미생물학과, 환경생활공학, 환경과학 등 환경미생물학 요점 정리 5. 생물학적 슬러지 처리

제5장 생물학적 슬러지 처리

5.1 생물학적 슬러지 처리의 개요

 

1. 서론

 

•슬러지

- 넓은 의미: 하수처리 중 발생하는 폐액으로부터의 침전고형물을 의미

- 좁은 의미: 2차 침전지에서 발생하는 미생물 바이오매스(잉여슬러지)를 의미

- 슬러지는 생물학적 하수처리 과정에서 부산물로 발생하지만, 그 처리 비용은 전체 공정에서 가장 큼

- 한국의 경우(2005년 현재) 6개월 이상 가동한 하수처리장 287개소에서 발생되는 하수슬러지량은 연간 약 250만톤에 이름

- 하수슬러지 처리현황을 살펴보면 해양투기가 75%의 비율로 가능 높은데 2012년 런던협약에 의해 해양투기가 금지되는 경우 하수슬러지의 처리가 매우 곤란한 상황

 

 

2. 슬러지의 종류

 

•그릿(grit)

- 침사지에서 침전 제거되는 모래, 뼈조각, 유리 등과 같은

거칠고 단단한 물질로서 모은 후 곧바로 매립지에 폐기

 

•1차 슬러지

- 1차 처리에서 발생하는 슬러지를 가리키는 것

- 보통 1차 침전지에서 중력에 의해 제거되는 침전성 부유물을 의미

- TS가 보통 2∼7%이며 VS/TS는 약 60∼80%

 

•2차 슬러지

- 2차 처리에서 발생하는 슬러지를 가리키는 것

- 보통 활성슬러지법이나 살수여상법과 같은 생물학적 처리과정에서 발생되는 슬러지(잉여 슬러지)

- 활성슬러지의 경우 TS가 보통 0.8∼1.2%이며 VS/TS는 약 65∼80%

 

•3차 슬러지

- 3차 처리(화학적처리) 과정에서 발생되는 슬러지

 

 

3. 슬러지 공정(sludge processing)

 

(1) 농축(thickening)

 

• TS 함량을 증가시켜 부피를 감소시키는 목적(주로 침전이나 원심분리 이용)

 

• 부피감소로 운반비용이 크게 감소

 

 

(2) 안정화(stabilization)

 

•유기물을 제거하여 안정화키며, 또한 슬러지 양의 감소 및 악취의 저감

 

•혐기성 소화, 퇴비화, 석회 안정화, 열처리 등

 

 

(3) 개량(conditioning)

 

• 고액분리를 용이하게 하기 위한 것(보통 화학약품이나 열처리 이용)

 

 

(4) 탈수(dewatering)

 

• 농축과 달리 슬러지내 수분을 강제적인 수단에 의해 제거(압력 여과기(filter press))

 

• 부피감소로 경제성의 증가 및 취급의 편의성 도모

 

 

 

5.2 혐기성 미생물에 의한 슬러지 분해

 

1. 서론

 

•혐기성 미생물에 의한 유기물의 분해는 보통 혐기성 소화라고 함

 

•호기성 분해가 다양한 미생물에 의해서 이루어지는데 반해서 혐기성 분해는 대부분이 세균에 의해서 이루어짐

 

•혐기성 소화는 오랫동안 슬러지의 안정화에 이용되어 왔으나, 최근에는 산업폐수의 처리에도 적용

 

 

2. 혐기성 분해과정 및 관련 미생물

 

•혐기성 분해과정

(1) 가수분해

 

• 탄수화물, 지방, 단백질 등(복합유기물질) → 포도당, 지방산, 아미노산 등(단순유기물질)

 

• 복합물질의 가수분해는 cellulase, protease, lipase와 같은 체외효소에 의해 이루어짐

 

• 상대적으로 분해속도가 느려, 폐기물 처리의 경우 이 과정이 율속단계(전체속도 좌우)

 

 

(2) 산생성 (산발효)

 

• 포도당, 아미노산, 지방산 등 → 유기산(VFA; volatile fatty acid), 알코올 등으로 분해

 

• 이 중 산생성 단계의 주된 산물은 유기산으로서 이것은 프로피온산, 뷰틸산 등의 다양한 유기산을 포함

 

 

(3) 초산생성 (초산발효)

 

•산생성 단계의 산물인 다양한 종류의 유기산과 알코올을 메탄생성균이 이용할 수 있는 초산으로 분해하는 것으로 이 때 수소가 부산물로 발생

 

•한편, 초산생성균은 메탄생성균과 공생관계에 있는데, 초산생성균이 선호하는 낮은 수소분압이 수소를 이용하는 메탄생성균에 의해서 이루어짐

 

 

(4) 메탄생성 (메탄발효)

 

•초산생성 단계의 산물인 초산과 부산물인 수소를 메탄으로 전환하는 것

 

•메탄생성균은 산생성균보다 성장이 느리고 환경에 매우 민감하기 때문에 운전조건을 잘 맞추어주어야 함

 

•폐기물이 아닌 폐수 처리 시에는 이 과정이 율속단계로 작용

 

•대표적 메탄생성균에는 Methanosarcina, Methanosaeta 등

 

 

3. 혐기성 분해인자

 

(1) 온도

 

•중온소화(35℃: 25∼40℃): 처리효율의 안정성, 유출수의 수질 양호

 

•고온소화(55℃: 50∼65℃): 병원성 세균 파괴, 고부하 처리 가능

 

 

(2) 체류 시간

 

• 혐기성균에 의해 물질대사가 일어날 수 있도록 충분한 시간이 유지

- 중온소화의 경우: 약 25∼30일

- 고온소화의 경우: 약 10∼15일

 

 

(3) pH

 

•평형상태의 pH는 6.5∼7.5

 

•최적 pH는 약 7.0

 

•pH 6.5 이하일 때, 산생성균과 메탄생성균의 평형이 깨어짐

 

•pH의 저하는 유기물 부하가 갑자기 높아질 때 발생

 

 

(4) 알칼리도

 

•알칼리도는 산을 중화시킬 수 있는 능력으로서, 특히 혐기성처리의 경우 매우 중요

 

•산생성 단계에서는 유기산이 생성되는데 적절한 알칼리도가 확보되지 않은 경우 생성된 유기산으로 인해 메탄균이 저해를 받을 수 있음

 

•일반적인 하수슬러지의 경우 약 2,000 mg/L 이하의 값으로 유지되는 것이 좋음

 

 

(5) 가스조성

 

•혐기성 소화조의 가스조성은 메탄과 이산화탄소 그리고 약간의 질소, 황화수소 등으로 구성

 

•보통의 경우 메탄의 적정범위는 약 55∼75%, 이산화탄소는 약 15∼30%

 

•발생가스의 열량은 약 5,000∼7,000 kcal/m³

 

•CO2의 농도가 35% 이상일 경우에는 소화기능에 이상이 있는 것

 

•가스는 공기와의 혼합율이 약 5∼15%일때 폭발위험성이 있어 주의요망

 

 

(6) 가스발생량

 

• 0.5∼0.7 m3/kg VSadded

 

• 1.0∼1.1 m3/kg VSdestroyed

 

 

(7) VS 제거율

 

•VS 제거율은 약 50∼70%의 값을 나타내는데 성상에 따라 차이

 

 

4. 혐기성 분해의 장단점

 

(1) 혐기성 분해의 장점

 

① 동력비 및 유지관리비가 적게 소요

② 호기성에 비해 슬러지 발생량이 약 1/3∼1/20

③ 대체에너지인 메탄가스 생산 (약 9,000 kcal/m3)

④ 장기간 소화조 운전의 중단이 있어도 미생물의 활성이 보전

⑤ 고농도 유기성폐수 및 폐기물 처리에 적절

⑥ 다양한 난분해성 물질을 분해

⑦ 대규모 시설에 적합

⑧ 고온소화의 경우, 병원균의 사멸

 

(2) 혐기성 분해의 단점

 

① 초기건설비용이 大

② 운전 초기(start-up)에 긴 시간이 요구

③ 호기성에 비해 혐기성 미생물의 반응속도가 느리고, 운전이 까다로움

④ 독성물질에 대해 더욱 민감

⑤ 넓은 부지가 필요하며, 시설비가 많이 소요

⑥ 발생폐수의 후처리가 필요

⑦ 생성 슬러지의 비료가치가 낮음

 

 

 

5.3 호기성 미생물에 의한 슬러지 분해

 

1. 서론

 

•퇴비화

- 호기성 미생물에 의해 유기물이 분해되는 것

- 분해가 이루어지는 동안 열이 발생하여 온도가 약 60∼80℃에 이르기 때문에 병원균이 사멸

- 반응이 끝난 후 얻어지는 최종산물은 토지개량제나 비료로 쓰일 수 있음

 

• 퇴비화 공정의 단계

① 슬러지와 팽화제의 혼합

② 공기주입을 통한 처리물질의 안정화

③ 퇴비의 숙성

④ 팽화제를 회수하기 위한 선별

⑤ 생산된 퇴비의 저장

 

 

2. 호기성 분해과정 및 관련 미생물

 

(1) 잠복단계: 퇴비화 환경에 대한 미생물군의 적응이 이루어짐

 

(2) 중온단계: 유기물을 분해하는 세균에 의해 온도가 상승

 

(3) 고온단계: 고온성 세균이나 진균류, 또는 방선균 등에 의해 특징지어지며,

유기물은 고속분해가 이루어짐

 

(4) 냉각단계: 고온성 미생물이 중온성 미생물로 대체되며, 중온으로 온도가 하강

 

(5) 숙성단계: 온도가 대기 온도로 하강하고 변화된 영양상태에 맞는 생물상(원생동물, 윤충류, 딱정벌레류, 진드기류, 선충류 등)의 정착

 

 

3. 호기성 분해인자

 

(1) 온도

 

•퇴비화 반응에 의한 온도상승은 미생물의 호흡대사에 의한 발열반응에 의한 것

 

•퇴비화 과정에서 온도는 퇴비화 완료 여부를 나타내는 지표로서 활용될 만큼 중요한 인자

 

•일반적으로 최적온도는 약 60℃이나 실제 퇴비단의 온도는 80℃까지 올라감

 

 

(2) 포기

 

• 호기성 미생물에 산소를 공급

 

• 반응온도의 조절

 

• 지나친 수분이나 가스의 제거

 

 

(3) 수분조절

 

•호기성 퇴비화의 적정 수분함량은 약 60%

 

•폐기물의 혼합이나 수분의 첨가 등으로 조절

 

 

(4) C/N 비

 

• 최적 값: 약 25

 

•C/N비가 너무 높으면(80 이상)

- 질소부족 현상이 발생

- 유기산이 퇴비의 pH를 낮춤으로써 미생물의 생장과 활동도 억제

 

•C/N비가 너무 낮으면(20 이하)

- 질소가 암모니아로 변하여 pH를 증가

- 이로 인하여 암모니아 가스가 발생되어 퇴비화 과정 중 악취 발생

 

 

(5) 기타

 

• 중금속, 독성물질, 염 등은 퇴비화 미생물의 활동을 저해함으로 잘 조절관리해야 함

 

 

4. 퇴비화의 장점과 단점

 

(1) 호기성 분해의 장점

 

① 운전이 용이함

② 대량의 퇴비를 생산하며, 토지개량제로도 이용가능

③ 초기 시설투자비가 낮음

④ 병원균의 사멸이 가능

 

(2) 호기성 분해의 단점

 

① aeration으로 인한 에너지 소비공정

② 부피감량이 작음

③ 퇴비의 품질표준화가 어려움

④ 퇴비의 비료가치가 낮음

⑤ 악취문제 발생

⑥ 많은 부지가 필요

연습문제

 

1. 혐기성소화의 진행단계를 잘 나타낸 것은?

① 산생성-초산생성-가수분해-메탄생성

② 가수분해-산생성-초산생성-메탄생성

③ 가수분해-초산생성-산생성-메탄생성

④ 산생성-가수분해-초산생성-메탄생성

 

[정답] 2

 

혐기성소화는 가수분해-산생성-초산생성-메탄생성의 순서로 이루어진다.

 

 

2. 다음 중 메탄생성과 관련이 있는 것은?

① PAO

② Nitrosomonas

③ denitrifier

④ Methanosaeta

 

[정답] 4

 

대표적인 메탄생성균으로 Methanosarcina와 Methanosaeta가 있다.

 

 

3. 다음은 퇴비화에 대한 설명이다. 틀린 것은?

① 최적온도는 약 60℃이다.

② 적정 수분함량은 약 60%이다.

③ 최적 C/N비는 약 25이다.

④ 에너지 생산공정이다.

 

[정답] 1

 

호기성 퇴비화는 운전이 용이하고, 대량의 퇴비를 생산하지만, 공기주입으로 인한 에너지 소비공정이다.

 

 

4. 퇴비화의 진행단계(5단계)를 잘 나타낸 것은?

① 잠복단계-중온단계-고온단계-숙성단계-냉각단계

② 잠복단계-고온단계-중온단계-냉각단계-숙성단계

③ 잠복단계-중온단계-고온단계-냉각단계-숙성단계

④ 잠복단계-고온단계-중온단계-숙성단계-냉각단계

 

[정답] 3

 

호기성 퇴비화의 진행단계는 다음과 같다.

- 잠복단계: 퇴비화 환경에 대한 미생물군의 적응이 이루어짐

- 중온단계: 유기물을 분해하는 세균에 의해 온도가 상승

- 고온단계: 고온성 세균이나 진균류, 또는 방선균 등에 의해 특징지어지며, 유기물은 고속분해가 이루어짐

- 냉각단계: 고온성 미생물이 중온성 미생물로 대체되며, 중온으로 온도가 하강

- 숙성단계: 온도가 대기 온도로 하강하고 변화된 영양상태에 맞는 생물상(원생동물, 윤충류, 딱정벌레류, 진드기류, 선충류 등)의 정착