미생물의 분해기작

가. 분뇨 정화처리

분뇨의 생물학적 처리방법은 미생물(주로 박테리아)이 분뇨의 유기물을 에너지 원이나 세포증식을 위한 영양원으로 이용하여 분뇨 중의 유기물질을 분해하는 방 법이다. 생물학적 처리는 호기성 및 혐기성으로 구분되나, 본 연구의 분뇨처리시 설은 폭기 시설이 갖추어진 호기성 처리방법으로 구분할 수 있다. 호기성 미생물 은 수중에 용존산소가 없으면 성장이 저해되며, 일부 호기성 미생물은 전혀 성장 하지 못하는 경우도 있는데, 호기성상태의 미생물에 의한 돈 분뇨 제거기작은 Table 2.8과 같다.

호기성상태의 유기물 분해 유기물 + O2 → CO2 + H2O + 에너지(호흡반응)

유기물 + O2 → NH3 + 미생물(MLSS) + CO2 + H2O + 에너지(합성반응) 세포물질 + O2 → CO2 + H2O + 에너지(자기산화반응)

Table 2.8. Aerobic degradation mechanism of microorganism

나. 분뇨에서 미생물의 역할

분뇨를 분해하는 과정에서 박테리아를 위주로 한 다양한 종류의 미생물이 BOD물 질의 제거나 콜로이드성 고형분의 응집을 포함한 유기물의 안정화에 관여한다.

분뇨 중 콜로이드성 물질이나 BOD 유발물질은 박테리아 등의 호흡반응이나 합성 또는 자기산화와 같은 미생물활동에 의해 미생물 세포조직 형성 원으로 이용되거 나, CO2, H2O, Ammonia 등으로 변환된다. 이 과정을 통하여 분뇨 중의 유기물이 분 해되며 증식된 미생물들을 응집 ․ 침전시킨 다음 슬러지 형태로 제거되면 분뇨의 오염성 유기물이 제거되는 효과가 얻어진다.

다. 미생물 성장조건

미생물이 계속 번식하려면 미생물성장을 위한 에너지원과 새로운 세포조직의 합 성을 위한 탄소원, 질소, 인 등의 주요영양소와 황, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등과 같은 무기성 미량영양소가 필요하다. 탄소원과 에너지원이 미생물의 세포 탄소원 으로 이용되는 것은 유기물과 탄산가스이다.

라. 미생물의 증식

생물학적 처리방법에서 유기성 오염물질의 제거 역할을 수행하는 미생물인 박테 리아는 Fig. 2.4와 같이 일반적으로 하나의 세포에서 두개의 세포로 분열하는 이 분법에 의하거나 유성생식 또는 발아에 의하여 번식한다.

이분법에서 한 세대 시간, 즉 세포수가 2배로 증가하는데 소요되는 시간은 박테 리아는 성장조건이 좋을 경우 15 ~ 20분 정도 걸린다, 예를 들어 한 세대시간이 30분과 20분인 박테리아가 있다고 할 경우, 한 마리의 박테리아가 이론적으로는 기하급수적으로 늘어나 12시간 후에는 각각 1,678만 여 마리 그리고 687억 여 마 리로 늘어나게 되지만 실질적으로는 먹이나 기타 생장조건의 제약으로 번식 량에 는 한계가 있다.

Fig. 2.4. A growth curve of microorganism by feeding level.

미생물이 잘 성장하기 위해서 먹이인 에너지원이나 탄소원이 필요량만큼 있어야 하고, 전자수용체가 충분해야하며, 기타 물리 ․ 화학적 성장조건이 잘 맞아야한다.

기질의 농도가 증가함에 따라 미생물(주로 박테리아)의 증식이 활발하게 일어나다 가 어느 정도 지나면 증식률이 현저하게 낮아지는 것을 알 수 있다.

박테리아는 기질의 농도, 영양소의 농도, 폭기조 내부 환경 등의 환경적 제약조 건으로 인하여 무한히 증식할 수는 없다. 생물학적 폐수처리가 일어나는 폭기조 내에서도 이러한 경향이 동일하게 적용된다.

폭기조 내에서 시간의 경과에 따른 박테리아의 성장단계를 보통 4가지 단계로 구분할 수 있다. 미생물의 성장 과정은 Fig. 2.5와 같이 시간의 경과에 따른 미생 물 질량의 변화를 설명하고 있으며, 미생물량의 변화를 기준으로 하여 다음과 같 이 구분한다.

Fig. 2.5. Reproduction curve of microorganism.

(1) 지체기(lag phase)

지체기는 접종된 미생물이 새로운 주변 환경에 적응하여 분열하기까지 걸리는 시 간을 말한다. 즉 새로 접종된 세균 세포는 증식에 필요한 효소를 합성하기 위한 시간을 필요로 하게 된다. 지체기의 박테리아 질량은 세포분열이 일어나기 전에도 약간씩은 증가하므로 박테리아 수와 일치하지 않는다.

(2) 대수 성장기(logarithmic growth phase)

대수성장기는 미생물 성장률이 절정에 달하는 시기로서 이 기간 동안 세포의 분 열 율은 그 세대시간 및 먹이 섭취능력에 따라 결정된다. 이 기간 동안에는 세대 시간도 짧으나 이때의 세포는 지체기보다 민감한 상태여서 pH나 온도, 삼투압, 진 동 등 외부조건에 영향을 받는다.

(3) 감소성장기(declining growth phase)

이 기간 동안에는 먹이공급이 제한되므로 박테리아 질량 증가율이 감소하고 세 포 수는 대개 일정하게 유지된다. 이 기간은 세포성장에 필요한 기질 및 영양소가 모두 소비된 상태이고 새로이 성장하는 미생물량이 사멸되는 미생물량보다도 더 적을 수 있다. 영양이 부족한 상태에서의 미생물의 신진대사 결과로 생긴 독성 물 질의 축척 때문에 세포의 증식속도는 더 이상 증가하지 않고 오히려 감소하기 시 작한다.

(4) 내생성장기(endongenous growth phase)

이 기간에는 기존 박테리아의 사멸 율이 새로이 성장하는 미생물량보다 많다, 이용 가능한 기질의 농도가 최소가 된 상태이므로 미생물은 신진대사를 유지하기 위하여 자기 자신의 원형질을 이용하게 된다. 미생물들이 부족한 영양분을 두고 서로 경쟁을 하게 됨으로써 신진대사 속도는 감소하고 살아 있는 미생물 수도 크 게 줄어든다. 내생호흡 단계가 오래 지속되고 자기 자신의 세포 이외에 새로운 에 너지 공급원이 없을 때에는 세포의 자기분해(자산화)가 일어나게 된다.