A/O·A2/O 공법

왜 배우는가: A/O와 A2/O는 하수의 질소·인을 생물학적으로 함께 제거하는 대표 고도처리 공법이다. 실무 설계와 운전에서 반복적으로 선택되며, 혐기·무산소·호기 조합의 원리를 묻는 문제로 시험에 자주 나온다.

출제 이력: 제130회 4교시 5번, 제112회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: A2/O 공법은 혐기조·무산소조·호기조를 순서대로 배치해 유기물, 질소, 인을 하나의 활성슬러지 계열에서 동시에 제거하는 생물학적 고도처리 공법이다.

핵심 키워드

• 혐기조(Anaerobic zone): 산소와 질산성 질소가 없는 조, 인 방출이 일어남
• 무산소조(Anoxic zone): 산소는 없고 질산성 질소가 있는 조, 탈질이 일어남
• 호기조(Aerobic zone): 산소를 공급하는 조, 유기물 산화, 질산화, 인 과잉 섭취가 일어남
• 내부반송(Internal recycle): 호기조 혼합액을 무산소조로 되돌려 질산성 질소를 제거함
• 인 축적 미생물(PAO): 인을 세포 내 폴리인산으로 과잉 저장하는 종속영양 미생물
• BOD 부하와 SRT(고형물 체류시간): 설계의 기본 인자

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 하수를 세 개의 방에 차례로 넣어, 각 방의 산소 조건에 맞는 미생물이 오염물질을 나눠 먹게 하는 방법이다. 첫 방은 산소가 없어서 인을 내놓는 미생물이 힘을 얻고, 둘째 방은 질산성 질소를 질소 기체로 날려 보낸다. 마지막 방은 산소로 유기물을 분해하고 인을 다시 많이 잡아 둔다.

정식 정의는 다음과 같다. A2/O는 활성슬러지법의 한 변형으로, 반송슬러지와 질산화액의 흐름을 조절해 혐기 상태에서의 인 방출과 호기 상태에서의 과잉 인 섭취를 유도하고, 무산소 상태에서 탈질을 수행하는 공정이다.

생물학적 인 제거(EBPR)는 혐기 조건에서 PAO가 인을 방출하고, 이어지는 호기 조건에서 PAO가 방출량보다 많은 인을 흡수하는 원리이다. 이 과정에서 인은 잉여 슬러지로 빠져나간다. 혐기조에는 질산성 질소가 없어야 하므로, 반송수가 혐기조에 들어가면 인 방출이 방해된다. 이 때문에 질산성 질소를 포함한 혼합액은 무산소조로 보내고, 혐기조는 반송수가 닿지 않도록 앞단에 둔다.

탈질(Denitrification)은 무산소 조건에서 질산성 질소가 질소 기체로 환원되는 반응이다. 탈질에는 유기물이 전자 공여체로 필요하므로, 유입수의 BOD가 부족하면 탈질 효율이 떨어진다.

질산화(Nitrification)는 호기조에서 암모니아성 질소가 아질산과 질산으로 산화되는 반응이다. 질산화가 충분해야 무산소조에서 탈질할 질산성 질소가 공급된다.

3. 등장 배경과 필요성

하수의 2차 처리만으로는 질소와 인이 충분히 제거되지 않는다. 방류수의 질소, 인이 호소와 하천에 쌓이면 부영양화가 일어나고, 녹조와 용존산소 저하가 생긴다. 이 때문에 공공수역의 수질환경 기준을 맞추기 위해 영양염류 제거가 필요해졌다.

초기 고도처리는 응집제를 넣는 물리화학적 방법이 중심이었다. 그러나 약품비와 슬러지 발생량이 많아 운전 비용이 크다. 그래서 미생물의 대사를 이용하는 생물학적 방법이 발전했고, 그 대표가 혐기·무산소·호기 조합의 A/O와 A2/O이다.

A/O는 질소 제거 없이 인 제거를 목표로 한 혐기·호기 공정이다. A2/O는 여기에 무산소조를 넣어 질소와 인을 함께 처리한다. 두 공법은 기존 활성슬러지 설비를 개량하여 적용하기 쉬운 점에서도 필요성이 크다.

방류수 T-N·T-P 기준 강화 이후 생물학적 질소·인 동시 제거의 수요가 커졌다.

4. 구성요소·원리·절차

A/O 공법과 A2/O 공법은 활성슬러지 공정 앞단에 혐기조(Anaerobic)를 두어 인을 제거하고, 호기조(Oxic)와 무산소조(Anoxic)를 조합해 질소를 제거하는 생물학적 고도처리 공법이다. 두 공법은 구성 조가 다르다. A/O는 혐기조와 호기조 2개 조로 이루어지고, A2/O는 혐기조·무산소조·호기조 3개 조로 이루어진다.

혐기조는 질산성 질소와 용존산소가 없는 상태를 유지한다. 이 조건에서 인 축적 미생물(PAO, Polyphosphate-accumulating organisms)이 발효 산물인 휘발성 지방산을 흡수하면서 세포 내 폴리인산을 분해하고 인을 방출한다. 방출에 필요한 에너지는 세포 내 폴리인산 분해에서 얻는다.

무산소조는 질산성 질소(NO₃⁻-N)가 있고 산소가 없는 조건이다. 호기조에서 질산화된 혼합액을 무산소조로 반송하면 탈질균이 질산성 질소를 질소 가스로 환원한다. 이때 유기물이 수소 공여체로 쓰인다. 무산소조는 반송 질산성 질소가 혐기조로 들어가 인 방출을 방해하는 것도 막는다.

호기조는 산소를 공급해 잔류 유기물을 산화하고 암모니아를 질산성 질소로 바꾼다(질산화). 또 인 축적 미생물이 방출한 인을 과잉으로 흡수해 폴리인산 형태로 세포 내에 저장한다. 이 인을 함유한 잉여 슬러지를 引발해 系外로 배출하면 인이 제거된다.

인 제거는 혐기조에서의 방출과 호기조에서의 과잉 섭취가 짝을 이뤄 일어난다

반송 흐름은 두 가지다. 호기조 혼합액은 무산소조로 내부반송되어 탈질을 담당하고, 침전지 농축 슬러지는 혐기조 앞으로 반송되어 미생물 농도를 유지한다.

다음 절차로 운전이 이루어진다.

• 유입 하수가 혐기조로 들어가 반송슬러지와 혼합되고, 인이 방출된다.
• 혐기조 처리수가 무산소조로 이동하고, 호기조 혼합액의 내부반송으로 질산성 질소가 공급되어 탈질이 일어난다.
• 무산소조 처리수가 호기조로 이동해 산화·질산화가 이루어지고, 과잉 인이 세포 내에 축적된다.
• 호기조 혼합액이 2차 침전지로 보내져 상등수는 방류되고, 침전 슬러지는 반송슬러지와 잉여슬러지로 나뉜다.
• 잉여슬러지를 인 함량과 함께 계외로 배출해 인을 최종 제거한다.

과정에서 필요한 기본 식은 다음과 같다. 혐기조 체류시간 t_{an}은 유량 Q(㎥/d)와 조 용량 V_{an}(㎥)으로 다음과 같이 구한다.

$t_{an}=\frac{V_{an}}{Q}\times 24\ \text{h}$

여기서 V_{an}은 조 용량(㎥), Q는 유입 유량(㎥/d)이다. 반송비 R(%)은 반송 유량 Q_R과 유입 유량 Q로 정의한다.

$R=\frac{Q_R}{Q}\times 100$

무산소조 내부반송비 r은 호기조 반송액 유량 Q_{IR}과 유입 유량 Q의 비율이다. 질소 제거율은 반송비에 따라 크게 달라진다.

5. 관련 법령·기준·표준

하수 고도처리의 방류 기준은 「하수도법」과 「하수도법 시행규칙」에서 정한 방류수 수질기준을 따른다. 고도처리 대상 항목은 총질소(T-N)와 총인(T-P)이다. 방류수 수질기준은 지역 구분과 처리장 규모에 따라 달라지므로 적용 지역의 기준을 확인해 적용한다. 설계 시에는 아래 기준 수치를 기본으로 쓴다.

위 표의 값은 설계 시 참고할 항목이며 구체적인 값은 관련 기준을 따른다. 혐기조에서 질산성 질소가 유입하면 인 방출이 저해되므로 무산소조 앞단 반송 흐름을 분리해 관리한다.

관련 기준의 개정 연혁은 방류수 수질기준의 강화와 함께 진행되었다. 방류수 기준이 강화되면서 질소·인 동시 제거 공법의 도입이 늘었다.

6. 유형과 비교

A/O 공법과 A2/O 공법은 모두 활성슬러지법의 변형으로, 호기조 앞에 혐기조를 두어 인을 제거하는 구조다. 차이는 무산소조 유무에 있다. A2/O는 호기조의 질산성 질소를 무산소조로 반송해 탈질을 함께 수행한다.