혐기성 암모늄 산화공정에서 혐기성 회분식 실험에 의한 NH$_3$-N/NO$_2$-N의 최적비 산정 Determination of the Optimum NH$_3$-N/NO$_2$-N Ratio by Anaerobic Batch Test in Anaerobic Ammonium Oxidation Process원문보기
혐기성 암모니아 산화공정에서 nitrite는 저해인자로 잘 알려져 있고, 최근에는 유리 암모니아 역시 anammox bacteria에 저해 영향을 주는 것으로 보고되고 있다. 유입수의 암모니아와 아질산의 비율이 연속운전에서 효과적인 질소제거에 중요한 인자가 되며, 연속운전 반응기에서는 유리 암모니아와 아질산의 축적을 방지하기 위해 유입수의 NH$_3$-N/NO$_2$-N-N비를 조절할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 다섯 가지 종류의 NH$_3$-N/NO$_2$-N-N비를 회분식 실험을 통해 잔류 암모니아성 질소와 아질산성 질소의 농도를 최소화하는 비를 조사하였다. 회분식 실험 결과 실험 26시간 후에 1.00 : 1.30의 비에서 88%에 달하는 총질소 제거율이 나타났다. 그리고 혐기성 암모늄 산화 반응은 0차 반응을 나타내었고, 암모니아와 아질산의 반응 속도상수는 1.00 : 1.30의 비에서 각각 7.66 mg/L$\cdot$hr과 11.89 mg/L$\cdot$hr로 가장 높게 나타났다. 혐기성 암모늄 산화균 활성도를 측정해본 결과 1.00 : 1.15의 비에서 미생물의 활성도가 가장 우수한 것으로 나타났다. 회분식 실험의 결과를 통해, 이론적 반응비과 비슷한 1.00:1.30에서는 반응속도가 크고 총질소 제거율도 높은 반면 혐기성 암모늄 산화균은 이론적 반응비보다 다소 낮은 아질산 농도에서 안정하다는 것을 확인할 수 있었다.
혐기성 암모니아 산화공정에서 nitrite는 저해인자로 잘 알려져 있고, 최근에는 유리 암모니아 역시 anammox bacteria에 저해 영향을 주는 것으로 보고되고 있다. 유입수의 암모니아와 아질산의 비율이 연속운전에서 효과적인 질소제거에 중요한 인자가 되며, 연속운전 반응기에서는 유리 암모니아와 아질산의 축적을 방지하기 위해 유입수의 NH$_3$-N/NO$_2$-N-N비를 조절할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 다섯 가지 종류의 NH$_3$-N/NO$_2$-N-N비를 회분식 실험을 통해 잔류 암모니아성 질소와 아질산성 질소의 농도를 최소화하는 비를 조사하였다. 회분식 실험 결과 실험 26시간 후에 1.00 : 1.30의 비에서 88%에 달하는 총질소 제거율이 나타났다. 그리고 혐기성 암모늄 산화 반응은 0차 반응을 나타내었고, 암모니아와 아질산의 반응 속도상수는 1.00 : 1.30의 비에서 각각 7.66 mg/L$\cdot$hr과 11.89 mg/L$\cdot$hr로 가장 높게 나타났다. 혐기성 암모늄 산화균 활성도를 측정해본 결과 1.00 : 1.15의 비에서 미생물의 활성도가 가장 우수한 것으로 나타났다. 회분식 실험의 결과를 통해, 이론적 반응비과 비슷한 1.00:1.30에서는 반응속도가 크고 총질소 제거율도 높은 반면 혐기성 암모늄 산화균은 이론적 반응비보다 다소 낮은 아질산 농도에서 안정하다는 것을 확인할 수 있었다.
Nitrite and free ammonia have been known as substrate inhibitors in anaerobic ammonium oxidation. To reduce inhibitory effect of these substrates, the NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio in the influent could be properly controlled in anaerobic ammonium oxidation process. Five kinds of NH<...
Nitrite and free ammonia have been known as substrate inhibitors in anaerobic ammonium oxidation. To reduce inhibitory effect of these substrates, the NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio in the influent could be properly controlled in anaerobic ammonium oxidation process. Five kinds of NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio were assayed in batch to find optimum NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio, curtailing substrate inhibition. As the results of batch test, the highest T-N removal efficiency of 88% was obtained at 1.00 : 1.30 of NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio. In addition, rate constants for ammonium and nitrite in zero-order kinetics were found to be the highest values as 7.66 mg/L$\cdot$hr and 11.89 mg/L$\cdot$hr at 1.00 : 1.30 ratio, respectively. However, as for the specific anammox activity, the ratio of NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio was recommended as 1 : 1.15 which can maintain the highest SAA during continuous operation and preclude the accumulation of nitrite in the reactor.
Nitrite and free ammonia have been known as substrate inhibitors in anaerobic ammonium oxidation. To reduce inhibitory effect of these substrates, the NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio in the influent could be properly controlled in anaerobic ammonium oxidation process. Five kinds of NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio were assayed in batch to find optimum NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio, curtailing substrate inhibition. As the results of batch test, the highest T-N removal efficiency of 88% was obtained at 1.00 : 1.30 of NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio. In addition, rate constants for ammonium and nitrite in zero-order kinetics were found to be the highest values as 7.66 mg/L$\cdot$hr and 11.89 mg/L$\cdot$hr at 1.00 : 1.30 ratio, respectively. However, as for the specific anammox activity, the ratio of NH$_3$-N/NO$_2$-N ratio was recommended as 1 : 1.15 which can maintain the highest SAA during continuous operation and preclude the accumulation of nitrite in the reactor.
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문제 정의
1,10) 이는 유입수의 ammonia 와 nitrite 비율이 연속운전에서 효과적인 질소제거를 위한 중요한 인자가 될 수 있음을 의미한다.11) 따라서, 본 연구에서는 혐기성 암모늄 산화공정의 최적 유입기질 비 산정을 위한 기초실험으로서 회분식 실험을 통해 최적의 암모니아와 아질산성비를 조사하였다.
제안 방법
용존 산소를 최소화하기 위해 serum bottle을 아르곤 가스로 10분간 탈기하였다. 35℃, 150rpm의 교반속도를 유지하는 배양기에서 총 26시간동안 혐기성 암모늄 산화 반응에 의한 변화를 관찰하였다. 각각의 비율에 대해 serum bottle은 2개씩 준비하여, 하나는 회분식 반응에 따른 가스발생량 측정을, 다른 하나는 분석 샘플링을 위한 용도로 사용하였다.
-N 농도는 kjeldahl nitrogen analysis(Kjeltec 1035, Sweden)로 측정하였고 nitrite는 Standard Methods(APHA, 1998)의 colorimetric method에 의해 525 nm에서 흡광도 (Genesys 6, USA)를 통해 분석하였다. Nitrate의 분석에는 ion chromatography(Dionex 120, USA)를 사용하였으며, 가스 조성은 TCD detector를 장착한 gas chromatography(Agilnet 6890, USA)로 분석하였다. VSS와 alkalinity는 Standard Methods(APHA, 1998)에 기술된 방법으로 분석하였다.
SAA(gN2-N/g VSS/day)의 산출은 Depena-Mora et al.12)에 의해 식 (3)과 같이, 위의 식에서 구한 최대 가스 생성속도, R(L/day)을 serum bottle 안의 미생물 양(g VSS/L)으로 나누어 구하였다.
다섯 가지의 NH3-N/NO2-N비를 가진 회분식 실험의 총질소 제거효율, SAA평가, 반응 속도상수 결과를 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
45의 다섯 가지 반응비를 적용하였다. 유입수는 합성폐수를 사용하였으며(Table 2), NH3-N의 농도는 70 mg/L까지 Anammox 반응에 저해가 없는 것으로 밝혀져12) 70 mg/L로 고정하여, 유입수 내 NH3-N 농도에 의한 미생물의 저해 현상을 방지하고자 하였다.
-N의 비율을 달리 하여 혐기성 회 분식 실험을 수행하였다. 일반적으로 연속운전에서 사용 되는 유입수의 조성비와 이론적인 반응비를 고려하여 1.00 :0.85, 1.00 : 1.00, 1.00 : 1.15, 1.00 : 1.30, 1.00 : 1.45의 다섯 가지 반응비를 적용하였다. 유입수는 합성폐수를 사용하였으며(Table 2), NH3-N의 농도는 70 mg/L까지 Anammox 반응에 저해가 없는 것으로 밝혀져12) 70 mg/L로 고정하여, 유입수 내 NH3-N 농도에 의한 미생물의 저해 현상을 방지하고자 하였다.
최적의 Anammox 반응이 일어나는 NH3-N/NO2-N비를 살펴보기 위해 NH3-N/NO2-N의 비율을 달리 하여 혐기성 회 분식 실험을 수행하였다. 일반적으로 연속운전에서 사용 되는 유입수의 조성비와 이론적인 반응비를 고려하여 1.
대상 데이터
회분식 실험에 사용된 식종미생물은 실험실 내 Anammox 배양 반응기13)로부터 취하였으며, 각 serum bottle에는 10mL의 Anammox 미생물과 100 mL의 합성폐수를 주입하였다. 용존 산소를 최소화하기 위해 serum bottle을 아르곤 가스로 10분간 탈기하였다.
이론/모형
NH4+-N 농도는 kjeldahl nitrogen analysis(Kjeltec 1035, Sweden)로 측정하였고 nitrite는 Standard Methods(APHA, 1998)의 colorimetric method에 의해 525 nm에서 흡광도 (Genesys 6, USA)를 통해 분석하였다. Nitrate의 분석에는 ion chromatography(Dionex 120, USA)를 사용하였으며, 가스 조성은 TCD detector를 장착한 gas chromatography(Agilnet 6890, USA)로 분석하였다.
Nitrate의 분석에는 ion chromatography(Dionex 120, USA)를 사용하였으며, 가스 조성은 TCD detector를 장착한 gas chromatography(Agilnet 6890, USA)로 분석하였다. VSS와 alkalinity는 Standard Methods(APHA, 1998)에 기술된 방법으로 분석하였다.
성능/효과
1) Anammox activity 관점에서 보면, NH3-N/NO2-N비 1.00: 1.15에서 0.35 gN2-N/gVSS/day으로 가장 큰 값을 나타내 었고, 1.00 : 1.30의 비율에서는 가장 높은 총질소 제거효율인 88%를 나타내었다. 이는 유입수내 NH3-N/NO2-N비가 이론적 반응비와 가까울수록 높은 총질소 제거효율을 나타낼 수 있지만 Anammox bacteria의 활성도를 높게 유지 하기 위해서는 이론적 NH3-N/NO2-N비보다 낮은 비율이 더 적합하다는 것을 나타났다.
2) Anammox 반응이 0차 반응으로 나타났고, 1.00 : 1.30의 NH3-N/NO2-N비에서 ammonium과 nitrite 둘 다 가장 빠른 속도로 반응이 진행됨을 알 수 있었다.
3) 잔류하는 nitrite의 농도의 축적 가능성과 cell activity 를 고려할 경우 NH3-N/NO2-N비 1.00 : 1.15 또는 이보다 낮을 때가 혐기성 암모늄 산화반응에 적합할 것으로 판단 된다.
Anammox 반응은 0차 반응으로 나타났고, 반응속도상수(Table 3)를 기준으로 1.00 : 1.30비가 가장 빠른 반응속도를 보였다(Fig. 3). 이때의 Ammonia의 반응속도는 7.
다른 NH3-N/NO2-N 비율에서의 총질소 제거율은 이보다 다소 낮은 71.5∼83.1%로 나타났다.
1%로 나타났다. 따라서 총질소 제거효율과 ammonium과 nitrite의 가장 빠른 반응속도를 기준으로 볼 때, 1.00 : 1.30의 NH3-N/NO2-N비가 최적의 비율이라고 제안할 수 있다(Fig. 4).
15에서 SAA가 가장 높게 나타난 것은 nitrite의 축적 가능성을 낮춤과 동시에 잔류 암모니아 농도를 낮게 유지할 수 있는 범위에 해당하는 것이기 때문으로 사료된다. 비록 이론상 최적 NH3-N/NO2-N비가 1.00 : 1.32라 할지라도 이론적 비보다 낮은 nitirite 농도가 유지되어야 보다 안전하게 반응기 안의 nitrite 축적을 예방할 수 있으며, 이를 통해 Anammox 반응의 저해를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
2는 반응시간 동안 발생된 질소 가스의 양을 누적하여 그린 것이다. 생성된 질소가스의 양은 넣어준 기질의 양과 비례하여 발생하였고 1.00 : 1.45비에서 가장 많은 질소가스발생량이 관찰되었다. 이론적으로는 1.
실험에 적용된 다섯 가지 비율에서 NH3-N과 NO2-N 농도의 감소와 함께 NO3-N 농도의 증가와 질소가스의 발생이 관찰되어 혐기성 암모늄 산화 반응이 진행됨을 확인할 수 있었다. 26시간 후 남은 NH3-N의 농도는 초기의 NH3-N/NO2-N의 비에 따라 다르게 나타났으며, 이는 상대 적으로 nitrite보다 ammonium이 과량 주입된 경우, 회 분식 실험 기간 동안 nitrite가 전자 수용체로써 다 소모되어 없어진 까닭에 과잉의 ammonium이 남게 된 것으로 판단된다.
30의 비율에서는 가장 높은 총질소 제거효율인 88%를 나타내었다. 이는 유입수내 NH3-N/NO2-N비가 이론적 반응비와 가까울수록 높은 총질소 제거효율을 나타낼 수 있지만 Anammox bacteria의 활성도를 높게 유지 하기 위해서는 이론적 NH3-N/NO2-N비보다 낮은 비율이 더 적합하다는 것을 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Anammox 공정은 어떤 공법인가?
이 방법은 외부 탄소원이 요구되며, 발생하는 슬러지 처리에 대한 부담이 있어 보다 경제적으로 처리 공법을 개선할 필요가 있다. 1995년 네덜란드의 탈질 조에서 발견된 혐기성 상태의 암모니아 산화 반응으로 학계에 보고된 Anammox 공정은 ammonia와 nitrite를 각각 전자 공여체와 전자 수용체로 사용하여 질소를 제거함으로써, 기존의 질소 제거 과정을 단축함과 동시에 별도의 유기물을 주입할 필요가 없으며 부산물인 슬러지의 발생량도 감축할 수 있어 경제적이며 친환경적인 질소 제거공법으로 알려져 있다.1,2)
Anammox반응에서 nitrite는 무엇으로 작용하는가?
Anammox반응에서 nitrite는 기질임과 동시에 저해인자로 작용한다.9) 근래에는 free ammonia 역시 anammox반응의 저해인자로 보고되고 있다.
참고문헌 (16)
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