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문제 정의
- [5]. 위와 같이 혐기 조건에서의 NOx-N가 인 제거에 미치는 영향은 많이 연구되었으나, 호기 조건에서 NOx'N가 인제거에 미치는 영향은 구체적으로 연구되어 있지 않은 실정이다 호기 조건에서 NOx'N의 농도가 DPAOs (denitrifying phosphorus accumulating organisms) 와 DGAOs (denitrifying glycogen accumulating organisms)에 의해 변화될 수 있으므로, 본 연구에서는 호기 조건에서 NOx-N의 존재량 변화에 따른 PAOs의 인 흡수 속도 변화를 중점적으로 조사하였다.
제안 방법
- 22 인 membrane filter로 여과하여 시료 내 존재하는 미생물을 완전히 제거한 다음 분석에 들어갔다. SVI (sludge volume index)와 MIWSS는 Standard Methods 回를 통하여 측정하였고, 유기물농도는 TOO 지표로 이용하쳐 TOC analyzer (TOC-5000A, Shimadzu, Japan)를 이용하여 분석하였다. NQz'-N, NO3'-N, PO」*은 ion chromatograph (Metrohm, Switzerland)# 이용하여 측정하였다 NH4*-N는 HS 3100 Water Analyzer (Humas, Korea)를 이용하여 측정하였다.
- 전혀 포함되지 않은 폐수를 유입하고, 비포기구간 이후 포기 기간 중 공기를 공급함으로써 PAOs에 의해서만 인 흡수가 이루어지도록 하였다 이때 반응기의 슬러지를 실험 전에 두 번의 세척으로 인해 NH;-N을 포함하고 있지 않아 포기 구간 동안 NOrN 와 NOj-N가 전혀 생성되지 않음으로써, 포기 기간 동안 NOx-N에 의해 방해받지 않은 PAOs만의 인 흡수량을 측정하였다.
- NQz'-N, NO3'-N, PO」*은 ion chromatograph (Metrohm, Switzerland)# 이용하여 측정하였다 NH4*-N는 HS 3100 Water Analyzer (Humas, Korea)를 이용하여 측정하였다. pH, DO, ORP는 실시간 자동 측정기 (Ino lab multi level 3, WTW Germany) 를 사용하여 측정하였다.
- 각 반응기 내의 시료 채취는 약 30분내지 1시간 간격으로 채취하였으며, 시료 채취 후 즉시 0.22 인 membrane filter로 여과하여 시료 내 존재하는 미생물을 완전히 제거한 다음 분석에 들어갔다. SVI (sludge volume index)와 MIWSS는 Standard Methods 回를 통하여 측정하였고, 유기물농도는 TOO 지표로 이용하쳐 TOC analyzer (TOC-5000A, Shimadzu, Japan)를 이용하여 분석하였다.
- 두 번째는 동일한 폐수와 공기를 공급하되 3.5 h 동안 비포기 운전을 하며, 이후 3.5 h 동안의 포기 구간에서는 공기 유입과 함께 인위적으로 NQ'-N과 NO/-N을 각각 10 mg/L 로 유입하였다.
- 93 mg/gVSS 로 감소하는 것으로 보아, NO3- 농도의 증가가 DPAOs에 의한 인 제거에는 긍정적인 영향을 미칠 수 있으나, 인 제거에 있어서 DPAOs보다는 많은 인 제거를 분담하는 PAOs에 의한 인 제거에는 악영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 또한 포기 조건에서 NOx-N 유입 유무에 따른 인 제거속도의 변화 및 NOx-N의 변화를 미시적인 관점에서 관찰하였다 (Fig. 3). 3.
- 반응기는 Fig. 1 과 같이 제작하였으며, 유입 30분을 포함한 3시간 30분의 1차 비포기 구간, 3시간 30분의 포기 구간, 3시간 30분의 2차 비포기 구간, 각각 30분의 침전, 유출, 휴지 기간을 거쳐 총 12시간 주기로 운영하였다. 한 주기 운전 후에 2 L는 같은 양의 유입수로 대체되었고, HRT는 24시간으로 운전되었다.
- 세 번째는 동일한 폐수를 사용하여 3.5 h의 비포기 운전을 한 다음, 3.5 h의 포기 구간에서는 공기 유입과 함께 NO3--N 20 mg/L를 유입하였다.
- 실험에 사용된 슬러지에는 외부 탄소원 없이도 세포 내 glycogen을 사용하여 탈질화가 가능한 미생물들이 포함되어 있어 NOx-N의 탈질화 정도에 따른 인 흡수 속도의 변화를 관찰하였다 (Fig. 4).
- 회분식 실험은 크게 세 부분으로 나누어 실험이 이루어졌다. 첫 번째는 nhT-n이 포함되지 않은 합성폐수를 유입하고, 비포기/포기로 각각 3.5 h씩 운전하였으며, 포기 구간에서 산기관을 통하여 0.5 L/n血의 공기를 공급하면서 PAOs의 인 흡수량과 속도를 측정하였다.
- 호기 상태에서 NOx-N이 PAOs에 의한 인 흡수속도에 미치는 영향을 각기 세 가지 조건의 회분식 실험을 통하여 관찰하였다. 실험 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 회분식 실험은 크게 세 부분으로 나누어 실험이 이루어졌다. 첫 번째는 nhT-n이 포함되지 않은 합성폐수를 유입하고, 비포기/포기로 각각 3.
대상 데이터
- 본 연구의 실험재료인 합성폐수는 Table 1과 같은 성분으로 제조하여 사용하였다.
- 4, 000 ±100 mg/L를 유지하였다. 실험에 사용된 슬러지는 Fig. 2와 같이 BNR (biological nutrient removal)0] 잘 이루어지는 SBR (sequencing batch reactor)에서 채취하여, 회분식 실험에서 사용하였다. 1차 비포기 구간에는 인의 방출이 원활하게 발생하였고 이에 따라 TOC (total organic carbon)의 제거가 급격하게 발생하였다.
- 회분식 실험에 사용된 활성 슬러지는 SBR의 2차 비포기 구간이 끝난 시점에서 채취하였으며, 회분식 실험을 시작하기 전에 활성 슬러지 내에 皿*-N와 같이 잔존하는 성분이 남아 있지 않도록 초순수를 사용하여 두 번 세척하였다. 회분식 실험은 크게 세 부분으로 나누어 실험이 이루어졌다.
성능/효과
- 4 mg/L 이하로 감소함에 따라 그 속도가 크게 변화하였다. 유입된 10 mg/L의 NOf-N이 3.4 mg/L으로 감소할 때까지는 33 mg/h의 인 흡수 속도를 보인 반면, NS-N의 농도가 3.4 mg/L 이하로 감소함에 따라 인 흡수 속도는 46 mg/h로 증가하였으며, NO"N의 농도가 1.5 mg/L 이하로 감소할 경우에는 인 흡수 속도가 70 mg/h 로 증가하였다
- 1) 인 과잉흡수가 이루어지는 호기 상태에서 PAOs는 NOx-N에 의해 인 흡수에 방해를 받는 것으로 나타났다.
- 2) 인 흡수속도에 있어 NO「-N보다 같은 농도의 NO2'-N 가 PAOs의 인 흡수속도를 저하시키는 결과를 나타내었다. 10 mg/L의 같은 농도로 유입되었음에도 불구하고 NCM-N에 의한 인 흡수속도는 15.
- 3) 반응기내의 NO2'-N 농도가 2 mg/L 이상으로 존재할 시 PAOs의 인 흡수속도는 NOx'N가 존재하지 않는 조건에서 인 흡수 속도의 24%를 나타냈으며, NOj-N의 농도가 3 mg/L 이상으로 존재할 경우 NOx「-N가 존재하지 않는 조건에서 인 흡수 속도의 17% 이하로 감소하는 것으로 나타나 NS-N가 PAOs의 인 흡수에 심각한 저해를 미치는 것으로 나타났다.
- 4) 반응기내에 NO2--N와 NOj-N가 함께 존재할 시에는 NOx「-N가 존재하지 않는 조건에서 인 흡수 속도의 6% 이하로 감소하는 것으로 나타났다. 5) NOf-N는 EBPR의 붕괴에 영향을 미치는 중요한 요소로 판명되었다
- 4) 반응기내에 NO2--N와 NOj-N가 함께 존재할 시에는 NOx「-N가 존재하지 않는 조건에서 인 흡수 속도의 6% 이하로 감소하는 것으로 나타났다. 5) NOf-N는 EBPR의 붕괴에 영향을 미치는 중요한 요소로 판명되었다
- [2], 기존의 활성 슬러지는 유기물과 암모니아 제거에는 뛰어난 반면, 인 흡수 능력에는 저조한 효율을 나타내었으나, PAOs 가 포함된 활성 슬러지는 인 흡수에도 뛰어난 효율을 나타내는 특징이 있다.
- 본 실험에 사용한 슬러지에서는 포기 구간 중 질산화가 발생함으로써 PAOs와 DPAOs가 공존하여 함께 인 제거에 영향을 미친다고 볼 수 있다. 그러므로 회분식 실험에서도 인의 방출은 PAOs와 DPAOs 모두에서 발생하였으나, NO3-가 존재할 경우 탈질화되는 NOj-N는 5.21 mg/gVSS이고 인의 흡수량이 감소하는 것으로 보아 DPAOs에 의해 제거되는 인 흡수량이 일부 있었다고 가정해 보면, 인 흡수랴은 NOj-N를 유입하지 않았을 때에 비해 매우 감소한 것으로 알 수 있다. 그러므로 NO3-는 공기가 있는 상태에서도 PAOs의 인 흡수에 저해작용을 한다는 것을 알 수 있다.
- 포기 구간에는 인의 재흡수가 효율적으로 이루어졌고 질산화에 따른 nhJ-n의 NCh'N로의 전환이 원활하게 발생하는 것을 볼 수 있다. 또한 2차 비포기 구간에는 NO「N의 제거가 발생하였는데, 이는 이 구간 중 인의 감소와 TOC의 감소가 없는 것으로 보아 일반적인 탈질화가 발생한 것으로 보기 어렵고 DGAOs에 의한 탈질로 보는 것이 타당할 것으로 보인다
- 또한 NOj-N의 농도를 10 mg/L에서 20 mg/L로 증가시켰을 경우 탈질화 량은 5.21 mg/gVSS에서 7.20 n 增/gVSS로 증가하였으나, 인 흡수량은 28.3 岫gVSS에서 8.93 mg/gVSS 로 감소하는 것으로 보아, NO3- 농도의 증가가 DPAOs에 의한 인 제거에는 긍정적인 영향을 미칠 수 있으나, 인 제거에 있어서 DPAOs보다는 많은 인 제거를 분담하는 PAOs에 의한 인 제거에는 악영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 또한 포기 조건에서 NOx-N 유입 유무에 따른 인 제거속도의 변화 및 NOx-N의 변화를 미시적인 관점에서 관찰하였다 (Fig.
- 위의 결과들을 볼 때, PAOs의 인 흡수에 미치는 저해작용은 NOf-N가 NS-N에 비해 월등히 높다는 것을 알 수 있다. 그러나 DPAOs에 의한 탈질화는 NOf-N를 유입한 경우가 더 높은 것으로 보아, DPAOs에 의한 탈질화에서는 NOj보다는 N6.
- 이는 유입 NO「-N 농도를 20 mg/L로 증가시킬 경우 명백하게 나타났다. 유입 NQ'-N 농도를 10 mg/L에서 20 mg/L로 증가시켰을 때, 인 흡수량은 28.3 mg/gVSS에서 8.93 mg/gVSS로 1/3 정도로 감소함으로써, 포기 구간 중 PAOs의 인 흡수에 대한 NO3--N 의 저해 작용을 명백하게 확인할 수 있었다.
- 77 mg/h로 NOx--N이 유입되지 않은 호기 조건의 인 흡수 속도에 비해 매우 낮았으며, NO「N 10 mg/L 이 유입된 호기 조건의 인 흡수 속도보다 높은 값을 나타내었다. 탈질화가 진행됨에 따라 NO「N의 농도는 감소되고 NO2--N의 농도가 증가하여 NCM-N의 농도■가 2 mg/L 이상 3 mg/L 이하 일 때 8.3 mg/h의 인 흡수 속도를 나타냈으며, Ng-N의 농도가 3 mg/L 이상을 유지할 시에는 호기 조건임에도 불구하고 3.41 mg/h의 저조한 인 흡수 속도를 나타내었다. Pijuan 등 [기은 NO2'-N 농도 2 mg/L 전후로 하여 인의 흡수 속도 저하가 나타나며 6 mg/L 이상에서부터 거의 완전한 인 흡수 방해를 일으킨다고 설명한 바 있다.
- 포기 구간에 공기와 함께 NO2--N 10 mg/L이 유입된 실험에서는 NO3_-N 10 mg/L이 유입된 실험과는 매우 다른 결과를 나타내었다 NO2'-N 10 mg/L가 유입된 실험에서는 인 흡수량이 15.61 mg/gVSS로 NO3--N 10 mg/L이 유입된 실험에서의 인 흡수량 28.30 mg/gVSS과 비교해 볼 때 절반 정도의 저조한 인 흡수량을 나타내었다. 그러나 탈질화되어 제거되는 량은 NO/-N 10 mg/L가 유입되었을 때의 5.
- 포기 상태에서의 순수 PAOs에 의한 인 흡수량은 54.10 mg/gVSS를 나타내었다’ 포기 구간에 NOj'-N 10 mg/L이 유입된 실험에서는 28.30 mg/gVSS의 인 홉수량을 나타내었으며, NO3'-N 10 mg/J이 유입되지 않은 PAOs의 인 흡수량에 비해 52%의 인 흡수량을 나타내었다 (Table 2).
후속연구
- 특히 NOj-N가 탈질화됨과 동시에 NO2「-N가 생성되는 특징을 나타내었다 그러므로 초기 인 제거는 DPAOs에 의해 발생하였으며 , 계속적으로 반응기내에서 NOj-N와 NOf-N이 잔존함으로써 순수 PAOs에 의한 인 제거는 발생하지 않은 것으로 볼 수 있다. 그러므로 이 경우의 인 제거는 DPAOs에 의해 발생한 것으로 생각할 수 있으며, 추가적으로 계속 인의 제거가 발생하지 않은 것은 DPAOs 내에서 인의 제거에 중요한 역할을 하는 PHA와 같은 저장물질들이 소모되어 부족하였기 때문인 것으로 생각되나, 이 부분에 대해서는 추가적인 연구가 매우 필요한 것으로 판단된다.
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