당밀과 질산성 질소의 C/N ratio 변화에 따른 탈질 및 미생물 군집 특성에 관한 연구 A study on the denitrification and microbial community characteristics by the change of C/N ratio of molasses and nitrate nitrogen원문보기
본 연구에서 탈질 효율 비교를 위해 당밀과 메탄올을 외부 탄소원으로 사용하였다. 세부 실험조건은 C/N ratio 조건에 따라 구분하였다. 회분식 실험 결과, 당밀과 메탄올 모두 C/N ratio가 증가할수록 탈질 효율은 증가하였다. 당밀의 최적 C/N ratio는 잔류 COD 농도와 탈질 효율을 고려할 때 4:1로 나타났으며, 이때 탈질 효율은 91.4%이다. 동역학적 인자로 SDNR을 도출한 결과, C/N ratio가 증가할수록 당밀과 메탄올은 유사한 SDNR 값을 보였으며, C/N ratio 4:1 조건에서 0.0292 g $NO_3{^-}-N$ removal/g MLVSS/day (molasse), 0.0299 g $NO_3{^-}-N$ removal/g MLVSS/day (mehtanol)로 나타났다. 미생물 군집 분석을 통해 당밀에 적응된 슬러지에는 Pseudomonas sp.와 Bergeylla sp. 박테리아가 우점화 된 것을 확인할 수 있었다. 또한 미생물 군집의 다양성보다는 일부 박테리아에 대한 집중성이 더 높게 나타났다. 이에 따라 당밀은 탈질에 특화된 미생물을 집중적으로 성장시키며, 탈질 성능을 높일 수 있는 대체 외부탄소원으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서 탈질 효율 비교를 위해 당밀과 메탄올을 외부 탄소원으로 사용하였다. 세부 실험조건은 C/N ratio 조건에 따라 구분하였다. 회분식 실험 결과, 당밀과 메탄올 모두 C/N ratio가 증가할수록 탈질 효율은 증가하였다. 당밀의 최적 C/N ratio는 잔류 COD 농도와 탈질 효율을 고려할 때 4:1로 나타났으며, 이때 탈질 효율은 91.4%이다. 동역학적 인자로 SDNR을 도출한 결과, C/N ratio가 증가할수록 당밀과 메탄올은 유사한 SDNR 값을 보였으며, C/N ratio 4:1 조건에서 0.0292 g $NO_3{^-}-N$ removal/g MLVSS/day (molasse), 0.0299 g $NO_3{^-}-N$ removal/g MLVSS/day (mehtanol)로 나타났다. 미생물 군집 분석을 통해 당밀에 적응된 슬러지에는 Pseudomonas sp.와 Bergeylla sp. 박테리아가 우점화 된 것을 확인할 수 있었다. 또한 미생물 군집의 다양성보다는 일부 박테리아에 대한 집중성이 더 높게 나타났다. 이에 따라 당밀은 탈질에 특화된 미생물을 집중적으로 성장시키며, 탈질 성능을 높일 수 있는 대체 외부탄소원으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.
To compare the denitrification efficiency, this study used molasses and methanol were used as external carbon sources. Specific experimental conditions were classified according to C/N ratio conditions. The batch test showed that the denitrification efficiency increased as C/N ratios of molasses and...
To compare the denitrification efficiency, this study used molasses and methanol were used as external carbon sources. Specific experimental conditions were classified according to C/N ratio conditions. The batch test showed that the denitrification efficiency increased as C/N ratios of molasses and methanol rose. The most suitable C/N ratio of molasses turned out 4:1 considering the concentration of the residue chemical oxygen demand (COD) and the denitrification efficiency, which was 91.4%. Specific denitrification rate (SDNR) drawn as a kinetic factor demonstrated that molasses and methanol showed similar SDNR values as C/N ratios of molasses and methanol increased. Under the condition of C/N ratio 4:1, 0.0292 g $NO_3{^-}-N$ removal/g mixed liquor volatile suspended solid (MLVSS)/day (molasses), 0.0299 g $NO_3{^-}-N$ removal/g MLVSS/day (methanol) were found. Sludge adapted to molasses showed that Bacterium Pseudomonas sp. and Bergeylla sp. dominated through an analysis of microbial community. In addition, some bacteria were high convergences than the variety of microbial community. Accordingly, it was assumed that molasses focus on growing microorganisms specialized in denitrification and applied as a replaceable external carbon source that can enhance denitrification performance.
To compare the denitrification efficiency, this study used molasses and methanol were used as external carbon sources. Specific experimental conditions were classified according to C/N ratio conditions. The batch test showed that the denitrification efficiency increased as C/N ratios of molasses and methanol rose. The most suitable C/N ratio of molasses turned out 4:1 considering the concentration of the residue chemical oxygen demand (COD) and the denitrification efficiency, which was 91.4%. Specific denitrification rate (SDNR) drawn as a kinetic factor demonstrated that molasses and methanol showed similar SDNR values as C/N ratios of molasses and methanol increased. Under the condition of C/N ratio 4:1, 0.0292 g $NO_3{^-}-N$ removal/g mixed liquor volatile suspended solid (MLVSS)/day (molasses), 0.0299 g $NO_3{^-}-N$ removal/g MLVSS/day (methanol) were found. Sludge adapted to molasses showed that Bacterium Pseudomonas sp. and Bergeylla sp. dominated through an analysis of microbial community. In addition, some bacteria were high convergences than the variety of microbial community. Accordingly, it was assumed that molasses focus on growing microorganisms specialized in denitrification and applied as a replaceable external carbon source that can enhance denitrification performance.
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문제 정의
, 2010)에서 탈질 성능은 우수하였으나, 잔류 유기물에 대한 2차 오염 문제와 최적 주입량에 대한 구체적인 연구는 미비한 실정이다. 따라서, 본 연구의 목적은 생물학적 탈질 시 외부탄소원으로써 당밀을 적용하고 C/N ratio 조건에 따른 동역학적 인자 변화와 탈질 성능을 평가하고자 한다. 또한 미생물 군집 분석을 통해 당밀이라는 신규 외부탄소원에 특화된 종속영양 박테리아의 변화를 관찰하고자 한다.
따라서, 본 연구의 목적은 생물학적 탈질 시 외부탄소원으로써 당밀을 적용하고 C/N ratio 조건에 따른 동역학적 인자 변화와 탈질 성능을 평가하고자 한다. 또한 미생물 군집 분석을 통해 당밀이라는 신규 외부탄소원에 특화된 종속영양 박테리아의 변화를 관찰하고자 한다.
제안 방법
동역학적 인자는 Eq. (1)을 사용하여 평가하였으며, 총 반응시간 동안 제거된 질산성 질소의 양과 미생물 양에 대해 단위미생물당 탈질 효율을 비교하고자 하였다(Eom et al., 2016).
NGS (Next Generation Sequencing) 분석을 통해 당밀과 메탄올을 외부탄소원으로 사용한 슬러지의 미생물 군집을 분류하였다. 당밀에 적응된 슬러지에는 51개의 분류군이 분류되었으며, 메탄올에 적응된 슬러지에는 총 87개의 분류군이 분류되었다.
당밀과 메탄올을 외부탄소원으로 사용한 슬러지에 대해 미생물 군집을 확인하였다. 당밀과 메탄올에 약 1개월간 적응된 각각의 슬러지는 illumina NGS (Next Generation Sequencing) 분석을 통해 미생물 군집을 평가하였다.
초기 질산성 질소(NO3--N, Nitrate) 농도를 80 mg/L로 설정한 후 당밀의 COD와 질산성 질소의 함량비(C/N ratio)에 따라 회분식 실험을 진행하였다. 회분식 실험에 사용된 lab-scale 반응기의 체적은 2 L이며, 공기 주입이 없는 무산소(anaerobic) 조건을 유지하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 당밀은 사탕수수 당밀로 Table 1에 화학성분 및 영양소 함량을 나타내었다. 수분을 제외한 75% 건조무게를 기준으로 당밀에 포함된 총 유기물 함량은 60~65%이며, 이 중 대부분이 당(48~56%)으로 이루어져 있다.
본 연구에서 탈질 효율 비교를 위해 당밀과 메탄올을 외부 탄소원으로 사용하였다. 세부 실험조건은 C/N ratio 조건에 따라 구분하였다.
이 조건에서 잔류 COD 농도에 대한 영향은 미비할 것으로 사료된다. 실험에 사용된 당밀은 분해가 쉬운 sucrose, glucose, fructose 등 총 유기물이 60~65% (Table 1)가 포함되어 있다. 이는 회분식 실험(C/N ratio 5:1)에서 탈질 반응이 거의 종료된 9시간 이후 소모된 당밀의 COD 제거율(69~71%)과 유사하다.
데이터처리
당밀과 메탄올을 외부탄소원으로 사용한 슬러지에 대해 미생물 군집을 확인하였다. 당밀과 메탄올에 약 1개월간 적응된 각각의 슬러지는 illumina NGS (Next Generation Sequencing) 분석을 통해 미생물 군집을 평가하였다. 미생물 군집 비교는 Microgen 사에 pyrosequencing을 의뢰하였다.
성능/효과
당밀을 주입한 경우에도 C/N ratio가 높은 4:1, 5:1에서 90% 이상의 탈질 효율을 보였다. C/N ratio에 따른 탈질 효율을 비교한 결과 메탄올이 당밀보다 질산성 질소 제거효율이 더 우수한 것으로 나타났다. 그러나 그 차이는 미비한 수준이었다.
당밀과 메탄올을 외부탄소원으로 사용한 회분식 실험 결과, C/N ratio가 높을수록 질산성 질소가 빠르게 제거되는 것을 알 수 있었다. Table 4에 나타난 바와 같이 메탄올을 주입한 경우 C/N ratio 1:1에서 12시간 후 42.
세부 실험조건은 C/N ratio 조건에 따라 구분하였다. 회분식 실험 결과, 당밀과 메탄올 모두 C/N ratio가 증가할수록 탈질 효율은 증가하였다. 당밀의 최적 C/N ratio는 잔류 COD 농도와 탈질 효율을 고려할 때 4:1로 나타났으며, 이때 탈질 효율은 91.
또한 메탄올과 당밀을 비교하였을 때 C/N ratio가 높을 경우 두 외부탄소원은 동등한 탈질 효율을 나타낼 수 있음을 의미한다. 회분식 실험을 통한 탈질 효율 비교와 동역학적 인자 도출 결과를 토대로 적정 C/N ratio보다 탄소원이 적을 경우 탈질 효율이 낮아진다는 점을 확인할 수 있었다.
후속연구
또한 미생물 군집의 다양성보다는 일부 박테리아에 대한 집중성이 더 높게 나타났다. 이에 따라 당밀은 탈질에 특화된 미생물을 집중적으로 성장시키며, 탈질 성능을 높일 수 있는 대체 외부탄소원 으로 적용이 가능할 것으로 판단된다
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
당밀은 무엇인가?
당밀(Molasses)은 설탕을 제조할 때 부산물로 생산되는 액체이다. 특히, 사탕수수 당밀은 설탕이 더 이상 결정화되지 않고 남은 검은색의 점성이 높은 액체이다.
탈질화 과정에서 외부탄소원을 주입하였을 때 단점은 무엇인가?
, 2012). 그러나 외부탄소원의 주입은 탈질 후 잔류 유기물에 대한 처리가 요구되며, 외부탄소원 주입에 따른 약품비 등 운영비의 증가를 야기시킨다(Yoon et al., 2010).
탄소 원의 비율이 낮아 질산성 질소를 충분히 제거하지 못하면 우려되는 점은 무엇인가?
질산성 질소(Nitrate, NO3--N)를 N2로 탈질시키기 위해서는 탄소원이 충분해야 한다(Wiesmann, 1994). COD/total kjeldahl nitrogen (TKN)(C/N ratio) 비율이 낮아 탄소원이 부족할 경우에는 질소를 제거하는데 한계가 있으며, 생물학적 탈질 작용이 원활히 이루어지지 않을 경우 하수처리장 방류수 수질기준 중 총 질소(T-N 20 mg/L)의 수질기준을 초과할 우려가 있다. 이에 따라 C/N ratio가 낮은 하수를 제거하기 위해서는 인위적으로 외부탄소원(External Carbon Source)을 주입해야 한다(Isaacs et al.
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