수질오염물질 방지시설 중 생물학적 처리에서 가장 많이 쓰이는 A2O 공법에 관해서 설명하고자 합니다.
A2O 공법은 질소와 인을 동시에 제거하기 위한 대표적인 고도처리 기술입니다.
이 글에서는 A2O 공법의 기본 개념과 처리 원리, 수질 개선 효과, 주요 설계 인자와 산정식, 그리고 안정적인 시설 운영을 위한 핵심 운영 인자를 체계적으로 설명하겠습니다.
1. A2O 공법의 원리
A2O 공법은 혐기(Anaerobic)-무산소(Anoxic)-호기(Oxic) 공정을 순차적으로 배치한 생물학적 처리방법입니다.
유기물 제거와 함께 질소 및 인 제거를 동시에 달성할 수 있도록 설계된 공정으로, 하수처리시설 및 산업폐수 처리시설에서 가장 많이 활용되고 있습니다.
첫번째로, 혐기조에서는 용존산소와 질산성 질소가 모두 없는 상태를 유지하여 인 축적 미생물(PAO)이 세포 내 저장된 인을 방출하고 휘발성 지방산을 흡수하도록 유도합니다.
이후 무산소조에서는 반송슬러지 및 내부 반송에 포함된 질산성 질소가 탈질 미생물에 의해 질소가스로 환원됩니다.
(반송슬러지, 내부 반송은 호기조로부터 옵니다.)
마지막으로 호기조에서는 유기물의 산화와 함께 암모니아성 질소의 질산화, 인 축적 미생물에 의한 인의 과잉흡수가 이루어집니다.
이와 같은 단계적 환경 조성을 통해 A2O 공법은 단일 공정 내에서 생물학적 질소와 인을 효과적으로 제거합니다.
2. A2O 공법의 처리 효과와 장점
A2O 공법의 가장 큰 효과는 총 질소(T-N)와 총 인(T-P)의 안정적인 동시 제거입니다.
기존 활성슬러지 공정에 비해 방류수 수질 기준을 충족하기 용이하며, 고도처리 요구가 있는 지역에서도 적용성이 높습니다.
(특히 팔당댐 특별수질구역 등 강화된 고도처리 기준을 가진 지역에서는 생물학적 처리방법 중 A2O를 많이 차용하고 있습니다.)
일반적으로 적정 설계 및 운영 조건을 만족할 경우에 BOD 및 COD 제거율은 90% 이상, 총질소 제거율은 60~80%, 총인 제거율은 70% 이상을 기대할 수 있습니다.
다만 실제 처리 효율은 유입수 성상, 수온, 부하 변동, 운영 조건에 따라 달라질 수 있다는 점이 가장 어려운 부분입니다.
또한 화학약품 사용을 최소화하여 인을 제거할 수 있으므로 슬러지 발생량 증가가 상대적으로 적고, 장기적으로 운영비 절감 효과를 기대할 수 있다는 장점이 있습니다.
3. A2O 공법의 주요 설계 인자
A2O 공법의 설계 시에는 각 반응조의 체류시간, 미생물 부하, 반송 비율 등 핵심 인자를 종합적으로 검토해야 합니다.
아무래도 생물학적 처리이기 때문에 각 인자를 모두 고려하고, 운영 시에도 주의를 기울여야 합니다.
① 수리학적 체류시간(HRT)
수리학적 체류시간은 간단하게 폐수의 체류시간을 의미하며, 미생물 반응을 충분히 유도하기 위한 핵심 요소입니다.
- 혐기조 : 0.5~1.5hr
- 무산소조 : 1.0~2.5hr
- 호기조 : 4.0~8.0hr
총 체류시간은 다음과 같이 산정되며, 집수조 및 처리수조 용량을 산정할 때 고려되어야 합니다.
총 HRT(hr) = (혐기조 용적 + 무산소조 용적 + 호기조 용적) / 유입 유량
② 슬러지 체류시간(SRT)
질산화 미생물의 안정적인 생장을 위해 SRT는 매우 중요한 인자이며, 일반적으로 A2O 공정의 SRT는 10~20일 범위로 설계됩니다.
간단하게 슬러지가 공정 내에 체류하는 시간이라고 생각하시면 됩니다.
SRT(일) = 반응조 내 총 MLSS 질량 / 일일 잉여슬러지 배출량
수온이 낮아질수록 질산화 속도가 저하되므로, 저수온 조건에서는 SRT를 상향 조정하는 것이 필요할 수 있습니다.
③ 유기물 부하(F/M 비)
F/M 비는 미생물 활성과 슬러지 성상을 좌우하는 인자 입니다.
학교에서 배울 때에는 F가 Feed로 배웠었는데 미생물이 영양분으로 삼을 수 있는 유기물 부하량입니다.
F/M (kg BOD / kg MLSS·일) = 유입 BOD 부하량 / 반응조 내 MLSS 질량
A2O 공정에서는 일반적으로 0.1~0.3 범위로 관리 됩니다.
F/M 비가 높을수록 미생물 생장이 잘 일어나지만, 기준치 이상으로 투입 시에도 악영향을 미칠 수 있어서 주의가 필요합니다.
④ 내부 반송 및 슬러지 반송 비율
무산소조에서 탈질을 원활히 수행하기 위해 호기조 말단의 혼합액을 무산소조로 내부 반송합니다.
- 내부 반송비(IR) : 유입 유량 대비 200~400%
- 반송 슬러지비(RAS) : 유입 유량 대비 50~100%
질산성 질소 부하가 높을수록 내부 반송비를 증가시킬 필요가 있으나, 과도한 반송은 혐기조 조건을 저해할 수 있으므로 주의가 필요합니다.
4. A2O 공법의 주요 운영 인자
설계가 적절하더라도 운영 관리가 미흡할 경우, 미생물 벌킹(Bulking)이 발생하거나 기생충이 발생할 수 있습니다.
조건별 관리 인자는 다음과 같습니다.
① 용존산소(DO) 관리
공정별 DO 조건은 반드시 구분되어야 합니다.
- 혐기조 : DO 0mg/L, 질산성 질소 검출 금지
- 무산소조 : DO 0.2mg/L 이하
- 호기조 : DO 1.5~3.0mg/L
특히 무산조에서 DO가 과도하게 높아질 경우 탈질 반응이 억제되어 조별 운영 관리가 중요합니다.
호기조 송풍 제어를 통해 DO를 조절할 수 있습니다.
② 수온과 pH
질산화 반응은 수온 15도 이하에서 급격히 저하되며, pH는 6.5~8.0 범위를 유지하는 것이 바람직합니다.
질산화 과정에서 알칼리도가 소모되므로 필요시 알칼리 보충을 검토해야 합니다.
③ 슬러지 침전성 및 MLSS 관리
MLSS는 일반적으로 2,500~4,500mg/L 범위로 유지하며, 슬러지 팽화나 침전성 저하가 발생하지 않도록 주기적인 슬러지 성상 관찰이 필요합니다.
④ 유입수 성상 변동 대응
A2O 공정은 유입 유기물 대비 질소, 인 비율에 민감하며, 탄소원이 부족할 경우 탈질 효율이 저하될 수 있으므로, 유입수 성상을 지속적으로 분석하고 필요 시 운영 조건을 조정해야 합니다.
탄소원 부족 시 공정에서 발생하는 음식물 쓰레기 침출수, 알코올류를 사용하는 게 일반적이고, 적합한 탄소원이 없을 시에는 구매하여 공급하여야 합니다.
5. A2O 공법 실무 시 참고 사항
A2O 공법은 구조적으로 혐기-무산소-호기 조건의 명확한 분리가 핵심이므로, 내부 반송 및 혼합으로 인해 혐기조에 질산성 질소가 유입되지 않도록 관리해야 합니다.
또한 초기 기동 단계에서는 미생물 군집이 안정화되기까지 일정 시간이 소요될 수 있으므로 급격한 부하 변동은 피하는 것이 바람직합니다.
그리고 많은 폐수처리 기법 중에 가장 경험적 판단이 필요한 공법이 생물학적 공법 입니다.
인자 하나 하나가 복합적으로 영향을 끼치기 때문에, 신입 실무자 분들이라면 회사 내 운영 가이드를 필히 참고하시고 현장 상황을 파악하기 위해 노력하는 게 좋습니다.