생물반응 기작, 생물막 처리공정, 침지여상법 벌집형(honeycomb-tube)방식

생물반응 기작, 생물막 처리공정, 침지여상법 벌집형(honeycomb-tube)방식

기타 정수처리공정 

- 생물막 처리공정

 

생물막 처리란 수중에 함유되어 있는 오염물질을 미생물의 신진대사 활동에 의해 산화/분해함으로써 고도정수처리의 단위공정 또는 전처리 공정으로 사용된다.

북미 지역에서는 미생물에 의한 질병의 전염가능성 때문에 적용되지 않고 있으나, 북미를 제외한 나머지 지역, 특히 서유럽, 일본 등지에서는 양질의 수돗물을공급하기 위해 적극적으로 실용화하기 위한 노력이 진행 중이다.
생물막 처리는 종래의 완속모래여과법의 생물처리 원리와 같은 것으로서 담체표면에 부착․성장하는 유기물 분해미생물이나 질산화 미생물 등의 호기성 미생물의대사작용에 의해 BOD 성분, 이취․미물질, 암모니아성 질소 등을 분해, 제거하기 위한 공정이다.

다양한 미생물 담체를 이용한 공정들이 이용되고 있는데, 생물의 부착면적을 크게 하기 위하여 벌집 모양의 플라스틱제 하니컴튜브(honeycomb tube) 방식, 구형혹은 파쇄형의 섬유나 광물 등의 생물 담체를 이용한 생물산화 방식, 회전하는 원판형의 담체에 미생물을 증식시켜 처리하는 회전원판법 등이 대표적이다.

특히, 표준정수처리에서는 암모니아성 질소를 제거하기 위하여 암모니아성 질소농도의 수십 배 이상의 염소를 투입하거나, 조류 및 세균의 증식억제, 철․망간제거를 위하여 전염소 처리를 수행한다. 그러나 이러한 전염소 처리는 유해한 유기할로겐화합물의 생성량이 증대하는 등의 문제점이 있기 때문에 원수의 암모니아성 질소농도가 높은 정수장에서는 주로 생물접촉산화법에 의한 암모니아성 질소제거 방법이 검토되어 왔다.

그러나 생물막 처리공정은 활성탄을 담체로 이용한 생물활성탄(BAC) 공정과 같은 효과를 얻을 수 있으며, 원수의 수질이 급격히 악화될 때의 전처리 공정으로도활용된다.

-생물반응 기작

 

​생물막 처리의 기작은 오염물질을 함유한 액상과 미생물이 부착․ 성장하여 막을 형성하는 고체상 생물막 사이에서의 물질전달로 이루어진다.

고체상 담체에 미생물이 부착되어 고정된 바이오메스(biomass)를 생물막(biofilm)이라 한다.
이 생물막의 형성과정은 여러 가지 유기물의 흡착, 미생물의 이동과 부착, 미생물의 증식에 따른 생물막의 성장 및 탈리와 같은 과정을 거치면서 생성된다.

생물막 표면에서는 끊임없이 미생물의 성장과 탈리가 일어나며, 오염물질의 제거는 몇 단계를 거쳐 이루어진다. 수중의 오염물질과 영양분은 생물막 표면으로이송하고 표면에 도달한 반응물질은 확산에 의해 생물막 내부로 침투하여 미생물의 생화학적 대사작용에 의해 산화/분해됨으로써 제거된다.

생물막에 의한 오염물질 제거는 미생물의 생물학적 특성인 반응속도 뿐만 아니라 생물막으로의 물질전달속도도 매우 중요한 역할을 수행한다.

생물막 처리공정은 호기성 미생물뿐만 아니라 혐기성 미생물의 활동도 오염물질 제거를 수행한다.

그러나 유기물의 농도가 낮은 상수원수에 대해서는 호기성 미생물의 활동이 대부분인 것으로 보인다. 즉, 원수중의 유기물은 생물막 내에서 성장하는 미생물에의하여 생명유지를 위한 에너지와 세포형성을 위한 탄소원으로 이용되어 제거되는 것이다.
생물막 내에서 미생물의 생화학적 반응은 물리화학적 반응에 비해 제어가 훨씬 까다롭고, 반응속도가 낮아 오염물질의 완전한 제거도 어려울 뿐만 아니라, 유해물질의 독성영향에 의해 처리효율이 저하될 수 있기 때문에 전처리 공정으로 많이 이용된다.수중의 오염물질들이 다양한 생물학적 반응에 의해 제거되는 기작은 다음과 같다.

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-유기물
원수 중에는 유기물이 저농도로 존재하기 때문에 빈영양 종속영양세균으로 생분해 가능한 유기물을 탄소원으로 이용하고 무기 인산염과 질소원(NH4+, NO3-,NO2-)도 이용된다.

-질산화 반응
암모니아성 질소를 산화하여 아질산성 질소와 질산성 질소로 전환하는 과정에서 에너지를 얻고 CO2를 환원하여 증식하는 자가영양형 미생물(Nitrosomonas,

Nitrobacter)은 유기물을 분해하는 종속영양형 미생물에 비해 증식속도가 매우 느려 긴 체류시간을 요구한다. 질산화 과정은 다음식과 같이 표현된다.

            2NH4+   +   3O2 → 2NO2-   +   2H2O   +   4H+
            2NO2-   +   O2 → 2NO-

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-탈질산화 반응
질산성 질소(NO3--N)가 산소가 없는 상태에서 생화학 반응에 의해서 질소가스(N2)로 환원되는 과정으로, 임의성(Facultative) 종속영양형 미생물(Aerobacter,

Bacillus, Flavobacterium, Macrococcuc, Pseudomonas)등에 의해 호기 혹은 혐기성 상태의 기본적 생화학반응을 거친다.

​- 조류
원수 중의 조류는 생물막에 일단 부착된 후, 생물막에 존재하는 원생동물 등과 같은 포식자에 의해 제거된다.

​- 냄새
냄새유발물질(Geosmine, 2-MIB, H2S 등)은 주로 이들을 유발하는 조류를 제거함으로써 제거될 수 있다.

- 철, 망간, 음이온계면활성제
철과 망간을 산화하는 박테리아에 의해 산화되며, 탄화수소를 분해하는 미생물의 활동에 의해 음이온계면활성제를 제거할 수 있다.

생물막 처리공정

 

생물막 처리공정은 미생물이 부착하여 성장할 수 있도록 비표면적이 큰 담체 또는 충진재를 충진하고 수중의 오염물질과 충분한 접촉을 유도하여야 한다.

플라스틱 계열, 입상 또는 회전하는 원판 등을 이용한 담체는 수중에서 항상 호기성 상태로 유지할 수 있도록 하며, 용존산소가 부족할 경우에는 강제적인 폭기를수행하기도 한다. 생물막 형성과정은 여러 가지 유기물의 흡착, 미생물의 이동과 부착, 미생물의 성장 및 탈리와 같은 과정을 거치면서 이루어지는데, 여기에원수를 접촉시켜 수중의 오염물질을 산화/분해하는 공정이 생물막공정이다.

생물접촉여과, 침지여상법, 회전원판법 및 유동상 생물반응조 등이 대표적인 생물막 공정이며, 각각의 특성은 다음과 같다.

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- 생물접촉여과
입상의 충전재에 미생물을 부착․성장 시켜 원수를 접촉시킴으로써 오염물질을 생물학적으로 산화 및 제거하는 방법이다.

생물막은 2～3주 정도면 생성되며 암모니아성 질소, 용존 망간, 탁도, 색도, 조류, 이․취미 등의 제거에 상당한 효과를 보인다.또한 저수온기에도 비교적 높은 제거효율을 기대할 수 있다.

- 침지여상법 - 벌집형(honeycomb-tube)방식
침지여상법은 반응조에 합성수지 등을 이용하여 생물이 부착하기 쉽도록 만든 충전재를 수중에 침지시켜 그 표면에 생물막을 형성시키고 원수와 접촉함으로써수중의 오염물질을 제거하는 방식으로 암모니아성 질소, 이취․미 물질 등의 생물분해성 유기물, 조류 및 입자성 물질까지도 제거에 효과적이다.

이들 중 벌집형태의 튜브를 충전재로 사용하여 그 비표면적과 접촉효율을 증대시킨 것이 벌집형 튜브 생물공정으로 특히, 일본 등지에서 많이 사용되는 대표적인침지여상법이다.
하천수를 원수로 하는 경우, 겨울철 또는 수질악화에 의해 고농도 암모니아성 질소가 유입하게 되면 파괴점 염소주입을 실시하여 제거할 수 있으나, THM 등의부산물 발생가능성이 높아지게 된다.
한편, 고도정수처리공정에서는 THM 전구물질 저감을 위하여 활성탄 흡착공정을 적용하고 있으나, 수질이 악화될 경우에 짧은 파과시간 등으로 인하여 어려움을겪기도 한다. 따라서 일본, 유럽 등지에서는 이러한 문제점을 보완하기 위하여 침지형 생물여재를 이용한 침지여상법을 전처리공정으로서 널리 적용하고 있다.

 

- 회전원판법
폴리스틸렌이나 PVC 재질의 원판을 회전축에 직각으로 여러 개를 부착하고 회전체의 약 40%를 물에 담가서 기계적으로 일정한 속도를 유지하여 회전시킴으로써원판 표면에 부착된 미생물막에 의해 오염물질을 산화, 분해하는 방법이다. 이 공정은 하수처리에서도 널리 적용되었으나, 오염된 지표수의 상수원수에도 적용이가능하다.

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-생물 유동상 반응조
생물유동상 반응조(biological fluidized bed reactor, BFBR)는 다공질의 여재, 모래, 입상활성탄, 안트라사이트 등의 충전재에 미생물막을 부착시키고 상수원수를 상향류식 또는 하향류식으로 통과시켜 접촉시킴으로써 오염물질을 미생물의 호기성 산화작용에 의해 처리하는 것이다.

 

- 생물막처리의 효과
고도처리공정을 적용할 경우, 생물막 처리는 일반적으로 전처리공정로 사용되며, 암모니아성 질소의 질산화, 곰팡이 냄새 및 조류의 제거에 매우 효과적이다.

고도정수처리에 사용되는 암모니아성 질소는 원수중의 유기물 농도가 매우 낮기 때문에 질산화 미생물의 성장이 유리하여 질산화반응이 활발히 진행되므로 아질산성 질소(NO2--N) 및 질산성질소(NO3--N)로 전환된다.
더욱이 생물막 처리공정은 조류와 곰팡이 냄새의 제거에도 유용하게 적용될 수 있다. 조류는 생물막 내에서 성장하는 원생동물(protozoa)에 의해 포식되어 제거되며 곰팡이 냄새의 원인물질(2-MIB, geosmine)은 세균과 효모균 등에 의해 분해되는 것으로 알려져 있다.
또한, 생물막 처리는 유기물제거, 질산화와 탈질소 과정을 통한 암모니아성 질소제거는 물론 생물학적으로 불안정한 물질을 제거함으로써 후속되는 표준정수처리공정이나 배출수 중의 세균량을 감소시키고, 살균시 염소요구량을 줄임으로써 THM, TOX, 이취․미 등을 저감하는 효과가 있다.생물막 처리의 장점 및 특성은 다음과 같다.

생물학적 처리 특성
- 정화에 관여하는 미생물의 다양성이 높다.
- 질산화 및 탈질 미생물이 잘 증식한다.
- 수량 및 수질의 변동에 강하다.
- 고액분리가 좋다.
- 동력비가 적게 소요된다.
- 슬러지 발생량이 적다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌