I. 폐수 생물학적 처리 시스템 개요
현대의 생물학적 폐수 처리는 일반적으로 세 단계로 나뉩니다.
- 1차 처리(물리적 처리) : 바스크린 차단, 1차 침전조
- 2차 처리(생물학적 처리) : 폭기조, 최종침전조
- 3차 처리(생물학적/물리화학적 처리): 질소 및 인 제거
슬러지는 별도로 슬러지 소화 시스템으로 전달됩니다.
산소 요구량에 따라 생물학적 처리는 호기성 처리(활성 슬러지 공정, 산화지, 산화 채널, 살수여상, 회전 생물학적 접촉기 등)와 혐기성 처리(슬러지 소화)로 분류됩니다.
II. 활성슬러지의 미생물 군집
활성 슬러지 공정은 폐수를 정화하기 위해 박테리아, 곰팡이, 원생동물 및 후생동물을 포함한 미생물 군집으로 구성된 종속영양 생태계에 의존합니다. 종속 영양 박테리아와 독립 생활 종속 영양 곰팡이는 가장 낮은 영양 수준을 형성합니다. 그들은 종속 영양 원생 동물에 의해 포식되며, 이는 로티퍼 및 선충과 같은 2차 포식자에 의해 추가로 소비되어 궁극적으로 폐수 정화를 실현합니다.
(I) 박테리아 - 유기물 분해의 주요 세력
박테리아는 활성 슬러지에서 가장 중요한 미생물 그룹으로, 유기물 분해와 플록 형성이라는 두 가지 핵심 기능을 수행합니다.
유기 분해 박테리아 속
슈도모나스, 플라보박테리움, 알칼리게네스, 바실러스
- 주요 탄수화물 분해제:슈도모나스
- 주요 단백질 분해제:알칼리게네스, 플라보박테리움, 바실러스
(II) Floc 형성 메커니즘
활성 슬러지 플록은 세 가지 구성 요소의 시너지 효과를 통해 형성됩니다.
- 플록 형성 박테리아(주글레아 라미게라): 막대 모양, 그람 음성, 캡슐형, 비포자형. 그들은 세포외 고분자와 세포간 물질을 통해 박테리아 응집을 유도합니다.
- 중등도 사상균: 플록에 사상체 구조를 제공하여 주로 다음을 포함한 플록 형성 박테리아의 부착 및 성장을 가능하게 합니다.
- 질화박테리아
- 스파에로틸루스(철박테리아)
- 베지아토아(황산화세균)
- 티오트릭스(황환원균)
- 섬모충: 점액단백질과 다당류 중합체를 분비하여 연결 구조를 형성하고 응집을 촉진합니다.
(III) 곰팡이 – 내화성 유기물의 분해자
곰팡이는 상대적으로 낮은 분해 속도로 난분해성 생분해가 어려운 유기물을 분해할 수 있습니다. 중간 정도의 곰팡이 필라멘트는 플록 코어 역할을 하며 응집 및 침전 성능을 향상시킵니다. 그러나 과도한 곰팡이 증식은 슬러지 벌킹 및 침전 특성 저하로 이어집니다.
- 온도 강하
- 낮은 pH 값
- 폐수의 높은 C/N 비율
- 과도한 유기물 로딩
- 황화물의 존재
(IV) 원생동물 – 수질 지표 유기체
- 아메바 원생동물
- 편모충(식물편모충 및 동물원편모충)
- 섬모류: 자유롭게 수영하는 섬모류 및 줄기가 있는 섬모류
지표 중요성: 섬모충의 존재는 효율적인 생물학적 치료의 핵심 지표입니다. 편모충은 식량에 대한 경쟁력이 약하고 고농도 폐수에서만 생존합니다.
(V) 후생동물 – 2차 포식자
후생동물은 2차 포식자로서 박테리아와 작은 원생동물을 먹습니다. 그들은 먹이 사슬을 확장하고 슬러지 생산량을 크게 줄입니다. 대표적인 종으로는 로티퍼와 선충류가 있습니다.
III. 슬러지 형성의 3단계
활성 슬러지의 유기물 제거 과정은 슬러지 형성과 동시에 이루어지며, 이는 세 가지 순차적 단계로 구성됩니다.
1단계: 물질 전달 – 흡착 및 흡수
반환 슬러지는 폐수에서 콜로이드 물질과 불용성 BOD를 즉시 물리적으로 흡착한 후, 수용성 유기물을 미생물 세포로 점진적으로 흡수하여 대사 분해합니다.
2단계: 대사 변환 - 생분해
유기물은 가수분해, 해당작용(탄수화물), 탈카르복실화, 탈아미노화(단백질) 및 β-산화(지질)를 포함한 대사 전환을 겪습니다. 분해된 기질은 최종 대사 부산물인 이산화탄소와 물과 함께 에너지를 생성하기 위해 TCA 회로와 전자 전달 사슬로 들어갑니다.
3단계: 응집 – 잘 침전된 플록 생성
유기물 농도가 감소함에 따라 미생물은 내인성 부패 단계에 들어갑니다. 다당류 중합체는 응집력을 강화하기 위해 세포 표면 주위에 분비되어 최종 침전조에서 고액 분리를 달성하는 조밀하고 침전 가능한 플록을 형성합니다.
IV. 유기물 분해를 위한 환경 조건
- 온도: 20~30°C, 미생물 효소 활동 조절
- 영양소: BOD : N : P = 100 : 5 : 1; 미량 원소 K, Ca, Fe, Mg가 추가로 필요합니다.
- 용존 산소(DO): 탱크 입구에서 0.5–1 mg/L, 출구에서 2–3 mg/L; DO가 0.5mg/L 미만이면 대사율이 급격히 떨어집니다.
- pH 값: 6.5~7.5, 약알칼리성 7.2~7.4에서 최적; 미생물은 pH < 4 또는 pH > 10에서 생존할 수 없습니다.
- 독성 물질: 중금속 독성 순위: Ag > Hg > Sn > Cu > Cd > Cr
