폐수의 혐기생분해성
생분해성의 여부는 혐기와 호기 공정의 일체 생물처리 방법의 중요한 영향 요소이다.
혐기 생분해성 측정시험은 폐수 중의 유기오염물 혹은 특정 화합물의 생물 분해 성능을
측정하고, 동일 계통에서 오염된 진흙의 메탄생성 활성과 오염물의 독성을 측정하는 것이 좋으며, 측정 방법은 제9장에서 부가하여 소개하고자 한다.
1. 다당류
어떤 종류의 폐수는 항상 다당류를 함유한다. 표 4.1은 자주 보는 다당류 및 그 구조상의 특징을 나타냈다. 그중 섬유소와 세미 셀룰로스가 목재 및 비목재 등 제지원료 중에 다량 존재하고, 또한 펄프 제지공정 폐수 중에 상당량의 섬유소, 세미 셀룰로스 및 기타 펄프 제조 과정의 분해 산물이 포함되어 있다. 식품과 사료 공업원료를 만드는 전분은 식품 공업폐수 중에 다량 존재한다. 펙틴은 점성의 다당류이고, 통상 과일통조림 가공 폐 수 중에 비교적 많고, 제지 공업폐수 중에도 일정량의 펙틴 혹은 그 분해물이 포함되어 있다.
다당류 중 섬유소, 아밀로펙틴 전분 혹은 상대적으로 분자량이 특히 높은 아닐 장미 전분, Ca2+ 침전의 펙틴은 물의 불용이다. 상술한 기타의 다당류는 열수에 충분히 용해할 수 있고, 이것은 그들이 폐수 중에 용해성 COD로 존재할 수 있다. 섬유소는 미생물에 의하여 분비한 세포 외 섬유소 분해효소가 단당류와 이당류, 즉 포도당과 반 섬유 이당류로 분해한다. 비슷한 전분과 펙틴은 전분 분해효소와 펙틴 분해 효소로 가수 분해된다. 세미 섬유소 분해효소는 겨우 소량의 미생물에서 발생하나, 절대다수 미생물은 전분과 펙틴 분해효소를 생산한다.
일반적으로 다당류는 모두 혐기 미생물에 의해서 분해될 수 있다. 부분적으로 다당류와 단당류의 혐기 분해성은 표 4.2에서 열거했다. 전분과 펙틴의 생분해성은 매우 바르고, 더욱이 단당류의 발효 속도에 접근한다. (표 4.3) 단 섬유소 생분해는 매우 느리다. 섬유소의 분해 속도는 주로 2개의 불리한 요소의 영향을 받는다. 첫째 섬유소가 전체 리그닌에 의하여 포장되고, 둘째 섬유소 결정체는 직쇄 분자가 평행 배열 조성으로 구조상 빽빽하다. 그 형성과정에서 천연 섬유소는 모두 리그닌의 형성을 수반한다.
따라서 그들은 모두 "리그닌 - 섬유소"형식으로 존재하며, 리그닌은 밀폐되어 물이 통과하지 않고, 섬유소에 대하여 보호 작용을 한다. 그래서 생분해 과정에서 섬유소 분해 효소가 섬유소까지 접촉하기 어려워서 분해의 진행이 어렵다. 이미 리그닌 제거 후 순수 섬유소의 생분해는 매우 빠른 것을 증명했다. 표 4.4는 순수 섬유소와 "리그닌 섬유소"의 생분해 속도를 비교했다. 섬유소의 생분해는 리그닌의 제거 및 기타 화학적 변성 전 도에 따라, 예를 들면 펄프 제지에서 염 혹은 산으로 리그닌을 제거한 후에 생분해 속도가 매우 크게 나타나는 것을 증명했다. 그러므로 펄프 및 제지 폐수 중의 섬유는 목재보다 생분해 가능성이 매우 크다.
2. 단백질과 아미노산
단백질과 아미노산은 여러 가지 형태로 폐수에 존재한다. 단백질은 아미노산으로 된 큰 고리 구조의 중합체이다. 단백질은 종종 용해성 형식으로 폐수 중에 존재할 수 있고, 타닌 존재 하에서 불용 해물로 응집할 수 있다. 폐수처리 중에서 단백질은 세포 외 단백질 분해효소에 의하여 가수 분해된다. 이 대다수 아미노산은 협기 과정에서 메탄으로 쉽게 전환한다. 그러나 대략 10% -20%의 천연단백질 중에서 아미노산은 방향 화합물, 즉 phenylalanine과 타이로신 (tyro sine) (그림4.6)이다. 이러한 아미노산은 분해 시작이 비교적 늦으나, 균종 순화 이후에 기타 페놀류 화합물과 같이 분해할 수 있다.
표 4.5에 의하여 단백질 COD는 메탄 COD로 전환하고, 유기질소는 암모니아성 질소로 전환한다. 이 결과는 각종 단백질이 모두 협기과정에서 분해하는 것을 나타낸다. 그림 4.7은 협기 분해 중의 변화상황에서 감자 단백질의 분해, 가수분 해율, 산화율과 무기화율이다. 그림 4.7은 한 개의 정체기 중에 가수분해 진행이 매우 빠르게 나타난 것을 볼 수 있다. 개시 시의 정체기는 발효균이 기질에 의하여 유도되고, 또 세포 외의 단백질 분해효소 발생은 시간이 필요한 것을 반영했다. 젤라틴 단백질은 산화 반응기 중의 분해 속도 비율에서 12.0g COD/(GVCS. d)로 높게 달성되었다.
3. 지방과 고급 지방산
지방은 고급 지방산과 글리세린이 에테르결합 형식의 중합물, 즉 triglyceride이다. 수중에서 지방 용해는 그것이 지방분해효소에 의해서 신속하게 가수분해할 수 있다. 단 pH8 이상에서 용해할 수 있고, 중성에서 특별히 산성 조건에서 지방은 불용 해성이다. 그러므로 pH6.0 이하에서 지방의 가수분해는 매우 느리다.
고급 지방산 자체의 협기분해는 한 개의 협기 산화 과정이고, 그 말단산물은 주로 초산과 수소이며, 그것은 모든 말단산물 COD의 67%와 33%로 각각 차지한다. 고급지방산의 분해는 초산과 수소의 누적 원인이 되고 또 제어 받는다. 따라서 오로지 협기계통 중에서 메탄 균이 존재하여 초산과 수소를 효과적으로 이용할 수 있고, 고급지방산은 계 우 산화될 수 있다. 그러므로 고급지방산은 호 양형 (syntrophism type)의 기질로 분류된다. 만약 메탄 균이 완전히 제어 (예 산화 반응기 중에서) 받는다면, 그러한 고급지방산의 진한 액체는 분해 혹은 완전히 분해할 수 없다. 고농도 고급지방산은 미생물에 대하여 억제작용이 있고, 이 상황에서 그 분해는 비교적 긴 정체기가 있으며, 일단 적응하면 잠시 초산과 수소 농도가 저 수준으로 유지하고, 그들은 여전히 빠르게 분해되어 진다. 표 4.6은 초산과 수소가 고급지방산에 대하여 억제작용을 나타내고, 시험은 용액 중에 포 도당 첨가 혹은 첨가하지 않은 2개 종류에서 진행한 것이며, 포도당에서 쉽게 산화 발생한 초산과 수소의 영향과 고급지방산 농도의 증가 때문에 그 분해과정 중에서 정체기 증가를 볼 수 있다.
4. 페놀류 화합물
폐수 중에 페놀류 화합물은 통상 식물의 리그닌과 타닌에서 나온다. 리그닌은 메칠 기가 "C-O-C" 결합 혹은 "C-C" 결합 연결이 치환하여 형성된 공간을 가진 망상구조의 중합물이다. (그림 4.9) 리그닌은 비극성 화합물이고, 그것은 통상 단 하나의 알칼리성 조건에서 용해된다. 그러나 상대적으로 적은 분자량의 리그닌 분해 산물은 물에 용해할 수 있다. 그림 4.10은 2종류의 타닌 표시도이다. 그중 가수분해 타닌은 갈산(Gallic acid)이 헤테로 결합으로 연결된 진드기 중합물이고, 중합 리그닌은 노란 알케인 케톤류 화합물이 "C-C" 체인에 연결 형성한 작은 중합체이다. 타닌은 수용성 화합물이다.
페놀류 화합물은 단위체 페놀과 집합 페놀 화합물로 양대 분류할 수 있다.
(1) 단위체의 페놀 화합물
어떤 단위체 페놀은 매우 쉽게 혐기성균에 의하여 분해되나, 심지어 미순화 혐기 오니 사용 시에도 분해과정에 정체기가 없다. 그들의 분해와 메탄 발생은 무관하고, 메탄 군 이 존재하지 않는 상황에서도 이 단위체의 페놀류 화합물은 빨리 산화할 수 있다. 이 종류의 화합물은 통상 매개의 벤젠고리 상에 3개의 수산기 혹은 methoxyl기가 있다. 3개의 수산기를 가진 페놀의 분해는 "meta -1-benzenethiol (pyrogallol) 경로"라 부른다 (그림 4.11).
다만 2개의 수산기 혹은 메틸기의 기타 페놀류 화합물은 신속히 분해할 수 있고, 현 길에서 분해 개시 전에 그들은 한 단계 정체기가 필요하다. 그것의 분해는 산화 산물 (예를 들면 초산과 수소)에 의하여 억제한다. 고급 지방산과 같이 여겨지는 이 종류의 페놀 화합물은 호 양형 (syntrophism type) 기질이다. 메탄 발생 과정은 산화의 말단 산물을 제거함과 더불어 이러한 페놀 화합물의 분해는 지속해서 진행한다. 이 종류의 페놀 분해는 "페놀 경로"라 칭한다(그림 4.11).
표 4.7과 4.8의 예는 각 산화 화합물이 협기 Batch 발효 중에서 산화와 메탄화의 결과를 나타낸다. 그중 열거한 산화 화합물의 화학구조는 각각 그림 4.12에 보인다
"phloroglucin" 유형의 페놀 화합물이 명확히 "페놀 형"에 비해 훨씬 빨리 분해될지라도, 단지 순화를 한 경우 페놀 화합물은 모두 협기 분해할 수 있다. "페놀 형" 페놀 화합물의 협기 분해에서 리그닌과 타닌 분해과정에 나오는 각종 산화물이 폐수 중에 누적되고, 만약 VFA가 메탄 균에 의하여 이용될 수 없다면 누적 정도는 훨씬 높아진다.
(2) 중합물 형식의 리그닌과 타닌
중합물 형식의 리그닌과 중합 타닌은 일반적으로 타닌의 페놀 화합물에 비하여 분하여하기 어렵다. 그림 4.3은 그 산화 영향에 대한 리그닌 중합도를 표시했다. 목재와 풀 중의 대분자 즉 리그닌은 협기 과정 중에서 분해할 수 없다. 2~7개 모노머 조성의 비교적 적은 리그닌(적은 폴리머, 상대 분자량 300-1,000)은 부분 분해할 수 있고, 이것은 리 그인 모노머 간의 결합은 혐기 미생물이 발생하는 효소에 의하여 가수 분해할 수 있다. 폐수 중의 리그닌은 일반적으로 이미 알칼리 액 처리를 거쳤다. 그림 4.14는 천연의 원래 리그닌이 알칼리 처리를 거친 후 중합도가 감소하는 경향을 나타냈다. 그러므로 협기 처리 중에 폐수의 리그닌은 부분적으로 분해된다.
(3) 캐러멜
캐러멜은 당과 아미노산이 고온에서 변색 후의 산물이다. 그것은 복잡한 고리와 방향족 화합물의 복합 혼합물이다. 표 4.10은 200°C에서 가열 건조한 사탕을 생물과 협기 생물의 분해 가능성에 대한 영향이다. 짙은 색의 사탕 화합물의 분해성은 당보다 현저히 떨어진다. Sticky와 McCarty16'는 이미 200°C에서 1시간 가열 후에 협기 분해 가능성이 하락하는 것을 발견했다. | 당 가열 과정에서 먼저 푸르푸랄을 형성하고, 푸르푸랄은 순화 과정을 지난 혐기 오니 에 의하여 분해될 수 있다. 8] 그러므로 당이 가열 후에 분해 성능의 하락은 대분자 사탕 화합물의 형성에 기인한다.