하수처리 질소 제거 원리

왜 배우는가: 하수 질소는 방류수 수질 기준과 호소·하천의 부영양화 관리에 직결되어 하수처리 설계의 핵심 항목이다. 질산화·탈질 원리는 A2O 등 고도처리 공정 설계와 운전 조건 판단의 기초가 되어 1교시 용어 문제와 3교시 공정 논술에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제139회 1교시 9번, 제97회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

하수처리장의 질소 제거는 유입 질소를 질산화로 질산성 질소로 바꾼 뒤 탈질로 질소가스(N₂)로 환원하여 대기로 방출하는 생물학적 처리 공정이다.

하수 속 암모니아성 질소를 호기 조건에서 질산화하고, 무산소 조건에서 질산성 질소를 질소가스로 탈질하여 제거하는 생물학적 공정이다.

• 질산화(nitrification)
• 탈질(denitrification)
• 총질소(TN, Total Nitrogen)와 TKN(유기질소+암모니아성 질소)
• 무산소 조건과 호기 조건
• 내부반송(internal recycle)
• 탄소원(C/N 비)
• 알칼리도 소모
• A2O 공법

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 하수 속 질소를 미생물의 호흡 과정으로 공기 중 질소가스로 바꿔 빼내는 것이다. 질소는 그대로 두면 하천과 호소에서 조류를 키워 부영양화를 일으키므로, 물속에서 기체로 날려 보내야 한다.

하수 질소의 형태는 크게 유기질소와 암모니아성 질소(NH₃-N, NH₄⁺-N)로 나뉜다. 두 형태를 합한 것이 TKN이다. 일반 하수에서는 암모니아성 질소가 대부분을 차지하고, 유입 질소의 상당 부분이 TKN 형태로 들어온다. 유기질소는 가수분해를 거쳐 암모니아성 질소로 바뀐 뒤 제거 대상이 된다.

질산화는 호기 조건에서 독립영양 미생물이 암모니아를 산화하는 과정이다. 첫 단계는 암모니아가 아질산성 질소(NO₂⁻-N)로 바뀌는 반응으로 Nitrosomonas 계열 미생물이 맡는다. 둘째 단계는 아질산이 질산성 질소(NO₃⁻-N)로 바뀌는 반응으로 Nitrobacter 계열이 전통적으로 알려졌으나, 환경에서는 Nitrospira 계열이 주로 맡는 것으로 보고된다. 이 과정은 산소를 소비하고 알칼리도를 줄인다.

탈질은 무산소 조건에서 탈질 미생물이 질산성 질소를 전자수용체로 쓰고 유기물을 탄소원으로 소비하여 질소가스로 환원하는 과정이다. 탈질 미생물은 종속영양 세균이므로 탄소원이 있어야 하고, 용존산소가 있으면 산소를 먼저 쓰기 때문에 탈질이 억제된다.

핵심 원리는 두 반응을 호기조와 무산소조에 나누어 순서대로 일으키는 것이다. 호기조에서 질산화를 하고, 생성된 질산성 질소를 무산소조로 되돌려 탈질한다. 이때 유입수의 유기물이 탈질의 탄소원 역할을 한다.

3. 등장 배경과 필요성

하수처리 초기에는 BOD와 SS를 제거하는 2차 처리로 충분했다. 그러나 질소와 인이 처리수에 많이 남으면 방류수역의 조류가 늘고 용존산소가 떨어지는 부영양화가 일어난다. 이 문제가 커지면서 질소·인을 함께 제거하는 고도처리가 필요해졌다.

질소 제거는 생물학적 방법이 가장 널리 쓰인다. 물리화학적 방법인 암모니아 스트리핑, 파괴점 염소처리, 이온교환은 처리 비용과 2차 오염 문제가 있어 대량의 하수에는 제한적으로 쓰인다. 반면 생물학적 질산화·탈질은 운전이 비교적 간단하고 경제성이 있어 대부분의 공공하수처리시설에 적용된다.

또한 질산화는 산소와 알칼리도를 필요로 하고 탈질은 탄소원을 필요로 한다. 따라서 질소 제거 설계는 산소 공급량, 내부반송비, 유입 C/N 비를 함께 고려해야 한다. 이 점이 질소 제거 공정을 단순한 한 공정이 아닌 여러 조건의 조합으로 만든다.

4. 구성요소·원리·절차

하수 질소 제거는 질산화와 탈질이 짝을 이루는 생물학적 공정이다. 질산화는 호기 조건에서 암모니아성 질소를 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 산화하는 단계이고, 탈질은 무산소 조건에서 질산성 질소를 질소가스(N₂)로 환원하는 단계다. 두 단계를 한 반응조 안에서 순환시키거나 조를 나누어 운전한다.

구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

질산화 원리는 다음과 같다. 암모니아 산화세균(Nitrosomonas 계열)이 NH₃를 NO₂⁻로 산화하고, 아질산 산화세균(Nitrobacter, Nitrospira 계열)이 NO₂⁻를 NO₃⁻로 산화한다. 이 과정에서 산소와 알칼리도가 소비된다. 질산화 반응식은 $\mathrm{NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O}$ 이며, 생성된 수소이온이 알칼리도를 소모하므로 pH 저하를 막기 위한 알칼리도 확보가 필요하다.

탈질 원리는 탈질 세균이 질산성 질소를 전자수용체로 쓰고 유기물을 전자공여체·탄소원으로 쓰는 것이다. 환원 반응은 $\mathrm{2NO_3^- + 10[H] \rightarrow N_2 + 6H_2O + 2OH^-}$ 로 표시되며, 탈질 과정에서 알칼리도가 일부 회복된다. 즉 탈질은 질산화로 잃은 알칼리도의 약 절반을 되돌려준다.

질소 제거 절차는 다음과 같다.

• 유입수의 암모니아성 질소와 유기질소를 확인하고 TKN·C/N 비를 산정한다.
• 호기조에서 질산화를 수행하여 NH₄⁺-N를 NO₃⁻-N로 산화한다.
• 호기조 혼합액을 무산소조로 내부반송하여 질산성 질소를 공급한다.
• 무산소조에서 유기물을 탄소원으로 탈질하여 N₂를 대기로 방출한다.
• 최종침전지에서 슬러지를 분리하고 반송하여 미생물 농도를 유지한다.

질산화는 호기, 탈질은 무산소 조건에서 일어난다는 점이 핵심이다. 두 조건이 번갈아 유지되어야 질소가 제거된다.

원리 측면에서 중요한 변수는 다음과 같다. 질산화는 온도와 SRT의 영향을 크게 받는다. 질산화 세균의 증식 속도가 느려서 SRT가 짧으면 질산화가 불완전해진다. 탈질은 유기탄소가 부족하면 진행되지 않는다. 따라서 유입 C/N 비가 낮은 하수에서는 외부 탄소원을 주입하기도 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

하수 질소 제거와 관련된 기준은 방류수 수질기준과 설계 기준으로 나뉜다. 방류수 총질소(T-N) 기준은 배출 지역과 처리시설 규모에 따라 다르다. 설계 측면에서는 질산화에 필요한 체류시간과 알칼리도, 탈질에 필요한 무산소 체류시간과 내부반송비가 주요 기준이다. 아래 표는 교재와 설계 실무에서 널리 쓰이는 값이며, 적용 전 해당 법령과 설계기준의 현행 조문을 확인해야 한다는 점을 기억한다.

질산화 체류시간은 호기조 용량을 기준으로 산정한다. 호기 체적이 부족하면 SRT 10일 이상을 확보하기 어렵다. 따라서 설계 단계에서 호기 체적비와 SRT를 함께 검토한다.

고형물 체류시간(SRT)과 알칼리도는 질산화 설계의 핵심 인자다. 기준 값은 설계 조건에 따라 달라질 수 있으므로 표의 값은 설계 출발점으로 쓴다.

국내 기준은 「하수도법」과 하수처리시설 설계 지침에 따라 정해진다. 최근에는 질소·인 동시 제거를 위한 고도처리 확대와 함께 방류수 수질 강화가 논의되고 있다.