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문제 정의
- 인 농도를 3 mg/L, 5 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L로 변화를 주고, 질소의 농도를 29 mg/L로 고정하여 시간의 경과에 따라 인의 농도 변화를 관찰 하였다. 본 실험에서는 질소의 섭취가 일어나지 않은 암반응을 배제하고 명반응을 통하여 살펴보았다. S.
- 본 연구에서는 축산폐수에서 질소와 인의 효율적 제거를 위해 미세조류 S. acuminatus의 이용 가능성에 대하여 수행한 것으로 회분 실험 및 반연속식 실험을 통하여 질소 및 인의 제거효율 및 공기주입과 CO₂ 주입의 효과를 고찰하고자 한다.
- 본 연구에서는 축산폐수의 질소와 인의 효율적 고도처리를 위해 S. acuminatus를 이용하여 처리 가능성을 검토하였다. 예비실험을 바탕으로 설계 ․ 제작한 조류반응기에 S.
제안 방법
- Fig. 1의 조류반응기를 제작 및 설계하여 반연속식 (Fedbatch or Semi-continuous) 실험을 수행하였다. 반응조는 직경은 10 cm, 길이는 50 cm로 제작하였다.
- 그리고 질소의 공급원인 Ca (NO₃)2·4H2O, Tris aminomathane (C4H11NO₃), KNO₃의 첨가량을 변화시켜 빛의 주입이 없이 하였고, C배지에 질소의 공급원 모두 제외하고 NaNO₃의 첨가량과 CH3COOH을 이용한 유기물의 첨가량을 변화시켜 진탕인큐베이터 (shaking incubator)를 사용하여 회분실험을 하였다.
- 5, 교반속도는 150 rpm으로 하였으며, 광은 삼파장 램프를 사용하였다. 그리고 회분식 배양 1주일 후 활동성 있는 미세조류를 멸균한 새로운 배지에 배양함으로써 조류의 농도를 증가시켰다.
- 유입수의 주입은 3∼8일로 하였고 유입 후 반응과정을 거치고 배출하고 다시 폐수를 주입하는 반 연속식으로 하여 초기 용량을 2 L로하고 배출은 초기 용량의 1/2인 1 L를 남겨놓는 방식으로 반응조를 운전하였다. 또한 조류반응기에서 공기만 주입한 경우와 공기와 CO₂를 강제로 주입하였을 때 축산폐수의 영양염류 제거율을 분석하였다. 미세조류는 12 %의 이산화탄소에도 견디므로 그 범위이내에서 이산화탄소의 공급량을 결정하였다.
- acuminatus는 10:1인 40 mg/L 에서 배양 6일까지 72 % 제거효율을 보였으며, 배양 20일까지 99 %의 제거효율을 보였다. 또한 질소농도를 14 mg/L, 30 mg/L, 59 mg/L, 121 mg/L로 변화를 주고, 인의 농도를 5 mg/L로 고정하여 3:1, 6:1, 14:1, 25:1로 하고 배양 20일 경과까지 연속적으로 빛을 주지 않는 암반응으로 질소의 농도 변화를 살펴보았다. 광합성을 하며 성장하는 미세조류이기 때문에 빛을 공급하지 않은 암반응에서는 질소의 농도 제거가 일어나지 않은 것을 알 수 있다 (Fig.
- 미세조류 S. acuminatus의 인, 질소 제거특성을 파악하기 위하여 C배지에서 인의 농도를 일정하게 하고 질소의 공급원인 Ca (NO₃)2·4H2O, Tris aminomathane (C4H11NO₃), KNO₃의 첨가량을 변화시켜 배지를 제조하였으며, 질소의 농도를 일정하게 하고 인의 공급원인 β-Na2glycerophoaphate (C3H7Na2O6P·5H2O)의 첨가량을 변화시켜 배지를 제조하였다.
- 미세조류의 성장을 알아보기 위해 OPTIZEN 3220UV (한국 메카시스)를 이용하여 660 nm에서 측정한 O.D.값 (Optical Density)과 SS (Suspended Solids, 부유고형물)과 663 nm, 645 nm, 630 nm, 750 nm에서 Chlorophyll-a를 측정하였다. 반응이 진행에 따른 시료내의 pH 변화를 알아보기 위해 pH meter (pH-510)를 이용하여 pH를 측정하였으며, 시료를 0.
- 반연속식 실험에서는 미세조류 S. acuminatus을 대상으로 조류반응기로 실험을 수행하였다. 조류반응기의 유입폐수는 축산폐수에 적용하기 전 인공배지를 이용하여 질소, 인제거 실험을 실시하였다.
- 공기주입을 한 실험과 동일한 축산폐수를 사용하였다. 반연속식 운전방법도 동일하게 3일 주기로 유입/배출하는 방식으로 반응조 유효용량 2 L에 유입/배출양은 유효용량의 1/2인 1 L로 되게 하여 실험을 수행하였다. 하지만 본 실험에서는 부하를 높이기 위하여 초기주입이 10배 희석이 아닌 2배 희석한 축산폐수로 시작하였으며 공기 유량을 2 L/min으로 CO₂는 4.
- 값 (Optical Density)과 SS (Suspended Solids, 부유고형물)과 663 nm, 645 nm, 630 nm, 750 nm에서 Chlorophyll-a를 측정하였다. 반응이 진행에 따른 시료내의 pH 변화를 알아보기 위해 pH meter (pH-510)를 이용하여 pH를 측정하였으며, 시료를 0.45㎛ 마이크로 여과지 (Filter)로 여과하여 T-N, NO₃-N, NH4-N, T-P, CODCr을 분석하였다. NO₃-N은 DR-4000 (미국 Hach사)을 이용하여 측정하였다.
- acuminatus를 이용하여 처리 가능성을 검토하였다. 예비실험을 바탕으로 설계 ․ 제작한 조류반응기에 S. acuminatus를 인공배지 및 축산폐수를 이용하여 질소 및 인의 제거효율을 분석하였다. 공기 유량은 1～2 L/min, 온도는 28～30 ℃로 하였다.
- 유입수의 주입은 3∼8일로 하였고 유입 후 반응과정을 거치고 배출하고 다시 폐수를 주입하는 반 연속식으로 하여 초기 용량을 2 L로하고 배출은 초기 용량의 1/2인 1 L를 남겨놓는 방식으로 반응조를 운전하였다.
- 인 농도를 3 mg/L, 5 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L로 변화를 주고, 질소의 농도를 29 mg/L로 고정하여 시간의 경과에 따라 인의 농도 변화를 관찰 하였다. 본 실험에서는 질소의 섭취가 일어나지 않은 암반응을 배제하고 명반응을 통하여 살펴보았다.
- acuminatus을 대상으로 조류반응기로 실험을 수행하였다. 조류반응기의 유입폐수는 축산폐수에 적용하기 전 인공배지를 이용하여 질소, 인제거 실험을 실시하였다. 반응조내에서 NO₃-N 농도, T-P 농도 및 바이오매스의 변화를 Fig.
- 질소농도를 40 mg/L, 50 mg/L, 75 mg/L, 125 mg/L로 변화를 주고, 인 농도를 4 mg/L로 고정하여 시간의 경과에 따라 S. acuminatus에 대해 질소의 농도 변화를 알아보았다. 농도 변화는 두 종 모두 배양 3일 후 일어났으며, 배양 6일에 최대의 제거효율을 보였다.
- 축산폐수에 대한 미세조류의 적응력과 저농도에 대비한 실험을 위해 초기 주입시 10배 희석으로 하였으며 점차적으로 희석배수를 줄이면서 초기용량을 2 L로하고 배양 3일후에 초기 용량의 1/2인 1 L를 교체하는 반연속식으로 실험하였다. SS와 O.
- 반연속식 운전방법도 동일하게 3일 주기로 유입/배출하는 방식으로 반응조 유효용량 2 L에 유입/배출양은 유효용량의 1/2인 1 L로 되게 하여 실험을 수행하였다. 하지만 본 실험에서는 부하를 높이기 위하여 초기주입이 10배 희석이 아닌 2배 희석한 축산폐수로 시작하였으며 공기 유량을 2 L/min으로 CO₂는 4.5 %로 하여 실험의 차이를 주었다.
- acuminatus을 대상으로 유입수로서 인공폐수(C배지) 및 축산폐수를 사용하여 실험하였다. 회분실험에서 제거효율이 가장 좋았던 NO₃-N 약 40 mg/L와 T-P 약 5.5 mg/L 농도로 초기실험을 하였으며, 추가적으로 미세조류의 대략의 현존량을 알아보기 위해 엽록소-a (Chlorophyll-a)를 측정하였다. 유입수의 주입은 3∼8일로 하였고 유입 후 반응과정을 거치고 배출하고 다시 폐수를 주입하는 반 연속식으로 하여 초기 용량을 2 L로하고 배출은 초기 용량의 1/2인 1 L를 남겨놓는 방식으로 반응조를 운전하였다.
대상 데이터
- 45㎛ 마이크로 여과지 (Filter)로 여과하여 T-N, NO₃-N, NH4-N, T-P, CODCr을 분석하였다. NO₃-N은 DR-4000 (미국 Hach사)을 이용하여 측정하였다.
- 반응조는 직경은 10 cm, 길이는 50 cm로 제작하였다. 반연속식 실험에서는 미세조류 S. acuminatus을 대상으로 유입수로서 인공폐수(C배지) 및 축산폐수를 사용하여 실험하였다. 회분실험에서 제거효율이 가장 좋았던 NO₃-N 약 40 mg/L와 T-P 약 5.
- 본 연구에 사용된 미세조류는 국립환경연구원 환경미생물 종균관리센터 (NIER)에서 분양 받은 S. acuminatus (NIER-10093)종을 사용하였다. 배지 조성은 Table 1과 같다.
- 실험에 사용된 폐수는 경기도 포천에 위치한 영중 축산폐수·분뇨 병합처리장으로부터 공급받았으며, 협잡물종합처리장, 고액 분리기, 부상분리기의 전처리 시설을 거쳐 세라믹 담체 (bioceramic media)를 이용한 연속회분식 반응조 (SBR; Sequencing batch reactor)공법으로 처리된 2차 처리수를 4℃ 저온실에 보관하여 연구에 사용하였다. 본 연구에 사용된 축산폐수 (생물학적 처리수)의 구성성분은 Table 2와 같다.
성능/효과
- 그리고 배양 20일까지 질소의 제거효율이 계속적으로 증가하였다. S. acuminatus는 10:1인 40 mg/L 에서 배양 6일까지 72 % 제거효율을 보였으며, 배양 20일까지 99 %의 제거효율을 보였다. 또한 질소농도를 14 mg/L, 30 mg/L, 59 mg/L, 121 mg/L로 변화를 주고, 인의 농도를 5 mg/L로 고정하여 3:1, 6:1, 14:1, 25:1로 하고 배양 20일 경과까지 연속적으로 빛을 주지 않는 암반응으로 질소의 농도 변화를 살펴보았다.
- S. acuminatus는 29:3∼20 모두 초기농도에 대해 5일경과 후 변화가 있었으며, 29:3∼5의 경우 배양 10일 최대의 제거효율을 보였으며, 제거효율은 92∼87 %이였다.
- 축산폐수에 대한 미세조류의 적응력과 저농도에 대비한 실험을 위해 초기 주입시 10배 희석으로 하였으며 점차적으로 희석배수를 줄이면서 초기용량을 2 L로하고 배양 3일후에 초기 용량의 1/2인 1 L를 교체하는 반연속식으로 실험하였다. SS와 O.D.의 결과 점차적으로 증가하는 것으로 미세조류의 성장이 이루어지는 것을 알 수 있었으며 엽록소-a는 초기주입 (10배 희석)과 2차주입 (5배희석)시 12시간～1일에 최대를 보였다. 질산성 질소의 농도 2.
- SS와 O.D.의 결과 점차적으로 증가하는 흐름을 보여 미세조류의 성장성을 보였으며, 엽록소-a의 경우 초기 (2배희석) 주입시 미세조류의 성장의 큰 변화를 보여주지 않았기 때문에 CO₂ 첨가에 대한 적응 시기로 판단되며 2차 (2배희석) 주입시에는 배양2일 이후 급성장을 보였다.
- 003) gP/gChl-a/day를 나타냈다. 그리고 CO₂ 주입시의 NO₃-N는 0.005～0.047 (0.026) gN/gChl-a/day의 제거속도를 나타냈고, T-N은 0.023～0.129 (0.076) gN/gChl-a/day, T-P는 0.003～0.033 (0.018) gP/gChl-a/day를 나타내어 공기주입 보다 CO₂ (4.5 %)를 혼합주입한 조류반응에서 높은 처리효과 및 미세조류의 농도를 증가시킨다는 것을 알 수 있었다 (Table 3). 본 연구에서 미세조류가 질소와 인의 높은 제거효율을 가지는 것으로 조사되어 축산폐수의 고도처리 (3차처리)에 널리 활용할 잠재력이 큰 것으로 생각되며, 처리가 끝난 미세조류는 수확하여 고단백 가축사료 및 자원화 등으로 널리 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
- 유기물의 변화는 공기 주입시와 동일하게 변화가 없는 것으로 나타났다. 그리하여 본 처리수에 있는 유기물은 분해 불가능한 유기물이라 판단되었다. 초기 주입 시에는 NO₃-N와 T-P 농도의 큰 변화가 없었으며 활성이 높았던 2차 (2배희석) 주입시 NO₃-N의 경우 16 mg/L에서 4.
- 공기 유량은 1～2 L/min, 온도는 28～30 ℃로 하였다. 조류반응기의 인공배지 실험결과 NO₃-N 농도는 35.4～38.8 mg/L에서 배양 8일후 8.6～11.2 mg/L로 68～77 % 제거되었으며, T-P의 경우 4.4～5.4 mg/L에서 0.8～1.7 mg/L로 69～80 %의 제거효율을 보였다. 엽록소-a 결과 반연속식 실험에서 배양 3일이 최적기간으로 추정되었다.
- 질소:인의 비가 29:10∼20은 배양 15일에 최대효율을 보였으며, 제거효율은 93∼70 %이였다.
- 그리하여 본 처리수에 있는 유기물은 분해 불가능한 유기물이라 판단되었다. 초기 주입 시에는 NO₃-N와 T-P 농도의 큰 변화가 없었으며 활성이 높았던 2차 (2배희석) 주입시 NO₃-N의 경우 16 mg/L에서 4.8 mg/L로 70 %의 제거 효율을 보였으며, T-P의 경우 12 mg/L에서 4.4 mg/L으로 62%의 최대 제거효율을 보였다. T-N의 경우 57 mg/L에서 30 mg/L로 47 %의 제거효율을 보였다.
- 엽록소-a 결과 반연속식 실험에서 배양 3일이 최적기간으로 추정되었다. 축산폐수를 주입하여 공기주입과 CO₂ (4.5 %)주입 실험결과 축산 폐수 (생물학적 처리수)의 경우 공기주입시에는 질산성질소 (NO₃-N) 0.009 gN/gChl-a/day, T-N 0.028 gN/gChl-a/day, T-P 0.003 gP/gChl-a/day의 제거속도를 보였으며, CO₂(4.5 %) 주입시에는 질산성질소 (NO₃-N) 0.026 gN/gChl-a/day, T-N 0.076 gN/gChl-a/day, T-P 0.018 gP/gChl-a/day의 제거속도를 보여 CO₂를 주입하였을 때가 더 높은 제거속도및 제거효율을 보인다는 것을 알 수 있었다.
- 3～20 mg/L로 76～20 %로 제거효율은 농도의 상승과 반비례의 흐름을 보였다. 하지만 NO₃-N의 제거와 동시에 암모니아성 질소를 12시간～하루 사이에 모두 제거하여 미세조류가 암모니아성 질소를 섭취하는 것을 알 수 있었다. pH는 8.
후속연구
- 5 %)를 혼합주입한 조류반응에서 높은 처리효과 및 미세조류의 농도를 증가시킨다는 것을 알 수 있었다 (Table 3). 본 연구에서 미세조류가 질소와 인의 높은 제거효율을 가지는 것으로 조사되어 축산폐수의 고도처리 (3차처리)에 널리 활용할 잠재력이 큰 것으로 생각되며, 처리가 끝난 미세조류는 수확하여 고단백 가축사료 및 자원화 등으로 널리 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
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