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생물학적 폐수처리의 개요

생물학적 폐수처리의 개요. 폐수처리 주요 미생물. 미생물 이란 ? 육안으로 식별되지 않는 1mm 이하 크기의 생물을 총칭하며 , 소수의 우생동물과 원생동물 , 조류 , 균류 , 세균 , 바이러스 등이 포함 생물은 크게 동물 , 식물 , 원생생물로 분류. 원생생물의 분류. 1 micron(㎛) = 10 -1 mm 1 angstrom unit (Å) = 10 -4 ㎛. 원생생물의 크기. 세포의 구조. 세포 미생물의 생체를 구성하는 가장 작은 단위

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생물학적 폐수처리의 개요

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  1. 생물학적 폐수처리의 개요

  2. 폐수처리 주요 미생물 • 미생물이란? • 육안으로 식별되지 않는 1mm 이하 크기의 생물을 총칭하며, 소수의 우생동물과 원생동물, 조류, 균류, 세균, 바이러스 등이 포함 • 생물은 크게 동물, 식물, 원생생물로 분류

  3. 원생생물의 분류 1 micron(㎛) = 10-1 mm 1 angstrom unit (Å) = 10-4 ㎛ 원생생물의 크기

  4. 세포의 구조 • 세포 • 미생물의 생체를 구성하는 가장 작은 단위 • 원생생물의 생체는 단세포 또는 다세포로 구성되어 있는데, 세균은 그 중에서 가장 간단함 • 세균 : 핵막이 없고, 내부가 비교적 단순한 원핵세포 • 세포벽 • 세포질을 물리적으로, 외부의 삼투압력으로부터 보호 • 주변 영양물질의 섭취와 체내물질의 배설은 세포질막에 의하여 조절 • 세포질막: 반투성(半透性)이고 효소를 가짐 • 리보솜: RNA 함유 → 물질대사, 단백질 합성 • 세포질 안에는 저장물질 비축 → 세포주변에 영양물질이 고갈될 때 이용 • 핵: DNA → 세포의 유전적 특성을 간직하며, 세포주변의 조건에 따라서 합성해야 할 효소의 종류와 양을 지시함 (RNA에 의하여 수행)

  5. 세 균 (bacteria) • 단세포 원생생물 • 크기 : 0.2 ~ 0.8 ㎛ • 형태 : 구균, 간(상)균, 나선균 • 증식 : 일반적으로 이분열방법으로 증식 • 용존된 영양물질을 섭취하며, • 온도와 pH 등이 생존에 중요한 영향을 미침 • 분자식 : C5H7O2N

  6. 균 류 (fungi) • (=곰팡이) 공등원생생물 • 다핵의 진핵세포로 구성 • 화학유기영양계 • 에너지 생산 : 호흡과 발효에만 의존 • 절대호기성 • 증식 : 유성생식, 무성생식, 분열, 발아, 포자 등의 방법으로 번식 • 대부분 pH 7 이하, 낮은 습도, 낮은 질소 농도에서 잘 번식함 • 물질대사의 범위 넓고, 내성 강함 • → 활성슬러지조와 같은 호기성 폐수처리장치 내에서 세균과 강하게 경쟁 • 균류의 번식이 우세할 경우 팽화(膨化)현상 발생 • → 2차침전조에서 침강성 저하, 고액분리가 어려움 • cf) Sphaerotilus natans (사형세균) : 슬러지 팽화의 원인

  7. 조 류 (algae) • 광합성을 하는 무기영양계의 원생생물 • 단세포 또는 다세포로 구성 • 원핵의 조류는 내부분화가 덜 되어 세균과 흡사 ⇒ Cyano-phyta또는 남조류 • 외부 색만으로는 녹조류와 구별되지 않을 때가 많다. • 진핵의 조류는 보다 더 진화된 내부분화를 이루고 있으며, • 녹조류라고 불리우는 Chloro-phyta와 규조류 등의 Chrysophyta를 포함하여 7개군으로 세별 • 광합성: 낮) CO2 + H2O(광에너지)→ CH2O(세포) + O2 • 호흡 : 야간) 이화작용을 통해 에너지 얻음 • 광합성 → CO2 소비, O2 생성 → 물의 pH와 알칼리도 높임 → 용존산소의 과포화

  8. Sporozoa (포자충류) • 숙주내에 기생하면서 먹이 얻음 • Plasmodium속 –말라리아병원체 • Ciliphora (섬모충류) • 섬모(cilia)에 의하여 움직임 • 몸체에 붙어 잇는 다수의 짧은 섬모가 일제히 율동함으로써 몸체가 이동하기도 하고, 먹이를 입구멍으로 유도하기도 함 • (예) • Paramecium-자유유영 • Vorticella-고체표면에 줄기를 점착시켜서 생활 • 생물학적폐수처리의 지료생물 • Vorticella의 번식 → 양질의 활성슬러지 존재

  9. 원생동물 (protozoa) • 단핵이고, 운동성이 있고, 광합성을 하지 않는 진핵그룹의 미생물 • 대부분 절대 호기성이며, 종속영양성의 이화작용을 함 • 증식 : 이분열법 • 4개군으로 분류 • Mastigophra (편모충류) • 편모류 (Flagellates) • 주로 편모에 의하여 움직임 • 엽록소를 갖고 있는 식물계도 있음/ (예) Euglena • Sarcodina (위족충류) • 아메바(amoeba) • 위족을 돌출시켜 움직이거나 입자를 삼킴 • Entamoebahistolytica : 수인성 전염병인 아메바성이질의 병원체

  10. 바이러스 (Virus) • 원생생물은 아니지만 그 크기 때문에 미생물로 취급 • 구조상으로 세포가 아니며, 절대기생성으로 숙주의 세포 내에서만 번식 • 폐수처리에 기여하지 않으며, • 물을 통하여 인체에 들어간 후 질병을 일으키는 것이 많음 • → 용수처리나 폐수처리에서 제거대상이 됨

  11. 기 타 생 물 • 생물학적 폐수처리시설은 하나의 축소된 생태권이고 여기에는 여러 과에 속하는 생물들이 먹이연쇄를 이룸 • 부생균 : 유기물질 분해 • 종속계 세균 • 집괴(集塊)하여 혼합액 중에 풀록상태로 현탁하거나, 또는 매체표면에 생물막을 형상하기도 함 • 세균군과 유기질 입자들은 호기성상태에서 원생동물과 윤충류 등에게 포식됨 • 윤충류가 많이 번식하면 수질상태 양호 • 갑각류 • 유기물질이 적고 용존산소농도가 높은 물에서 활동 • 수질 지표가 됨

  12. 영양원의 관점에서의 미생물 분류

  13. 미생물의 물질 대사 • 물질대사는 세포가 존속하고 증식하는 근본수단으로 폐수처리에서는 이를 이용하여 용존유기물질과 영양물질 등을 제거함 • 이화작용: 에너지 생산 • 동화작용: 세포 합성 • 한 미생물의 물질대사에는 약 2000가지의 화학반응이 포함되는데 이들 반응은 거의 다 독특한 효소에 의하여 중개됨

  14. 효소란? • 단백질로 된 생체 내의 촉매이며, • 단백질을 구성하는 아미노산의 결합서열에 따라서 그 특이성이 생김 • 효소의 활성중심 - 기질과 작용 • 촉매부위(반응에 관여), 특이성부위(촉매의 특이성 지배)로 나뉘며 이들은 각 효소에 고유한 아미노산 결합서열에 의하여 형성 • 생물학적 폐수처리시 효소의 촉매작용이 반응속도에 영향 미침

  15. high substrate concentration Reaction rate Reaction rate low substrate concentration Amount of enzyme Time of reation 효소반응의 최적조건 • 효소농도와 기질농도 • 반응속도와 효소농도의 관계 (at saturated substrate concentration)

  16. Rmax phase Ⅱ : 0 order kinetics R(Reaction rate) Rmax/2 mixture phase : 0 & 1st order kinetics phase Ⅰ : 1st order kinetics Ks S (substrate concentraion) • 반응속도와 기질농도의 관계 (at constant enzyme concentraion) • 기질농도가 낮으면 효소의 활성중심의 기질은 포화되어 있지 않기때문에 반응속도는 기질농도에 따라서 증감되지만, (phase Ⅰ) • 기질분자의 수가 어느정도를 넘으면 활성중심은 기질로 포화되어서 반응속도는 그 이상 커지지 않는다. (phase Ⅱ ; 효고의 기질포화현상)

  17. substrate concentration S + E ↔ ES → E + P low high 즉, substrate concentration이 어느정도 이상에서는 활성중심이 포화되어서 반응생성물의 양은 일정해지므로 반응속도는 일정해진다. 효소의 활성중심과 기질농도와의 관계

  18. Michaelis-Menten equation • 효소와 기질이 회합하여 효소기질복합체를 만들고, 이것이 분해되어 효소와 생성물이 된다. at steady state (= ES 생성속도와 분해속도가 평형상태)

  19. ES 생성속도 ES 분해속도 0

  20. concentration S0 [P] [S] E0 [E]t [Es] steady state d[ES]/dt = 0 time reaction rate(v)는 ES가 분해되어 P가 만들어지는 속도이므로 v = k3[ES] 양변의 역수를 취하여 변형하면, at [S] ≫ Ks R = Rmax (기질농도에 0차반응) at [S] ＝ Ks R = Rmax/2 at [S] ≪ Ks R = Rmax[s]/Ks (기질농도에 1차반응)

  21. 호기성 생물처리의 원리 • 호기성 미생물군(세균, 원생동물, 미소후생동물 등)의 작용으로 오수 중의 부유성, 용존성 유기물, 무기물의 흡착, 산화분해, 세포물질의 합성에 의해서 정화하는 방법 • ⇒ 호기성 미생물의 이화대사작용에 의해서 유기물질의 일부는 H2O, CO2, NH3, NO3, SO4, PO4등의 거의 무해한 무기질까지 산화분해하고, • 나머지는 동화대사작용에 의해서 미생물의 세포합성이 이루어짐 • ⇒ 미생물의 먹이원으로 세포 내로 축적되어진 유기물의 일부는 세포의 합성증식에 사용되고 그 밖의 유기물은 산화분해 되어 합성에너지가 됨 • ⇒ 유기물(기질)이 산화, 합성 반응으로 소비되어 계 내의 유기물질이 부족하게 되면 세포물질은 내생호흡에 의해서 산화분해(자기산화)하게 됨

  22. 호기성 생물처리의 반응기구 • 호기성 미생물에 의한 유기물질의 생물화학적 반응(오수의 생물정화반응)은 유기물질의 산화분해와 세포물질의 합성에 의해서 이루어지지만 동시에 세포물질의 내생호흡에 의해서 합성된 세포물질이 산화분해된다. (1) 산화반응 (2) 세포물질합성

  23. (3) 내생호흡 (4) 세포물질 증식량 CxHyOz : 기질 (C5H6NO2)n : 미생물 세포물질 △H : 반응열 △X : 오니증식량 Lr :제거 BOD량 X : MLVSS a : 오니전환율(kgMLVSS/kgBOD5) b : 내생호흡속도정수 • △X는 세포물질증식량을 나타내는 것으로 계외로 뽑아내는 잉여오니량은 아니다. • 잉여오니량은 △X에 유입오수 중에 함유되어 있는 미생물과 반응하지 않은 오니량과의 합계량으로 된다. • a의 값은 유기물질의 성상에 따라서 다르지만 유기산은 10~60%, 탄화수소는 65~85%정도이고, 공장폐수에서는 50~70%의 것이 많다.

  24. 유입BOD 합성 유출 BOD 반송sludge sludge 잉여sludge 내생호흡 O2 CO2

  25. 생물반응의 지배인자 • 영양원 • 에너지원, 탄소원, 질소원, 무기염류 등 • 온도 • 수온이 5℃ 이하로 되면 반응속도는 1/10 이하로 되며, 오니의 유출이 일어남 • Eckentelder • 처리가능 수온범위 4~45℃ • F.J.Ludzack • 5℃의 BOD제거율은 30℃ • 제거율에 비해서 10%정도 저하 • P.A.Okun • 8~35℃에서는 BOD제거율이 변화없다.

  26. pH • 6.0~8.5 : 최적 • 7.0~7.5의 범위에서는 정화효율에 영향 • 이 pH값은 유입오수의 pH가 아니고 반응조에서이 pH값이다. • 중금속 • 중금속의 혼입은 미생물의 반응성이 저해되며, 혼입량이 많으면 미생물 floc의 붕괘(미생물의 사멸)이 일어남 • Cr, Cu, Ni, 등은 그 총량이 10ppm이하에서는 큰 영향이 없음 • DO • 2mg/L이상의 유지가 필요

  27. (예제 1) 풀어보기 • Rmax가 80%일 때의 기질농도와 Rmax가 20%일 때의 기질농도와의 비(比)를 계산하여라. 풀이

  28. aA(g) + bB(g) → 생성물 ---------------------------- (1) 반응속도 = k[A]m[B]n ------------------------------ (2) * m, n에 따라 반응 차수 결정 (0, 1, 2차) 반응속도 • 반응속도? • 반응조 내에서 화학물질이 반응하는 속도 • 반응물질의 농도, 촉매의 종류, 반응온도, 환경조건 등의 영향을 받음 • 반응조 내의 액체 체류시간, 반응조의 용량 등을 결정하는 기초가 됨

  29. (1) 0차 반응 반응물의 농도에 무관한 속도로 진행되는 반응

  30. C0 t 시간 후의 반응물 농도, C 기울기 = -k0 시간, t 0차 반응의 그래프 0차 반응식

  31. (2) 1차 반응 반응물의 농도에 비례하여 진행하는 반응

  32. C0 접선의 기울기 = -dC/dt t 시간 후의 반응물의 농도, C 시간, t C0 t 시간 후의 반응물의 농도의 대수, logC 기울기 = -0.4343 k1 시간, t 1차 반응의 그래프 1차 반응의 반대수 그래프

  33. (예제 2) 풀어보기 • 1차 반응에 있어서 반응개시 때의 반응물질농도가 250 mg/L 이고, • 2시간 후에 60mg/L 로 되었다. • 반응개시 후 1시간에서의 반응물질 농도(mg/L)를 구하라. 1차 반응식, C = C0e-kt에서 ln(C/C0) = -kt ln(60/250) = -k × 2 ∴ k = 0.71356 hr-1 ∴ 1시간 후의 농도, C = C0e-kt에 대입하면 = 250 × e -0.71356 × 1 = 122.5 mg/L 풀이

  34. t 시간 후의 반응물 농도의 역수, 1/C 기울기 = k2 1/C0 시간, t (3) 2차 반응 반응속도가 한 가지 반응물의 제곱에 비례하여 진행되는 반응 2차 반응의 그래프 2차반응식

  35. (예제 3) 풀어보기 • 글루코오스가 미생물 회분배양기에 첨가되고 시간에 대한 고실을 측정한 자료는 아래와 같다. 소실공정의 반응차수를 도시하여 구하라. 풀이 이 실험의 글루코오스 소실반응은 1차 반응 속도식에 해당 1차 반응속도식으로 그래프를 그려보면,

  36. 질량평형 • 질량평형(mass balance) : 물질수지 • 한 반응조를 하나의 시스템으로 보고 물질의 유입과 유출이 일어날때 시간의 경과에 따르는 반응조의 변화를 해석하는 것 • 가정 • 유량이 일정하다. • 반응조 내에서는 증발손실이 없다. • 반응조 내에서 물질으 ㄴ완전혼합된다. • 모든 반응은 반응조 내에서만 이루어진다. • 유입물질 농도의 반응차원은 1차 반응이다.

  37. 물질유입 - 물질유출 ± 물리, 화학, 생물학적 반응 시스템 내 축적 = 질량평형의 개념도 물질유입 수계내부로 이동 시스템(수계) 물리, 화학, 생물학적 반응 수계외부로 이동 물질유출

  38. 반응조의 수리학적 모델 플러그흐름(plug flow)형 완전혼합(complete mixing)형 • 순서대로 유입, 유출이 일어남 • 반응조 내에서는 혼합이 없고 • 반응조 내에 머무르는 시간은 이론적으로 동일하며, • 분산수=0 • 반응조 내에서 완전혼합이 일어남 포기조 (교반) 포기조 침전조 침전조 유입 유출 유입 유출 플러그흐름형 반응조 완전혼합형 반응조

  39. 농도, C C0 0 td 체류시간, t 농도, C C0 0 td 체류시간, t 플러그흐름형 반응조(plug flow reactor, PFR) = 압출류형 반응조 플러그흐름형 반응조의 물감유출상태 ⓐ 연속주입할때 ⓑ 한번주입할때

  40. Q, C0 (Q+R) (Q-W), Ce Xv, C0 V Xv R, Xvr, Ce w, Xvr 플러그흐름형 반응조 내의 흐름 [축척률] = [유입률] – [유출률]

  41. 펄프와 종이제조폐수의 처리에 있어서 플러그흐름형 반응조의 BOD제거에 관한 동력학적 특성은, St : t시간 후에 남아있는 기질의 농도 (mg/L) Si : 생물흡착 후 남아있는 기질의 농도 (mg/L) Kb : 동력학적 상수 (day-1) Xd : 생물분해분율 Xv : 미생물 량 (mgVSS/L) t : 수리학적 체류시간 (day) 플러그흐름형 반응조에서 BOD 제거에 관한동력학적 특성 그림 1 스캔 삽입

  42. (예제 4) 풀어보기 • 반응조에서 물감실험(dye test) 결과 유입구에서 주입한 물감이 유출구에서 다음과 같이 나타났을 때, 이 흐름의 Morrill 지수를 구하라. 풀이 Morrill 지수 = t90 / t10 =32 / 4 = 8 ※ Morrill 지수가 1인 경우 가장 이상적인 플러그 흐름이며, 이 값이 크며 클수록 완전혼합상태가 됨.

  43. 농도, C 농도, C C0 C0 1-et/td 면적 = 1 0 0 td 체류시간, t td 체류시간, t (2) 완전혼합형 반응조 (CFSTR)(continuous flow stirred tank reactor) 완전혼합형 반응조의 물감유출상태 ⓐ 연속주입할때 ⓑ 한번주입할때

  44. V FST Q, C0 (Q+R) (Q-w), Ce Xv, C0 Xv R, Xvr, Ce w, Xvr 완전혼합형 반응조 내의 흐름 [축적률] = [유입률] – [유출률]

  45. 완전혼합반응조에서 BOD제거에 관한 동력학적 특성 그림 2 스캔 삽입

  46. 대표적인 완전혼합반응률 계수, K 표3 스캔 삽입

  47. (예제 5) 풀어보기 • 완전혼합형 포기식 산화지로 폐수를 아래와 같이 처리하고자 한다. 산화지에서의 유기물 분해는 2차 반응식에 따른다고 가정할 때 다음 물음에 답하라. ① K : 0.1 L/mg·d ② X : 400 mgVSS/L ③ Q : 300 m3/d ④ S : 400 mg/L ⑤ 유기물 제거율 : 90 % ⑥ 반응식, dS/dt = - KSX 여기서, t :시간 S : 유기물 농도 K : 반응속도 상수 X : 미생물농도 Q :유량 (1) 유기물에 대한 미분형 물질수지식을 써라. (2) 주어진 조건으로부터 정상상태 (steady state) 에서의 산화지 소요용량 (m3)을 산출하라.

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