This study investigated the effect of high concentration of free ammonia on microalgal growth and substrate removal by applying real wastewater nitrogen ratio. To test of this, the conditions of free ammonia 1, 3, 6, 9, 12, 15 mg-N/L are compared. After 3 days of incubation, algal growth of Chlorell...
This study investigated the effect of high concentration of free ammonia on microalgal growth and substrate removal by applying real wastewater nitrogen ratio. To test of this, the conditions of free ammonia 1, 3, 6, 9, 12, 15 mg-N/L are compared. After 3 days of incubation, algal growth of Chlorella vulgaris and carbon removal rate are respectively lower in the reactors of FA 12, 15 mg-N/L compared to the others. This indicates that the high concentration of free ammonia, in this case, above 12 mg-N/L, has negative effect on algal growth and metabolic activity. Also, high concentration of free ammonia causes the proton imbalance, ammonium accumulation in algae and has toxicity for these reasons. So, we have to consider free ammonia in applying the microalgae to wastewater treatment system by the way of diluting wastewater or controlling pH and temperature.
This study investigated the effect of high concentration of free ammonia on microalgal growth and substrate removal by applying real wastewater nitrogen ratio. To test of this, the conditions of free ammonia 1, 3, 6, 9, 12, 15 mg-N/L are compared. After 3 days of incubation, algal growth of Chlorella vulgaris and carbon removal rate are respectively lower in the reactors of FA 12, 15 mg-N/L compared to the others. This indicates that the high concentration of free ammonia, in this case, above 12 mg-N/L, has negative effect on algal growth and metabolic activity. Also, high concentration of free ammonia causes the proton imbalance, ammonium accumulation in algae and has toxicity for these reasons. So, we have to consider free ammonia in applying the microalgae to wastewater treatment system by the way of diluting wastewater or controlling pH and temperature.
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문제 정의
본 실험에서 설정한 각기 다른 pH 조건 하에 Chlorella vulgaris를 배양할 때 최종 성장량 및 기질 제거능에 유의한 차이가 있는지 알아보고자 하였다. 운전 2.
본 연구에서는 고농도의 질소·인을 함유한 폐수 처리에 미세조류를 적용하는 공법이 효율적일 것으로 판단하고, 본 폐수 처리에 미세조류 적용의 타당성을 검토, 그 가운데 폐수의 주요 특성인 고농도 free ammonia에 의한 영향을 평가하였다.
따라서 미생물이 고농도 FA 환경에 노출되면 NH3가 빠르게 세포 내부로 확산되어 들어온다. 수중에서 pH 및 온도 등의 요인에 의해 NH3 : NH4+존재 비율이 결정되는 것처럼 세포 내부도 마찬가지로 일정한 암모니아 비율을 유지하고자 하며, 따라서 미생물은 다량 유입된 NH3의 일부를 NH4+형태로 바꾸어 평형을 이루고자 한다. 이 때, NH3는 세포 외부에 존재하는 H+(수소이온)을 끌어와 이용하면서 세포 안팎으로 proton imbalance(양이온 불균형)이 발생하게 된다.
이에 본 연구에서는 free ammonia(FA) 농도에 따라 미세조류에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 현장의 상황을 반영하여 mixotrophic 대사로 운전하였으며, 혐기 소화를 거친 음폐수의 일반적인 질소 비율을 고려하여, 총 암모니아(total ammonia)와 질산성 질소(nitrate)의 농도를 설정하였다.
이에 본 연구에서는 축산 및 음폐수 처리에 미세조류의 적용 가능성을 검토하고자 한다. 본 폐수 성분에는 공통적으로 다량의 유기물 및 암모니아가 존재한다.
제안 방법
vulgaris에 영향을 주는지 control 실험을 통해 평가할 필요가 있다. Control 실험은 pH 여섯 조건 외의 모든 조건은 동일하게 설정하였으며, 질소원은 암모니아 형태를 제외한, 질산성 질소(nitrate)만을 60 mg-N/L씩 주입하였다. 이에 따라 인산염인(Phosphorous) 농도는 질산성 질소(nitrate)의 1/10로 재설정하였다.
Mixotrophic 조건을 조성하기 위하여 무기·유기탄소를 모두 주입하였으며, 각각 NaHCO3 0.5, glucose 2.5 g-C/L를 탄소원으로 하였다.
원통형 아크릴 반응조에서 working volume 1 L로 실험하였다. 각기 다른 FA 농도를 설정하고 NH4+-N 농도는 모두 같게 설정하기 위하여, 반응조의 온도는 동일하지만 pH는 7.1, 7.6, 7.9, 8.1, 8.2, 8.3로 다르게 설정하였다. 이 과정에서 equation(1)을 이용하였다.
기본 성분은 BG11 배지를 이용하였으나, 탄소, 질소 및 인 등의 주요 기질은 실험 조건에 맞추어 농도를 변경하였다. Mixotrophic 조건을 조성하기 위하여 무기·유기탄소를 모두 주입하였으며, 각각 NaHCO3 0.
기질 소비는 시료의 여액을 이용하여 IC(inorganic carbon), OC(organic carbon), 총 암모니아(NH4-N), 질산성 질소(NO3-N), 인산염 인(PO4-P)을 각각 평가하였다. 무기탄소는 총유기탄소분석기(TOC-V CSN, SHIMADZU, Japan)를 이용하여 분석하였고, 유기탄소로 주입된 glucose는 DNS(3,5-dinitrosalicylic acid)법으로 수질분석기(HS-3300, Humas, Korea)를 이용하여 575nm 파장에서 측정하였다.
-P)을 각각 평가하였다. 무기탄소는 총유기탄소분석기(TOC-V CSN, SHIMADZU, Japan)를 이용하여 분석하였고, 유기탄소로 주입된 glucose는 DNS(3,5-dinitrosalicylic acid)법으로 수질분석기(HS-3300, Humas, Korea)를 이용하여 575nm 파장에서 측정하였다. 총 암모니아(NH4-N)는 수질분석 kit를 이용하여 Water Analyzer(HUMAS, Korea)로 측정하였으며, 질산성 질소(NO3-N) 및 인산염 인(PO4-P)은 전자동수질분석기(Auto Analyzer 3, 비엘텍코리아, Korea) 를 이용하여 분석하였다.
현장의 상황을 반영하여 mixotrophic 대사로 운전하였으며, 혐기 소화를 거친 음폐수의 일반적인 질소 비율을 고려하여, 총 암모니아(total ammonia)와 질산성 질소(nitrate)의 농도를 설정하였다. 미세조류 Chlorella vulgaris 종을 이용하여 성장량 및 기질 제거에 영향을 미치는 free ammonia(FA) 농도를 도출하였으며, 고농도 FA 환경에서 발생하는 저해 기작을 연구하였다.
(유리암모니아; free ammonia; FA)의 적정 분율로 존재하며, 같은 양의 암모니아가 존재할 때는 온도, pH가 높을수록 FA 농도가 증가한다. 전체 암모니아 농도에 따른 NH3-N(FA) 농도 산출은 Equation(1)을 통해 계산하였고(Poggi- Varaldo, H.M. et al., 1997; Hamed M. El-Mashad et al., 2004), 이 식에 따라 초기 FA 농도 조건은 1, 3, 6, 9, 12, 15 mg-N/L로 설정하였다.
5 g-C/L를 탄소원으로 하였다. 초기 NH3-N 농도 조건은 1, 3, 6, 9, 12, 15 mg-N/L로 설정 하였으며, 암모늄이온(NH4+-N)은 132 mg-N/L로 모든 조건에 동일하게 적용하였다. 질산성 질소(NO3-N; nitrate)는 수도권 매립지의 음폐수 혐기소화액 유출수 분석결과인 ammonia(NH3+NH4+) : nitrate(NO3-N) = 7 : 3 비율을 고려하여(Greenpla; 그린프라(주), 2013) 60 mg-N/L로 설정하였다.
무기탄소는 총유기탄소분석기(TOC-V CSN, SHIMADZU, Japan)를 이용하여 분석하였고, 유기탄소로 주입된 glucose는 DNS(3,5-dinitrosalicylic acid)법으로 수질분석기(HS-3300, Humas, Korea)를 이용하여 575nm 파장에서 측정하였다. 총 암모니아(NH4-N)는 수질분석 kit를 이용하여 Water Analyzer(HUMAS, Korea)로 측정하였으며, 질산성 질소(NO3-N) 및 인산염 인(PO4-P)은 전자동수질분석기(Auto Analyzer 3, 비엘텍코리아, Korea) 를 이용하여 분석하였다.
항온 챔버 및 pH controller를 이용하여 온도 25℃, pH 7.5±0.5를 유지한 환경에서 200 PPFD (L:D=24:0) 광도의 LED를 조사해주었으며, 100 rpm의 속도로 교반하여 배양하였다.
이에 본 연구에서는 free ammonia(FA) 농도에 따라 미세조류에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 현장의 상황을 반영하여 mixotrophic 대사로 운전하였으며, 혐기 소화를 거친 음폐수의 일반적인 질소 비율을 고려하여, 총 암모니아(total ammonia)와 질산성 질소(nitrate)의 농도를 설정하였다. 미세조류 Chlorella vulgaris 종을 이용하여 성장량 및 기질 제거에 영향을 미치는 free ammonia(FA) 농도를 도출하였으며, 고농도 FA 환경에서 발생하는 저해 기작을 연구하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 mixotrophic 대사를 수행할 수 있으며, 다른 종과 비교하여 C, N, P 제거능이 탁월한 것으로 알려진 Chlorella vulgaris종을 연구 대상으로 선정하였다. Chlorella vulgaris는 KCTC Korea (Korean collection for type culture)에서 분양받았으며 BG11 배지를 이용하여 배양하였다. BG11 배지의 조성은 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 mixotrophic 대사를 수행할 수 있으며, 다른 종과 비교하여 C, N, P 제거능이 탁월한 것으로 알려진 Chlorella vulgaris종을 연구 대상으로 선정하였다. Chlorella vulgaris는 KCTC Korea (Korean collection for type culture)에서 분양받았으며 BG11 배지를 이용하여 배양하였다.
초기 NH3-N 농도 조건은 1, 3, 6, 9, 12, 15 mg-N/L로 설정 하였으며, 암모늄이온(NH4+-N)은 132 mg-N/L로 모든 조건에 동일하게 적용하였다. 질산성 질소(NO3-N; nitrate)는 수도권 매립지의 음폐수 혐기소화액 유출수 분석결과인 ammonia(NH3+NH4+) : nitrate(NO3-N) = 7 : 3 비율을 고려하여(Greenpla; 그린프라(주), 2013) 60 mg-N/L로 설정하였다. 인산염 인(PO4-P) 농도는 총 질소의 1/10으로 설정하였다.
이론/모형
미세조류의 성장량은 순수하게 조류 세포 수만을 측정하기 위해 cell density를 지표로 이용하였다. 대표적인 cell counting 기법인 혈구계수판(hemocytometer)을 이용하였으며, 단위 눈금(grid) 안에 있는 세포를 계수하여 단위 부피당 세포수로 cell density를 산출하였다.
미세조류의 성장량은 순수하게 조류 세포 수만을 측정하기 위해 cell density를 지표로 이용하였다. 대표적인 cell counting 기법인 혈구계수판(hemocytometer)을 이용하였으며, 단위 눈금(grid) 안에 있는 세포를 계수하여 단위 부피당 세포수로 cell density를 산출하였다.
성능/효과
FA 1 조건에서 Chlorella vulgaris의 cell density가 가장 크게 증가하였고, 이는 free ammonia로 인한 독성이 거의 없는 최적 환경으로 가장 높은 성장률을 보인 것으로 판단된다. 반대로 FA 12 및 FA 15 조건에서는 조류의 성장이 저조하게 나타났으며, 운전 종료 시점에서는 오히려 생체량이 감소하는 추세를 나타냈다.
FA 1-9 mg-N/L 조건에서 Chlorella vulgaris의 단위세포 당 총 탄소 소비 속도는 79.0-88.4 mg-C/109cells/day로 비교적 유사하게 도출되었으나, 고농도 FA 조건인 12, 15 mg-N/L에서는 각각 58.5, 57.1 mg-C/109cells/day로 성장량과 마찬가지로 총 탄소 소비에도 저해를 받은 것으로 나타났다.
pH가 모두 다른 조건에서 성장 및 영양염류 제거에 유의한 차이가 없었다. 따라서 본 실험에 FA 농도 조건을 설정하기 위해 조절한 pH (7.
, 2004). 그러므로 고농도 유기물을 함유한 본 폐수 처리에 미세조류의 적용이 탁월할 것으로 판단된다.
그러므로 총 암모니아(NH4-N)와 질산성 질소(NO3-N)의 소비를 분류하여 고려하면, 고농도 FA 조건에서 총 암모니아(total ammonia) 소비가 비교적 빠르게 진행되었으므로 이어 발생하는 질산성 질소(nitrate) 소비 또한 저농도의 FA 조건보다 빠르게 시작되었다. 이렇듯 질산성 질소(nitrate) 소비 측면에서 시간의 지연은 발생하였지만, 질산성 질소의 제거 속도에는 조건 간 유의한 차이가 발견되지 않았다.
유기탄소 및 무기탄소 소비를 별개로 비교하였을 때, 모두 FA 12 mg-N/L의 농도에서부터 탄소 소비에 저해를 받았다. 따라서 고농도 free ammonia는 조류 Chlorella vulgaris가 유기탄소를 대사하는 heterotrophic, 무기탄소를 소비하는 autotrophic 대사에 모두 저해를 일으키는 것으로 사료된다.
pH가 모두 다른 조건에서 성장 및 영양염류 제거에 유의한 차이가 없었다. 따라서 본 실험에 FA 농도 조건을 설정하기 위해 조절한 pH (7.1-8.3) 구간에서는 pH에 따른 미세조류의 영향이 없는 것으로 보이며, 본 실험을 수행하기에 적합한 것으로 판단된다.
FA 1 조건에서 Chlorella vulgaris의 cell density가 가장 크게 증가하였고, 이는 free ammonia로 인한 독성이 거의 없는 최적 환경으로 가장 높은 성장률을 보인 것으로 판단된다. 반대로 FA 12 및 FA 15 조건에서는 조류의 성장이 저조하게 나타났으며, 운전 종료 시점에서는 오히려 생체량이 감소하는 추세를 나타냈다. 운전 종료 시점에서 FA 15 조건에서는 현미경 상으로 사멸한 조류의 껍질이 다수 관찰되기도 하였다(Fig.
-reductase의 활성이 회복되고 질산성 질소(nitrate) 소비는 다시 활발해진다. 본 실험 결과에서도 총 암모니아(total ammonia)가 소비되고 농도가 낮아지면서 질산성 질소(nitrate) 소비가 시작되는 것을 확인 할 수 있다.
연구 결과, free ammonia 12 mg-N/L 이상의 농도에서 미세조류 Chlorella vulgaris의 성장 및 탄소 소비 저해가 발생하며, autotrophic 및 heterotrophic 기작에 모두 영향을 받는 것으로 나타났다. 그러나 총 암모니아 소비는 성장량 및 탄소 기질 제거와는 다르게 고농도 free ammonia 환경에서 더 빠르게 진행되었으며, 이는 미세조류 내부로의 free ammonia 확산으로 인해 발생하는 proton imbalance 및 ammonium 과다 축적의 결과로 사료된다.
vulgaris가 12 mg-N/L 이상의 고농도 free ammonia에 노출될 시 질소 및 인의 소비가 확연히 증가하였지만, 이는 실제로 조류가 이용한 영양염류가 아니며 결론적으로는 성장 및 활성에 부정적 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 12 mg-N/L 이상의 free ammonia(유리 암모니아)를 함유한 폐수 처리에 미세조류를 적용할 시, 장기적으로 조류 생체량 유지 및 활성에 문제가 발생하여 오히려 조류 사멸로 인한 질소, 인의 방출이 우려된다.
인의 소비는 free ammonia 조건 간 소비속도 차이가 크지 않았으나, 고농도 FA 조건인 12, 15 mg-P/L 조건에서 속도가 다소 빠른 것으로 보아 Chlorella vulgaris 의 인 소비는 탄소보다는 질소 소비에 크게 영향을 받는 것으로 사료된다.
종합적으로 C.vulgaris가 12 mg-N/L 이상의 고농도 free ammonia에 노출될 시 질소 및 인의 소비가 확연히 증가하였지만, 이는 실제로 조류가 이용한 영양염류가 아니며 결론적으로는 성장 및 활성에 부정적 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 12 mg-N/L 이상의 free ammonia(유리 암모니아)를 함유한 폐수 처리에 미세조류를 적용할 시, 장기적으로 조류 생체량 유지 및 활성에 문제가 발생하여 오히려 조류 사멸로 인한 질소, 인의 방출이 우려된다.
한편 앞서 나타난 결과로, 고농도 free ammonia 조건에서 성장 및 탄소 소비에 저해가 나타난 반면, 영양염류인 총 암모니아 및 인의 소비는 오히려 증가하였다. 탄소 및 질소, 인은 함께 조류 대사에 이용되어 소비 패턴이 유사하게 나타나는 것이 일반적이나, 본 연구 결과, 고농도 FA로 인해 탄소 소비는 저해되었지만 암모니아 소비는 더욱 빠르게 진행되었다. 본 현상은 FA가 세포 내로 확산되면서 발생하는 proton imbalance 및 pH 변화로 인한 암모늄 이온(ammonium)의 축적에 의한 결과로 추측된다.
후속연구
본 실험의 pH 조건은 단지 free ammonia 농도를 조성해주기 위한 부분으로써, 우선적으로 pH 7.1-8.3의 조건 차이가 C.vulgaris에 영향을 주는지 control 실험을 통해 평가할 필요가 있다. Control 실험은 pH 여섯 조건 외의 모든 조건은 동일하게 설정하였으며, 질소원은 암모니아 형태를 제외한, 질산성 질소(nitrate)만을 60 mg-N/L씩 주입하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
질소 및 인의 제거 효율을 높일 수 있는 기존 공정의 개선이나 공법개발이 필요한 이유는 무엇인가?
1996년부터 공공하수처리시설의 방류수 수질기준 항목에 질소, 인이 추가되었으며, 최종 개정된 방류수 수질기준은 처리수를 Ⅰ지역 (하수처리용량 500 m3/day 이상)에 방류하는 경우 총질소 20, 총인 0.2 mg-N/L로 규제하고 있다(MOE, 2012). 이와 같이 방류수 수질기준이 나날이 엄격해지고 있어, 기존 처리 공법만으로 해당 기준을 만족시키기에는 한계가 따른다. 따라서 질소 및 인의 제거 효율을 월등히 높일 수 있는 기존 공법의 개선이나 새로운 공법 개발이 필요한 상황이다.
음폐수와 축산폐수는 어떠한 요소로 구성되어 있는가?
음폐수와 축산폐수는 고농도 유기물 및 영양물질로 이루어져 있으며, 발생량이 매년 증가하고 있는 추세이다. 또한 폐수 배출양은 전국에서 배출되는 총 폐수의 일부에 불과하지만, 그에 비해 오염 부하량은 전체의 상당량을 차지할 정도로 오염이 심각하다(MOAF and MOE, 2004).
미세조류가 질소원을 요구하는 이유는 무엇인가?
한편, 폐수 내 존재하는 고농도의 암모니아는 미세 조류 성장을 촉진할 수 있다. 미세조류는 성장에 필요한 아미노산, 핵산, 엽록소 및 질소 함유 유기화합물을 합성하기 위해 질소원을 요구하고, 이 과정에서 원수의 질소가 제거되기 때문이다. 그러나 암모니아는 온도 및 pH에 따라 NH4 +(암모늄이온; ammonium ion)와 NH3(유리암모니아; free ammonia; FA) 형태로 균형을 이루며 존재하는데, 이 중 고농도의 NH3(free ammonia)는 미세조류의 광합성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다(A.
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