침전지(Clarifier) 설계 완벽 가이드종류별 특징부터 유속에 따른 크기 산정까지

1. 침전지란 무엇인가?

침전지(Clarifier)는 물속의 고형물(Suspended Solids, SS)을 중력 침강을 이용해 분리하는 구조물로, 정수처리장이나 하수처리장에서 매우 중요한 단위 공정입니다. 탁도를 낮추고 수처리 공정의 효율을 높이기 위해 필수적으로 사용됩니다.

침전지는 원수를 유입하여, 수면 하부로 침전된 고형물을 슬러지로 모으고, 상부의 비교적 맑은 물은 넘침구(Weir)를 통해 배출되도록 설계됩니다.

2. 침전지의 주요 기능

• 고형물 침강: 중력에 의해 고형물이 하강하여 바닥으로 모임
• 수질 정화: 탁도(Turbidity), BOD, TSS 등의 농도 감소
• 슬러지 저장: 바닥에 모인 슬러지를 모아 처리
• 유량 완충: 급격한 유량 변화를 흡수하고 균일한 처리 보장

3. 침전지의 종류별 특징

침전지는 형상과 흐름 방식에 따라 크게 아래와 같이 구분됩니다.

 

3-1. 직사각형 침전지 (Rectangular Clarifier)

• 형태: 길고 직선적인 형태, 유속이 한 방향으로 흐름
• 적용처: 대규모 하수처리장, 산업폐수처리 시설 등
• 특징:
  • 유속이 균일하게 유지되어 침강 효율이 좋음
  • 유지보수가 용이하며, 슬러지 배출 시스템이 단순
  • 유입부와 유출부의 설계가 매우 중요함 (정체 구간 방지)
• 단점: 넓은 부지 필요, 초기 설치비용 상대적으로 큼

 

3-2. 원형 침전지 (Circular Clarifier)

• 형태: 중심부로 유입, 가장자리로 유출되는 원형 구조
• 적용처: 상수도 정수장, 슬러지 처리 시스템
• 특징:
  • 흐름이 중심에서 외곽으로 분산되어 침강이 안정적
  • 중앙에 슬러지 수거기(스크레이퍼) 설치 가능
  • 공간 효율이 좋으며, 대형 구조물로 확장 용이
• 단점: 회전기구 유지보수 필요, 중심 구조물 설치비용 있음

 

3-3. 상향류 침전지 (Upflow Clarifier)

• 형태: 하부에서 상부로 물이 흐르며 고형물이 침전
• 적용처: 고효율 소규모 정수 시스템
• 특징:
  • 비교적 작은 부지에도 설치 가능
  • Lamella Plate(경사판)와 결합해 고속침강 가능
  • 유지보수가 복잡할 수 있음

 

3-4. 무기물 전용 침전지 (Grit Chamber, 전처리용)

• 형태: 유입 초기 고속 유속 유지하며 모래, 자갈 침전
• 적용처: 하수처리장 전단
• 특징:
  • 비중이 큰 무기물 제거
  • 하류 펌프 및 설비 보호
  • 일반 SS 침강보다는 입자 크기 중심 설계

 

4. 침전지 설계의 핵심 인자

설계 시 반드시 고려해야 하는 주요 요소는 다음과 같습니다.

 

4-1. 표면부하율(Surface Loading Rate, SLR)

• 단위: m³/m²·day 또는 gpd/ft²
• 의미: 하루 동안 단위 면적에 유입되는 물의 양
• 일반 범위:
  • 15~30 m³/m²·day (하수처리용)
  • 5~15 m³/m²·day (정수처리용)

SLR 계산식:
SLR = Q / A
(Q: 유입 유량 [m³/day], A: 침전지 표면 면적 [m²])

 

4-2. 유입 유속(Velocity)

• 너무 빠르면 고형물이 침강하지 못함
• 일반 유속 기준: 0.3~0.5 m/min
• 직사각형 침전지에서는 체류시간 및 길이 결정의 기준

 

4-3. 체류시간(Retention Time)

• 단위: hr
• 일반적인 기준:
  • 하수: 2~4시간
  • 정수: 4~8시간

 

4-4. 슬러지 수거 방식

• 스크레이퍼(원형형)
• 체인 컨베이어(장방향형)
• 에어 리프트
• 진공 펌프 방식 등

 

5. 침전지 크기 산정 예시

다음은 직사각형 침전지를 기준으로 설계하는 방식입니다.

📌 예시 조건

• 일 유입 유량(Q) = 5,000 m³/day
• 표면부하율(SLR) = 25 m³/m²·day

필요 표면적 A = Q / SLR = 5000 / 25 = 200 m²

• 침전지 폭 = 5 m
• 길이 = 40 m → 총 면적: 5 x 40 = 200 m²
• 깊이(체류시간 기준) =
  Q / (길이 × 폭 × 체류시간)
  = 5,000 / (40 × 5 × 24) = 약 1.04 m → 안전계수 포함 2~3 m 적용

 

6. 슬러지 수거 및 유출구 설계

• 바닥 경사: 슬러지가 자연스럽게 중앙 혹은 말단으로 이동
• 수거기계: 회전식 암, 체인스크레이퍼
• 유출구(Weir): 균등한 유출 위해 평형 및 Overflow 조정 필수

 

7. 고도처리를 위한 부가 설계

• Lamella Plate (경사판) 설치: 침강 면적을 증가시켜 고속처리
• 응집제 투입구: 침전 전에 Al, PAC, FeCl₃ 등 주입
• 방류수 모니터링 설비: 탁도 센서, 유량계 등 연계 필요

 

8. 침전지의 유지관리 항목

• 일일 점검: 슬러지 잔량, 유입 유량, 유출 탁도
• 정기 청소: 슬러지 농축조 연결부, 벽면 이끼 등
• 설비 유지보수: 회전부 윤활, 체인 교체, 센서 교정
• 겨울철 대비: 동결 방지, 히터 보온, 배관 절연

 

9. 침전지 설계 시 유의사항

• 불균일 유입 방지: 유입 확산판 설계
• 교란 방지: 유입구 turbulence 최소화
• 유지보수 동선 고려: 슬러지 수거 동선, 맨홀 위치 등
• 응집/침강 효율 고려: 전처리시설과 연계 설계

 

10. 실제 적용 사례

① 대규모 하수처리장

• 직사각형 침전지 다수 설치
• SLR 기준으로 크기 분할 설계
• 자동 슬러지 수거 시스템 적용

② 상수도 정수장

• 원형 침전지
• Lamella Plate 적용하여 설치 면적 최소화
• 정밀 제어 센서로 탁도 모니터링

 

11. 침전지와 관련된 법적 기준 및 규정

• 하수도법: 공공하수처리시설의 설계 기준
• 환경부 수처리 기술 기준: 표준 처리공정 및 침전지 적용 조건
• 국가하수도 통합 DB: 침전지 유형 및 사례 제공

 

12. 결론: 침전지는 단순한 물탱크가 아니다

침전지는 물리적인 구조물인 동시에 수처리 효율을 결정짓는 핵심 설비입니다. 유속, 표면부하율, 슬러지 수거 방식 등 다양한 요소들이 설계에 영향을 미치며, 형태별 장단점을 이해하고 정확한 수치 계산을 기반으로 설계해야 합니다. 더 나아가 최신 기술과 접목해 슬러지 재활용, 에너지 절감 등의 확장성도 고려하는 것이 현대 침전지 설계의 방향입니다.