폐수 처리 공정에서 영양염류 제거의 중요성과 생물학적 처리 방식 및 반응조 설계의 주요 고려사항 doc_id PCY_201705230336248041_4

최근에는 방류수역의 부영양화가 문제되면서 수중의 영양염류 제거가 폐수처리의 중요한 사항으로 대두되고 있다. 어떤 원소가 부영양화의 제한원소인가에 대하여서는 아직도 논란이 있으나 질소나 인이 가장 빈번히 거론되고 있다. 질소와 인을 함유한 방류수는 호소의 부영양화를 가속시킬 수 있고 하천에서 조류와 수생생물 성장을 촉진할 수 있으며, 심미적인 면에서 불쾌감을 줄 수 있다. 또한 방류수의 질소농도가 높은 경우 수중의 용존산소를 고갈시키고, 수중생물의 독성을 유발하며, 염소소독의 효율에 영향을 끼치고, 공중보건상의 위해를 야기하는 등의 부정적인 영향을 나타낼 수 있기 때문에, 질소와 인은 처리수의 배출시 고려하여야 할 영양염류이다. 일반적으로 공공폐수처리시설은 부유물질과 생물학적 분해가 가능한 유기물질을 제거하는 활성슬러지법에 의한 2차 생물학적 공정으로 설계되어 있는데, 이러한 2차처리 공정으로는 인과 질소의 제거효율이 각각 10〜30%, 30〜50% 정도로 매우 낮은 수준을 보이고 있다. 부유성장식 질소제거 공정은 단일슬러지 공정(Single-sludge system)과 이단 슬러지 공정(Two-sludge system)으로 분류할 수 있다. 단일슬러지 공정은 단지 하나의 고형물 분리장치가 공정에 사용됨을 의미하며, 활성슬러지 반응조는 무산소와 호기조건으로 나눠지고 혼합액이 하나의 반응조에서 또 다른 반응조로 반송되지만 고액분리는 일반적으로 2차침전지에서 한번만 이루어지게 된다. 이단 슬러지 공정은 유기물 제거 및 질산화를 위한 포기조와 탈질을 위한 무산소조로 구성되며, 각 반응조마다 침전지가 있어 두 곳에서 슬러지가 발생한다. 단일단계 슬러지 생물학적 질소제거 공정은 무산소조의 위치에 따라서 포기조 전단에 무산소조가 위치한 전탈질공정, 무산소조가 포기조 다음에 오는 후탈질공정, 질산화와 탈질이 동일한 반응조에서 동시에 일어나는 동시 질산화탈질 공정으로 분류된다. 혐기성폐수처리공정은 미생물의 성장환경에 따라 크게 부유성장식 공정과 부착성장식 공정으로 분류할 수 있다. 부유성장식 공정에는 슬러지의 반송유무에 따라 혐기성 완전혼합형 공정(anaerobic complete-mix process) 및 혐기성 연속회분식 공정(anaerobic sequencing batch reactor), 그리고 혐기성접촉공정(anaerobic contact process)과 상향류식 혐기성슬러지블랭킷공정(uplow anaerobic sludge blanket process ; UASB) 등이 있다. 부착성장식 공정에는 미생물의 부착형태 및 매체의 충진 형태에 따라 혐기성 고정상 공정(anaerobic fixed film(bed) process), 혐기성 팽창상 공정(anaerobic expanded bed process) 및 혐기성 유동상 공정(anaerobic fluidized bed process) 등이 있다. 이러한 혐기성 폐수처리 공정 이외에도 혐기성지(anaerobic pond)와 같은 공정도 있으나, 일반적으로 처리효율이 낮고, 소요부지 면적이 매우 커서 현실적으로 공공폐수처리시설에서는 적용이 불가능하다. 부유성장식 공정(浮遊成長式 工程: suspended growth process)은 미생물이 폐수와 미생물의 혼합액(mixed liquor)내에서 공기공급이나 기계적인 교반에 의해 부유상태로 성장하면서 폐수내의 각종 유기물을 효소에 의해 분해하여 이용가능한 유기물로 만든 후 새로운 세포나 최종생성물로 전환시키는 생물학적 처리공정이다. 포기조로부터 유출된 미생물은 2차침전지에서 중력침전에 의해 고액 분리되고 상징수는 처리수로서 방류된다. 고액 분리된 미생물의 재이용을 위하여 포기조로 반송되는 것이 일반적이며 미생물중 일부는 주기적으로 제거된다. 이러한 호기성 부유성장식공정은 현재 2차처리에서 가장 많이 사용되는 공정으로 이를 기반으로 여러 새로운 공정의 개발 및 시도가 계속 진행되고 있다. 호기성 부유성장식공정은 포기장치를 이용하여 필요한 산소량을 공급하며 미생물의 부유성 유지 및 미생물과 유기물과의 접촉기회 향상을 위하여 반응조내에서의 혼합특성이 매우 중요하다. 반응조의 선정에 대한 첫 번째 고려사항은 반응조형태에 따른 반응공학적인 측면으로, 반응조로 흔히 쓰이는 두 종류로는 완전혼합형(continuous flow stirred tank)반응조와 플러그흐름형(plug flow)반응조가 있다. 이론상으로는 1차반응인 경우 플러그흐름형반응조가 완전혼합형반응조보다 유리하지만, 실용적인 관점에서 완전혼합형반응조와 플러그흐름형반응조의 차이가 거의 없는 것은, 이상적인 플러그흐름을 유지하기가 어렵고, 폐수내 용존 및 고형물의 제거율은 미생물농도에 대하여는 준(準)1차반응이지만 기질농도에 대하여는 거의 영차반응에 가깝기 때문이다. 이러한 경향은 하수처리에서 두드러진다. 다음은 완전혼합반응조와 플러그흐름반응조의 특징이다. 완전혼합형 반응조는 유입폐수가 포기조내에서 유입직후 급속히 분산되며 MLSS, 미생물호흡율 및 용존성 BOD농도가 반응조 전체에 걸쳐서 거의 균일하다. 따라서 포기조 전체혼합액과 유출되는 액의 상태가 같기 때문에 적은 양의 유기물을 상대적으로 많은 미생물이 이용하게 된다. 따라서 완전혼합형반응조는 유기물부하의 급작스런 변동이나 독성물질에 의한 충격에 강하다. 완전혼합형 반응조의 형상은 일반적으로 직사각형, 정사각형, 원형이 있다. 반응조의 치수는 포기장치에 의한 혼합형태에 따라 달라지며 포기조의 혼합상태에 영향을 미치는 요소로는 길이대 폭의 비, 공급되는 공기량 및 동력량, 그리고 포기조내 폐수의 유속에 따라 달라진다. 일반적으로 적절한 체류시간과 혼합의 강도를 가진 직사각형 및 원형포기조의 경우 포기장치에 상관없이 완전혼합에 가깝다고 할 수 있다. 그리고 기계식포기장치를 장착한 길이가 긴 반응조에서도 완전혼합형에 가까운 혼합특성을 보여주고 있지만, 일반적인 완전혼합형 반응조 설계시에는 길이대 폭의 비를 3 : 1 이하로 해야 한다. 폐수를 활성슬러지공정으로 처리하는 경우에 중요한 환경적 요구사항은 온도와 pH이다. 일반적으로 특정 미생물을 배양하기 위한 온도와 pH의 범위는 대부분의 미생물이 살아남을 수 있는 범위에 비해 매우 좁다. 온도는 미생물의 반응속도, 포기효율, 슬러지의 침전 등에 영향을 미치는 중요한 환경인자이다. 온도가 적정한 범위보다 낮을 경우 미생물의 성장에 심각한 영향을 미친다. 예를 들어 10℃ 감소에 따라 반응속도는 대략 반으로 감소된다. 대개의 경우, 온도변화는 서서히 일어나기 때문에 공정운전의 조절도 이에 따르면 된다. 큰 온도변화가 예상 되는 경우 다단의 완전혼합반응조나 수문에 의하여 반응조의 길이를 조절할 수 있는 플러그흐름 반응조가 효과적으로 이용될 수 있다. 대부분의 미생물은 pH가 9.5 이상이거나 4.0 이하일 경우, 성장에 심각한 저해를 받는다. 일반적으로, 미생물 성장의 최적 pH범위는 6.5~7.5이다. 미생물이 유기물을 섭취분해하는 과정에서는 탄산가스나 기타 생성물에 의하여 pH가 감소하지만, 감소정도가 심하지 않아 pH를 조정할 필요는 없다. 하지만 알칼리도가 극히 낮은 폐수를 처리 하는 경우나 질산화가 발생하는 경우 등에서는 pH조정이 필요한 경우도 있다.