생·화학적 인 제거

왜 배우는가: 하수처리장의 방류수 인(T-P) 기준은 점점 엄격해지고 있어, 생물학적 제거만으로 기준을 안정적으로 맞추기 어려운 경우 화학적 제거를 병행한다. 생·화학적 인 제거는 고도처리 설계와 운전 문제에서 반복해서 출제되는 핵심 주제다. 두 방식의 원리와 한계를 함께 이해해야 답안을 정확히 쓸 수 있다.

출제 이력: 제130회 4교시 2번, 제100회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의:

인(T-P) 제거는 생물학적 방법(EBPR)과 화학적 방법(금속염 응집·침전)으로 하수 중 인산염을 고형물로 전환해 분리하는 공정이다.

핵심 키워드

• 생물학적 인 제거(EBPR)
• 폴리인산축적미생물(PAO)
• 혐기 조건(嫌氣)과 호기 조건
• 화학적 침전과 화학적 응집
• 금속염: 알루미늄염(Al), 철염(Fe), 칼슘염
• 화학 슬러지와 잉여 슬러지
• 방류수 인 기준

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 하수 속 인을 미생물 몸속에 가두어 슬러지와 함께 빼내는 방법이 생물학적 제거이고, 약품을 넣어 인을 불용성 고체로 바꾸어 가라앉히는 방법이 화학적 제거다.

정식 정의로는 생물학적 인 제거를 생물학적 인 제거(Enhanced Biological Phosphorus Removal, EBPR)라 한다. 혐기 탱크를 활성슬러지 반응조 앞에 두어 폴리인산축적미생물(Polyphosphate Accumulating Organisms, PAO)을 선택적으로 증식시키는 방식이다. 혐기 조건에서 PAO는 휘발성 지방산을 세포 내 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)로 저장하면서 세포 내 폴리인산을 분해해 인을 방출한다. 이후 호기 조건에서 저장한 PHA를 에너지로 쓰며 방출량보다 많은 인을 과잉 흡수한다.

화학적 인 제거는 화학적 침전(Chemical Precipitation)이 핵심이다. 금속염을 투입하면 용해성 인산염이 Al, Fe, Ca와 반응해 불용성 인산염 침전물을 만든다. 동시에 pH에 따라 금속 수산화물도 생성되어 인을 흡착한다. 이 과정에서 생긴 작은 입자들이 뭉치는 응집(Coagulation·Flocculation)이 함께 일어나며, 응집은 침전 효율을 높이는 역할을 한다. 침전과 응집은 구별해서 써야 한다.

pH 중성 부근에서 금속 수산화물 생성과 인 제거 효율이 가장 높다. 화학 슬러지는 생물학적 방식보다 양이 많다.

3. 등장 배경과 필요성

하수의 인과 질소는 하천과 호소에서 부영양화를 일으키는 원인이다. 방류수 수질 기준이 강화되면서 2차 처리만으로는 인을 충분히 제거하기 어려워졌다. 고도처리가 도입된 배경이 여기에 있다.

생물학적 인 제거는 약품 비용이 적고 슬러지 발생을 억제하지만, 운전 조건에 따라 제거율이 불안정하다. 특히 혐기 조건 확보, 유기물(VFA) 공급, 반송 조건이 맞지 않으면 PAO가 우점하지 못한다. 그래서 방류수 인 기준을 안정적으로 맞추기 위해 화학적 제거를 보조 수단으로 쓰는 경우가 많다.

화학적 제거는 운전 제어가 쉽고 제거 효율이 빠르게 확보되는 장점이 있다. 대신 약품비가 들고 화학 슬러지가 늘어난다. 두 방식을 함께 쓰면 화학 슬러지 증가를 줄이면서 방류 기준을 확실히 맞출 수 있다. 이 때문에 생·화학적 병행 처리가 고도처리 설계의 실무 기준으로 자리 잡았다.

인 제거 방식을 선택할 때는 처리장 규모, 지역의 수질 목표, 경제성을 함께 고려한다.

4. 구성요소·원리·절차

생·화학적 인 제거는 생물학적 인 제거(EBPR)와 화학적 침전(Chemical Precipitation)을 함께 쓰는 방식이다. 두 공정은 인을 제거하는 원리가 다르므로 구성요소와 절차를 따로 이해해야 한다.

생물학적 인 제거의 원리는 다음과 같다. 혐기 조건에서 인 축적 미생물(PAO)이 휘발성 지방산을 세포 내에 저장하고, 세포 내 폴리인산을 분해하여 인산염을 방출한다. 이후 호기 조건에서 저장된 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 에너지로 쓰면서 방출한 양보다 많은 인을 흡수한다. 흡수된 인은 인 함량이 높은 잉여 슬러지로 빠져나간다. 따라서 생물학적 제거의 핵심은 혐기조를 호기조 앞에 두는 것이다. 질산성 질소와 용존산소가 없는 혐기 조건이 이 미생물을 선택적으로 증식시킨다.

화학적 인 제거의 원리는 다음과 같다. 알루미늄염(황산알루미늄, PAC), 철염(염화제이철), 석회(칼슘염)를 투입하면 용존 인산염이 금속 이온과 반응하여 불용성 인산염 침전물을 만든다. 동시에 pH 조건에 따라 금속 수산화물이 생성되어 인산염을 흡착·포획한다. 이후 침전 또는 부상으로 고액 분리한다. 반응의 결론은 다음과 같다.

화학적 인 제거는 금속염과 인산염의 반응으로 불용성 침전물을 만들어 고액 분리하는 공정이다.

인 제거 절차는 다음과 같다.

• 생물학적 공정에서 혐기조로 유입수와 반송 슬러지를 보낸다.
• 호기조에서 PAO가 과잉 인을 흡수하게 한다.
• 최종침전지에서 인을 많이 머금은 잉여 슬러지를 분리하여 인출한다.
• 방류수 인 농도가 목표치를 넘으면 약품 주입점에서 금속염을 투입한다.
• 급속 혼화와 완속 응집으로 플록을 키운다.
• 침전 또는 부상으로 화학 슬러지를 분리하고 농축·탈수한다.

생물학적 제거는 슬러지 발생량을 줄이지만 운전 조건에 민감하다. 화학적 제거는 안정성이 높으나 약품비와 슬러지량이 늘어난다. 두 방식을 함께 쓰면 설비비는 늘지만 슬러지 증가를 줄일 수 있다.

인 제거량은 주입 금속 몰비로 대략 산정한다. 알루미늄 기준으로 Al/P 몰비는 설계 조건에 따라 정하는 경우가 많다. 이 값은 설계 조건과 목표 농도에 따라 달라진다.

인 제거 목표 0.5mg/L 이하

혐기조 호기조 순서 배치

5. 관련 법령·기준·표준

인 제거와 관련한 방류 기준과 설계 기준은 다음과 같다. 방류수 수질기준은 지역(청정지역·가리지역·특례지역) 구분과 처리시설 규모에 따라 다르다. 아래 표는 기준값을 정리한 것이다. 확실하지 않은 조항 번호는 쓰지 않았다.

법령 기준은 시행 연도에 따라 개정될 수 있다. 개정 연혁은 현행 고시를 기준으로 쓴다. 생물학적 인 제거는 공공하수처리시설의 고도처리 설계 시 검토되는 방식이다.

국제 기준과 비교하면 미국과 유럽은 방류 인 농도를 더 엄격하게 관리하는 사례가 많다. 이 차이는 수역의 부영양화 민감도에 따라 나타난다.

6. 유형과 비교

생·화학적 인 제거는 생물학적 인 제거(EBPR)와 화학적 인 제거(응집·침전)로 나뉜다. 두 방식은 인을 제거하는 원리와 슬러지 발생량, 운전 조건이 다르므로 비교표로 정리해 둔다. 실제 시설에서는 두 방식을 함께 쓰는 경우가 많다.