a. 개요
    덴마크의 Kruger사가 하수 및 폐수처리를 위해 S.B.R과 재래식 산화구기법을 도입, 영양염류를 생물학적으로 제거할 수 있도록 개발한 탈인 및 탈질공정이다.

b. 원리
    P.I.D 산화구공법의 주공정은 유기물질, 질소, 인을 제거하기 위한 시설이며, 특징은 질소 및 인제거를 위한 추가시설 없이 동일 산화구내에서 Anoxic과 Oxic상을 병행함으로써 질산화 및 탈질이 완료된다. 산화구의 Oxic상에서는 인의 흡수 및 유기물질과 질소화 산화, 분해가 진행되고 Anoxic상에서는 환원에 의한 질산염의 탈질이 진행된다. 산화구 상부에 설치된 횡축표면 포기장치인 로터는 Oxic상에서 필요한 산소를 공급하고 하부에 설치된 믹서는 Anoxic상 가동시 산소공급을 중단하기 위해 로터가 멈출 때 혼합액의 플록 침전을 막기위해 가동된다. 생물학적 반응기에 필요한 포기기 수량은 폐수의 성상에 따라 달라진다.
    유입수의 유기물질 부하량, 온도변화, 유출수 농도 등이 포기기에 의해 공급되어야 하는 총산소 요구량을 결정하고 이에 의해 포기기 용량 및 수량이 결정되며, 프로그램으로 정해진 최저, 최고 용존산소 농도가 PLC(Programmable-Logic Controller)에 입력되어 가동된다.
    산화구의 처리수는 항상 호기성조에서 방류되며 가동주기의 수심모드에 따른 웨어조정에 의해 유출라인이 조절된다.
    P.I.D 산화구법의 설계제원은 다음과 같다.

< P.I.D 산화구법의 일반적인 설계제원 >

항  목	단  위	제  원
BOD-SS 부하	㎏-BOD/㎏-MLSS·일	0.04 ~ 0.06
MLSS	㎎/ℓ	3,000 ~ 5,000
반송비	%	85 ~ 150 (탈인율에 따라 조정)
SRT	일	12 ~ 18
슬러지 생산량	㎏-SS/㎏-BOD	0.85 ~ 1.05
혼합에 필요한 동력	W/㎥	1.25 ~ 13.2

　

c. 구조 및 기능
    P.I.D 산화구법은 탈질·탈인 공정이 도입된 고도의 폐수처리공법으로서 P.I.D 산화구법의 특징은 운전가동의 유연성에 있다. 산화구내의 일반적인 조건이 호기성, 무산소상을 병행할 수 있어 질산화와 탈질이 같은 산화구내에서 일어날 수 있기 때문에 내부 반송라인 설비가 없어도 된다. 산화구는 일반적으로 두개의 조가 내부로 연결되어 있어 유입폐수 방향을 산화구 1 및 2로 전환이 가능하다. 또한 유출수도 산화구 내부연결에 의해 배출구를 바꿀 수 있어 연속적으로 처리수 배출 및 배출수의  BOD와 암모니아를 낮게 유질 할 수 있다.
    P.I.D 산화구공정은 4개의 분리된 상으로 한 주기의 소요시간은 4시간이며 한 주기에서 질소제거가 이루어진다. 4개의 분리된 상을 각각 A,B,C,D라 하고, 상 C,D는 상 A,B의 방사상(Mirror image)이다. 한 주기는 A상에서 시작되며 90분 정도 소요된다. 한 주기에 소요되는 시간은 설정된 산화구 공정에 따라 변한다.

가. A상
    유입폐수와 반송슬러지가 선택조에서 혼합되어 제1산화구로 유입되며 탈질이 일어나는 영역이다. 이때는 로터가 정지되고 A상은 무산소 상태가 유지된다. 로터가 정지되므로 수중믹서를 가동하여 활성슬러지를 부유상태로 유지시켜 준다. 이런 무산소상태는 유입수의 유기물질과 암모니아로 제1산화구의 암모니아 농도는 증가된다. 또한 이 영역에서 일어나는 탈질은 앞 주기의 호기성 상태에서 생긴 질산의 농도를 감소시킨다. 탈질반응에는 에너지원으로서 유기탄소가 필요하기 때문에 유입수에 탄소원이 존재하여야 한다.
    P.I.D 산화구공법에서는 유입수가 바로 무산소상으로 유입되기 때문에 유입수의 탄소원을 탈질반응에 사용할 수 있다. A상에서 제2산화구는 호기성이기 때문에 암모니아의 산화가 일어나 질산농도가 높아지게 될 것이다.

< 질산화 반응식 >
2NH₄⁺ ＋ 3O2   ⇒   2NO₂^- ＋ 2H₂O ＋ 4H⁺
2NO₂^- ＋  O₂    ⇒   2NO₃^-

    이때 제2산화구의 유출웨어가 낮아져 활성슬러지가 제2산화구로부터 배출되어 침전조로 유입되게 된다. 제1산화구로 폐수가 유입됨에 따라 수리학적 경사에 의해 산화구의 혼합액은 제1산화구에서 제2산화구로 흐르게 되고 제2산화구의 유출수는 후속공정으로 유입된다.

<그림1-1> A상 산화구의 형태

나. B상
   B상은  30분간 가동되는 중간상으로 두개의 산화구가 모두 호기성 상태이며, 분배조의 흐름방향이 바뀌면서 시작된다. 제1산화구로 유입시키는 분배조의 자동식 날개형 유량분배기의 스위치를 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면 <그림 1-2>과 같이 제1산화구에서 제2산화구로 유입라인이 바뀌게 된다. 분배조는 PLC나 시간조정기를 통해 자동으로 가동되며 비상시에는 수작업이 가능하다. 제1산화구가 단독으로 가동되면 제1산화구의 혼합액에 수리학적 경사도가 작용하지 않으며, 제1산화구의 로터는 B상을 호기성 조건을 만들기 위해 작동된다. 호기성 상태는 제1산화구의 혼합액에 남아 있는 유기물질을 산화하거나 암모니아를 질산으로 전환시키는 질산화 반응에 필요하다.

<그림 1-2> B상 산화구의 형태

다. C상
    상 C는 제2산화구의 유출웨어가 올라가고 제1산화구의 유출웨어가 낮아지게 된다. 즉, 제1산화구에서 방류를 시키기 위하여 <그림 1-3>과 같이 흐름방향을 제2산화구에서 제1산화구로 전환시킨다. B상에서 호기성 상태였던 제1산화구는 C상에서도 호기성 상태로 남게 되고, 제2산화구의 로터는 꺼진상태로 C상에서도 90분간 로터는 가동되지 않는다. 그러므로 제2산화구는 무산소 상태로 변하게 되고 탈질이 일어나게 되며, 활성슬러지는 수중믹서에 의해 부유상태를 유지하게 된다.

<그림 1-3> C상 산화구의 형태

라. D상
   상 D는 30분간 가동되고 또 다른 중간상으로 제2산화구 대신에 제1산화구로 유입이 다시 바뀌면서 시작되며, B상과 유사하다. 그리고, D상 말기에 한 주기가 완전히 끝나며 다시 한 주기의 A상이 진행된다.

<그림 1-4> D상 산화구의 형태

2.  P.I.D 산화구처리시설의 관리

    a. 제거율은 유입폐수의 특성에 따라 운전주기를 변화시킴으로써 조절할 수 있다. 즉 상의 시간을 연장, 혹은 감소시켜 실제 유입폐수 성상에 맞추어 원하는 처리수질을 얻을 수 있도록 가동하는 것으로 질산화 및 탈질율을 높이기 위해 무산소상과 호기상이 병행하는 주요 상의 운전조건을 연장하여 Anoxic volume을 증가시키면 탈질율을 높일 수 있고 유기물질 산화 및 탈인율을 높이고자 할 경우에는 전 산화구가 호기상으로 가동되는 보조상 운전시간을 늘려 유기물 분해와 미생물 성장율을 높임으로써 제거율을 높일 수 있다.
    이런 운전조건은 실제 유입되는 폐수에 맞도록 시운전시 조정할 수 있다. 또한, P.I.D공법의 제거효율은 H.R.T에 의존하는 것이 아니고 질산화율에 가장 영향을 주는 S.R.T를 기준으로 한다. 즉, 미생물의 활동력이 가장 저하되는 동절기의 저수온에서 질산화에 필요한 최소한의 슬러지 연령을 설계인자로 하여 산화구 용량을 결정하므로 유입폐수의 종류에 따라 제거율이 달라지는 것은 아니다. 즉, 제거율은 유입폐수의 성상에 맞게 산화구 환경을 조절하여 항상 목적하고자 하는 처리수질을 얻을 수 있다.

BOD 제거효율은 95~99%까지 가능하다.
    유입 BOD에 따라 슬러지 생산량이 변하고 S.R.T에 의해 산화구 용량이 산정되므로 충분한 용량의 산화구에서 미생물이 충분한 체류를 하게 되므로 목적하고자 하는 수준이상까지 유기물질의 분해가 이루어진다. 그러므로 유입폐수의 농도에 따라 제거율이 달라지는 것은 아니며 목적하고자 하는 종류별 처리수질은 SRT를 근거로 설계된 용량에 맞추어 상 조절을 하여 운전을 하면 항상 꾸준한 처리수질을 얻을 수 있다.
P.I.D공법의 질산화율은 95%이상이다. P.I.D공법은 설계시 미생물 활성이 저하되는 동절기의 저수온 5~10℃에서 질산화에 필요한 슬러지 연령(S.R.T)를 기준으로 설계된다. 그러므로, 유입폐수에 따라 산화구 용적이 바뀌고 이에 따라 가동되는 운전주기가 바뀌며, 또한 실제 유입시의 폐수성상에 따라 시운전을 통하여 최적조건을 형성하여 주면 항상 목적하고자 하는 수준의 처리수준을 얻을 수 있다.
P.I.D공법의 탈질율은 미생물 활성이 저하되는 동절기의  5~10℃에서 탈질율을 기준으로 하며 유입폐수의 성상에 따라 운전주기를 조절하여 주므로서 항상 목적하고자 하는 수준의 처리수준을 얻을 수 있다. 일반적으로 탈질율은 85%이상이다.
인 제거율
    P.I.D공법의 생물학적 탈인공정인 Bio-denipho시스템은 유입된 인의 95~99% 이상의 탁월한 제거율을 나타낸다. 일반적으로 탈인공정의 핵심은 인축적 미생물의 이용에 있다. P..ID공법은 호기성 조건에의 인 축적능력 및 유기물 분해와 흡수가 뛰어난 미생물을 선택하여 우점종으로 증식시켜 인을 제거하는데 이용하고 있으며, 이 미생물 증식을 위해 산화구 앞에 혐기성 선택조를 설치하였다.
    혐기성 선택조는 적정농도의 MLSS유지를 위해 침전슬러지를 반송 받으여, 이 반송된 슬러지의 미생물은 혐기성 상태에서 산소 없이 체내에 축적된 폴리인산(Poly-PO₄)을 가수분해하여 정인산 형태로 방출하고 이때 발산되는 에너지를 이용하여 유입된 유기물질을 흡수한다. 이런 과정에서 인축적 미생물의 우점종 증식이 진행되어 산화구의 호기성상으로 이송되면 호기성 상에서 유입수 인과 가수분해 된 인산을 증식된 미생물이 폴리인산(Poly-PO₄)으로 체내에 축적하게 된다. 이렇게 인의 체내 축적이 뛰어난 미생물의 체내 인 함량은 10~40%로 일반 미생물에 비해 3~4배 정도가 되므로 인의 99% 제거는 쉽게 이루어지고, 또한 이런 미생물 이용으로 재래식 산화구에서 자주 발생하는 사상균의 이상증식이 없어 처리수질이 항상 양호하고, 슬러지 벌킹이 발생하지 않는다.
    위에서 기술한 바와 같이 P.I.D공법의 오염물질 제거율은 H.R.T와도 관계는 있지만 폐수의 H.R.T보다는 오염물질의 충분한 제거가 일어날 수 있도록 MLSS의 적정농도 유지 및 체류, 선택조의 단계적 분리로 미생물에게 최적의 조건 형성이 인 제거율에 가장 큰 요소이다.

b. 생물학적으로 질산화, 탈질, 인 방출, 인 고율축적 및 유기물 산화반응을 위해선 이 반응유지에 요구되는 미생물의 종류 및 그들의 번식 특성에 맞는 환경조건을 유지시켜 주어야 한다. 즉, 반응공정 내에 호기성, 혐기성, 무산소상을 유지시켜 주어야 하는데 이 조건은 공간상의 분리 혹은 시간상으로 분리하여 줄 수 있다. 공간적 분리를 할 경우 필요한  반응조 수량이 증가되어 건설비의 부담이 크게 되므로 본 공법은 한 반응조에서 호기상과 무산소상을 유지시켜 줄 수 있는 시간의 분리를 이용하며, 상의 시간은 일정 기준으로 정해지는 것이 아니고 유입되는 폐수특성에 따라 조절된다.

c. 탈질·탈인을 위한조건
    혐기성에서 증식율이 높은 인축적 미생물은 질산염이 존재하면 활성화 되지 못한다. 혐기조에 질산염이 잔존하면 질산염을 사용하는 탈질 박테리아가 인 농축 박테리아보다 우선적으로 기질을 사용하여 탈질이 진행되므로 인 방출이 저하되고 아세트산 축적이 작아서 호기조에서 요구하는 에너지가 부족하여 인 농축 능력이 감소된다.
    본 산화구법이 선택조를 분리하여 설치하는 이유도 선택조의 MLSS농도 유지를 위해 유입된 반송슬러지에 함유된 질산염이 혐기조로 유입되면 Anoxic상을 형성, 탈질이 우선 진행되므로 1단계 혐기조에서 질산염을 제거한 후 2,3,4단계의 혐기조로 유입시켜 인 축적 미생물의 활성화를 높이기 위함이다. 그러므로, 동일 산화구내에서 Anaerobic, Aerobic, Anoxic이 병행될 경우 완전히 분리된 영역 형성이 이루어지지 않아 분리된 공정보다 질산염농도가 높아 고효율의 인 제거는 이루어지지 않는다 기존 재래식 산화구법도 포기시에 일부 산소공급이 되지 않는 사각지대(Dead space)가 생겨 Anoxic상이 형성, 부분적인 탈질이 일어난다. 여기서 진행되는 탈질율은 극히 낮아 처리율에 영향을 줄 정도는 아니다. 무산소상을 분리 운전시 산소 공급이 차단된 상태에서 탈질 박테리아에 의한 질산염의 산소 전이율 커서 탈질율이 높게 되고 무산소상 후에 진행되는 호기상의 분리는 용존산소 농도가 0 에 가까울수록 포기시 산소전달 구동력이 커서 산소전달효율이 높아 질산화 및 유기물 분해속도가 높게 되므로 혼성 반응보다 분리된 반응이 훨씬 효율적이다.

d. 온도 및 pH의 영향
    P.I.D 산화구 공법은 기존 산화구법을 개선한 것으로 동절기 수온 10℃일 때의 질산화와 유기물 분해를 고려하여 설계되었다. 생물학적 처리 중 일반 활성슬러지공법에 이용되는 미생물의 임계 수온은 7℃이며, 이 온도 이하에서는 미생물의 활성화가 현저히 저하되어 활동이 정지된다고 볼 수 있다.
    본 산화구시스템은 동절기 수온저하 영향을 완화시킬 수 있는 방법으로 높은 MLSS유지를 들 수 있다. 현재 가동중인 시설의 경험치에 의하면 MLSS 9,000㎎/ℓ 에서도 운전을 하고 있다. 고농도의 MLSS는 낮은 수온의 영향으로 인한 미생물의 활성저하를 보충할 수 있으나 장기간 수온이 낮은 상태(5℃이하)를 유지한다면 다른 공법과 마찬가지의 영향을 받는다고 볼 수 있다.
    본 공법도 생물학적처리로서 미생물에게 영향을 주는 유해물질 및 pH, 온도 등에 영향을 받으나 pH는 혐기성 선택조에서 다소 약산성으로 낮아지게 되나 폐수에 알칼리도가 충분하면 완충작용에 의해 미생물에 영향을 주기 않으며, 또한 탈질시 소비된 알칼리도가 재생되기 때문에 적정 범위의 pH를 벗어나지 않고 특별한 약품주입 없이도 pH6.5~8을 유지할 수 있다. 그러나, 유입수의 알칼리도가 충분치 않을 경우에는 라임(Lime)사용으로 알칼리도를 보충하여 주어야 한다.