Genus Nitrospira와 Nitrobacter는 폐수 질산화 시스템의 대표적인 아질산 산화균으로 알려져 있다. Genus Nitrospira는 아질산 농도가 매우 낮은 조건에서도 이를 효율적으로 활용하는 K-strategists로 알려져 있는 반면에 Nitrobacter 종은 기질소비와 성장이 빠른 r-strategists로 알려져 왔다. 또한 유기물이나 용존산소도 아질산 산화균의 분포에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 아질산과 유기물, 용존산소가 복합적으로 작용하는 질산화 시스템에서 아질산 산화균의 분포와 경쟁에 어떻게 영향을 받는지를 검토하였다. 이를 위하여 실험실 규모의 질산화 생물반응기와 질산화-탈질을 수행하는 $A_2O$ 계열의 실제 폐수처리장에서 여러 항목과 두 종류의 아질산 산화균 분포를 측정, 비교하였다. 그 결과 아질산 농도는 평균 5 mg-N/L로 유지되며, 호기조건에서 유기물이 매우 낮게 유지되는 실험실 질산화 생물반응기는 Nitrobacter가, 호기-무산소 조건에서 질산화-탈질이 일어나고 아질산이 거의 없는 상태이며 유기물이 비교적 높게 유지되는 $A_2O$ 폐수처리장은 Nitrospira가 우점종으로 분포하였다. 이것은 여러 인자가 복합적으로 작용하는 상태에서는 아질산 산화균의 분포가 유기물과 용존산소 보다는 아질산 농도가 가장 중요한 인자임을 보여주며 기질 친화도가 낮지만 반응속도가 빠른 Nitrobacter가 r-strategist, genus Nitrospira는 기질친화도가 높은 K-strategist인 특성을 보임을 확인하였다.
Genus Nitrospira와 Nitrobacter는 폐수 질산화 시스템의 대표적인 아질산 산화균으로 알려져 있다. Genus Nitrospira는 아질산 농도가 매우 낮은 조건에서도 이를 효율적으로 활용하는 K-strategists로 알려져 있는 반면에 Nitrobacter 종은 기질소비와 성장이 빠른 r-strategists로 알려져 왔다. 또한 유기물이나 용존산소도 아질산 산화균의 분포에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 아질산과 유기물, 용존산소가 복합적으로 작용하는 질산화 시스템에서 아질산 산화균의 분포와 경쟁에 어떻게 영향을 받는지를 검토하였다. 이를 위하여 실험실 규모의 질산화 생물반응기와 질산화-탈질을 수행하는 $A_2O$ 계열의 실제 폐수처리장에서 여러 항목과 두 종류의 아질산 산화균 분포를 측정, 비교하였다. 그 결과 아질산 농도는 평균 5 mg-N/L로 유지되며, 호기조건에서 유기물이 매우 낮게 유지되는 실험실 질산화 생물반응기는 Nitrobacter가, 호기-무산소 조건에서 질산화-탈질이 일어나고 아질산이 거의 없는 상태이며 유기물이 비교적 높게 유지되는 $A_2O$ 폐수처리장은 Nitrospira가 우점종으로 분포하였다. 이것은 여러 인자가 복합적으로 작용하는 상태에서는 아질산 산화균의 분포가 유기물과 용존산소 보다는 아질산 농도가 가장 중요한 인자임을 보여주며 기질 친화도가 낮지만 반응속도가 빠른 Nitrobacter가 r-strategist, genus Nitrospira는 기질친화도가 높은 K-strategist인 특성을 보임을 확인하였다.
Genus Nitrospira and Nitrobacter species are the key nitrite-oxidizing bacteria(NOB) in nitrifying wastewater treatment plants. It has been hypothesized that genus Nitrospira are K-strategists(low $K_6$ value) that can exploit low amounts of nitrite more efficiently than Nitrobacter. In c...
Genus Nitrospira and Nitrobacter species are the key nitrite-oxidizing bacteria(NOB) in nitrifying wastewater treatment plants. It has been hypothesized that genus Nitrospira are K-strategists(low $K_6$ value) that can exploit low amounts of nitrite more efficiently than Nitrobacter. In contrast, Nitrobacter species are r-strategists(high $V_{max}$) that can grow faster than Nitrospira. It has also been known that the availability of organic compounds and dissolved oxygen as well as nitrite affects the distribution of NOB. In this study, we determined the distribution and competition of NOB in wastewater nitrification systems where nitrite, organic compounds, and dissolved oxygen concentrations were compositively varied. For the purpose, several compounds of the laboratory-scale nitrificaiion bioreactor and full-scale $A_2O$ wastewater treatment plant and their distribution of NOB were analyzed and compared. The analysis showed that Nitrobacter was the dominant NOB in nitrification bioreactor where average nitrite was maintained at 5 mg-N/L with very low organic concentration in aerobic condition, whereas Nitrospira was the dominant NOB in full-scale $A_2O$ plant where nitrite was maintained very low and organic compounds were maintained relatively high in alternating aerobic-anoxic condition. The result indicates that nitrite concentration is more critical factor than organics and dissolved oxygen which determines the dominant NOB in nitrification system and it is confirmed that Nitrospira and Nitrobacter showed the characteristics of r-strategist and K-strategist, respectively.
Genus Nitrospira and Nitrobacter species are the key nitrite-oxidizing bacteria(NOB) in nitrifying wastewater treatment plants. It has been hypothesized that genus Nitrospira are K-strategists(low $K_6$ value) that can exploit low amounts of nitrite more efficiently than Nitrobacter. In contrast, Nitrobacter species are r-strategists(high $V_{max}$) that can grow faster than Nitrospira. It has also been known that the availability of organic compounds and dissolved oxygen as well as nitrite affects the distribution of NOB. In this study, we determined the distribution and competition of NOB in wastewater nitrification systems where nitrite, organic compounds, and dissolved oxygen concentrations were compositively varied. For the purpose, several compounds of the laboratory-scale nitrificaiion bioreactor and full-scale $A_2O$ wastewater treatment plant and their distribution of NOB were analyzed and compared. The analysis showed that Nitrobacter was the dominant NOB in nitrification bioreactor where average nitrite was maintained at 5 mg-N/L with very low organic concentration in aerobic condition, whereas Nitrospira was the dominant NOB in full-scale $A_2O$ plant where nitrite was maintained very low and organic compounds were maintained relatively high in alternating aerobic-anoxic condition. The result indicates that nitrite concentration is more critical factor than organics and dissolved oxygen which determines the dominant NOB in nitrification system and it is confirmed that Nitrospira and Nitrobacter showed the characteristics of r-strategist and K-strategist, respectively.
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문제 정의
도움이 될 것이다. 본 연구의 목적은 아질산과 유기물, 용존산소가 복합적으로 작용하는 질소 제거 시스템에서 아질산 산화균의 분포와 경쟁에 어떤 인자가 가장 큰 영향을 주는지를 조사하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 유기물이 있고 호기-무산소 조건이 같이 있어 질산화와 탈질이 일어나는 실제 폐수처리장과 실험실 규모의 순환 유동상 생물반응기에서 호기 조건에서 유기물 및 질산화가 같이 일어날 때 아질산 산화 미생물간의 경쟁에 의한 분포 특성과 이들의 경쟁에 영향을 미치는 제어 인자를 고찰하려고 한다.
본 연구의 목적은 아질산과 유기물, 용존산소가 복합적으로 작용하는 질소 제거 시스템에서 아질산 산화균의 분포와 경쟁에 어떤 인자가 가장 큰 영향을 주는지를 조사하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 유기물이 있고 호기-무산소 조건이 같이 있어 질산화와 탈질이 일어나는 실제 폐수처리장과 실험실 규모의 순환 유동상 생물반응기에서 호기 조건에서 유기물 및 질산화가 같이 일어날 때 아질산 산화 미생물간의 경쟁에 의한 분포 특성과 이들의 경쟁에 영향을 미치는 제어 인자를 고찰하려고 한다. 일반적으로 아질산이 유입 폐수에 포함되는 경우는 드물며 대부분 질산화 단계에서 암모니아가 질산성 질소로 전환되는 중간생성물로 나타나고 이를 아질산 산화균이 이용하므로 본 연구에서는 암모니아를 기질로 이용하였다.
제안 방법
2μm syringe membrane flltei를 사용하여 한 번 더 미세부유 물질을 거른 후 ion 사iromatographfDX 500, Dionex)로 측정하였다. COD는 KMnCU를 산화제로 이용하여 분석하였다. 반응기 내의 용존산소(Istek 215D), 온도, pH(Istek 720P) 등은 연속적으로 측정하였다.
세척이 끝난 시료를 증류수로 가볍게 헹구어 washing buffer를 제거해 준 뒤 공기 중에서 건조시킨 후 10 μL의 mounting medium을 첨가하고 cover slide로 덮어 시료를 완성하였다. In situ hybridization0] 끝난 slide는 Kr/Ar ion laser (Excitation wave length 494, 550, 650 nm)가 장착된 confocal laser scanning microscope(Model: MRS-1024, Bio-Rad, U.K.)를 사용하여 관찰하였다. FISH 이미지의 특정 미생물 정량분포 해석을 위해서는 시료 당 평균 10개의 이미지를 대상으로 이미지 프로세싱 소프트웨어(IMT i-Solution, version 3.
39 g/L로 운전되었다. 대조군으로 사용된 폐수처리장은 도시 하수를 처리하는 A2O 계열의 고도폐수처리 시설로서 유입수는 평균 COD 120 m&L, 암모니아성 질소는 25 mg/L, 질산성 질소는 계절에 따라 0~5 mg/L로 유지되었으며 혐기, 무산소, 호기조를 포함하여 약 7시간의 수리학적 체류시간과 약 15일의 고형물 체류시간으로 운전되고 있으며 생물학적인 방법으로 질산화/탈질 및 탈인 기능을 수행한다. 유출수의 COD는 약 15 mgL 질산화율은 동절기에는 20-30% 정도로 낮았으나 하절기에는 100%에 가깝게 유지되었다.
COD는 KMnCU를 산화제로 이용하여 분석하였다. 반응기 내의 용존산소(Istek 215D), 온도, pH(Istek 720P) 등은 연속적으로 측정하였다.
01% chromium potassium sulfhte)으로 코팅된 슬라이드에 부착시켰다. 시료가 슬라이드에 잘 부착되도록 하기 위해서 overnight 보관한 후 ethanol 희석액(50, 80, 98%)으로 약 3분씩 탈수 과정을 수행하였다.
암모니아성 질소는 Nesslerization method에 의해 425 nm에서 흡광도를 측정하였다(UV 1601, Shimadzu). 아질산성 및 질산성 질소는 0.2μm syringe membrane flltei를 사용하여 한 번 더 미세부유 물질을 거른 후 ion 사iromatographfDX 500, Dionex)로 측정하였다. COD는 KMnCU를 산화제로 이용하여 분석하였다.
비교적 높게 있는 환경이다. 이러한 조건에서 아질산 산화균의 분포를 조사하였다.
이를 위해 본 연구에서는 유기물이 있고 호기-무산소 조건이 같이 있어 질산화와 탈질이 일어나는 실제 폐수처리장과 실험실 규모의 순환 유동상 생물반응기에서 호기 조건에서 유기물 및 질산화가 같이 일어날 때 아질산 산화 미생물간의 경쟁에 의한 분포 특성과 이들의 경쟁에 영향을 미치는 제어 인자를 고찰하려고 한다. 일반적으로 아질산이 유입 폐수에 포함되는 경우는 드물며 대부분 질산화 단계에서 암모니아가 질산성 질소로 전환되는 중간생성물로 나타나고 이를 아질산 산화균이 이용하므로 본 연구에서는 암모니아를 기질로 이용하였다.
폐수처리장에서 질산화 미생물, 특히 아질산 산화균의 분포에 대한 유기물과 용존산소의 영향을 조사하기 위해 유기물 농도가 낮고 호기조건으로 유지되는 실험실 규모의 순환유동상 생물반응기를 운전하고 그 결과를 유기물 농도가 상대적으로 높고 호기 외에 혐기, 무산소 조건이 유지되는 A2O 계열의 실제 폐수처리장의 그것과 비교하여 분석하였다. 질산화 과정에서 중간 생성물로 생성되는 아질산의 경우 A2O 계열의 폐수처리장에서는 전혀 검출되지 않았고, 실험실 생물반응기는 때때로 10 mg/L로 높게 유지되었다.
대상 데이터
질산화의 중간생성물인 아질산은 전혀 검출되지 않았다. 생물반응기 접종은 본 연구에서 대조군으로 사용된 A2O(anaerobic-anoxic-oxic) 계열의 도시 하수를 처리하는 폐수처리장 포기조 슬러지를 이용하였다. 약 3주에 걸친 시운전 후부터 정상상태로 운전하였으며 이때 고형물 체류시간은 12~15일 범위로 운전되었다.
이론/모형
)를 사용하여 관찰하였다. FISH 이미지의 특정 미생물 정량분포 해석을 위해서는 시료 당 평균 10개의 이미지를 대상으로 이미지 프로세싱 소프트웨어(IMT i-Solution, version 3.0)를 사용하였다.
Standard Methode 에 의거하여 분석하였다. 암모니아성 질소는 Nesslerization method에 의해 425 nm에서 흡광도를 측정하였다(UV 1601, Shimadzu). 아질산성 및 질산성 질소는 0.
유입과 유출되는 시료는 GF/C filter로 여과하여 부유 물질을 제거한 후 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소를 Standard Methode 에 의거하여 분석하였다. 암모니아성 질소는 Nesslerization method에 의해 425 nm에서 흡광도를 측정하였다(UV 1601, Shimadzu).
성능/효과
최근까지 Nitrobacter?} 대표적인 아질산 산화균으로 알려져 있었는데 그것은 슬러지를 test tube에서 배양했을 때 Nitro-bag가 주로 검출되었기 때문이다.5) 그러나 최근 몇 년 사이에 분자생물학 기술의 발전으로 폐수처리장 슬러지의 DNA 추출에 의한 16S rDNA 서열분석이나 oligonucleotide probe를 이용한 16S rRNA의 in situ 분석에 따르면 Nitrospira가 대표적인 아질산 산화균으로 나타나고 있으며 Nitrobacter는 검출되지 않았다고 발표되었다.6-8) Daims 등9)의 실험에서는 폐수처리장에서는 Nitrospim만이 검출되었지만 생물막 연속회분 반응기에서는 Nitrospira와 Nitrobacter.
그러나 분포조사 결과는 앞의 예상과는 달리 실험실 생물반응기에서는 Nitrobacter가 우점종으로 분포하였고, 혐기 및 무산소조가 포함되어 있어 유기물을 이용한 탈질이 가능한 A2O 폐수처리장에서는 Nitrospira가 Nitrobacter 보다 많이 분포하였다. 따라서 유기물과 용존산소가 아질산 산화균의 분포에 주는 영향은 크지 않고 아질산 농도가 더 직접적인 영향을 주는 것으로 보인다.
따라서 유기물과 용존산소가 아질산 산화균의 분포에 주는 영향은 크지 않고 아질산 농도가 더 직접적인 영향을 주는 것으로 보인다. 유기물의 영향이 낮은 또 다른 이유는 Bock 등⑹에 따르면 Mfrobacfer의 유기물 소비속도는 아질산 소비속도에 비해 매우 낮으며 세포합성에는 유기물을 이용하지 않는 것으로 알려져서 Nitrobacter의 증식에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
10-12) Schramm 등13)도 용존산소가 높은 영역에 형성된 membrane biofilm에서는 Nitrobacter7\, 용존산소가 낮은 영역에서는 Nitrospira가 우점화되어 있다고 하였다. 따라서 이상의 결과로부터 Nitrobacter나 Nitrospim는 폐수처리장의 환경적 요인과 두 미생물의 생리적 특성에 따라 어느 한 종이 우점화 되거나 공존하는 현상이 나타나는 것으로 판단된다.
0% 분포하였다. 또한 Nihrobacter는 평균 7.1±0.7%, genus Nitrospira 는 평균 2.0±0.6%로 분포하였다. 총 아질산 산화균은 9.
2는 순환 유동상 생물반응기의 운전 결과를 나타낸 것이다. 생물반응기가 정상상태에 도달한 후 암모니아와 COD는 모두 95% 이상 제거되었으며 이때 반응기의 평균 유기물 및 암모니아성 질소 부하는 각각 0.183과 0.175 kg/m3·day로 운전되었으며 평균 용존산소는 3.6 mg/L 정도였다(아래 그림). 유입 폐수의 COD/N 비는 1.
1 범위에서 유지하였다. 생물반응기로 유입되는 폐수의 평균 COD는 127 mgy, 암모니아 산화균 및 아질산 산화균의 분포를 늘리기 위해 폐수처리장 유입 폐수에 암모니아성 질소((NH4)2SO4)를 100 mg-N/L 추가하여 암모니아성 질소는 평균 120 mg/L이었으며, 유기물 부하는 0.183 kg/m3 . day, 암모니아성 질소 부하 0.
실험실 규모의 생물반응기와 실제 규모 A2O 폐수처리장 공히 암모니아 산화균은 Nitrosomonas가 Nitrosospira 보다 더 많이 분포하였으나 아질산 산화균 분포는 각기 달라서 생물반응기는 Nitrobacter7}, A2O 폐수처리장은 Nitrospira가 우점종으로 분포하는 결과를 보였다.
실험실 규모의 생물반응기와 실제 규모 A2O 폐수처리장 공히 암모니아 산화균은 Nitrosomonas가 Nitrosospira 보다더 많이 분포하였으나 아질산 산화균 분포는 유기물과 용존산소에 대한 기존 연구결과와는 달리 생물반응기는 Nitrobacter 가, A2O 폐수처리장은 Nitrospira가 우점종으로 분포하는 결과를 보였다. 이는 아질산 산화균의 기질인 아질산 농도가 서로 다른 조건 즉, 실험실 생물반응기가 A2O 폐수처리장 보다 아질산 농도가 높게 유지된 때문으로 사료된다.
6 mg/L 정도였다(아래 그림). 유입 폐수의 COD/N 비는 1.06으로 낮았으며 수리학적 체류시간을 길게 하여 COD 및 암모니아 부하를 낮게 운전하였고, 충분한 고형물 체류시간을 확보하여 질산화 저해가 일어나지 않아 높은 질산화율을 보였다. 암모니아 산화에 비해 아질산은 때때로 질산으로 완전 산화되지 못하고 약 10 mg/L 정도까지 축적되기도 하였다.
즉, 아질산 산화균은 유기물과 용존산소 보다는 아질산 농도에 따라 우점종이 결정되며 실험실 생물반응기는 아질산 농도는 평균 5 mg/l로 유지되었고, 이로 인해 기질 친화도가 낮지만 반응속도가 빠른 Nitrobacter가 r-strategist로서 genus Nitrospira 보다 우점종으로 분포하는 것으로 생각된다. 반면에 실제 폐수처리장에서는 아질산이 거의 없는 상태로 기질 친화도가 높은 K-strategist인 Nitrospira가 우점종을 차지하였다.
질산화 과정에서 중간 생성물로 생성되는 아질산의 경우 A2O 계열의 폐수처리장에서는 전혀 검출되지 않았고, 실험실 생물반응기는 때때로 10 mg/L로 높게 유지되었다.
같은 종류의 반응기에서 암모니아 농도와 부하를 높게 실험한 경우 전체 산화 암모니아의 약 80~95%가 아질산으로 축적되는 경우25)와 비교해 볼 때 NHJ-N이나 NO2-N 농도에 의해 주로 결정되는 free ammonia나 nitrous acid가 중요한 저해 인자로 작용함을 알 수 있다. 질산화가 일어나는 도시 하수를 처리하는 폐수처리장에서의 조사 결과를 보면 암모니아성 질소가 45 mg/L 이하에서 아질산은 모든 경우 0.5 mg/L 이하로 나타나고 있어 암모니아가 낮은 경우에는 아질산이 거의 축적되지 않음을 알 수 있다.27)
한편 유기물과 용존산소가 Nitrobacter나 Nitrospira 분포에 어떤 영향을 주었는지를 보면 실험실 생물반응기는 호기 조건에서 유기물 농도가 상당히 낮게 유지되었고 반면에 실제 A2O 폐수처리장은 혐기, 무산소 및 호기 조건이 같이 있고 유기물 농도가 상대적으로 높게(혐기 및 무산소 반응기의 평균 COD: 30-50 mg/L) 유지되었다. 유기물과 용존산소만 고려한다면 실험실 생물반응기는 Nitrospira에, 실제 A2O 폐수처리장은 Nitrobacter에 유리한 조건이다.
후속연구
위의 결과와 아질산에 대한 K-r 가설을 기준으로 볼 때 아질산 산화균의 분포에는 아질산 외에 유기물과 용존산소도 영향을 끼칠 수 있으므로, 유기물과 함께 호기 조건만 있는 경우와 호기-무산소 조건이 같이 있는 경우에 이들이 어떻게 경쟁하고 분포하는지는 매우 흥미롭고 이는 폐수처리 시스템에서 질산화와 아질산 축적이 어떻게 일어나는지를 이해하는데 도움이 될 것이다. 본 연구의 목적은 아질산과 유기물, 용존산소가 복합적으로 작용하는 질소 제거 시스템에서 아질산 산화균의 분포와 경쟁에 어떤 인자가 가장 큰 영향을 주는지를 조사하는 것이다.
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