[논문]부유 및 부착성장 미생물을 이용한 접촉안정형 영양염류처리 하이브리드 공정

김만수; 박종운; 이상일; 박철휘

부유 및 부착성장 미생물을 이용한 접촉안정형 영양염류처리 하이브리드 공정
Nutrient Removal Hybrid Process to Use Suspended and Attached Growth Microorganisms and Apply the Contact and Stabilization Process 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.29 no.4, 2007년, pp.452 - 459

김만수 (대양바이오테크(주) 부설환경기술연구소) , 박종운 (대양바이오테크(주) 부설환경기술연구소) , 이상일 (충북대학교 환경공학과) , 박철휘 (서울시립대학교 환경공학부)

초록
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부유 및 부착성장 미생물을 이용한 접촉안정형 영양염류처리 하이브리드공정은 질산화 반응조내에 EPS(Expanded Poly-Styrene) 여재를 충진하여 autotrophs와 heterotrophs의 분리성장과 질산화균의 우점화를 도모함으로써 수리학적체류시간 6시간 이내에서도 양호한 처리수질을 얻을 수 있는 공정이다. 본 공정의 운전결과 방류수의 $BOD_5,\;COD_{Mn}$, SS의 평균농도는 5.2 mg/L, 7.3 mg/L, 4.9 mg/L이었으며, T-N 및 T-P농도는 6.8 mg/L 및 0.6 mg/L로서 양호한 처리 결과를 얻을 수 있었다. 또한 본 공법의 평균 제거효율은 $BOD_5,\;COD_{Mn}$, SS의 경우 94.6%, 79.8%, 94.9%이었으며, T-N 및 T-P로서 70.8% 및 76.9%로 나타났다. EPS 여재에 부착된 부착미생물 군집의 16S-rRNA 분석결과 ammonia-oxidizing bacteria로 알려진 Nitrosomonas속, Nitrosoccus속, Gallionella속이 포함된 cluster가 EPS 여재에 부착된 biofilm의 6% 정도인 것으로 조사되었다. 결과적으로 질산화미생물의 우점화를 통해 질산화 반응시간을 단축시킴으로서 6시간 이내의 짧은 수리학적 체류시간에서도 T-N 및 T-P농도를 10 mg/L 및 1.0 mg/L 이하로 처리할 수 있었던 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nutrient removal hybrid process to use suspended and attached growth microorganisms and apply the contact and stabilization process was process obtaining good results to HRT within 6 hours to dominate nitrifier and to promote separation and growth of autotrophs and heterotrophs to pack with EPS(Expanded Poly-Styrene) media in nitrification reactor. An average effluent quality of this process was below 5.2 mg/L, 7.3 mg/L, 4.9 mg/L as $BOD_5,\;COD_{Mn}$, SS concentration and 6.8 mg/L, 0.6 mg/L as T-N, T-P concentration. Also, An average removal efficiency of this process was 94.6%, 79.8%, 94.9% as $BOD_5,\;COD_{Mn}$, SS and 70.8%, 76.9% as T-N, T-P. 16S-rRNA analysis result of microorganisms attached to EPS media was researched Nitrosomonas and Nitrosococcus blown to ammonia-oxidizing bacteria cluster to include Gallionella and these microorganisms were researched to involve about 6% of biofilm attached EPS media. Consequently, this process was treated below 10 mg/L and 1.0mg/L as T-N, T-P concentration at short hydraulic retention time(about 6 hr) to dominate nitrifier.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Blue-white colony 선별법에 의해 각 시료 당 약 50개 정도의 재조합 클론을 선별하였다. 16S rRNA 유전자 증폭에 이용된 eubacteri시 primer 1492R과 T-vector 삽입 자리에 존재하는 염기서열에 상보적인 prGTf primer쌍을 사용하여 direct amplified PCR을 수행하였고, 증폭된 PCR 산물의 크기를 확인하여 5, 에서 3, 방향으로 삽입된 재조합 클론을 2차 선별하였다.
Ammonia-oxidizing bacteria의 specific primer Nsol225R과 nitrite-oxidizing bacteria의 specific primer NIT3, NIS 를 사용하여 16S rRNA 유전자를 증폭하였다(Fig. 12). 이를 통해 EPS 여재에 부착된 biofilm에 질산화 균이 있음을 확인할 수 있었다.
EPS 여재에 부착된 biofilm으로부터 구축한 16S rDNA 라이브러리에서 방향으로 삽입된 클론을 DY1 시료와 DY2 시료에서 각각 50개씩 선별하여 ABI 3730XL Capillary DNA Sequencer(Applied Biosystems)로 염기서열을 분석하였다. 분석된 염기서열의 크기는 500~900 bp로 다양했으며, 이 부분 염기서열들을 GenBank에 등록되어 있는 세균들의 16S rDNA 서열과 비교하였다.
Eubacterial primer 27F와 1492R을 사용하여 16S rRNA 유전자를 증폭하여 PCR product는 1% agarose gel에서 전기영동 하여 확인하였다(Fig. 13). 약 1.
Miller 등의 bead beating 방법을 변형하여 시료로부터 핵산을 직접 추출하였고, 0.5X TBE, 1% agarose로 전기 영동 한 후 EtBr 염색하여 DNA를 확인하였다(Fig. 11). 10 Kbp 이상의 genomic DNA가 추출되었음을 확인하였다.
하지만 Nitrospira phylum에 속하는 nitrite-oxidizing bacteria의 군집은 확인되지 않았다. 따라서 biofilm에서 확인 된 Proteobacteria phylum만을 살펴보았다(Fig. 17). Proteobacteria phylum속하는 대부분의 클론이 unclassified a-, p-, x -proteobacteriae.
이와 같이 질산화 반응조로 유입되는 최초침전지 상등수는 상당부분 유기물이 제거된 처리수로 autotrophs와 heterotrophs의 경쟁관계에 있어서 autotrophs가 우점화 될 수 있는 조건을 제공해 주는 것으로 나타났다. 또한 흡착 후 분리된 T-N이 유입 T-N의 46.4%로 이는 기존 dephanox공정에서 제거되지 않아 방류수 T-N농도가 높았던 원인으로 본 처리 공정은 이러한 흡착 T-N의 제거를 위해 후속처리 공정으로 간헐포기조, 무산 소조및 재포기조와 내부반송 라인을 설치하여 방류수의 T-N농도를 저감시킬 수 있었다. PO의 내부거동 분석 결과 혐기접촉조와 무산소조#1에서 PO의 방출이 약 400% 이상 나타나 순혐기 조건이 제공되어 PQ?- 방출량을 극대화 시킬 수 있는 것으로 조사되었으며, 이후 재포기조를 거치며 0.
분석된 염기서열의 크기는 500~900 bp로 다양했으며, 이 부분 염기서열들을 GenBank에 등록되어 있는 세균들의 16S rDNA 서열과 비교하였다. EPS 여재에 부착된 biofilm 의 염기서열들과 GenBank에 등록되어 있는 세균들의 16S rDNA 서열을 비교한 결과, 근접한 세균들과 각각 89~98% 의 유사도를 보였다.
5. EPS 여재 부착미생물 군집의 분자생물학적 분석
분자생물학적 세균 군집 분석을 위하여 biom이 형성된 EPS 여재 시료를 멸균된 채수병에 채취하여(Fig. 2(a)), 2-3시간 이내에 4℃에 보관, 운송하였다.
18을 유지하였다. 유기물을 흡착한 생슬러지 반송 및 외부반송율은 0.5~ 1.0Q의 범위내에서 동일한 반송율을 적용하였으며, 내부반송율은 1~ 1.5Q의 범위내에서 운전하였다.

대상 데이터

본 개발공정은 Dephanox 공정의 변법으로 부유성장과 부착성장을 동시에 이용한 하이브리드(Hybrid)공정으로 양질의 질산화균 농축을 도모하기 위하여 EPS 여재를 이용하였다. 질산화균 농축을 위한 여재의 사용은 부유성장 미생물을 이용한 공정에 비해 낮은 온도, 중금속 및 유기물 부하변동에서도 처리가 양호한 것으로 보고되었다.
실증 plant는 경기도 남양주시 화도읍 화도 하수종말 처리시설내 유휴 부지에 2005년도 12월 식종하여 현재까지 운전 중에 있다. Fig.

데이터처리

15). GenBank(htTP:ncbi.nlm.nih.gov/)의 data- base로부터 확인된 염기서열을 ClustalX(version 1.83) 프로그램을 이용하여 정렬하고 PHYLIP package v3.6a3을 이용하여 Jukes & Cantor distance model과 neighbor-joining method에 의해 염기서열간의 진화적 거리를 계산하고 계통분류 학적 tree를 작성하였다(Fig. 16).

이론/모형

coll DH₁₀B에 Sambrook와 Russell(2001)의 방법에 따라 형질전환 시켰다. Blue-white colony 선별법에 의해 각 시료 당 약 50개 정도의 재조합 클론을 선별하였다. 16S rRNA 유전자 증폭에 이용된 eubacteri시 primer 1492R과 T-vector 삽입 자리에 존재하는 염기서열에 상보적인 prGTf primer쌍을 사용하여 direct amplified PCR을 수행하였고, 증폭된 PCR 산물의 크기를 확인하여 5, 에서 3, 방향으로 삽입된 재조합 클론을 2차 선별하였다.
증폭된 PCR 산물을 pGEM-T vector를 이용하여 E. coll DH₁₀B에 Sambrook와 Russell(2001)의 방법에 따라 형질전환 시켰다. Blue-white colony 선별법에 의해 각 시료 당 약 50개 정도의 재조합 클론을 선별하였다.

성능/효과

1) 부유 및 부착성장 미생물을 이용한 접촉안정형 영양염 류처리 하이 브리 드공정 은 수리학적체 류시간 6시간이 내에서도 BOD5, CODm„, SS의 농도가 평균 5.2 mg/L, 7.3 m&L, 4.9 mg/L이었으며, 영얌염류인 T-N 및 T-P농도가 6.8 mg/L 및 0.6 mg/L로서 양호한 처리 결과를 얻을 수 있었다. 결과적으로 질산화미생물의 우점화를 통해 질산화 반응시간을 1~2시간 단축시킴으로서 6시간 이내의 짧은 수리 학적 체류 시간에서도 T-N 및 T-P농도를 10 mg/L 및 1.
11). 10 Kbp 이상의 genomic DNA가 추출되었음을 확인하였다.
2) 혐기접촉조에서 BOD5, CODa, CODm„, SS의 흡착효율은 71.5%, 69.6%, 61.0%, 75.4%로 높은 흡착효율을 보였으며, 질산화 반응조로 유입되는 최초침전지 상등수는 상당 부분 유기물이 제거된 처리수로 autotrophs와 heterotrophs의 경쟁관계에 있어서 autotrophs가 우점화 될 수 있는 조건을 제공해 주는 것으로 나타났다.
3) 각 반응조별 SCODcr과 NH₄+및 NO₃-의 농도비를 C/N ratio로 평가한 결과 유입 C/N ratio는 6.1 정도 이었으며, 이후 혐기접촉조에서 5.8 내외로 비교적 높게 유지되었으며, 질산화조에서는 1.5 정도의 낮은 C/N ratio를 나타내었다. 따라서 질산화 반응조내에서 heterotrophs 의 성장은 상당히 제한적일 것으로 조사되었으며, 이후 무산소조#1에서는 유기물을 흡착한 슬러지의 이송으로 인하여 C/N ratio가 3.
4) EPS 여재 biofilm의 16S rRNA 유전자 클론의 경우 60% 이상이 proteobacteria에 속하였으며, 특히 39%가 a-proteo- bacteria 에 속하였다. g-proteobacteria 의 경우 ammonia -oxidizing bacteria로 알려진 Nitrosomonas와 Nitrosococcus 속과 이와 관련된 chemolithotropic bacteria인 GaUionella속이 포함된 cluster에 EPS 여재에 부착된 biofilm의 클론 중 6%가 속함을 알 수 있었으며, 이들에 의해 EPS 여재에 부착된 bio- film에서 질산화가 이루어질 것으로 사료된다.
분석된 염기서열의 크기는 500~900 bp로 다양했으며, 이 부분 염기서열들을 GenBank에 등록되어 있는 세균들의 16S rDNA 서열과 비교하였다. EPS 여재에 부착된 biofilm 의 염기서열들과 GenBank에 등록되어 있는 세균들의 16S rDNA 서열을 비교한 결과, 근접한 세균들과 각각 89~98% 의 유사도를 보였다.
EPS 여재에 부착된 biofilm의 100개 클론 중에서 Proteo- bacteria/} 전체의 63%로 가장 우점하였고, Planctomycetes 가 12%를 차지하는 것을 알 수 있었다. 그 외 Acidobac- terium과 Verrucomicrobia는 5% 등을 차지하는 것을 알 수 있었다(Fig.
T-N제거효율에 있어서는 유입수의 낮은 농도로 인하여 10.2 ~91.0%의 큰 편차를 보였으며, 평균적으로 70.8%의 T-N 제거효율을 나타내었다. Fig.
8). 각 반응조별 SCODcr과 NHJ 및 NC>3-의 농도비를 C/N ratio 로 평가한 결과 Fig. 9와 같이 유입 C/N ratio는 6.1 정도 이었으며, 이후 혐기접촉조에서 5.8 내외로 비교적 높게 유지되었으며, 질산화조에서는 1.5 정도의 낮은 C/N ratio를 나타내었다. 따라서 질산화 반응조내에서 heterotrophs 성장은 상당히 제한적일 것으로 조사되었으며, 이후 무산소조에서는 유기물을 흡착한 슬러지의 이송으로 인하여 C/N ratio가 3.
5 이상 회복되는 것으로 나타났다. 각 반응조별 탈질반응 속도를 분석한 결과 혐기접촉조에서의 탈질반응 속도는 2.4 내외로 상당히 높게 나타났으며, 무산소조#1에서도 내생 탈질 반응속도가 1.5 이상인 것으로 조사되었다.
6 mg/L로서 양호한 처리 결과를 얻을 수 있었다. 결과적으로 질산화미생물의 우점화를 통해 질산화 반응시간을 1~2시간 단축시킴으로서 6시간 이내의 짧은 수리 학적 체류 시간에서도 T-N 및 T-P농도를 10 mg/L 및 1.0 mg/L 이하로 처리할 수 있었던 것으로 사료된다.
계통분류학적 tree에서도 Proteobacteria/} 가장 우점하였고, 특히 a-proteobacteria7]- 가장 우점하였으며, Phylum 수준에서 분류되었다. 또한 Proteobacteria는 유연관계가 비슷한 a-, x-proteobacteria?]- 각각의 clade를 형성하였다.
12%를 차지하는 것을 알 수 있었다. 그 외 Acidobac- terium과 Verrucomicrobia는 5% 등을 차지하는 것을 알 수 있었다(Fig. 15). GenBank(htTP:ncbi.
평균 유입 BOD5농도는 6월중순 까지는 평균 90-100 mg/L 정도를 유지하였으나 6월 말부터 8월 중순까지는 강우에 의한 영향으로 평균적으로 약 40-50 mg/L 의 낮은 범위로 나타났다. 그러나 방류수의 BODs농도 및 제거효율은 5.2 mg/L 및 93.3%로 안정적인 처리효율을 나타대었다. Fig.
5 정도의 낮은 C/N ratio를 나타내었다. 따라서 질산화 반응조내에서 heterotrophs 성장은 상당히 제한적일 것으로 조사되었으며, 이후 무산소조에서는 유기물을 흡착한 슬러지의 이송으로 인하여 C/N ratio가 3.5 이상 회복되는 것으로 나타났다. Fig.
5 정도의 낮은 C/N ratio를 나타내었다. 따라서 질산화 반응조내에서 heterotrophs 의 성장은 상당히 제한적일 것으로 조사되었으며, 이후 무산소조#1에서는 유기물을 흡착한 슬러지의 이송으로 인하여 C/N ratio가 3.5 이상 회복되는 것으로 나타났다. 각 반응조별 탈질반응 속도를 분석한 결과 혐기접촉조에서의 탈질반응 속도는 2.
12). 이를 통해 EPS 여재에 부착된 biofilm에 질산화 균이 있음을 확인할 수 있었다.
6%로 나타났다. 이와 같이 질산화 반응조로 유입되는 최초침전지 상등수는 상당부분 유기물이 제거된 처리수로 autotrophs와 heterotrophs의 경쟁관계에 있어서 autotrophs가 우점화 될 수 있는 조건을 제공해 주는 것으로 나타났다. 또한 흡착 후 분리된 T-N이 유입 T-N의 46.
BODs농도와 같이 6월 말부터 8 월 중순까지는 강우에 의한 영향으로 100 mg/L 이하의 낮은 농도가 유입되었던 것으로 나타났다. 평균 COD& 농도 및 제거효율 17.2 mg/L 및 84.3%로 조사되었다.
Pilot plant의 운전모드는 Table 3과 같다. 평균 HRT는 6 시간 이내를 유지하였으며, MLSS 및 F/M비는 평균 4, 000 mg/L 및 0.18을 유지하였다. 유기물을 흡착한 생슬러지 반송 및 외부반송율은 0.
7은 원수내 유기물 및 영양염류가 혐기접촉조에서 활성슬러지내 흡착 효율을 나타낸 그림이다. 흡착효율은 유입수 농도대비 혐기접촉조와 최초침전지에서 분리된 상등 수의 유기물 및 영양염류 농도차를 분석함으로서 최초침전지 슬러지와 공침된 양을 나타낸 것으로 그림에서 보는 바와 같이 BODS, CODCr, CODm„, SS의 흡착효율은 71.5%, 69.6%, 61.0%, 75.4%로 높은 흡착효율을 보였으며, 영양염류인 T-N 및 T-P 의 흡착효율은 46.4%, 34.6%로 나타났다. 이와 같이 질산화 반응조로 유입되는 최초침전지 상등수는 상당부분 유기물이 제거된 처리수로 autotrophs와 heterotrophs의 경쟁관계에 있어서 autotrophs가 우점화 될 수 있는 조건을 제공해 주는 것으로 나타났다.

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저자의 다른 논문 :

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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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