본 연구는 산업단지 폐수종말처리 시설내로 유입되는 니켈폐수의 독성평가 및 이의 효과적 처리방안을 도출하기 위하여 수행되었다. 처리장내로 유입되는 폐수를 24시간 동안 1시간 간격으로 시료를 채취하여 니켈 농도를 분석한 결과 0.33 mg/L~116.0 mg/L의 농도범위로 조사되었으며, 평균 24.0 mg/L로 조사되었다. 본 대상폐수의 농축질화균을 이용한 니켈의 독성도 조사 결과 Nitrosomonas와 Nitrobacter에 대한 $IC_{50}$값이 각각 5.5 및 4.9 mg/L인 것으로 나타났으며, 이는 본 유입폐수를 5배 희석하여 주입하여도 질산화 미생물의 50%를 사멸시킬 수 있는 농도인 것으로 나타났다. 또한 Nickel hydroxide형성에 의한 니켈 제거효율 실험결과 응집 pH에 따라 잔류 니켈 농도는 pH 11에서 1.7 mg/L, pH 12에서 0.6 mg/L로 나타났으며, 이는 상기 니켈 함유 폐수의 $NH_4$-N 및 $NO_3$-N에 대한 $IC_{50}$ 독성농도 조사 결과와 비교시 69.1~89.1% 및 65.3~87.8%의 독성도가 제거될 것으로 판단된다. 따라서 pH 10~11 이상으로 니켈 함유폐수를 응집처리 후 생물학적 처리를 수행한 결과 83.8%~99.4%의 범위로 평균 97.6%의 질산화 반응효율을 얻을 수 있었다.
본 연구는 산업단지 폐수종말처리 시설내로 유입되는 니켈폐수의 독성평가 및 이의 효과적 처리방안을 도출하기 위하여 수행되었다. 처리장내로 유입되는 폐수를 24시간 동안 1시간 간격으로 시료를 채취하여 니켈 농도를 분석한 결과 0.33 mg/L~116.0 mg/L의 농도범위로 조사되었으며, 평균 24.0 mg/L로 조사되었다. 본 대상폐수의 농축질화균을 이용한 니켈의 독성도 조사 결과 Nitrosomonas와 Nitrobacter에 대한 $IC_{50}$값이 각각 5.5 및 4.9 mg/L인 것으로 나타났으며, 이는 본 유입폐수를 5배 희석하여 주입하여도 질산화 미생물의 50%를 사멸시킬 수 있는 농도인 것으로 나타났다. 또한 Nickel hydroxide형성에 의한 니켈 제거효율 실험결과 응집 pH에 따라 잔류 니켈 농도는 pH 11에서 1.7 mg/L, pH 12에서 0.6 mg/L로 나타났으며, 이는 상기 니켈 함유 폐수의 $NH_4$-N 및 $NO_3$-N에 대한 $IC_{50}$ 독성농도 조사 결과와 비교시 69.1~89.1% 및 65.3~87.8%의 독성도가 제거될 것으로 판단된다. 따라서 pH 10~11 이상으로 니켈 함유폐수를 응집처리 후 생물학적 처리를 수행한 결과 83.8%~99.4%의 범위로 평균 97.6%의 질산화 반응효율을 얻을 수 있었다.
This study was performed to evaluate the toxicity and seek the control method of the wastewater in which nickel (Ni) was included into an industrial wastewater treatment plant. Nickel concentration of the wastewater, of which samples were taken every hour during 24hours, were various from 0.33 to 11...
This study was performed to evaluate the toxicity and seek the control method of the wastewater in which nickel (Ni) was included into an industrial wastewater treatment plant. Nickel concentration of the wastewater, of which samples were taken every hour during 24hours, were various from 0.33 to 116.0 mg/L, with 24.0 mg/L of the average concentration. IC50 values against nitrosomonas and nitorbactor, a toxic level against bacteria which could inhibit 50% of nitrification bacteria in the wastewater, are 5.5 and 4.9 mg/L respectively. Nickel in this industrial wastewater can inhibit the 50% of nitrification bacteria even after diluting this wastewater 5 times. Also, this research, which reduced the nickel concentraion, forming nickel hydroxide compounds by increasing pH of the wastewater, shows that nickel concentraion can be obtained under 1.7 mg/L at pH 11 and 0.6 mg/L at pH 12. Consequently, the result of this study is that the nitrification efficiencies can be obtained from 83.8 to 99.4% with 97.6% of the average in the biological treatment after removing nickel in the wastewater by increasing the pH above 11~12, which is forming the nickel hydroxide compounds.
This study was performed to evaluate the toxicity and seek the control method of the wastewater in which nickel (Ni) was included into an industrial wastewater treatment plant. Nickel concentration of the wastewater, of which samples were taken every hour during 24hours, were various from 0.33 to 116.0 mg/L, with 24.0 mg/L of the average concentration. IC50 values against nitrosomonas and nitorbactor, a toxic level against bacteria which could inhibit 50% of nitrification bacteria in the wastewater, are 5.5 and 4.9 mg/L respectively. Nickel in this industrial wastewater can inhibit the 50% of nitrification bacteria even after diluting this wastewater 5 times. Also, this research, which reduced the nickel concentraion, forming nickel hydroxide compounds by increasing pH of the wastewater, shows that nickel concentraion can be obtained under 1.7 mg/L at pH 11 and 0.6 mg/L at pH 12. Consequently, the result of this study is that the nitrification efficiencies can be obtained from 83.8 to 99.4% with 97.6% of the average in the biological treatment after removing nickel in the wastewater by increasing the pH above 11~12, which is forming the nickel hydroxide compounds.
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문제 정의
5 mg/L로 보고되었다. 따라서 본 연구는 질 산화반응 저해를 유발하여 정상적인 폐수처리를 수행하지 못하는 지방산업단지 유입폐수의 Nickel 독성을 농축 질화 균에 대한 IC50을 도출하고, 이의 적절한 처리를 위한 방안을 도출하고자 본 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 산업단지내 폐수처리장으로 유입되는 독성 함유 폐수가 질화균에 미치는 영향에 대하여 살펴보았으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 질화균을 이용하여 독성물질인 니켈의 독성도를 평가하였다. 독성물질에 대한 IC50 값은 각 독성물질의 농도 변화에 따른 저해율을 구한 후 γ및 log γ를 이용한 관계식으로부터 구하였다.
제안 방법
Jar tester를 이용하여 급속교반 1분, 완속교반 5분, 침전 30분의 응집실험을 수행하였으며, 유입폐수의 pH는 NaOH 를 이용하여 각각 9, 10, 11, 12로 조정하여 floc을 형성시켰다. 생성된 floc을 침강 시킨 후 상등수를 채수하여 독성물질의 변화를 관찰하였으며, 생성된 floc의 침강성이 양호하였기 때문에 추가적인 polymer의 사용은 없었다.
1b는 니켈에 대한 질산화균 (Nitrobacter)의 저해율를 보여주고 있다. Nitrobacter에 대한 분석은 NO3--N의 농도로써 간접적으로 분석하였다. Nitrosomonas와 마찬가지로 니켈의 농도가 증가함에 따라 미생물의 호흡에 저해를 받아 저해율이 증가하는 경향을 나타내었다.
농축질화균의 배양액으로부터 질화균을 채취하여 3회 이상 수세를 한 후 질화균의 농도를 일정하게 유지시킨 후 측정하고자하는 원수의 희석 배수를 다르게 하여 독성실험을 수행하였다. 기질 및 산소를 충분히 공급한 상태에서 암모니아 및 질산염의 변화율을 관찰하였다. 실험은 25℃에서 이루어 졌으며, 일정한 온도에 도달했을 때 기질(NH4Cl)을 주입하고 일정시간 간격으로 시료를 채취하였다.
농축질화균의 배양액으로부터 질화균을 채취하여 3회 이상 수세를 한 후 질화균의 농도를 일정하게 유지시킨 후 측정하고자하는 원수의 희석 배수를 다르게 하여 독성실험을 수행하였다. 기질 및 산소를 충분히 공급한 상태에서 암모니아 및 질산염의 변화율을 관찰하였다.
독성물질에 대한 IC50 값은 각 독성물질의 농도 변화에 따른 저해율을 구한 후 γ및 log γ를 이용한 관계식으로부터 구하였다.
3으로 보고되었다. 따라서 본 연구에서는 pH에 따른 영향을 배제하기 위하여 최적의 pH인 7.3 이상을 유지하며 실험 하였다.
본 실험에서 얻은 독성물질의 각 농도에 대한 반응조의 활성슬러지와의 활성도 관계는 sigmoid 형태 또는 rectangular hyperbola 형태를 나타내기 때문에 IC50을 구하기 위해 각 농도에서 구한 inhibition ratio(%)를 식 (1)(Bulletin 6984A, Beckman Instruments Inc., Carlsbad, CA)8)로 변환하여 직선 형태로 변환시킨 후 최소자승법으로 최적의 직선식을 도출하였다.
본 연구는 독성물질인 니켈을 함유하고 있는 대상폐수가 부유성 농축 질산화 미생물에 미치는 영향을 조사하였으며 500 mL Tall Beaker에 부유성 질화균을 넣고 독성물질 함유 폐수를 희석 배수를 달리하여 주입하여 접촉시킨 후 일정 시간 간격으로 NH4-N 및 NO3-N을 측정하여 비 반응속도를 구하였다. 기 보고된 연구결과에 따르면 질화균은 pH에 많은 영향을 받으며 일반적으로 pH가 낮아짐에 따라 기질 산화율이 떨어지는 것으로 보고되었다.
기질 및 산소를 충분히 공급한 상태에서 암모니아 및 질산염의 변화율을 관찰하였다. 실험은 25℃에서 이루어 졌으며, 일정한 온도에 도달했을 때 기질(NH4Cl)을 주입하고 일정시간 간격으로 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 Membrane filter로 채취즉시 여과한 후 NH4+-N, NO2-- N 및 NO3--N을 측정하였으며, 실험 종료 후의 pH, DO 및 MLVSS를 측정하였다.
실험은 25℃에서 이루어 졌으며, 일정한 온도에 도달했을 때 기질(NH4Cl)을 주입하고 일정시간 간격으로 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 Membrane filter로 채취즉시 여과한 후 NH4+-N, NO2-- N 및 NO3--N을 측정하였으며, 실험 종료 후의 pH, DO 및 MLVSS를 측정하였다. 하수의 독성도 변화를 위해 원수를 희석하여 원수대비 0%~90%되는 희석 배수를 구하고 희석 배수에 따른 독성도의 관계를 해석하여 IC50 (Inhibition concentration for 50% inhibition)을 구한다.
채취한 시료는 Membrane filter로 채취즉시 여과한 후 NH4+-N, NO2-- N 및 NO3--N을 측정하였으며, 실험 종료 후의 pH, DO 및 MLVSS를 측정하였다. 하수의 독성도 변화를 위해 원수를 희석하여 원수대비 0%~90%되는 희석 배수를 구하고 희석 배수에 따른 독성도의 관계를 해석하여 IC50 (Inhibition concentration for 50% inhibition)을 구한다.
성능/효과
1. 농축질화균을 이용하여 산업단내의 폐수처리장으로 유입되는 니켈 함유폐수의 독성도 조사 결과 NH4+-N 및 NO3--N에 대한 IC50값이 각각 5.5 및 4.9 mg/L인 것으로 나타났으며 이는 독성 유입폐수를 5배 희석하여 주입하여도 질산화 미생물의 50%를 사멸시킬 수 있는 농도인 것으로 나타났다.
2. Nickel hydroxide형성에 의한 니켈 제거효율 실험결과 응집 pH에 따라 잔류 니켈 농도는 pH 11에서 1.7 mg/L, pH 12에서 0.6 mg/L로 나타났으며, 이는 상기 니켈 함유 폐수의 IC50 독성농도 조사 결과와 비교시 상당부분 제거되는 것으로 판단된다. 따라서 pH 11이상으로 니켈 함유폐수를 응집처리 한다면 생물학적 처리시질화균에 미치는 독성을 크게 완화시켜 성공적으로 처리할 수 있을 것으로 판단된다.
중금속이 질화 균의 질산화 반응시 미치는 저해효과는 여러 연구자들에 의해 보고되었다.4) 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)은 0.25 mg/L, 구리 (Cu)는 0.1~0.5 mg/L로 보고되었다. 따라서 본 연구는 질 산화반응 저해를 유발하여 정상적인 폐수처리를 수행하지 못하는 지방산업단지 유입폐수의 Nickel 독성을 농축 질화 균에 대한 IC50을 도출하고, 이의 적절한 처리를 위한 방안을 도출하고자 본 연구를 수행하였다.
3) 일반적으로 이러한 화합물들은 Nitrobacter 보다는 Nitrosomonas에 더욱 큰 독성을 나타낸다.4) 또한 폐수 중의 유기물질은 질화 균에 직접적인 독성을 주지는 못한다. 단지, 유기물질에 의한 억제 양상은 간접적이거나 종속영양자에 의한 산소결핍에 기인하게 된다.
단지, 유기물질에 의한 억제 양상은 간접적이거나 종속영양자에 의한 산소결핍에 기인하게 된다.5) 질화균에 가장 큰 독성을 나타내는 화합물은 시안, 치오우레아(thiourea), 페놀, 아닐린 (anilines) 및 중금속(구리, 아연, 수은, 니켈, 크롬) 등이다. 또한 질산화 반응시 기질로 이용되는 암모니아성 질소및 아질산성 질소는 이온화되지 않은 상태인 freeammonia(FA) 및 free-nitrous acid(FNA) 농도에 따라질화균에 독성 피해를 나타내며 중금속과 같은 물질들은 이온상태에서 독성의 영향을 미치는 것으로 보고되었다.
9 mg/L인 것으로 관찰되었다. Nitrosomonas와 Nitrobacter의 경우 모두 독성물질에 대하여 크게 저해를 받는 것으로 나타났으며, 결과적으로 질산화를 위한 첫 번째 단계인 Nitrosomonas의 저해로 인하여 Nitrobacter에도 영향을 주어 질산화의 두 번째 단계로 진행이 되지 않는 것으로 사료된다. 몇 몇 연구자들에 의하면, 박테리아의 세포외 polymer (EPS, extracellular polymeric substances) 는 미생물의 floc 형성9,10) 및 중금속의 흡착에 중요한 역할을 한다고 보고하고 있다.
Nitrobacter에 대한 분석은 NO3--N의 농도로써 간접적으로 분석하였다. Nitrosomonas와 마찬가지로 니켈의 농도가 증가함에 따라 미생물의 호흡에 저해를 받아 저해율이 증가하는 경향을 나타내었다.
5와 같이 질산화반응 효율이 급격히 향상되는 경향을 나타내었다. 결과적으로 니켈 함유폐수의 적합한 처리는 Nickel hydroxide (Ni(OH)2)를 생성시켜 침전 제거하고, 유량조정조 내에서 pH를 7내외로 조정한 후 생물반응조(SBR)로 유입시켜 질산화 및 탈질반응 후 여과를 거쳐 최종 방류하는 공정을 적용하는 것이 적합할 것으로 사료된다. 이때, 긴 SRT에 의한 PO43--P의 제거효율 저하와 응집 전 처리로 인한 유기물 제거로 인하여 탈질반응시 유기물 부족 문제가 우려되는바 질소 및 인 제거효율 저하시 methanol 및 alum의 주입이 필요할 것으로 사료된다.
이것은 질화균 중 특히, Nitrosomonas에 대한 것으로서 NH4+-N의 농도로써 분석한 것이다. 니켈의 농도가 증가함에 따라 미생물의 호흡에 저해를 받아 저해율이 증가하는 경향을 나타내었다.
이는 슬러지 일령이 작은 경우보다 긴 경우가 세포외 polymer가 많다는 사실과 관계가 있다. 따라서 산업폐수와같이 중금속이 함유된 폐수를 처리하는 경우는 기존 재래식 활성슬러지 공정보다 긴 20일 이상의 SRT를 유지하는 것이 위의 독성경감 효과 외에도 미생물 종의 다양성 확보 및 독성에 대한 적응력 향상을 도모함으로서 독성물질에 대해 피해를 경감시킬 수 있을 것으로 사료된다.
9 mg/L인 것과 비교시 니켈 독성에 대한 문제를 상당부분 저감시킬 수 있는 것으로 조사되었다. 따라서 상기 결과에 의하면 응집 전처리 후 생물학적 처리시 질산화 효율 상승을 기대할 수 있었으며, 또한 질산화 반응효율의 향상 및 질산화 미생물의 개체수를 증가시키고자 추가적으로 반응조내 SRT를 20내외로 증가시켜 MLSS농도를 당초 2400 mg/L에서 3300 mg/L까지 증가시켰다.
Anthonisen6)은 FA 및 FNA는 암모니아성질소 및 질산성질소의 농도, pH 및 온도에 따라 상이함을 보고하였다. 따라서 질산화 미생물에 독성피해를 주는 FA 및 FNA의 농도는 암모니아성 질소 및 아질산성질소의 농도, 온도 및 pH에 대한 함수이다. 중금속이 질화 균의 질산화 반응시 미치는 저해효과는 여러 연구자들에 의해 보고되었다.
4와 같다. 아래 결과에 나타나듯 니켈은 pH 11 이상에서 Nickel hydroxide의 침전물이 형성되었으며, 용존되어 있는 니켈의 잔류농도는 pH 12정도에서 0.6 mg/L 이하로나타났으며, 이는 상기 연구결과에서 NH4+-N 및 NO3--N에 대한 IC50값이 각각 5.5 및 4.9 mg/L인 것과 비교시 니켈 독성에 대한 문제를 상당부분 저감시킬 수 있는 것으로 조사되었다. 따라서 상기 결과에 의하면 응집 전처리 후 생물학적 처리시 질산화 효율 상승을 기대할 수 있었으며, 또한 질산화 반응효율의 향상 및 질산화 미생물의 개체수를 증가시키고자 추가적으로 반응조내 SRT를 20내외로 증가시켜 MLSS농도를 당초 2400 mg/L에서 3300 mg/L까지 증가시켰다.
후속연구
6 mg/L로 나타났으며, 이는 상기 니켈 함유 폐수의 IC50 독성농도 조사 결과와 비교시 상당부분 제거되는 것으로 판단된다. 따라서 pH 11이상으로 니켈 함유폐수를 응집처리 한다면 생물학적 처리시질화균에 미치는 독성을 크게 완화시켜 성공적으로 처리할 수 있을 것으로 판단된다.
결과적으로 니켈 함유폐수의 적합한 처리는 Nickel hydroxide (Ni(OH)2)를 생성시켜 침전 제거하고, 유량조정조 내에서 pH를 7내외로 조정한 후 생물반응조(SBR)로 유입시켜 질산화 및 탈질반응 후 여과를 거쳐 최종 방류하는 공정을 적용하는 것이 적합할 것으로 사료된다. 이때, 긴 SRT에 의한 PO43--P의 제거효율 저하와 응집 전 처리로 인한 유기물 제거로 인하여 탈질반응시 유기물 부족 문제가 우려되는바 질소 및 인 제거효율 저하시 methanol 및 alum의 주입이 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
질화균에 가장 큰 독성을 나타내는 화합물은 무엇인가?
단지, 유기물질에 의한 억제 양상은 간접적이거나 종속영양자에 의한 산소결핍에 기인하게 된다.5) 질화균에 가장 큰 독성을 나타내는 화합물은 시안, 치오우레아(thiourea), 페놀, 아닐린 (anilines) 및 중금속(구리, 아연, 수은, 니켈, 크롬) 등이다. 또한 질산화 반응시 기질로 이용되는 암모니아성 질소및 아질산성 질소는 이온화되지 않은 상태인 freeammonia(FA) 및 free-nitrous acid(FNA) 농도에 따라질화균에 독성 피해를 나타내며 중금속과 같은 물질들은 이온상태에서 독성의 영향을 미치는 것으로 보고되었다.
질산화에 독성이나 저해를 미치는 물질의 농도를 정량화 하는 것이 매우 어려운 이유는 무엇인가?
질산화에 독성이나 저해를 미치는 물질의 농도를 정량화 하기는 매우 어렵다. 이것은 질산화율에 영향을 미치는 요인이 독성물질 뿐만 아니라 온도, pH, 용존산소, 유기물 부하율 등 다양한 요인들이 질산화율에 큰 영향을 미치기 때문이다. 사전 연구자들에 의하면 중금속의 경우 Ni 0.
산업단지내 폐수처리장으로 유입되는 독성 함유 폐수가 질화균에 미치는 영향에 대해 살펴본 결론은 무엇인가?
1. 농축질화균을 이용하여 산업단내의 폐수처리장으로 유입되는 니켈 함유폐수의 독성도 조사 결과 NH4+-N 및 NO3--N에 대한 IC50값이 각각 5.5 및 4.9 mg/L인 것으로 나타났으며 이는 독성 유입폐수를 5배 희석하여 주입하여도 질산화 미생물의 50%를 사멸시킬 수 있는 농도인 것으로 나타났다.
2. Nickel hydroxide형성에 의한 니켈 제거효율 실험결과 응집 pH에 따라 잔류 니켈 농도는 pH 11에서 1.7 mg/L, pH 12에서 0.6 mg/L로 나타났으며, 이는 상기 니켈 함유 폐수의 IC50 독성농도 조사 결과와 비교시 상당부분 제거되는 것으로 판단된다. 따라서 pH 11이상으로 니켈 함유폐수를 응집처리 한다면 생물학적 처리시질화균에 미치는 독성을 크게 완화시켜 성공적으로 처리할 수 있을 것으로 판단된다.
참고문헌 (12)
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