생물학적 인 제거

왜 배우는가: 생물학적 인 제거는 약품 없이 인을 줄이는 대표적 고도처리 방식이어서 설계와 운영의 기본 원리가 된다. 혐기와 호기 조건에서 미생물이 탄소원과 인을 다루는 순서를 이해해야 영향인자와 효율 향상법을 설명할 수 있어, 시험에서 여러 교시에 걸쳐 반복해 묻는 주제이다.

출제 이력: 제129회 4교시 5번, 제128회 1교시 9번, 제114회 2교시 4번, 제96회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

생물학적 인 제거(EBPR)는 응집제 없이 미생물이 인을 체내에 축적하게 하여 잉여슬러지로 제거하는 공정이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 본문에서는 아래 키워드를 함께 다룬다.

• 폴리인산 축적 미생물(PAO): 세포 안에 인을 폴리인산 형태로 과잉 저장하는 미생물군이다.
• 혐기 조건: 질산염과 산소가 없는 상태이며, 인 방출과 탄소원 흡수가 일어나는 단계이다.
• 호기 조건: 산소가 있는 상태이며, 저장 물질을 분해하여 인을 과잉 흡수하는 단계이다.
• 휘발성 지방산(VFA): 혐기 단계에서 PAO가 흡수하는 주된 탄소원이다.
• 폴리하이드록시알카노에이트(PHA): VFA를 세포 안에 고분자 형태로 저장한 물질이다.
• 잉여슬러지 인 제거: 인을 많이 함유한 잉여슬러지를 배출하여 인을 최종적으로 제거하는 방식이다.

2. 개념 풀이

생물학적 인 제거는 활성슬러지 공정에서 폴리인산 축적 미생물을 선택적으로 증식시켜 하수 중의 인을 생물학적으로 제거하는 방법이다. 철염이나 알루미늄염 같은 응집제를 쓰지 않는다는 점에서 화학적 인 제거와 구분된다. 인은 침전 약품으로 가라앉히는 것이 아니라 미생물의 체내에 모였다가 슬러지와 함께 빠져나가므로, 제거는 미생물의 대사 활동에 의해 이루어진다.

표준 활성슬러지 공정 앞단에 혐기 탱크를 두는 것이 생물학적 인 제거의 기본 구성이다. 원리는 혐기 조건과 호기 조건을 순서대로 거치는 데 있으며, 흐름은 다음과 같다.

• 혐기 단계에서 PAO는 체내 폴리인산을 분해하여 인산염을 방출하고, 그 에너지로 휘발성 지방산을 흡수해 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)로 세포 안에 저장한다.
• 호기 또는 무산소 단계에서 PAO는 저장한 PHA를 에너지원으로 분해하고, 이 에너지를 세포 증식과 글리코겐 보충, 인 흡수와 폴리인산 저장에 쓴다.
• 인을 많이 함유한 잉여슬러지를 배출하면 흡수된 인이 계 밖으로 빠져나가므로 순 인 제거가 완결된다.

일반 미생물은 대부분 산소나 질산염이 없는 조건에서 탄소원을 흡수하여 저장하기 어렵다. PAO는 이와 달리 혐기 조건에서도 탄소원을 흡수하여 세포 안에 저장할 수 있으며, 이 차이가 PAO를 선택적으로 증식시키는 기반이 된다. PAO는 세포 질량의 최대 20%까지 인을 축적할 수 있어, 잉여슬러지 한 단위당 인 함량이 높아진다. 따라서 흡수한 인을 슬러지로 빼내는 운전이 제거 효율을 좌우한다.

탄소원이 부족하면 PAO가 혐기 단계에서 PHA를 충분히 저장하지 못하므로 인 방출과 재흡수가 약해진다. 그래서 휘발성 지방산의 공급이 생물학적 인 제거의 핵심 조건이며, 탄소원의 종류가 PAO 군집의 구성까지 바꾼다. 이 때문에 혐기 탱크는 유입 하수가 먼저 들어가는 위치에 두어, PAO가 하수 속 단순 탄소 화합물에 우선 접근하도록 한다.

3. 등장 배경과 필요성

하수 속 인은 주로 사람의 소변과 분변에서 나온다. 과거 미국 하수 조사에서도 합성세제가 가장 큰 발생원이었으나, 대체 세제 도입 등 발생원 관리로 세제 기원 인이 크게 줄었다. 반면 소변과 분변의 인 함량은 그대로 남으므로, 발생원 관리만으로는 인 부하를 없애기 어렵고 처리 단계에서의 제거가 필요하다.

인이 하천이나 호소로 유입되면 식물플랑크톤과 조류가 과다 증식하는 부영양화를 일으킨다. 인은 이런 증식을 제한하는 영양염류이므로, 방류수의 인 농도를 낮추는 것이 부영양화 억제의 핵심이다.

화학적 인 제거는 철염이나 알루미늄염을 투입하여 인을 침전시키는 방식이다. 처리 효과는 안정적이지만, 약품비가 계속 소요되고 화학 슬러지가 추가로 발생한다는 단점이 있다. 생물학적 인 제거는 이러한 약품비와 화학 슬러지 부담을 줄이는 대안으로 도입되었다.