폐수 처리용 MLVSS 계산기

혼합액 휘발성 부유 고형물(MLVSS)은 활성 슬러지 폭기조에 있는 부유 고형물 중 유기성이며 생분해 가능한 부분입니다. 이는 폐수를 처리하는 활성 미생물의 양을 대신 나타내는 측정값으로 사용됩니다. 이 계산기는 VSS 백분율법 또는 FSS(고정 부유 고형물)법을 사용해 실험실 데이터로부터 MLVSS를 계산합니다.

MLVSS란?

활성 슬러지 공정을 사용하는 폐수 처리장은 미생물을 이용해 유기 오염 물질을 분해합니다. 폭기조 안의 물, 미생물 및 고형물의 혼합물을 혼합액이라고 합니다. 이 혼합물의 부유 고형물 중 일부는 유기 물질이며, 대부분 살아 있거나 죽은 미생물입니다. 이 유기성 분율을 휘발성 부유 고형물이라고 하며, 혼합액에서 측정할 때는 MLVSS라고 합니다.

부유 고형물의 나머지는 침사, 모래, 광물과 같은 무기 물질입니다. 이 무기성 분율을 고정 부유 고형물(FSS)이라고 하며, 혼합액에서 측정할 때는 MLFSS라고 합니다. 가열해도 연소되어 제거되지 않기 때문입니다. MLVSS와 MLFSS를 합한 것이 혼합액 부유 고형물(MLSS)이며, 이는 조 내 부유 고형물의 총 농도입니다.

$\text{MLSS} = \text{MLVSS} + \text{MLFSS}$

운전자는 처리 작업을 수행하는 생물학적 인력의 규모를 근사적으로 나타내기 때문에 MLVSS를 추적합니다. 일반적으로 안정적인 MLVSS 수준은 안정적이고 예측 가능한 처리를 의미합니다. 갑작스러운 감소는 독성 유입수, 과도한 잉여 슬러지 인발 또는 폭풍으로 인해 조의 생물량이 씻겨 나가는 상황을 나타낼 수 있습니다.

MLVSS 계산 방법

MLVSS를 계산하는 일반적인 방법은 두 가지이며, 실험실 측정값이 정확하다면 두 방법 모두 같은 결과를 내야 합니다.

VSS 백분율법

일부 실험실은 VSS를 TSS(총 부유 고형물)의 백분율로 보고합니다. 이 경우:

$\text{MLVSS} = \text{TSS} \times \frac{\text{VSS\%}}{100}$

• MLVSS = 혼합액 휘발성 부유 고형물 (mg/L)
• TSS = 총 부유 고형물 (mg/L)
• VSS% = 휘발성인 부유 고형물의 비율. 일반적인 활성 슬러지 시스템에서는 보통 65–85%입니다.

FSS법

다른 실험실은 고정된 무기성 분율을 직접 보고합니다. 이 경우 MLVSS는 뺄셈으로 구합니다.

$\text{MLVSS} = \text{TSS} - \text{FSS}$

VSS와 FSS의 합은 항상 TSS이므로, 기본 측정값이 일치하면 이 식은 백분율법과 같은 결과를 냅니다. 동일한 시료에 대해 두 방법의 결과가 눈에 띄게 다르면 실험실 데이터나 시료 취급 과정을 확인해야 합니다.

풀이 예시

예 1: VSS 백분율법. 운전자가 폭기조의 TSS를 3,500 mg/L로 측정했고 VSS 백분율은 75%였습니다.

$\text{MLVSS} = 3{,}500 \times \frac{75}{100} = 2{,}625 \text{ mg/L}$

예 2: FSS법. 같은 조를 직접 측정한 결과 TSS는 3,500 mg/L이고 FSS는 875 mg/L였습니다.

$\text{MLVSS} = 3{,}500 - 875 = 2{,}625 \text{ mg/L}$

예상대로 두 방법의 결과는 일치합니다. FSS 875 mg/L가 TSS 3,500 mg/L의 정확히 25%이기 때문입니다.

이 계산기 사용 방법

1. 총 부유 고형물(TSS) 값을 mg/L 단위로 입력합니다.
2. 계산 방법을 선택합니다. “VSS 백분율 사용” 또는 “고정 부유 고형물(FSS) 사용”을 선택합니다.
3. 두 번째 값을 입력합니다. VSS 백분율(0-100%) 또는 mg/L 단위의 FSS 값입니다.
4. 식과 사용된 숫자가 함께 표시된 MLVSS 결과를 mg/L 단위로 확인합니다.

계산기는 TSS가 영 이상인지, VSS 백분율이 0에서 100 사이인지, FSS가 TSS를 초과하지 않는지 확인합니다. FSS는 TSS의 일부이기 때문입니다. 확인에 실패하면 수정할 사항을 설명하는 메시지가 표시됩니다.

MLVSS/MLSS 비

일반적인 활성 슬러지 처리장에서 MLVSS/MLSS 비는 대개 0.65에서 0.85 사이이며, 이는 부유 고형물의 65–85%가 유기성임을 뜻합니다. 비가 이 범위 아래로 계속 낮아지면 불활성 고형물이 축적되거나 산업 배출원에서 무기 물질이 추가로 유입되고 있음을 나타낼 수 있습니다. 범위 상한에 가까운 비는 대개 생물량이 대부분 유기성이며 활성이 높다는 뜻입니다.

공정 제어에서 MLVSS가 중요한 이유

MLVSS는 운전자가 매일 사용하는 여러 계산에 활용됩니다.

• 먹이/미생물(F/M)비: 유입되는 유기물 부하와 이를 처리할 수 있는 생물량을 비교합니다.
• 고형물 체류 시간(SRT), 즉 슬러지 일령: 생물량이 시스템에 머무는 시간으로, 처리 안정성과 암모니아 제거 능력(질산화)에 영향을 줍니다.
• 슬러지 발생량: 생물량이 많을수록 일반적으로 인발 및 처분해야 할 슬러지도 많아집니다.
• 산소 요구량: 생물량은 활동을 위해 산소가 필요하므로 폭기 에너지 사용량은 대략 MLVSS에 비례합니다.

MLVSS의 표준 실험실 방법은 Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater(방법 2540E)와 EPA 방법 160.4에 설명되어 있습니다.

F/M 비 계산 방법

$\text{F/M 비} = \frac{\text{유입 BOD 부하 (kg/day)}}{\text{조 내 MLVSS 질량 (kg)}}$

예. 한 처리장에 다음과 같은 값이 있습니다.

• 유입 유량 = 10,000 m³/day
• 유입 BOD = 250 mg/L
• 폭기조 용적 = 2,000 m³
• MLVSS = 2,500 mg/L

m³/day로 측정한 유량에서 1 mg/L는 하루 질량 1그램과 같으므로, kg/day 단위의 부하는 1,000으로 곱한 뒤 나누어 구합니다.

• 유입 BOD 부하 = 10,000 m³/day × 250 mg/L ÷ 1,000 = 2,500 kg/day
• MLVSS 질량 = 2,000 m³ × 2,500 mg/L ÷ 1,000 = 5,000 kg
• F/M 비 = 2,500 kg/day ÷ 5,000 kg = 0.5/day

일반적인 활성 슬러지 처리장은 보통 F/M 비 0.2에서 0.6/day로 운전됩니다. 비가 너무 높으면 사상균 벌킹이 발생할 수 있으며, 이때 실 모양의 세균으로 인해 슬러지의 침전성이 나빠집니다. 비가 너무 낮으면 섭취할 먹이가 거의 남지 않은 생물량을 폭기하는 데 에너지가 낭비됩니다.

일반적인 운전 범위

발표된 설계 표는 휘발성 부분이 아니라 총 고형물 농도(MLSS)를 제시합니다. MLVSS는 이 값의 휘발성 분율이므로 각 범위의 대략 65–85%에 해당합니다.

막 생물반응조는 침전지에서 중력 침전에 의존하지 않고 막으로 고형물을 분리하므로 훨씬 높은 고형물 농도로 운전할 수 있습니다.

실험실에서 MLVSS를 측정하는 방법

표준 절차에는 두 단계의 가열 과정이 있습니다.

1. TSS 단계. 일정량의 혼합액을 미리 무게를 잰 유리섬유 여과지로 여과하고, 103–105°C에서 최소 한 시간 건조한 뒤 냉각하여 무게를 잽니다. 증가한 무게가 TSS이며, 시료가 혼합액이면 MLSS입니다.
2. 강열 단계. 같은 여과지를 550 °C의 회화로에서 15–20분 동안 가열합니다. 유기 물질은 연소되어 제거되고 무기성 회분만 남습니다. 여과지를 다시 냉각하고 무게를 잽니다.
3. 결과. 강열 중 손실된 무게가 휘발성 유기성 분율이며, 이것이 MLVSS입니다.

회화로 온도는 중요합니다. Standard Methods는 강열 단계를 허용 오차 50 °C로 550 °C에서 수행하도록 정합니다. 온도가 더 높으면 탄산마그네슘과 같은 무기 탄산염이 분해되기 시작하여 측정된 중량 손실에 더해지고, 휘발성 값이 실제보다 높게 나옵니다. 온도가 더 낮으면 유기 물질이 완전히 연소되지 않을 수 있습니다.

MLVSS의 대안

MLVSS는 간단하고 신뢰할 수 있어 널리 사용되지만, 다른 방법은 생물량을 더 구체적으로 측정합니다.

• **ATP(아데노신 삼인산)**는 살아 있는 세포에만 존재하는 분자를 측정하므로 죽은 물질을 제외하고 활성 생물량을 계산합니다. 전용 분석기가 필요합니다.
• 호흡률 측정법은 생물량이 산소를 소비하는 속도를 측정하여 생물학적 활성을 직접 보여 줍니다. 유입수가 생물량에 독성이 있는지 검사하는 데 유용합니다.
• **DNA 정량 및 FISH(형광 제자리 부합법)**는 특정 미생물을 식별하고 계수합니다. 주로 연구 도구로 사용되며, 사상균 벌킹의 원인을 추적하는 데 유용합니다.

이러한 방법은 더 많은 정보를 제공하지만 비용과 시간이 더 많이 들기 때문에 MLVSS가 일상적인 공정 제어의 표준으로 남아 있습니다.

자주 묻는 질문

MLSS와 MLVSS의 차이는 무엇인가? MLSS는 폭기조 내 유기 물질과 무기 물질을 모두 포함한 총 부유 고형물입니다. MLVSS는 그중 유기성 부분만을 뜻합니다. MLSS는 MLVSS와 MLFSS(혼합액 고정 부유 고형물)의 합입니다.

일반적인 MLVSS/MLSS 비는 얼마인가? 일반적인 활성 슬러지 처리장에서는 보통 0.65에서 0.85(65-85%)입니다. 비가 낮을수록 혼합물에 무기 물질이 더 많다는 뜻입니다.

MLVSS는 F/M 비에 어떤 영향을 미치는가? MLVSS는 F/M 비의 분모입니다. 유기물 부하가 같을 때 MLVSS가 높으면 F/M 비는 낮아집니다. MLVSS가 낮으면 F/M 비가 높아지며, 그 값이 지나치게 높아질 경우 침전성이 나쁜 사상균의 증식을 촉진할 수 있습니다.

MLVSS가 갑자기 감소하는 원인은 무엇인가? 일반적인 원인으로는 과도한 잉여 슬러지 인발, 유입수의 독성 물질로 인한 생물량 사멸, 폭우로 인한 생물량 유출, 그리고 휴일과 같이 부하가 적은 기간의 낮은 먹이 공급량이 있습니다.

MLVSS가 지나치게 높을 수 있는가? 그렇습니다. MLVSS가 높으면 산소 요구량과 그에 따른 폭기 에너지 비용이 증가하고, 이차 침전지에 고형물이 과부하될 수 있으며, 조밀한 플록 입자 중심부로 산소가 도달하는 것이 제한될 수 있습니다.

시료 채취 후 얼마나 빨리 MLVSS를 측정해야 하는가? Standard Methods는 고형물을 보존할 수 없으므로 가능한 한 빨리 측정을 시작하도록 합니다. 시료는 4 °C에서 냉장 보관하고, 가급적 24시간을 넘기지 않으며, 절대로 7일을 넘겨서는 안 됩니다.

참고 문헌

1. Water Environment Federation. Operation of Water Resource Recovery Facilities, 7판. McGraw-Hill Education, 2018.
2. Metcalf & Eddy. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, 5판. McGraw-Hill Education, 2014.
3. American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 23판, 2017.
4. 미국 환경보호청. 폐수 처리 기술 자료표: 활성 슬러지 공정. EPA 832-F-00-016.