1. 생물학적 정화의 출발점
하수처리의 역사에서 활성슬러지법(Activated Sludge Process)은 단순한 기술이 아니라,
“자연의 자정 능력을 인공적으로 재현한 공정”으로 평가됩니다.
1914년 영국의 아디(Ardern)와 로켓(Lockett)이 처음으로 미생물을 이용한 하수 정화 실험을 성공시킨 이후,
이 기술은 전 세계 하수처리의 표준이 되었고 오늘날에도 2차 처리(Secondary Treatment)의 중심으로 사용되고 있습니다.
활성슬러지법은 하수 속 유기물을 미생물의 대사 작용으로 제거하는 생물학적 처리법입니다.
하수 속의 오염물질을 미생물이 먹이로 삼아 성장·분해시키며, 그 과정에서 깨끗한 물과 안정된 슬러지를 만들어내는 원리입니다.
2. 활성슬러지법의 정의
2.1 공식 정의
“활성슬러지법은 공기(또는 산소)를 공급받은 미생물 군집이 하수 속 유기물질을 산화·분해하여 정화수를 생산하고,
이때 생성된 미생물 덩어리(슬러지)를 일부 재순환시켜 처리효율을 유지하는 생물학적 하수처리 공정이다.”
미생물(세균, 원생동물, 후생동물 등)이 하수 속 유기물을 ‘먹고 성장하며 분해하는 생명반응’을 인공적으로 제어하는 것입니다.
3. 활성슬러지의 개념
3.1 정의
‘활성슬러지(Activated Sludge)’란,
하수 속의 유기물을 분해하는 미생물 군집이 응집된 형태의 슬러지(Floc)를 의미합니다.
이 슬러지는 단순한 오염물이 아니라 살아 있는 생물막 생태계입니다.
3.2 구성 성분
활성슬러지는 다음과 같은 구성으로 이루어집니다.
| 구성 요소 | 비율(%) | 기능 |
| 세균(Bacteria) | 60~70 | 유기물 분해의 주체 |
| 원생동물(Protozoa) | 10~20 | 박테리아 조절, 탁도 개선 |
| 후생동물(Metazoa) | 1~5 | 미세입자 포식 |
| 무기물(Inorganic) | 10~20 | 슬러지 구조 형성 |
이들은 산소, 유기물, 영양염류(N, P)가 균형을 이룰 때 최적의 활성을 보입니다.
4. 활성슬러지법의 기본 공정 흐름
4.1 전체 흐름도
하수 유입 → 1차 침전지 → 폭기조(Aeration Tank) → 2차 침전지 → 방류 ↑ 반송슬러지(RAS)
4.2 각 단계별 역할
- 1차 침전지: 고형물, 모래, 협잡물 제거
- 폭기조(Aeration Tank): 공기를 주입하여 미생물이 유기물을 분해
- 2차 침전지: 활성슬러지를 침전시켜 상등수를 분리
- 슬러지 반송: 일부 슬러지를 다시 폭기조로 반송하여 미생물 농도 유지
- 잉여슬러지 인발: 과잉 성장한 슬러지를 배출하여 시스템 안정화
5. 활성슬러지법의 주요 반응 원리
5.1 유기물 산화 (Organic Matter Oxidation)
하수 속의 유기물은 미생물에 의해 다음과 같이 산화됩니다.
미생물이 하수의 유기물을 ‘먹고’ 호흡하면서 에너지를 얻고, 일부는 자신의 세포로 전환합니다.
이 과정에서 하수의 BOD, COD가 크게 감소합니다.
5.2 질산화 (Nitrification)
하수에는 암모니아성 질소(NH₄⁺)가 포함되어 있으며 이는 두 종류의 세균에 의해 산화됩니다.
- Nitrosomonas:
NH₄⁺ → NO₂⁻ + 2H⁺ + H₂O - Nitrobacter:
NO₂⁻ → NO₃⁻
결과적으로 질소는 질산염(NO₃⁻) 형태로 전환되며, 이는 이후 탈질공정에서 제거됩니다.
5.3 탈질 (Denitrification)
무산소 조건(Anoxic)에서 탈질균은 질산염을 산소 대체원으로 사용해 유기물을 분해합니다.
이 반응을 통해 질산염이 질소가스로 환원되어 대기로 방출됩니다.
결과적으로 총질소(TN)가 감소합니다.
6. 미생물 반응의 단계별 과정
| 단계 | 반응 형태 | 주요 역할 |
| ① 흡착 단계 | 유기물이 슬러지 표면에 흡착 | 미생물 먹이 준비 |
| ② 산화 단계 | 유기물 산화 및 에너지 생성 | BOD 제거 |
| ③ 성장 단계 | 미생물 증식 | MLSS 증가 |
| ④ 내생호흡 단계 | 먹이가 부족해 세포물질 분해 | 안정화 과정 |
| ⑤ 슬러지 침전 | Floc이 중력으로 침전 | 상등수 분리 |
이 5단계 순환이 지속적으로 반복되며, 처리효율이 유지됩니다.
7. 폭기(Aeration)의 중요성
7.1 목적
- 미생물의 호흡에 필요한 산소 공급
- 혼합 및 교반으로 미생물과 하수의 접촉면 확대
- 슬러지 응집 방지
7.2 방식
| 구분 | 장치 | 특징 |
| 기계식 폭기 | 표면교반기, 터빈 | 대형조, 산소공급 + 교반 |
| 산기관 폭기 | 미세기포 산기관 | 효율적 산소 전달 (OTE 높음) |
| 순산소 폭기 | 순산소 공급 | 부하 높은 산업폐수용 |
산소전달효율(OTE)은 미세기포 폭기에서 약 25~30%, 기계식은 15~20% 수준입니다.
8. 운전 및 제어 인자
활성슬러지법의 성능은 다음 지표들로 관리됩니다.
| 항목 | 단위 | 일반 범위 | 설명 |
| DO (용존산소) | mg/L | 1.5~2.5 | 산소 부족 시 탈질·벌킹 유발 |
| MLSS (혼합액부유물질) | mg/L | 2,000~4,000 | 미생물 농도 |
| F/M (부하율) | kg BOD/kg MLSS·day | 0.1~0.4 | 먹이 대비 미생물 비율 |
| SVI (슬러지침강지수) | mL/g | 80~150 | 침전성 평가 |
| θc (슬러지체류시간) | day | 3~10 | 미생물 성장조절 기준 |
이 값들은 SCADA(감시제어시스템) 또는 PLC를 통해 자동 제어되며,
슬러지 인발율, 폭기량, 반송율을 실시간 조정합니다.
9. 활성슬러지의 종류
9.1 표준 활성슬러지법 (Conventional Type)
가장 일반적인 방식으로, 하수처리장 대부분이 이 형태를 사용합니다.
- 장점: 안정적, 고효율
- 단점: 에너지 소모 큼, 슬러지 발생 많음
9.2 완전혼합형 (Completely Mixed Type)
유입이 전체 폭기조에 고르게 확산됨.
- 부하 변동에 강함
- 슬러지 성장 균일
9.3 단계식 (Step Feed Type)
하수를 여러 지점에서 분산 유입시켜 산소 이용 효율 향상.
- 대형처리장 적용
- 폭기 효율 높음
9.4 접촉산화형 (Contact Oxidation Type)
고정상 매체에 미생물 부착 → 접촉면적 증가.
- 유지관리 용이, 소규모 시설 적합
9.5 SBR (Sequencing Batch Reactor)
하나의 반응조에서 주기적 단계(Fill, React, Settle, Draw) 반복.
- 별도 침전지 불필요, 자동화 용이
10. 슬러지 순환 및 처리
활성슬러지 시스템에서는 슬러지의 순환이 매우 중요합니다.
- 반송슬러지(RAS): 2차 침전지에서 가라앉은 슬러지를 다시 폭기조로 보내 미생물 농도 유지.
- 일반 비율: 유입유량 대비 30~50%
- 잉여슬러지(WAS): 과잉 성장한 미생물을 제거.
- 인발주기: 4~6시간
- 슬러지처리계통: 농축 → 탈수 → 혐기소화(바이오가스 생산) → 건조 또는 매립
11. 활성슬러지의 미생물학적 측면
활성슬러지는 생태계 형태의 미세세계입니다.
| 미생물군 | 기능 | 특성 |
| 이종영양세균 | 유기물 분해 | 폭기조 핵심 미생물 |
| 질산화균 | NH₄⁺ → NO₃⁻ 산화 | 느린 성장, 산소필요 |
| 탈질균 | NO₃⁻ → N₂ 환원 | 무산소 환경 |
| 원생동물 | 박테리아 포식, 수질 안정화 | Ciliates, Flagellates |
| 후생동물 | 슬러지 구조 안정화 | Rotifers, Nematodes |
적절한 미생물 균형이 유지될 때 슬러지 침전성이 좋아지고,
방류수의 SS와 탁도도 안정적으로 유지됩니다.
12. 살아 있는 정화 시스템
활성슬러지법은 단순한 기술이 아니라 생명공학적 정화 시스템입니다.
하수 속 유기물은 미생물의 에너지원이 되고 미생물의 생명활동은 인간에게 깨끗한 물을 돌려줍니다.
이 기술의 본질은 “하수를 생명으로 정화한다는 철학”입니다.
그 철학은 오늘날에도 AI·IoT·에너지기술과 융합되며 지속가능한 물 순환 사회의 중심 기술로 진화하고 있습니다.