질산화란 무엇일까요?

총 질소 제거의 핵심과정 질산화

질산화는 하수처리 공정에서 질소를 제거하는데 탈질화와 더불어 매우 중요한 단계 중 하나입니다. 이 글에서는 질산화의 정의부터 하수처리장에서 질산화가 어떤 역할을 하는지, 그리고 이 과정에서 발생할 수 있는 문제점과 해결 방안에 대해 자세히 알아보겠습니다. 

 

질산화란 무엇인가?

질산화(Nitrification)는 암모니아(NH₃)를 아질산염(NO₂⁻)으로, 그 후 질산염(NO₃⁻)으로 변환하는 생물학적 과정입니다. 이 과정은 주로 질산화 세균(Nitrifying bacteria)에 의해 수행되며, 크게 두 가지 단계로 나눌 수 있습니다

 

1. 아질산화 단계 (Nitritation): 암모니아 산화균(AOB, Ammonia Oxidizing Bacteria)이 암모니아를 아질산염으로 산화합니다.

2. 질산화 단계 (Nitratation): 아질산 산화균(NOB, Nitrite Oxidizing Bacteria)이 아질산염을 질산염으로 산화합니다. 이 과정은 하수처리장에서 질소를 제거하기 위한 필수 단계로, 주로 유기물이 분해되는 이후에 진행됩니다. 질산화는 생태계에서 질소 순환의 중요한 부분이며, 하수처리의 효율을 높이는 핵심적인 생물학적 처리 방법입니다.

 

질산화가 중요한 이유?

하수처리에서 질소를 제거하기 위해서 질산화는 필수적인 과정입니다. 

1. 수계 환경 보호: 처리되지 않은 암모니아는 수질 오염을 일으킬 수 있으며, 수중 생태계에 해로운 영향을 미칩니다. 질산화 과정을 통해 암모니아가 안정한 형태인 질산염으로 전환되면 수질 오염을 줄이는 데 도움이 됩니다.

2. 탈질화 과정의 준비 단계: 질산화는 탈질화(denitrification)로 이어지기 위한 전 단계입니다. 탈질화는 질산염을 질소 가스로 전환해 대기 중으로 방출하는 과정으로, 질소 제거의 마지막 단계입니다.

3. 암모니아의 독성 감소: 암모니아는 높은 농도에서 수생 생물에게 독성을 나타냅니다. 이를 질산염(NO3)으로 전환하는 것은 수계를 안전하게 유지하는 역할을 합니다.

4. 수질관리 : 가장 중요한 부분이 아닐까 싶습니다. 질산화가 제대로 이루어지지 않으면 탈질 과정도 이뤄지지 않습니다. 그렇다면 TN 제거가 어려워지고 방류수질기준을 준수하기가 어려워질 것입니다. 질소제거의 첫 단추가 질산화라고 생각하기 때문에 질산화를 원활하게 이루어질 수 있도록 공정을 유지해 주는 것이 매우 중요합니다.

 

질산화에 영향을 미치는 요인은 무엇이 있을까요?

질산화는 여러 가지 환경적 요인에 의해 영향을 받습니다. 다음은 질산화 과정을 최적화하거나 방해할 수 있는 주요 요인들입니다.

 

1. 온도: 질산화 세균은 주로 20-30℃에서 가장 활발하게 활동합니다. 온도가 너무 낮으면 세균의 대사 속도가 감소하고, 반대로 온도가 너무 높으면 세균이 손상될 수 있습니다.

 

2. pH: 질산화 과정은 약산성에서 중성(주로 pH 6.5-8.5) 범위에서 최적으로 이루어집니다. pH가 이 범위를 벗어나면 세균의 활동이 저하될 수 있습니다.

 

3. 용존 산소 (DO, Dissolved Oxygen): 질산화 세균은 호기성 세균이므로, 산소가 충분히 공급되어야 합니다. 일반적으로 2.0 mg/L 이상의 용존 산소가 필요합니다.

 

4. 알칼리도: 질산화 과정에서는 산이 생성되므로, 알칼리도가 충분히 유지되어야 pH 변화를 완충하고 질산화를 지속할 수 있습니다.

 

질산화 과정에서 발생할 수 있는 문제

질산화 과정에서 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 주로 다음과 같은 문제들이 있으며, 이러한 문제들은 질산화의 효율을 저하시킬 수 있습니다:

 

1. DO 부족: DO는 생물학적수처리에서 빼놓을 수 없는 운전인자인 것 같습니다. DO 부족은 미생물 전반에 영향을 줍니다. 용존 산소 농도가 낮아지면 질산화 세균의 활동이 저하되면서 질산화 속도를 느리게 하며, 아질산염이 축적될 수 있습니다.

 

2. 저온 환경: 겨울철이나 온도가 낮은 환경에서는 세균의 대사 속도가 느려져 질산화가 원활히 이루어지지 않을 수 있습니다. 수온은 관리자가 조절하기 어려운 부분이지만 급격한 수온변화가 있는지 없는지 체크하는 것은 중요한 일입니다. 

 

3. pH 변화: 질산화 과정에서 산이 생성되므로 pH가 급격히 낮아질 수 있습니다. pH가 낮아지면 질산화 세균의 생장이 저해됩니다. pH의 급격한 변화는 주변 관로에서 강산성, 강알칼리성의 독성유입이 발생하였을 가능성이 있으므로 pH를 자주 체크해주어야 합니다. 또한 약품 사용으로 인한 pH 변화도 문제를 발생시킬 수 있으므로 침전지에 약품을 사용하는 경우 pH를 적절하게 유지할 수 있도록 해야 합니다.

 

질산화 문제 해결 방법

질산화 과정에서 발생하는 문제를 해결하기 위해서는 몇 가지 조치를 취할 수 있습니다:

1. 산소 공급 증가: 산소 부족 문제를 해결하기 위해 에어레이션(airation) 시스템을 개선 즉, 송풍기 증설 또는 수리 등을 통한 산소 공급량을 늘리는 것이 중요합니다. 이를 통해 질산화 미생물의 대사 활동을 촉진할 수 있습니다.

 

2. 온도 조절: 온도가 낮은 계절에는 생물 반응조의 보온을 강화하거나, 미생물 활성도를 높일 수 있는 보조제를 사용하는 방법도 고려해 볼 수 있습니다.

 

3. 알칼리도 보충: 질산화로 인해 pH가 낮아지는 문제를 해결하기 위해 탄산 나트륨(NaHCO₃)이나 수산화 나트륨(NaOH)과 같은 알칼리제를 투입하여 pH를 조절할 수 있습니다.

 

4. 효율적인 슬러지 관리: 질산화가 잘 이루어지기 위해서는 적정한 MLSS 농도를 유지해야 합니다. 이를 위해 슬러지 반송률을 조정하거나 인발량을 조절하여 적정 범위를 유지해 줍니다.

 

질산화 과정의 최신 기술과 발전

개인적인 생각이지만 수처리 관련분야는 기술개발이 느린 것 같습니다. 한번 건설하고 나면 변경이 쉽지 않고 인증되지 않은 공법을 사용하기에는 법적인 부분과 연결된 부분이 많기 때문인 것 같습니다. 제가 학부생 당시에도 단일 단계 질산화 및 탈질화(SND, Simultaneous Nitrification and Denitrification) 기술은 질산화와 탈질화를 동시에 진행할 수 있어, 처리 효율을 높이고 운영 비용을 절감할 수 있는 방법으로 주목받고 있었습니다. 아나목스(Anammox) 기술은 암모니아와 아질산염을 직접 질소 가스로 전환하는 방식으로, 전통적인 질산화 및 탈질화 과정보다 에너지 소비가 적고 슬러지 발생이 적다는 장점이 있었는데, 10여 년이 지난 지금에도 실제로 사용되는 곳은 찾아보기가 어려운 것 같습니다.

 

마무리

질산화는 하수처리 공정에서 질소를 효과적으로 제거하기 위해 필수적인 과정입니다. 암모니아를 안정된 질산염으로 전환함으로써 환경 보호와 하수처리 효율을 높일 수 있습니다. 질산화 과정은 온도, pH, 용존 산소 등 여러 가지 환경적 요인에 의해 영향을 받으며, 이러한 요인들을 잘 관리해야만 효과적인 질산화를 유지할 수 있습니다. 또한, 최신 기술의 도입을 통해 질산화 및 전체 하수처리 공정의 효율성을 더욱 향상할 수 있습니다. 이상으로 질산화에 대한 포스팅을 마치겠습니다. 감사합니다. 

 

탈질이 잘 되지 않는 이유

https://bae-heeya.tistory.com/195

생물학적수처리(탈질이 되지 않는 이유)

참고자료

질산화 과정 및 영향인자