탈질반응과 주변요인(1)

탈질

 Gayon과 Dupetit가 처음으로 언급한 탈질은 NO2-N이나 NO3-N을 환원시켜 N2, N2O, NO 등으로 전환시키는 것으로, 다양한 미생물이 관여하며, Bacillus sp, Pseudomona sp, Archromobacter sp. 등이 대표적인 탈질 미생물로 알려져 있다. 이들 미생물들은 유기물을 전자 공여체로 사용하고 NO2-N과 NO3-N을 전자수용체로 이용하는 종속영양 미생물이다. 탈질미생물은 도시 하수나 슬러지를 포함해서 자연계 도처에서 쉽게 발견되며, 산소나 질산성 질소를 전자 수용체로 사용할 수 있는 임의성 미생물이다. 유기탄소원으로 메탄올을 사용한 경우에 미생물 합성을 고려한 탈질 반응식이다. 1g의 질산성 질소를 탈질 시키는데2.47g의 메탄오 또는 3.7g의 COD가 소모되며 0.45g의 미생물이 합성되고 3.57g의 알카리가 생성된다. 아질산 탈질은 질산 탈질에 비해 40%의 유기탄소원을 절감할 수 있다. 이는 탈질의 반응 경로에 따라 산화-환원 반쪽 반응에 관여하는 전자 수로부터 이론적으로 계산할 수 있다.

 

생물학적 질소 제거 방법

 현재까지 하수 중의 질소 제거를 위한 다양한 질산화-탈질 결합 공정들이 개발되어 왔다. 물론 질소 제거만이 하수 처리의 목적은 아니며, 대부분의 경우는 유기물의 제거가 우선적이다. 또한, 생물학적인 질소 제거 공정, 특히 탈질 공정에서는 질산화 질소의 환원을 위한 유기탄소가 필요하므로 C/N비가 낮아 유기물이 부족한 경우에는 유기물의 첨가에 따른 비용 상승이 문제 되기 때문에,, 이러한 복합적인 문제들을 해결하기 위한 경제적이고 정교한 공법들이 많이 연구되어 왔다. 기계적인 측면에서는 많은 연구자들이 질산화 억제를 통한 유기탄소와 산소 요구량을 감소시킬 수 있고 탈질 속도를 증가시킬 수 있는 아질산 탈질의 장점을 보고하였고, van de Graaf 등과 Strous 등의 독립영양 미생물을 이용하여 NH4-N을 전자 수용체로 사용하는 Anammox 공정에 대해 보고하였으며, 역시 유기물의 첨가가 필요 없는 황을 이용한 독립영양 탈질도 최근 연구되고 있다. 한편, 기존의 종속영양 탈질을 이용한 공정으로는 가장 싼 유기탄소원인 하수 자체의 유기물과 탈질조 앞에 위치한 혐기조에서 황환원균에 의해 생성되는 H2S를 탈질에 필요한 전자 공여체로 사용하는 공정이 개발되었고, C/N비가 높은 경우 생장속도가 빠른 족속 질산화균을 이용하여 질산화와 탈질을 동시에 수행하는 방법도 연구 중에 있다.

 

생물반응조내 질소처리를 위한 운전조건

 공정의 처리 목적은 보다 효율적인 질소 제거 효율을 탈성시키는데 있다. 이러한 질소 제거 효율은 호기성조 내의 완전 질산화와 더불어 내부 반송률에 따라 처리된 방류수질의 질소농도는 다양하게 나타날 것이다. 따라서 일차적으로 유기물 산화 및 완전 질산화를 유도시키기 위해서는 호기성내의 충분한 MLSS, HRT와 산소공급량에 따라 좌우됨으로 유입수질에 따라 최적의 운전인자에 맞게 운영되어야만 할 것이다. 본 공정의 운영에 있어서 보다 효과적인 질소 제거효율을 달성하기 위해서는 기본적으로 다음과 같은 환경인자들을 검토하여 생물반응조 운영관리계획을 수립하여야 한다.

 

알칼리도

 1g의 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화될 EO 4.65g의 산소와 7.14g의 알칼리도가 소비되며 질산성 질소에서 질소가스로 환원될 때에는 2.9g의 산소가 생성되고 3.57g의 알칼리도가 생성되어진다.. 하수의 암모니아성 질소를 생물학적 질산화로 처리하려는 경우에는 그 하수의 암모니아와 알칼리도의 존재비에 유의하지 않으면 안 된다. 하수의 암모니아성 질소가 30mg/L인 경우 암모니아성 질소 전부를 질산화하여도 pH가 떨어지지 않기 위해서는 질산화 반응 후 50mg/L as CaCO3의 알칼리도가 잔조하여아 하며 결국 하수 중에 210mg/L as CaCO3의 알칼리도가 필요하게 되어 일반 하수의 경우 알칼리도가 부족할 가능성이 있다.

 

pH

 질산화를 위한 최적의 pH는 8.4~9.0이나 일반적으로 pH7~8의 범위에서 질산화는 양호하게 일어난다. pH6.6 이하에서는 질산화에 큰 영향을 미칠 뿐 만 아니라 반응조내의 미생물 활동에도 크게 영향을 미친다. 만약 계속된 pH 저하로 질소성분 제거에 영향을 끼치면 인위적으로 무산소조 전단에 NaOH를 투입하여 중성인 pH7~8 범위 이내로 유지해야만 할 것이다.

 

온도

 일반적으로 유기물 산화에 필요한 최적의 온도는 25~35도 이내이며 하수의 온도가 5도 이하일 경우 거의 유기물 제거가 일어나지 않는다. 질산화 반응의 경우 최적의 온도는 22.5~35도이다. 온도가 13도 이하에서는 질산화로 진행되나 매우 느린 속도로 이루어지는 것으로 문헌상에 보고되어 있으며, 탈질 반응의 경우는 0~50도 범위에서 이루어지나 정상적인 운영을 위하여 하수 온도가10~30도가 유지되어야만 한다.

 

DO

 용존산소는 질산화 미생물의 생장 제한 기질로서 작용하는데 이때 산소는 산화 반응시에 사용되며 일반적으로 BOD 1g 제거에 1~1.5g의 산소가 소요되며 NH3 1g을 산화시키는데 필요한 약 4.57g의 산소가 요구되어진다.. 보통 포기조에서 정상적인 운전을 위해서는 용존산소가 약 2mg/L 이상이 유지되어야 하며, 유입하수의 농도에 따라 BOD 제거에 필요한 산소량, 질산화에 따른 산소소비량, 탈질화에 따른 환원 산소량을 감안하여 DO량을 조절해야 한다. 일반적으로 무산소조에서는 산소 분자가 없는 상태에서 농도가 약 0.5mg/L 이하로 유지되어야 한다. 일부 박테리아는 용존산소가 있어도 탈질 과정을 진행하기도 하지만 용존산소의 농도가 1.0mg/L일 때 탈질계수는 거의 0으로 떨어진다. 반면에 호기성조에서는 항상 2mg/L 이상이 유지되어야 만이 유기물 산화 및 완전 질산화를 달성시킬 수 있으므로 각 반응조별 용존산소 농도의 조절에 세심한 주의를 기울여야 할 것이다.