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문제 정의
- 또한 HSH(fluorescent in situ hybridization) 방법을 통하여 슬러지 식종에 따른 반응조내의 미생물 군집 변화를 실험 경과에 따라 연속적으로 조사하였다. 또한, 위의 연구 결과를 토대로 하여 일반 활성 슬러지의 생물학적 영양염류 제거(BNR) 슬러지로의 전환 시에 활용 가능한 기초 자료를 얻고자 하였다.
- 본 연구에서는 BNR 슬러지의 접종으로 인한 SBR 초기 가동시 영양 염류의 제거 특성 및 변화를 관찰하였다.
제안 방법
- 하수처리장의 반송 슬러지를 이용하였다. BNR 슬러지를 확보하기 위하여 일반적인 활성 슬러지를 약 6개월 이상 합성 폐수를 이용하여 혐기-호기-무산소 (anaerobic-oxic-anoxic) 상태의 SBR에서 운전하였다.
- BNR 슬러지의 식종량을 달리한 4개의 SBRs에서 SVI와 MLVSS 변화를 관찰하였다(Fig. 3). 초기 MLVSS의 농도가 l, 200~2, 500mg〃으로 농도가 높지 않아 인위적인 슬러지의 농도 조절은 하지 않았다.
- 22 呻인 membrane filter로 여과하여 시료 내 존재하는 미생물을 완전히 제거한 다음 분석에 들어갔다. SVI (sludge volume index)와 MLVSS는 Standard Methodse를 통하여 측정하였고, 유기물 농도는 TOO 지표로 이용하여 TOC analyzer (TOC-5000A, Shimadzu, Japan) 를 이용하여 분석하였다. no2 -n, nq「-n, PO广-Pe ion chromatograph (Metrohm, Switzerland)# 이용하여 측정하였다.
- 각 반응기 내의 시료 채취는 약 30분 내지 1시간 간격으로 채취하였으며, 시료 채취 후 즉시 0.22 呻인 membrane filter로 여과하여 시료 내 존재하는 미생물을 완전히 제거한 다음 분석에 들어갔다. SVI (sludge volume index)와 MLVSS는 Standard Methodse를 통하여 측정하였고, 유기물 농도는 TOO 지표로 이용하여 TOC analyzer (TOC-5000A, Shimadzu, Japan) 를 이용하여 분석하였다.
- 1과 같이 4개의 SBR을 설치하여 운전하였는데, 크게 혐기-호기-무산소 상태의 3단계 반응으로 구성하였다. 각 반응조는 아크릴을 사용하여 150 X 150X250 mm의 크기로 제작되었으며, 유입 후 최대 용적량을 4Z, 유출 후 최소 용적량을 2Z가 되도록 하였다. 합성 폐수는 정량펌프를 이용하여 반응기 상부에서 매 주기마다 2糾 유입시켰으며, 처리수는 침전 시간 30분 후 정량펌프를 이용하여 반응기 최대 유효 용적의 50%인 21를 유출시켰다.
- 고정하였다. 그 후 냉동실에 보관하고 24시간 뒤 형광현미경을 통하여 관찰하였다.
- 5 의 공기가 반응기 하부에 설치된 산기관을 통하여 주입되었다. 기질 공급, 처리수 배출, 포기 및 혼합 등의 조작은 타이머 (timer)를 이용하여 제어하였다. 반응 주기는 12 h/cycle 로 하였다.
- 본 연구에서는 glucose를 탄소원으로 하여 pH 조절을 하지 않은 SBR의 초기 가동시, 질소와 인 제거 능이 없는 활성슬러지에 일정 비율의 BNR (biological nutrient removal) 슬러지를 식종하여 질소와 인 제거슬러지로의 전환과정을 관찰하였다. 또한 HSH(fluorescent in situ hybridization) 방법을 통하여 슬러지 식종에 따른 반응조내의 미생물 군집 변화를 실험 경과에 따라 연속적으로 조사하였다. 또한, 위의 연구 결과를 토대로 하여 일반 활성 슬러지의 생물학적 영양염류 제거(BNR) 슬러지로의 전환 시에 활용 가능한 기초 자료를 얻고자 하였다.
- 각각 3시간 30분으로 설정하였다. 또한 침전과 배출 단계를 1시간으로 하고 휴지 단계를 30분으로 설정하였다.
- 미리 예열시킨 hybridization 용액 8 μ7와 Table 2와 같이 제작된 oligonucleotide probe 2~3를 차례대로 넣고 잘 섞이게 펌핑한 후, probe나 DAPI (4, 6- Diamidino-2-phenylindole)를 넣은 후부터는 형광물질이 감소되는 것을 방지하기 위해 상자를 이용하여 빛을 차단하였다. 휴지를 깐 carbonate filter case에 해당hybridization 용액으로■ 적신 후, cell-line을 넣고 Table 3과 같이 설정된 시간과 온도에서 건조하였다.
- 반응 단계는 유입, 혐기, 호기, 무산소, 침전, 배출, 휴지 단계가 이루어지도록 하였으며 유입 시간 30분을 포함한 혐기 단계를 3시간 30분, 호기 단계와 무산소 단계를 각각 3시간 30분으로 설정하였다. 또한 침전과 배출 단계를 1시간으로 하고 휴지 단계를 30분으로 설정하였다.
- 인 처리효율을 기대하기 힘든데, 이는 처리 시설의 초기 설치시 슬러지를 반응조에 식종하지 않은 채 운영을 하거나, 식종을 하더라도 적절한 최적의 슬러지 식종량을 효율적으로 결정하지 못하고 있기 때문이다. 본 연구에서는 glucose를 탄소원으로 하여 pH 조절을 하지 않은 SBR의 초기 가동시, 질소와 인 제거 능이 없는 활성슬러지에 일정 비율의 BNR (biological nutrient removal) 슬러지를 식종하여 질소와 인 제거슬러지로의 전환과정을 관찰하였다. 또한 HSH(fluorescent in situ hybridization) 방법을 통하여 슬러지 식종에 따른 반응조내의 미생물 군집 변화를 실험 경과에 따라 연속적으로 조사하였다.
- 이 과정을 1회 이상 반복하였다. 세척한 시료를 cell-line에 넣고 얇게 펴서 건조기에서 건조한 다음, 건조한 시료를 50%, 80%, 90% ethanol에 차례로 각각 3분 동안 담갔다가 건조기에서 건조하였다.
- 일반 활성 슬러지는 각각 반응조당 MLVSS (mixed liquor volatile suspended solid) 1, 200 mg〃로 일정하게 유지하였으며, BNR 슬러지는 각 반응조당 BNR 슬러지의 질량 비율이 전체의 0%, 20%, 40%, 50%가 되도록 첨가하였고, 본 연구에서는 각각 R1, R2, R3, R4라고 명명하였다.
- 각 반응조는 아크릴을 사용하여 150 X 150X250 mm의 크기로 제작되었으며, 유입 후 최대 용적량을 4Z, 유출 후 최소 용적량을 2Z가 되도록 하였다. 합성 폐수는 정량펌프를 이용하여 반응기 상부에서 매 주기마다 2糾 유입시켰으며, 처리수는 침전 시간 30분 후 정량펌프를 이용하여 반응기 최대 유효 용적의 50%인 21를 유출시켰다.
- 혐기-호기-무산소 상태를 각각 3시간 30분으로 유지하여 6개월간 운전하여 Fig. 2와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 전체 T0C의 90% 이상이 혐기 초기 30분 이내에 제거되었다.
대상 데이터
- 본 연구를 위하여 재래식 활성 슬러지 처리 시설인 K시 하수처리장의 반송 슬러지를 이용하였다. BNR 슬러지를 확보하기 위하여 일반적인 활성 슬러지를 약 6개월 이상 합성 폐수를 이용하여 혐기-호기-무산소 (anaerobic-oxic-anoxic) 상태의 SBR에서 운전하였다.
- 실험에 사용된 일반 활성슬러지는 K시의 하수처리장에서 채취하여 과포기를 통하여 질소와 인 제거능력을 인위적으로 떨어뜨려 사용하였으며/ BNR 슬러지는 질소와 인이 정상적으로 제거되는 SBR에서 채취하여 사용하였다. 일반 활성 슬러지는 각각 반응조당 MLVSS (mixed liquor volatile suspended solid) 1, 200 mg〃로 일정하게 유지하였으며, BNR 슬러지는 각 반응조당 BNR 슬러지의 질량 비율이 전체의 0%, 20%, 40%, 50%가 되도록 첨가하였고, 본 연구에서는 각각 R1, R2, R3, R4라고 명명하였다.
- 실험에는 Fig. 1과 같이 4개의 SBR을 설치하여 운전하였는데, 크게 혐기-호기-무산소 상태의 3단계 반응으로 구성하였다. 각 반응조는 아크릴을 사용하여 150 X 150X250 mm의 크기로 제작되었으며, 유입 후 최대 용적량을 4Z, 유출 후 최소 용적량을 2Z가 되도록 하였다.
성능/효과
- 1) 시간이 경과할수록 침전성은 좋아졌으며, BNR 슬러지의 식종량이 많을수록 슬러지의 침전성이 양호하였다.
- 초기 5일 정도는 지체기로서 그다지 큰 MLVSS 농도변화를 나타내지 않았으나, 그 이후 MLVSS는 증가하는 경향을 나타내었다. 11일 정도 경과된 시점에 타이머의 오작동으로 인하여 슬러지의 과다 유출과 같은 현상이 발생하여 일시적으로 MLVSS의 감소가 발생하였으나, 그 이후 지속적인 MLVSS 농도의 증가를 나타내었고, 약 35일 정도 경과된 시점부터는 그다지 큰 변화를 나타내지 않았다. MLVSS 농도 변화는 4조의 SBR 모두에서 거의 비슷한 증가를 나타내었다.
- 2) Glucose> 탄소원으로 사용한 유기물 제거에 있어서 모두 85% 이상의 높은 제거 효율을 보였으나, BNR 슬러지 접종 비율이나 접종 유무에 따른 유기물 제거에 미치는 영향은 미비한 것으로 나타났다.
- 3) 암모니아 제거 효율은 BNR 슬러지 식종 유무에 따라 다르게 나타났으며, BNR 슬러지 식종 비율에 상관없이 BNR 슬러지가 식종된 반응조에서는 7일 이내 80% 이상의 암모니아 제거 효율을 나타내었다.
- 4) 인 제거효율에 있어서는 슬러지 식종 비율이 증가함에 따라 인 제거 효율이 증가하였으며, 슬러지 식종한 경우와 식종하지 않은 경우의 차이는 50% 이상 의인 방출량 차이를 나타내었다.
- 5) 첨가한 BNR 슬러지의 비율이 전체의 40%와 50%일 때는 질소와 인 제거에 있어 큰 차이를 보이지 못하였다. 그러므로 최소 40% 이상의 BNR 슬러지의 식종이 초기 질소-인 제거의 활성화를 위해서는 필요하였다.
- 6) BNR 슬러지를 접종하지 않을 경우, PAOs와 질산화 미생물의 성장이 더뎌 영양염류 제거가 어려웠으며, BNR 슬러지로의 전환에는 많은 시간이 소요되었다.
- 이러한 현상은 27일이 경과되면서 더욱 더 뚜렷하게 나타나기 시작하였다. BNR 슬러지 식종량이 증가할수록 인의 방출과 흡수량이 많은 것으로 나타났고, R3에서 가장 높은 인 방출과 흡수량을 보여, 짧은 시간 내에 인 제거슬러지로 전환하기 위해서는 최소 40% 이상의 BNR 슬러지 식종이 필요한 것으로 판단되었다. R1。] 단위 미생물당 소비하는 유기물의 양이 다른 반응기에 비해 많음에도 불구하고 인 제거 효율이 미비한 것은 앞에서 설명한 바와 같이 OHOs에 비해 PAOs의 유기물 경쟁 능력이 떨어지기 때문인 것으로 판단된다.
- BNR 슬러지 식종에 따른 유입 인의 제거 효율을 보면 실험 시작 시점인 3일에는 Rl, R2, R3, R4에서 각각 7.6%, 10.9%, 11.2%, 13.8%의 저조한 제거 효율으로서, BNR 슬러지 식종 비율에 따라 약간의 인제 거 효율 변화를 보였으나 그 차이는 그다지 크지 않았다. 실험 경과 7일째 되는 시점에서 BNR 슬러지 식종 비율에 따른 인 제거 거동에 있어 차이가 나타나기 시작하였다.
- BNR 슬러지를 40%와 50%로 식종한 R3과 R4에서도 대체적으로 Nso 1225가 가장 큰 비율을 차지하였으나, R1과 R2에 비해 PAO 462와 Nb 1000은 높은 비율을 차지하고 있는 것으로 나타났다.
- Fig. 6의 PAO 462 군집 비율의 결과와 비교하여 볼 때, 33일 경에 R3와 R4에서 PAO 462 군집 비율이 각각 11.1%와 10.3%로서 R1과 R2의 4.9%와 6.8%에 대해 월등히 높은 것을 알 수 있다. 그러므로 초기 BNR 슬러지의 식종 비율이 높을수록 시간 경과에 따라 PAOs의 비율이 증가됨으로써 인 제거가 원활하게 발생한다는 것을 알 수 있었다.
- R1에서 볼 때, PAO 462 군집 비율은 시간이 경과됨에 따라 증가하였으나, 그 비율은 그다지 큰 증가를 보이지 못하였으며, 33일 경과된 시점에서 측정한 결과 4.8%에 불과하였다. 아질산화 반응을 유발하는 Nitrosomonas 속의 Nso 1225 군집 비율은 실험이 경과됨에 따라 가장 큰 변화를 나타내었으며, 33일 경과 시 6.
- SVI (sludge volume index)는 4조의 SBR 모두에서 지속적으로 감소하였으며, 최종적으로 50mZ/g 이하의 양호한 값을 나타내었다. 그러므로 일반 활성슬러지가 혐기-호기의 반복적인 운전에 의해 SVI가 감소함으로써 침전성이 향상되는 것을 볼 수 있었다.
- 적응 기간이 경과됨에 따라 초기 유입 기간 중 제거되는 TOC 양은 많아지는 경향을 나타내었다. TOC 제거효율은 BNR 슬러지가 50% 식종된 R4에서 가장 높은 값을 나타내었으나, Rl, R2, R3와 근소한 차이를 보였다. 전체적으로 BNR 슬러지의 식종 여부에 관계없이 모두 85% 이상의 TOC 제거 효율을 나타내었다.
- 그러므로 일반 활성슬러지가 혐기-호기의 반복적인 운전에 의해 SVI가 감소함으로써 침전성이 향상되는 것을 볼 수 있었다. 그러나 BNR 슬러지를 많이 투입한 반응기일수록 MLVSS 농도가 높음에도 불구하고 최종적인 SVI가 거의 동일한 것으로 보아, BNR 슬러지가 투입될수록 침전성은 더 양호하다는 것을 알 수 있었다.
- 그러므로 본 실험에 사용된 슬러지는 질소와 인의 제거 활동이 활발한 슬러지라는 것을 알 수 있었다.
- 2)를 비교해 볼 때, 인의 방출량은 비슷하나 인의 흡수량은 적은 것으로 나타나 BNR 슬러지로의 전환이 종료된 것으로 보기는 곤란하였다. 그러므로 완전한 BNR 슬러지로 전환하기 위해서는 본 실험기간인 40일보다는 긴 적응기간이 필요한 것으로 판단되었다.
- 값을 나타내었다. 그러므로 일반 활성슬러지가 혐기-호기의 반복적인 운전에 의해 SVI가 감소함으로써 침전성이 향상되는 것을 볼 수 있었다. 그러나 BNR 슬러지를 많이 투입한 반응기일수록 MLVSS 농도가 높음에도 불구하고 최종적인 SVI가 거의 동일한 것으로 보아, BNR 슬러지가 투입될수록 침전성은 더 양호하다는 것을 알 수 있었다.
- 8%에 대해 월등히 높은 것을 알 수 있다. 그러므로 초기 BNR 슬러지의 식종 비율이 높을수록 시간 경과에 따라 PAOs의 비율이 증가됨으로써 인 제거가 원활하게 발생한다는 것을 알 수 있었다.
- 8%에 불과하였다. 아질산화 반응을 유발하는 Nitrosomonas 속의 Nso 1225 군집 비율은 실험이 경과됨에 따라 가장 큰 변화를 나타내었으며, 33일 경과 시 6.9%로서 R1에서 가장 많은 군집으로 관찰되었다. 이에 비해 질산화를 유발하는 Nb 1000의 비율은 실험이 경과됨에 따라 감소하는 경향을 나타내어 33일 경과 시 4.
- 9(a)). 이는 BNR 슬러지 접종 초기의 유기물 제거는 PAOs보다는 OHOs(ordinary heterotrophic organisms)에 의해 제거 되는 것으로 보는 것이 타당하다고 판단되며, 비록 실험이 경과되어 7일 경부터는 인의 방출이 발생하였으나, BNR 슬러지의 식종이 유기물 제거에 미치는 영향은 상대적으로 적은 것으로 판단된다.
- 이미 상당한 질산화 미생물을 포함하는 BNR 슬러지를 식종한 반응조에서는 BNR 슬러지에 존재하는 질산화 미생물로 인하여 짧은 기간 내에 암모니아 제거 효율이 급격하게 증가하는 경향을 보인 반면, BNR 슬러지를 식종하지 않은 반응조는 암모니아 제거 효율이 다른 반응조와 비교해 볼 때 매우 낮게 나타났다.
- Meltem'즈의 결과가 있다. 이와 비교해 보면 90% 이상의 효율을 얻기 위한 시간이 많이 소요되고 제거 효율도 77%로 상대적으로 낮게 나타났는데, 이는 탄소원으로 보다 이용이 어려운 glucose를 본 실험에서 사용하였기 때문인 것으로 판단된다.
- TOC 제거효율은 BNR 슬러지가 50% 식종된 R4에서 가장 높은 값을 나타내었으나, Rl, R2, R3와 근소한 차이를 보였다. 전체적으로 BNR 슬러지의 식종 여부에 관계없이 모두 85% 이상의 TOC 제거 효율을 나타내었다.
- 22일 경에 다시 감소하였다. 전체적으로는 PAO 462 비율은 증가하였고, 전체적인 PAO 462 수는 지속적인 증가를 나타내었다(Table 4). R2에서도 다른 미생물들에 비해 Nso 1225의 비율이 높았으나 실험 경과에 따른 큰 변화가 관찰되지는 않았다.
- 전체 T0C의 90% 이상이 혐기 초기 30분 이내에 제거되었다. 혐기 기간 중 세포외 인 방출로 인하여 반응조 내 인 농도는 30 mg/까지 증가하였으며, 호기 상태에서는 다시 급격히 체내로 인이 흡수되어 2시간 이내에 반응조 내의 인 농도는 거의 Omg/Z로 나타났다.
- 이어지는 무산소 과정에서는 N0「N의 감소가 발견되었는데, 이는 DGA0G] 의한 역할인 것으로 생각된다. 호기 과정 중 완전한 질산화가 발생함에 따라 전체적인 질소 제거효율은 77%로서 R1에 비해 높게 나타났다.
- 호기 단계에서 생성된 질산성 질소가 무산소 단계에서도 잔존하는 것으로 나타나 제대로 된 탈질화가 이루어 지지 않는 것으로 나타났다. 이는 앞서 혐기 단계와 호기 단계에서 OHOs와 PAOs들이 대부분의 유기물들을 소모함으로 인해 탈질에 필요한 유기물이 부족한 데서 기인한다.
- 호기 상태에서 NH/-N는 질산화에 의해 감소되기 시작하였으며, 그에 따라 NO, -N 농도는 증가하였으나, NO, -N는 생성됨과 동시에 질산화됨으로써 거의 검출되지 않았다.
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