생물학적 폐수처리의 개요

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

원생생물의 분류 원생생물의 크기 진핵미생물 (핵막有) 원핵미생물 (핵막無) 광합성함 광합성하지 않음 대부분이 광합성하며, 산소 생성 일부분이 광합성하며, 산소는 생성되지 않음 녹조류 (green algae) 단핵세포, 운동성 다핵세포, 운동성無 원생동물 (protozoa) 균류 (fungi) 남조류 (blue-green algae) 세균 (bacteria) 1 micron(㎛) = 10-1 mm 1 angstrom unit (Å) = 10-4 ㎛ 원생생물의 크기 전자현미경 광학현미경 세균 원생동물, 조류 혈세포 비루스 고분자 분자 원자 100㎛ 10㎛ 1㎛ 0.1㎛ 0.01㎛ 10Å 1Å

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)

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

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

조 류 (algae) 광합성을 하는 무기영양계의 원생생물 단세포 또는 다세포로 구성 원핵의 조류는 내부분화가 덜 되어 세균과 흡사 ⇒ Cyano-phyta 또는 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

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

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

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

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

영양원의 관점에서의 미생물 분류 종 류 에너지원 탄소원 예 독립 영양생물 화학독립 환원형 무기물 CO2 종 류 에너지원 탄소원 예 독립 영양생물 화학독립 환원형 무기물 CO2 소화세균(obligate chemoautotroph), 수소세균, 메탄세균(facultative chemoautotroph), 일산화탄소세균 등 광독립 빛 Chromatiaceae, chlorobiaceae, acidophila, Rhodospirillum tenue 종속 화학종속 유기물 홍색비유황세균중 H2를 전자공여체로 하여 이용하는 것 광종속 동물

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

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

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

반응속도와 기질농도의 관계 (at constant enzyme concentraion) phase Ⅰ : 1st order kinetics mixture phase : 0 & 1st order kinetics phase Ⅱ : 0 order kinetics S (substrate concentraion) R(Reaction rate) Rmax/2 Rmax Ks 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)

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

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

ES 생성속도 ES 분해속도

reaction rate(v)는 ES가 분해되어 P가 만들어지는 속도이므로 v = k3[ES] [E]t [Es] E0 S0 time concentration steady state d[ES]/dt = 0 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)

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, PO4 등의 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

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

△X는 세포물질증식량을 나타내는 것으로 계외로 뽑아내는 잉여오니량은 아니다. (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.

유입BOD 잉여sludge 반송sludge 합성 내생호흡 CO2 O2 sludge 유출 BOD

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.

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

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

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 aA(g) + bB(g) → 생성물 ---------------------------- (1) 반응속도 = k[A]m[B]n ------------------------------ (2) * m, n에 따라 반응 차수 결정 (0, 1, 2차)

(1) 0차 반응 반응물의 농도에 무관한 속도로 진행되는 반응

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

(2) 1차 반응 반응물의 농도에 비례하여 진행하는 반응

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

(예제 2) 풀어보기 1차 반응에 있어서 반응개시 때의 반응물질농도가 250 mg/L 이고, 1차 반응식, C = C0e-kt 에서 ln(C/C0) = -kt ln(60/250) = -k × 2 ∴ k = 0.71356 hr-1 ∴ 1시간 후의 농도, C = C0e-kt 에 대입하면 = 250 × e -0.71356 × 1 = 122.5 mg/L 풀이

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

(예제 3) 풀어보기 글루코오스가 미생물 회분배양기에 첨가되고 시간에 대한 고실을 측정한 자료는 아래와 같다. 소실공정의 반응차수를 도시하여 구하라. 글루코오스 농도, COD(mg/L) 시간(hr) 200 160 5 105 10 72 20 45 30 25 40 풀이 이 실험의 글루코오스 소실반응은 1차 반응 속도식에 해당 1차 반응속도식으로 그래프를 그려보면,

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.

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

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

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

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

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

(예제 4) 풀어보기 반응조에서 물감실험(dye test) 결과 유입구에서 주입한 물감이 유출구에서 다음과 같이 나타났을 때, 이 흐름의 Morrill 지수를 구하라. 주입량에 대한 유출량 (%) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 시간 (분) 4 6 9 12 14 18 24 32 풀이 Morrill 지수 = t90 / t10 =32 / 4 = 8 ※ Morrill 지수가 1인 경우 가장 이상적인 플러그 흐름이며, 이 값이 크며 클수록 완전혼합상태가 됨.

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

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

완전혼합반응조에서 BOD제거에 관한 동력학적 특성 그림 2 스캔 삽입

대표적인 완전혼합반응률 계수, K 표3 스캔 삽입

(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.

풀이 (1) 물지수지식에 의하면 반응조에서 유기물 변화 = (유입에서의 증가 – 유출에서의 감소 – 반응으로 인한 감소) 반응식, dS/dt = - KSX 에서 V · dS/dt = QSi – QS0 – KS0X · V 여기서, Si : 유입 유기물 농도 S0 : 유출 유기물 농도 (2) dS/dt = Q/V · ( Si - S0 ) - KS0X 정상상태에서 dS/dt = 0 이므로 Q/V · ( Si – S0 ) = KS0X ∴ V = Q · ( Si – S0 ) / KS0X = { 300 × ( 400 – 40 ) } / { 0.1 × 400 × (1 - 0.9 ) × 400 } = 67.5 m3

(예제 6) 풀어보기 활성슬러지법에서 포기조는 완전혼합반응조( CFSTR )와 플러그흐름반응조( PFR )를 이용하고자 한다. 유기물의 반응조 입구농도를 1, 반응조 출구농도를 0.1이라고 하고, 플러그흐름반응조의 용적에 대한 완전혼합반응조의 용적은 몇 배가 되는가 구하라. 이 때 폐수 중의 유기물 제거는 2차 반응식, 즉 dC/dt = - KC2이 적용된다. (단, 유량을 1로 하고 t = V/Q를 적용한다.) 풀이

풀이

(3) 공칭체류시간과 평균체류시간 이상적 연속류교반 반응조와 이상적 플러그흐름 반응조는 실제적으로는 없다. 다만 흐름의 특징이 연속류교반 반응조나 플러그흐름 반응조에 가까울 뿐. ⇒ 공칭체류시간 td와 평균체류시간 t가 일치하지 않기 때문 ⇒ 이로 인해 반응조 내에서는 액체의 편류, 정체공간, 순환 등이 발생 공칭체류시간 ⇒ 반응조 용적을 유량으로 나누어서 얻는 체류시간

평균체류시간 ⇒ 반응조를 통과하는 각 액체분자의 출구통과시간의 평균치 평균체류시간이 공칭체류시간보다 작을 때 → 반응시간과 반응효율이 이론적인 값보다 감소됨을 의미.

(4) 반응조의 형태 회분식 반응조 (completely mixed batch reactor, CMB) 유량이 없고 반응조 내의 액체는 완전 혼합 연속류 반응조 (continuous flow stirred tank reactor, CFSTR) 유입하는 액체가 반응조 내에서 즉시로 완전 혼합되며 균등하게 분산되고 유입한 액체의 일부분은 즉시 유출됨 플러그 흐름형 반응조 (plug flow reactor, PFR) 반응조에 유입하는 액체가 순서대로 유출되며 반응조 내에서는 혼합이 없음. 모든 액체는 공칭체류시간만큼 반응조 내에 머무름.

임의흐름형 반응조 플러그흐름형 반응조와 연속류교반형 반응조의 특징이 혼합된 흐름형 → 임의의 혼합 충전층 반응조 쇄석, 슬랙, 세라믹, 플라스틱 등의 재료를 반응조 내에 충전 연속 또는 간헐적으로 액체가 유입되며, 이때 액체의 흐름 방향은 주로 위에서 아래로 흐르는 하향류가 많음 유동층 반응조 반응조 내를 충전재로서 충전하고 액체의 흐름을 아래에서 위로 흐르게 하는 상향류가 되도록 함 이 째 충전재가 팽창하고 그 사이에 공극이 발생 공극률은 상향유속에 의하여 달라짐.

반응조의 형태에 따른 분류 그림 4 스캔 삽입

비연속배양(batch culture, 회분식) 순수배양액을 일정한 상태 아래에서 잘 교반하면서 세포증식의 대수성장단계를 관찰하면 1차 반응식으로 다음 식과 같이 표시 dX/dt : 세포농도 증가율 (g/L·hr) μ : 세포의 비증가율 (hr-1) X : 세포농도 (g/L)

배양기 내의 용양물질 고갈에 따라 세포증가율은 감소되는데 첫째로 고갈되는 영양물질, 즉 제한기질(limiting substrate)과 비증식속도(지수증식률), μ와의 관계를 Michaelis-Menten식을 이용하여 Monod는 실험으로 아래와 같이 표시 μ : 세포의 지증식속도 μmax : 세포의 비증식속도 최대치 (hr-1) S : 제한기질농도 (g/L) Ks : μmax/2일 때의 S농도 또는 제한기질 반포화농도 (g/L) 일반적으로 Ks값은 매우 낮아서 대략 10-4M이하

이때, 세포증가율은 아래와 같이 제한기질의 감소를 수반함 위의 두 식을 종합하면, 이때, 세포증가율은 아래와 같이 제한기질의 감소를 수반함 Y : 제거된 단위 유기물당 세포생산율 (g/g) → 생산계수 세포의 비증식속도 μ 와 제한기질 S와의 관계

Bacteria의 유기물질 이용률과 성장률 사이 관계 K : Bacteria 1kg당 최대 BOD 이용율 Y : Bacteria의 최대성장계수

이 때 bacteria는 내호흡에 의해서 세포물질을 산화시켜 에너지를 얻기 때문에 감소되는 bacteria의 양의 다음과 같다. Kd : 내생분해계수 (T-1)

<Bacterial Growth> in bacth style pure culturing → 처음 소수의 microbes를 일정부피의 culture mediume에 식종 Growth of bacterial numbers, biomass, specific growth rate <Ⅰ> <Ⅱ> <Ⅲ> <Ⅳ> time Bacth number Ⅰ : leg phase Ⅱ : log-growth phase Ⅲ : stationary phase Ⅳ : log-death phase

B : declinig growth phase C : endogenous phase A : log-growth phase B : declinig growth phase C : endogenous phase <A> <B> <C> time Bacth density bio mass ① leg phase : growth rate → 0 ② acceleration phase : growth rate → increasing ③ exponential phase : growth rate → max.(const.) ④ declining growth phase : growth rate → decreasing ; because to decrease in substrate constant and increased acceleration ⑤ growth rate / death rate → balance ⑥ endogeneous phase : cell death rate & cell lysis → high Specific growth rate time ① ② ③ ④ ⑤ ⑥

연속배양 일정량의 배양액이 유입하고 유출되는 교반식 연속배양기에서의 세포증가율은… D : 희석배수 (hr-1) X0 : 유입되는 세포농도 (g/L) b : 세포의 내호흡 또는 감쇄계수 (hr-1) Θ : 배양기 내의 평균체류시간 (hr) Q : 배양액 유량 (L/hr) V : 배양기 용량 (L)

μX는 세포농도 증가율이고, DX는 세포농도의 유실률 DX0와 bX는 일반적으로 무시되지만 폐수처리에서 b값이 중요성이 가질 때도 있음 위의 식을 정상상태(dX/dt=0)에서 표현하면… 위의 정상상태는 세포증가율이 유실률 범위에 있고 유실되는 기질 또는 영양물질의 농도가 일정할 때에만 가능

기질에 관하여 질량평형식을 쓰면… 또는 정상상태에서는 dS/dt=0 이므로, Monod의 μ식과 관련시키면,

S에 대하여 풀면, ① ② μmax, ks, Y 등은 비연속배양실험에서 구한 값을 사용할 수 있음 S0는 각 농도에서 정상상태에 도달할 때까지 일정

정상상태 아래에서 S, X, D와의 관계를 ①, ② 식을 이용하여 곡선으로 나타내면…

D≥μmax가 될때 정상상태는 파괴됨 실제적으로 정상상태를 유지가능케하는 D의 최고값은 더 낮음 KsD/(μmax-D)=S0 가 될 때 X=0이 되고 배양기의 세포는 다 유실됨 이 때의 D를 한계희석률, DS라고 함 배양기질의 정상농도 S는 그 유입농도 S0와 무관 반면에 X는 S0에 크게 의존하여 S≤S0일때에는 거의 S0에 비례함 또 같은 경우에 X는 거의 D와 무관 S0가 변할 때 X는 새로운 농도의 정상상태로 평형을 갖게 됨

활성슬러지 공정의 설계 - BOD 부하 ① V : 활성슬러지조 용적 (m/d) ② Q : 유입폐수량 (m3/d) X : 포기조 내 활성슬러지의 평균농도 (MLSS : mg/L) S0 : 유입수의 BOD 농도(mg/L) ②

활성슬러지 공정의 설계 - 슬러지일령(SA) - 활성슬러지조에서 활성슬러지의 평균체류시간을 나타낸 지표 ③ ③ 식을 ① 식에 대입하면,

활성슬러지의 슬러지일령과 총슬러지인발량 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.