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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 하수고도처리를 목적으로 연구가 많이 진행되고 있는 종 중에 하나인 C. vulgaris를 대상 미세조류로 선정하여 pH 조절 방법 및 질소원의 종류가 미세조류의 성장 및 N, P 제거에 미치는 영향을 평가하였다.
제안 방법
- pH controller와 정량펌프를 설치하였고, 1M NaOH와 1M HCl을 이용하여 pH가 7로 유지되도록 하였다. 2.2.1의 1 L 용량의 실험에서는 pH 제어가 용이하지 않아 pH 제어가 가능하도록 working volume 2 L의 반응기를 제작하여 실험을 진행하였으며, 본 실험에서는 폭기만으로도 교반효과가 있었기 때문에 다른 교반장치는 설치하지 않았다. 기타 조건은 pH를 1일 간격으로 조절한 실험과 동일하게 설정하였다.
- pH를 7로 일정하게 유지시켜주는 조건에서 질소원에 따른 미세조류 성장량 및 N, P 제거능을 평가하였다. pH controller와 정량펌프를 설치하였고, 1M NaOH와 1M HCl을 이용하여 pH가 7로 유지되도록 하였다.
- 또한, 본 연구에서는 3일째까지 광을 조사하는 동안 dry weight과 N, P의 분석주기를 24시간에서 6시간으로 단축하여 L/D cycle에 따른 C. vulgaris의 성장 및 N, P 제거경향을 세분화하여 관찰하였다. 그 결과, 미세조류의 성장은 예상대로 대부분 광이 조사되는 동안 일어났으며, 암조건 동안에는 성장을 거의 하지 않는 결과를 나타냈다.
- 미세조류의 N, P 제거속도 및 제거량 등을 파악하기 위해, 인공하수 내 NO3--N 및 NH4+-N, PO43--P를 측정했으며, Water analyzer(HS3300, HUMAS)로 분석하였다.
- 본 실험에서는 BG11 medium의 N, P 농도를 각각 30 mg/L과 3 mg/L으로 조정하여 인공하수를 조제하였으며, 질소원에 따른 N, P 제거효율을 평가하기 위해 NO3-와 NH4+가 각각 단독으로 존재할 때와 NO3-와 NH4+가 1 : 1의 비율로 동시에 존재하는 세 가지 조건을 설정하였다.
- 본 연구에서는 pH 7을 1일 간격으로 조절한 경우와 연속적으로 유지한 경우에 대해 C. vulgaris를 이용하여 유입하수에 존재 가능한 질소원의 종류에 따른 미세조류의 성장 및 N, P 제거능을 평가하였다.
대상 데이터
- 온도는 상온인 25±1 ℃를 유지시켰다. 광원은 태양광과 유사한 혼합 파장을 갖는 White LED를 사용했고, 광량은 PPFD(photosynthetic photon flux density)로 100 ㎛ol/m2/s가 되도록 조절하였다. L/D cycle은 일 주기를 기준으로 12 : 12 로 하여 6일 동안 운전하였다.
- 광원은 형광등을 사용하였고, 광조사 주기 Light : Dark = 24 : 0, 광량은 100 μmol/m2/s로 설정하여 2주간 배양 후 실험에 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 Chlorella vullgaris (AG10194)는 KCTC(Korean collection for type culture)로부터 분양받았으며, bluegreen(BG)11 medium(NaNO3 1.5 g/L, MgSO4·7H2O 0.075 g/L, K2HPO4 0.04 g/L, CaCl2·2H2O 0.036 g/L, Na2CO3 0.02 g/L, citric acid 0.006 g/L, ferric ammonium citrate 0.006 g/L, EDTA 0.001 g/L, trace 1 mL/L)을 이용하여, 250 mL cell culture flask 에서 200 mL의 working volume으로 초기 pH 7, 온도 25±1 ℃를 유지시키며 배양하였다.
이론/모형
- pH 측정은 pH meter(pH-200L, iSTEK)를 사용하였고, chlorophyll-a는 Standard method에 따라 분석하였다(Andrew, 2005).
- 미세조류 성장량 파악을 위해 dry weight을 측정했으며, standard method 방법에 따라 측정이 이루어졌다(Andrew, 2005).
성능/효과
- 4). 3일째까지 많은 양의 인이 제거되었으며, 3일동안의 제거속도는 질소원이 NO3-일 경우 0.84 mg/L/d, NH4+일 경우 0.79 mg/L/d, NO3-와 NH4+를 혼합하여 주입한 경우 0.91 mg/L/d로, 평균 약 0.85 mg/L/d으로 계산되었다.
- 1, a), 질소원이 NO3-일 때 성장이 가장 우수했으며, NH4+일 경우 가장 저조하였다. 6일째에서의 dry weight 값은 NO3-의경우 360 mg/L, NO3-와 NH4+를 혼합하여 주입한 경우 280 mg/L, NH4+인 경우 240 mg/L의 순으로 측정되어, NH4+에 비해 NO3-를 주입한 경우 C. vulgaris의 성장량이 약 70 % 높게 나타났다.
- Fig. 5에 제시한 pH 7 유지조건에서의 C. vulgaris 성장량은 모든 조건에서 평균 926 mg/L로, pH를 1일 간격으로 조절한 경우와 비교하여 NH4+의 경우 약 4배가 증가했으며, NO3-의 경우도 약 2.5배 증가하는 결과를 나타냈다(Table 1). 이는 pH가 적정범위로 유지됨에 따라 미세조류가 항상성을 유지하기 위해 필요로 하는 에너지를 성장에 사용했기 때문으로 판단된다.
- pH 7로 연속적으로 유지한 경우에는 질소원에 따른 미세조류의 성장과 영양염류 제거능에 유의한 차이가 없는 것으로 나타났으나, pH를 1일 간격으로 조절했을 때에 비하여 C. vulgaris의 성장량은 조건에 따라 2.5 ~ 4배까지 증가했으며, 성장속도와 N, P 제거속도가 각각 4.6배, 2.0배, 3.8배 빨라지는 것으로 나타났다.
- pH를 1일 간격으로 조절한 경우, 질소원이 NO3-인 경우에는 pH가 8.8까지 증가하는 반면, NH4+인 경우에는 pH가 4까지 감소하여 미세조류의 성장에 저해를 미치는 것으로 나타났다.
- 6에서 알 수 있듯이, dry weight의 결과와 마찬가지로, 대부분의 질소는 광을 조사해 준 동안 제거되는 것으로 나타났다. 광조건 동안의 질소 제거속도는 모든 질소원의 조건에서 평균 16.2 mg/L/d 로 계산되었고, 암조건에서는 3.1 mg/L/d 가 제거되는 것으로 계산되어, 암조건에 비해 광조건시 질소제거가 약 5배 빠른 것으로 나타났다.
- vulgaris의 성장 및 N, P 제거경향을 세분화하여 관찰하였다. 그 결과, 미세조류의 성장은 예상대로 대부분 광이 조사되는 동안 일어났으며, 암조건 동안에는 성장을 거의 하지 않는 결과를 나타냈다. 이는 명반응에 의해 생성된 ATP, NADPH와 같은 대사산물이 암조건에서 고갈된 후부터는 대사가 진행되지 않기 때문으로 판단된다.
- 그러나 pH를 1일 간격으로 조절한 경우와 비교했을 때, 질소고갈 및 chlorophyll-a의 감소 시점이 3일 정도 빨라진 것을 볼 수 있으며, 질소 제거속도가 약 2배 증가하는 것으로 계산되었다(Table. 1).
- 그러나 질소원의 종류에 따라서는 pH 7로 유지된 것과 관계없이 세 경우 모두 유사한 성장결과를 보였으며, 6일 동안의 growth rate을 계산한 결과 역시 모든 질소원에서 유의한 차이 없이 약 0.17 day-1을 나타냈다.
- 따라서 장기적인 하수처리장 운영을 고려했을 때, C. vulgaris의 성장 및 N, P 제거에 가장 적합한 질소원은 추가 약품주입을 필요로 하지 않고 pH 조절이 용이한 장점이 있는 NO3-로 판단되며, pH를 적정범위로 제어해 줄 필요가 있다.
- 8까지 증가하였는데 이는 미세조류가 NO3-를 NH4+로 환원시키는 과정에서 수중의 H+ 이온을 소모하고 OH- 이온을 방출했기 때문이다. 반면, NH4+를 주입한 경우는 미세조류가 체내합성에 NH4+를 이용하면서 H+ 이온을 방출하여 수중의 pH가 감소하는 결과를 보였다. Martinez, M.
- 이상의 결과들로부터 광조사 주기를 L : D = 24: 0 으로 증가시킨다면 처리수의 N, P 농도가 각각 30 mg-N/L와 3 mg-P/L 일 경우, 운전 1일만에 국내 공공하수처리시설의 방류수 수질기준(Ⅲ 지역 기준, 1일 하수처리용량 500 m3미만 50 m3이상 – T-N : 20 mg/L 이하, T-P : 2 mg/L 이하)을 만족시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 1) 2일만에 인이 모두 제거되는 결과를 나타냈다. 질소와 마찬가지로 인 경우에도 암조건에서는 평균 0.3 mg/L/d가 제거된 반면, 광조건에서는 평균 2.6 mg/L/d가 제거되는 것으로 계산되어 인 제거효율이 약 10배 높은 것으로 나타났다.
- 질소원에 따른 C. vulgaris의 성장량을 비교한 결과(Fig. 1, a), 질소원이 NO3-일 때 성장이 가장 우수했으며, NH4+일 경우 가장 저조하였다. 6일째에서의 dry weight 값은 NO3-의경우 360 mg/L, NO3-와 NH4+를 혼합하여 주입한 경우 280 mg/L, NH4+인 경우 240 mg/L의 순으로 측정되어, NH4+에 비해 NO3-를 주입한 경우 C.
- 질소원에 따른 인 제거속도 및 제거량에는 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다(Fig. 4). 3일째까지 많은 양의 인이 제거되었으며, 3일동안의 제거속도는 질소원이 NO3-일 경우 0.
- 질소원의 종류에 따라 타 조건에 비해 NH4+의 경우 약간 빠르게 감소되는 것으로 보이나, 고갈 시점에는 거의 차이가 없는 것으로 나타났다.
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