생물학적 처리는 활성 슬러지법, 부착 미생물, 부유 미생물 등으로 오염물질을 제거합니다. 활성 슬러지법은 활성 슬러지 미생물을 이용하여 오염물질 제거하고 이차 침전지에서 활성 슬러지 고액분리로 이루어집니다. 부착 미생물은 접촉제나 유동 담체의 표면에 부착된 미생물을 이용하여 처리하며, pH 변동 등의 충격 부하에 대한 적응성이 강하고 난분해성 물질 유입에 따른 처리 성능이 저하를 완화할 수 있습니다. 부유 미생물 + 부착 미생물은 유동 담체나 고정 담체에 미생물을 부착시켜 반응조를 다단화하는 방법으로 처리합니다.
특히, 이 글에서는 활성 슬러지법에 대해 자세히 다루며, 활성 슬러지 미생물의 네 가지 군과 정화 기능에 대해 설명합니다. 또한, 부착 미생물과 부유 미생물 + 부착 미생물 방법도 간략히 소개합니다. 처리 방법에 따라 유동 담체를 이용하는 방법과 고정 담체를 이용하는 방법을 사용할 수 있습니다.
1. 활성 슬러지법의 기본 원리
활성 슬러지법을 사용한 하수 처리는 활성 슬러지 미생물이 오염물질 제거 반응조에서 반응하고, 이차 침전지에서 활성 슬러지가 고액분리되는 과정으로 이루어집니다. 활성 슬러지 미생물은 생리적 특성에 따라 다음과 같이 네 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다.
- 호기성 조건(산소가 존재하는 조건)에서 탄소계 유기물을 이용하여 증식하는 종속 영양 미생물(세균류 외에 원생 동물과 대형 생물을 포함합니다).
- 호기성 조건에서 암모니아성 질소를 아질산성 질소, 또는 질산성 질소로 산화시키는 독립 영양 미생물(Nitrosomonas 등의 암모니아 산화 미생물, Nitrobactor 등의 아질산 산화 미생물을 포함합니다). 이 반응을 질산화라 하며, 이러한 미생물을 질산화 미생물이라고 합니다.
- 무산소 상태(용존산소가 존재하지 않는 상태)에서도 질산성 호흡, 아질산성 호흡을 하는 통기성 미생물(종속 영양 미생물로 분류되며, 탈질 미생물이라고 합니다).
- 혐기 상태(산소와 질산 및 아질산도 존재하지 않는 상태)와 호기 상태를 교대로 반복하여 다중인 산을 통상적으로 다량 축적하도록 하는 미생물(종속 영양 미생물로 분류되며, 탈 인 미생물, 인 축적 미생물이라고 합니다).
활성 슬러지의 정화 기능은 다음과 같습니다.
- 활성 슬러지에 의한 유기물의 흡착: 활성 슬러지의 표면에 유기물이 농축되는 현상
- 흡착된 유기물의 산화 및 동화
-산화에 의한 분해(에너지 생산)
-동화에 의한 합성(세포 합성)
- 활성 슬러지 플록의 침강과 분리: 이차 침전지에서의 활성 슬러지의 양호한 응집성과 침강성이 보장되어야 합니다.
- 질산화: 질소화합물을 산화하는 질산화 미생물에 의한 질산화 반응
- 탈질산화: 통성 혐기성 미생물군인 탈생 미생물에 의해 유기물을 이용하여 아질산성 질소와 질산성 질소를 질소 가스로 환원하는 반응
- 생물학적 인 제거: 활성 슬러지 미생물에 의한 인 과잉 섭취 현상을 이용합니다.
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128회 출제된 생물학적 인 제거 시 영향인자 문제풀이입니다. 인은 호소와 하천의 부영양화를 유발하여 녹조, 조류 발생 등 수자원 확보에 막대한 영향을 끼치며, 수질문제 발생의 주요 원인 인
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① 혐기상태와 연속되는 호기상태를 거치는 동안 활성슬러지내 폴리인산축적미생물(PAOs)에 의해 섭취된 정인산(PO 4-P)은 세포내에 폴리인산으로 축적됩니다.
② 혐기상태에서는 세포중에 축적된 폴리인산이 가수분해되어 정인산으로 혼합액에 방출되며, 혼합액 중의 유기물이 세포내에 섭취됩니다. 이때 인의 방출속도는 일반적으로 혼합액중의 유기물 농도가 높을수록 큽니다.
③ 혐기상태에서 정인산의 방출과 동반되어 섭취되는 유기물은 글리코겐 및 PHB (poly hydroxybeta butyrate)를 주체로 한 PHA등의 기질로서 세포내에 저장됩니다.
④ 호기상태에서는 이렇게 세포내에 저장된 기질이 산화, 분해되어 감소합니다. 폴리인산축적미생물 (PAOs)은 이때 발생하는 에너지를 이용하여 혐기상태에서 방출된 정인산을 섭취하고 폴리인산으로 재합성합니다.
⑤ 이상 ①～④의 과정이 반복되면서 활성슬러지의 인의 과잉섭취(luxury uptake)가 발생하게 됩니다. 이때 과잉섭취는 인 이외의 필수원소가 제한되는 상태에서 세포 내로 인을 이동시키는데 필요한 에너지가 충분하여 인을 과잉 섭취하는 현상을 말하며, 다시 인 농도가 높은 환경에 있게 되면 인을 급속히 섭취하는 현상을 말합니다.
보통 미생물 세포내의 인 함량은 0.015～0.025 gP/g MLSS 정도이나, 인의 과잉섭취 현상이 나타날 경우는 활성슬러지 세포내 폴리인산이 축적되어 인의 함유량이 약 0.035～0.06 g P/g MLSS 정도가 됩니다. 활성슬러지 미생물의 인 과잉섭취현상을 이용한 생물학적 탈인법, 즉 혐기호기활성슬러지법은 일반적으로 반응조 일부를 용존산소가 존재하는 상태와 용존산소가 없는 상태(아질산상태 및 질산상태)인 혐기상태로 유지하여 이를 반복시켜 활성슬러지중의 인 함유율을 증가시킴으로써 인제거 효율을 높입니다.
2. 활성 슬러지의 동역학 해석
활성 슬러지의 동력학적 모델의 유기물 제거 원리를 정리하면 다음과 같습니다.
- 처리수 유기물 농도는 SRT에 의해 결정됩니다.
- 유입수 유기물 농도가 증가하면, 활성 슬러지의 미생물 농도가 증가하여 SRT가 일정 정도 유지됨에 따라 처리수의 유기물 농도가 안정됩니다.
- 활성 슬러지법에 의한 하수의 유기물 제거는 비교적 작은 SRT로 양호한 처리수질이 기대됩니다.
3. 부착 미생물에 의한 생물학적 처리의 기본 원리 및 처리 특성
부착 미생물에 의한 생물학적 처리는 접촉제 및 유동 담체의 표면에 부착된 미생물을 이용하여 처리하는 방법입니다. 매체의 표면에 미생물을 부착시켜 전체적으로 반응조 내 미생물 양을 증대시켜, pH 변동 등의 충격 부하에 대한 적응성이 강하고 난분해성 물질 유입에 따른 처리 성능이 저하를 완화할 수 있는 처리 특성이 있습니다.
- 부착 미생물에 의한 생물학적 처리의 기본 원리
- 생물막에서의 물질 이동
- 생물막의 탈리
- 반응조 내의 미생물 양의 조정
- 부착 미생물에 의한 생물학적 처리의 처리 특성
- 생물학적 특징: 반응조 후단으로 갈수록 유기물 농도가 저하하여 질산화 미생물의 증식에 적합한 환경이 조성됨과 동시에 미생물의 생물막이 탈리되지 않는 한 반응조로부터 유출되지 않기 때문에 부착 미생물의 SRT가 길어져 질산화 반응이 진행되기 쉽습니다.
- 반응조의 다단화와 단계(step) 유입: 생물상의 다양성은 반응조를 다단화함으로써 촉진됩니다.
- 고액분리상의 특징: 반응조 유출수 중의 고형물은 대부분이 생물막으로부터 탈리된 부착 생물이고 그 농도는 20∼150 mg/L로 활성 슬러지법에 비하여 작습니다.
4. 부유 미생물 + 부착 미생물에 의한 생물학적 처리의 기본 원리
활성 슬러지 공정에서 사용하기 위한 여러 가지 종류의 합성 담체가 개발되었으며, 이 담체는 미생물 부착 목적으로 활성 슬러지의 혼합액과 함께 부유되거나, 생물 반응조 안에 고정됩니다. 담체 이용 처리법은 크게 유동 담체를 이용하는 방법과 고정 담체를 이용하는 방법이 있습니다.
