[기획특집: 인 제거기술] 생물학적 인 제거 기술 동향 및 발전 방향

생물학적 인 제거 기술 동향 및 발전 방향

이 은 실

^†

Technical Trend and Developmental Direction of Biological Phosphate Removal

Eun Sil Lee^† and Chang Sik Choi Clean Energy Team, Institute for Advanced Engineering

Abstract: 하수 및 폐수에 존재하는 인을 제거하기 위한 방법은 크게 물리․화학적 및 생물학적 처리방법으로 구분된 다. 물리․화학적 처리 방법은 중화법, 중화침전법, 전기 응집법 등이 있으며 생물학적 처리방법은 생물 산화성이나 생물 환원성 등의 성질을 이용한 활성오니법, A2/O, Bardenpho 공법 등이 있다. 인을 제거하기 위한 물리․화학적 방법은 제거효율이 높으나 슬러지 발생량 증가와 처리 비용 상승 등의 문제로 인하여 이 중 처리비용이 적게 들고 효율과 신뢰도가 높은 생물학적 처리 방법을 가장 많이 사용하고 있다. 그러나 4대강 사업의 영향으로 총인의 규제 농도가 최대 0.2 mg/L 이하까지 강화됨에 따라 좀더 처리 효율을 극대화할 수 있는 여러 가지 공법들이 모색되고 있다. 이에 현재 운영되고 있는 대표적인 생물학적인 처리 공정에 대한 원리 및 기술 현황에 대해 살펴보고자 한다.

Keywords: phosphate, biological treatment, TCA cycle, polyphosphate accumulation organism (PAO)

1. 서 론

1)

하․폐수 내에 다량 함유되어 있는 인은 호소와 하천의 부영양화를 유발하여 수자원 확보에 막대 한 영향을 초래하게 되며 해마다 수질문제 발생의 원인이 되어 주요한 사회문제로 대두되고 있다.

또한 4대강 수질 개선 일환으로 총인 관리강화법 이 발표되어 인 제거에 대한 여러 가지 방안이 강 구되고 있으며 부영양화의 제한인자로 인이 제 1 의 제거 대상 물질이 됨에 따라 하수처리장마다 인을 제거하는 기술 확보를 위해 여러 가지 방안 을 모색하고 있다. 4대강 총인 농도는 OECD 기준 으로 과영양 단계에 해당됨에 따라 하수방류수 기 준이 내년부터 1등급 지역은 총인 0.2 mg/L 이하, 2등급 지역은 0.3 mg/L 이하, 3등급 지역은 0.5 mg/L 이하, 4등급 지역은 2.0 mg/L 이하로 각각 강화된다.

인을 제거하기 위한 기술로는 물리화학적 방법

과 생물학적인 방법이 있는데, 일반적으로 생물학 적 처리 방법이 보다 널리 쓰이고 있으며, 인 제거 에 대한 연구에 있어 초기에는 보다 효율적인 인 제거 성능을 보이는 새로운 공정의 개발이나 기존 공정의 공정변수 변화를 통한 공정의 최적화가 연 구의 주류를 이루었다. 그러나 인의 법적 기준 농 도가 강화될 것으로 예상됨에 따라 기존 공정 도 입만으로는 한계가 있어 이를 극복할 수 있는 공 정 도입의 필요성이 대두되고 있다.

2. 생물학적 인 제거 기작

생물학적 인 제거에 대한 연구는 초기 생물학적 인 질소제거를 연구하는 중에 인 제거와 질산성 질소와의 상관관계를 주목한 Barbard에 의하여 필 요성이 대두되었다. 그 후 저급지방산(short chain fatty acid) 특히 아세테이트를 이용하여 미생물을 배양한 경우에 의한 인 과잉 축적을 확인하였다

et al., 1975).

Figure 1.

최근 인의 생물학적 제거에 대한 모델 중 가장 일반적으로 받아들여지는 것은 Comeau et al. (1986) 의 모델이다. 이들이 제안한 모델은 다음과 같다.

혐기(anaerobic)조건에서 해리되지 않은 아세트산 은 모든 아세테이트가 이송되는 동안 pH gradient 에서 H⁺를 감소시키면서 세포막을 통해 내부로 이 송되어지며, polyphosphate는 ATP 합성 또는 세 포막을 통한 양자의 방출을 위하여 쓰여진다.

polyphosphate의 분해는 세포 내부에 orthophos- phate의 축적을 야기하고, orthophosphate는 pH- sensitive carrier에 의해 방출되어지며 PHB 합성 을 위한 에너지는 polyphosphate에 의하여 제공되 어진다. Acetyl-CoA는 PHB 합성에서의 acetoacetyl- CoA의 환원을 위한 NADH를 제공하기 위하여 tricarbolic acid (TCA) cycle에 의해 대사되어진다.

반면 호기(aerobic) 조건에서 PHB carbon은 phosphate의 축적과 polyphosphate로 대사하는데 이용된다.

생물학적 인 제거 공정은 polyphosphate accumu- lation organism (PAO)라 불리우는 미생물이 혐기 조건과 호기조건에 번갈아가며 노출되면서 이루 어진다. 따라서 미생물은 단시간 내에 혐기조건과 호기조건에 번갈아가며 노출되면서 상당한 스트 레스를 받기 때문에 이러한 조건에서는 잘 자라지

못하지만 PAO들은 위에 설명한 대사과정을 통해 이러한 환경에서도 살아남을 수 있고, 그러한 특성 을 이용하여 폐수 내의 인을 제거하는 것이다.

3. 인 제거 시스템의 영향인자

3.1. 용존 산소(DO)

생물학적 인 제거에 관한 DO의 영향은 거의 연 구되어 있지는 않으나, 호기성 조건에서 용해성 인이 유기물이 산화되면서 얻은 에너지를 가지고 polyphosphate로 합성된다는 사실을 볼 때 DO 농 도가 인 섭취에 영향을 준다는 사실을 알 수 있다.

Ekama et al. (1984)의 연구에 의하면 포기조의 DO 농도가 1.5～3.0 mg/L 정도를 유지해야만 질 소, 인 동시제거 공정에서 인 제거율이 저하되지 않으며, DO 농도가 너무 낮으면 인 제거 효율이 저하되고 질산화가 이루어지지 않으며 침전성이 악화된다고 발표하였다. 반대로 DO 농도가 너무 높으면 무산소(anoxic)조에 반송되는 혼합액의 DO 농도가 필요이상으로 높게 되어 무산소조에 서의 탈질에 악영향을 미치게 되고, 궁극적으로 이는 혐기조에서의 인 방출을 억제함으로써 인 제 거 효율을 저하시킨다.

3.2. pH

Tracy et al. (1987)은 anoxic-aerobic lab-scale reactor의 호기상에서 pH에 따른 인의 섭취속도를 연구한 결과 pH 7에서 가장 섭취속도가 빠르고, pH 6.5 내지 7.0 사이에서는 별다른 차이가 없었 으며, pH 6.5 이하에서는 일정하게 감소하는 결과 를 보이다 pH 5.2 이하에서는 모든 활성도가 없어 진 후 다시 pH를 상승시킴으로써 인 섭취속도를 정상으로 돌려놓을 수 있었다고 한다. 이와 같이 유입수의 pH가 7.0 전후일 때는 인 제거에 별다른 영향을 미치지 않는다고 할 수 있다.

3.3. 생물학적 체류 시간(SRT)

생물학적 인 처리 공정에서 sludge retention time (SRT)가 길어지면 인을 과잉 섭취한 잉여슬 러지의 양이 감소하고 결과적으로 인의 제거량이 감소하게 된다.

Maier et al. (1984)은 pilot plant를 이용한 인 제 거 실험에서 SRT가 길어짐에 따라 포기조의 F/M 비가 0.2 kg BOD/kg MLVSS․d에서 0.1 kg BOD/kg MLVSS․d로 감소되어 결국 호기조 슬 러지의 인 흡수속도가 MLVSS당 2.6의 비율로 감 소하였으며, 이와 유사하게 Tracy et al. (1985)의 연구에서도 포기조의 F/M비가 낮아짐에 따라 인 의 흡수속도가 3의 비율로 감소하는 결과를 얻었다.

이와 같이 인 제거가 주로 폐슬러지에 의해 이 루어지므로 SRT를 감소시키는 것이 바람직할 것 이나, 생물학적 질소․인 동시 제거 공정에서는 질산화와 탈질을 고려한 적절한 SRT를 설정하는 일이 매우 중요하다.

3.4. 혐기조에서의 질산성 질소(NO3-N)의 영향 생물학적 인 제거 시 질산성 질소가 존재하면 이 를 이용하는 탈질 미생물과 인 제거 미생물이 용 존성 유기물의 섭취를 위하여 경쟁하게 되어 인 제거 효율이 떨어진다. 이는 탈질 미생물의 증식 속도가 인 제거 미생물의 증식속도보다 빠르기 때 문에 인 방출을 촉진시키는 anaerobic stress를 감 소시키는 데 기인하는 것으로 알려지고 있다.

Vinconnean et al. (1985)은 A/O process를 이용 한 인 제거 실험에서 유입수의 BOD : P와 포기조 의 F/M 비가 동일한 상태에서 유출수의 질산성 질소 농도가 3.4 mg/L에서 0.6 mg/L로 감소되었 을 때, 유출수의 인농도는 2.0 mg/L에서 0.9 mg/L 로 감소하였다고 한다.

Comeau et al. (1986)의 생화학적 모델의 연구 에서도 혐기성 반응조로 질산성 질소가 유입될 경 우, 이 질산성 질소는 최종 전자수용체로 작용하 며, 이로 인해 아세테이트와 같은 VFA 물질의 형 성을 위한 발효반응을 제한할 수 있을 것으로 설명 하고 있다.

이처럼 인 제거 효율을 높이기 위해서는 혐기조 로 반송되는 질산성 질소의 농도를 최대한 낮추는 것이 필수적이다.

3.5. 유기물질

생물학적 인 제거의 안정적인 처리 효율 확보를 위해서는 인 1 mg/L당 VFA 5 mg/L 정도가 소요 되는 것으로 알려져 있다. 유기물 중 인 제거 공정 이 heterotrophic bacteria에 의해 이루어지므로 이 들의 성장을 위한 readily biodegradable COD (RBDCOD)의 존재가 중요하다.

4. 생물학적 인 제거 기술 동향

4.1. 인 제거 기술 동향

환경오염이 날로 심각해지면서 질소 및 인 등의 영양염류로 인해 발생되는 오염에 대한 인식 및 중요성이 부각되고 법적 방류기준 및 처리기준의 강화로 인해 많은 시설이 기존의 공법으로는 강화 된 배출 기준을 맞추기가 어려워졌고, 이에 따라 인을 효율적으로 처리할 수 있는 공법에 대한 필 요성이 커지게 되었다.

하․폐수에 함유된 인을 제거하기 위해 물리․

화학적 및 생물학적 공정 등을 이용한 여러 가지 처리공정이 개발되어 왔으나 물리․화학적 처리 방법에 비해 생물학적 처리 방법에 의존하고 있

공 정 장 점 단 점 A/O - 운전이 간단함

- 사상 미생물에 의한 슬러지 벌킹 억제 효과

- 짧은 체류시간의 고부하 운전을 위한 고율의 산소 전달 필요

A2/O - 질소와 인을 동시 제거 가능

- 폐슬러지는 인의 함량이 높아 비료의 가치 있음

- 반송슬러지 내의 질산성 질소로 인해 인의 제거율 이 낮아질 수 있음

- 내부순환율이 높음

Bardenpho

- 질소(90%)와 인(85%)의 제거율 높음 - 슬러지 발생량 적음

- 알칼리도를 공정에서 반송시키므로 화학약품 주입 감소

- 긴 체류시간 요함

UCT

- 반송슬러지 내의 질산성질소를 제거하여 인 제거율 향 상시킴

- 반응조의 용적이 감소

- 내부순환 2번(NRCY, ARCY)으로 유지관리비 증가 - 높은 BOD/P ratio 필요

VIP

- 짧은 체류시간으로 질소와 인의 효율적 제거 가능 - Anoxic 지역으로 nitrate 반송이 산소요구량과 알칼리도

소모량을 감소시킴

- 운전이 복잡함

- 다량의 내부순환으로 인한 유지관리비 증가

Figure 2.

Table 1.

정의 안정성과 신뢰도가 높고 공정 운전이 비교적 쉬우며 처리 비용 등을 감안할 때 경제적이기 때 문이다.

생물학적으로 인을 처리하는 공법은 고도처리 공법으로 주로 2차 처리 공법에서 처리되지 않는 BOD, SS, N, P등의 처리를 위한 시설을 말하며 기존의 2차 처리시설을 변경 또는 개량하여 설치 사용되고 있다. 인을 제거하는 공정을 도입하기 위 해서는 처리 대상 하수의 성상에 맞는 공정을 선정 하고 경제성과 효율성을 동시에 고려하여야 한다.

생물학적 인 제거 공정으로는 질소 제거 공정인 A/O 타입의 공정에 완전 혐기 단계를 추가하는 A₂/O 공법부터 University of Cape Town (UCT), VIP, Bardenpho 공정에 이르기까지 여러 공법들 이 운영되고 있으며, 이러한 공법의 선정은 실제

폐수 적용 시 효율을 높이고 운전비용을 최소화하 는 방향의 연구들로 발전되어 왔다.

초기 대표적인 공법인 A2/O는 생물학적으로 질 소와 인을 동시에 제거하기 위하여 혐기-무산소- 호기를 조합한 공정으로서 인을 제거하기 위하여 혐기-호기 조건을 반복하여 혐기조에서 인을 방출 시키고 호기조에서 질산화를 선행시켜 무산소조 로 내부순환을 통해 탈질반응을 유도하여 질소를 제거한다.

본 공법의 가장 중요한 설계 및 운전인자 중 하 나로 질소 제거율을 높게 유지하기 위해서는 SRT 를 길게 유지하여야 하며, 인 제거율을 향상시키 기 위해서는 SRT를 짧게 유기하여야 한다. 따라 서 이러한 상호 모순되는 SRT 인자를 적절히 유 지하여야 한다. 또한 반송슬러지 내에 포함된 질

Figure 3.

산성 질소로 인하여 혐기조에서 인의 방출기작이 방해받아 인 제거율이 저조할 수 있으므로 반송슬 러지율을 최소한으로 운전하며 내부순환율을 높 게 유지하여야 한다.

UCT 공법은 A2/O 공정의 단점 인 반송 슬러지 내의 질산성 질소가 혐기조로 유입되어 인의 방출 기작이 방해받는 것을 보완하기 위하여 반송 슬러 지를 무산소조로 반송시켜서 탈질반응에 의해 질 산성 질소를 제거시킨 후 혐기조로 다시 반송하는 공법이다. 따라서 질산성 질소를 제거시킨 혼합액 을 반송(ARCY)시켜서 인의 방출율을 높여 인의 제거율을 향상시킨다.

이렇게 초기에는 생물학적 인 제거 공정에 있어 서 새로운 공정을 개발하거나 기존의 하수처리공 정을 개선하여 인 제거를 위한 연구가 활발히 진 행되었다.

4.2. 생물학적 인 제거 공정의 적용 현황 국내 하․폐수 처리를 위한 기술은 다양하지만 대부분이 생물학적 처리공정을 채택하고 있으며 2003년도 말 기준 질소와 인을 처리할 수 있는 고 도처리 공법으로 운영 중인 하수처리장 76개소를 조사한 결과 A2O계열이 43.4%로 가장 많은 것으 로 조사되었다.

국내 하수처리 시설 규모별 처리 공법 현황을 살펴보면 100천 톤 이상 대규모 처리장 10개소 중 9개소가 A2O계열이고, 1천 톤 미만 소규모 처리

Table 2.

(%) 공법 종류

A2O 계열 43.4 A2O, ACS, ASA, BNR, DNR, MLE, NAP, PLⅡ, VIP SBR 계열 38.4 Omniflo, ICEAS, KIDEA,

MSBR

담체(Media) 계열 9.4 CNR, SWPP, Denipho, BCS, SAC

특수미생물 계열 3.9 B3, HBRⅡ

산화구 계열 5.3 산화구, PID

처리공법이 주류를 이루고 있는 것으로 조사되었다.

폐수 배출 사업장수는 매년 증가 추세이며, 2004 년 기준 55,405개소이고, 폐수발생량은 2,350천 m³/day이다.

이를 BOD 농도를 고려한 유기물질 부하량으로 33,990 kg/day이며 수계별로 구분하여 폐수방류량 및 유기물질 방류부하량을 살펴보면 우리나라의 폐수배출업소는 일정지역에 특정업소의 배출업소 가 있음을 알 수 있다.

산업단지 또는 공장밀집지역에서 배출되는 다 량의 산업폐수를 처리하기 위하여 폐수처리시설 을 설치하고 있다. 이러한 산업폐수는 인 제거뿐 만 아니라 다양한 오염 물질을 함유하고 있어 생 물학적 처리 전․후에 여러 가지 공법을 적용하여 통합적인 공정시스템을 운영하여 처리하고 있다.

구 분 계 1종 2종 3종 4종 5종

1996 28,012 279 428 869 2,223 24,213

1997 39,939 275 427 986 2,002 36,249

1998 37,621 241 433 1,034 2,036 33,877

2001 48,876 297 458 1,125 1,823 45,173

2002 51,469 303 540 1,128 1,834 47,664

2003 53,851 306 555 1,117 1,829 50,044

2004 55,405 307 558 1,136 1,889 51,516

Table 4.

수 계 계 한강 낙동강 금강 영산강 기타 동해 서해 남해

사업장수 55,405 17,765 7,859 3,479 2,045 5,458 2,282 7,774 7,733

방류량 2,350 256 527 156 22 197 471 412 310

Table 5.

수 계 계 한강 낙동강 금강 영산강 기타

처리장 49 6 10 14 - 19

시설용량 (천톤/일) 845.95 39.94 320.88 172.88 - 312.15

Table 3.

산업단지 분양가 인하 방안으로 설치비의 50%를 국고로 보조하고 있으나 2003년부터 지역균형 발 전 대책의 일환으로 국고 보조율을 수도권이 아닌 지역에 한하여 100% 보조하고 있다. 그러나 영세 한 대부분의 중소기업에서는 폐수처리 시설을 별 도로 완벽하게 구축하기 힘든 것이 현실이며 환경 오염에 대한 전반적인 이해가 부족하여 자체 시설 설비 확충이 미비한 상황이다.

5. 향후 발전 방향 및 결론

국내의 인 처리를 위한 고도처리 기술은 1980년 대 하․폐수 처리시설에 대한 환경구제가 시작된 이래로 매우 빠른 속도로 발전했으며 1990년대 초 반 환경부 주도로 수행된 G-7 project를 통해 급속 한 발전을 이루었다. 그러나 점차 강화되어 가는 법적 규제를 만족시킬 수 있는 인 제거 공정의 최

Figure 4.

적화 기술은 미비한 상황이다. 또한 우리나라 환 경기술의 전체적인 수준은 사후처리 분야 및 환경 기초시설에 대한 기술로 편중되어 있으며 오염 예 방 및 새로운 시장 확보 기술은 부족한 것이 현실 이다.

강화되는 인 규제 농도를 만족시키기 위해서는

현재까지 진행되어온 공정 최적화만으로는 어려 우며 이에 인 제거 미생물의 연구와 모델링 및 시 뮬레이션의 중요성이 대두되고 있다. 인 제거 미 생물의 종 규명을 위한 시도는 1970년대에서부터 시작되었고 그 이후에도 많은 연구들이 이어져 왔 으나 아직까지 인 제거 역할을 수행하는 미생물을 완전하게 밝혀지지 않은 것이 현실이다.

최근 생물학적 인 제거 반응이 단일 미생물이 아닌, 여러 미생물 종의 커뮤니티와 상호 대사 작 용을 통해 이루어지는 것이 아닌가에 대한 의견이 제기되고 있으며 Rhodocyclus 종이 인 제거 미생 물로 제시되고 있다. 또한 일반적으로 질산염이 존재 시 인 제거에 악영향을 미친다고 알려져 있 으나 최근 질산염을 산소 대신 사용하여 질소와 인을 동시에 제거하는 미생물의 존재가 보고되고 있어 질소와 인을 동시에 제거하는 미생물의 연구 가 이루어지고 있다. 이러한 지속적인 연구를 통 해 인 제거 미생물에 대한 정보가 완전하게 밝혀 질 경우 공정의 최적화와 부합하여 높은 효율의 공정 운영을 할 수 있을 것이다.

인 제거 공정이 발견된 이후 다양한 방법과 목 적을 가지고 많은 인 제거 공정의 모델링과 시뮬 레이션이 이루어졌다. 그러나 상․하수도 통계 자 료의 통합관리시스템(WITS)이 측정망을 중심으 로 한 측정 자료 제공의 역할에만 한정되어 있는 실정이다. 따라서 환경기술 분야를 중심으로 한 IT 융합을 통해 하수처리장 및 환경기초 시설에 대한 정보자료를 제공하는 한정된 역할 뿐만 아니 라, 자료 처리를 통한 새로운 환경 지식 및 체계적 인 정보를 제공․처리할 수 있는 통합 관리 시스 템 구축 및 관리 기술 개발이 필요한 시점이다.

이러한 기술의 확보로 생물학적 인 제거 공정 안에서 일어나는 미생물반응을 정확히 모델링하 여 미생물의 대사 작용을 모사하고 미생물에 대한 정보를 추측하며 인 제거 공정의 모델링을 통해 전체적인 하수처리장을 모니터링 및 제어할 수 있 다. 이러한 기술의 발전은 미생물의 발견과 함께 인 제거 공정의 효율 극대화를 가져 올 것으로 판 단된다.

이와 더불어 하․폐수 내에 존재하는 인으로부 터 유래되는 부영양화 발생 억제와 함께 고갈 자 원인 인의 효율적인 사용을 위해서 재생 및 재활 용 기술 개발에 대한 기술 개발과 확립이 필요할 것으로 판단되며 이러한 다양한 방향으로의 접근 과 개발은 수질의 질적 향상을 통한 자연 생태계 로의 영향을 최소화할 수 있는 친환경 방류수 확 보와 물 순환 체계를 복원할 수 있는 기반이 될 것 이다.

참 고 문 헌

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이 은 실

2004 상명대학교 환경공학 학사 2009 광운대학교 환경공학 석사 2007∼현재 고등기술연구원 플랜트ENG

센터 청정에너지팀 선임연구원

최 창 식

1990 중앙대학교 화학과 학사 1992 중앙대학교 일반대학원

화학과 석사 2008 아주대학교 일반대학원

환경공학과 박사 1992∼1995 롯데그룹중앙연구소 1995∼현재 고등기술연구원 플랜트ENG

센터 청정에너지팀 팀장/수석연구원

affecting biological phosphorus removal for the VIP process, a high-rate university of

capetown type process, edited by ramadori, R., Pergamon press, 185-200 (1987).