질산화

왜 배우는가: 질산화는 하수의 암모니아성 질소를 산화해 질소 제거의 첫 단계를 이루므로, 고도처리와 방류수 수질 관리를 이해하는 출발점이다. 질산화 과정과 영향인자는 1교시 용어와 4교시 논술에서 반복해 출제되는 기본 개념이다.

출제 이력: 제134회 1교시 9번, 제121회 1교시 11번, 제118회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

질산화는 독립영양 호기성 세균이 암모니아성 질소를 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 산화시키는 생물학적 반응이다.

• 질산화(Nitrification)
• 암모니아 산화 세균(Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB)
• 아질산 산화 세균(Nitrite-Oxidizing Bacteria, NOB)
• 독립영양미생물
• 용존산소(DO)
• 알칼리도 소모
• SRT(고형물 체류시간)
• pH·수온 영향

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 하수 속 암모니아를 미생물이 산소로 태워 질산염으로 바꾸는 작용이다. 질산화가 일어나야 이후 탈질 단계에서 질소를 가스로 제거할 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 질산화는 암모늄 이온이 아질산화(Nitritation) 단계에서 아질산염으로, 다음 질산화 단계에서 질산염으로 생물학적으로 산화되는 과정이다. 이 반응을 맡는 세균은 무기질소 화합물을 산화해 성장에 필요한 에너지를 얻는 독립영양(Autotrophic) 생물이다.

1단계는 AOB가 담당한다. 대표 속은 Nitrosomonas이다. 암모니아가 효소인 암모니아 모노옥시게나제(Ammonia Monooxygenase, AMO)의 작용으로 히드록실아민을 거쳐 아질산염이 된다. 이 과정에서 산소가 반응물로 필요하다.

2단계는 NOB가 담당한다. 대표 속은 Nitrobacter와 Nitrospira이다. 아질산염이 질산염으로 산화된다. 두 단계의 에너지 수율 차이로 AOB는 NOB보다 질소 1몰당 더 많은 에너지를 얻는다.

전체 반응은 암모늄 1몰당 산소 2몰이 필요하다는 점이 핵심이다. 이 반응은 산소 소모와 함께 수소 이온을 방출하므로 알칼리도가 줄어든다. 따라서 pH가 낮아지는 현상이 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

하수의 질소는 주로 유기성 질소와 암모니아성 질소로 존재한다. 방류 후 하천과 호수에 질산염이 많이 유입되면 조류가 급격히 증식하는 부영양화가 발생한다. 암모니아는 유독하므로 수생생물에도 해롭다. 따라서 질소를 줄이려면 먼저 암모니아를 질산염으로 바꾸는 질산화가 필요하다.

활성슬러지법이 처음 개발된 초기에도 연속 포기에서 완전 질산화가 확인되었다. 이후 질소 제거 요구가 강화되면서 질산화를 안정적으로 유지하는 설계와 운전이 중요해졌다. 질산화는 독립된 공정이 아니라 호기조에서 일어나며, 뒤따르는 무산소조의 탈질과 짝을 이룬다.

질산화 미생물은 증식 속도가 느려 SRT가 짧으면 세포가 유실된다. 따라서 질산화를 확보하려면 충분한 고형물 체류시간과 적정 용존산소를 함께 관리해야 한다.

용존산소를 적정 수준 이상으로 유지하는 것이 일반적인 운전 관리 기준이며, 조건에 따라 달라진다.

4. 구성요소·원리·절차

질산화는 독립영양미생물이 호기 조건에서 암모니아성 질소를 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 산화시키는 반응이다. 두 단계로 나뉘며 각 단계를 맡는 미생물이 다르다. 첫 단계는 암모니아 산화세균(AOB)이 맡고, 둘째 단계는 아질산 산화세균(NOB)이 맡는다.

질산화는 AOB가 NH4+를 NO2-로, NOB가 NO2-를 NO3-로 두 단계에 걸쳐 산화하는 호기성 과정이다.

1단계에서 AMO는 암모니아를 하이드록실아민(NH2OH)으로 바꾸고, HAO가 이를 아질산으로 산화한다. 이 과정은 산소를 반응물로 요구한다. 2단계는 생성된 아질산을 질산으로 바꾸는 반응으로, 1단계가 빨라도 2단계가 느리면 아질산이 축적된다.

원리는 다음과 같다. 독립영양미생물은 탄소원으로 CO2를 쓰고, 에너지는 질소 화합물의 산화에서 얻는다. 따라서 유기물을 요구하지 않는다. 대표적인 이론식은 다음과 같다.

$\text{NH}_4^+ + 1.5\,\text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_2^- + 2\text{H}^+ + \text{H}_2\text{O}$

$\text{NO}_2^- + 0.5\,\text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_3^-$

두 식을 합하면 \text{NH}_4^+ + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_3^- + 2\text{H}^+ + \text{H}_2\text{O} 가 된다. 여기서 \text{O}_2 는 산소 소비량(mol), \text{NH}_4^+ 는 암모니아성 질소의 몰수다. 질소 1g당 산소요구량은 질소 14g 기준으로 계산하면 약 4.57g O2/g-N이다. 이 값은 필요산소량 산정의 바탕이 된다.

질산화 과정의 절차는 다음과 같다.

• 유입수의 암모니아성 질소가 호기조 내 AOB의 AMO에 의해 하이드록실아민으로 산화됨.
• 하이드록실아민이 HAO에 의해 아질산으로 산화되며 전자를 방출함.
• 아질산이 NOB에 의해 질산으로 산화됨.
• 생성된 질산은 반송되어 무산소조에서 탈질되거나 처리수로 배출됨.
• 질산화로 수소이온이 생성되므로 알칼리도가 소모되어 pH가 낮아짐.

다음 도식은 두 단계의 흐름과 알칼리도 소모를 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

하수처리 질산화의 설계와 운전은 법령보다 설계 기준과 공학 수치가 기준이 된다. 법정 방류수 수질기준은 총질소(T-N) 농도로 관리되며, 질산화 자체를 직접 규정하는 법 조문은 없다. 다음 표는 질산화 설계에서 함께 쓰는 핵심 기준값이다.

표의 값은 설계 기준서와 문헌에 널리 실린 값이며, 실제 설계에는 처리장의 온도·수질 조건을 반영해 보정한다. 저온 조건에서 DO와 SRT를 함께 늘리면 부분질산화(아질산 축적)를 억제할 수 있다.

6. 유형과 비교

질산화는 활성슬러지 공정의 운전 방식에 따라 여러 형태로 구현된다. 대표적 방식을 비교하면 질산화 능력과 운전 조건의 차이를 한눈에 볼 수 있다.