수처리 또는 생화학 반응 분야에서 일하는 친구들의 경우 ORP(산화 환원 전위)에 관해서는 압도감을 느낄 수 있습니다. 이는 눈에 보이지도 않고 무형이며 가치가 앞뒤로 엇갈리게 됩니다. 때로는 지표가 올바른 것처럼 보이더라도 ORP가 붕괴되면 전체 시스템에 문제가 발생할 수 있습니다. 사실, ORP를 "신비주의"로 취급할 필요는 없습니다. 그 본질은 생화학 시스템의 "산화 환원 환경"의 "온도계"입니다. ORP를 조절한다는 것은 미생물이 편안하게 활동할 수 있는 "생활 환경"을 조성하고 잘 작동하도록 하는 것입니다. 오늘은 "왜 제어하는가"부터 "구체적으로 어떻게 운용하는가"까지 ORP를 제어하는 방법에 대해 알기 쉽게 이야기해보겠습니다. 단계별로 설명해보자.
먼저, ORP가 정확히 무엇인지 이해해야 합니다. 우리는 "전자 전달 위치 에너지"라는 기술 용어를 기억할 필요가 없습니다. 간단히 말해서, 높은 ORP 값은 시스템에 "더 많은 산화제"가 있고 환경이 "산화" 쪽으로 편향되어 있음을 나타냅니다. 낮은 값은 "더 많은 환원제"와 "환원" 경향이 있는 환경을 의미합니다. 그리고 생화학 시스템의 미생물은 "환경 선택의 대가"입니다. 호기성 박테리아는 산화 쪽으로 편향된 환경을 선호하고(ORP는 일반적으로 수십에서 수백 mV만큼 양수임), 혐기성 박테리아는 강한 환원 환경에서 작동해야 하며(ORP는 일반적으로 수백 mV만큼 음수임), 심지어 통성 박테리아도 환경의 산소, 탄소, 질소 및 기타 물질의 변화에 따라 "작동 모드"를 조정해야 합니다. 그래서 ORP는 선택적인 지표가 아니라, 미생물이 편안한 생활을 하고 있는지, 활동하고 있는지를 판단하는 중요한 신호입니다. 예를 들어, 호기조의 ORP가 갑자기 떨어지면 통풍이 부족하여 호기성 박테리아가 "산소 부족으로 질식"할 가능성이 높습니다. 무산소조의 ORP가 양의 값에 도달하면 종료됩니다. 산소가 누출되고 혐기성 박테리아가 직접 "공격"하여 메탄 생산이 중단됩니다.
ORP를 제어하는 핵심 로직은 무엇인가요? 한 가지만: "필요에 따라 조정" - 먼저 귀하의 생화학적 시스템이 무엇을 해야 하는지 명확히 합니다(COD를 분해하는 것입니까? 아니면 탈질 및 인 제거입니까? 아니면 바이오가스를 생성하는 것입니까?) 그런 다음 어떤 미생물이 "작업을 지배"하는 데 필요한지 결정하고 마지막으로 미생물의 필요에 따라 해당 범위에서 ORP를 안정화합니다. '값이 높을수록 좋다' 또는 '값이 낮을수록 좋다'라고 말하는 것이 아닙니다. 예를 들어 탈질화 중에는 호기성 세균은 질산화(암모니아질소에서 질산성질소)를 위해 +200~+400mV로 조절해야 하며, 탈질(질산성질소에서 질소로) 과정에서는 통성세균을 교체해야 하며, 이때 ORP가 감소하지 않으면 탈질성 세균은 전혀 작동하지 않고 질산성 질소가 물에 축적됩니다. 첫 번째 단계는 ORP를 제어하는 "네비게이터"인 "목표 범위"를 명확히 하는 것입니다. 이것이 없으면 후속 작업은 단지 어리석은 일이 될 것입니다.
다음은 가장 실용적인 것입니다. ORP를 구체적으로 조정하는 방법은 무엇입니까? 결국 유산소, 무산소, 무산소 시스템의 게임 플레이가 다르기 때문에 다양한 시나리오에 대해 이야기해 보겠습니다. 하나씩 살펴보겠습니다.
먼저 호기성 탱크 및 생물학적 폭기 필터와 같은 호기성 시스템에 대해 이야기하겠습니다. 여기서는 산소가 주요 산화제이고, ORP와 용존 산소(DO)가 거의 "함께 묶여" 있기 때문에 핵심은 "산소 제어"입니다. 많은 친구들이 실수를 합니다. 통기가 클수록 용존 산소(DO)가 높아지고 ORP가 더 안정적일 것이라고 생각합니다. 실제로 DO가 너무 높으면 ORP가 너무 높아져 전기를 낭비할 뿐만 아니라 특정 호기성 박테리아(예: 유기물을 분해하기 어려운 분해 박테리아)를 억제할 수도 있습니다. DO가 너무 낮으면 ORP가 다시 떨어지고 호기성 박테리아가 숨을 쉬지 못하고 COD가 감소하지 않으며 암모니아성 질소가 질화될 수 없습니다. 어떻게 조정해야 할까요?
첫째, DO와 ORP의 관계를 면밀히 모니터링해야 합니다. 각 시스템의 상황은 다릅니다. 예를 들어, 일부 호기성 탱크에서 DO가 2~3mg/L 사이일 때 ORP는 +250~+300mV에서 안정화됩니다. 따라서 이 범위 내에서 DO를 조절하면 ORP는 자연스럽게 안정화됩니다. DO를 어떻게 제어하나요? 가장 직접적인 방법은 폭기 밸브의 개방이나 폭기 팬의 주파수를 조정하는 것입니다. 현재 많은 수처리 플랜트에서는 예를 들어 ORP 목표를 +300mV로 설정하는 "DO-ORP 연결 제어"를 사용합니다. ORP가 280mV 미만이면 시스템이 자동으로 통기를 켭니다. 320mV보다 높으면 통기를 줄이고 사람들이 모니터링하고 조정할 필요가 없으며 편리하고 정확합니다.
또한 호기성 시스템의 탄소 질소 비율도 ORP에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 유입되는 물의 COD가 갑자기 증가하고 미생물이 "더 많이 섭취"하면 산소 소비량이 증가합니다. 이때, 통기가 활성화되지 않더라도 DO는 계속 감소하고 ORP도 감소합니다. 이런 상황에서는 폭기 조절에만 의존하는 것만으로는 충분하지 않고, 유입 부하도 함께 살펴봐야 합니다. COD가 계속 높은 경우 유입량을 조정(예: 환류로 처리수의 일부를 희석)하거나 일부 영양분을 보충(예: 질소와 인이 충분하지 않은 경우 요소 또는 인산이수소칼륨 첨가)하여 미생물이 "균등하게 섭취"하고 산소 소비가 안정적이며 ORP가 변동하지 않도록 해야 할 수 있습니다.
UASB, IC 반응기 등 혐기성 시스템에 대해서는 ORP를 -200~-400mV(메탄 생산 단계)에서 안정화하는 것이 목표다. 여기서 핵심은 "산소 방지"와 "탄소 공급원 제어"입니다. 왜냐하면 혐기성 시스템은 모두 "산소에 민감"하기 때문입니다. 약간의 산소가 유입되면 ORP가 급등하여 미생물을 직접적으로 "중독"시킵니다.
첫째, 기초의 기본인 '봉인'을 잘 해야 한다. 많은 친구들의 혐기성 탱크는 불안정한 ORP를 가지고 있으며, 점검 결과 흡입 파이프에 공기 누출이 있거나 반응기 상단 덮개 판이 단단히 닫히지 않아 공기가 탱크로 스며드는 것으로 나타났습니다. 따라서 매번 관리 후에는 밀봉 상태를 확인하는 것이 필요하며, 공기가 하수와 함께 유입되는 것을 방지하기 위해 흡입 파이프에 "워터 씰"을 추가하는 것이 가장 좋습니다. 또한 혐기성 시스템의 환류 펌프 및 교반기와 같은 장치에 공기 냉각이 필요한 경우 공기가 물 속으로 누출되지 않도록 주의하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 그야말로 '개미 둥지에 의해 파괴된 수천 마일의 제방'과 같을 것입니다.
그런 다음 탄소원과 pH를 제어합니다. 혐기성 미생물이 유기물을 분해할 때 환원환경을 유지할 수 있는 환원제인 메탄과 이산화탄소를 생성한다. 들어오는 물의 COD가 너무 낮으면 미생물이 그것을 먹을 수 없으며 환원제가 충분하지 않아 ORP가 위로 뜨게 됩니다. COD가 너무 높으면 미생물이 "먹어" 너무 많은 휘발성 지방산(VFA)을 생성하여 pH가 감소합니다. pH가 6.5 미만이면 메탄 생성 박테리아가 작동을 멈추고 ORP도 혼란스러워집니다. 따라서 들어오는 물의 COD와 수영장의 VFA 및 pH를 정기적으로 측정해야 합니다. COD가 충분하지 않은 경우 일부 탄소원(예: 포도당, 메탄올 또는 고농도 유기 폐수)을 추가합니다. VFA가 너무 높으면 알칼리(예: 수산화나트륨, 탄산나트륨)를 첨가하여 pH를 조정합니다. 일반적으로 pH는 7.0~7.5로 조절되며 ORP에는 문제가 발생할 가능성이 적습니다.
또 다른 작은 세부 사항이 있습니다. 혐기성 시스템이 시작되면 초기에 미생물 개체수가 적고 환원 환경이 확립되지 않았기 때문에 ORP를 제어하기가 특히 어렵습니다. 걱정하지 마시고, 저농도 폐수를 천천히 첨가하시면 미생물이 조금씩 증식할 수 있습니다. 동시에 일부 "접종 슬러지"(예: 다른 혐기성 탱크의 슬러지)를 추가하여 환원 환경 구축을 가속화할 수도 있습니다. ORP가 -200mV 미만으로 안정화되면 유입 부하를 점진적으로 늘리십시오. 그렇지 않으면 "시동 실패"가 발생하기 쉽습니다.
마지막으로 목표 ORP가 일반적으로 -50~+50mV 사이인 탈질 탱크와 같은 혐기성 시스템에 대해 이야기해 보겠습니다. 여기서 핵심은 '탄소원 제어와 산소 예방'입니다. 탈질균은 탄소원을 '음식'으로 필요로 하고, 산소 간섭이 없어야 하기 때문입니다(그렇지 않으면 질산성 질소보다 산소를 우선시하게 됩니다).
많은 친구들이 탈질조의 ORP를 낮출 수 없기 때문에 가장 먼저 확인해야 할 것은 산소 누출이 있는지 여부입니다. 예를 들어 탈질조 앞 호기조의 폭기가 너무 많으면 DO가 하수를 탈질조로 운반하거나, 탈질조의 교반기가 "폭기교반"(가장 어렵고 탱크에 직접 산소를 공급하는 방식)인 경우 탄소원을 추가하더라도 ORP를 낮출 수 없습니다. 따라서 탈질 탱크의 교반은 "기계적 교반"(예: 블레이드 교반)을 사용해야 하며 폭기 교반을 사용할 수 없습니다. 호기조 배출수의 DO가 너무 높으면 탈질조 앞에 "탈기조"를 추가하여 물 속의 산소를 일부 제거해야 합니다.
그러면 '탄소원의 양이 충분해야 한다'가 있습니다. 탈질세균이 질산성 질소를 분해할 때 전자 공여체로서 탄소원(COD 등)이 필요합니다. 탄소원이 부족하면 산소가 없어도 작업할 수 있는 강도가 없고 ORP가 안정적이지 않습니다. 탄소원이 충분한지 어떻게 판단하나요? 탄소 대 질소 비율(C/N)을 계산할 수 있습니다. 일반적으로 탈질을 위해서는 5~8:1의 C/N 비율이 필요합니다. 예를 들어 유입수의 질산성 질소가 50mg/L라면 COD는 최소한 250~400mg/L는 되어야 합니다. 충분하지 않은 경우 생활하수에서 나오는 메탄올, 아세트산나트륨, COD 등의 탄소원을 보충해야 합니다. 보충할 때 한꺼번에 너무 많이 추가하지 마십시오. 그렇지 않으면 COD가 나중에 시스템에 남게 됩니다. "소량을 여러 번 추가"하여 ORP와 질산성 질소의 변화를 모니터링하는 것이 가장 좋습니다. ORP가 0mV 부근에서 안정적으로 유지되고 질산성 질소가 계속 감소하면 탄소원이 정확하게 첨가되었음을 나타냅니다.
이러한 특정 작업 외에도 많은 우회를 피하는 데 도움이 될 수 있는 유산소, 무산소 또는 무산소 시스템에서 사용할 수 있는 몇 가지 "일반 팁"도 있습니다.
첫 번째는 'ORP를 하나의 지표로 삼지 말고 다른 지표와 연계해야 한다'이다. 예를 들어, 호기조의 ORP가 감소하면 DO가 감소했는지, COD가 증가했는지, 암모니아성 질소는 감소하지 않았는지 확인해야 합니다. 혐기조의 ORP가 높아지면 pH가 낮은지, VFA가 높은지, 산소누설이 있는지 확인이 필요합니다. - ORP는 '원인'이 아닌 '신호군'으로, ORP만으로는 문제를 발견할 수 없으며, DO, pH, COD, 암모니아성 질소, VFA 등의 지표와 함께 분석해 '어디를 조정할지'를 정확하게 찾아야 합니다.
두 번째는 '합리적인 변동폭을 설정'하는 것이지 '절대적인 안정'을 추구하는 것이 아니다. 생화학적 시스템 자체에는 변동(유입 수질 및 온도 변화 등)이 있으며, ORP가 약간 변동하는 것은 정상입니다. 예를 들어, 호기성 탱크의 ORP는 +300mV로 설정되어 280-320mV 사이에서 진동할 수 있습니다. 이 범위를 초과하지 않는 한 미생물은 적응할 수 있으며 변동이 있을 때마다 너무 많이 조정할 필요가 없습니다. 그렇지 않으면 시스템이 더욱 불안정해집니다. 예를 들어 폭기 밸브가 간헐적으로 열렸다 닫히면 용존 산소(DO)가 높음과 낮음 사이를 오가며 미생물이 손실을 입게 됩니다.
세 번째는 "기기를 정기적으로 교정"하는 것입니다. ORP 전극이 "당신을 속이는" 것을 허용하지 마십시오. ORP 전극은 시간이 지남에 따라 노후화되거나 물 속 오염물질(기름 얼룩, 생물막 등)로 덮일 수 있으며, 측정된 값이 부정확할 수 있습니다. 예를 들어 실제 ORP가 +200mV이고 전극에 +100mV가 표시되는 경우 통기가 충분하지 않다고 생각하여 통기를 높일 수 있지만 실제로 ORP가 +300mV까지 급등하여 실제로 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서 일반적으로 표준 완충 용액(예: 완충 용액 지침에 따라 약 +200mV의 ORP를 갖는 pH 7.0 완충 용액)을 사용하여 ORP 전극을 교정하고 전극의 먼지를 닦아 측정된 값이 정확한지 확인하여 의미 있는 제어를 수행하는 것이 좋습니다.
마지막으로 요약하면 ORP 제어는 "고정밀 기술"이 아니며 핵심은 "먼저 목표 범위를 명확히 한 다음 영향 요인을 식별하고 마지막으로 필요에 따라 조정"하는 것입니다. 호기성 시스템은 DO와 탄소질소 비율에 초점을 맞추고, 혐기성 시스템은 밀봉과 pH, VFA에 초점을 맞추고, 무산소 시스템은 탄소원과 누출 방지 산소에 초점을 맞춥니다. 다른 지표와 결합하여 기기를 정기적으로 교정하면 기본적으로 ORP를 안정화할 수 있습니다. 생화학적 시스템을 다루는 것은 실제로 미생물과 친구를 사귀는 것과 같습니다. 그들의 기질(어떤 ORP 환경을 좋아하는지)을 이해하고, 그들에게 편안한 조건을 만들어주면 자연스럽게 잘 작동할 것입니다. 시스템이 안정되면 우리도 마음의 평화를 누리게 됩니다.
