서론: 오늘은 생물학적 처리의 주인공인 활성슬러지(다양한 미생물의 운반체)에 대해 알아보겠습니다. 슬러지 내 다양한 미생물을 통해 폐수 중의 COD, 암모니아성 질소, 총질소, 총인 등의 오염물질을 제거하는 등 생물학적 처리 공정에서 중요한 역할을 합니다. 폐수 처리장을 방문한 사람들은 희미한 진흙 냄새를 맡을 수 있습니다. 그게 활성슬러지 냄새야!
01 활성슬러지의 유래
활성 슬러지는 1912년 영국의 Clark과 Gage에 의해 작은 실험에서 처음 발견되었습니다. 실험에서 폐수를 장기간 통기하면 슬러지가 발생하고 수질이 크게 개선되었습니다. Arden과 Lockgtt는 이후에 이 현상을 연구했습니다.
통기 실험은 병에서 수행되었습니다. 매일 실험이 끝나면 병을 비우고 다음날 다시 시작했습니다. 그들은 우연히 병이 완전히 청소되지 않았기 때문에 슬러지가 병 벽에 달라붙었을 때 처리 효과가 실제로 더 좋다는 것을 발견했습니다. 그들은 병 벽에 남아 있는 슬러지의 중요성을 인식하고 이를 활성 슬러지라고 명명했습니다.
이후 매일 실험이 끝나기 전 폭기된 폐수를 침전시켜 윗층의 정제수만 버리고 아래층의 슬러지는 다음날 사용할 수 있도록 남겨두었습니다. 이로 인해 폐수 처리 시간이 크게 단축되었습니다.
1916년에 이 실험 공정을 사용하여 최초의 활성 슬러지 폐수 처리장이 건설되었습니다.
02 활성슬러지의 구조적 구성과 물리적 성질
활성슬러지는 박테리아, 균류, 원생동물, 후생동물 등의 미생물군집과 폐수 속의 부유물질, 콜로이드 물질이 혼합되어 형성된 응집성 물질이다. 유기물을 흡착 분해하는 능력이 강하고 침전성이 좋으며 생화학적 활성을 가지고 있습니다.
플록과 사상균은 활성 슬러지의 중요한 구성 요소입니다.
플록은 박테리아가 점액이나 캡슐과 응집하여 형성됩니다. 폐수 속의 불순물과 유리 미생물을 흡착하여 활성 슬러지에 탁월한 침전성을 부여하고 폐수 속의 미생물이 섭취되거나 중독되는 것을 방지합니다.
사상균은 활성 슬러지의 골격을 형성합니다. 이들은 플록의 부착 하에서 성장하고 신장하여 활성 슬러지의 느슨함을 유지하면서 플록이 더 큰 입자를 형성하게 합니다.
외관상 활성 슬러지는 일반적으로 노란색 또는 갈색{0}}노란색입니다. 산소 공급이 부족하거나 혐기성일 때는 검은색으로 변하고, 산소 공급이 과잉되어 영양분이 부족할 때는 회백색으로 변합니다. 활성 슬러지는 수분 함량이 일반적으로 99% 이상으로 높으며 밀도는 일반적으로 1.002~1.003kg/L로 물과 유사합니다.
03 활성슬러지의 미생물 조성
활성슬러지 미생물에서 원생동물은 박테리아를 먹고, 후생동물은 원생동물과 박테리아를 모두 먹으며 먹이사슬과 균형잡힌 생물학적 군집을 형성합니다. 활성 슬러지 박테리아는 흔히 플록 형태로 존재하며, 자유 상태에서는 그 수가 적습니다. 이는 박테리아에게 불리한 외부 요인에 저항할 수 있는 능력을 부여합니다. 유리박테리아는 쉽게 정착되지 않지만 원생동물의 먹이가 될 수 있어 침전조의 유출수를 더욱 맑게 만듭니다.
1. 박테리아
박테리아는 단{0}}세포 유기체입니다. 활성슬러지 속에는 다양하고 수가 많으며 크기가 작으며 유기물을 흡착하고 분해하는 능력이 강하여 폐수처리에 중요한 역할을 한다.
활성슬러지 배양의 초기 단계에서는 폐수에 박테리아가 거의 존재하지 않습니다. 슬러지가 점차적으로 형성됨에 따라 점차적으로 더 큰 그룹으로 모이게 됩니다.
(1) 플록: 이는 박테리아와 이들이 분비한 젤라틴 물질로 구성된 작고 눈에 보이는 입자입니다. 활성 슬러지에 있는 대부분의 박테리아는 플록 형태로 존재하는 젤라틴 물질에 둘러싸여 있습니다. 플록은 활성슬러지의 구조적, 기능적 중심으로서 흡착, 산화분해, 응고침전 등의 특성을 가지고 있습니다.
(2) 필라멘트성 박테리아: 캡시드 유무에 관계없이 세포가 서로 연결되어 필라멘트를 형성하는 박테리아 유형입니다. 사상균은 종종 박테리아 플록에 부착되어 얽혀 오염 슬러지의 골격을 형성합니다. 그러나 대량으로 증식할 경우 활성슬러지의 응집성 및 침전성을 악화시킬 수 있으며, 심한 경우에는 슬러지 벌킹을 유발할 수 있다.
(3) 질화세균 질화세균은 암모니아와 아질산염을 분해할 수 있는 자가영양세균의 일종이다. 여기에는 독립적인 계열-질산화 박테리아군에 속하는 *질산화 박테리아*와 *질화 박테리아*라는 두 개의 생리학적 하위 그룹이 포함됩니다. 질화 박테리아는 CO2를 유일한 탄소원으로 사용하여 질산화를 통해 무기 화합물을 산화함으로써 대사 요구를 충족시키기 위해 에너지를 얻습니다. 이들은 전형적인 화학독립영양세균이다. 질산화균은 호기성 조건에서 NH3를 NO2-로 산화시키고, 이를 다시 NO3-로 산화시켜 성장에 필요한 에너지를 얻는 과정을 의미하는 질산화작용을 가지고 있습니다. 첫 번째 단계인 NH3가 NO2-로 산화되는 과정을 질산화 또는 암모니아 산화라고 하며 질산화 박테리아에 의해 완료됩니다. 두 번째 단계인 NO2-가 NO3-로 산화되는 과정을 질산화라고 하며, 박테리아를 질화시키면 완성됩니다. 따라서 일반적으로 논의되는 질산화에는 실제로 아질산염 산화 박테리아에 의한 질화와 질화 박테리아에 의한 질산화의 두 단계가 포함됩니다.
(4) 탈질세균 : 탈질세균은 화학종속영양세균이다. 산소-가 부족한 조건에서는 질산염을 아질산염으로 환원시키고, 더욱이 아질산염을 질소 가스로 환원시켜 에너지를 얻습니다. 이는 본질적으로 질화 박테리아의 기능과 반대입니다(자연은 이런 방식으로 흥미롭습니다. 두 가지 다른 유형의 박테리아가 질소 순환을 달성합니다). 탈질세균은 토양과 폐수에 널리 분포하여 조경 수처리, 도시 하천 관리, 양식 처리에 중요한 역할을 합니다.
(5) 가수분해 산성화 박테리아: 이는 혐기성 환경에서 생명 활동을 위해 크고 복잡한 유기 분자를 활용할 수 있는 박테리아입니다. 가수분해는 복잡하고 불용성인 중합체가 단순한 가용성 단량체 또는 이량체로 전환되는 과정입니다. 상대적 분자량이 크기 때문에 고-분자량-유기물은 세포막을 통과할 수 없으므로 박테리아가 직접 이용할 수 없습니다. 이들은 먼저 박테리아 세포외 효소의 가수분해 작용에 의해 더 작은 분자로 전환됩니다. 이 단계의 가장 일반적인 특징은 생물학적 반응이 세포외에서 일어난다는 것이다. 박테리아는 세포외 유리 효소 또는 세포벽에 부착된 고정된 효소를 방출하여 생체촉매 산화 반응을 완료합니다.
등등... 박테리아의 종류가 너무 많아서 일단 여기서 멈추겠습니다. 단일 박테리아 종에 대한 자세한 소개는 나중에 제공될 수 있습니다.
2. 원생동물
원생동물은 작고 단순하며 낮은 수준의-단세포-동물입니다. 폐수처리로 인한 활성슬러지에는 다수의 원생동물이 존재합니다. 그들은 유기 입자를 섭취하여 폐수 정화에 참여합니다. 더욱이 원생동물은 환경 조건에 민감하기 때문에 환경 변화에 따라 그 구성과 양이 변합니다. 따라서 이들은 종종 지표 유기체로 사용됩니다. 일반적인 예로는 보르티셀라(vorticella), 아메바, 편모충, 수영 섬모 등이 있습니다. 이들 미생물이 전체의 80% 이상을 차지한다. 개체수가 1000/mL를 초과하면 정화효율이 높은 활성슬러지로 간주됩니다.
3. 소후생동물
활성슬러지의 주요 미세후생동물은 로티퍼와 선충류입니다. 일반적으로 활성슬러지 내 미세한 후생동물의 수는 상대적으로 적습니다. 그러나 저부하-부하 활성 슬러지, 특히 폭기 기간이 연장된 활성 슬러지에서는 로티퍼와 올리고모류가 때때로 우세한 종이 될 수 있습니다.
04 활성슬러지의 성능지표 미생물 군집은 주로 박테리아, 원생동물, 후생동물로 구성되며, 박테리아와 원생동물이 두 가지 주요 범주입니다. 활성 슬러지의 성능 지표에는 MLSS(혼합액 부유 고형물), SV(슬러지 침전 비율), SVI(슬러지 부피 지수) 및 SDI(슬러지 밀도 지수)가 포함됩니다.
혼합액 부유 고형물(MLSS)은 폭기조 내 혼합액의 단위 부피에 포함된 활성 슬러지 고형물의 총 중량을 나타냅니다. 즉, 다음과 같습니다.
MLSS=Ma + Me + Mi + Mii
Ma – 대사적으로 활동적인 미생물 군집.
나 – 미생물(주로 박테리아)의 내인성 대사 및{0}}자기 산화로 인한 잔류물
Mi – 박테리아가 분해하기 어려운 불활성 유기물로서 원폐수에 의해 운반됩니다.
Mii – 폐수에 포함된 무기물.
단위는 mg/L 또는 kg/m3입니다.
혼합액 휘발성 부유 고형물(MLVSS)은 혼합액의 활성 슬러지 내 유기 고형물의 농도를 나타냅니다. 즉, 다음과 같습니다.
MLVSS=Ma + 나 + Mi
MLVSS 대 MLSS의 비율은 f로 표시됩니다. 일반적인 상황에서 f 값은 생활 폐수의 경우 약 0.75로 상대적으로 고정되어 있습니다.
MLVSS와 MLSS는 모두 생물학적 처리조의 슬러지 농도를 반영하는 데 사용할 수 있습니다. 일일 데이터 비교를 통해 활성 슬러지의 성장을 확인할 수 있습니다. 그러나 MLVSS는 무기물을 배제하여 실제 미생물 수에 가까운 값을 가집니다.
30분 침강률이라고도 알려진 슬러지 침강 속도(SV)는 혼합액이 눈금 실린더에 30분간 침강한 후 형성된 침전 슬러지의 부피를 백분율(%)로 표시한 것입니다.
활성 슬러지 배양의 초기 단계에서 침전 속도를 사용하여 초기에 슬러지 성장을 관찰할 수 있습니다. 일반적으로 정상적이고 안정적인 활성 슬러지 SV는 20~35%입니다. SV가 낮을수록 슬러지 농도가 부족함을 나타내고, SV가 높을수록 슬러지 성장이 지나치게 빠르다는 것을 나타냅니다(과도한 탄소원으로 인해 영양분 과잉).
슬러지 지수라고도 알려진 슬러지 부피 지수(SVI)는 폭기조 출구에서 혼합액에 침전된 지 30분 후 건조 슬러지 1g당 침전된 슬러지의 부피(mL)입니다. 슬러지 부피 지수 계산 공식은 다음과 같습니다.
SVI=SV/MLSS
SVI는 슬러지의 침전 성능을 평가하는 데 사용되며 정상 범위는 일반적으로 70~150mL/g입니다. 낮은 SVI 값은 낮은 슬러지 활성과 높은 무기물 함량을 나타냅니다. 높은 SVI 값은 잠재적인 슬러지 벌킹과 낮은 침전 성능을 나타냅니다.
일반적으로 밀도라고 하는 슬러지 밀도 지수(SDI)는 SVI의 역수입니다.