혐기성 암모늄 산화공정 전처리로써 적절한 $NO_2{^-}-N/NH_4{^+}-N$ 반응비율에 맞는 유출수를 생성하기 위한 연구실 규모의 연속 회분식 반응기 시스템을 적용하였다. 부분아질산화 적용에 있어서 운전인자들을 이용하여 AOB를 활성화하고, 동시에 NOB를 억제하는 다양한 전략이 있다. 하지만 적용된 인자들은 명확히 정의되지 않고 아질산 축적에 있어서 극복할 점이 있다. 본 연구의 목적은 부분아질산화의 주 인자를 조사하여 안정적인 공정을 구축하는데 있다. 부분아질산화 시스템을 구축하기 위하여 우세적인 인자인 온도, 중탄산알칼리도, pH를 평가하고자 한다. 실험의 결과로써 알맞은 알칼리도 비가 $35^{\circ}C$와 상온 두가지 온도범위에 안정적인 50% 부분아질산화가 이루어졌다. 이는 질산화시 필요한 알칼리도를 50% 아질산화에 맞추어 주입하여 질산화과정을 억제하는 것이다. 알칼리도 비는 pH 조절없이 50% 부분아질산화의 전략으로 제안한다. 유출수의 $NO_2{^-}-N/NH_4{^+}-N$ 비가 거의 100%에 다다랐을 때 중탄산알칼리도는 각각 6.8, 6.7이 되었다. PCR-DGGE의 미생물 분석 결과 암모늄산화균이 지배적인 질산화균임을 알 수 있었으며 NOB는 억제되어 활성을 잃은 것으로 사료된다.
혐기성 암모늄 산화공정 전처리로써 적절한 $NO_2{^-}-N/NH_4{^+}-N$ 반응비율에 맞는 유출수를 생성하기 위한 연구실 규모의 연속 회분식 반응기 시스템을 적용하였다. 부분아질산화 적용에 있어서 운전인자들을 이용하여 AOB를 활성화하고, 동시에 NOB를 억제하는 다양한 전략이 있다. 하지만 적용된 인자들은 명확히 정의되지 않고 아질산 축적에 있어서 극복할 점이 있다. 본 연구의 목적은 부분아질산화의 주 인자를 조사하여 안정적인 공정을 구축하는데 있다. 부분아질산화 시스템을 구축하기 위하여 우세적인 인자인 온도, 중탄산알칼리도, pH를 평가하고자 한다. 실험의 결과로써 알맞은 알칼리도 비가 $35^{\circ}C$와 상온 두가지 온도범위에 안정적인 50% 부분아질산화가 이루어졌다. 이는 질산화시 필요한 알칼리도를 50% 아질산화에 맞추어 주입하여 질산화과정을 억제하는 것이다. 알칼리도 비는 pH 조절없이 50% 부분아질산화의 전략으로 제안한다. 유출수의 $NO_2{^-}-N/NH_4{^+}-N$ 비가 거의 100%에 다다랐을 때 중탄산알칼리도는 각각 6.8, 6.7이 되었다. PCR-DGGE의 미생물 분석 결과 암모늄산화균이 지배적인 질산화균임을 알 수 있었으며 NOB는 억제되어 활성을 잃은 것으로 사료된다.
In this study, major parameter of partial nitritation was investigated for the stable operation. In order to establish partial nitritation system, prevailing parameters such as temperature, BA (bicarbonate alkalinity) and pH were evaluated. As a result, it is inferred that appropriate bicarbonate al...
In this study, major parameter of partial nitritation was investigated for the stable operation. In order to establish partial nitritation system, prevailing parameters such as temperature, BA (bicarbonate alkalinity) and pH were evaluated. As a result, it is inferred that appropriate bicarbonate alkalinity ratio (mg $NaHCO_3{\cdot}L^{-1}/mg$ Inf. $NH_4{^+}-N{\cdot}L^{-1}$) drives stable 50% partial nitritation at $32^{\circ}C$ and ambient temperature, respectively. Alkalinity ratio was proposed as new strategy for 50% partial nitritation without pH control in both temperature regimes. Because of the results, it was added amound of BA required only for 50% nitritation to inhibit nitratation. The effluent $NO_2{^-}-N/NH_4{^+}-N$ ratio reached almost 100% when initial bicarbonate alkalinity ratios (mg $NaHCO_3{\cdot}L^{-1}/mg$ Inf. $NH_4{^+}-N{\cdot}L^{-1}$) were 6.8 (R1) and 6.7 (R2), respectively. Polymerase chain reaction and denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) results demonstrated that AOB was the dominant nitrifying bacteria and NOB was negligible after adopting process control.
In this study, major parameter of partial nitritation was investigated for the stable operation. In order to establish partial nitritation system, prevailing parameters such as temperature, BA (bicarbonate alkalinity) and pH were evaluated. As a result, it is inferred that appropriate bicarbonate alkalinity ratio (mg $NaHCO_3{\cdot}L^{-1}/mg$ Inf. $NH_4{^+}-N{\cdot}L^{-1}$) drives stable 50% partial nitritation at $32^{\circ}C$ and ambient temperature, respectively. Alkalinity ratio was proposed as new strategy for 50% partial nitritation without pH control in both temperature regimes. Because of the results, it was added amound of BA required only for 50% nitritation to inhibit nitratation. The effluent $NO_2{^-}-N/NH_4{^+}-N$ ratio reached almost 100% when initial bicarbonate alkalinity ratios (mg $NaHCO_3{\cdot}L^{-1}/mg$ Inf. $NH_4{^+}-N{\cdot}L^{-1}$) were 6.8 (R1) and 6.7 (R2), respectively. Polymerase chain reaction and denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) results demonstrated that AOB was the dominant nitrifying bacteria and NOB was negligible after adopting process control.
SBR(연속 회분식 반응조)은 Fig. 1과 같이 아크릴 재질의 부피 400 mL(높이 240 mm, 지름 180 mm)로 제작되었고 온도, pH, 알칼리도 영향을 보기 위해 두 개의 반응조를 운전하였다. D시 200 mL의 2차 반송활성슬러지를 식종하였고 200 mL의 암모니아를 포함한 합성폐수를 주입하였다.
5%)에 주입되어 60℃의 1 X TAE buffer 용액에서 70V로 480분 동안 전기영동하였다. UV transilluminator를 이용하여 각 밴드를 추출후 DNA purification을 진행하였다. 최종적으로 Solgent Inc.
7과 같은 이미지를 얻었다. gel의 A, B 밴드가 같은 것을 확인하고 모든 밴드의 DNA를 추출하여 DNA 분석을 실시하였다. DNA 분석 결과 R1, R2의 A 밴드에서 공통적으로 AOB인 Nitrosomonas sp.
미생물 종 분석을 위해 DNA는 두 반응기의 슬러지 샘플을 각각 채취하여 Ultraclean Soil DNA Kit (Cat# 12800-50; Mo Bio Laboratory Inc., USA)에 투입후 제조사의 설명서 따라 DNA를 추출하였다. 정제된 16 S rDNA는 PCR (polymerase chain reaction) 기기를 사용하여 증폭시켰다.
배양기의 운전온도는 32 ± 1℃의 조건과 상온조건(AT, Ambient Temperature)으로 온도 영향을 평가하였다.
부분아질산화가 실험이 진행되면서 두 반응조의 색깔을 변화하는 것을 관찰하였다. R1의 슬러지 색깔은 식종한 슬러지의 색깔인 어두운 갈색에서 밝은 갈색으로 변화하였으며 R2은 옅은 분홍색의 색깔을 띄었다.
상온 반응조인 R2는 start-up 후 일주일부터 아질산성 질소가 생성되기 시작되었다. 실험이 진행되면서 아질산성 질소의 축적이 비슷한 경향을 보였으며 실험을 1,650 mg-NH4+-N/L까지 암모니아의 농도를 증가시키면서 진행하였다.
미량 원소 용액은 제조하여 4℃의 냉장고에 보관하여 합성 폐수 제조시 1 mL/L씩 투입하였다. 암모니아 농도는 450 mg NH4+- N/L에서 1,650 mg NH4+-N/L까지 농도를 증가시키면서 진행하였고 유기 기질은 첨가하지 않았다.
암모니아 질소 농도를 최대 1.65 kg-N/m3/day까지 질소 부하율을 적용하였다. 종속영양세균의 과잉성과 암모니아 산화균의 wash-out을 방지하기 위해 기질은 6시간 간격으로 10분 간 fill-and-draw 방식의 회분식으로 주입하였다.
65 kg-N/m3/day까지 질소 부하율을 적용하였다. 종속영양세균의 과잉성과 암모니아 산화균의 wash-out을 방지하기 위해 기질은 6시간 간격으로 10분 간 fill-and-draw 방식의 회분식으로 주입하였다. 마그네틱 바를 이용하여 100 rpm의 속도로 교반하였으며 pH는 별도의 조절없이 알칼리도를 NaHCO3의 양으로 조절하여 운전하였다.
UV transilluminator를 이용하여 각 밴드를 추출후 DNA purification을 진행하였다. 최종적으로 Solgent Inc. (Korea)에 송부하여 BLAST 프로그램으로 GeneBank 데이터베이스를 이용하여 샘플의 염기서열을 분석하였다.17)
대상 데이터
증폭산물은 100 V에서 1 X TAE 용액에서 20분간 전기영동하였다. DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)은 제조사의 설명서에 따라 Decode Universal Mutation Detection System (BioRad, USA)을 사용하였다. PCR로 증폭된 샘플은 polyacrylamide gel (7.
프라이머로 EUB 357f (5’-CCTACGGGAGGCAGCAG-3’)를 사용하였고 GCclamp (5’-CGCCCGCCGCGCCCCGCGCCCGGC CCGCCGCCCCCGCCCC-3’)가 포함되었다.
이론/모형
암모니아성 질소 농도는 Standard Method18)에 기술된 방법으로 분석하였고 아질산성 질소와 질산성 질소 분석을 위해 ion chromatography (Dionex 120, USA)를 사용하였다.
성능/효과
2 mg/L 이상의 낮은 농도에서부터 활성을 저해 받는다고 보고되었다.12~14) 온도 조건에 있어서는 AOB는 중온성 세균이며 0.3 mg/L의 낮은 DO 범위에서 활성을 보이며, NOB는 호냉성 세균으로 저온에서도 증식이 가능하며 AOB보다 높은 1.1 mg-O2/L의 농도에서 활성을 보인다.15)
유출수 NO2--N/NH4+-N 비가 100%에 도달하면 질소 부하율(NLR, Nitrogen Loading Rate)을 증가시켰다.19) 아질산 축적률은 운전 시작일부터 58일까지 평균 각각 98.5, 97.2%로 높게 나타냈다. 58일 이후 기간에서는 HRT를 24시간으로 고정하여 1,650 mg-NH4+-N/L까지 증가시켰다.
또한 암모니아성 질소와 아질산성질소를 기질로 하여 질소를 제거하기 때문에 폭기공정에 소요되는 운영비용을 50%를 절감할 수 있는 큰 장점이 있다.3) ANAMMOX는 혐기성 및 독립영양 조건에서 식 (1)과 같이 암모니아성 질소뿐만 아니라 아질산성 질소를 기질로 동시에 소모하여 N2 가스로 탈질시키기 때문에 유입수의 암모니아성 질소를 약 50%만을 산화시켜 아질산성 질소로 전환시켜야 한다. 이때 관여하는 암모늄산화균(AOB, Ammonium Oxidation Bacteria)와 아질산산화균(NOB, Nitrite Oxidation Bacteria)을 제어하여 NH4+-N 대비 NO2--N 기질농도를 1 : 1 비율로 생성해서 공급해야 하고 이러한 전처리 과정을 부분 아질산화(PN, Partial Nitritation)이라고 한다.
58일 후 초기 BA/NH4+-N 비를 약 2.7에서 5.4로 증가시켰으며 NO2--N/NH4+-N 반응비율은 약 0.9까지 상승하여 안정적인 기질조건을 나타내었다. NH4+-N의 부하농도를 1.
9,10) NH4+-N를 NO2--N로 100% 산화시킨 후 2배로 희석하여 1 : 1의 비율을 맞추어 PN/ANAMMOX 공정 유입수로 적용할 수 있지만 알칼리도, FA, FNA 등의 영향이 증대되기 때문에 PN/ANAMMOX 결합공정에 적합하지 않고 에너지적인 면에 있어서도 50%의 아질산성 질소를 축적하여 후속공정 ANAMMOX의 반응비율을 맞추는 방법이 더욱 적절하다고 판단된다.11)
AOB와 NOB를 적절히 제어하여 아질산화를 유도하기 위한 주요 운전조건을 연구된 문헌고찰 결과 온도, pH, HRT, DO, COD, FA (Free Ammonia), FNA (Free Nitrous Acid), 중탄산알칼리도, hydroxylamine 등이 영향을 미치는 것으로 확인되었다.9,10) NH4+-N를 NO2--N로 100% 산화시킨 후 2배로 희석하여 1 : 1의 비율을 맞추어 PN/ANAMMOX 공정 유입수로 적용할 수 있지만 알칼리도, FA, FNA 등의 영향이 증대되기 때문에 PN/ANAMMOX 결합공정에 적합하지 않고 에너지적인 면에 있어서도 50%의 아질산성 질소를 축적하여 후속공정 ANAMMOX의 반응비율을 맞추는 방법이 더욱 적절하다고 판단된다.
6(c)). BA/Inf NH4+-N의 적정비라고 판단되는 6.5 이하인 4.9에서는 질산화가 일찍 완료되어 pH가 5.5에서 유지되는 것을 볼 수 있었으며 질산화 반응이 멈추면 DO가 상승하는 것을 관찰하였다(Fig. 6(a)).
9까지 상승하여 안정적인 기질조건을 나타내었다. NH4+-N의 부하농도를 1.0~1.2 kg-N/m3/d까지 증가시키고 BA의 투입량을 유지한 결과 암모늄 질산화율이 급격히 저하되었으며 이는 암모니아성질소의 질산화에 필요한 BA 농도가 부족한 것으로 판단된 R1에서 온도센서의 오작동으로 온도가 40℃까지 상승하였으며, 그에 따른 미생물에 heat-shock 발생으로 질소부하를 200 mg-NH4+-N/L으로 감소시켜 운전하였다. BA 농도를 높여 R1 (32℃), R2 (AT)에서 각 BA/Inf NH4+-N를 6.
부분아질산화 반응기는 약 200일 동안 고농도의 합성 암모니아 폐수를 적용하여 운전되었다. 본 연구의 결과를 통해 SBR 생물반응기는 상온과 중온 조건에서 ANAMMOX 공정에 적합한 50%로 부분아질산화 처리되는 것을 보여준다. 미생물 군집에 있어서 PCR-DGGE를 통해 Nitrosomonas sp.
46으로 유사하게 나왔으며 이는 AOB 의 활성반응이 활발하게 나타나지 않았다고 사료된다. 실험 결과 질산성 질소가 최대 29 mg/L을 넘지 않았고 이는 NOB 활성이 감소하였다고 판단할 수 있다. 아질산 축적률(NAR, Nitrite Accumulation Rate = effluent NO2--N/NOx--N * 100%)은 운전을 시작한 첫 주를 제외하고 항상 90% 이상을 유지하였다.
4, 5는 전체 부분아질산화 공정에서 알칼리도에 따른 아질산화 효율을 나타내었는데 유입수의 고농도의 암모늄이 질산화되어 중탄산 유입량 대비 유출수 암모늄 비가 12일 때 효율이 높은 것을 알 수 있다. 안정적인 부분아질산화가 진행될 때 유입수의 암모늄 농도가 질산화에 의해 암모늄 농도가 50% 감소하여 중탄산 유입량 대비 유입수 암모늄 비보다 2배 증가하였다. 하지만 이는 같은 수치로 판단할 수 있으며 부분아질산화-아나목스 공정을 실적용할 경우 유입수의 암모늄 농도와 알칼리도를 측정하여 적절하게 유입수 암모늄 대비 알칼리도를 유지하여 운전하다면 안정적인 공정 운영을 할 수 있을 것이라고 기대된다.
안정화된 부분아질산화 운전 기간에서 유출수의 NO2--N/NH4+-N비는 평균 1.00 ± 0.19이었으며, NO3--N는 12.2 mg/L로 낮은 농도를 유지되었다.
58일 이후 기간에서는 HRT를 24시간으로 고정하여 1,650 mg-NH4+-N/L까지 증가시켰다. 운전 124일째 온도 센서의 고장으로 R1의 반응기온도가 40℃까지 상승하여 미생물이 쇼크 상태가 되었으며 약 2주 후 141일째부터 정상적으로 돌아와 NO2--N/NH4+-N 비가 각각 95, 98%를 나타냈었다. 100%의 NO2--N/NH4+-N 비와 낮은 질산성 질소의 농도는 후속공정 ANAMMOX의 이상적인 기질 조건이다.
그러므로 하수 암모니아 농도에 맞게 중탄산을 하수 유입 초기에 투여하는 것이 필요하다고 판단된다. 장기 운전결과 최적 중탄산알칼리도는 암모니아 농도대비 중탄산 주입량으로 약 6.8로 산정되었다. 질산화 추적 실험에서는 암모늄 질산화에 의해 중탄산이 대부분 소모되었을 경우 pH가 급격히 저하됨에 따라 AOB의 활성이 억제되어 한 주기 중간에 반응속도 급격히 감소되는 것을 발견하였다.
8로 산정되었다. 질산화 추적 실험에서는 암모늄 질산화에 의해 중탄산이 대부분 소모되었을 경우 pH가 급격히 저하됨에 따라 AOB의 활성이 억제되어 한 주기 중간에 반응속도 급격히 감소되는 것을 발견하였다. 한 주기내에서 중탄산알칼리도 를 과량 주입한 경우 질산화가 한 주기 6시간내에 지속적으로 일어나 질산화 축적율이 과도하게 높아지게 되었다.
후속연구
적정한 알칼리도가 산정하여 공정 적용될 경우 반응 시간, pH, 유출수 NO2--N/NH4+-N 비까지 pH 조절없이 후단 ANAMMOX 공정에 적합하게 될 것으로 판단된다. 또한 부분아질산화 공정은 고농도의 DO와 높은 온도가 아닌 환경조건에서도 적용할 수 있다고 사료된다.
안정적인 부분아질산화가 진행될 때 유입수의 암모늄 농도가 질산화에 의해 암모늄 농도가 50% 감소하여 중탄산 유입량 대비 유입수 암모늄 비보다 2배 증가하였다. 하지만 이는 같은 수치로 판단할 수 있으며 부분아질산화-아나목스 공정을 실적용할 경우 유입수의 암모늄 농도와 알칼리도를 측정하여 적절하게 유입수 암모늄 대비 알칼리도를 유지하여 운전하다면 안정적인 공정 운영을 할 수 있을 것이라고 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
AOB는 언제 억제를 받는가?
부분아질산화 반응을 고농도 축산폐수에 적용했을 시 pH가 지속적으로 감소되며 식 (4)~(5)에 따라 FA와 FNA는 각각 급격히 감소, 증가되어 질산화균이 FA와 FNA의 억제를 받아 활성이 저하된다. FA, FNA 영향인자에 대한 여러 연구결과는 조금씩 상이한 결과를 보이고 있지만 AOB는 pH 7 이상, FA 10 mg/L 이상일 때 억제를 받고, NOB는 pH 7이하, FNA 0.2 mg/L 이상의 낮은 농도에서부터 활성을 저해 받는다고 보고되었다.
축산폐수와 같은 고농도의 암모니아성 질소 유입수를 처리하기 위해 최근 각광받고 있는 공정은 무엇인가?
그러나 축산농가나 매립지에서 다량의 고농도 암모니아성 질소가 하수처리장으로 유입되어 2차 생물학적 질소처리공정에서 처리하여야 하는 질소의 농도가 20% 증가하여 처리비용이 증가한다.2) 축산폐수와 같은 고농도의 암모니아성 질소 유입수를 처리하기 위해 최근 혐기성 암모늄 산화(ANAMMOX, ANaerobic AMMonium OXidation)균을 이용한 공정이 각광받고 있다. ANAMMOX균은 기존질산화-탈질공정과 달리 자가영양생물로 탈질시 필요한 유기물이 요구되지 않으며 유기물의 경우 ANAMMOX균을 억제시키는 역할을 한다.
하 · 폐수 공정 내의 생물학적 질소제거 시 문제점은 무엇인가?
하 · 폐수 공정 내의 생물학적 질소제거는 물리․화학적 공정에 비해 높은 효율과 경제성을 갖추어 보편적으로 많이 사용되고 있다. 그러나 축산농가나 매립지에서 다량의 고농도 암모니아성 질소가 하수처리장으로 유입되어 2차 생물학적 질소처리공정에서 처리하여야 하는 질소의 농도가 20% 증가하여 처리비용이 증가한다.2) 축산폐수와 같은 고농도의 암모니아성 질소 유입수를 처리하기 위해 최근 혐기성 암모늄 산화(ANAMMOX, ANaerobic AMMonium OXidation)균을 이용한 공정이 각광받고 있다.
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