1. 수질 관리에서 질소 제거의 필요성
물은 인간의 생활과 산업 활동에서 절대적으로 필요한 자원입니다.
그러나 사람이 사용한 물은 반드시 오염물질을 포함하게 되고 이 오염물질 중 가장 문제가 되는 것 중 하나가 질소(Nitrogen)입니다. 하수 속 질소는 주로 암모니아성 질소(NH₄⁺), 아질산성 질소(NO₂⁻), 질산성 질소(NO₃⁻)의 형태로 존재합니다.
이들이 그대로 하천이나 호수로 유입되면 부영양화(Eutrophication) 현상을 유발하여 조류 번식, 용존산소 고갈, 물고기 집단 폐사 등의 문제를 일으킵니다.
특히 암모니아성 질소는 수중 생물에 독성을 주고, 질산성 질소는 체내에서 발암성 아질산 화합물을 형성할 수 있기 때문에 인체 건강에도 위협적입니다.
따라서 현대의 하수처리시설은 단순히 유기물(BOD, COD)만 제거하는 것에 그치지 않고 총질소(T-N, Total Nitrogen)를 제거하는 고도처리가 반드시 필요합니다.
이때 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 질산화(Nitrification)와 탈질화(Denitrification) 공정입니다.
이 두 과정은 서로 연계되어 질소를 최종적으로 무해한 질소가스(N₂) 형태로 전환합니다.
2. 질산화 공정 (Nitrification Process)
2.1 정의
질산화란, 암모니아성 질소(NH₄⁺)를 호기성 조건에서 미생물이 산화하여 아질산(NO₂⁻)과 질산(NO₃⁻)으로 전환하는 과정입니다.
이는 두 단계로 진행됩니다:
- 암모니아 산화: NH₄⁺ → NO₂⁻
- 아질산 산화: NO₂⁻ → NO₃⁻
2.2 관련 미생물
- 암모니아 산화균(AOB): Nitrosomonas, Nitrosospira
- 아질산 산화균(NOB): Nitrobacter, Nitrospira
이 미생물들은 모두 자율영양 세균(Autotrophic bacteria)으로서 유기탄소 대신 무기 탄소원(주로 CO₂, HCO₃⁻)을 이용하며
에너지는 암모니아나 아질산을 산화하면서 얻습니다.
2.3 반응식
- 암모니아 산화:NH4++1.5O2→NO2−+2H++H2ONH₄⁺ + 1.5 O₂ → NO₂⁻ + 2H⁺ + H₂O
- 아질산 산화:NO2−+0.5O2→NO3−NO₂⁻ + 0.5 O₂ → NO₃⁻
총괄 반응:
NH4++2O2→NO3−+2H++H2ONH₄⁺ + 2 O₂ → NO₃⁻ + 2H⁺ + H₂O
2.4 운전 조건
- 용존산소(DO): 2 mg/L 이상 유지
- pH: 7.0 ~ 8.0
- 알칼리도: 충분히 확보 (암모니아 1 mg/L 산화 시 알칼리도 약 7.1 mg/L 소비)
- 온도: 15 ~ 30℃
- 슬러지 체류시간(SRT): 10일 이상 (질산화균은 증식 속도가 느리기 때문)
2.5 특징과 한계
- 장점: 독성 암모니아 제거, 질소 제거를 위한 전단계 확보
- 한계: 산소 소비량이 많고, 알칼리도 소모가 크며, 저온에서 반응 속도가 떨어짐
3. 탈질화 공정 (Denitrification Process)
3.1 정의
탈질화란, 무산소 조건(Anoxic)에서 미생물이 질산염(NO₃⁻)이나 아질산염(NO₂⁻)을 최종 전자수용체로 사용하여 이를 질소가스(N₂)로 환원시키는 과정입니다.
즉, 산소 대신 질산/아질산이 환원제로 쓰이며, 그 결과 기체 질소가 발생하여 대기 중으로 방출됩니다.
3.2 관련 미생물
- 대표적 탈질 세균: Pseudomonas, Paracoccus, Bacillus 등
- 대부분 **이종영양 세균(Heterotrophic bacteria)**으로서, 유기탄소를 에너지원으로 필요로 함.
3.3 반응식
- 총괄 반응(메탄올 사용 시):6NO3−+5CH3OH→3N2+5CO2+7H2O+6OH−6NO₃⁻ + 5CH₃OH → 3N₂ + 5CO₂ + 7H₂O + 6OH⁻
3.4 운전 조건
- 무산소 조건: DO < 0.5 mg/L
- 탄소원 필요:
- 내부탄소: 하수 내 잔존 유기물
- 외부탄소: 메탄올, 아세트산, 에탄올, 포도당 등
- pH: 7 ~ 8
- 온도: 20 ~ 35℃에서 활발
3.5 특징과 한계
- 장점: 총질소 농도 감소, 부영양화 방지, 알칼리도 생성(질산화에서 소비된 알칼리도 일부 회복)
- 한계: 외부 탄소원 비용, 무산소 조건 유지 필요
4. 질산화와 탈질화의 연계
현대 하수처리장은 두 공정을 조합하여 총질소를 효과적으로 제거합니다.
일반적으로 호기조에서 질산화가 일어나고, 그 후 무산소조에서 탈질화가 일어납니다.
4.1 대표적 공정 형태
- MLE 공정 (Modified Ludzack-Ettinger): 무산소조 + 호기조, 내부반송 필수
- A2/O 공정 (Anaerobic-Anoxic-Oxic): 혐기조(인 제거) + 무산소조(탈질) + 호기조(질산화)
- 순환식 활성슬러지 공정: 호기/무산소 구간을 교대로 배치
4.2 내부 반송의 필요성
- 질산화가 끝난 액을 무산소조로 되돌려야 탈질화가 가능
- 반송율: 일반적으로 유입 유량(Q)의 200~300% 수준
5. 실제 하수처리장에서의 적용 사례
안성산업단지와 같은 공공폐수처리시설에서는 질소 제거가 필수입니다.
- 산업폐수에는 암모니아 질소 농도가 높게 들어오기 때문에 충분한 질산화 용량 확보 필요
- 내부반송펌프를 통해 무산소조로 질산염을 돌려주며, 경우에 따라 외부 탄소원(메탄올) 투입
- 계절별로 온도 변동에 따라 질산화 속도가 달라지므로 겨울철은 특히 운전 주의 필요
6. 운영자 관점의 주의사항
- DO 관리: 호기조는 충분히, 무산소조는 낮게
- 알칼리도 보충: 탄산나트륨(Na₂CO₃), 소석회(Ca(OH)₂) 투입
- 탄소원 관리: 내부탄소 부족 시 외부탄소 투입 → 과다 투입 시 오히려 잔류 COD 증가
- 슬러지 관리: 질산화균은 성장 속도가 느리므로 SRT를 충분히 유지해야 안정화 가능
- TMS(수질 원격감시체계)로 암모니아·질산성 질소 실시간 모니터링
7. 핵심 요점
질산화와 탈질화는 질소 제거의 양대 축으로, 서로 보완적으로 작동합니다.
- 질산화: 독성 암모니아를 질산염으로 전환 (호기성)
- 탈질화: 질산염을 최종적으로 질소가스로 전환 (무산소성)
이 두 과정은 수계 부영양화 방지, 인체 건강 보호, 수질 기준 준수에 필수적입니다.
앞으로는 에너지 절감형 질소 제거, 단일 반응조에서의 질산화·탈질화 동시 반응(SND, Simultaneous Nitrification and Denitrification) 기술, 아질산 축적을 이용한 단축 탈질화(SHARON, ANAMMOX 공정 등) 연구도 활발히 진행되고 있습니다.
8. 현장 이야기
비가 많이 올 때 침수경보기를 만들어서 설치하는 사진입니다.
전극봉과 플로트 스위치를 이용해서 비가 많이 올 때 경보를 울릴 수 있게 하는 설비입니다.
간단하지만 효율은 큽니다.
질산화·탈질화 공정의 핵심 원리와 현장 적용 사례까지 체계적으로 알아보았습니다.
오늘 다룬 내용은 단순한 이론을 넘어 실제 공공폐수처리시설 운영과도 직결되는 중요한 기술적 기반이므로
글을 읽으시는 분들께 도움이 되었으면 합니다.