폐수 처리의 활성 슬러지 시스템에서 미생물은 오염 물질 정화의 핵심 "실행자" 역할을 합니다. 이들 미생물은 에너지 획득 방법과 탄소원 활용 형태에 따라 크게 독립영양형과 종속영양형의 두 가지 범주로 분류될 수 있습니다. 이 두 가지 유형은 대사 메커니즘, 기능적 역할 및 환경 적응성에서 근본적인 차이를 나타내며 집합적으로 활성 슬러지의 생태 구조를 형성합니다. 그러나 행동 경로와 핵심 가치는 크게 다릅니다. 이러한 차이점을 깊이 이해하는 것은 폐수 처리 공정을 최적화하고 정화 효율성을 높이는 데 중요합니다.
1. 핵심 차이점: 에너지원과 탄소원 활용의 근본적인 구별
에너지원과 탄소원은 독립영양미생물과 종속영양미생물을 구별하는 기본 지표이다. 이 두 가지 주요 요소는 대사 방향과 생존 의존성을 직접적으로 결정하고 활성 슬러지 시스템에서 서로 다른 역할을 하는 기본 논리를 결정합니다.
(1) 독립영양미생물: "자급자족" 무기물 변환자
독립영양 미생물의 핵심 특징은 외부 유기물에 의존하지 않고 무기물을 '에너지 연료'로 사용하여 무기 탄소로부터 독립적으로 유기 화합물을 합성하는 능력, 생태계의 '생산자' 역할을 하는 것입니다.
에너지 획득 측면에서 이들 미생물은 무기 물질을 산화시켜 에너지를 얻습니다. 예를 들어 질화세균은 암모니아성 질소를 산화(NH₄⁺→NO2⁻→NO₃⁻)하여 에너지를 얻고, 아질산염산화세균은 아질산염을 산화(NO2⁻→NO₃⁻)합니다. 반면, 황산화세균은 황화물(예: H2S→S→SO₄²⁻)을 산화시켜 에너지를 생성합니다. 탄소원 활용은 이산화탄소(CO2)나 탄산염(예: HCO₃⁻)에만 의존하여 광합성이나 화학합성을 통해 무기 탄소를 유기 탄소로 전환하여 세포를 구성하고 대사 활동을 수행합니다. 이러한 "자급자족" 특성으로 인해 폐수의 유기 오염물질에 의존하지 않고 생존할 수 있습니다.
(2) 종속 영양 미생물: "외부 의존적" 유기물 분해자
종속 영양 미생물은 독립 영양 미생물과 정반대입니다. 그들은 무기 물질을 에너지로 활용하거나 유기 탄소를 자체적으로 합성할 수 없으며 대신 외부 환경의 기존 유기물을 "에너지원"이자 "탄소원"으로 사용합니다. 이는 생태계의 "소비자" 및 "분해자"와 기능적으로 동일하게 만듭니다.
에너지 획득 측면에서 이들 미생물은 폐수 내 유기 오염물질(예: COD로 정량화된 탄수화물, 단백질, 지방 등, 즉 화학적 산소 요구량)을 분해하여 에너지를 얻습니다. 예를 들어, 호기성 종속영양세균은 포도당을 CO2와 H2O로 분해하면서 자신의 신진대사를 위해 에너지를 방출합니다. 탄소원 활용과 관련하여 자율 합성 없이 폐수에서 유기 탄소(예: COD 구성 요소 및 작은 유기 분자)를 직접 흡수합니다. 이들의 대사 활동은 전적으로 폐수 내 유기 오염물질의 농도와 유형에 따라 달라집니다.
II. 기능적 역할: 활성슬러지 정화 시스템의 다양한 역할
에너지 및 탄소원 활용의 차이를 기반으로 활성 슬러지 시스템의 독립 영양 미생물과 종속 영양 미생물은 뚜렷하게 다른 정화 기능을 수행합니다. 전자는 무기물 변환에 중점을 두고, 후자는 유기물 분해에 중점을 두어 효과적인 폐수 정화를 보장하기 위해 시너지 효과를 발휘합니다.
(1) 독립영양미생물 : 무기오염물질을 처리하는 '질소 및 황 제거'에 주력
독립영양미생물은 무기물질의 변형과 제거를 촉진하여 활성슬러지에서 중심적인 역할을 하며, 그 중 니트로소모나스(Nitrosomonas, Nitrobacter 포함)가 가장 대표적이다. 이 박테리아는 폐수 질소 제거 공정의 핵심 역할을 합니다. 호기성 조건에서 Nitrosomonas는 먼저 폐수 속의 암모니아성 질소(NH₄⁺)를 아질산염(NO2⁻)으로 산화시킨 다음 Nitrobacter에 의해 질산염(NO₃⁻)으로 더 산화시킵니다. "질산화 반응"으로 알려진 이 과정은 생물학적 질소 제거의 핵심 단계입니다. 독립영양성 질산화 박테리아가 없으면 폐수의 암모니아 질소는 질산염으로 전환될 수 없으며, 질산염은 이후 탈질화를 통해 제거될 수 있으며 궁극적으로 유출수의 암모니아 질소 수준이 과도하게 높아집니다.
또한 소수의 독립영양 황산화세균은 폐수 중의 황화물을 산화시켜 무해한 황산염으로 전환시키고, 미생물에 대한 황화물의 독성 억제를 방지함으로써 활성슬러지 시스템의 안정적인 운영을 보장할 수 있다. 그러나 독립영양 미생물은 대사 속도가 매우 느리고(일반적인 생성 주기는 10~30시간) 환경 조건(예: 온도, 용존 산소 및 pH)에 민감하다는 점에 유의해야 합니다. 결과적으로 활성 슬러지 시스템에서 이들의 비율은 일반적으로 낮습니다(약 5%-10%).
(2) 종속영양미생물 : 슬러지 플록을 구성하는 'COD 분해'의 핵심
종속영양 미생물은 활성 슬러지의 "주력"으로 전체 인구의 90% 이상을 차지합니다. 이들의 주요 기능은 두 가지 주요 측면, 즉 유기물 분해와 슬러지 플록 형성에 집중되어 있으며, 이는 폐수의 COD 제거 효율과 활성 슬러지의 침전 성능을 직접적으로 결정합니다.
유기물의 분해에서 호기성 종속 영양 박테리아는 호기성 호흡을 통해 폐수에 있는 고분자 유기 화합물(예: 전분, 지질, 단백질)을 더 작은 유기 분자로 분해합니다. 이러한 작은 분자는 CO2 및 H2O와 같은 무기물로 더 분해되어 폐수의 COD 값을 감소시킵니다. 이는 생활하수 및 산업유기폐수 처리의 핵심 목표입니다. 예를 들어 도시 폐수 처리장에서 종속 영양 박테리아는 유입 COD를 300~500mg/L에서 50mg/L 미만으로 줄여 배출 기준을 충족할 수 있습니다.
슬러지 플록 형성 시 특정 종속 영양 미생물(예: 방선균 및 곰팡이)은 분산된 미생물 세포를 구조적으로 안정적인 플록(즉, 활성 슬러지 플록)으로 모으는 다당류 및 단백질과 같은 점성 물질을 분비합니다. 이러한 플록은 오염 물질을 캡슐화하고 분해 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 침전조에 빠르게 침전되어 슬러지-물 분리를 달성하고 유출수로 인한 미생물 손실을 방지합니다. 종속영양세균의 활동이 불충분하거나 플록 형성 능력이 약한 경우 폐수에 부유물질(SS)이 과도하게 생성될 수 있으며, 심한 경우에는 "슬러지 벌킹"이 발생하여 시스템이 불안정해질 수 있습니다.
3、 환경 적응성: 공정 조건에 대한 다양한 요구 사항
독립 영양 미생물과 종속 영양 미생물의 대사 특성이 다르기 때문에 용존 산소, 온도, 영양분 비율과 같은 활성 슬러지 시스템의 환경 조건에 대한 요구 사항이 다릅니다. 이러한 조건을 최적화하는 것은 두 가지 유형의 미생물의 공동 작업을 보장하는 열쇠입니다.
(1) 독립영양미생물: 환경조건에 매우 민감하다.
독립영양미생물(특히 질산화 박테리아)의 대사 활동에는 엄격한 환경 조건이 필요하며, 작은 매개변수 변동이라도 활동에 영향을 미칠 수 있습니다.
-용존산소(DO) : 질화반응을 위해서는 적절한 용존산소가 필요하며, DO는 2mg/L로 유지되어야 합니다. DO가 1mg/L 미만이면 질산화 박테리아의 활동이 크게 억제되고 암모니아성 질소 산화 효율이 급격히 감소합니다.
-온도: 최적의 온도는 20~30℃입니다. 온도가 10℃ 이하가 되면 질산화균의 대사율이 50% 이상 감소합니다. 겨울에는 하수 처리장에서 암모니아 질소 제거율이 부족한 문제에 직면하는 경우가 많습니다.
-PH 값: 적합한 범위는 7.5-8.5입니다. pH가 6.5 이하이거나 9.0 이상이면 질산화균이 효소 활성 억제로 인해 대사를 중단합니다.
-영양분 비율: 다량의 유기탄소를 필요로 하지 않으나 유기탄소에 민감함 - 하수 중 COD가 너무 높으면 종속영양세균이 독립영양세균과 용존산소 및 공간을 놓고 경쟁하여 질산화세균의 성장을 억제함.
(2) 종속영양미생물: 환경조건에 대한 내성이 강함
독립 영양 미생물에 비해 종속 영양 미생물은 환경 적응성이 더 강하고 공정 매개변수에 대한 내성 범위가 더 넓습니다.
-용존 산소(DO): 호기성 종속 영양 박테리아는 대사 요구를 충족하기 위해 DO를 1-2mg/L로 유지해야 하지만, 일부 조건 종속 영양 박테리아(예: 탈질 박테리아)는 여전히 혐기성 조건에서 혐기성 호흡을 통해 유기물을 분해할 수 있습니다.
-온도: 최적 온도는 15~35℃이지만 5~40℃ 범위 내에서 일정 수준의 활성을 유지할 수 있으며 저온에 대한 내성이 독립영양세균보다 훨씬 좋습니다.
-PH 값: 적합한 범위는 6.0-9.0이며 일부 종속 영양 박테리아(예: 곰팡이)는 pH 5.0의 산성 조건 또는 pH 10.0의 알칼리성 조건에서 여전히 생존할 수 있습니다.
-영양분 비율: 적절한 유기 탄소가 필요하며 탄소 대 질소 비율(C/N)에 민감합니다. 일반적으로 5-10:1의 C/N 비율이 필요합니다. 탄소원이 부족하면 종속 영양 박테리아는 "기아"로 인해 활성 및 COD 제거율이 감소합니다.
4、 협력과 경쟁: 활성슬러지 시스템의 미생물 관계
활성슬러지 시스템에서는 독립영양미생물과 종속영양미생물이 독립적으로 존재하는 것이 아니라 '시너지'와 '경쟁'의 이중관계를 가지며, 둘 사이의 균형이 하수처리의 효율성에 직접적인 영향을 미친다.
(1) 협력 관계: 보완 기능, 공동으로 정화 완료
둘 사이의 시너지 효과는 주로 "탈질화 과정"에 반영됩니다. 자가영양성 질화 박테리아는 암모니아 질소를 질산염으로 변환하는 반면(질화 과정), 종속 영양성 탈질 박테리아는 혐기성 조건에서 폐수의 유기 탄소를 전자 공여체로 사용하여 질산염을 질소(N 2)로 환원시켜 공기 중으로 방출합니다(탈질 과정). 독립 영양 박테리아가 없으면 탈질 박테리아에는 "기질"이 없습니다. 사용하다; 종속영양세균이 부족하면 질화세균이 생성한 질산염을 제거할 수 없고, 궁극적으로 총질소량이 기준을 충족하지 못하게 된다. 또한, 종속영양세균은 COD를 분해한 후 폐수의 유기물 부하를 감소시켜 유기탄소에 민감한 독립영양세균에게 적합한 생활환경을 조성하고 간접적으로 활동을 촉진할 수 있습니다.
(2) 경쟁 관계: 자원 경쟁, 시스템 균형에 영향
둘 사이의 경쟁은 주로 "용존 산소"와 "생활 공간"에 초점을 맞춥니다. 하수 중 COD 농도가 너무 높으면 종속 영양 박테리아는 "충분한 음식"으로 인해 급속히 번식하고 많은 양의 용존 산소를 소비하며 "저산소증"으로 인해 독립 영양 박테리아의 활동이 억제되어 "COD 제거 효과는 좋지만 암모니아 질소 제거 효과가 좋지 않습니다"라는 현상이 발생합니다. 반대로, 폐수 중 COD 농도가 너무 낮으면(산업폐수 등) 종속영양세균의 활성이 부족하여 안정적인 슬러지 플록이 형성될 수 없습니다. 독립영양 박테리아는 또한 "담체 결핍"으로 인해 손실되어 질산화 효율에 영향을 미칩니다. 따라서 실제 공정에서는 유입수 부하, 환류비 등의 매개변수를 조정하여 둘 사이의 경쟁 관계의 균형을 맞추는 것이 필요합니다. 예를 들어, COD가 높은 폐수를 처리할 때 "분할된 유입수"를 사용하여 국부적인 유기 부하를 줄이고 질산화 박테리아의 용존 산소 요구량을 보장할 수 있습니다.
5, 요약: 두 가지 유형의 미생물 간의 핵심 차이점 및 기술적 중요성
활성슬러지 내 독립영양미생물과 종속영양미생물의 차이는 본질적으로 "에너지원 및 탄소원 활용 방법"의 차이이며, 이는 둘 사이의 기능적 위치, 환경 적응성 및 미생물 관계의 일련의 차이로 확장됩니다(표 1 참조).
이러한 차이점을 이해하는 것은 하수 처리 공정을 최적화하는 데 중요한 지침이 됩니다. 예를 들어, 암모니아 질소가 많고 COD가 낮은 하수(양식 폐수 등)를 처리할 때 독립 영양 박테리아의 생존 조건을 보장하고(DO 증가, 온도 제어) 탄소원을 적절하게 추가하여 종속 영양 박테리아의 탈질 요구 사항을 충족하는 데 중점을 둘 필요가 있습니다. COD가 높고 암모니아성 질소가 낮은 폐수(예: 음식물 폐수)를 처리할 때는 유기물 부하를 제어하고, 종속영양세균의 과도한 성장을 방지하고 독립영양세균을 억제하며, COD와 암모니아성 질소가 동시에 기준을 충족하는지 확인해야 합니다. 간단히 말해서, 활성 슬러지 시스템의 안정적인 작동은 본질적으로 독립 영양 미생물과 종속 영양 미생물 간의 "동적 균형"입니다. 두 가지 요구 사항을 정확하게 일치시켜야만 하수 처리의 최대 효율성을 달성할 수 있습니다.
