고도처리의 이론

 생물학적 처리의 대상이 되는 무기물질은 질소와 인 이다.. 이 두 물질은 조류와 플랑크톤의 중요한 영양물질로서 호수, 저수지 및 기타의 폐쇄수역을 부영양화하는 주요 원인 물질이므로 수자원 등의 보호를 위하여 제거된어야 한다. 하수 중의 질소는 주로 용존성 및 입자성의 암모니아, 또는 유기질소의 형태로 있다. 용존 유기질소로는 주로 요소와 아미노산의 형태로 있다. 미처리된 하수 내에는 아질산염 또는 질산염은 거의 없거나 또는 없다. 암모니아는 물에서 분자인 암모니아와 이온인 황화질소의 두 가지 형태로 존재하는데 그 분포도는 PH에 따라 다르다. 중성에서는 99%가 이온의 형태로 존재하며 PH상승에 ᄄᆞ라서 이온은 감소하고 분자는 증가한다. 암모니아나 아질산성질소와 같은 환원된 형태는 소독에서 염소 요구량을 증가시키며, 수중의 DO를 고갈시켜 어패류 폐사의 원인이 된다. 또한 높은 온도의 PH에서는 물고기에 독성을 끼치는 암모니아가 증가하게 된다. 조류의 성장을 촉진시켜 강이나 호수의 부영양화를 유발하며, 발암성물질인 니트로사민을 형성하고 아질산성 질소와 함께 헤모글로빈의 철을 산화시켜 산소전달을 방해하는 청색증을 유발하기도 한다. 이러한 이유 때문에 질소 제거에 대한 필요성은 이미 오래전부터 대도 되었으며,, 근래에는 온실효과,, 산성비, 오존층 파괴 등의 원인이 되는 NO,N2O 등이 질산화나 탈질 공정 등의 수처리 공정에서도 방충되는 것으로 밝혀져 또 다른 문제가 제기되고 있다. 수중의 암모니아의 농도를 N으로 나타낸다. 그런데 질산화 프로세스에서는 용존 암모니아의 농도를 그 자체의 NN농도보다는 질소의 농도로 나타낸다. TKN에서 탄수화물에 결합된 암모니아와 암모니아 및 질산이 포함된다. 인은 폐쇄수역의 부영양화 과정에서 질소보다도 더 중요한 제한물질로 작용할 수 있다. 이산화탄소와 질소는 대기의 구성 물질이기 때문에 그 평형 농도가 있을 수 있지만, 인은 그렇지 않기 때문이다.

 

질소제거이론

 생물학적 질소 제거는 크게 세 가지로 나눠지는데, 첫째는 환원된 형태의 질소를 질산성질소로 산화시켜 산소 소모 및 독성효과를 줄이는 질산화이며,, 둘째는 산화된 형태의 질소를 질소가스로 환원시키는 탈질이며, 셋째는 주로 재래식 생물학적 공정에서 이루어지는 슬러지로 동화로서, 약 20~30%의 질소가 동화된다고 알려져 있다. 일반적인 생물학적 질소 제거 공정은 질산화와 탈질 공정으로 이루어져 있으며 질산화와 탈질에 관여하는 미생물의 종류와 특성이 다양하기 때문에 관여하는 미생물과 하수의 특성, 기타 조건 등에 따라 운전방식과 제거 기전이 달라진다.

 

질산화

 생물학적 질산화는 환원된 형태의 질소 화학물의 산화를 의미한며, 1862년,1862년 Pasteur가 토양에서의 질산화가 미생물에 의한 것임을 최초로 제안한 후, Schloesing와 Muntz에 의한 최초로 증명되었고, Winogradsky에 의해 현대 질산화 연구의 기초가 마련되었다. 질산화는 생물학적 질소 제거에서 처리효율의 가장 중요한 척도이며, 탈질에 의한 완벽한 질소 제거를 위한 전제조건이다. 질산화에 관련된 미생물은 여러 종류가 있으나 가장 중요한 미생물종은 Nirtosomonas sp.와 Nitrobacter sp.로 대표되는 독립 영양균을서, 이들 두 미생물종은 무기질소 화학물을 산화시킴으로써 성장 에너지를 얻으며, 수중의 탄산염을 세포 합성에 필요한 탄소원으로 사용한다. 암모니아성 질소가 Nitrosomonas에 의하여 아질산성 질소로 산화되는 경우에는 암모니아성 질소 1mole당 58~83kcal의 자유에너지가 방출되며, 아질산성 질소가 Nirobacter에 의하여 질산성 질소로 산화될 때는 아질산성 질소 1mole 당 15.4~20.9kcal가 방충된다. 따라서 아질산성 질소의 산화보다 암모니아의 산화에서 더 높은 에너지가 방출되므로 Nitrosomonas의 성장 계수가 Nitrobactr의 성장 계수보다 크다. 질산화조의 정상적인 운영을 위해서는 PH 조정과 DO 조절 등이 요구되며, 이외에도 질산성질소 부하, 온도, 독성물질, 유기물, 미생물 수등이 질산화 공정에 영향을 줄 수 있다. 일반적으로 질산화를 위한 최적 PH는 8~9, 얘는 2mg/L 이상으로 알려져 있다. PH의 영향에 대해서는 PH가 단지 방해 작용만 할 뿐 독성을 나타내지는 않는다고 보고되었으며, DO의 영향에 대해서 Hanaki등은 낮은 DO에서 아질산화가 억제된다고 보고하였고 Wiesmann은 DO가 유기물 제거 속도보다 질산화 속도에 더 영향을 미치며, 특히 NO2-N의 산화에 큰 영향을 준다고 보고하였다. 유기물도 질산화에 영향을 미치는 중요한 요소로, 유기물과 질소의 비는 질산화 능력과 높은 상관성이 있으며, BOD/TKN비를 낮추어 주면 질산 화미 생물의 분포비가 높아져질산화율이 향상될 수 있다고 보고되고 있다. 유기물이 첨가되면 이를 이용하는 종속영양군의 증식이 활발해지고, 상대적으로 질산화 미생물의 증식은 감소하게 되며, 게다가 산소가 유기물의 분해에 사용되어 질산화에 영향을 미치게 된다. 한편, 살수 여상의 경우 유출수의 BOD 농도가 5~10mg/L에서 질산화가 방해를 받지 않았으며, 종속영양 미생물이 존재하는 경우 이들의 활동이 질산화 미생물에 필요한 성장 요소를 제공함으로써 질산화 미생물의 활성을 오히려 높이고, slime을 형성하여 질산화 미생물의 부착성을 향상한다는 보고도 있다. 또한 Abeliovich는 산화구를 이용한 도시하수 2차 처리수의 질산화에 대한 연구에서 TCOD 500mg/L 이상의 높은 하수에서도 종속 영향 미생물의 영양분을 이용하여 질산화 미생물이 생존할 수 있다고 보고하였으며, Bock 등은 Nitrobacter sp.가 종속영양 미생물처럼 유기물을 이용하여 탈질을 수행하면서 성장할 수 있다고 보고하였다. 한편 전체 반응에 대한 질산화 미생물의 성장 계수는0.17g VSS/g N 또는 0.04 VSS/g 02로 종속영양균과 비교하여 질소 기준은1/4배, 산소기준 약 1/201/20배 정도 성장 속도가 느리다. 따라서 적당한 양의 질산화 미생물을 유지하기 위해서는 충분한 SRT가 요구된다.