생물학적수처리 : 자산화

생물학적 수처리 공정에서 자산화(自酸化, Autoxidation)가 일어나는 이유는 주로 다음과 같은 생물학적, 공정적 요인 때문입니다. 자산화란 유기물이 완전히 산화되어 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)로 분해되는 과정을 의미합니다. 이런 생물반응조 미생물의 자산화는 반응조 내의 환경변화에 적응하기 위해 일어나는 것으로 이해하시면 되겠습니다. 오늘은 자산화 현상이 일어나는 이유에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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생물반응조 미생물 자산화의 원인

1. 미생물 대사 과정

생물학적 처리에서 사용되는 미생물(주로 호기성 미생물)은 유기물을 에너지원으로 사용합니다.

유기물이 미생물에 의해 분해되면서 생성된 에너지는 일부는 미생물의 성장을 위해 사용되지만, 남은 유기물은 미생물의 대사 과정에서 이산화탄소와 물로 완전히 산화됩니다. 이 과정은 미생물의 생존과 에너지 균형을 유지하기 위한 자연스러운 결과입니다. 하지만 이런 자산화가 심해지면 수질에 영향을 주기 시작합니다.

 

2. 산소 공급 과잉

호기성 생물학적 처리 공정(Aerobic Process)에서 산소가 과도하게 공급될 경우, 미생물은 성장보다 자산화 과정을 통해 에너지를 얻는 방향으로 전환될 수 있습니다.

특히, 용존산소(Dissolved Oxygen, DO) 농도가 높을수록 미생물은 성장 대신 에너지를 얻기 위해 잔여 유기물을 자산화하는 경향이 있습니다.

 

3. F/M 비율의 불균형

F/M 비율(Food to Microorganism Ratio)이 낮을 경우(즉, 미생물에 비해 유기물이 적은 경우), 미생물은 에너지원 부족을 보충하기 위해 자산화를 촉진할 수 있습니다.

이는 미생물 군집의 내생 호흡(Endogenous Respiration) 단계로 이어져, 미생물이 스스로 축적한 내부 물질(내생 물질)을 산화하여 에너지를 얻는 현상으로 나타납니다. 유입수 농도를 증가시킬 수 없기 때문에 메탄올 등의 외부 탄소원 투입이 필요한 시점입니다.

4. 수질 및 유기물 특성

유기물의 성분이 미생물이 쉽게 분해 가능한 형태(예: 단순한 탄수화물, 지방산 등)일수록 빠른 자산화가 이루어집니다.

반면, 난분해성 유기물이 많으면 자산화 속도는 느려질 수 있습니다.

5. 슬러지 체류 시간(SRT, Sludge Retention Time)의 증가

슬러지 체류 시간이 길어지면 미생물 성장보다는 내생 호흡과 자산화가 활성화됩니다.

이는 공정 효율을 유지하기 위해 적절한 슬러지 인발이 필요하다는 것을 의미합니다.

6. 온도 및 pH

온도가 높거나 pH가 최적 조건(일반적으로 6.5~8.5)을 벗어나면 미생물의 대사 속도가 빨라지거나 특정 효소 활성에 의해 자산화가 촉진될 수 있습니다.

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자산화의 예방 방법

F/M 비율 최적화

유입 유기물 농도와 미생물 농도가 균형을 이루도록 관리합니다.

필요하다면 미생물 농도가 너무 높아지지 않도록 슬러지를 적절히 배출하거나, 반대로 유입수 내 유기물 농도를 조절(전처리, 희석 등)할 수도 있습니다.

 

용존산소(DO) 농도 관리

일반적으로 활성슬러지 공정에서는 DO를 약 1~3 mg/L 수준으로 유지하는 것이 좋습니다.

DO가 과도하게 높아지지 않도록 산기 확산(에어레이션) 공정을 조절하거나, 송풍량을 적정 수준으로 제어합니다.

 

공정 조건(온도, pH 등) 최적화

온도가 지나치게 높아지지 않도록, 혹은 다른 공정 조건(예: pH) 역시 미생물의 적정 활성 범위를 유지하도록 관리합니다.

하수처리장에서는 계절 변화에 대응한 운전 전략(에어레이션량, 슬러지 배출량 조절 등)이 필요합니다.

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자산화가 이미 일어났을 때의 대처 방법

슬러지 농도 조절

자산화가 진행 중이면, 내생 호흡이 심해져 슬러지가 감소하고 활동성 미생물이 줄어듭니다.

이럴 때는 잉여슬러지를 어느 정도 제거하면서 신선한 슬러지(유입 유기물과 균형 잡힌 미생물 상태)를 유지할 수 있도록 조정합니다. 제가 근무했던 처리장은 성상이 다른 하수가 각 계열로 처리를 하였기 때문에, 한쪽 미생물이 부하로 인해 상태가 안좋을 때, 해당 계열의 인발량을 늘리고 다른 계열의 잉여 슬러지를 이송시켜주기도 하였습니다. 소규모 처리장의 경우에는 조를 비우고 새로운 미생물로 식종을 해주기도 합니다.

 

유입수 조절 또는 보조 탄소원 투입

유입수 내 유기물 농도가 지나치게 낮다면, 보조 탄소원을 주입해 미생물에게 충분한 먹이를 제공함으로써 자산화 비율을 줄일 수 있습니다. 일반적으로 가격이 저렴하고 성능이 좋은 메탄올을 많이 사용합니다.

 

반응조 내 용존산소 조절

이미 과도하게 산소를 공급해온 상태라면, DO 농도를 낮출 수 있도록 송풍량, 산기 장치 조정을 다시 합니다. 상황에 맞게 송풍량을 조절하여 반응조 내 적정 DO 농도로 조절해줍니다.

그러나 동시에 유기물 제거 효율도 고려해야 하므로, 지나치게 낮추면 무산소·혐기성 조건이 되어 또 다른 문제가 생길 수 있습니다.

 

하수처리장을 운영하면서 제일 어려운 부분이 수질공정인 것 같습니다. 기계나 전기는 원인과 문제가 명확한 반면 수질관리는 미생물과 대화를 할수도 없고 원인을 특정하기도 어렵습니다. 이런 저런 시도를 하다보면 어느새 수질이 좋아지는 것을 경험하고 경험이 쌓이면 자신의 노하우가 되는 것 같습니다. 모두 화이팅 하시고 새해 복 많이 받으세요!