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활성슬러지법은 폐수중의 유기물을 제거할 목적으로 가장 많이 적용하고 있고, 가장 높은 처리효율을 갖고 있다. 하지만 이 활성슬러지법은 질소(N), 인(P)등의 무기영양염류가 제거되지 않는 단점을 갖고 있다. 처리수중에 이들 영양염류가 함유된 채로 하천으로 방류되면 식물성 플랑크톤의 이상 증식이 발생하여 BOD성분이 완전히 제거되어도 또다시 유기물이 합성되어 폐수처리의 의미가 상실되게 된다. 따라서 환경관련 법규에서는 총질소와 총인의 방류수 수질기준을 명시하여 배출을 규제하고 있으며 그 기준을 점차 강화해 나가고 있으며, 이에 대한 기술 개발도 계속되고 있다. a. 생물학적 질소 제거원리 질소의 제거는 미생물의 동화작용인 세포합성을 통해 세포구성요소의 하나로 일부의 질소가 제거되고, 폐수내의 암모니아와 유기질소등이 일정 조건하에서 질산성 질소와 아질산성 질소로 변화되는 질산화 과정을 거친후 무산소 상태에서 질소가스로 변화 배출됨으로써 질소화합물을 제거하는 과정인 탈질소화(Denitrification)에 의해 제거된다. b. 생물학적 인 제거원리 세포내의 인함량은 건조 무게비로 1.5 ~ 2% 정도가 되어 세포합성에 필요한 양만큼만 인이 제거되기 때문에 그 제거효율이 낮다. 하지만 혐기성상태에서 인을 방출하고 호기성 상태에서 방출한 인보다 더 많은 양을 과잉섭취하는 Luxury Uptake를 이용하여 인을 함유한 폐수가 혐기성을 거친 후 호기성 단계에서 인이 과잉섭취된 상태의 슬러지를 배출시킴으로써 높은 인 제거 효율을 얻을 수 있다. c. 생물학적 질소,인 동시 제거원리 상기의 두 원리를 근본적으로 이용하나 탈인 공정중 인방출(혐기성상태) 과정은 NO3-와 같은 물질들이 존재하면 비록 산소가 없는 상태라도 인의 방출이 방해를 받게 되므로 혐기성 조에서 인의 방출이 효율적으로 일어나도록 하기 위해 NO3-를 제거하는, 즉 탈질공정과의 적절한 배열을 통해 성공적인 생물학적 질소, 인 동시제거가 이루어질 수 있다. d. 생물학적 질소제거의 장점 첫째, 질화균과 탈질균의 생리작용을 합리적으로 조합하고 있다. 둘째, 처리의 최종형태가 질소가스(N2)로서 지구화학적인 물질순환에서 합리적이다. 또한 질소가스는 불활성이므로 사후처리가 필요없고 이차공해의 문제도 적다 셋째, 질산화를 진행시키는 슬럿지 부하조건이면 유기성 질소도 생물학적인 탈아미노 반응에 의해서 거의 NH3-N까지 분해되어 질산화가 이루어지므로 무기성 질소뿐 아니라 유기성 질소의 제거도 가능하다. 넷째, 처리수온이 13도로 비교적 낮아도 질소 제거 기능은 안정하다. 다섯째, 생물학적처리에 관한 기초지식이 있다면 누구라도 용이하게 운전할 수 있다. 또한 공정의 구성이 간단하고 기존 활성슬럿지 공정에 대한 개조가 쉽다. 여섯째, 종래의 이차처리에 비해서 유지관리비가 많지 않으며, 다소 높다 하더라도 질소제거 기능이 부가되어 있는 점을 고려할 때 허용되는 범위이다.
2. 이론적고찰 a. 생물학적 질소제거 생물학적 질소의 제거는 기본적으로 다음과 같은 3가지 형태의 Process로 구분할 수 있다. 가. 세포합성에 의한 질소의 제거 질소가 세포합성에 필수적인 요소이므로 생물학적 처리과정의 세포합성에 따라 세포구성에 필요한 양만큼 질소가 제거되며 F/M비의 변화에 따라 제거되는 BOD당 NH3-N가 제거되는 비율은 다음과 같다.
Y : Yield Coefficient (gVSS/gBOD) Xd : 분해가능한 MLVSS kd : Decay rate (gVSS/gVSSxday) 활성슬러지법만으로 처리할 때 질소제거 효율은 낮으나 BOD농도가 상대적으로 높은 폐수를 처리할 경우에는 단순한 세포합성에 의해 제거되는 양도 상당한 양이 될 수 있다. 나. 질산화(Nitrification) 질산화 공정에서는 폐수중 NH3-N 및 BOD 산화균의 이화대사작용에 의하여 유기성 질소에서 전환되는 NH3-N 가 호기성 상태에서 질산화균에 의하여 NO2-N(아질산성 질소), NO3-N(질산성 질소)로 산화된다. 아질산균(Nitrosomonas)와 질산균(Nitrobacter)는 탄산가스(CO2)를 유일한 영양소(탄소원)로 하여 세포합성을 하는 독립영양성 세균이다. 질산화의 과정은 다음과 같다.
상기 반응 결과 1kg NH3-N은 질산화 되기 위해 4.6kg의 산소가 필요하며 1단계 반응에서는 알칼리도가 제거되어 pH가 떨어진다. 다. 탈질(Denitrification) 질산화 공정에서 질산화 된 폐수를 용존산소가 없는 무산소 조건에 두고 탈질소균의 질산호흡 및 아질산 호흡을 이용해 NO2-N, NO3-N을 아래와 같은 반응경로에 따라 N2가스로 환원한다.
이들 반응식의 H2는 미생물 내의 호흡 효소계를 경유해서 수소공여체(기질)에서 얻어진다. 탈질소균의 대부분은 유기물을 수소공여체로 하며 탈질 반응은 유기물 분해 반응이기 때문에 탄소원이 필요하며 탄소원으로는 폐수자체의 유기물을 이용하거나 이것이 부족할 경우 메탄올을 외부탄소원으로 넣어주기도 한다. 그 진행과정은 다음과 같다.
NO2 및 NO3를 탈질시키기 위해서필요한 수소공여체로서의 유기물량은 계산으로 구할 수도 있지만 탈질균은 유기물을 호흡기질로서 뿐만 아니라 세포합성의 탄소원으로도 이용하므로 실제에는 계산치보다 30 ~40%정도 과잉의 유기물을 필요로한다. b. 생물학적 인 제거 폐수중에 유입되는 인의 형태는 Ortho-인산염, 유기인산염의 형태로 존재하며 이들은 용해성 인과 불용성 인으로 분류된다. 용해성 인은 미생물 성장에 필수영양소로 흡수되어 제거되나 그 제거량은 건조중량으로 1.5 ~ 2% 정도로 매우 적다. 그러나 혐기성 상태에서 호기성 상태로 변화를 시킬 경우 혐기성 상태에서 미생물이 방출한 인의 양보다 더 많은 양의 인을 호기성 상태에서 과잉섭취하기 때문에 이를 잉여슬러지로 폐기함으로써 생물학적으로 인을 제거할 수 있다.
3. 생물학적 탈질, 탈인 공정의 고려사항 a. 생물학적 탈질공정의 고려사항 가. 질산화 과정의 고려사항 ▷ 온도 : 질산화의 속도는 온도의 감소에 따라 비선형적으로 감소한다고 알려져 있다. 질산화의 최적온도는 30~35도로 알려져 있으나 이 값은 실제 하수처리시설에서 운전하기에는 높은 값이며 25도 일때는 30도일 경우에 비해 80%, 20도일 경우에는 60% 정도의 질산화가 이루어진다고 알려져 있다. 15도 부근을 경계로 온도가 낮아질수록 급격히 효율이 감소한다. ▷ 용존산소 : 질산화 박테리아의 성장속도는 용존산소와 밀접한 관계가 있으며, 질산화 속도에서 용존산소의 영향은 오랫동안 쟁점의 대상이 되어 왔다. 완전한 질산화를 위해서 필요한 용존산소의 농도는 도시하수와 같이 NH3-N의 농도가 낮은 경우 0.5mg/L이상이면 완전 질산화가 가능하다고 하였으며 최근에는 질산화에 대한 영향인자로서 용존산소의 상호 관련인자에 대한 세부적인 연구가 수행되었다. 질산화시설 설계에서 용존산소와 관련된 중요한 인자로는 부유미생물 공법에서는 SRT, 부착미생물공법에서는 확산계수가 있으며, 낮은 용존산소 농도에서도 완전 질산화를 위해서는 긴SRT와 높은 확산계수가 가장 중요하다. ▷ SRT : 생물학적 폐수처리시설에서는 통상 유기물이 풍부하여 종속영양 박테리아의 성장속도가 질산화 박테리아의 성장속도보다 크므로 MLSS농도를 적절히 유지하기 위하여 잉여슬럿지를 인발할 때 질산화 박테리아가 Washout되기 쉽다. 그러므로 폭기조에서 질산화 박테리아를 충분히 유지하기 위해서는 종속영양 박테리아의 성장속도보다 긴 SRT에서 운전해야 한다. 통상 SRT 7일 이상이 가장 전형적인 설계 및 운전범위로 보는 자료도 있다. ▷ pH : 생물학적 폐수처리시설에서 질산화 속도에 대한 pH의 영향은 적정 pH범위가 넓으나 pH 7이하의 산성일수록 질산화 속도가 감소되고 pH7 이상 pH 8.5 이하에서 질산화 속도는 증가된다. 이와 같은 경향은 미생물이 순응된 상태나 순응되지 않은 상태에서나 유사하다. 암모니아는 질산화 되는 과정에서 pH를 저하시키므로 일반적인 최적 pH는 8.4인 것으로 알려져 있으며, pH 7.8 ~ 8.9 에서는 pH 8.4 일때 질산화율의 90%정도, pH 7.0 이하와 9.8 이상의 범위에서는 50% 정도의 질산화만 일어나게 된다. 그러나 실제로 pH에 의한 직접적인 저해보다는 pH의 증가에 따라 생성되는 free암모니아나 pH감소에 따른 HNO3와 같은 물질에 의한 Nitrobacter의 활동 저해가 중요하다고 알려져 있다. 즉, Nitrobacter는 저온이거나 낮은 DO농도에서 그리고 NH3, HNO2에 의해 Nitrosomonas보다 더 큰 저해를 받는다고 보고 되었다. 이에 따라 NO2-N까지만 질산화가 이루어지는 불완전 질산화를 이룰 수 있는데, 일부 연구자들은 질산화를 이 부분 까지만 진행시키는 연구를 수행하기도 하였다. 결과적으로 이러한 불환전 질산화는 오히려 질산화에 필요한 DO의 양이나 탈질에 필요한 유기물량의 감소를 가져오는 장점도 있다. 일부 연구에 의하면 반응조의 pH를 7.2에서 6.4로 갑작스럽게 변화시켜도 질산화 속도는 감소되지 않았으나 7.2에서 5.8로 갑작스럽게 변화시켰을 때 질산화는 거의 일어나지 않았으며, 다시 7.2로 회복시켰을 때에는 질산화가 빠르게 회복되었다고 한다. 따라서 질산화 과정에서 낮은 pH는 방해를 일으키는 것이지 독성을 일으키는 것은 아님을 알 수 있다. ▷ 내부반송 : 질소제거 공정은 일반적으로 탈질조를 앞에, 질화조를 뒤에 두고 질화조에서 질화가 이루어진 폐수를 탈질조로 반송시키는데 이것은 별도의 외부탄소원의 공급없이 폐수중의 유기물을 탄소원으로 하여 탈질이 진행되도록 하기 위함이다. 이 때 내부반송비에 따라서 처리효율이 달라지게된다.
R : 반송비 (mixed liquor + 반송슬러지) (NH3-N)0 : 유입수의 암모니아 농도 (mg/L) (NH3-N)e : 유출수의 암모니아 농도 (mg/L) (NO3-N)e : 유출수의 Nitrate 농도 (mg/L) 나. 탈질소 과정의 고려사항 ▷ 용존산소 : 생물학적 탈질화를 위한 환경조건 중에서 용존산소의 농도는 결정적인 변수이다. 발표된 논문에 의하면 용존산소의 농도가 0.2mg/L 이상에서는 탈질반응에 방해를 받으며 0.13mg/L의 DO농도에서 탈질반응이 중지된 보고도 있다. 용존산소의 존재는 탈질화를 위한 효소체제를 억제하기 때문에 산소농도는 0에 가까운 것이 좋다. ▷ pH : 질산염에서 질소가스로 전환되는 가운데 알칼리도가 생성되며 그 결과 pH가 증가하게 된다. pH는 반응에 민감한데 pH 6.5에서 7.5사이에서 최적의 탈질화가 진행된다고 보고되고 있다. 또한 탈질화에 관여하는 미생물의 종류에 따라 다르지만 많은 연구가들은 pH7에서 최적 조건을 나타낼 수 있다고 보고하였다. 반응조 내의 pH 6 이하 또는 pH 8 이상에서는 70%의 효율저하를 나타낸다는 발표도 있다. ▷ 온도 : 질화반응에서의 온도의 영향은 다른 생물학적 공정과 비슷하며 0도에서 50도 범위에서 반응이 가능하다. 폐수처리시 일반적으로 5~30도의 범위에서 탈질공정이 이루어지며 최적반응 온도는 35 ~ 50도이다. 5 ~ 10도의 범위에서 반응율은 1.5 ~ 2.0/10℃ 정도를 나타내고 3도 정도의 수온에서는 탈질화 반응이 정지되는 것으로 보고되었다. b. 생물학적 탈인공정의 고려사항 인 제거 처리 공정에서 영향을 미치는 인자로는 유입폐수 특성, 처리공정 설계인자 그리고 운영방법 등이 관계된다. 이들 영향인자를 세분류하면 DO농도와 온도, 그리고 pH등과 같은 환경적인 요소, 고형물체류시간(SRT) 및 혐기, 호기성조 체류시간등의 설계변수, 유입폐수내의 성상과 질산성 질소농도 등이 있다. 이들의 영향을 살펴보면 다음과 같다. ▷ DO : 인제거에 관한 영향을 미치는 DO농도에 관한 연구는 미생물들이 인을 충분히 섭취할 수 있는 최소한의 농도인 2mg/L이상을 호기성조에서 유지시켜주고, 인의 방출단계인 혐기성조에서는 DO농도가 존재하지 않는 조건을 조성해 주어야 한다. ▷ 온도 : 생물학적 인 제거시 온도 형향에 관한 연구결과에 의하면 5℃에서 제거된 인의 총량은 15℃에서 제거된 것보다 40% 많다고 보고하였다. 이는 호냉성 박테리아들이 저온에서 더 많은 세포를 생산하므로서 인의 제거 기전에 관여하기 때문이다. 이는 Viconneau(1985)등의 Pilot연구에서도 같은 결과가 보고된 바 있다. 이외에도 Shapiro(1967)등도 온도를 10℃에서 30℃까지 증가시키면서 실험한 활성슬러지의 인제거 효율이 저온에서 더 효율적이라는 보고를 한 바 있다. ▷ pH : pH의 효과에 대한 연구결과에서는 pH가 7.5에서 8.0 사이일 때 인 제거 효율이 가장 높았다. Groenestijn 과 Deineman(1985)에 의한 Acinetobacter의 순수배양 연구에서 최대 성장율이 pH 7.0과 pH 8.5을 비교하였을 때 pH 8,5에서의 최대 성장율이 pH 7.0에 비해 42%정도 증가하는 것으로 타나났다. 또한 Tracy와 Flammino(1985)는 호기성 상태에서 인의 섭취에 관한 pH의 효과를 연구했는데 pH 6.5이하에서는 인의 섭취가 꾸준하게 감소하고 pH 5.2 아래도 떨어지면 미생물의 인섭취 활성도가 상실된다고 하였다. ▷ SRT : 생물학적 인 제거 공정의 중요한 설계 인자는 SRT, 혐기성 체류시간 그리고 호기성 체류시간이다. 인 제거를 위한 SRT는 짧을수록 잉여슬러지를 통한 인의 제거 효율을 증진시킬 수 있다. 그러나 인 제거 이외에 유기물 제거, 질산화와 탈질소화를 고려할 때 적절한 SRT가 요구된다. Fukase(1982)등은 Anaerobic-aerobic pilot 공정에서 SRT가 4.3에서 8.0 으로 변함에 따라 BOD/P율이 19로부터 26으로 증가한 반면 같은 조건에서 활성슬러지의 인 성분은 5.4%에서 3.7%로 감소한다고 보고 한 바 있다. Comeau(1989)는 유기물 저장율이 증가함에 따라서 호기성조에서 미생물의 인 섭취가 증가한다고 하였다. 그는 실험에서 10 ~ 30 mgP/hr-L로 변하는 인 섭취율을 관찰했다고 보고하였는데 용존성 인의 방출 수준이 혐기성 상태에서 20 ~ 40 mgP/L이기 때문에 1 ~ 2시간 정도로 호기성 체류시간이 너무 길 경우 인 제거에 문제가 발생한다고 발표하였다. 따라서 처리공정의 선정에 따라서 인 제거를 위한 적정 SRT를 선정해야 하며 아울러 혐기성 체류시간 및 호기성 체류시간을 적절히 조합해야 한다.
4. 처리공정도 a. 기본적 탈질공정
b. 기본적 탈인공정
c. 기본적 탈질, 탈인공정
e. 탈질, 탈인 공정의 변법 - A/O Process (탈인)
- A2/O Process (탈질, 탈인)
- Bardenpho Process (탈질,탈인)
- Modified Bardenpho Process (탈질,탈인)
- UCT Process (탈질, 탈인)
- 변형된 UCT Process(탈질, 탈인)
- VIP Process (탈질, 탈인)
- SBR 공정(탈질, 탈인)
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