생물학적 처리, 수질오염 방지기술

○ 폐수 중에 함유된 유기물을 박테리아나 원생동물 등의 미생물에 의하여 생물 화학적으로 산화하여 안정화시키는 처리법이다.

 

○ 크게는 산소의 유무에 따라 호기성처리와 혐기성 처리로 나뉜다.

 

 

 

1. 호기성 처리

 

○ 활성슬러지법, 살수여상법, 산화지법, 회전원판법등이 있다.

 

 

1) 미생물의 성장

 

가. 유기물의 분해와 미생물의 성장관계

 

○ 유도기 : 접종된 미생물이 주변환경에 적응하기 시작하며 증식은 하지 않는다.

 

○ 증식단계 : 미생물의 수가 증가한다. 영양분이 충분하다면 미생물은 급격히 증가한다.

 

○ 대수성장단계 : 미생물의 수가 최대속도로 증식하는 구간이다.

 

○ 감소성장단계 : 영양소의 공급이 부족하기 시작하여 증식률 감소하며 사망률과 같아진다. 이 때 생물수가 최대가 된다.

 

○ 내성성장단계 : 생존한 미생물들이 부족한 영양소를 두고 경쟁하는 단계다. 신진대사율 이 감소하고 외부에서 에너지를 얻지 못할 시엔 자기 원형질을 분해하여 에너지를 획득 한다.

 

 

[그림 1] 유기물 분해와 미생물의 증식곡선

[출처] 이학성, 폐수처리공학 강의자료, 울산대학교 OCW, 2009

 

 

나. 생체량의 증식속도

 

 

 

2) 활성슬러지법

 

가. 활성슬러지법

 

a. 개요

 

○ 활성슬러지법은 기본적으로 포기조, 침전조(반응조), 슬러지 반송설비 등으로 구성된 호 기성 처리 과정이다.

 

○ 표준 활성슬러지법이란 1차 침전지를 거쳐 들어온 유입수를 산소가 있는 포기조에 머무르게하여 미생물에 의해 유기물이 섭취 분해되게 하는 방법이다. 성장한 미생물은 폐슬러지가 되던지 포기조로 반송된다.

 

 

 

 

[그림 2] 활성슬러지법의 주요계통도

[출처] 이학성, 폐수처리공학 강의자료, 울산대학교 OCW, 2009

 

 

○ 포기조는 DO를 2.0mg/L 이상 유지하며 pH를 6~8범위로 조정하고 온도는 25~30도 정 도로 맞춰주는게 가장 좋다.

 

 

b. 폐수처리장 운영시 문제점

 

○ 슬러지 팽화현상 : 포기조 내 DO, BOD, pH, 영양분등의 불균형으로 균이 과다 번식하거 나 미생물이 최종침전지에서 쉽게 침전하지 않는 것을 말한다. 포기조의 체류시간을 증 가하거나 BOD부과를 감소시키고 반송슬러지에 염소 등을 주입하여 해결한다.

 

○ floc 해체현상 : 슬러지 중 처리할 세균이 사멸되고 해체되어 조그만 조각으로 되어 떠 오르며, 부패균의 급격한 증식으로 침전조 상등액의 pH가 산성으로 바뀌게 되어 처리반 응이 정지되는 현상이다. 포기조 내 통기량을 감소시키고 과소BOD 부하시 유입 폐수량 을 증가시킨다.

 

○ 슬러지 부상현상: 침전은 잘되나 침전 후 활성슬러지의 탈질산화가 이루어져 생성된 가스가 슬러지표면에 부탁해 부상함으로서 수면에 담갈색 슬러지덩어리가 생기는 것을 말 한다. 침전조의 유효수심을 낮추고 포기조의 포기량을 감소시켜서 해결한다.

 

○ 이 외로는 두꺼운 갈색거품현상, 과도한 흰거품현상, 핀floc현상등이 있다.

 

 

나. 활성슬러지 변법

 

○ 나사식 유형으로 되어있는 포기조를 가진 재래식 공법을 수정한 것이다. Ÿ 유입구 부근은 과부하가 걸려 산소가 쉽게 부족해지고 유출구 부근은 반대로 과포기가 될 수 있으며 충격부하에 취약하다는 단점을 보완하기 위해 만들어졌다.

 

a. 계단식 포기법

 

○ 폐수를 계단처럼 만든 포기조의 길이에 걸쳐 골고루 유입시켜 산소요구량을 균등하게 하여 처리의 균등성을 기하는 방법이다.

 

○ 처리수질은 좋으나 처리의 안정성이 떨어진다는 문제가 있다.

 

b. 장기 포기법

 

○ 세포의 내생호흡기에서 유기물질이 제거되도록 설계된 것이다.

 

○ 잉여슬러지 생산량이 적고 소규모 처리장에 적합하다.

 

○ 장기간 포기로 인해 미생물이 파괴 또는 세분화되어 오히려 처리효과가 악화될 수도 있다.

 

c. 접촉 안정법

 

○ floc의 흡착과 흡착된 floc의 산화 또는 안정화를 별개의 포기조에서 진행시키는 방법이다.

 

○ 유기물의 용적 부하율이 증가되고 포기조의 전체용량은 약 1/2정도로 감소한다.

 

○ 용존성 유기물이 많은 폐수의 유입시 흡착이 완전하지 않아 처리수질이 악화될 수 있다.

 

○ 질산화에 필요한 소도시 하수나 패키지형 처리장에 주로 사용된다

 

d. 고율 및 수정식 포기법

 

○ 미생물의 대수성장단계에서 폐수를 처리시키는 방법이다.

 

○ 포기시간이 짧고, 포기조의 용적과 포기를 위한 동력의 비가 작다.

 

e. 산화구법

 

○ 장기포기법에 기초를 둔 것이다.

 

○ 소규모의 경우 회분식이 있는데, 이는 단일 산화구 내에서 최초침전, 포기, 최종침전 기 능을 다하는 것이다.

 

○ 포기 시간이 매우 길고 처리수질은 표준법과 같으나, 부지면적이 크게 요구되기 때문에 주로 농촌지역에서 이용된다.

 

 

 

3) 살수여상법

 

 

가. 개요

 

○ 폐수 중에 함유된 큰 고형물을 전처리공정의 최초 침전지에서 제거한 후 처리수를 여상 에 유입한다. 여상에서 부착 미생물과 폐수의 유기물의 접촉에 의해 유기물을 분해시키 는 방법이다.

 

○ 최종침전지가 꼭 필요하다.

 

○ 도시하수의 2차처리를 위하여 사용된다.

 

 

나. 살수여상법의 장단점

 

○ 포기에 동력이 필요없고 건설비와 유지비가 적다. Ÿ 폐수의 부하변동 및 독성물질 유입에 덜 민감하고 Bulking또한 문제가 없다.

 

○ 여상의 폐쇄현상이 잘 일어나며 겨울철에 동결문제가 있다.

 

○ 활성슬러지법에 비해 효율이 낮다. 다. 살수여상법의 종류

 

○ 표준살수여상(저율살수여상) : BOD부하를 낮게 설정해 운전하기 때문에 정화효율이 우 수하고 질산화가 진행된 처리수를 얻을 수 있지만 넓은 부지면적을 필요로 하며 과부하 에 민감하다.

 

○ 고율살수여상 : 여상을 통과한 순환수를 재순환 시켜 유입수와 합류한다. 따라서 여과속 도가 높고 대규모 처리에 유리하다. 하지만 BOD제거율이 낮으며 침전성도 약하다는 단 점이 있다.

 

 

라. 살수여상의 설계공식

 

 

 

 

4) 회전원판법

 

가. 개요

 

○ 반응조에서 저류된 폐수면보다 약간 높에 설치된 수평회전축에 여러 개수의 원판을 수 직으로 고정시켜 만든 원판 표면의 홈에 미생물막이 형성된다. 그 회전장치가 회전시 미 생물이 유기물을 섭취하고 그 부분이 대기에 노출될 때 산소를 전달받아 호기성조건에 서 폐수가 처리되게 하는 공법이다.

 

○ 영어로 RBC공법이라고 간략하게 부른다.

 

 

[그림 3] 회전원판법 모습도

[출처] 이학성, 폐수처리공학 강의자료, 울산대학교 OCW, 2009

 

 

나. RBC공법의 특성

 

○ 질소제거가 가능하며 저농도에서 고농도의 BOD처리가 가능하다 Ÿ 잉여 슬러지 생산량이 적고 충격부하에도 잘 버틴다

 

 

○ 포기와 반송슬러지가 필요없고 동력비가 싸며 운전이 용이하다.

 

○ DO는 1mg/L 이상은 유지해야한다.

 

○ 회전원판의 미생물층이 백색일 경우 과잉번식 되었다고 본다.

 

 

다. 계산공식

 

 

 

5) 산화지법

 

가. 호기성 산화지법

 

○ 폐수 중의 유기물이 호기성 세균에 의해 산화되어 발생하는 생성물이 조류의 광합성에 이용되고, 이때 조류가 생성한 산소는 호기성세균의 신진대사에 재이용되는 공생관계를 유지시켜 폐수를 처리하는 법이다.

 

○ 수심이 1~5m이며 DO는 조류의 산소생산량에 의존한다.

 

○ 조류의 산소생성률, 광합성작용은 수온과 일조시간에 의존한다.

 

○ 겨울철에는 BOD제거율이 급감하며 야간에는 DO가 부족하다.

 

 

 

나. 혐기성 산화지법

 

○ 유기물이 분해시 1,2단계로 분해되는데 1단계는 유기산으로 되어 냄새가 많이나며 2단 계에서 최종적으로

 

 

○ 고농도 유기물 폐수 처리에 적합한 공법이다.

 

○ 체류시간이 30~60일 정도여야 한다.

 

○ 과도한 충격부하에도 적응성이 높다.

 

 

 

 

 

 

2. 혐기성 처리

 

○ 산소공급의 제한이 있는 환경에서 유기물질의 농도가 매우높은 폐수처리는 쉽지않다. 따 라서 혐기성 반응에 의하여 처리하게 된다.

 

○ 고농도의 유기물을 처리할 수 있지만 불완전한 반응으로 인하여 제거율이 낮다.

 

○ 긴 시간이 반응을 위해 필요하며 무기성 영양소와 적당한 염기도가 필요하다.

 

○ 슬러지가 적게 생산되며 영양소도 적게 필요로 한다는 장점이 있다.

 

 

1) 혐기성 처리 개요

 

[그림 4] 혐기성 처리 과정

[출처] 이학성, 폐수처리공학 강의자료, 울산대학교 OCW, 2009

 

○ 분자상태의 용존산소가 존재하지 않는 조건에서 유기물의 전자당량(BOD)을 탄소가 가장 환원된 형태인 메탄으로 변환시키는 과정을 말한다.

 

○ 혐기성 반응은 두가지 과정으로 구분된다.

 

 

 

2) 혐기성 반응의 영향인자

 

가. pH

 

○ 생성균(유기산균)은 pH5.5 이하에서는 성장이 저해되며, 메탄생선균은 pH6.5이하에서 성장이 저해됨을 주의한다.

 

○ 일반적으로 6.5~7.6 정도를 유지하지만 최적의 조건은 7.2~7.4이다.

 

나. 온도

 

○ 메탄균의 생존온도는 0~80도이며 최적온도에 따라 저온메탄균, 중온균, 고온균으로 분류 한다.

 

○ 고온영역에서 운전되는 반응조의 경우 중온 반응조에 비해 25~50%정도 메탄가스 발생 량이 더 많다.

 

다. 교반

 

○ 온도의 성층화를 방지하고 조대입자의 침전을 줄이며 상층부에서 스컴이 발생되는 것을 막기 위해 기계적인 교반을 필요로함

 

라. 저해요인

 

○ 대다수의 물질은 저농도에선 반응을 촉진시키나 고농도에선 저감 또는 독성효과를 갖게 된다.

 

○ 중금속류, 암모니아, 다가의 양이온, 등이 그 예이다.

 

 

 

3) 메탄발생률

 

 

 

4) USAB법

 

가. 개요

 

○ Upflow anaerobic sludge blanket의 약자이다.

 

○ 생물 자신이 가진 자가군집형성 기능을 이용하여 충진재, 접촉재와 같은 생물막 부착 담 체를 이용하지 않고서도 침강성이 뛰어난 입상화 미생물을 형성시켜 고농도의 생물량을 반응기 내에 유지하도록 하는 일종의 자기고정화 방식의 메탄발효법이다.

 

○ 반응기의 구조는 배수유입부, 슬러지 베드부, 슬러지 블랭킷부 및 가스슬러지 분리장치 등으로 구성되있다.

 

 

나. USAB의 장단점

 

○ 고농도의 미생물을 유지할 수 있다.

 

○ 고가의 충진재가 불필요하기 때문에 경제적이다.

 

○ 저농도나 저온에서의 처리가 더욱 효율적이다.

 

○ 체류시간을 감소시킬 수 있어 이에 따른 반응조 용량의 감소를 불러올 수 있다.

 

○ 입상화 미생물의 형성을 위한 기술과 노력이 필요하다.

 

○ 입상화 미생물의 형성 후에도 유실방지를 위해 주의를 기울여야한다.

 

 

5) 생물막법

 

가. 개요

 

○ 담체에 표면에 미생물을 성장시키고, 그 사이에 하수를 흘려보내 오염물질을 분해하여 제거하는 방식이다.

 

○ 담체의 형상 충전 방식의 차이에 따라 살수여상, 호기성 여상, 회전원판법 등으로 나뉜다.

 

 

나. 특징

 

○ 부하 변동에 강하고 동력비가 적다.

 

○ 저온과 저농도에서의 처리 효율이 좋다

 

○ 슬러지 발생량이 적으며 고액분리 또한 잘된다.

 

 

6) 자기조립법

 

가. 개요

 

○ 교반을 부가함으로서 미생물이 형성하는 조립체를 이용해 처리하는 방법이다.

 

○ 완전혐기성 자기조립법, 호기성 자기조립법, 통성 혐기성 자기조립법 등이 있다.

 

 

나. 특징

 

○ 균체를 고농도로 유지할 수 있다.

 

○ 고부하 운전이 가능하다.

 

○ 조립되는데 시작이 느리며 저농도 폐수처리시 인 제거는 되지 않는다.

 

 

 

참고문헌

 

1. 이학성, 폐수처리공학 강의자료, 울산대학교 OCW, 2009

 

 

 

 

 

EG-TIPS 에너지온실가스 종합정보 플랫폼 (energy.or.kr)

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