[논문]광합성 미생물을 이용한 SBR공법에서의 질소, 인 동시제거에 관한 연구

김영호; 김성철; 이광현; 주현종

광합성 미생물을 이용한 SBR공법에서의 질소, 인 동시제거에 관한 연구
The Study on Nitrogen and Phosphorus Removal Using Photosynthetic Bacteria in SBR Process 원문보기

大韓衛生學會誌 = The Korean journal of sanitation, v.20 no.2 = no.56, 2005년, pp.12 - 20

김영호 (경기대학교 환경공학과) , 김성철 (경기대학교 환경공학과) , 이광현 (경기대학교 환경공학과) , 주현종 (경기대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Most of sewage treatment plants in Korea is operated for the removal of organic material. Because of low C/N ratio of domestic wastewater it is very difficult to remove nitrogen and phosphorus from wastewater. Therefore C/N ratio is key factor for the removed of nitrogen and phosphorus. PSB(photosynthetic bacteria) can remove the nutrient materials, so this study is focused on PSB characterization of nutrient removal. PSB is possible to remove nitrogen, phosphorus in anaerobic and aerobic condition. This study try to find out condition of the PSB in SBR reactor, Batch reactor. It consists of three Mode. Mode 1, 2 is to apply activated sludge process and Mode 3 is that seeded PSB in the activated sludge process. As a result of SBR process, Mode 1, 2 which was activated sludge Process showed $79\~90\%,\;66\~90\%$ of SCODcr, $94.67\~95.89\%,\;95.76\~98.56\%$ of TKN, and Mode 3 has $84\~92\%$ of SCODcr, $95.39\~99.52\%$ of TKN removal efficiency, respectively. When comparison with Mode 1, 2 and 3, most of nitrogen and phosphorus is removed at the anaerobic condition in Mode 3. but Mode 1, 2 has just revealed activated sludge process characterization. It would because of characterization of PSB.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Mode 1, 2슬러지의 회분식 실험은 질산화, 탈질산화 반응을 가지고 질소 제거를 유도하였고 인을 제거하기 위해서 혐기성인 방출, 호기성 인 흡수 제거 원리를 이용하여 실험을 실시하였으며, 실험 결과 일반적인 슬러지 특성을 관찰할 수 있었다. 그러나 Mode 1, 2의 슬러지를 이용한 회분식 실험과는 달리 광합성 박테리아를 우점화시킨 Mode 3 슬러지의 회분식 실험에서는 혐기성 및 호기성 암모니아성질소, 인의 제거 그리고 질산성 질소 제거 등의 제거능을 가지고 있는 것으로 나 타났다.
일반적으로 혐기, 무산소, 호기를 가지고 있는 SBR 반응기에서의 질소 제거는 질산화와 탈질산화의 2단계에 거쳐 이루어진다. Mode 1, 2에서는 이와 같은 일반적인 SBR 반응기의 특징으로 운전을 하였고 무산소에서는 탈질산화를 호기에서는 질산화를 유도하여 질소의 제거 특성을 살펴 보았다.
Mode 1, Mode 2는 순응된 활성슬러지를 이용하여 SBR 반응기를 운전하였고 광합성 박테리아의 우점화를 가진 슬러지와의 비교를 하기 위한 실험이었다. 실험기간의 온도는 20-25°C, DO 농도는 포기 시간에서 1.
유입 시간 전후의 과도한 온도의 저하를 방지하기 위하여 항온계를 설치하였으며 온도계와 판넬을 설치하여 실시간으로 온도를 확인할 수 있도록 하였다. 광합성 박테리아의 우점화에 영향을 미치는 빛(light) 조건을 만족시키기 위하여 PLC와 연결하여 혐기와 무산소 시간에 만 반응기상단에 설치된 백 열전구(2000〜3000 lux)가 on-off되도록 조절하였다.
광합성 박테리아를 우점화한 Mode 3 경우의 슬러지 체류 시간은 25 day였으며, 잉여 슬러지는 포기 시간에서 직접 폐기하여 반응기내 MLSS를 일정하게 유지하여 주었다. 반응기는 각 반응 조건이 원활하게 유지되도록 하기 위해 중분히 운전하여 안정시킨 후 실험을 실시하였다.
1과 같이 혐기, 무산소, 호기 시간 구성을 가진 20 L의 Sequencing Batch Reac~ tor(SBR) 반응기로 구성하였다. 산기 장치를 부착하여 호기 시간에는 DO를 공급하고 혐기, 무산소 시간에는 Off 되도록 조정하였다. 유입 수는 펌프를 이용하여 유량에 맞게 조절하였고 PLC를 이용하여 자동유입부터 유출까지의 모든 단계를 자동화하여 운전하였다.
5mg/L를 유지하였다. 유기물 제거 특성연구를 위하여 각 반응 시간의 농도 및 유입수, 유출수를 분석하였다.
유입 수는 미생물성장에 필수적인 유기물 및 무기물 등을 알맞은 비율 BOD : N : P = 100 : 5 : 1로 합성 폐수를 제조하였다. 합성폐수는 SCODcr 300 mg/L, TKN 15 mg/L, T-P 5 mg/L로 유입하였다.
산기 장치를 부착하여 호기 시간에는 DO를 공급하고 혐기, 무산소 시간에는 Off 되도록 조정하였다. 유입 수는 펌프를 이용하여 유량에 맞게 조절하였고 PLC를 이용하여 자동유입부터 유출까지의 모든 단계를 자동화하여 운전하였다.
유입 수의 부패를 방지하기 위하여 냉장고 내에 80L의 유입 수조를 설치하여。〜5°C로 유지시켰고 정량 펌프를 이용하여 유입 시간에 유입하였다. 유입 시간 전후의 과도한 온도의 저하를 방지하기 위하여 항온계를 설치하였으며 온도계와 판넬을 설치하여 실시간으로 온도를 확인할 수 있도록 하였다. 광합성 박테리아의 우점화에 영향을 미치는 빛(light) 조건을 만족시키기 위하여 PLC와 연결하여 혐기와 무산소 시간에 만 반응기상단에 설치된 백 열전구(2000〜3000 lux)가 on-off되도록 조절하였다.
첫 번째로 Mode 1, 2의 슬러지를 평가하기 위한 회분식 실험은 질산화, 탈질산화의 실험을 실시하였고, 두 번째로 Mode 3에서 운전된 슬러지를 평가하기 위한 실험을 실시하였으며 그 조건은 빛의 유무에 따라 명처(Light), 암처(No-light)로 나누었고 산소 공급 유무에 따라 호기, 혐기로 나누어 각 4가지 조건의 회분식 실험을 실시 하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 광합성 박테리아는 5가지 종이 혼합되어 있고 각각의 종은 빛(Light), 용존산소, 유기물 등의 영향을 받는 것으로 밝혀진 바 있다.* 따라서, 위의 실험 결과에서 혐기에서 암모니아의 제거, 포기에서 질산성 질소의 제거 경향은 각종 의 우점화 조건에 따라 명처 혐기(Light-Anaero bic), 암처호기 (Dark-Aerobic)의 영향을 받은 것으로 사료된다.
실험에 사용된 광합성 박테리아는 Rhodopse- udomonas blastica, Rhodocydus gelatinosus, Rhodocydus tenuis, Rhodobacter capsulatus, Rhodopseudomonas rutila로 판명된 것으로서(3) 영하 75°C 에 보관된 균주를 이용하였다. 27S 배지 (Table 2)를 이용하여 광합성 박테리아를 10 mL 셀, 500 mL 그리고 10L의 큰 용기로 점증적으로 배양하였다.
27S 배지 (Table 2)를 이용하여 광합성 박테리아를 10 mL 셀, 500 mL 그리고 10L의 큰 용기로 점증적으로 배양하였다. 실험에 사용된 슬러지는 K시 하수처리장의 활성슬러지로서 MLSS 농도 3500 mg/L 로 맞추어 SBR 반응기에 순응 시켰다.
각각의 유기물과 무기물은 유입 조성에 알맞게 표준용액을 조제하여 사용하였으며 Table 1과 같다. 실험장치는 Fig. 1과 같이 혐기, 무산소, 호기 시간 구성을 가진 20 L의 Sequencing Batch Reac~ tor(SBR) 반응기로 구성하였다. 산기 장치를 부착하여 호기 시간에는 DO를 공급하고 혐기, 무산소 시간에는 Off 되도록 조정하였다.

성능/효과

실험에 사용된 광합성 박테리아는 5가지 종이 혼합되어 있고 각각의 종은 빛(Light), 용존산소, 유기물 등의 영향을 받는 것으로 밝혀진 바 있다.* 따라서, 위의 실험 결과에서 혐기에서 암모니아의 제거, 포기에서 질산성 질소의 제거 경향은 각종 의 우점화 조건에 따라 명처 혐기(Light-Anaero bic), 암처호기 (Dark-Aerobic)의 영향을 받은 것으로 사료된다.
3은 유입, 유출수의 유기물을 분석하여 나타낸 것이다. Mode 1, Mode 2와 Mode 3에서의 CODcr의 제거 효율을 비교해 보면 광합성 박테리 아의 우점화를 거친 슬러지가 조금 더 안정적으로 유기물을 제거하는 것으로 나타났다.
SBR 반응기 Mode 3의 운전 결과, 암모니아성질소가 제거됨에 따라 질산성 질소의 농도가 1.5mg/L이하로, Mode 1, 2(8~10 mg/L) 에 비해 낮게 유출되는 경향을 확인할 수 있었고, 회분식 실험 결과에서는 같은 호기조건에 서 명처보다 암처가 암모니아성질소 저]거와 질산성 질소 제거에 더 효율적인 것으로 나타났다.
268mg SCODcr/mg MLVS S . day로 나타났으며, 각각의 MLSS, MLVSS 평균 농도는 Mode 1 : 3700, 3125 mg/L, Mode 2 : 3650, 2970 mg/L, Mode 3 : 4100, 3750 mg/L 를 보였으며, MLVSS/MLSS비는 각각 84.47%, 81.35%,91.5%로 나타났 다. Mode 3의 MLVSS/MLSS 비가 높은 이유는 광합성 박테리아에 의한 MLVSS 농도의 증가로 인한 것으로 판단된다.
5 mg/L만 큼 더 제거되었다. 그러나, Fig. 5에서와 같이 Mode 1, 2의 무산소 시간에서 탈질산화에 필요한 탄소원의 부족(SCODcr 26〜35mg/L)으로 총질소 제거 효율이 Mode 3에 비해 크게 떨어지는 것을 볼 수 있었으며, 대부분 NOx-N 형태로 유출되었다. 그리고, 광합성 박테리아를 투입한 Mode 3의 경우에는 유출 수 암모니아성질소 평균 0.
5에서와 같이 Mode 1, 2의 무산소 시간에서 탈질산화에 필요한 탄소원의 부족(SCODcr 26〜35mg/L)으로 총질소 제거 효율이 Mode 3에 비해 크게 떨어지는 것을 볼 수 있었으며, 대부분 NOx-N 형태로 유출되었다. 그리고, 광합성 박테리아를 투입한 Mode 3의 경우에는 유출 수 암모니아성질소 평균 0.38mg/L, 95.39 〜99.52%, 평균 97.79%의 암모니아성질소 제거 효율을 얻을 수 있었다.
기존의 활성슬러지를 이용한 고도처리와 광합성 박테리아를 적용시킨 슬러지를 운전하여 혐기 시간 의 암모니아성질소 제거, 포기시간의 질산화로 인한 질산성 질소의 축적 감소, 혐기시간의 용해성 인 감소 그리고 MLVSS/MLSS 비의 증가 등 일반적인 고도처리 공법의 슬러지에서는 관찰할 수 없는 현상을 발견하였고 이것은 광합성 박테이라의 생합성 반응(동화반응)과 생산반응(이화반응)에 의한 것으로 사료된다.
명처-혐기 조건(Fig. 10)에서는 명처-호기 조건 (Fig. 9)보다 암모니아성질소 제거에 3배 가까운 900분 이상의 시간이 필요로 하였고, 82.56%의 암 모니아성 질소 제거가 실험 시작 이후 900분 만에 가능하였다. 명처-호기 조건에서는, 호기 조건의 영향으로 질산화에 의한 암모니아성질소 농도의 감소에 따라 질산성 질소로의 전환이 일부 일어나는 것으로서 자가 영양 미생물이 암모니아성질소에 대한 질산화 반응에 관여한 것으로 사료된다.
명처-호기 조건 (Fig. 9) 에서는 실험 시작 이후 300분 만에 99.84%의 암모니아성질소가 제거되었 고 50.95%의 암모니아성질소가 질산성 질소로 산화되었으며 나머지 49.05%는 질산성 질소로의 산화 과정을 거치지 않은 점으로, 광합성 박테리아에 의한 동화작용일 것으로 사료된다.
12 에 나타낸 바와 같다. 암모니아성질소를 투입한 후 700분에 6.85 mg/L가 남아 54.64%의 제거율을 나타내어 시간에 따라 암모니아성질소가 감소되는 것을 볼 수 있었고, 용해성인은 150분 만에 85.37%가 제거 되었다.
11 은 암모니아성 질소와 질산성 질소의 제거를 보이고 있다. 암처-호기 조건에서 실험 시작 후 약 180분만에 99.74%의 암모니아성질소가 제거되었고 300분 만에 암모니아성질소가 제거된 명처-호기와 비교하면 2배 정도 더 빠른 반응 속도를 보였고 암 모니아성 질소의 산화에 따른 질산성 질소의 축적도 1 : 0.5 비율보다 낮은 1 : 0.25로 나타났다.
질산성 질소 농도를 나타낸 Fig. 5를 보면 Mode 1, 2에서는 질산성 질소 농도가 8~10 mg/L로 유출되었으나, Mode 3에서는 광합성 박테리아의 접종 이후 유출수의 질산성 질소의 농도가 점점 감소하여 1.5 mg/L이하까지 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
84%의 암모니아성. 질소가 제거된 것과 비교하면 같은 혐기 조 건에서 빛의 유무에 따라 제거율에 차이를 가지고 있고, 혐기성 상태에서는 암 처보다 명처가 질산성 질소 및 용해성인의 제거가 2배 정도 빠르게 나타 났다.
7은 광합성박테리아의 특성을 가장 뚜렷하게 나타낼 수 있는 그래프이다. 혐기의 인 농도의 평균값을 나타낸 것으로서 Mode 1과 Mode 2에서 각각 4.46 mg/L, 14.71 mg/L, Mode 3의 0.31 mg/L보다 앞선 두 모드에서 더 많은 인방출이 일어난 것으로 나타났고 이 결과, 쉽게 분해되는 유기물(Glucose)을 이용한 결과로 사료되며 Mode 3에서는 상대적으로 굉장히 낮은 값이 유지된 것으로 보아 앞서 언급한 바와 같이 광합성 박테리아의 슬러지에 순응에 의한 생합성 반응으로 인한 혐기 상태에서의 인제거가 이루어진 것으로 사료 된다.

후속연구

광합성 박테리아 Rhodospirillanceae에 속하는 홍색비 황 광합성박테리아 (phototrophic purple nonsulfur bacteria)들은 기초연구로 광합성, 질소 고정 그리고 수소가스 발생 등의 생리학적 연구에 많이 사용되고 있다.。15) 또한 응용분야로는 폐수처리를 할 수 있고 수소 발생능을 산업적으로 이용할 수 있으며, 또한 단백질 함량이 높아 수산양식어의 사료와 양계의 산란율을 증가시키는 축산사료로서의 이용 및 유기비료로 이용될 수 있다.
고도처리가 필요한 처리장 또는 낮은 C/N비에 의해서 탈질이 잘 이루어지지 않는 처리장에서 광합성 박테리아를 활용한다면 보다 안정적인 질소, 인제거를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
국내 수질오염의 주요 원인으로는 분리식 하수관거의 저조한 보급률에 인한 하수처리장의 유입 유기물 농도의 저하, 계절별 온도차에 따른 운전방식 및 기술 부족 등으로 요약할 수 있고 이러한 문제점을 개선하기 위하여 국내 하수성상에 맞는 하수처리 기술이 개발되어 왔다. 그러나 국내 하수 는 대부분 낮은 C/N비를 가지고 있어 유기물을 탄 소원으로 이용하는 고도처리공법에는 적용이 쉽지 않으며 이를 해결하기 위해서는 해외공법을 무분별하게 도입하는 것보다 실험실 반응기의 운영을 바탕으로 Pilot 규모의 플랜트를 설계 운영함으로서 도입되고자 하는 하수에 적합한 방법을 도출해 낼 수 있을 것으로 기대된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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