생물학적 처리

미생물은 생물학적 처리의 핵심 작용자로, 폐수나 유기성 폐기물에 포함된 오염 물질을 분해하고 제거하는 역할을 담당한다. 이 과정에서 미생물은 오염 물질을 에너지원이나 세포 구성 물질로 이용하며, 최종적으로는 이산화탄소, 물, 메탄과 같은 안정된 물질로 전환시킨다.

주요 역할을 하는 미생물로는 세균, 방선균, 곰팡이 등이 있으며, 이들은 각기 다른 유기물 분해 능력을 지니고 있다. 또한 조류와 원생동물도 처리 과정에서 중요한 역할을 수행하는 경우가 있다. 이러한 미생물 군집은 처리 공정의 조건에 따라 그 구성이 달라지며, 효율적인 처리를 위해 최적의 환경을 조성하는 것이 중요하다.

미생물의 분해 대상은 주로 탄소 화합물인 유기물이지만, 질소와 인과 같은 영양염류도 처리할 수 있다. 질소의 경우 질산화와 탈질 과정을 통해, 인은 미생물에 의한 흡수 또는 화학적 침전을 통해 제거된다. 따라서 생물학적 처리는 다양한 형태의 수질 오염을 동시에 해결하는 데 효과적이다.

이러한 미생물의 활동은 처리 공정의 설계와 운영에 직접적인 영향을 미친다. 산소 공급 여부에 따라 미생물 군집과 분해 경로가 달라지며, 이에 따라 호기성 처리와 혐기성 처리로 구분된다. 각 공정은 대상 폐수의 특성과 처리를 통해 얻고자 하는 최종 목표에 따라 선택되어 적용된다.

분해 과정은 미생물이 유기물을 에너지원과 탄소원으로 이용하여 더 간단한 물질로 변환하는 일련의 생화학적 반응이다. 이 과정은 크게 호기성 조건과 혐기성 조건에서 다르게 진행되며, 처리 대상에 따라 질소와 인과 같은 영양염류의 제거도 포함될 수 있다.

일반적인 유기물 분해는 세균과 곰팡이 같은 미생물이 분비하는 효소에 의해 시작된다. 이 효소들은 복잡한 유기물을 가수분해하여 작은 분자로 분해한다. 예를 들어, 단백질은 아미노산으로, 지방은 지방산과 글리세롤로, 탄수화물은 단당류로 분해된다. 이렇게 생성된 작은 분자들은 미생물 세포 내로 흡수되어 호흡 과정을 통해 최종적으로 이산화탄소와 물 또는 메탄 같은 물질로 전환된다.

분해 과정에서 질소와 인의 제거는 별도의 단계를 통해 이루어진다. 질소 제거는 일반적으로 질산화와 탈질 과정을 포함한다. 먼저 암모니아성 질소가 호기성 조건에서 질산화균에 의해 질산염으로 산화된다. 이후 혐기성 조건으로 전환되면 탈질균이 질산염을 질소 가스로 환원시켜 대기 중으로 방출한다. 인의 제거는 주로 인 축적 미생물에 의한 생물학적 인 제거 과정이나 화학적 침전을 통해 이루어진다.

분해의 효율과 최종 생성물은 산소 공급, pH, 온도, 영양염 균형, 유기물 부하 등 다양한 환경 조건에 크게 의존한다. 따라서 생물학적 처리 공정은 이러한 조건들을 최적으로 유지하여 미생물의 활성을 촉진하고 원하는 처리 목표를 달성하도록 설계 및 운영된다.

호기성 처리는 산소가 존재하는 조건에서 미생물이 유기물을 분해하는 생물학적 처리 방법이다. 호기성 미생물은 산소를 최종 전자 수용체로 사용하여 유기물을 이산화탄소와 물로 완전히 산화시키며, 이 과정에서 에너지를 얻는다. 이 방식은 처리 효율이 높고 처리 속도가 비교적 빠르다는 장점이 있어, 하수 처리장의 활성슬러지 공정과 같은 폐수 처리 분야에서 널리 사용된다.

호기성 처리를 위한 주요 설비로는 활성슬러지법, 생물막법, 호기성 소화조 등이 있다. 활성슬러지법은 공기 또는 산소를 폭기시켜 미생물 덩어리인 플록을 형성하게 하고, 이를 침전시켜 처리수를 분리한다. 생물막법은 여재 표면에 미생물이 막을 형성하게 하여 유기물을 분해하는 방식으로, 살수여상과 회전원판법이 대표적이다. 이러한 공정들은 부유물질과 용존 유기물을 효과적으로 제거할 수 있다.

호기성 처리의 성공적인 운영을 위해서는 적절한 산소 공급, pH 조절, 적정 수온 유지, 그리고 영양염류의 균형이 필수적이다. 특히 질소와 인과 같은 영양염이 과다하면 부영양화를 유발할 수 있어, 질소 제거와 인 제거를 위한 추가 공정이 종종 결합되기도 한다. 호기성 처리는 일반적으로 혐기성 처리에 비해 슬러지 발생량이 많지만, 악취 발생이 적고 안정적인 처리 효율을 보인다.

혐기성 처리는 산소가 없는 조건에서 혐기성 미생물을 이용해 유기물을 분해하는 생물학적 처리 방법이다. 호기성 처리와 달리 별도의 산소 공급이 필요하지 않아 에너지 소비가 적고, 처리 과정에서 바이오가스(주로 메탄과 이산화탄소)가 발생하여 에너지원으로 회수될 수 있다는 장점이 있다. 이 방법은 고농도의 유기성 폐수나 슬러지, 가축 분뇨, 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물 처리에 주로 적용된다.

처리 과정은 크게 가수분해, 산생성, 초산 생성, 메탄 생성의 네 단계로 진행된다. 먼저 복잡한 고분자 유기물(단백질, 지방, 탄수화물 등)이 가수분해균에 의해 단순한 화합물로 분해된다. 이후 산생성균이 이를 유기산, 알코올 등으로 전환시키고, 초산 생성균이 주로 초산, 수소, 이산화탄소를 생성한다. 최종적으로 메탄 생성균(메탄생성균)이 이러한 물질들을 메탄과 이산화탄소로 변환시킨다.

혐기성 처리는 처리 효율이 호기성 처리에 비해 상대적으로 낮고, 처리 속도가 느리며, 최종 방류수에 황화수소 같은 불쾌한 냄새를 유발할 수 있는 물질이 잔류할 수 있다는 단점이 있다. 또한 메탄 생성균은 환경 변화에 매우 민감하여 pH, 온도, 유기물 농도 등을 철저히 관리해야 안정적인 운전이 가능하다. 이러한 특성으로 인해 혐기성 처리 공정은 주로 고농도 폐수의 전처리나 슬러지의 안정화, 에너지 회수를 목적으로 하는 경우에 많이 활용된다.

하수 처리는 생물학적 처리 기술의 가장 대표적인 응용 분야이다. 도시와 산업 단지에서 발생하는 생활하수와 산업폐수는 유기물, 질소, 인 등의 오염 물질을 다량 포함하고 있어, 이를 효과적으로 제거하지 않으면 수질 오염과 공중보건 문제를 야기한다. 생물학적 처리는 이러한 폐수를 정화하는 데 핵심적인 역할을 수행하며, 특히 활성슬러지법이 널리 사용된다.

하수 처리장에서는 일반적으로 물리적 처리, 생물학적 처리, 화학적 처리의 단계를 거친다. 생물학적 처리 공정에서는 세균과 원생동물 같은 미생물이 폐수 내 용존 상태의 유기물을 주된 영양원으로 삼아 성장하고, 이를 이산화탄소와 물로 분해한다. 또한, 질산화 및 탈질 과정을 통해 질소를, 인 축적 미생물을 활용하여 인을 제거하는 고도처리도 이루어진다.

이 공정은 크게 호기성 처리와 혐기성 처리로 나눌 수 있다. 호기성 처리는 폭기조 등을 통해 산소를 공급하며 유기물을 빠르게 분해하는 방식으로, 대부분의 하수 처리장의 2차 처리에 적용된다. 반면, 혐기성 처리는 산소가 없는 조건에서 유기물을 분해하며, 처리 과정에서 바이오가스를 부산물로 생산할 수 있어 에너지 회수 측면에서 주목받고 있다.

폐기물 처리 분야에서 생물학적 처리는 유기성 폐기물을 효과적으로 처리하는 핵심 기술이다. 이 방법은 미생물의 자연적인 대사 작용을 이용하여 폐기물에 포함된 유기물을 분해하고 안정화시키는 과정을 말한다. 주로 음식물 쓰레기, 축산 폐수, 농업 부산물, 일부 산업 폐기물과 같은 생분해성 유기물을 처리 대상으로 한다.

처리 방식은 크게 호기성 처리와 혐기성 처리로 나뉜다. 호기성 처리는 산소가 풍부한 환경에서 미생물이 유기물을 이산화탄소와 물로 분해하는 과정이며, 퇴비화가 대표적인 예이다. 반면 혐기성 처리는 산소가 없는 조건에서 미생물이 유기물을 분해하여 바이오가스 (주로 메탄과 이산화탄소)와 안정된 잔류물을 생성하는 방식으로, 소화조에서 이루어진다.

이 기술의 주요 장점은 에너지 소비가 상대적으로 적고, 처리 과정에서 유용한 부산물을 얻을 수 있다는 점이다. 예를 들어 퇴비화를 통해 비료를 생산하거나, 혐기성 소화를 통해 바이오가스를 에너지원으로 회수할 수 있다. 또한 화학적 처리에 비해 2차 오염물질 발생이 적은 친환경적인 방법으로 평가받는다.

따라서 생물학적 처리는 단순한 폐기물의 제거를 넘어 자원의 순환과 재활용을 가능하게 하는 순환 경제의 중요한 기술적 기반이 되고 있다.

토양 정화는 생물학적 처리 기술을 토양 오염 복원에 적용하는 것을 의미한다. 토양에 존재하는 유기물 기반 오염물질을 미생물의 대사 활동을 통해 분해하여 제거하는 방식이다. 이 과정은 자연적으로 일어나는 생물 분해 현상을 인위적으로 촉진하거나 최적화하는 형태로 진행된다.

토양 정화에 활용되는 주요 미생물로는 세균, 방선균, 곰팡이 등이 있다. 이들은 석유 탄화수소, 방향족 화합물, 농약과 같은 다양한 유기 오염물질을 탄소원과 에너지원으로 이용하여 분해한다. 처리 방식은 오염물질의 종류, 농도, 토양의 물리화학적 조건에 따라 적절한 미생물 군집을 도입하거나 영양염류를 공급하는 생물 자극법과 외부에서 배양한 미생물을 직접 주입하는 생물 투입법으로 나뉜다.

이 기술은 특히 산업 폐기물 매립지, 주유소, 화학 공장 부지 등에서 발생하는 토양 오염 정화에 효과적으로 적용된다. 기존의 물리적·화학적 정화 방법에 비해 상대적으로 비용이 저렴하고 2차 오염을 최소화할 수 있으며, 현장에서 직접 처리 가능한 경우가 많다는 장점을 가진다. 그러나 처리 시간이 길 수 있고, 오염물질의 종류나 환경 조건에 따라 처리 효율이 제한될 수 있다는 점이 고려되어야 한다.