질소, 인 처리 이론

그동안 축산폐수처리에서 소홀히한 질소와 인의 제거에 대한 이론적인 원리와 우수한 처리공법을 소개하고자 한다.

1) 물리화학적 질소·인 제거

질소와 인의 물리화학적 처리방법에는 여과(Filtration), 흡착(Carbon Absorption), 역삼투법(Reverse osmosis), 파괴점 염소산화법(Breakpoint chlorination), 암모니아 탈기(Ammonia stripping), 응집침전(Coagulation and Precipitation)등이 있다. 상기 방법중 여과나 탄소흡착에 의한 방법은 입자형 상태로 존재하는 유기성 질소제거효율이 30~90% 정도로 다소 효과적이나 용해성인 암모니아(NH3)나 질산염(NO3-N)의 제거효율은 매우 미미한 수준을 나타내고 있다. 그러나 흡착에서 천연 제오라이트 중 Clinoptilolite는 암모니아의 선택성 흡착성이 우수하여 제거효율이 뛰어난 것으로 알려져 있다.

역삼투법에 의한 질소제거는 부유성 질소는 100% 제거가 가능하고, 용해성 질소 제거는 80~85% 제거 가능한 것으로 알려져 있다. Cellulose acetate같은 반투막은 온도의 제약을 받고, Colloid나 유기물은 막 표면에 부착되어 부작용을 유발하고, 용해도가 낮은 염도 막표면에 침적되어 부작용을 일으키므로 활성탄흡착, 응집침전, 여과 등의 전처리가 요구될 수도 있다.

염소산화법의 경우에는 암모니아성 질소를 산화시켜 질소가스로 전환 제거하는 방법으로 암모니아를 100%제거 가능하지만 운전비용이 과다 소요되고, 방류수에 잔류하는 염소를 제거하기 위하여 탈염소화 장치가 필요한 단점이 있다. 암모니아 탈기법은 NH+3이온과 NH3의 평형방정식(1)에서 pH가 7이상으로 증가하면 평형은 왼쪽으로 이동하여 NH+4이온이 NH3로 변하며, 이때 폐수를 저어주어 대기중으로 탈기시켜 제거하는 방법으로 폐수의 pH를 올리는데는 석회가 주로 사용되고 다량의 공기를 불어넣어주어야 효과적이며, 기온이 떨어지는 겨울에는 처리효율이 떨어지는 것으로 알려져 있다.

NH4 + H2O NH+4 + OH- ──  (1)

인의 제거에는 주로 응집침전법이 사용되고 있다. 응집제로 사용되는 약품은 황산반토(Alum, Al2(SO4)3·nH2O), 철염(Fe3+), 석회(Lime, Ca(OH)2), 고분자응집제(Polymer)등이 주로 사용되고 있다. 위의 금속이온에 의해 인산염이 Al(PO4), Fe(PO4), Ca3(PO4)2 형태로 침전제거되고 유기물 입자형태로 되어있는 유기성인도 응집 가능하며, 각 응집제의 반응식은 다음과 같다.

Al3+ + PO43- --- → Al(PO4) ──  (2)
Fe3+ + PO43- --- → Fe(PO4) ──  (3)
3Ca3+ + 2(PO43-) --- → Ca3(PO4)2 ──  (4)

Polymer는 그 특성상 생분해가 가능한 응집제이므로 후속의 생물학적공정에서 처리가 가능하여 폐수처리에 적용 가능성이 매우 높을 것으로 예상된다.

2) 생물학적 질소·인 제거 방법

생물학적인 질소제거의 원리는 미생물의 동화작용에 의해 소모되어 제거되는 것과 질산화작용과 탈질화 작용에 의해 제거되는 두가지로 나눌 수 있다. 이중에서 두 번째인 질산화와 탈질산화를 최대화하는 것이 질소 제거의 가장 중요한 요소로 호기성 상태에서의 질산화(Nitrification)작용은 다음의 두단계를 거쳐 암모니아성 질소가 NO2-에서 NO3-로 산화하는 것으로 반응식은 다음과 같다.

2NH4+ + 3O2 --- →2H2O + 2NO2- + 4H+(Nitrosomonas)
2NO2- + O2 --- →2NO3- (Nitrobacter)

무산소조 상태에서 일어나는 탈질화반응(Denitrification)의 탈질 미생물들은 주로 Heterotrophic bacteria로 최종 전자 수용체로 산화된 질소의 형태인 NOx를 이용하고, carbon source로는 유기 탄소원을 이용하여 아래와 같은 단계를 거쳐 N2 가스형태로 대기중으로 방출하여 제거한다.

NO3--- → NO2- --- → NO --- → N2O --- →N2

생물학적인 인의 제거 원리는 호기성 미생물이 인을 과잉섭취할 수 있는 현상을 이용하는 것이다. 혐기성 상태에서는 미생물내에 축적된 Poly Phosphate가 가수분해되어 Orthophosphate형태로 방출되어 미생물의 체내에 인이 부족한 상태가 된다.
인이 부족한 상태인 미생물이 호기성상태에서는 미생물에 필요한 인보다 2~3배이상 과잉으로 인을 섭취하는 과잉섭취(Luxury uptake) 현상이 일어나 과잉 섭취한 미생물을 제거하므로써 인을 제거하는 방법이다. 상기와 같이 살펴본 질소와 인의 제거 원리를 적절히 조합하여 질소와 인의 효율적인 동시제거를 위한 처리공정의 연구가 활발히 진행되고 있다.
축산폐수의 경우에는 유기물질 농도에 비해 질소와 인의 농도가 매우 높은 폐수로 그처리의 중요성이 큰 폐수인 만큼 처리의 어려움이 따르는 것으로 알려져 있다.

3. 새로운 질소, 인 제거공법(KHTS, Kist High-quality Treatment System)

현재, 대부분의 축산폐수처리공법은 개발단계이거나 시험단계인 경우가 많으며 또한, 전 공정을 외국의 기술을 도입하여 접목하거나 핵심기술만 도입하여 활용하고 있는 경우도 많다.
대부분의 외국기술의 경우는 국내여건에 대한 적응성 부족으로 인한 처리효율 저하 및 관련 부품을 그 나라의 제품을 쓰게 함으로서 고장이나 수명완료시 독점적인 가격체계를 갖게 되어 유지비에 상당한 부담을 가중시키거나 문제 발생시 신속한 대처가 불가능하게 되는 문제 등을 내재하고 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 1995년 부터 국내의 부영양화 현상억제와 관련한 유기물과 영양소제거를 위하여 축산폐수의 공동처리공정을 한국과학기술 연구원에서 개발하기시작하여 처리수질 BOD 20, T-N 50, T-P 5mg/L 이하를 만족할 수 있는 KHTS공법(그림1)을 개발하였다.

KHTS는 고농도의 축산폐수를 희석없이 전처리, 혐기성 발효와 미생물 활성화 및 폭기처리와 응집침전을 통하여 처리하는 공법으로 국내의 토양에서 추출된 미생물을 담체에 고정화 시켜 활용함으로서 폭기조의 미생물 농도를 고농도로 유지할 수 있고, 고부하에 의한 충격현상이나 고농도의 암모니아에 의한 처리방해 현상을 극복할 수 있으며, 낮은 용존산소상태하에서 처리할 수 있도록 유도함으로서 처리의 안정성과 경제성을 극대화 시켰다.
또한 연구를 통해 도출된 혐기성발효조와 탈질조의 효과를 통해 질소와 인의 생물학적처리를 극대화시켜 후속의 질소와 인을 제거하기 위한 고도처리 공정의 시설 및 유지비용을 최소화 할 수 있도록 구성하였다.
위와 같은 축산폐수 처리장치를 공공처리장이나 허가대상규모의 축산농가에서 설치 운영한다면 축산폐수 처리시 제거하기 어려운 질소와 인까지도 완벽하게 처리할 수 있을 것으로 기대된다