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문제 정의
- 본 연구는 Bacillus를 이용하여 처리하는 공정과 활성슬러지를 이용하여 처리하는 공정의 미생물 EPS( Extracellur Polymeric Substances) 물질인 protein, carbohydrate의 생성량 비교, 생성된 EPS물질에 대한 protein/carbohydrate의 비율을 반응조별로 분석하고, Bacillus 미생물을 이용하는 공정과 활성슬러지 공정에서의 효율을 비교하기 위함이다.
제안 방법
- 내용물은 capsule-bound 물질을 회수하기 위해 vortex blender를 이용하여 가장 높은 속력에서 1분 동안 혼합시킨다. 3단계는 EPS 여과 및 포집단계로 각각의 추출 후에 원심분리하여 얻어진 상징액은 0.22um cellulose acetate filter에 여과하고 다음 3가지 방법으로 분석하였다. ① Regular centrifugation with formaldehyde (RCF); stripping 과정에서 초순수 대신에 Formaldehyde 0.
- 그리고 생물반응조 3단과 4단에서 다시 낮아지는 DO농도로 인해 Bacillus 미생물이 생존하기에 불리한 환경 조건이 되어 다시 포자를 형성하도록 운영하고 있다. 4개의 생물반응조와 생물반응조 1단으로 반송되는 슬러지를 이용하여 DO농도와 EPS물질을 추출하고 MLSS와 SV30 을 통하여 얻어진 결과값을 근거로 SVI를 산정한다. 또한 EPS물질 중 protein 함량과 SVI 값을 비교하여 침전효율을 판단한다.
- 문헌을 참고하였다. Bacillus 미생물은 액체배지 상태에서 항온교반을 통해 24시간동안 미생물을 배양하였고, 다량의 미생물을 얻기 위하여 농화배양을 3차까지 수행하였다. 본 실험에서는 U, J 슬러지 cake를 액체배지로 Bacillus 미생물을 배양하였으며 Bacillus 미생물의 우 점화를 통하여 다량의 EPS 물질을 얻고 또한 미생물의 optical density 측정 시 흡광도에 영향을 미치는 슬러지 cake의 불순물을 없애기 위해 미생물을 농화 배양시켰다.
- 본 실험에서는 U, J 슬러지 cake를 액체배지로 Bacillus 미생물을 배양하였으며 Bacillus 미생물의 우 점화를 통하여 다량의 EPS 물질을 얻고 또한 미생물의 optical density 측정 시 흡광도에 영향을 미치는 슬러지 cake의 불순물을 없애기 위해 미생물을 농화 배양시켰다. Bacillus 미생물을 농화배양하기 위한 방법으로 미생물 슬러지 cake 을 3g(습중량)/500mL액체배지+무기염료)에 넣고 Bacillus 미생물의 우점화를 위해 80~85oC에서 30분 동안 stirring한 후 shaking incubator에서 다음 배양조건을 적용하여 1차 배양하였다. 1차 배양이 끝난 후 1차 배양액 50mL을 액체 배지에 넣고 1차 배양과 같은 조건에서 2차농화배양 하였다.
- CNR공법으로 운전 중인 G하수처리장과 DNR공법으로운전 중인 C하수처리장의 시료를 채취하여 미생물을 이용하는 공법과의 EPS 추출물질에 의한 침강성을 비교 실험하였다. CNR공법은 생물반응조를 혐기조(Anaerobic Reactor), 무산소조(Anoxic Reactor), 호기조(Aerobic Reactor)로 분할하고 C/N비 조정을 위하여 유입수를 혐기조와 무산소조로 분할 공급하며, 호기조에 섬모상 담체를 충진하여 질산화 미생물을 고정시켜 유기물 및 질소, 인을 제거하는 하수 고도처리 기술이다.
- 4개의 생물반응조와 생물반응조 1단으로 반송되는 슬러지를 이용하여 DO농도와 EPS물질을 추출하고 MLSS와 SV30 을 통하여 얻어진 결과값을 근거로 SVI를 산정한다. 또한 EPS물질 중 protein 함량과 SVI 값을 비교하여 침전효율을 판단한다. U 분뇨처리장의 각 반응조별 EPS 측정 결과와 protein/carbohydrate 비율을 Fig.
- 따라서 이에 대한 적절한 보상계수를 이용하여 단백질을 정량한다. 미지의 시료를 각각 280nm, 260nm에서 흡광도를 측정한 다음 280nm에서 측정값을 A280, 260nm에서의 측정값을 A260 정하고 A280/A260의 비를 계산한 후 표에서 적절한 보정계수를 찾아 설정된 식에 따라 미지시료의 protein 농도를 계산한다.
- Bacillus 미생물은 액체배지 상태에서 항온교반을 통해 24시간동안 미생물을 배양하였고, 다량의 미생물을 얻기 위하여 농화배양을 3차까지 수행하였다. 본 실험에서는 U, J 슬러지 cake를 액체배지로 Bacillus 미생물을 배양하였으며 Bacillus 미생물의 우 점화를 통하여 다량의 EPS 물질을 얻고 또한 미생물의 optical density 측정 시 흡광도에 영향을 미치는 슬러지 cake의 불순물을 없애기 위해 미생물을 농화 배양시켰다. Bacillus 미생물을 농화배양하기 위한 방법으로 미생물 슬러지 cake 을 3g(습중량)/500mL액체배지+무기염료)에 넣고 Bacillus 미생물의 우점화를 위해 80~85oC에서 30분 동안 stirring한 후 shaking incubator에서 다음 배양조건을 적용하여 1차 배양하였다.
- DNR공법은 표준활성슬러지 공법을 변형한 공법으로 슬러지 탈질조(Pre- Anoxic Tank), 혐기성조(Anaerobic Reactor), 무산소조 (Anoxic Reactor), 호기성조(Aerobic Reactor)로 구성되며 질산성 질소를 제거하기 위한 내부반송과 침전지 슬러지 반송으로 구성되어 있다. 활성슬러지를 이용하여 하수를 처리하는 CNR 공법과 DNR 공법으로 운전중인 두 개의 하수처리장의 반응조별 EPS 생성물질을 추출하여 protein과 carbohydrate를 비교 분석하였다. G하수처리장의 반응조별 EPS 추출물질을 분석한 결과는 Bacillus 미생물을 이용하는 처리장과는 다른 결과를 나타냈다.
이론/모형
- carbohydrate 함유량을 분석하기 위하여 phenol sulfate acid method를 이용한 흡광광도법을 활용하였다. 전체 carbohydrate 함량을 측정하여 정량하는 비색측정 방법으로 시료의 당함량 측정에 널리 이용되고 있다.
- protein 함량 분석은 Warburg-Christian method를 이용하였다. 대부분의 순수한 단백질의 농도는 280nm에서 흡광도를 측정함으로써 신속히 결정할 수 있다.
- 현재 많이 사용되고 있는 다섯 가지 추출 방법은 Regular centrifugation, EDTA extraction, Ultracentrifugation, Steaming extraction, Regular centrifugation with formaldehyde이다. 본 연구에서는 다섯 가지 추출방법 중 RCF, Steaming, EDTA에 대한 실험 방법 (Zhang et al., 1999) 에 의하여 분석하여 결과를 도출하였다. 1단계는 미생물 세척단계로, 생물막 샘플(1g)과 water 25mL 를 원심분리기 튜브에 넣는다.
성능/효과
- 1. U시료의 protein은 초기에 carbohydrate보다 낮게 측정되었지만 11시간 이후부터는 점차 높게 측정되었다. J시료의 protein 또한 U시료와 마찬가지로 초기에 carbohydrate보다 낮게 측정되었으나 13시간 후부터는 높게 측정되었다.
- 2. 세 가지 추출방법에 따른 EPS 추출물질량을 비교하면, EPS의 구성물질은 포자화 전보다 포자화 후에 더 많은 양이 추출되는 것으로 나타났다. 포자화 전 protein은 Staming 방법에 의하여 가장 높게 분석되었으며, carbohydrate는 RCA 방법에 의하여 가장 높게 측정되었다.
- 3. U분뇨처리장의 생물반응조 2단에서 protein/ carbohydrate 비율이 가장 낮은 상태를 유지하다가 침전조에서는 최대값을 보이고 있다. protein/ carbohydrate 비율이 최대가 되면서 Bacillus 미생물의 protein의 함량이 carbohydrate 보다 많아지기 때문에 침전효율이 높은 것을 판단된다.
- 4. Bacillus 미생물을 이용하는 처리공정에서의 protein, carbohydrate 추출물질 분석결과와 CNR, DNR 공정에서의 활설슬러지로부터 추출한 물질 분석결과를 침전에 미치는 영향과의 관계를 분석하면 Bacillus 미생물을 이용하는 공정에서와 같이 protein, carbohydrate 함량이나 비율이 침전 효율에 큰 영향을 미치는 상관관계를 도출할 수 없었다.
- 그리고 SVI는 150 mg/L 이상으로 침전은 양호하지 않은 것으로 나타났다. Bacillus 미생물을 이용하는 처리공정에서의 protein, carbohydrate 추출물질 분석 결과와 CNR, DNR 공정에서의 추출물질 분석결과를 침전에 미치는 영향과의 관계를 분석하면 Bacillus 미생물을 이용하는 공정에서와 같이 protein, carbohydrate 함량이나 비율이 침전 효율에 큰 영향을 미치는 상관관계를 도출할 수 없었다. 다만, Bacillus 미생물을 사용하는 처리공정에서는 EPS 물질함량, 그 비율과 침전은 상당한 비례적 관련성을 보이고 있는 반면, 활성슬러지를 활용하는 처리공정에서의 결과를 분석하면 활성슬러지의 protein carbohydrate 함량 또는 그 비율이 침전효과와 관련성을 찾기 어려움을 알 수 있다.
- 따라서 침전조에서 생물 반응조 1단으로 반송되는 포자화된 Bacillus 미생물은 높은 DO 로 인해 발아를 시작하며 2단에서 포기량을 높여 Bacillus 미생물의 활성도를 높여 유기물, 영양염류 등을 제거하고 3단과 4단에서 다시 낮아진 DO로 인해 Bacillus 미생물이 생존하기에 불리한 환경조건이 되므로 포자를 형성한다. DO 의 농도가 낮아질수록 EPS 추출물질 중 protein 의 생성에 영향을 미치며 protein의 함량이 증가할수록 침전도 양호한 것으로 판단된다.
- RCF 법을 적용하였을 때 carbohydrate 물질이 다른 추출법에 비해 가장 많이 추출되었고 Steaming extraction 방법을 적용하였을 때 protein이 가장 많이 추출되는 것으로 나타났다. EPS의 구성물질은 포자화 전보다 포 자화 후에 더 많은 양이 추출되는 것으로 나타났다. 포자 화전에는 protein은 Staming 방법에 의하여 가장 높게 분석되었으며, carbohydrate는 RCA 방법에 의하여 가장 높게 측정되었다.
- 2와 같다. RCF 법을 적용하였을 때 carbohydrate 물질이 다른 추출법에 비해 가장 많이 추출되었고 Steaming extraction 방법을 적용하였을 때 protein이 가장 많이 추출되는 것으로 나타났다. EPS의 구성물질은 포자화 전보다 포 자화 후에 더 많은 양이 추출되는 것으로 나타났다.
- J 시료의 protein 또한 U시료와 마찬가지로 초기에 carbohydrate보다 낮게 측정되었으나 13시간 후부터는 높게 측정되었다. carbohydrate 측정결과 U시료는 반응시간 3시간 후에 가장 높은 양을 나타내었고 3시간 이후부터는 점점 감소하는 경향을 나타내었다. J시료의 carbohydrate는 6시간에 가장 많은 양을 나타냈고 6시간 이후부터는 점점 감소하는 경향을 Fig.
- 4에서와 같이 나타났다. 각 반응조를 거치면서 EPS 추출물질 중 protein의 함량은 생물반응조 2단을 지나면서 점점 증가하는 것으로 나타났으며 carbohydrate는 거의 일정한 함량을 보이다가 침전조에서 감소하는 경향을 나타냈다. 그 이유는 침전조에서 포자를 형성한 Bacillus 미생물이 생물반응조 1단으로 반송이 되면 높은 DO 농도와 유기물질 유입으로 인하여 발아를 시작하고 2단에서 포기량을 늘려 Bacillus 미생물의 활성도가 높아져서 미생물이 활동하기에 유리한 환경이 조성되면서 산소를 섭취하여 유기물과 영양염류 등을 제거하기 때문에 EPS 추출물질 중 protein의 함량이 감소한 것으로 판단된다.
- Bacillus 미생물을 이용하는 처리공정에서의 protein, carbohydrate 추출물질 분석 결과와 CNR, DNR 공정에서의 추출물질 분석결과를 침전에 미치는 영향과의 관계를 분석하면 Bacillus 미생물을 이용하는 공정에서와 같이 protein, carbohydrate 함량이나 비율이 침전 효율에 큰 영향을 미치는 상관관계를 도출할 수 없었다. 다만, Bacillus 미생물을 사용하는 처리공정에서는 EPS 물질함량, 그 비율과 침전은 상당한 비례적 관련성을 보이고 있는 반면, 활성슬러지를 활용하는 처리공정에서의 결과를 분석하면 활성슬러지의 protein carbohydrate 함량 또는 그 비율이 침전효과와 관련성을 찾기 어려움을 알 수 있다.
- DO 농도가 낮아질수록 protein의 함량은 계속 증가하고 carbohydrate의 함량은 특이한 변화를 보이지 않고 있으며, 반응조를 지나면서 DO 농도가 낮아질수록 EPS 추출물질 중 protein 의 함량이 점점 증가하며 그에 따른 SVI도 150mL/g 이하로 양호하게 측정이 되고 있다. 따라서 G하수처리장도 DO 농도가 EPS 추출물질 중 protein의 함량에 영향을 미치는 것으로 판단되며, 그에 따른 protein의 함량이 침전에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 점감포기로 인해 생물 반응조 2단과 3단을 지나면서 DO 농도가 낮아지면 Bacillus 미생물이 생존하기에 불리한 환경조건이 조성이 되어 포자를 형성하게 된다. 반응조를 지날수록 DO 의 농도는 낮아지며 Bacillus 미생물이 생존하기에 불리한 조건이 되어 포자 화를 이루고 점액물질인 EPS를 내보내 protein /carbohydrate 비율이 침전조에서 상대적으로 높아짐에 따라 침전성이 향상된다고 판단된다. DO 농도가 낮아질수록 protein의 함량은 계속 증가하고 carbohydrate의 함량은 특이한 변화를 보이지 않고 있으며, 반응조를 지나면서 DO 농도가 낮아질수록 EPS 추출물질 중 protein 의 함량이 점점 증가하며 그에 따른 SVI도 150mL/g 이하로 양호하게 측정이 되고 있다.
- 그 이유는 생물반응조 1단에서 발아된 Bacillus가 생물반응조 2단에서 포기량을 늘려 Bacillus 미생물의 활성도가 높아졌으며 활성도가 높아진 Bacillus 미생물이 산소를 섭취하여 유기물 등을 제거하므로 생물반응조 2단이 1단보다 포기량은 많지만 DO 농도는 오히려 생물반응조 1단보다 낮게 측정된 것으로 판단된다. 반응조별 EPS 추출물질은 protein의 함량보다 carbohydrate의 함량이 높게 측정되었다. 그러나 carbohydrate의 경우 각 반응조를 거치면서 특별한 변화가 없지만 protein의 경우 생물반응조 2단에서부터 침전조까지 꾸준히 증가하는 것을 알 수 있으며 그에 따른 SVI도 90mL/g 이하로 양호한 수치를 보였다.
- SVI는 혐기조에서 침전조를 지나면서 점점 낮아지는 경향을 보이고 있으며 SVI는 130mg/L 정도를 보이고 있다. 본 실험의 G 하수처리장의 반응조별 EPS 추출물질과 SVI 측정값으로 침강성 요인을 파악하는 것이었으나 Bacillus를 이용하는 공법에서와는 달리 일반활성슬러지 공법의 변형인 CNR 공법으로 운전 중인 G하수처리장에서는 EPS 추출물질로 인한침강성은 관련성이 낮은 것으로 판단된다.
- EPS의 구성물질은 포자화 전보다 포 자화 후에 더 많은 양이 추출되는 것으로 나타났다. 포자 화전에는 protein은 Staming 방법에 의하여 가장 높게 분석되었으며, carbohydrate는 RCA 방법에 의하여 가장 높게 측정되었다. 포자화 후에는 protein은 Steaming 방법에 의하여 가장 높게 분석되었으며, carbohydrate는 RCA 방법에 의하여 가장 높게 분석되었다.
- 포자 화전에는 protein은 Staming 방법에 의하여 가장 높게 분석되었으며, carbohydrate는 RCA 방법에 의하여 가장 높게 측정되었다. 포자화 후에는 protein은 Steaming 방법에 의하여 가장 높게 분석되었으며, carbohydrate는 RCA 방법에 의하여 가장 높게 분석되었다.
- 후 상태의 미생물의 EPS추출결과 구성 물질은 적용되는 추출방법에 따라 추출되는 양이 달라지는 것으로 나타났다 . U 분뇨처리장으로부터 입수한 Bacillus 미생물의포자화 전.
- U, J시료의 포자화 전.후의 EPS 구성물질 중 carbohydrate와 protein 측정결과 포자화 후의 분석값은포자화 전의 분석값보다 낮게 측정되었고 측정 물질 중 protein이 많이 포함되어 있는 것으로 나타났다. 시간에 따른 protein과 carbohydrate 측정결과 U시료의 protein은 초기에 carbohydrate보다 낮게 측정되었지만 11시간 이후부터는 높게 측정되었다.
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