수역 내 과도한 질소, 인 오염물질은 부영양화, 녹조, 적조 등 수질환경 문제의 핵심 원인으로 수질악화, 수생태계 불균형, 먹는물 안전 위협 등 일련의 문제를 야기하고 있습니다. 화학적 및 물리적 처리 공정에 비해 생물학적 질소 및 인 제거 기술은 안정적인 처리 효과, 낮은 운영 비용, 2차 오염 없음, 도시 및 산업 폐수 처리 시나리오에 대한 적응성 등의 장점으로 인해 현재 폐수 처리장의 고도 폐수 처리를 위한 핵심 공정으로 자리잡고 있습니다. 폐수 내 생물학적 질소 및 인 제거의 핵심 원리는 통제된 혐기성, 무산소, 호기성 환경이 교대로 반복되는 환경에서 다양한 기능성 미생물의 대사 활동을 활용하여 폐수 내 유기질소, 암모니아성 질소, 총인과 같은 오염물질을 점차적으로 가스상 물질로 전환시켜 수역에서 배출되는 슬러지로 배출하거나 고형화시켜 수질을 정화하는 것입니다.
I. 폐수에서 생물학적 질소 제거의 핵심 원리
폐수 중의 질소는 주로 유기질소, 암모니아성질소, 아질산성질소, 질산성질소 등 복잡한 형태로 존재합니다. 생물학적 질소 제거는 단일 반응 과정이 아니라 궁극적으로 다양한 형태의 질소를 질소 가스로 변환하여 수역에서 제거하고 총 질소 제거를 달성하는 3단계-미생물 생화학 반응-암모화, 질산화, 탈질화-입니다. 전체 과정은 특정 환경에서 다양한 박테리아 공동체의 대사 활동에 의존합니다.
(I) 암모니아 반응(유기질소 전환)
호기성 또는 혐기성 조건 하에서 폐수 중의 단백질, 요소, 아미노산 등 유기질소 오염물질은 암모니아화균의 분해 및 대사를 통해 가수분해되어 무기암모니아질소(NH₃-N)로 산화됩니다. 이 반응은 생물학적 질소 제거의 기본적인 전-반응으로 환경 적응성이 뛰어나고 용존 산소, 온도 등의 엄격한 제어가 필요하지 않아 기존 폐수 처리 조건에서 원활하게 진행됩니다. 반응 공정은 복잡한 유기 질소를 단순한 무기 질소로 변환하여 후속 질산화 및 탈질 반응을 위한 기질을 제공하며 질소 제거의 첫 번째 단계입니다.
(II) 질산화(암모니아질소산화)
질화는 호기성 독립 영양 미생물이 지배하는 산화 반응으로, 질화와 질화의 두 단계로 구성됩니다. 공정 전반에 걸쳐 충분한 산소가 필요하며 미생물은 느린 성장 속도, 긴 생성 주기, 환경 온도, pH 및 용존 산소에 대한 높은 민감도를 나타냅니다. 첫 번째 단계는 질화 박테리아가 암모니아 질소를 아질산염 질소로 산화시키는 질산화입니다. 두 번째 단계는 질산화인데, 여기서 질화 박테리아는 아질산염 질소를 더욱 산화시켜 안정적인 질산염 질소로 만듭니다.
질산화 박테리아는 독립영양생물입니다. 즉, 폐수에 있는 유기 오염물질을 소비하지 않습니다. 대신 암모니아성 질소가 산화되면서 발생하는 화학에너지를 에너지원으로 활용해 이산화탄소를 고정하고 스스로 물질을 합성한다. 이 공정은 질소 제거의 핵심 산화 단계로, 질소 환원을 질소 산화로 전환하고 후속 탈질을 위한 반응 기질을 제공합니다.
(III) 탈질(질산성질소 제거)
탈질은 혐기성 종속영양 미생물이 지배하는 환원 반응이며 생물학적 질소 제거의 마지막 핵심 단계입니다. 분자 산소는 부족하지만 질산성 질소를 함유한 혐기성 환경에서 탈질세균은 폐수 중의 유기탄소원을 전자 공여체로 활용하여 질산화 반응에서 생성된 질산성 질소와 아질산성 질소를 점차적으로 감소시켜 최종적으로 질소가스(N2)를 발생시켜 수면으로 빠져나가 폐수 속의 질소를 완전히 제거합니다.
탈질 과정에서는 혐기성 환경과 무산소 환경을 엄격하게 구분해야 합니다. 혐기성 환경에서는 분자 산소가 부족하지만 결합 산소(질산성 질소)가 포함되어 있어 탈질 반응이 정상적으로 일어날 수 있습니다. 혐기성 환경에서는 결합된 산소가 부족하여 탈질 반응이 방지됩니다. 동시에 유기탄소원은 탈질을 위한 핵심조건이다. 탄소원이 부족하면 질소 제거 효율이 크게 감소합니다. 실제 엔지니어링에서는 질소 제거 효과를 보장하기 위해 외인성 탄소원을 보충하는 경우가 많습니다.
II. 폐수에서 생물학적 인 제거의 핵심 원리
생물학적 인 제거를 위한 핵심 기능성 박테리아 그룹은 폴리인산-축적 박테리아(PAO)입니다. 이러한 미생물은 고유한 대사 특성을 갖고 있어 혐기성 환경과 호기성 환경이 교대로 반복되는 경우 "인 방출-인 흡수" 주기를 완료할 수 있으며 궁극적으로 과잉 슬러지 배출을 통해 수역에서 전체 인 제거를 달성할 수 있습니다. 탈질화와 달리 생물학적 인 제거는 가스 부산물을 생성하지 않습니다. 대신 미생물 내 물 속의 인산염을 응고시켜 슬러지로 방출합니다.
(I) 혐기성 인 방출 단계
분자 산소와 질산성 질소가 없는 엄격한 혐기성 환경에서 폴리인산염-축적 박테리아(PAB)는 호기성 호흡을 위해 외부 산소를 활용할 수 없으므로 대사 에너지원이 제한됩니다. 이 상태에서 PPA는 세포 내에 저장된 폴리인산염을 분해하여 에너지를 방출하여 폐수에서 휘발성 지방산(VFA)과 같은 저-분자-중량 유기 탄소원을 흡수하고 이를 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)로 변환하여 세포 내에 저장합니다. 이 과정에서 세포 내 인산염이 폐수로 방출되어 물의 인 함량이 일시적으로 증가합니다.{5}}이것이 혐기성 인 방출 과정입니다.
(II) 호기성 과잉 인 흡수 단계
환경이 호기성 상태로 전환되면 PPA는 더 이상 유기 탄소원을 흡수하지 않고 대신 혐기성 단계에 저장된 PHA를 분해하여 유기물의 산화 및 분해를 통해 많은 양의 에너지를 얻습니다. 이 에너지를 활용하여 폴리인산염-축적 박테리아(PAC)는 폐수에서 인산염을 과도하게 흡수하여 혐기성 단계에서 방출되는 양을 훨씬 초과합니다. 과잉 인산염은 세포 내에 폴리인산염으로 저장되어 인을 풍부하게 하고 물에서 제거됩니다.
궁극적으로 인-이 풍부한 PAC는 슬러지와 함께 침전되고 시스템 폐기물 슬러지 배출을 통해 폐수 시스템에서 완전히 제거되어 전체 생물학적 인 제거 공정이 완료됩니다. PAC의 교대 대사 특성은 생물학적 인 제거의 핵심이며 안정적인 혐기성-호기성 환경 전환은 인 제거 효율성을 보장하는 데 중요합니다.
III. 생물학적 질소 및 인 제거에 영향을 미치는 주요 요인
생물학적 질소 및 인 제거의 효과는 전적으로 미생물 활동에 달려 있습니다. 미생물의 대사 특성은 공정 작업의 핵심 제어 매개변수를 결정합니다. 주요 영향 요인에는 환경 매개변수와 수질 매개변수라는 두 가지 범주가 포함됩니다.
1. 용존 산소: 질화 및 호기성 인 흡수에는 충분한 용존 산소가 필요합니다. 무산소 탈질은 엄격히 낮은-산소 환경을 요구합니다. 혐기성 인 방출에는 절대 혐기성 환경이 필요합니다. 산소 환경의 혼란은 질소와 인 제거 실패로 직접적으로 이어집니다.
2. 탄소원 함량: 탈질 박테리아와 폴리인산염-축적 박테리아는 모두 대사를 위해 유기 탄소원에 의존합니다. 폐수의 탄소-대-질소 비율과 탄소-대-인 비율이 너무 낮은 경우 아세트산나트륨, 포도당과 같은 외인성 탄소원을 추가해야 합니다. 그렇지 않으면 불완전한 질소 제거와 낮은 인 제거 효율이 발생합니다.
3. pH 및 온도: 질산화 박테리아의 최적 pH는 7.5-8.5인 반면, 폴리인산염 축적 박테리아의 최적 pH는 6.5~8.0입니다. 미생물의 최적온도는 20~30도이다. 낮은 온도는 박테리아 활동과 처리 효율성을 크게 감소시킵니다.
4. 슬러지 연령: 질화 박테리아는 생성 주기가 길기 때문에 박테리아의 생존을 보장하려면 더 긴 슬러지 연령이 필요합니다. 반면, 폴리인산염-축적 박테리아는 슬러지 수명이 더 짧습니다. 슬러지 수명이 지나치게 길어지면 슬러지에서 인이 방출될 수 있습니다. 따라서 실제 공정에서는 질소와 인 제거 효율을 모두 보장하기 위해 슬러지 수명의 균형을 맞춰야 합니다.
IV. 주류 공정 적용 원리
위의 질소 및 인 제거의 핵심 원리를 기반으로 업계에서는 혐기성, 무산소 및 호기성 반응 환경을 교대로 만드는 것을 목표로 하는 다양한 성숙 공정을 개발했습니다. A²/O 공정은 가장 고전적인 질소 및 인 동시 제거 공정입니다. 이는 혐기성 구역에서 폴리인산염-축적 박테리아에 의한 인 방출 및 탄소 저장, 무산소 구역에서 탈질화, 호기성 구역에서 폴리인산염-축적 박테리아에 의한 질산화 및 과도한 인 흡수를 순차적으로 완료합니다. 마지막으로 슬러지 침전 및 배출을 통해 질소와 인의 동시 제거가 이루어집니다. 또한 수정된 A²/O, SBR 및 산화 배수로 공정은 모두 핵심 생화학적 원리를 기반으로 하며 탱크 구조와 작동 순서를 최적화하여 다양한 수질 처리 요구 사항에 적응합니다.
V. 결론
폐수에서 생물학적 질소 및 인 제거의 본질은 기능성 미생물의 차별화된 대사 특성을 활용하고 수생 환경을 인위적으로 조절하여 수역에서 질소 및 인 오염 물질의 전환과 제거를 달성하는 것입니다. 질소 제거는 기체 제거를 달성하기 위한 암모니아화, 질산화 및 탈질소의 단계적 반응에 의존하는 반면, 인 제거는 슬러지 응고 및 제거를 달성하기 위해 폴리인산염-축적 박테리아-혐기성 인 방출 및 호기성 인 흡수-의 순환적 대사에 의존합니다. 생화학적 원리에 대한 철저한 이해는 폐수 처리 공정 최적화, 질소 및 인 제거 효율 향상, 수역의 부영양화 문제 해결을 위한 핵심 기반입니다. 또한 에너지 보존, 배출 감소 및 폐수 처리 업그레이드에 대한 중요한 이론적 지원을 제공합니다.
