혐기성 처리

왜 배우는가: 혐기성 처리는 고농도 유기성 폐수와 슬러지를 에너지 회수와 함께 처리할 수 있어 실무에서 중요하다. 호기성 처리의 폭기 동력과 잉여슬러지 부담을 줄이는 대안이므로, 원리와 조건, 장단점을 묻는 기본 주제이다.

출제 이력: 제114회 2교시 1번, 제113회 3교시 5번, 제96회 2교시 5번, 제95회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

혐기성 처리는 산소가 없는 조건에서 혐기성 미생물이 유기물을 분해하여 메탄과 이산화탄소를 생성하는 생물학적 처리 방법이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 혐기성 처리: 산소를 쓰지 않는 미생물 대사로 유기물을 안정화하는 공정이다. 하수 슬러지와 고농도 폐수를 처리하는 데 함께 쓰인다.
• 가수분해: 입자성 고분자 유기물을 가용성 단량체로 분해하는 첫 단계이다.
• 산발효: 단량체가 휘발성 지방산, 알코올, 수소로 바뀌는 단계이다.
• 초산생성: 지방산과 알코올이 아세트산, 수소, 이산화탄소로 바뀌는 단계이다.
• 메탄생성: 메탄생성균이 아세트산과 수소·이산화탄소를 메탄으로 전환하는 마지막 단계이다.
• 메탄가스: 혐기성 처리의 주요 최종 산물이며 에너지원으로 회수된다.

2. 개념 풀이

혐기성 처리는 산소가 존재하지 않는 환경에서 혐기성 미생물 군집이 유기물을 분해하여 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)로 전환하는 공정이다. 호기성 처리가 산소를 전자 수용체로 써서 유기물을 이산화탄소와 물로 완전 산화하는 것과 달리, 혐기성 처리는 산소 대신 유기물 내부에서 산화와 환원이 함께 일어난다. 그 결과 유기물 에너지의 상당 부분이 산화되지 않고 메탄에 남아 연료로 회수된다.

혐기성 처리의 반응은 가수분해, 산발효, 초산생성, 메탄생성의 네 단계가 직렬로 이어지는 구조이다. 앞 단계의 산물이 다음 단계의 기질이 되므로, 어느 한 단계가 막히면 전체 산물 흐름이 함께 정체된다. 메탄생성균은 증식 속도가 느리고 환경 변화에 민감하므로 대개 메탄생성 단계가 율속단계가 된다. 네 단계는 직렬로 연결되어 있어 가장 느린 단계가 전체 처리 속도를 결정한다.

휘발성 지방산(VFA)은 산발효에서 생성되는 아세트산, 프로피온산, 부티르산 등 짧은 사슬의 지방산이다. 이들이 과량으로 쌓이면 pH가 떨어져 메탄생성균의 활성이 억제되므로, 유기산 농도를 일정 범위에 두는 운전이 필요하다.

메탄생성균은 고세균(Archaea)에 속하는 미생물로서 산소와 pH 변화에 민감하다. 메탄생성균의 활성이 가장 높게 유지되는 pH 범위는 pH 6.8~7.2이다. 온도 조건은 중온 30~35℃와 고온 50~55℃로 나뉜다. 온도가 급격히 변하면 메탄생성균의 활성이 떨어지므로 일정한 온도를 유지해야 한다.

알칼리도는 유기산을 중화하는 완충 능력이며, 반응기 내 pH를 안정시키는 지표이다. 알칼리도를 2000mg/L 이상으로 유지해야 한다. 알칼리도가 부족하면 산이 축적되어 반응이 정지한다.

제거된 유기물에서 나오는 메탄량은 이론식으로 추정한다. 표준상태에서 제거된 COD 1kg당 메탄 약 0.35㎥가 발생한다.

$V_{CH_4}=0.35 Q (S_0-S)$

여기서 V_{CH_4}는 메탄 발생량(㎥/d), Q는 유량(㎥/d), S_0와 S는 유입과 유출의 COD 농도(kg/㎥)이다. 실제 발생량은 미생물 합성에 쓰인 COD만큼 이론값보다 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

호기성 처리는 폭기 장치에 많은 동력을 쓰고, 미생물 증식으로 잉여슬러지가 많이 생긴다. 하수와 폐수의 유기물 부하가 커질수록 이 부담도 함께 커진다. 혐기성 처리는 오래전부터 하수 슬러지를 안정화하는 소화조 방식으로 쓰여 왔으며, 이후 식품·축산·양조·제지 폐수처럼 고농도 유기물을 포함한 산업폐수로 적용이 넓어졌다.

혐기성 처리가 다시 주목받는 이유는 다음 세 가지 필요성에 있다.

• 에너지 회수: 발생한 메탄가스를 보일러나 발전 연료로 써서 처리장의 에너지 자립도를 높인다.
• 슬러지 감량: 미생물 세포 합성량이 호기성 처리보다 적어 잉여슬러지의 처리와 처분 비용이 줄어든다.
• 동력과 약품 절감: 반응기에 폭기 동력이 필요 없고 영양염류와 화학약품의 투입이 적어 운영비가 낮아진다.

최근에는 혐기성 처리를 저농도 하·폐수에도 적용하려는 검토가 늘고 있다. 유기물 부하가 낮으면 미생물 증식이 느려 처리 속도가 떨어지므로, 막분리를 결합해 반응기 내 미생물 체류량을 높이는 방식이 주로 연구된다. 다만 혐기성 처리수에는 BOD와 COD가 여전히 남아 있어 대개 호기성 후처리나 고도처리를 거쳐야 방류기준을 만족한다.