[논문]Mixotrophic 미세조류를 이용한 유기물 및 영양염류 제거에 미치는 pH 및 폭기의 영향

김선진; 이윤희; 황선진

doi:10.11001/jksww.2013.27.1.69

Mixotrophic 미세조류를 이용한 유기물 및 영양염류 제거에 미치는 pH 및 폭기의 영향
Effects of pH and aeration rates on removal of organic matter and nutrients using mixotrophic microalgae 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.27 no.1, 2013년, pp.69 - 76

김선진 (경희대학교 공과대학 환경공학과.환경연구센터) , 이윤희 (경희대학교 공과대학 환경공학과.환경연구센터) , 황선진 (경희대학교 공과대학 환경공학과.환경연구센터)

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Specific growth rate and removal rate of nitrogen and phosphorus of Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris, Senedesmus dimorphus those are able to metabolite mixotrophically and have high nitrogen and phosphorus removal capacity were examined. Based on the results, one microalgae was selected and conducted experiments to identify the operating factors such as pH and aeration rate. The specific growth rate and phosphorus removal rate of C. sorokiniana significantly presented as $0.29day^{-1}$ and 1.65 mg-P/L/day, while the nitrogen removal rate was high as 12.7 mg-N/L with C. vulgaris. C. sorokiniana was chosen for appropriate microalgae to applying for wastewater treatment system and was cultured in pH ranged 3 to 11. High specific growth rate and removal rate of nitrogen and phosphorus were shown at pH 7 as $0.71day^{-1}$, 7.61 mg-N/L/day, and 1.24 mg-P/L/day, respectively. The specific growth rate examined with aeration rate between 0 and 2 vvm (vol/vol-min) highly presented as $1.2day^{-1}$ with 1.5 ~ 2 vvm, while the nitrogen removal rate was elevated with 0.5 vvm as 9.43 mg-N/L/day.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

7 mg-N/L/d로 가장 높게 나타났다. 따라서 하폐수고도처리 적용을 위해 성장률 및 유기물과 인 제거능이 우수한 C. sorokiniana를 선정하여 하폐수고도처리 적용시 운전인자 파악을 위한 실험을 진행했다.
본 연구에서는 미세조류를 이용한 하폐수고도처리를 위해 mixotrophic으로 성장이 가능한 미세조류 문헌연구를 통해 선정하고, 선정된 미세조류의 운전인자 파악을 위해 pH와 폭기량에 따른 성장특성 및 유기물, 질소, 인 제거능을 평가하였다.
본 연구에서는 하수고도처리에 적합한 mixotrophic 미세조류로 C. sorokiniana를 선정하여 하폐수고도처리시 pH 및 폭기량이 미세조류 성장 및 N, P 제거에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실험을 수행했다. pH 3 ∼ 11의 조건에서 C.

제안 방법

1 L 삼각플라스크에 working volume을 600 mL로 실험을 진행했고, 무기탄소원으로 NaHCO₃를 0.5 g-C/L, 유기탄소원으로 글루코즈를 0.5 g-C/L 주입했으며, 질소는 NaNO₃를 40 mg-N/L, 인은 K₂ HPO₄를 5 mg-P/L 주입해 주었다. 초기 미세조류 접종농도는 150 mg/L, 반응기 교반속도는 140 rpm, 온도는 25 ℃ 그리고 광도는 100 µmol/m²/sec로 24시간 조사해주었으며, pH는 24시간마다 7로 조절하여 batch test로 6일간 실험했다
무기탄소원으로 NaHCO₃를 1 g-C/L, 유기탄소원으로 글루코즈를 1 g-C/L 주입해주었으며, 질소는 NaNO₃로 40 mg-N/L, 인은 K₂ HPO₄로 5 mg-P/L를 설정해주었다. 광도 및 교반속도는 미세조류 배양시와 동일한 조건으로 운전했다.
미세조류 성장량 측정을 위해 10 mL의 샘플을 0.47 μm GF-C filter에 여과한 후, 여과된 여지를 105 ℃에서 2시간 건조하여 측정한 건조무게로부터 계산하여 도출했다.
적정 pH 파악을 위해 HCl과 NaOH를 이용하여 pH를 3, 5, 7, 9, 11로 달리하여 batch test 로 4일간 실험을 진행했다. 이때 반응기 교반속도 140 rpm으로 교반했으며, pH는 48시간 동안은 12시간마다 48시간 이후에는 24시간마다 조절해주었다.
적정 폭기량 파악을 위해 산기석이 장착된 air pump를 이용하여 유량을 0, 0.5, 1, 1.5, 2 vvm(vol/vol·min)으로 설정하여 pH 실험과 동일하게 batch test로 4일간 실험을 진행했다.
초기 미세조류 접종농도는 150 mg/L, 반응기 교반속도는 140 rpm, 온도는 25 ℃ 그리고 광도는 100 µmol/m2/sec로 24시간 조사해주었으며, pH는 24시간마다 7로 조절하여 batch test로 6일간 실험했다

대상 데이터

C. sorokiniana(AG20740), C. vulgaris(AG 10194)는 국내 생명자원센터에서 분양받았고, S. dimorphus는 한국해양연구원에서 분양받아 BG11배지에서 지속적으로 계대 배양했다. 이때 배지는 120 ℃에서 20분간 멸균한 후 사용 했다.
미세조류 중에서 mixotrophic으로 대사가 가능하고, 질소, 인 제거능이 높은 Chlorella sorokiniana, Chlorella vulgaris, Scenedemus dimorphus를 선정했다.
, Botrycococcus braunii 등이 있으며, 이들 종의 질소, 인 및 유기물 제거능을 Table 1에 나타냈다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 mixotrophic 대사가 가능한 미세조류 중에서 질소, 인 제거능이 우수한 C. sorokiniana, S. dimorphus, C. vulgaris를 대상 미세조류로 선정했다. 선정된 3종의 미세조류에 대한 기본특성 및 적용분야는 다음과 같다.

이론/모형

47 μm GF-C filter에 여과한 후, 여과된 여지를 105 ℃에서 2시간 건조하여 측정한 건조무게로부터 계산하여 도출했다. 글루코즈는 DNS법으로 UV spectrometer(HS3300, Humas Co.)를 이용하여 575 nm에서 분석했고, 질소와 인은 수질분석 Kit법을 이용하여 water analyzer(model HS-3300, HUMAS Inc.)로 분석했다.

성능/효과

0.5 ∼2 vvm 조건에서 폭기량에 관계없이 성장률 및 질소, 인 제거속도는 비슷하였으나, 질소, 인 제거효율을 높여주기 위해서는 0.5 vvm 이상, 성장량 증대를 위해서는 1 vvm 이상의 폭기가 요구되는 것으로 나타났다.
2 day^-1의 낮은 비성장률을 나타냈다. C. sorokiniana는 pH 7과 9에서 가장 활발한 성장을 보였으며, pH 3의 산성조건과 pH 11의 알칼리 조건에서는 C. sorokiniana 의 성장이 저조한 것으로 나타났다. Park et al.
Table 3은 pH에 따른 C. sorokiniana의 글루코즈와 질소, 인 제거속도를 산출한 것으로 글루코즈 제거속도는 pH 9에서 0.83 g/L/d로 가장 높았으며, 질소와 인의 경우는 pH 7에서 7.61 mg-N/L/d 및 1.24 mg-N/L/d로 다소 높게 나타났다
pH 3 ∼ 11의 조건에서 C. sorokiniana를 배양한 결과, pH 5 ∼ 9에서 높은 성장량과 질소, 인 제거능을 나타냈으며, pH 3과 11에서는 성장에 저해를 받는 것으로 나타났다.
sorokiniana를 배양한 결과, pH 5 ∼ 9에서 높은 성장량과 질소, 인 제거능을 나타냈으며, pH 3과 11에서는 성장에 저해를 받는 것으로 나타났다. pH 7에서 비성장률은 0.7 day^-1로 가장 높았으며, 질소 제거속도 7.61 mg-N/L/ day로 가장 우수한 제거능을 나타냈다. 폭기량에 따른 실험결과 폭기량에 관계없이 폭기를 해준 경우가 미폭기시 보다 2배 이상 높은 성장률을 나타냈다.
sorokiniana 배양시 폭기량에 따른 글루코즈와 질소, 인 농도를 나타낸 것이다. 글루코즈는 폭기량에 관계없이 90% 이상의 제거율을 나타냈으며, 미폭기시에는 74%의 제거율을 나타냈다.
글루코즈와 질소, 인은 미세조류 종에 관계없이 100 % 제거율을 나타냈으나, Table 2에서와 같이 유기물과 질소, 인의 제거속도는 다소 차이를 나타냈다. 글루코즈와 인 제거속도는 각각 0.56 g/L/d, 1.65 mg-P/L/d 로 C. sorokiniana가 가장 높았으며, 질소 제거속도는 C. vulgaris가 12.7 mg-N/L/d로 가장 높게 나타났다. 따라서 하폐수고도처리 적용을 위해 성장률 및 유기물과 인 제거능이 우수한 C.
따라서 C. sorokiniana를 mixotrophic 조건으로 유입 pH가 5 ∼ 9인 하폐수처리장에 적용이 가능할 것으로 판단되며, 성장량 및 질소, 인 제거효율과 운전비용 사이의 관계를 고려하여 폭기량을 조절해줄 필요가 있을 것으로 사료된다.
, 2003). 본 연구에서 성장량 및 질소 제거율이 낮은 미폭기 조건에서 인이 모두 제거된 것은 낮은 인의 농도가 금속이온과 결합하여 응집침전 되었거나, 미세조류에 흡착된 것으로 판단된다.
1에 나타냈다. 최대 성장량은 C. sorokiniana가 550 mg/L, C. vulgaris가 390 mg/L, S. dimorphus가 510 mg/L로 나타났으며, 비성장률은 C. sorokiniana 가 0.29 day^-1, C. vulgaris가 0.21 day^-1, S. dimorphus가 0.27 day^-1로 C. sorokiniana가 가장 높게 나타났다. 글루코즈와 질소, 인은 미세조류 종에 관계없이 100 % 제거율을 나타냈으나, Table 2에서와 같이 유기물과 질소, 인의 제거속도는 다소 차이를 나타냈다.
2에 나타냈다. 최대 성장량은 pH 9에서 1,150 mg/L로 가장 높은 성장량을 나타냈으며, pH에 따라서는 pH 7에서 1,025 mg/L, pH 5에서 880 mg/L, pH 11에서 640 mg/L, pH 3에서 355 mg/L의 최대 성장량을 나타냈다. 비성장률은 pH 5 ∼ 9 범위에서 약 0.

후속연구

5 vvm에서 가장 높게 나타났으나 그 차이는 크지 않았다. 그러나 미폭기시의 결과가 좋지 않기 때문에 추후 하폐수고도처리에 적용함에 있어 질소, 인 제거효율을 높여주기 위해서는 0.5 vvm 이상의 폭기가 필요할 것으로 판단되며, 특히 성장량을 증대시켜주기 위해서는 1 vvm 이상의 폭기가 필요할 것으로 판단된다.
일반적으로 하수처리장의 유입수 pH는 6.5 ∼7.5 정도이기 때문에 추후 C. sorokiniana의 하폐수처리 적용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 하폐수고도처리시 pH 및 폭기량이 미세조류 성장 및 N, P 제거에 미치는 영향에 대한 연구 결과는 어떠한가?	sorokiniana를 선정하여 하폐수고도처리시 pH 및 폭기량이 미세조류 성장 및 N, P 제거에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실험을 수행했다. pH 3 ∼ 11의 조건에서 C. sorokiniana를 배양한 결과, pH 5 ∼ 9에서 높은 성장량과 질소, 인 제거능을 나타냈으며, pH 3과 11에서는 성장에 저해를 받는 것으로 나타났다. pH 7에서 비성장률은 0.7 day-1로 가장 높았으며, 질소 제거속도 7.61 mg-N/L/ day로 가장 우수한 제거능을 나타냈다. 폭기량에 따른 실험결과 폭기량에 관계없이 폭기를 해준 경우가 미폭기시 보다 2배 이상 높은 성장률을 나타냈다. 또한 유기물과 질소, 인 제거속도 역시 폭기를 해준 경우가 높게 나타났다. 0.5 ∼2 vvm 조건에서 폭기량에 관계없이 성장률 및 질소, 인 제거속도는 비슷하였으나, 질소, 인 제거효율을 높여주기 위해서는 0.5 vvm 이상, 성장량 증대를 위해서는 1 vvm 이상의 폭기가 요구되는 것으로 나타났다. 따라서 C. sorokiniana를 mixotrophic 조건으로 유입 pH가 5 ∼ 9인 하폐수처리장에 적용이 가능할 것으로 판단되며, 성장량 및 질소, 인 제거효율과 운전비용 사이의 관계를 고려하여 폭기량을 조절해줄 필요가 있을 것으로 사료된다.
	Mixotrophic으로 대사가 가능한 미세조류에는 어떤 것들이 있는가?	Mixotrophic으로 대사가 가능한 미세조류에는 Chlorella sp., Scenedemus sp., Spirulina sp., Botrycococcus braunii 등이 있으며, 이들 종의 질소, 인 및 유기물 제거능을 Table 1에나타냈다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 mixotrophic 대사가 가능한 미세조류 중에서 질소, 인 제거능이 우수한 C.
	미세조류의 산업적 이용분야는 어떻게 되는가?	미세조류의 산업적 이용분야는 건강식품, 의 약식품, 양식사료 등으로 다양하며, 최근에는 차세대 바이오매스로써 바이오디젤, 바이오플라스틱 생산 등 활용범위를 넓혀가고 있다(Rossler, 1990; Chisti, 2007; Aaronson and Dubinsky, 1982). 또한 기존 활성슬러지 공법의 문제점인 슬러지 처리, 부영양화 발생 등의 문제점을 개선하기 위한 대책으로 미세조류를 이용한 하수처리공법이 시도되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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