동의대학교 생명공학과 생물정화공학 폐 수 처 리 공 학 Wastewater Engineering; Treatment, Disposal, and Reuse 9장 생물학적 단위공정 – (1)

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 - 대부분의 폐수는 발생 상태 그대로 또는 적절한 전처리를 거쳐 미생물이 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 - 대부분의 폐수는 발생 상태 그대로 또는 적절한 전처리를 거쳐 미생물이 생육할 수 있는 조건을 만들어주면 미생물에 의한 생물학적 오염물질 제거가 가능함, 따라서 본 장에서는 ▪ 생물학적 폐수처리의 개요 ▪ 미생물의 대사작용과 관련된 중요한 현상 ▪ 폐수처리에 관련된 주요 미생물 ▪ 미생물 증식과 폐수처리 동력학 조절에 관여하는 주요 인자 ▪ 가장 일반적으로 사용되는 생물학적 처리공정의 동력학적 분석 등에 대해 다룸 Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

8 장. 하수의 물리화학적 처리시설 생물정화공학 ※일반적인 하수종말처리장의 처리흐름도 유입 방류 동의대학교 생명공학과 포기조 동의대학교 생명공학과 8 장. 하수의 물리화학적 처리시설 ※일반적인 하수종말처리장의 처리흐름도 유입 스크린 침사지 유입 펌프장 최초(1차) 침전지 물리적 처리시설 방류 소독조 최종(2차) 침전지 포기조 화학적 처리시설 생물학적 처리시설 농축여액 하수 흐름 월류수 슬러지 흐름 슬러지반송 탈수기 혐기성 소화조 원 심 농축조 중 력 농축조 Cake 반출 Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 9.1 생물학적 처리 개관 동의대학교 생명공학과 생물학적 처리의 목적 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 9.1 생물학적 처리 개관 생물학적 처리의 목적 - 생물학적 처리의 목적은 ▪ 도시하수 : 유기물 함량 저감과 질소, 인 등의 영양염류 저감 및 미량 유기화합물 제거 ▪ 농업폐수 : 영양염류 제거 ▪ 공장폐수 : 유기/무기 화합물의 저감 미생물의 역학 - 주로 bacteria에 의해 BOD 제거, 비침강성 콜로이드의 응집 등의 기능을 수행 - 미생물은 콜로이드 또는 탄소성 유기물을 CO2/CH4/H2O 및 세포조직으로 변환시킴 - 최종 처리수를 얻기 위해서는 생물학적 처리단계에서 이용된 미생물들을 제거해야 함 Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 9.2 생물학적 신진대사 개요 동의대학교 생명공학과 미생물 성장을 위한 영양소 요구량 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 9.2 생물학적 신진대사 개요 미생물 성장을 위한 영양소 요구량 - 적절한 생육과 성장에는 에너지원, 탄소원, 무기물(N, P, S, K, Ca, Mg 등) 등이 필요함 탄소원과 에너지원 (Carbon and energy source) ▪ 이용하는 탄소원(세포 탄소원)의 종류에 따라 종속영양형(heterotrophs)과 독립영양형 (autotrophs)로, 에너지원(세포합성)에 따라 광합성(phototrophs)와 화학영양형(chemotrophs)으로 나뉨 에너지원과 탄소원에 따른 미생물의 일반적 분류 분 류 에너지원 탄소원 비 고 독립영양미생물 (Autotrophic) 광합성독립영양 (Photoau- ) 빛 CO2 조류, 광합성박테리아 화학합성독립영양 (Chemoau- ) 무기물 산화환원반응 질산화미생물 종속영양미생물 (Heterotrophic) 광합성 종속영양 (Photohe- ) 유기탄소 유황 박테리아 화학합성종속영양 (Chemohe- ) 유기물 산화환원반응 원생동물, 균류, 박테리아 Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 동의대학교 생명공학과 영양소 및 성장인자 요구량 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 영양소 및 성장인자 요구량 ▪ 영양소의 결핍은 미생물 성장과 세포합성을 제한하게 됨 ▪ 주요 무기영양소 : N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na, Cl ▪ 주요한 무기 미량영양소 : Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, V, W ▪ 성장인자(growth factor, 여타 탄소원으로부터 합성될 수 없는 물질이거나 그러한 합성 과정에 필요한 매개물)로서 필요한 유기영양소는 ∙ 아미노산 (amino acids) : R-CHNH2-COOH , 단백질의 기본 구성단위 ∙ purines (헤테로고리화합물) : C5H4N4, 천연상태에서는 존재하지 않지만 그 유도체는 생명현상의 주요물질. 유도체로는 퓨린염기 (퓨린고리를 가진 염기성화합물로 구아닌(G), 아데닌 (A)등이 있음) ∙ pyrimidines : C4H4N2, 피리미딘과 피리미딘 유도체를 통칭하여 피리미딘 염기라고 하며 주요 유도체로는 시토신(C) , 우라실(U), 티민(T) 등이 있음 ∙ vitamins : 미량으로 생명대사 활동을 조절하는 점에서는 hormone과 유사한 역할, 체내에서 생성되는 물질이면 hormone이고, 아니면 vitamins (ex, vitamin C) Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 동의대학교 생명공학과 미생물 대사의 유형 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 미생물 대사의 유형 Chemoheterotrophic (화학합성 종속영양) 미생물은 대사형태와 산소 필요 정도에 따라 ▪ 호흡성 대사(respirotory metabolism) : 효소에 의해 전자공여체 (electron donor)로부터 전자수용체 (electron acceptor)로 전자가 전달되는 과정에서 에너지를 얻음 ∙ 절대 호기성 (obligately aerobic) 미생물 – 호흡에 분자상의 산소만을 이용함 ∙ 준혐기성(무산소, anoxic) 미생물 – 호흡에 결합산소 (NO3-, NO2-, SO42- 등)를 이용함 ▪ 발효성 대사(fermentative metabolism) : 혐기적 유기탄소 분해과정으로 외부의 전자수용체가 관여 하지 않으며 에너지 생산과정이 비효율적, 즉 호흡성 대사에 비해 낮은 성장율과 세포 생산이 특징 ∙ 절대 혐기성 (obligately anaerobic) 미생물 : 발효에 의해 에너지 생산, 산소 zero 조건 ∙ 임의성 미생물 (facultative anaerobes) : 산소가 없으면 발효 대사를 하며 산소가 있으면 호흡대사 Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 9.3 생물학적 처리에 있어서 중요한 미생물 동의대학교 생명공학과 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 9.3 생물학적 처리에 있어서 중요한 미생물 - 세포구조와 기능에 따라 미생물은 진핵미생물(eucaryotes), 원핵미생물(eubacteria), 고세균(archaebacteria)으로 나뉘며 생물학적 처리에 있어 중요한 역할을 수행하는 것은 Eubacteria와 archaebacteria 임 - 진핵미생물 중 생물학적 처리에 관련된 것은 균류 (fungi), 원생동물(protozoa), 조류(algae) Bacteria - 단세포 원핵 미생물로 대부분 binary fission(2분열)에 의해 증식 - 형태는 일반적으로 구형(spherical), 막대형(간균, rod; cylindrical), 나선형(helical) 세포구조 ▪ 세포내부는 원형질(세포질, cytoplasm)이라 하며 콜로이드 상의 단백질, 탄소화물, 기타 유기화합물들로 구성됨 ▪ RNA(단백질 합성), DNA(유전정보) Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 동의대학교 생명공학과 세포의 구성 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 세포의 구성 ▪ 박테리아는 약 80%의 수분과 20%의 고형물로 구성되어 있으며 고형물의 90%는 유기물이며 10%는 무기물 ▪ 박테리아를 구성하는 유기물의 화학식은 C5H7O2N (인을 고려하면 C60H87O23N12P) 환경요소 ▪ 환경요소 중 박테리아의 성장과 증식에 가장 큰 영향을 미치는 것은 온도와 pH ▪ 선호하는 온도조건에 따라 psychrophilic, mesophilic, thermophilic으로 나뉨 ▪ 일반적으로 최적 pH 조건은 6.5 – 7.5, 최소 성장 조건은 4.0 – 9.5 곰팡이 (Fungi) : 대부분이 엄격한 호기성의 다세포 비광합성 종속영양 미생물로 낮은 pH (5.6) 선호하며 질소요구량이 작고 섬유질(cellulose) 분해능이 있음 Protozoa와 Rotifer : Protozoa는 운동성을 가진 단세포 호기성 종속영양 원생생물로 박테리아보다 크며 박테리아 및 고형 유기물을 섭취함, Rotifer(160-250㎛)는 다세포 호기성 종속영양 미생물로써 박테리아와 고형 유기물 섭취 조류 (Algae) : 다세포 독립영양 원생동물로 호기성 종속영양 박테리아에 산소를 공급 Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 9.4 박테리아의 성장 동의대학교 생명공학과 순수배양시 일반적인 성장양상 3 4 2 1 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 9.4 박테리아의 성장 순수배양시 일반적인 성장양상 - 박테리아는 대부분 2분법(binary fission)으로 증식하며 이외에 유성생식, 발아 등도 있음 - Generation time : 분열에 걸리는 시간으로 종에 따라 20min에서 1day까지 다양 - 기질(substrate), 영양소(nutrient), 계의 크기(system size) 등의 환경적 요인에 의해 무한 분열 불가능 박테리아의 수와 양에 따른 성장 1. 지연기 (The lag phase) : 접종한 미생물이 배양액의 환경에 적응하여 분열을 시작하기까지 걸리는 시간 2. 대수성장기 (The log-growth phase) : Generation time과 기질 섭취 능력에 따라 결정, 일정 성장율 3. 안정기 (The stationary phase) - 감소성장기 : 세포 성장에 필요한 기질과 영양소 소비가 끝나고 오래된 세포의 사멸율이 세포 성장율보다 높아지려하는 시점으로 세포수가 일정 4. 대수사멸기 (The log-death phase) - 내생호흡기 : 내생단계로 기질과 영양소 소비가 없어 세포의 자산화가 일어나는 단계, 일정한 감소율이 유지됨 1 2 3 4 time cell count 10 102 104 Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 9.5 미생물 성장 동력학 rg = μX (9.1) 동의대학교 생명공학과 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 9.5 미생물 성장 동력학 생물학적 폐수처리공정에서는 무엇보다 미생물의 종류와 대사 및 성장 특성에 대해 이해하고 이들 미생물이 최적 성장을 이룰 수 있도록 pH, 온도, 영양소, 산소조건, 혼합 등의 환경조건에 대한 제어를 실시해야 함 미생물 성장 - 회분 및 연속공정에서 박테리아 세포의 성장율은 다음가 같이 정의될 수 있음 rg = μX (9.1) 여기서, rg = 미생물 성장율, M/V∙T μ = 비성장율, T-1 X = 미생물 농도, M/V Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 동의대학교 생명공학과 기질제한 상태의 성장 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 기질제한 상태의 성장 - 회분 및 연속공정에서 박테리아 세포의 성장율은 다음과 같이 정의될 수 있음 (Monod 식) μ = μm ∙[S/(Ks + S)] (9.3) 여기서, μ = 비성장율, T-1 μm = 최대비성장율, T-1 S = 기질농도, M/V Ks = 반속도 상수, 성장율이 최대성장율의 ½일때의 기질 농도 (M/V) 기질농도, S 비성장율, μ μ`m μm/2 Ks rg = μm XS/(Ks + S) (9.4) Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 동의대학교 생명공학과 내생 호흡대사의 영향 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 내생 호흡대사의 영향 - 미생물은 항상 대수성장기에 있는 것이 아니며 따라서 성장율에 대한 방정식은 환경조건, 기질조건, 내생감소 (사멸과 포식에 의함) 등을 고려해야 하는데 내생감소 (rd, endogenous decay)는 rd = -kdX (9.9) 여기서, kd = 내생감소계수, T-1 ; X = 미생물 농도, M/V - 내생감소를 고려한 미생물의 순비성장율은 μ’ = μm ∙[S/(Ks + S)] – kd (9.12) Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 9.6 생물학적 처리공정 동의대학교 생명공학과 용어 정의 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 9.6 생물학적 처리공정 용어 정의 - 호기성 공정 (Aerobic processes) : 산소가 존재하는 조건에서 진행되는 생물학적 공정 - 혐기성 공정 (Anaerobic processes) : 산소가 없는 조건에서 진행되는 생물학적 공정 - 준혐기성 탈질화 (Anoxic denitrification) : 결합산소를 이용하여 진행되는 공정 (질산염의 탈질화) - 생물학적 영양염류제거 (Biological Nutrient Removal, BNR) : 질소, 인 제거 - 임의성 공정 (Facultative process) : 산소유무에 관계없이 활성을 가지는 미생물에 의한 생물학적 공정 - 질산화 (Nitrification) : 암모니아성 질소 (NH4+-N)  아질산성 질소 (NO2—N)  질산성 질소 (NO3--N) - 탈질화 (Denitrification) : 질산성 질소를 질소가스로 전환시켜 처리하는 공정 - 기질 (Substrate) : 생물학적 처리과정에서 이용되는 (처리되는) 유기물과 영양소 - 부유(현탁)성장 공정 (Suspended growth processes) : 부유 미생물을 이용하는 공정 - 부착성장 공정 (Attached growth processes) : 미생물을 불활성 고체 (돌, slag, 세라믹, 플라스틱 등)에 부착시켜 운용하는 공정이며 고정생물막 공정 (Fixed-film processes)이라고도 함 Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University

9 장. 생물학적 단위공정 생물정화공학 9.6 생물학적 처리공정 동의대학교 생명공학과 생물학적 처리공정 동의대학교 생명공학과 9 장. 생물학적 단위공정 9.6 생물학적 처리공정 생물학적 처리공정 - 처리대상 및 산소공급 유무에 따라, 호기성, 무산소, 혐기성 및 이들의 통합 공정, 그리고 안정화지 - 미생물의 성장 형태에 따라, 부유성장(suspended growth), 부착성장(attached growth) 그리고 혼합성장 (hybrid type) 생물학적 처리공정의 응용 - 탄소성 유기물의 제거 : BOD, TOC, COD 등 - 질산화 (Nitrification) - 탈질화 (Denitrification) - 인 제거 - 폐기물 안정화 Department of Biotechnology & Bioengineering , Dong-Eui University