제 3 장 혐기처리의 환경요소 영향

폐수의 협기 처리는 허락되는 여러 가지 조건에 영향을 받는데, 이 조건은 설계 조작과 환경요소 2가지로 대분류 할 수 있다.

 

전자는 사용된 반응기 유형, 조작 단위의 선택 및 배열 방식, 예비 처리방식, 부하, 수리학적 체류 시간 등을 포함한다. 이러한 조건은 제5, 6장에서 각각 언급한다. 환경요소는 즉 협기 과정에 대한 미생물학적 각도에 치중하여 고려할 때, 그것은 본질상 처리의 근본적인 요소이고, 설계와 조작을 결정하는 요인이다. 그러므로 더욱더 좋은 분해와 혐기공정 응용은 필수적으로 그것의 환경요소에 대한 여 분해의 영향을 깊이 이해해야만 한다. 협기 과정의 환경요소 영향은 온도, pH, 알칼리도, 영양물, 산화환원 전위 및 독성, 생분해성 등 폐수 특성을 포함한다. 폐수 특성에 따른 이론적 내용이 비교적 많으며, 본 책은 제4장에서 전문적으로 논술하도록 안배하였다. 본 장의 주요 토론은 폐수의 특징을 제외하고 그 환경요소로 하였다. 

제1절 온도와 온도의 변동 

각종 미생물은 모두 일정 온도 범위에서 성장하고, 생물 성장의 온도 범위를 근거로 하녀 통상 3가지로 분류한다. 

1 저온 미생물, 생장 온도 5~20°C. 2 중간 온도 미생물, 생장 온도 20~42°C. 3 고온 미생물, 생장 온도 42~75°C. 서로 반응하는 지역, 반응 온도 범위와 상술 세균의 생장 온도 범위에 따라 협기 처리 도 저온, 중간 온도, 고온 3종류로 분리한다. 설명한 것과 같이 이 세 종류의 다른 온도 구간 운전의 혐기 반응기 내에서 다른 미생물이 생장하고, 예를 들면 고온 미생물은 고온 혐기 반응기 내에서 운전할 수 있다. 

각 온도 구간에서 온도 상승에 따라 세균성장 속도율이 점차 상승하여 최대치에도 달하는데, 상응하는 온도는 세균의 최대 성장 온도라 불리고, 이 온도를 지난 후 세포 생장 속도는 급속히 하강한다 (그림 3.1). 각 구간의 상한선에서 세균의 사망 속도는 세균 증식 속도를 초과한다. 온도가 세균의 생장 온도 상한보다 높으면 곧바로 세균 사망을 초래하며, 만약 온도가 높거나 혹은 지속시간이 아주 길면, 온도 회복 후 세포 (혹 오니)의 활성이 회복할 수 없다. 또 온도의 하강 또는 온도 범위 하한보다 낮으면 전체적으로 세균이 사망하지 않으나, 점차 정지하거나 그 대사활동이 약해지고, 균종이 휴면 상태로 처하여 그 생명력은 상당히 장기간 유지할 수 있다. 온도가 원래의 생장 온도까지 상승할 때, 세 포(혹은 오니) 활성은 매우 빨리 회복한다. 

따라서 온도의 상한 초과는 심각한 문제를 일으키나, 온도 하강은 일반적으로 세 활성도 하락을 일으킨다.

 

만약 온도 하강 시 상응하는 반응기 부하를 낮추거나 혹은 주입을 정지하면 심각한 문제가 발생하지 않지만, 일단 온도가 정상 회복되면 반응 운전 즉시 빨리 정상 회복할 수 있다. 5-70°C의 범위 안에서, 일반적으로 고온의 혐기 균 대사과정은 비교적 빠르다. 만 각 범위 상한 접근에서 예외가 있다. 그래서 고온 혐기공정은 중간 온도 협기 공정에, 중 1 혐기공정은 저온 혐기공정에 비교하여 반응속도는 매우 빠르고, 그 상응하는 오니 활 도와 반응기 부하도 역시 높다. Wiegant와 de Man은 55°C에서 UASB 반응기를 초 폐수처리에 사용하여 그 오니 활성도를 4.6-7.3kg COD/(kg VSS. d)에 달성하고, 생 하는 반응기 부하는 147kg COD/(m.d)로 높게 달성했다. 이와 비교하여, Hula Pol 등은 30°C에서 동일 상의 폐수를 사용하여 UASB반응기 중에서 오니 활성도를 2.2-2.4kg COD/(kgVSS. d)까지 만들었다. 표 3.1은 55°C와 30°C 하에서 오니 활성 비교하였다. 

지금까지 대다수 폐수 협기처리 공정은 중간 온도 범위에서 운전하고, 사람들은 이 범위 온도에서 매 10°C 올라가면, 협기 반응 속도가 약 2배 증가하는 것을 발견했다. 현재 중간 온도 공정 30~40°C의 범위이고, 그 최고 처리 온도는 35~40°C 사이이다. 많은 고온 공정은 50~60°C 사이에서 운전한다. 오니 활력에서 저온 협기 공정은 중간 온도와 고온보다 현저히 낮아지고, 그 반응기 부하도 상응하여 비교적 낮아진다. 그러나 온도가 낮은 폐수에 대하여 폐수 온도 상승 시 많은 에너지 소모를 할 수 있으므로 저온 공정은 선택적 방안으로 제공한다.  상기 범위에서 온도의 작은 변화(예로 1~3°C)는 협기 공정에 대하여 현저한 영향이 있는 것을 알 수 있다. 그러나 만약 온도 하강 폭이 지나치면, 오니 활력의 하락으로 반 옹기의 처리 부하가 낮아져 과부하로 반응기에 산 누적 등의 문제를 일으킨다. 

온도는 세포 내부의 생화학 과정에 영향을 주고, 또 세포 외부환경의 화학 혹은 생물 화학 과정에 영향을 준다. 분해 가능한 화합물의 생물전환은 직접 온도의 영향을 받고, 자유에너지의 형성과 △G'가 변화를 돕는다. 

상기 식 중 AG는 생성물과 반응물 자유에너지의 차이고, AG0일 때 반응이 자발적으로 진행한다. AG는 표준 자유에너지이다. A, B, C, D는 각각 반응물과 생성물의 활성도이고, a, b, c, d는 상응하는 반응 방정식 중 A, B, C, D의 계수이다. △H는 반응열이다. 대다수 유기물의 생물 분해는 고온에서 진행할 때 비교적 적은 에너지를 요구한다. 아래 표 3.2가 표시하는 것은 각각의 반응이다. 고온의 반응은 더욱더 쉽게 진행한다. 온도는 미생물 환경의 이화학적 성질에 영향을 주고, 예를 들면 액체 점도는 온도 상승 또는 하락에 따르며, 이것은 비교적 고온에서 고체 입상(오니 포함)을 만들어 더욱더 좋은 침전 성능을 갖는다.

기체 용해도는 온도 고저에 따르므로 고온에서 반응기와 유출수 중에는 소량의 H, NH, HS, CHA가 용해하므로 이것은 협기과정에서 유리하며, 이러한 물질은 COD로 표현되고 또 유출 수질에 영향을 준다. 
비교적 높은 온도에서 표면장력이 감소하고, 수중에서 화합물의 확산이 증가한다. 온도도 역시 화학 평행상수와 해리 상수에 영향을 준다. 또한 온도에 따르며, 어떤 물질은 VFA, NH와 HS 등 미분 해분자의 비, 농도, 온도 변화에 따른다, 상술 화합물의 독성은 그 비행기 형식의 분자에서 일어난다. 세포 내부 물질조차도 온도의 영향을 받는다. 세포 유전물질인 탈산소 DNA와 RNA의 유전 코드는 4가지 염기 즉 G, A, C, T가 주요 조성이다.

 

DNA와 RNA의 이중나선 구조상 체인으로 각 염기 A-T, G-C의 방식과 다른 한 개의 체인은 염기 배열에 대응하도록 묶어 놓았고, 또 복잡한 배열 조합방식으로 형성된다. 그러므로 이 표는 세포의 유전 정보와 생물 성상을 이룬다. 매 물질 종은 그 특유의 염기 조성 방식이 있다. 자료에 의하면, 고온 성균은 DNA와 RNA 중에 더 많은 G-C 결합을 함유하고 있다. G-C 간의 연결은 3개의 수소결합이고, 또 A-T 연결은 2개의 수소결합이며, 전자는 비교적 고온에서 저항할 수 있다. [6]  고온 성균 중의 효소와 단백질은 고온에서 견딜 수 있는데, 그 원인 중 하나는 구조상에 다른 결합(예 더 많은 S-S 결합)에 있다. 고온 성균의 해당 체는 중온균보다 더욱 안 정하다.

 

균종의 생장 온도는 균종 자체의 고유 특성이다.

 

중온균은 고온 범위에서 성장하는 내 성이 순화될 수 없고, 또 고온성균은 중간 온도 범위에서 통상 성장할 수 없다. 이미 중간 온도에서 운전된 반응기의 오염된 진흙을 고온 반응기에 접종하여 성공하였으나, 이러한 인식은 당연히 접종 오염된 진흙과 폐수 중에 소량 고온 성균(중간 온도에서 그들은 휴면 상태에 이른다)이 있어, 그들의 생장 온도가 적절하므로 신속히 증식하는 결과이고, 또 중간 온도 오염된 진흙은 고온 오염된 진흙으로 순화하여 변화할 수 없다. 고온 성균의 생장 속도는 중온균의 3~4배와 같고, 표 3.3은 메탄과 초산 생성이 30~35°C와 55°C의 생장 속도에서 관계되는 것을 나타내었다.