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문제 정의
- Reactor 0 (R0)와 Reactor 1 (R1)은 합성 하수 (Synthetic wastewater)를 이용하여 고형물과 유기물이 배제된 유입수를 사용하였다. R1 반응조는 고형물과 유기물의 영향을 위한 대조 반응조(control unit) 로서의 역할로 사용하였으며, 유동상 담체가 배제된 R0 반응조는 유동상 담체를 사용한 반응조와 온도 영향을 비교 평가하기 위한 목적으로 운전되었다.
- 또한 반류수의 경우 유기물과 고형물이 상당부분 포함되어 있기 때문에 아질산화 측면에서 검토해야 할 대상으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 생물막을 이용하여 아질산 축적시 최적온도로 알려진 35℃ 부터 겨울철 하수처리장 온도를 반영한 15℃ 까지 유기물과 고형물 농도 차이에 따른 실증적 실험을 통한 분석을 하고자 하였다.
- 본 연구에서는 고농도 암모니아를 함유한 유입수의 고형물과 유기물 농도가 서로 다른 3개의 반응조를 운전하여온도 변화에 따른 아질산화의 영향과 유동상 담체의 유무에 따른 온도영향을 평가하고자 하였다.
- 시료는 원심분리기(10 min, 6, 000 rpm)로 고액분리를 하여 상징액은 제거하고 남은 슬러지를 완충 용액 (Buffer solution) 으로다시 부유상태로 만들어 주었다. 이로 인해 시료내의 남아있는 기질을 최소화 해줌으로써 측정오류를 최소화 하고자 하였다. 시료 전처리 후 바로 용존산소 측정 셀(DO measuring cell) 에 시료를 넣고 용존산소 소모량을 측정하여 내생 호흡(Endogenous respiration)에 의한 산소소모율을 측정할 수 있었다.
제안 방법
- 1은 생물막 아질산화 반응조의 모식도를 나타낸 것이다. 396일의 운전기간 동안 3개의 동일한 항화조 (chemostat) 형태의 생물막 아질산 반응조를 운전하였으며, 스폰지 형태의 유동상 미디어(Polyvinyl alcohol, sepcific surface area = 4.5721 m2/g, density = 0.168 g/cm3)를 겉보기 용적 대비 20%의 비율로 충진하였다. 각 반응조는 에어펌프(Nitto Kohki, 50 L #106502)를 이용하여 공기를 주입하였으며, 반응조내 안정적인 혼합을 위해 교반기를 사용하였다.
- 각 반응조는 에어펌프(Nitto Kohki, 50 L #106502)를 이용하여 공기를 주입하였으며, 반응조내 안정적인 혼합을 위해 교반기를 사용하였다. 각 반응조의 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time: HRT)은 모두 8시간으로 유지하였으며, 냉각조절장치 (cooling unit)를 사용하여 온도를 35℃에서 15℃로 바꿔가며 운전하였다. 또한 생물막 아질산화 반응조와 아질산화반응조의 온도영향을 평가하기 위해 유동상 담체가 들어있지 않은 반응조(Reactor 0: R0)를 추가로 운전하였다.
- 비산소소모율 측정시 측정 용존산소 측정 셀의 온도는 물자켓(Water jacket)을 사용하여 반응조 운전상태와 같은 조건으로 유지시켜 주었다. 계산된 산소소모율 값을 반응조내휘발성부유고형물(Volatile suspended solids: VSS)로 나누어 비산소소모율 값을 산정하였으며, 종속영양미생물과 질산화미생물의 비율은 비산소소모율 값을 이용하여 간접적으로 계산하였다.
- 시료 전처리 후 바로 용존산소 측정 셀(DO measuring cell) 에 시료를 넣고 용존산소 소모량을 측정하여 내생 호흡(Endogenous respiration)에 의한 산소소모율을 측정할 수 있었다. 내생호흡에 의한 산소소모율의 측정이 끝난 후 반응조 유입기질과 같은 농도의 기질(300 mg NH4+- N/L)을 cell에 넣어주어 총 산소소모율(Total OUR) 값을 측정하였다. 총 산소소모율 값은 독립영양미생물 (Autotrophs) 의 산소 섭취와 종속영양미생물 (Heterotrophs) 의 산소 섭취를 모두 포함하기 때문에 종속영양미생물의 산소소모율 (Heterotrophic OUR)을 측정하기 위해서 질산화 미생물 억제제인 allylthiourea (ATU)를 시료에 첨가하여 실험을 실시하였다.
- 유입수의 암모니움성 질소 (NH4-N)는 NH4HCO3 를 사용하여 약 300 mg NH4-N/L로 주입하였으며, 알칼리도는 NH4HCO3 와 NaHCO3 를 이용하여 아질산화에 필요한 알칼리도 요구량에 부합되도록 2, 400 mg CaCO3/L로 맞추어 주입하였다. 또한 고형물과 유기물 농도에 따른 영향을 알아보기 위해 Reactor 2 (R2)와 Reactor 3 (R3) 반응조에는 국내 J 하수처리장의 농축조와 소화조 상징액 (Table 2)을 혼합하여 유입수로 사용하였으며, 포도당(Glucose)을 탄소원으로 추가주입하여 R2에는 100 mg/L, R3 에는 200 mg/L로 각각 주입하였다. Reactor 0 (R0)와 Reactor 1 (R1)은 합성 하수 (Synthetic wastewater)를 이용하여 고형물과 유기물이 배제된 유입수를 사용하였다.
- 각 반응조의 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time: HRT)은 모두 8시간으로 유지하였으며, 냉각조절장치 (cooling unit)를 사용하여 온도를 35℃에서 15℃로 바꿔가며 운전하였다. 또한 생물막 아질산화 반응조와 아질산화반응조의 온도영향을 평가하기 위해 유동상 담체가 들어있지 않은 반응조(Reactor 0: R0)를 추가로 운전하였다.
- 반응조 온도에 따른 영향을 고찰하기 위해 초기 35℃ 에서 운전하여 5℃ 간격으로 온도를 내려가며 실험을 실시하였다. 각 운전 모드별 운전기간은 정상상태에 도달하여 안정적인 운전이 이루어질 때까지 약 3달간씩 진행되었으며 각 운전온도별 반응조 운전조건은 Table 3에 나타내었다.
-
3. 비산소소모율(Specific oxygen uptake rate; SOUR) 분석을 통한 미생물 비율 산정
비산소소모율 실험은 micro DO sensor와 컴퓨터에 연결되어 데이터를 전송받을 수 있는 biological oxygen monitor (YSI 5300A)를 사용하여 측정하였다
. 유동상 담체에 부착되어 있는 미생물의 양은 유동상 담체를 수차례 압력을 가한 후 0. - 총 산소소모율에서 종속영양미생물의 산소소모율을 빼주면 질산화 미생물의 산소소모율 값을 얻을 수 있다. 비산소소모율 측정시 측정 용존산소 측정 셀의 온도는 물자켓(Water jacket)을 사용하여 반응조 운전상태와 같은 조건으로 유지시켜 주었다. 계산된 산소소모율 값을 반응조내휘발성부유고형물(Volatile suspended solids: VSS)로 나누어 비산소소모율 값을 산정하였으며, 종속영양미생물과 질산화미생물의 비율은 비산소소모율 값을 이용하여 간접적으로 계산하였다.
- 3 범위로 운전되어 거의 변화가 없이 운전되었는데 이는 알칼리도 주입에 따른 것으로 보인다. 생물막에 부착된 미생물 (biomass) 의 양은 증류수를 이용하여 강한 압력으로 유동상 담체를 수차례 압박(squeezing) 하였고 GF/C 여과지(Whatman, 0.45 um)를 이용하여 측정하였다. 약 20개의 유동상 담체를 반응조에서 추출해 위의 과정을 수행하였으며, 반응조내 총 미디어의 개수를 환산하여 계산하였다.
- 이로 인해 시료내의 남아있는 기질을 최소화 해줌으로써 측정오류를 최소화 하고자 하였다. 시료 전처리 후 바로 용존산소 측정 셀(DO measuring cell) 에 시료를 넣고 용존산소 소모량을 측정하여 내생 호흡(Endogenous respiration)에 의한 산소소모율을 측정할 수 있었다. 내생호흡에 의한 산소소모율의 측정이 끝난 후 반응조 유입기질과 같은 농도의 기질(300 mg NH4+- N/L)을 cell에 넣어주어 총 산소소모율(Total OUR) 값을 측정하였다.
- 45 um)를 이용하여 측정하였다. 약 20개의 유동상 담체를 반응조에서 추출해 위의 과정을 수행하였으며, 반응조내 총 미디어의 개수를 환산하여 계산하였다.
- 온도 영향 계수(Temperature coefficient) 산정 생물막 아질산화 시스템과 아질산화 시스템의 온도 영향을 평가하기 위해 온도영향 계수(Temperature coefficient: 6)를 산정하고자 하였다. 합성 하수(Synthetic wastewater) 를 사용하고 유동상 담체를 이용한 R1 반응조와 미디어가 없는 R0 반응조를 대상으로 하였으며, Friedman and Schroeder (1972)이 제시한 변형된 Arrehenius 식(식 (1))을 이용하여 아질산 반응조 슬러지의 성장을 고려한 온도 영향계수를 산정하였다.
- 것이다. 유입수의 암모니움성 질소 (NH4-N)는 NH4HCO3 를 사용하여 약 300 mg NH4-N/L로 주입하였으며, 알칼리도는 NH4HCO3 와 NaHCO3 를 이용하여 아질산화에 필요한 알칼리도 요구량에 부합되도록 2, 400 mg CaCO3/L로 맞추어 주입하였다. 또한 고형물과 유기물 농도에 따른 영향을 알아보기 위해 Reactor 2 (R2)와 Reactor 3 (R3) 반응조에는 국내 J 하수처리장의 농축조와 소화조 상징액 (Table 2)을 혼합하여 유입수로 사용하였으며, 포도당(Glucose)을 탄소원으로 추가주입하여 R2에는 100 mg/L, R3 에는 200 mg/L로 각각 주입하였다.
- 내생호흡에 의한 산소소모율의 측정이 끝난 후 반응조 유입기질과 같은 농도의 기질(300 mg NH4+- N/L)을 cell에 넣어주어 총 산소소모율(Total OUR) 값을 측정하였다. 총 산소소모율 값은 독립영양미생물 (Autotrophs) 의 산소 섭취와 종속영양미생물 (Heterotrophs) 의 산소 섭취를 모두 포함하기 때문에 종속영양미생물의 산소소모율 (Heterotrophic OUR)을 측정하기 위해서 질산화 미생물 억제제인 allylthiourea (ATU)를 시료에 첨가하여 실험을 실시하였다. 총 산소소모율에서 종속영양미생물의 산소소모율을 빼주면 질산화 미생물의 산소소모율 값을 얻을 수 있다.
대상 데이터
- 168 g/cm3)를 겉보기 용적 대비 20%의 비율로 충진하였다. 각 반응조는 에어펌프(Nitto Kohki, 50 L #106502)를 이용하여 공기를 주입하였으며, 반응조내 안정적인 혼합을 위해 교반기를 사용하였다. 각 반응조의 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time: HRT)은 모두 8시간으로 유지하였으며, 냉각조절장치 (cooling unit)를 사용하여 온도를 35℃에서 15℃로 바꿔가며 운전하였다.
- 합성 하수(Synthetic wastewater) 를 사용하고 유동상 담체를 이용한 R1 반응조와 미디어가 없는 R0 반응조를 대상으로 하였으며, Friedman and Schroeder (1972)이 제시한 변형된 Arrehenius 식(식 (1))을 이용하여 아질산 반응조 슬러지의 성장을 고려한 온도 영향계수를 산정하였다. 온도 영향계수 산정을 위한 온도별측정 데이터는 정상상태의 자료를 이용하였다.
- 3에 요약하여 나타내었다. 온도별 유출수의 질소 화합물의 데이터는 정상상태에서의 측정자료를 이용하였다. 유입 암모니움성 질소는 대부분 아질산성 질소 또는 질산성 질소 형태로 산화되었으며 일부 암모니움성 질소는 세포 합성(C5H7O2N)에 사용되었다.
이론/모형
- Anthonisen 등(1976)에 따르면 질산화 시스템에서 FA와 FNA 는 아질산을 축적시키기 위해 아질산 산화 미생물 (Nitrite oxidizer)을 배제시킬 수 있는 중요한 저해 인자라고 보고하였다. 따라서 본 연구에서는 운전기간동안 pH와 유출수의 NO2-N 농도를 이용하여 Anthonisen 등(1976)의 연구방법을 이용하여 Fig. 5에 나타내었다. 그림의 Zone 2 는 FA 와 FNA 에 의한 아질산 축적이 가능한 영역으로 R1 에서 R3 반응조 모두 35~15℃까지 Zone 2 영역에 있어 낮은 온도에서 아질산 축적을 위한 NOB 억제에 FA inhibition 이 주요한 인자로 작용한 것을 확인할 수 있었다.
- 산정하고자 하였다. 합성 하수(Synthetic wastewater) 를 사용하고 유동상 담체를 이용한 R1 반응조와 미디어가 없는 R0 반응조를 대상으로 하였으며, Friedman and Schroeder (1972)이 제시한 변형된 Arrehenius 식(식 (1))을 이용하여 아질산 반응조 슬러지의 성장을 고려한 온도 영향계수를 산정하였다. 온도 영향계수 산정을 위한 온도별측정 데이터는 정상상태의 자료를 이용하였다.
성능/효과
- 또한 유입수내 유기물과 고형물이 없는 R1 반응조와 비교하여 반류수가 직접적으로 들어간 R2와 R3 반응조는 유기물과 고형물의 농도에 비례하여 더 낮은 아질산 전환율을 보였다. 결과적으로 생물막 아질산화 공정의 성공적인운전을 위한 한계 온도는 약 25℃ 로 볼 수 있으며 반응조의 수리학적 체류시간을 현재 조건인 8시간에서 더욱 길게운전하면 더 낮은 온도에서도 효과적인 아질산 축적을 달성할 수 있을 것이라 판단된다.
- 본 연구에서는 비록 온도가 감소하면서 아질산 전환율이 소폭 감소하였으나, 35~25℃에서 아질산 축적이 성공적으로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 그러나 20℃ 이하에서 운전시 아질산 전환이 급격히 감소하여 결과적으로 아질산 전환율이 30% 이하로 떨어진 것을 확인할 수 있었다. 또한 유입수내 유기물과 고형물이 없는 R1 반응조와 비교하여 반류수가 직접적으로 들어간 R2와 R3 반응조는 유기물과 고형물의 농도에 비례하여 더 낮은 아질산 전환율을 보였다.
- 그러나 20℃ 이하에서 운전시 아질산 전환이 급격히 감소하여 결과적으로 아질산 전환율이 30% 이하로 떨어진 것을 확인할 수 있었다. 또한 유입수내 유기물과 고형물이 없는 R1 반응조와 비교하여 반류수가 직접적으로 들어간 R2와 R3 반응조는 유기물과 고형물의 농도에 비례하여 더 낮은 아질산 전환율을 보였다. 결과적으로 생물막 아질산화 공정의 성공적인운전을 위한 한계 온도는 약 25℃ 로 볼 수 있으며 반응조의 수리학적 체류시간을 현재 조건인 8시간에서 더욱 길게운전하면 더 낮은 온도에서도 효과적인 아질산 축적을 달성할 수 있을 것이라 판단된다.
- 떨어진 것을 확인할 수 있었다. 또한 유입수의 유기물과 SS 농도가 증가할수록 온도에 대한 아질산 축적에 대한영향은 커짐을 알 수 있었으며 생물막 아질산화 공정의 성공적 운전을 위한 한계 온도는 25℃ 인 것으로 조사되었다. 생물막 아질산화 공정과 유동상 담체가 없는 일반적인 아질산화공정의 온도 영향 계수를 비교한 결과, 생물막 아질산화 공정의 온도영향계수는 1.
- , 1998). 본 연구에서는 비록 온도가 감소하면서 아질산 전환율이 소폭 감소하였으나, 35~25℃에서 아질산 축적이 성공적으로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 그러나 20℃ 이하에서 운전시 아질산 전환이 급격히 감소하여 결과적으로 아질산 전환율이 30% 이하로 떨어진 것을 확인할 수 있었다.
- 07 (Metcalf and Eddy, 2004)의 범위를 가지고 있다. 본 연구의 생물막 아질산화 공정의 경우 온도영향계수는 1.0143 로 조사되었으며, 아질산화 공정은 1.0414로 나타나 유동상 담체를 이용한 생물막 아질산화 공정이 온도의 영향을 상대적으로 덜 받는 것으로 나타났다
- 또한 유입수의 유기물과 SS 농도가 증가할수록 온도에 대한 아질산 축적에 대한영향은 커짐을 알 수 있었으며 생물막 아질산화 공정의 성공적 운전을 위한 한계 온도는 25℃ 인 것으로 조사되었다. 생물막 아질산화 공정과 유동상 담체가 없는 일반적인 아질산화공정의 온도 영향 계수를 비교한 결과, 생물막 아질산화 공정의 온도영향계수는 1.0131 로 아질산화 공정 (1.0454) 보다 온도의 영향이 적은 것으로 나타났다.
- 이러한 예측은 결국 유입되는 암모니움성 질소가 세포 합성에 의해 생성된 미생물 (Biomass) 의 질소 비율을 증가시키게 되는데 이로 인해 미생물 생산량(Cell yield) 값이 독립영양미생물보다 상대적으로 큰 종속영양미생물이 많은 R2와 R3 에서 질소 비율이 높게 나타난 것으로 판단된다. 실제로 비산소소모율(SOUR) 실험을 통해 종속영양미생물과 질산화미생물간 미생물의 비율을 간접적으로 알아본 결과(Fig. 4), 35℃에서 R3 반응조내종속영양미생물의 비율이 약 21%로 가장 높은 것으로 나타난 것을 확인할 수 있었다.
- 온도 변화에 따른 아질산 축적의 영향을 알아본 결과, 온도가 35℃ 에서 15℃ 로 감소함에 따라 암모니움성 질소가 아질산성 질소로 전환되는 비율도 함께 감소하는 경향을 보였으며, 20℃ 이하로 운전시 암모니움 산화(Ammonium oxidation)가 급격히 감소하여 아질산 전환율이 30% 이하로 떨어진 것을 확인할 수 있었다. 또한 유입수의 유기물과 SS 농도가 증가할수록 온도에 대한 아질산 축적에 대한영향은 커짐을 알 수 있었으며 생물막 아질산화 공정의 성공적 운전을 위한 한계 온도는 25℃ 인 것으로 조사되었다.
- 온도가 감소함에 따라 유출수의 암모니움성 질소가 증가하여 효과적인 아질산 축적이 이루어지지 않았으며 아질산산화에 의한 질산성 질소 농도가 증가할 것으로 예상하였으나 실제 아질산 산화가 거의 일어나지 않았다. 이는 항화 반응조 (chemostat) 에서 이미 대부분의 아질산 산화 미생물 (NOB) 이 반응조 외부로 유출되어 암모니아 산화 미생물 (AOB)로 우점되었기 때문인 것으로 판단된다.
- 그러나 유기물과 고형물이 주입되지 않은 R1 반응조의 경우 거의 대부분 독립영양미생물의 활동만이 있을 것으로 판단된다. 이러한 예측은 결국 유입되는 암모니움성 질소가 세포 합성에 의해 생성된 미생물 (Biomass) 의 질소 비율을 증가시키게 되는데 이로 인해 미생물 생산량(Cell yield) 값이 독립영양미생물보다 상대적으로 큰 종속영양미생물이 많은 R2와 R3 에서 질소 비율이 높게 나타난 것으로 판단된다. 실제로 비산소소모율(SOUR) 실험을 통해 종속영양미생물과 질산화미생물간 미생물의 비율을 간접적으로 알아본 결과(Fig.
후속연구
- 낮은 온도에서 아질산 축적이 온도에 따른 암모니아 산화 미생물(AOB) 과 아질산 산화 미생물 (NOB) 의 비성장률차이에 의한 이론(Hellinga et al., 1998)으로 설명될 수 없다면, Anthonisen 등(1976)이 제시한 FA와 FNA inhibition 에 의한 아질산 축적 이론으로 접근해봐야 할 것이다. Anthonisen 등(1976)에 따르면 질산화 시스템에서 FA와 FNA 는 아질산을 축적시키기 위해 아질산 산화 미생물 (Nitrite oxidizer)을 배제시킬 수 있는 중요한 저해 인자라고 보고하였다.
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