도시화와 산업화가 가속화되면서 폐수 처리는 환경 보전의 핵심 과제가 되었습니다. 하지만 모든 오염을 화학적 방법으로 처리할 수는 없습니다. 그 이유는 비용이 크고, 2차 오염을 유발하기 때문입니다. 이때 자연의 생명체인 미생물이 놀라운 해결책이 됩니다. 미생물은 유기물을 분해하고, 질소·인 같은 영양염류를 제거하며, 독성 화합물을 무해화하는 역할을 수행합니다. 즉, 미생물을 활용한 폐수처리 기술은 환경과 조화를 이루는 지속 가능한 생물학적 정화 시스템이라 할 수 있습니다.
1. 미생물에 의한 폐수 정화의 기본 원리
1) 유기물 분해
폐수 속 유기물은 미생물의 에너지원이 됩니다. 호기성 미생물은 산소를 이용해 유기물을 이산화탄소와 물로 완전히 분해하고, 혐기성 미생물은 산소가 없는 환경에서 휘발성 지방산, 메탄, 수소 등을 생성합니다. 이 과정에서 폐수의 생화학적 산소요구량과 화학적 산소요구량이 크게 감소합니다.
2) 질소·인의 제거
질소와 인은 부영양화의 주요 원인입니다. 질소 제거는 질화균과 탈질균의 연속적인 작용으로 이루어집니다. 질화균이 암모니아를 아질산과 질산으로 산화하고, 탈질균은 이를 다시 질소가스로 환원시켜 대기 중으로 방출합니다. 인은 포화흡수균이 과잉 인을 세포 내로 흡수하여 제거합니다. 이처럼 미생물은 폐수의 영양염류를 자연 순환 과정으로 되돌립니다.
2. 주요 미생물 기반 폐수처리 공정
1) 활성슬러지법 (Activated Sludge Process)
가장 대표적인 생물학적 폐수처리법입니다. 폐수에 산소를 공급하면서 미생물 군집을 배양하여 유기물을 분해합니다. 이 과정에서 미생물은 응집을 형성하며, 처리 후 침전조에서 고액 분리를 통해 깨끗한 물을 얻습니다. 주요 미생물로는 Zoogloea ramigera, Nitrosomonas, Bacillus 등이 있습니다. 운전이 안정적이고 효율이 높지만, 산소 공급 에너지 비용이 단점입니다.
2) 회전원판법 (Rotating Biological Contactor, RBC)
원판에 미생물막을 부착시켜 회전시키며 폐수와 접촉시키는 방식입니다. 미생물막이 교대로 공기와 물에 노출되어 호기성·혐기성 미생물이 공존하는 환경이 조성됩니다. 소규모 하수처리장이나 농촌지역에서 널리 사용됩니다.
3) 생물막 반응기 (Biofilm Reactor)
활성슬러지보다 안정적인 미생물 고정을 위해 다공성 담체(플라스틱, 세라믹 등)에 미생물을 부착시켜 처리합니다. 이 방식은 유입 부하 변화에 강하고, 유지관리가 용이합니다. 특히 Moving Bed Biofilm Reactor가 대표적인 형태로, 도시 하수 및 산업폐수 처리에 널리 적용됩니다.
4) 혐기성 소화조 (Anaerobic Digester)
산소 없이 유기물을 분해하여 메탄가스(CH₄)를 생성하는 공정입니다. 가수분해 → 산생 → 메탄생 3단계 로 진행되며, 폐수의 오염부하를 줄이면서 에너지 회수도 가능합니다. 대표적 미생물로는 Methanobacterium, Clostridium, Desulfovibrio가 있습니다.
3. 최신 미생물 폐수처리 기술 동향
1) 미생물 연료전지 (MFC, Microbial Fuel Cell)
미생물이 유기물을 분해하며 전자를 방출하는 특성을 이용해 전기에너지를 생산하는 기술입니다. 즉, 폐수를 처리하면서 동시에 전력을 생성하는 친환경 이중효과 시스템입니다. 대표적으로 Geobacter, Shewanella 속 미생물이 사용됩니다.
2) 유전자 기반 미생물 제어
차세대 생명공학 기술을 통해 특정 오염물질 분해 능력이 뛰어난 미생물을 선별하거나 유전적으로 개량하여 폐수 처리 효율을 높입니다. 페놀·중금속 분해균을 인공적으로 강화한 합성 미생물 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
3) AI 기반 미생물 모니터링
AI와 센서 기술을 결합해 폐수 내 미생물 군집 변화를 실시간 분석합니다. 이를 통해 처리 효율 저하를 조기에 감지하고, 자동으로 공정 조건을 최적화할 수 있습니다. 스마트 바이오 폐수처리는 환경 산업의 미래 핵심 기술로 평가됩니다.
4. 미생물 기반 폐수처리의 환경적 가치
화학약품에 의존하지 않고, 자연의 순환 원리를 이용하는 미생물 폐수처리는 탄소 배출을 줄이고 2차 오염을 최소화합니다. 또한 혐기성 공정을 통해 바이오가스를 생산함으로써 에너지 자립형 처리장 구축에도 기여합니다. 결국 미생물 기술은 단순한 오염 제거 수단이 아니라, 환경 복원과 지속 가능한 도시 생태계 구축의 핵심 인프라입니다.
미생물 기술이 만드는 깨끗한 미래
폐수처리의 본질은 자연의 복원력을 인간의 기술로 되살리는 것입니다. 미생물은 그 중심에서, 눈에 보이지 않는 정화자로서 역할을 다합니다. 앞으로는 미생물 공학, 데이터 분석, AI 제어 기술이 결합되어 더 효율적이고 친환경적인 폐수처리 시대가 열릴 것입니다. 깨끗한 물을 만드는 힘은 거대한 기계가 아니라, 보이지 않는 작은 생명체 미생물의 힘입니다.