되어야 하며 개시공기를 차단하고 하향관 공기량에 의해서 액체순환이 이루어질 때, 하향관의 유속은 최저 0.7m/sec 이상이어야 한다.
    - 산소전달특성
      깊은 수심을 갖는 초심층포기설비는 수중의 정수압에 의하여 산소의 분압을 증가시키므로 일반 산기식 포기설비보다 큰 산소전달능력을 나타낸다. 초심층포기설비는 일반 산기식 포기설비에 비하여 기포의 체류시간이 길어 산소용해효율이 높다. 산소 이용율면에서도 관내에 주입된 공기량이 적고 산소전달 능력이 크므로 6~8%의 범위를 갖는 일반 산기식 포기설비에 비해 높은 효율을 나타내며 순환액의 포화 용존산소 농도는 수심에 비례하여 증가되기 때문이다. 고농도 용존산소를 얻을 수 있다.

< 표 1 > 기존 포기방식과의 비교

포기방식	Deep shaft (초심층포기법)	Surface aeration	Fine-bubble aeration
Oxygen transfer rate(㎏-O2/㎥.hr)	2 ~ 3	0.1	0.1 ~ 0.2
Oxygen transfer efficiency(㎏-O2/㎾.hr)	3 ~ 4	1.8	1.5 ~ 3.6
Utilization of Oxygen (%)	60 ~ 80	5 ~ 15	6 ~ 8
Bubble contact period (sec)	120 ~ 180	15 ~ 30	10

      표1에서 초심층포기설비의 산소전달속도는 산기식이나 표면 포기식의 0.1~0.2㎏-O₂/㎥.hr보다 큰 2~3㎏-O₂/㎥.hr이며 기-액 접촉시간은 120~180초로서 약10초인 일반 포기설비에 비하여 10배 높다. 또 공급된 산소가 수중에 용해되어 이용되는 산소 이용율은 60~80%로서 표면 포기식의 5~15%에 비하여 매우 높다.

    - 활성슬러지법의 특성
      초심층 포기조를 생물학적 폐수처리 반응조로 활용하는 초심층포기 활성슬러지법은 포기조내 용존산소 농도가 높아 슬러지 플록 내부까지 완전 호기성상태를 형성하므로 포기조내 미생물농도 및 유기물 부하는 높게 유지시킬 수 있다.
      표2는 표준활성슬러지법과 순산소포기법 및 초심층포기법의 일반적인 처리방식을 비교한 것이다. 표2에서 초심층포기법의 유기물 부하는 표준활성슬러지법이나 순산소포기법에 비하여 5~8배 높게 운전 가능하다. 또 포기조의 부피는 약1/10, 포기조의 면적은 1/10 ~ 1/15 정도, 전체처리장의 소요면적은 표준활성슬러지법을 적용한 하·폐수처리장에 비하여 1/2로 감소시킬 수 있으므로 토지 이용율이 매우 높다.

< 표 2 > 기존 생물학적 처리법과의 비교

처리방식	BOD-SS  loading(㎏-BOD  /㎏-MLSS.day)	Volume of aeration tank (㎥/㎏-BOD)	Area of aeration tank (㎡/㎏-BOD)
기존활성오니법	0.2	1.0	0.2
순산소포기법	0.4	0.42	0.091
초심층포기법	1 ~ 2	0.08	0.006

      이 외에도 초심층포기설비는 소요 공기량이 작아 활성슬러지법과 같이 공기를 공급하기 위한 시설에서 발생되는 소음과 같이 2차 공해가 적으며 초심층포기설비의 상부는 소요면적이 작아 밀폐시킬 수 있으므로 냄새와 포기액의 비산이 발생되지 않는다. 또 초심층포기설비는 순환유량이 많고 하향관 유입부에서 폐수에 대한 순환액의 희석배율이 높아 부하변동에 매우 우수하며, 운전에 관계되는 인력도 매우 적게 소요된다.

3. 처리공정

a. 초심층 폭기조 + 진공 탈기조 + 중력 침전조

   가) 유입폐수는 일반적인 스크린과 침사지를 거친 후 연속적으로 반송슬러지와 함께 초심층포기조의 하강부로 유입된다.
   나) 압축공기가 초심층포기조 내의 혼합액의 순환과 동시에 폐수의 처리를 위해 필요한 산소를 공급하기 위해 상승부와 하강부에 pope를 통하여 주입된다.
   다) 하강부로부터, 포기된 혼합액이 상승부를 통하여 상향으로 흐른다. 순환은 air-lift 원리에 의해 이루어진다.
   라) 초심층포기조의 상부에 head tank가 설치되며 이는 공기 중의 사용된 gas(N₂, CO₃)를 대기중으로 방출하는 역할을 한다. 유입수와 동량의 혼합액이 head tank를 월류하여 침전조로 유입되기 전에 탈기조로 유입된다.
   마) 탈기조는 침전조에서 고/액 분리를 위해 슬러지 중의 gas를 제거한다.
   바) 고/액분리가 침전조에서 이루어진다.
   사) 반송슬러지가 침전조로부터 초심층포기조의 하강부로 이송된다.
   아) 잉여슬러지가 침전조로부터 슬러지 처리설비로 이송된다.
   자) 처리수가 침전조로부터 유역에 방류된다.

b. 초심층 포기조 + 기계식 탈기조 + 중력 침전조

c. 초심층 포기조 + 2단처리

d. 초심층 포기조 + 부상조

   가) 유입하수는 일반적으로 스크린과 침사지를 거친 후 연속적으로 반송슬러지와 함게 초심층포기조의 상승부로 유입된다.
   나) 압축공기가 초심층포기조 내의 혼합액의 순환과 동시에 하수의 처리를 위해 필요한 산소를 공급하기 위해 상승부와 하강부에 pipe를 통하여 주입된다.
   다) 포기된 혼합액이 상승부를 통하여 상향으로 흐른다. 순환은 air-lift 원리에 의해 이루어진다.
   라) 혼합액은 상승부에서 pipe를 통하여 하강부로 순환된다. 초심층의 상부에 head tank가 설치되며 이는 공기중의 사용된 gas를 대기 중으로 방출하는 역할을 한다. 유입수와 동량의 혼합액이 탈기조로 유입된다.
   마) 고/액 분리가 부상조에서 이루어진다.
   바) 반송슬러지가 중력으로 초심층 포기조의 상승부로 유입된다.
   사) 잉여슬러지가 부상조의 상부와 하부로부터 처리설비로 이송된다.
   아) 처리수가 부상조로부터 유역에 방류된다.