생물반응조(활성슬러지) 설계 방법

수질관리 기술사 74회, 95회에 활성슬러지 공정 설계에 대해 출제가 되었을 뿐만 아니라 생물반응조는 환경공학 실무에서 가장 빈번하게 접하는 분야 중 하나이기 때문에 활성슬러지 공법에 관한 해당 지식은 환경공학자에게 꼭 필요한 부분으로 판단된다.

이와 같은 엔지니어링 지식을 보유하고 있을 시 생물반응조의 설계 뿐만 아니라 설계된 생물반응조의 평가까지 가능할 것이다. 

호기성미생물의 유기물 섭취, 질산화, 탈질화 등 여러가지 반응이 일어나지만  생물반응조에서 가장 많은 부분을 차지하는 부분은 다들 알다시피 폭기조이고 폭기조가 거대한 이유는 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되는 과정이 가장 느리기 때문이고 설계상 가장 중점을 두어야 하는 부분도 역시 폭기조이다. 

따라서 폭기조의 설계를 예를 들어 봄과 동시에 이 방법은 혐기조의 유기물 제거속도나 무산소조 탈질화 반응 등 모든 미생물 반응에 적용이 가능하다는 점을 숙지하고 참고했으면 희망한다.

 폭기조에는 크게 두가지 미생물이 존재한다. 유기탄소원을 얻어 성장하는 종속 영양균들이 있고 무기탄소원(이산화탄소)을 얻어 성장하는 독립 영양균이 있다. 여기서 무기탄소원을 얻어 성장하는 미생물이 바로 Nitrosomonas, Nitrobacter로 알려져 있는 질산화 미생물이다. 이산화탄소를 이용하여 성장해야 하기 때문에 반응속도가 매우 느리고 질소를 처리하기 위해 폭기조가 가장 큰 이유이다.  

또한 앞서 언급했듯이 생물반응조를 설계하려면 미생물의 반응속도를 정량해야 한다. 그 방법으로는 다음과 같이 Michaelis Menten model 혹은 monod 식이라고 불리는 방법이 가장 널리 쓰이는 방법이다. 해당 방법은 미생물의 증식속도가 최대에 달할 시 증식속도를 나타내는 최대 비증식속도와 그 최대 증식속도가 절반에 이르는 순간의 기질의 양을 나타내고 있다. 해당 식은 생물반응조 물질수지식을 구성할 때 함께 사용된다.

 

생물반응조의 일반적인 모식도

위 자료는 생물반응조를 대략적으로 나타낸 그림이다. 그림에서 물질수지식을 구성해보면 시스템 범위안에 유입되는 오염물의 질량이 있을 것이고 처리 후 유출되는 오염물의 질량이 있고 그 질량의 차이는 생물반응조에서 반응한 양으로 판단이 된다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다. 

여기서 V는 반응조 부피, S는 substrate로 기질이므로 BOD나 암모니아성 질소 같은 미생물이 처리(섭취)할 오염물이다. Qin은 유입유량, Qout은 유출유량, X는 미생물 농도(반응조내 MLVSS농도), km은 미생물 최대 비증식속도, Ks는 미생물의 반속도 상수이다. 

여기서 생물반응조는 완전혼합식 반응조로 정상상태를 가정하면 dS/dt를 0으로 가정할 수 있고 값을 정리해주면 y = ax + b 형태의 일차반응식이 된다. 이 일차반응식을 이용하여 알고자 하는 미생물군의 km값과 Ks값을 정량할 수 있다. 

다음과 같이 실험실 스케일이거나 현장 플랜트이거나 관계없이 하폐수유입량, 반응조크기, 유입 오염물 농도, 유출 오염물 농도만 알고 있으면 추세선을 작성하여 생물반응조에서 배양중인 미생물의 반응속도를 정량할 수 있다. 

해당 km값과 Ks값을 산출한 후에는 다음과 같이 해당 값을 이용하여 임의의 생물반응 시스템 내 유입농도에 따른 유출농도를 미리 계산하여 알 수 있음과 동시에 유입되는 오염물을 처리하고 싶을 때 생물반응조를 얼마나 설계해야 하는지 미리 판단할 수 있다.

생물반응조의 공기주입량에 해당하는 브로워 용량 설계 및 무산소조 운영을 위한 메탄올 주입설비등의 기타 사항에 대해서는 추후에 다룰 예정입니다.