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문제 정의
- 음식물쓰레기 처리에 필수적으로 동반되는 음폐수의 처리를 위해 최근 국내외 혐기성 소화기술이 다양한 규모로 적용되고 있는데, 유출되는 혐기성 소화 처리수는 여전히 유기물 농도가 높아 추가적인 처리가 이루어진다. 이에 본 연구에서는 대표적인 미세조류인 Chlorella vulgaris를 이용하여 처리수의 주성분인 acetate, propionate 및 butyrate에 대한 Chlorella vulgaris의 성장에의 이용률 및 이러한 과정에서의 질소 및 인에 대한 제거능에 대해 기본적인 평가를 진행하였다.
- 이에, 본 연구에서는 mixotrophic microalgae인 Chlorella vulgaris를 이용하여 음폐수를 혐기성 소화로 처리할때 생성되는 acetate, propionate 및 butyrate가 Chlorella vulgaris의 성장 및 질소, 인의 제거에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하였다.
제안 방법
- Chlorella vulgaris의 성장량을 측정하기 위해 dry weight를 측정하였다. Acetate, propionate 및 butyrate의 측정은 이온-크로마토그래피(Metrohm, Basic 792, UK) 를 이용하였으며, 컬럼은 유기산 컬럼(Metrosep), 이동 상은 0.
- Chlorella vulgaris의 유기산 제거능 평가를 위해 이분해성 glucose를 기질로 취하는 경우를 설정하였고, 이에 대한 단일 유기산인 acetate, propionate 및 butyrate의 소비속도를 측정하였는데, 기질농도는 네 경우 모두 1500 mg-COD/L가 되도록 주입했다. 또한, 혼합 유기산이 Chlorella vulgaris의 성장 및 NH4-N 제거에 미치는 영향을 평가하기 위해 acetate, propionate 및 butyrate를 각각 500 mg-COD/L씩 혼합한 조건에 대해 서도 제거패턴을 분석하였다.
- Chlorella vulgaris의 유기산 제거능 평가를 위해 이분해성 glucose를 기질로 취하는 경우를 설정하였고, 이에 대한 단일 유기산인 acetate, propionate 및 butyrate의 소비속도를 측정하였는데, 기질농도는 네 경우 모두 1500 mg-COD/L가 되도록 주입했다. 또한, 혼합 유기산이 Chlorella vulgaris의 성장 및 NH4-N 제거에 미치는 영향을 평가하기 위해 acetate, propionate 및 butyrate를 각각 500 mg-COD/L씩 혼합한 조건에 대해 서도 제거패턴을 분석하였다. 독립영양 대사에서 필요한 무기탄소는 모든 조건에서 동일하게 NaHCO3를이용하여 1 g-C/L로 설정(이후 결과 그래프에선 ‘Control’로 표현한 조건)해 주었다.
- Chlorella vulgaris는 BG 11 medium에서 배양하였으며, 배지의 조성은 MgSO4·7H2O 75 mg/L, CaCl2·2H2O 36 mg/L, Na2CO3 20 mg/L, Citric acid 6 mg/L, Ferric ammonium citrate 6 mg/L, EDTA 1 mg/L, Trace 1 ml/L 이었다. 질소 및 인은 음폐수 소화액의 성상을 고려해서 BG 11 medium에 각각 NH4Cl 100 mg-N/L 및 K2HPO4 20 mg-P/L를 주입해주었다.
대상 데이터
- Chlorella vulgaris의 성장량을 측정하기 위해 dry weight를 측정하였다. Acetate, propionate 및 butyrate의 측정은 이온-크로마토그래피(Metrohm, Basic 792, UK) 를 이용하였으며, 컬럼은 유기산 컬럼(Metrosep), 이동 상은 0.5 mmol/L perchlotic acid, suppressor는 10 mmol/L lithium chloride를 이용하였다. NH4+-N 분석은 수질분석 kit법을 이용하여 Water Analyzer(HS69 3100, Humas, Korea)로 분석하였다.
- 실험에 사용된 mixotrophic microalgae는 Chlorella vulgaris이고, KCTC(Korean Collection for Type Culture)에서 분양 받았다. Chlorella vulgaris는 BG 11 medium에서 배양하였으며, 배지의 조성은 MgSO4·7H2O 75 mg/L, CaCl2·2H2O 36 mg/L, Na2CO3 20 mg/L, Citric acid 6 mg/L, Ferric ammonium citrate 6 mg/L, EDTA 1 mg/L, Trace 1 ml/L 이었다.
데이터처리
- NH4+-N 분석은 수질분석 kit법을 이용하여 Water Analyzer(HS69 3100, Humas, Korea)로 분석하였다. PO43--P는 수질자동분석기 Auto Analyzer(AA3, BLTE Co., KOREA)를 이용하여 분석하였다.
이론/모형
- 5 mmol/L perchlotic acid, suppressor는 10 mmol/L lithium chloride를 이용하였다. NH4+-N 분석은 수질분석 kit법을 이용하여 Water Analyzer(HS69 3100, Humas, Korea)로 분석하였다. PO43--P는 수질자동분석기 Auto Analyzer(AA3, BLTE Co.
성능/효과
- 2와 같다. 5일간의 배양 결과, 유기 탄소원에 의해 성장한 미세조류의 성장량은 유기물의 종류에 관계없이 무기탄소에 의해 성장한 성장량 보다 높은 것으로 나타났다. Glucose, acetate 및 butyrate 조건에서 Chlorella vulgaris의 최종 성장량은 비슷했고, Control 보다 약 2.
- (2013)의 연구에서는 Chlorella vulgaris의 butyrate 대사 특성에 대한 언급이 있는데, 이 보고에 의하면 Chlorella vulgaris는 기본적으로 butyrate를 대사할 수 있지만, butyrate 농도가 100 mg/L를 초과하면 오히려 Chlorella vulgaris의 성장을 저해한다고 한다. Acetate, propionate 및 butyrate를 각각 500 mg-COD/L씩 혼합하여 주입한 조건에서는 유기물 제거속도가 약 510 mg-COD/L/day 로 산출되었는데, 이는 acetate와 butyrate를 단독으로 주입한 조건 보다 낮고, propionate만을 주입한 조건 보다는 높은 값으로, 상술한 전반적인 경향과 일치하는 결과라고 할 수 있다.
- Glucose는 예상대로 다른 유기산들에 비해 빠른 분해가 일어나 하루 만에 거의 모두 소비되었다. Chlorella vulgaris에 의한 acetate, propionate 및 butyrate 의 소비속도는 각각 약 750, 370 및 590 mg-COD/ L/day로 산출되어, acetate, butyrate, propionate 순으로 Chlorella vulgaris의 확연한 선호도가 있음을 알 수 있었다. Hu et al.
- 5일간의 배양 결과, 유기 탄소원에 의해 성장한 미세조류의 성장량은 유기물의 종류에 관계없이 무기탄소에 의해 성장한 성장량 보다 높은 것으로 나타났다. Glucose, acetate 및 butyrate 조건에서 Chlorella vulgaris의 최종 성장량은 비슷했고, Control 보다 약 2.3배 높았다. 그러나, 비성장 속도를 계산한 결과는 다소 차이가 있어, glucose 조건의 비성장 속도가 1.
- 3배 높았다. 그러나, 비성장 속도를 계산한 결과는 다소 차이가 있어, glucose 조건의 비성장 속도가 1.6 day-1로 가장 높았고, acetate 및 butyrate 조건은 1.2 day-1로 다소 낮게 산정되었다. 이는 미세조류가 glucose를 대사하는 과정에서 발생하는 에너지가 다른 유기성 기질에 비해더 높기 때문인 것으로 사료되는데, 1 mole의 glucose를 대사하면 2.
- 또한 5일간의 배양 결과, acetate, propionate 및 butyrate 조건에서 Chlorella vulgaris의 성장량은 Control에 비해 2.3, 1.4 및 2.3배 높았고, 비성장 속도는 1.2, 0.6 및 0.8 day-1으로, acetate, butyrate, propionate 순으로 높은 것으로 나타났는데, 이는 Fig. 1의 유기산 소비속도와 일치한다. 세 가지 유기산을 500 mg-COD/L씩 혼합한 조건에서의 Chlorella vulgaris 성장량은 Control에 비해 약 1.
- 3과 같다. 무기탄소만 공급된 Control 조건에서 보면, 초기 100 mg/L이던 NH4-N농도는 5일후 약 40 mg/L까지 감소하여 약 60%의 제거율을 보였다. Glucose 및 acetate 조건에서 NH4-N는 2일만에 모두 소비되었으며, butyrate는 약 2.
- 1의 유기산 소비속도와 일치한다. 세 가지 유기산을 500 mg-COD/L씩 혼합한 조건에서의 Chlorella vulgaris 성장량은 Control에 비해 약 1.7배 높고, acetate, butyrate를 단독으로 주입해준 조건 보다는 낮고 propionate 단독주입 조건 보다는 예상대로 다소 높은 것으로 나타났다.
- 5일 경과 후에 모두 제거되었다. 세 가지 유기산이 혼합된 조건에서는 약 3일만에 모두 제거되었으며, 예상대로 propionate의 경우 보다 제거능이 높은 것으로 나타났다. 이상의 결과들로부터 Chlorella vulgaris에 의한 NH4-N 제거능은 이용된 유기물이 glucose, acetate, butyrate, 혼합 유기산, propionate 순으로 높게 나타남을 알 수 있다.
- 연구 결과, Chlorella vulgaris는 기본적으로 glucose 를 이용하는 기질소비속도 수준은 아니지만, acetate > butyrate > propionate 순으로 유기산을 mixotrophic 대사에 의해 활발히 대사할 수 있었고, 그 결과 Chlorella vulgaris는 성장량 및 성장속도 면에서 대조 군인 독립영양 무기탄소 주입조건 보다 전반적으로 높은 성장량 및 성장속도를 나타냈다.
- 세 가지 유기산이 혼합된 조건에서는 약 3일만에 모두 제거되었으며, 예상대로 propionate의 경우 보다 제거능이 높은 것으로 나타났다. 이상의 결과들로부터 Chlorella vulgaris에 의한 NH4-N 제거능은 이용된 유기물이 glucose, acetate, butyrate, 혼합 유기산, propionate 순으로 높게 나타남을 알 수 있다.
- 이상의 결과들로부터, Chlorella vulgaris를 이용하여 음폐수 혐기성 소화액을 처리시, 주요 유기산인 acetate, propionate 및 butyrate는 Chlorella vulgaris의 성장 및 mixotrophic 대사에 필요한 유기 탄소원이며, 이러한 과정에서 질소 및 인과 같은 영양염류도 효과적으로 제거될 수 있는 것이 확인되었다.
- 5일이 경과한 시점에서 전량이 제거되었다. 이상의 결과를 바탕으로 4.5일 동안 제거된 PO4-P의 제거속도를 산정해보면, glucose, acetate, butyrate, 혼합 유기산, 그리고 propionate 순으로 빠른 것으로 나타났으며, 이들 결과는 예상한 대로 NH4-N 제거속도 경향과도 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 즉, NH4-N및 PO4-P 제거속도 역시 acetate > butyrate > propionate 순인 것으로 나타났다.
- 질소 및 인과 같은 영양염류 제거속도 역시 위의 탄소제거 패턴과 동일하여 유기탄소 공급조건에서 대조군인 무기탄소 공급조건 보다 질소 및 인 제거효율이 높은 것으로 나타났다. 즉, NH4-N및 PO4-P 제거속도 역시 acetate > butyrate > propionate 순인 것으로 나타났다.
- 4와 같다. 초기 20 mg/L이던 PO4-P 농도는 5일이 경과해도 Control, propionate 및 혼합 유기산 조건들 모두에서 완전히 제거되지 않고 각각 6.4, 3.0 및 0.5 mg/L 수준으로 잔류하였으며, glucose, acetate 및 butyrate 기질 조건에서는 약 4.5일이 경과한 시점에서 전량이 제거되었다. 이상의 결과를 바탕으로 4.
후속연구
- , 2011). 그러나, 본 연구결과에 의하면 butyrate 및 propionate도(특히, butyrate) 미세조류의 유기성 기질로서 이용될 수 있는 것으로 판단된다. 또한, Moon et al.
- -P 제거속도를 표로 정리하면 Table 1과 같다. 얻어진 결과값들은 기대 이상의 양호한 값인데, 이는 실폐수를 사용할 경우 미세조류의 대사특성을 정확히 파악하고 해석하기 어려운 현실적인 제반 제약사항 때문에 정제된 형태의 인공 음폐수 소화액 및 BG-11 배지를 이용하였기 때문인 것으로 사료되며, 실제 음폐수 소화액을 사용하여 실험한다면 다양한 성분으로부터 야기될 저해 또는 독성영향 등에 의해 이 보다 현저히 낮은 값이 얻어질 수도 있는 바, 향후 이에 대한 추가 연구가 요망된다.
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