하수 속에 포함된 질소는 수질 오염의 주요 원인 중 하나입니다. 이 질소를 효과적으로 제거하기 위해 다양한 공법이 사용되는데, 그중 대표적인 순환식 질산화 탈질법에 대해 자세히 알아보겠습니다.
순환식 질산화 탈질법의 원리
순환식 질산화 탈질법은 미생물을 이용해 질소를 제거하는 생물학적 처리 방식입니다. 처리 과정은 크게 두 단계로 나뉩니다.
- 무산소조 (탈질 반응): 먼저 하수와 반송된 슬러지(미생물 덩어리)가 산소가 없는 '무산소조'로 들어갑니다.
- 호기조 (질산화 반응): 다음으로 '호기조'에서 공기를 불어넣어 암모니아성 질소(NH₃-N)를 질산성 질소(NO₃-N)로 바꿉니다(질산화).
- 내부 순환: 이 과정에서 질산화된 호기조의 처리수 일부를 다시 앞 단계인 무산소조로 순환시킵니다. 무산소조의 미생물은 이 질산성 질소를 이용해 산소 대신 호흡하며, 최종적으로 질소 가스(N₂)로 분해하여 대기 중으로 날려 보냅니다(탈질).
이처럼 두 반응조를 순환시키는 구조를 통해 하수 속 질소를 제거하는 것이 이 공법의 핵심 원리입니다.
처리 특성 및 효과
일반적인 도시 하수를 기준으로, 순환식 질산화 탈질법을 적용하면 연평균 총질소(T-N) 제거율 60~70%를 기대할 수 있습니다.
또한, 표준활성슬러지법과 비교했을 때 BOD(생화학적 산소 요구량)와 SS(부유 물질) 제거율도 더 높은 편으로, 전반적인 수질 개선 효과가 뛰어납니다.
설계 및 유지 관리 시 주요 고려사항 ⚙️
이 공법의 성능을 제대로 발휘하기 위해서는 설계와 운영 단계에서 몇 가지 중요한 점을 고려해야 합니다.
- 반응조 용량: 목표 질소 제거율을 60~70%로 설정할 경우, 표준활성슬러지법에 비해 반응조의 용량을 더 크게 설계해야 합니다.
- 무산소조 환경: 무산소조는 외부 공기 유입이 차단되어 항상 산소가 없는 상태를 유지할 수 있는 구조여야 합니다.
- 질산화액 순환: 호기조의 처리수를 무산소조로 보내기 위한 순환 펌프 등 별도의 설비가 필요합니다.
- 유기물 확보: 비가 많이 오거나 처리장 가동 초기에는 질소 제거에 필요한 유기물이 부족할 수 있습니다. 이를 대비해 1차 침전지를 거치지 않은 하수를 바로 공급할 수 있는 바이패스(Bypass) 수로를 설치하는 것이 좋습니다.
- 높은 미생물 농도(MLSS): 반응조 내 미생물 농도(MLSS)를 2,000~3,500 mg/L로 비교적 높게 유지해야 합니다. 이로 인해 2차 침전지로 유입되는 고형물 양이 많아지므로, 2차 침전지의 면적을 넓히고 수심을 깊게 설계해야 합니다.
- 스컴(Scum) 제거: 무산소조에서 스컴 발생이 잦을 수 있으므로, 이를 파쇄하거나 제거하는 장치를 설치하는 것이 바람직합니다.
- 운전 인자 관리: 처리 효율은 수온, 유입수의 농도, 미생물 체류시간(SRT), 내부 순환율, MLSS 농도, 용존산소(DO) 농도, pH 등 다양한 요인에 의해 크게 좌우됩니다. 따라서 목표 수질을 달성하기 위해서는 이러한 인자들을 종합적으로 고려하여 세심하게 관리해야 합니다.
질소 제거율 향상 방안
기본적인 단일 순환 방식보다 더 높은 질소 제거율이 필요할 경우, 무산소조와 호기조를 2단으로 직렬 연결하는 다단식 순환법을 채택할 수 있습니다. 이 방식은 각 단의 무산소조에 하수를 단계적으로 유입시켜 더 높은 MLSS 농도와 긴 SRT를 확보할 수 있게 해 줍니다. 이를 통해 총 질소 제거율을 기존보다 약 10% 더 향상시킬 수 있습니다.
하지만 단계별 유입량, 전단과 후단 반응조의 용량비 등 관리해야 할 변수가 늘어나 운전 및 관리가 더 복잡해지는 단점이 있습니다.
