생물학적수처리(총질소, 총인 제거, A2O)

A2O 공정의 역사

• 1950년대 후반 유럽에서 처음으로 생물학적으로 질소를 처리하는 공정이 연구되었습니다.
• 1957년에 Wuhrmann이라는 사람이 암모니아성 질소를 질산성 질소로 질산화 시켜 탈질시키는 공정을 만들어냅니다.
• 1960년대에 이르러 탈질조에 외부 탄소원으로 메탄올을 첨가하여 탈질 반응을 촉진시키는 공정을 개발했습니다.
• 1962년 미국에서는 탈질조를 호기조 전단에 설치하여 호기조에서 질산화 된 혼합액을 탈질조로 순환시켜 메탄올 대신 유입수의 유기물을 이용하여 처리하는 방법을 고안해 냈습니다.
• 1960년대 후반 하수처리장 최종침전지 유출수의 인산염인의 농도가 폭기조 유출수의 인산염인 농도보다 높다는 사실을 알게 되었고 슬러지의 혐기성상태에 인을 방출하고 호기성 상태에 과잉섭취가 일어나는 것을 발견합니다.

• A2O 공정은 이 두 가지를 이용하여 고안해 낸 생물학적 질소 인 제거 공정이라고 보시면 됩니다.

 

A2O 공정이란?

A2O 공법은 Anaerobic-Anoxic-Oxic의 약자입니다. 하수처리에서 질소와 인을 동시에 제거할 수 있게 만들어진 공법으로 혐기, 무산소, 호기 상태를 적절하게 설정하여 각 환경에 맞는 특정 미생물들을 이용하여 질소와 인을 효과적으로 제거합니다.
 

Anaerobic : 혐기

• 목적 : 인 방출 및 유기물을 분해합니다.
• 원리 : 혐기적 조건에서는 산소와 질산염(NO3)이 없어 특정 미생물(PAOs, Phosphorus Accumulating Organisms)이 내부에 저장된 에너지원(폴리인산염)을 분해하여 인을 방출합니다. 이 과정에서 유기물을 에너지원으로 사용하게 됩니다. 
• 인 방출 : PAOs는 폴리인산염을 세포에 축적시킬 수 있는 미생물을 말합니다. 이 미생물은 혐기성 조건에서 내부에 축적했던 인산염을 분해하여 인을 외부로 방출합니다. PAOs가 세포 안에 있던 인산염을 분해하고 방출하면서 동시에 유기물을 분해해서 에너지(ATP)를 만들어 냅니다. PAOs는 분해된 유기물을 이용해서 대사 과정을 통해 ATP(아데노신 삼인산)를 생성합니다. 이때 생성된 에너지인 ATP는 호기조에서 인을 세포 내로 흡수하여 폴리인산염을 합성하는 데 사용합니다. 

Anoxic : 무산소

• 목적 : 탈질 및 인 과잉 흡수
• 원리 : 무산소 조건에서 질산염을 전자 수용체로 사용하는 미생물을 이용합니다. 이 미생물은 유기물을 분해하며 질산염을 질소 가스로 탈질 시키는 역할을 합니다. 또한 혐기조에서 방출한 인을 PAOs가 다시 흡수하는 반응이 이루어집니다. 유입수 내 유기물을 이용하여 질산염을 환원시키고 공정의 효율성을 높여줍니다.
• 질소제거 : 무산소조 내의 미생물은 NO3를 이용하여 유기물을 분해하며 이 과정에서 N2가스로 환원됩니다. 환원된 N2가스는 대기 중으로 방출되어 하수 중의 질소가 제거됩니다. 질소제거 반응은 질산염을 전자 수용체로 사용하여 유기물을 산화시키는 미생물이 주도합니다.
• 인 흡수 : 인 흡수 과정은 혐기조에서 PAOs가 방출한 인을 ATP 등을 이용해서 다시 폴리인산염 형태로 미생물 내에 축적됩니다. 단, 호기조에서 일어나는 인 흡수에 비해 매우 미미한 수준입니다.

• 혐기조와 무산소조의 차이점 : 혐기조에는 산소가 없으며 또 다른 전자수용체 또한 없는 상태를 말합니다. 하지만 무산소조에는 산소는 없지만 NO3와 같은 다른 형태로 존재하는 전자수용체들이 존재합니다. 무산소조에서는 질산염과 같은 다른 대체 전자수용체를 이용해 미생물 활동이 일어날 수 있습니다.

Oxic : 호기

• 목적 : 유기물 제거 및 질산화
• 원리 : 호기조에서는 충분한 산소 공급을 통해 남아있는 유기물이 미생물에 의해 분해되기도 하며, 암모니아성 질소가 질산성질소가 되는 질산화 반응이 일어납니다. 이 단계는 유기물과 질소 제거에 매우 중요한 역할을 하는데요, 호기조에 들어온 NH3가 NO3가 되며 무산소 조에서 탈질 되기 위한 준비를 마치게 됩니다. 이 과정에서 DO가 부족하면 질산화가 잘 이루어지지 않게 되고 NO3로의 전환율이 낮아지면 무산소조의 탈질률 또한 낮아지게 됩니다. 또한 인 과잉흡수를 통해 인을 제거하는 과정도 호기조에서 일어납니다.
• 질소제거 : 잘 알려진 바와 같이 호기조에서는 암모니아성 질소를 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 질산화 하는 반응이 일어납니다. 암모니아에서 아질산성질소로 변화하는 과정에서는 AOB(Ammonia oxidizing bactera), 다시 질산성 질소로 전환하는 과정은 NOB(Nitrite Oxidizing bacteria)에 의해 일어납니다.
• 인 과잉 흡수 : 인 과잉흡수 과정은 혐기조에서 PAOs가 방출한 인을 ATP 등을 이용해서 다시 폴리인산염 형태로 미생물 내에 축적됩니다. 대부분 혐기조에서 방출된 인은 호기조에서 과잉 흡수를 통해 제거됩니다. 

 
이상으로 A2O 공정에 대한 설명을 마치도록 하겠습니다.