일상적인 폐수 처리 작업에는 질산화와 탈질화라는 두 가지 용어가 자주 사용됩니다. 폐수 처리를 처음 접하는 많은 사람들은 이 두 가지 개념을 혼동하는 경향이 있습니다. 비슷한 이름에도 불구하고 둘 다 "硝"라는 문자를 중심으로 전개되지만 실제로는 폐수 처리에서 완전히 다른 역할을 합니다.
간단히 말해서, 질산화는 암모니아성 질소를 질산염으로 변환하는 역할을 하고, 탈질화는 질산염을 질소 가스로 변환하는 역할을 합니다. 하나는 산화과정이고, 다른 하나는 환원과정이다. 두 과정은 릴레이 경주와 같아서 조화롭게 이루어져야 하수 속의 질소가 제대로 제거될 수 있습니다.
이 점을 이해하면 A/O, AAO, 산화 배수로 등 다양한 질소 제거 공정의 논리가 훨씬 더 명확해집니다.
I. 질산화: 암모니아성 질소를 질산염으로 변환
생활 하수 및 많은 산업 폐수에서 질소는 주로 암모니아 질소의 형태로 존재합니다. 암모니아성 질소가 수역으로 직접 배출되면 쉽게 부영양화로 이어질 수 있으며 물고기와 같은 수생생물에 독성 영향을 미칠 수도 있습니다. 따라서 폐수처리장은 먼저 암모니아성 질소를 변환해야 합니다.
이 변환 과정을 질산화라고 합니다.
질산화는 실제로 미생물에 의해 수행되는 산화 과정으로, 대략 두 단계로 나눌 수 있습니다.
첫 번째 단계는 암모니아성 질소를 아질산염으로 산화시키는 것입니다.
2단계: 아질산염은 질산염으로 추가로 산화됩니다.
전체 공정에는 충분한 산소가 필요하므로 질산화는 일반적으로 폭기조나 MBR 생화학 탱크와 같은 호기성 환경에서 발생합니다.
이 과정에 관여하는 미생물을 질산화 박테리아라고 합니다. 이들은 자가영양 범주에 속하며 주로 무기 물질로부터 에너지를 얻는다는 점에서 일반 종속 영양 박테리아와 다릅니다. 성장 속도가 상대적으로 느리고 환경 변화에도 민감합니다.
이는 또한 많은 폐수 처리장의 겨울 동안 질산화 능력이 감소하는 경향이 있는 이유이기도 합니다.
II. 탈질화: 질산염을 질소 가스로 변환
질산화가 암모니아성 질소 문제를 해결했지만, 현시점에서 물속의 질소가 실제로 사라지지는 않았습니다. 그것은 단지 한 형태에서 다른 형태로 변형되었을 뿐입니다. 폐수에서 질소를 실제로 "제거"하려면 두 번째 단계인 -탈질소화-가 완료되어야 합니다.
탈질은 환원 과정이다. 혐기성 환경에서 미생물은 질산염의 산소를 활용하여 점차적으로 질소 가스로 환원합니다. 반응 경로는 대략 다음과 같습니다.
질산염 → 아질산염 → 아산화질소 → 아산화질소 → 질소
최종적으로 생성된 질소가스(N2)*는 기체상태로 대기중으로 방출되어 하수 속의 질소가 본격적으로 제거됩니다. 이 과정을 완료하는 미생물을 탈질균이라고 합니다. 질화세균과 달리 종속영양세균에 속하며 에너지원으로 유기탄소를 필요로 한다.
이는 또한 많은 폐수 처리장이 질소 제거 중에 탄소원을 추가해야 하는 이유이기도 합니다.
III. 질산화와 탈질화의 몇 가지 주요 차이점
이 두 가지 프로세스를 함께 살펴보면 여러 측면에서 정반대라는 것을 알 수 있습니다.
1. 다양한 산소 조건
질산화는 호기성 환경에서 발생해야 하며 일반적으로 용존 산소 수준을 약 2mg/L로 유지해야 합니다.
탈질을 위해서는 용존 산소가 0.5 mg/L 미만으로 유지되는 혐기성 환경이 필요합니다. 산소가 너무 많으면 탈질 박테리아는 질산염보다 산소를 활용하는 것을 선호합니다.
간단히 말해서, 질산화는 산소에 의해 잘 진행되고, 탈질작용은 산소에 의해 억제됩니다.
2. 다양한 종류의 미생물
질산화는 주로 니트로소모나스(nitrosomonas)와 니트로박터(nitrobacter)를 포함한 박테리아를 질화함으로써 수행됩니다.
이 박테리아는 독립 영양 박테리아에 속하며 천천히 성장하고 더 긴 슬러지 수명이 필요합니다.
탈질작용은 종속영양세균에 속하며 상대적으로 빠른 성장 속도를 보이는 탈질세균에 의해 수행됩니다.
3. 다양한 탄소원 요구 사항
질산화 박테리아는 주로 무기 물질을 에너지로 활용하며 일반적으로 유기 탄소원에 의존하지 않습니다.
탈질 박테리아는 전자 공여체로서 유기 탄소를 필요로 합니다. 따라서 폐수 내 이용 가능한 유기물이 부족한 경우 아세트산 나트륨, 메탄올, 포도당과 같은 외부 탄소원을 추가해야 하는 경우가 많습니다.
많은 폐수 처리장 운영에서 탄소원 부족은 질소 제거 효율에 영향을 미치는 중요한 요인이 되는 경우가 많습니다.
4. 발생 위치가 다르다
일반적인 질소 제거 공정에서 두 공정은 일반적으로 서로 다른 반응 구역에 배치됩니다.
예를 들어 A/O 또는 AAO 프로세스에서는 다음과 같습니다.
무산소조 - 탈질호기조 - 질산화조
질산화를 통해 생성된 질산염은 내부 재순환을 통해 무산소 구역으로 돌아가고, 그곳에서 탈질 박테리아에 의해 추가로 변형됩니다.
5. 다른 최종 결과
질산화의 결과로 암모니아성 질소가 감소하고 질산염이 증가합니다.
탈질작용의 결과는 질산염의 환원과 질소가스의 생성이다.
즉, 질소는 탈질이 완료된 후에만 수체를 떠날 수 있습니다.
IV. 사실은 릴레이 경주야
전체적인 관점에서 볼 때, 질산화와 탈질화는 두 가지 독립적인 과정이 아니라 생물학적 질소 제거의 두 가지 연속 단계입니다.
전체 질소 전환 과정은 다음과 같이 간단하게 이해될 수 있습니다.
암모니아성 질소 → 아질산성 질소 → 질산성 질소 → 아질산성 질소 → 질소 가스
질산화는 암모니아성 질소를 질산염으로 변환하는 역할을 하고, 탈질화는 질산염을 다시 질소 가스로 환원시키는 역할을 합니다.
둘은 릴레이 경주처럼 이어져 있다.
질산화만 있고 탈질화는 없다면 물 속의 질산염은 여전히 부영양화를 일으킬 것입니다.
질산화가 이루어지지 않으면 탈질을 위한 '원료'가 부족하게 됩니다.
이는 또한 대부분의 질소 제거 공정에 호기성 구역과 무산소 구역이 모두 포함되는 이유이기도 합니다.
V. 결론
폐수 처리 분야에서는 많은 개념이 유사해 보일 수 있지만 기본 논리는 완전히 다릅니다.
질산화와 탈질화가 전형적인 쌍입니다.
하나는 호기성 환경에서 발생하고 다른 하나는 혐기성 환경에서 발생합니다.
하나는 암모니아성 질소를 산화시키는 역할을 하고, 다른 하나는 질산염을 감소시키는 역할을 합니다.
이 두 가지가 결합되어야만 완전한 생물학적 질소 제거 과정이 형성될 수 있습니다.
이를 이해한 후 A/O, AAO, 산화 배수구 등 다양한 질소 제거 공정을 살펴보면 이 두 단계를 중심으로 모두 최적화되고 결합되어 있음을 알 수 있습니다.
최종 분석에서 하수 처리의 많은 복잡한 공정은 실제로 이러한 미생물에 적합한 "작업 환경"을 조성하고 있습니다.
