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동의대학교 생명공학과 생물정화공학
폐 수 처 리 공 학
Wastewater Engineering;
Treatment, Disposal, and Reuse
9장 생물학적 단위공정 – (1)
생물정화공학
동의대학교 생명공학과
9 장. 생물학적 단위공정
- 대부분의 폐수는 발생 상태 그대로 또는 적절한 전처리를 거쳐 미생물이
생육할 수 있는 조건을 만들어주면 미생물에 의한 생물학적 오염물질
제거가 가능함, 따라서 본 장에서는
▪ 생물학적 폐수처리의 개요
▪ 미생물의 대사작용과 관련된 중요한 현상
▪ 폐수처리에 관련된 주요 미생물
▪ 미생물 증식과 폐수처리 동력학 조절에 관여하는 주요 인자
▪ 가장 일반적으로 사용되는 생물학적 처리공정의 동력학적 분석
등에 대해 다룸
Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University
생물정화공학
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8 장. 하수의 물리화학적 처리시설
※일반적인 하수종말처리장의 처리흐름도
유
입
스크린
침사지
유입
펌프장
방
류
소독조
최종(2차)
침전지
최초(1차)
침전지
물리적 처리시설
화학적 처리시설
포기조
생물학적 처리시설
농축여액
하수 흐름
월류수
슬러지 흐름
탈수기
혐기성
소화조
슬러지반송
원 심
농축조
중 력
농축조
Cake 반출
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9 장. 생물학적 단위공정
9.1 생물학적 처리 개관
생물학적 처리의 목적
- 생물학적 처리의 목적은
▪ 도시하수 : 유기물 함량 저감과 질소, 인 등의 영양염류 저감 및 미량 유기화합물 제거
▪ 농업폐수 : 영양염류 제거
▪ 공장폐수 : 유기/무기 화합물의 저감
미생물의 역학
- 주로 bacteria에 의해 BOD 제거, 비침강성 콜로이드의 응집 등의 기능을 수행
- 미생물은 콜로이드 또는 탄소성 유기물을 CO2/CH4/H2O 및 세포조직으로 변환시킴
- 최종 처리수를 얻기 위해서는 생물학적 처리단계에서 이용된 미생물들을 제거해야 함
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9 장. 생물학적 단위공정
9.2 생물학적 신진대사 개요
미생물 성장을 위한 영양소 요구량
- 적절한 생육과 성장에는 에너지원, 탄소원, 무기물(N, P, S, K, Ca, Mg 등) 등이 필요함
탄소원과 에너지원 (Carbon and energy source)
▪ 이용하는 탄소원(세포 탄소원)의 종류에 따라 종속영양형(heterotrophs)과 독립영양형
(autotrophs)로, 에너지원(세포합성)에 따라 광합성(phototrophs)와
화학영양형(chemotrophs)으로 나뉨
에너지원과 탄소원에 따른 미생물의 일반적 분류
분 류
독립영양미생물
(Autotrophic)
종속영양미생물
(Heterotrophic)
에너지원
탄소원
비고
광합성독립영양 (Photoau- )
빛
CO2
조류, 광합성박테리아
화학합성독립영양 (Chemoau- )
무기물 산화환원반응
CO2
질산화미생물
광합성 종속영양 (Photohe- )
빛
유기탄소
유황 박테리아
화학합성종속영양 (Chemohe- )
유기물 산화환원반응
유기탄소
원생동물, 균류, 박테리아
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9 장. 생물학적 단위공정
영양소 및 성장인자 요구량
▪ 영양소의 결핍은 미생물 성장과 세포합성을 제한하게 됨
▪ 주요 무기영양소 : N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na, Cl
▪ 주요한 무기 미량영양소 : Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, V, W
▪ 성장인자(growth factor, 여타 탄소원으로부터 합성될 수 없는 물질이거나 그러한
합성 과정에 필요한 매개물)로서 필요한 유기영양소는
∙ 아미노산 (amino acids) : R-CHNH2-COOH , 단백질의 기본 구성단위
∙ purines (헤테로고리화합물) : C5H4N4, 천연상태에서는 존재하지 않지만 그 유도체는
생명현상의 주요물질. 유도체로는 퓨린염기 (퓨린고리를 가진 염기성화합물로
구아닌(G), 아데닌 (A)등이 있음)
∙ pyrimidines : C4H4N2, 피리미딘과 피리미딘 유도체를 통칭하여 피리미딘 염기라고
하며 주요 유도체로는 시토신(C) , 우라실(U), 티민(T) 등이 있음
∙ vitamins : 미량으로 생명대사 활동을 조절하는 점에서는 hormone과 유사한 역할,
체내에서 생성되는 물질이면 hormone이고, 아니면 vitamins (ex, vitamin C)
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9 장. 생물학적 단위공정
미생물 대사의 유형
Chemoheterotrophic (화학합성 종속영양) 미생물은 대사형태와 산소 필요 정도에 따라
▪ 호흡성 대사(respirotory metabolism) : 효소에 의해 전자공여체 (electron donor)로부터 전자수용체
(electron acceptor)로 전자가 전달되는 과정에서 에너지를 얻음
∙ 절대 호기성 (obligately aerobic) 미생물 – 호흡에 분자상의 산소만을 이용함
∙ 준혐기성(무산소, anoxic) 미생물 – 호흡에 결합산소 (NO3-, NO2-, SO42- 등)를 이용함
▪ 발효성 대사(fermentative metabolism) : 혐기적 유기탄소 분해과정으로 외부의 전자수용체가 관여
하지 않으며 에너지 생산과정이 비효율적, 즉 호흡성 대사에 비해 낮은 성장율과 세포 생산이 특징
∙ 절대 혐기성 (obligately anaerobic) 미생물 : 발효에 의해 에너지 생산, 산소 zero 조건
∙ 임의성 미생물 (facultative anaerobes) : 산소가 없으면 발효 대사를 하며 산소가 있으면 호흡대사
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9 장. 생물학적 단위공정
9.3 생물학적 처리에 있어서 중요한 미생물
- 세포구조와 기능에 따라 미생물은 진핵미생물(eucaryotes), 원핵미생물(eubacteria),
고세균(archaebacteria)으로 나뉘며 생물학적 처리에 있어 중요한 역할을 수행하는 것은
Eubacteria와 archaebacteria 임
- 진핵미생물 중 생물학적 처리에 관련된 것은 균류 (fungi), 원생동물(protozoa), 조류(algae)
Bacteria
- 단세포 원핵 미생물로 대부분 binary fission(2분열)에 의해 증식
- 형태는 일반적으로 구형(spherical), 막대형(간균, rod; cylindrical), 나선형(helical)
세포구조
▪ 세포내부는 원형질(세포질, cytoplasm)이라 하며 콜로이드 상의 단백질, 탄소화물,
기타 유기화합물들로 구성됨
▪ RNA(단백질 합성), DNA(유전정보)
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9 장. 생물학적 단위공정
세포의 구성
▪ 박테리아는 약 80%의 수분과 20%의 고형물로 구성되어 있으며 고형물의 90%는
유기물이며 10%는 무기물
▪ 박테리아를 구성하는 유기물의 화학식은 C5H7O2N (인을 고려하면 C60H87O23N12P)
환경요소
▪ 환경요소 중 박테리아의 성장과 증식에 가장 큰 영향을 미치는 것은 온도와 pH
▪ 선호하는 온도조건에 따라 psychrophilic, mesophilic, thermophilic으로 나뉨
▪ 일반적으로 최적 pH 조건은 6.5 – 7.5, 최소 성장 조건은 4.0 – 9.5
곰팡이 (Fungi) : 대부분이 엄격한 호기성의 다세포 비광합성 종속영양 미생물로 낮은 pH
(5.6) 선호하며 질소요구량이 작고 섬유질(cellulose) 분해능이 있음
Protozoa와 Rotifer : Protozoa는 운동성을 가진 단세포 호기성 종속영양 원생생물로
박테리아보다 크며 박테리아 및 고형 유기물을 섭취함, Rotifer(160-250㎛)는
다세포 호기성 종속영양 미생물로써 박테리아와 고형 유기물 섭취
조류 (Algae) : 다세포 독립영양 원생동물로 호기성 종속영양 박테리아에 산소를 공급
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9 장. 생물학적 단위공정
9.4 박테리아의 성장
순수배양시 일반적인 성장양상
- 박테리아는 대부분 2분법(binary fission)으로 증식하며 이외에 유성생식, 발아 등도 있음
- Generation time : 분열에 걸리는 시간으로 종에 따라 20min에서 1day까지 다양
- 기질(substrate), 영양소(nutrient), 계의 크기(system size) 등의 환경적 요인에 의해 무한 분열 불가능
박테리아의 수와 양에 따른 성장
1. 지연기 (The lag phase) : 접종한 미생물이 배양액의
환경에 적응하여 분열을 시작하기까지 걸리는 시간
cell count
2. 대수성장기 (The log-growth phase) : Generation
time과 기질 섭취 능력에 따라 결정, 일정 성장율
3. 안정기 (The stationary phase) - 감소성장기 :
세포 성장에 필요한 기질과 영양소 소비가 끝나고
오래된 세포의 사멸율이 세포 성장율보다
높아지려하는 시점으로 세포수가 일정
4. 대수사멸기 (The log-death phase) - 내생호흡기 :
내생단계로 기질과 영양소 소비가 없어 세포의
3
104
2
102
10
1
4
1
time
자산화가 일어나는 단계, 일정한 감소율이 유지됨
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9.5 미생물 성장 동력학
생물학적 폐수처리공정에서는 무엇보다 미생물의 종류와 대사 및 성장 특성에 대해
이해하고 이들 미생물이 최적 성장을 이룰 수 있도록 pH, 온도, 영양소, 산소조건, 혼합
등의 환경조건에 대한 제어를 실시해야 함
미생물 성장
- 회분 및 연속공정에서 박테리아 세포의 성장율은 다음가 같이 정의될 수 있음
rg = μX
(9.1)
여기서, rg = 미생물 성장율, M/V∙T
μ = 비성장율, T-1
X = 미생물 농도, M/V
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기질제한 상태의 성장
- 회분 및 연속공정에서 박테리아 세포의 성장율은 다음과 같이 정의될 수 있음
비성장율, μ
(Monod 식)
μ = μm ∙[S/(Ks + S)]
μ`m
(9.3)
여기서, μ = 비성장율, T-1
μm/2
μm = 최대비성장율, T-1
S = 기질농도, M/V
Ks = 반속도 상수, 성장율이
Ks
기질농도, S
최대성장율의 ½일때의 기질 농도 (M/V)
rg = μm XS/(Ks + S)
(9.4)
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9 장. 생물학적 단위공정
내생 호흡대사의 영향
- 미생물은 항상 대수성장기에 있는 것이 아니며 따라서 성장율에 대한 방정식은
환경조건, 기질조건, 내생감소 (사멸과 포식에 의함) 등을 고려해야 하는데
내생감소 (rd, endogenous decay)는
rd = -kdX
(9.9)
여기서, kd = 내생감소계수, T-1 ; X = 미생물 농도, M/V
- 내생감소를 고려한 미생물의 순비성장율은
μ’ = μm ∙[S/(Ks + S)] – kd
(9.12)
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9.6 생물학적 처리공정
용어 정의
- 호기성 공정 (Aerobic processes) : 산소가 존재하는 조건에서 진행되는 생물학적 공정
- 혐기성 공정 (Anaerobic processes) : 산소가 없는 조건에서 진행되는 생물학적 공정
- 준혐기성 탈질화 (Anoxic denitrification) : 결합산소를 이용하여 진행되는 공정 (질산염의 탈질화)
- 생물학적 영양염류제거 (Biological Nutrient Removal, BNR) : 질소, 인 제거
- 임의성 공정 (Facultative process) : 산소유무에 관계없이 활성을 가지는 미생물에 의한 생물학적 공정
- 질산화 (Nitrification) : 암모니아성 질소 (NH4+-N)  아질산성 질소 (NO2—N)  질산성 질소 (NO3--N)
- 탈질화 (Denitrification) : 질산성 질소를 질소가스로 전환시켜 처리하는 공정
- 기질 (Substrate) : 생물학적 처리과정에서 이용되는 (처리되는) 유기물과 영양소
- 부유(현탁)성장 공정 (Suspended growth processes) : 부유 미생물을 이용하는 공정
- 부착성장 공정 (Attached growth processes) : 미생물을 불활성 고체 (돌, slag, 세라믹, 플라스틱 등)에
부착시켜 운용하는 공정이며 고정생물막 공정 (Fixed-film processes)이라고도 함
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9 장. 생물학적 단위공정
9.6 생물학적 처리공정
생물학적 처리공정
- 처리대상 및 산소공급 유무에 따라, 호기성, 무산소, 혐기성 및 이들의 통합 공정, 그리고 안정화지
- 미생물의 성장 형태에 따라, 부유성장(suspended growth), 부착성장(attached growth)
그리고 혼합성장 (hybrid type)
생물학적 처리공정의 응용
- 탄소성 유기물의 제거 : BOD, TOC, COD 등
- 질산화 (Nitrification)
- 탈질화 (Denitrification)
- 인 제거
- 폐기물 안정화
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