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문제 정의
- 본 논문에서는 질소와 인을 동시에 처리하는 육상의 고도처 리장에서 활발하引 사용되어지고 있는 미생물인 Bacillus sp. 를 이용하여 선박의 특수한 공간에서 모든 처리가 이루어질 수 있도록 생물학적 처리공정의 하나인 연속 회분식 반응기 (SBR)를 사용하여 선박에서 발생되는 오수와 음식물 쓰레기를 산발효시킴으로써 얻어진 유기산을 질소, 인을 처리하기 위한 외부탄소원으로 이용하는 연구를 수행하였다. 최적이 운전조건을 찾아 미생물을 우점화 하기 위하여 반응조내의 미생물을 분석하였다.
- 飓々이하, T-P는 lmg/£ 까지 강하하려고 한다. 본 연구에서는 이런 국제적인 규제에 적합하게 대처하기 위하여 선박에서 발생되는 화장실오수와 주방용수를 합류시켜 처 리하였다. 합류될 경우 총질소가 30~40mg//정도가 존재하며 대부분이 암모니아성 질소로 바다의 부영양화의 주범이 되므 로 처리한 후 배출하여야한다.
제안 방법
- V3 region 증폭에 수행된 primer 는 341F-GC(5 ' -CCT ACG GGA GGC AGC AG-3 ' ), 518R(5 ' -ATT ACC GCG GCT GCT GCT GG-3 ' )을 이용 하였다. DGGE 는 DCode system (Bio-Rad laboratories, Hercules, CA) 을 이용하여 매뉴얼에 따라 수행하였다. denaturing gradient 범위가 40 ~70%인 10% ( wt/vol) polyacrylamaid gel (acrylamide : bisacrylamide = 37.
- 원심분리 된 슬러지의 총 DNA를 추출하였다. DNA 추출은 Fast DNA SPIN KIT (for soil) (BIO 101 Systems, Q-BIO Gene)를 이용하여 매뉴얼에 따라 수행하였다. 추출된 DNA는 16S rDNA를 증폭한 후 16S rRNA 유전자 의 V3 region을 증폭하였다.
- DGGE 는 DCode system (Bio-Rad laboratories, Hercules, CA) 을 이용하여 매뉴얼에 따라 수행하였다. denaturing gradient 범위가 40 ~70%인 10% ( wt/vol) polyacrylamaid gel (acrylamide : bisacrylamide = 37.5 : 1) 은 1 x TAE에서 60V로 16시간 running 하였다 gele ethidium bromide가 포함된 staining 용액에 15분간 임색하였 고, gel 이미지는 이미지 분석 시스템 (Kodak, U.S.A.)을 이용하여 분석하였다.
- 유입수는 한국해양대학교 실 습선에서 발생한 오수의 특성을 참조하여 실험의 지속성을 유 지하기 위하여 인공폐수를 제조하여 사용하였다(김 등, 1998). 글루코스(Glucose)를 탄소원으로 이용하여 COD를 400mg/£가 되게 하였고, 질公농도는 NHQ1 를 사용하여 40mgNH3-N/Z 로 맞추어 시료의 질소성상을 암모니아성 질소의 형태로 주입하였으며, 인의 농도는 KaHPQt를 사용하여 lOmgRyW 로 하였다. 산발효액은 본교 십습선의 식당에서 수거하여 산발효장치를 이용하여 생산하였斗.
- 교반시간(Mixing time)에서의 반응조의 원활한 혼합을 위해 교반기를 설치하여 50~70rpm으 로 교반시켰고 공기공급장치를 통하여 공기를 공급하였다. 반 응조의 온도는 法온항습기를 사용하여 25±0.5℃를 유지하였고 시간조절장치(time controller)를 통하여 자동으로 반응조를 운 전하였다. 전체적인 장치의 사진 및 구성도를 Fig.
- 반응조에 유입 된 유출수내의 CODcr, TOC의 농도변화를 나타내었다. 유기둘(CODcr, TOC)의 변화는 유입수의 CODcr, TOC의 농도가 각각 370mg//, 240mg々이고 유출수에서 6.
- 본 연구에서는 미생물 군집 구조를 분석하기 위하여 주 3회 시료를 채취하였으며, PCR-DGGE 기법을 이용한 군집그조 분 석결과는 Fig. 3와 같이 나타났다. 그림 Fig.
- 외부탄소원으로 음식폐기물 산발효액의 효과를 검증하기 위해서 실시한 회분식 실험을 수행하였다. 질산성 질소의 초기 주입농도는 10mg/2 로 운전하였으며, 질산성 질소7- 완전히 제거 되는 시 간은 140분으로 나타났다.
- 음식폐기물 산발효액을 주입한 후 유기물 및 영양염류의 변화를 조사하였다. Fig.
- 산발효액은 본교 십습선의 식당에서 수거하여 산발효장치를 이용하여 생산하였斗. 음식폐기물에서 산발효액의 첨가가 질소 및 인의 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해서 온도센서, ORP probe 및 pH meter가 부착된 반응장치를 이용하여 탈질속도와 인 방출 거동을 분석하였다. 한편, 최적처리 조건에서 반응조내 Inlet Pump
- 를 이용하여 선박의 특수한 공간에서 모든 처리가 이루어질 수 있도록 생물학적 처리공정의 하나인 연속 회분식 반응기 (SBR)를 사용하여 선박에서 발생되는 오수와 음식물 쓰레기를 산발효시킴으로써 얻어진 유기산을 질소, 인을 처리하기 위한 외부탄소원으로 이용하는 연구를 수행하였다. 최적이 운전조건을 찾아 미생물을 우점화 하기 위하여 반응조내의 미생물을 분석하였다.
대상 데이터
- 추출된 DNA는 16S rDNA를 증폭한 후 16S rRNA 유전자 의 V3 region을 증폭하였다. V3 region 증폭에 수행된 primer 는 341F-GC(5 ' -CCT ACG GGA GGC AGC AG-3 ' ), 518R(5 ' -ATT ACC GCG GCT GCT GCT GG-3 ' )을 이용 하였다. DGGE 는 DCode system (Bio-Rad laboratories, Hercules, CA) 을 이용하여 매뉴얼에 따라 수행하였다.
- 본 실험에 사용한 반응조는 두께 5mm의 투명 아크릴로 제작 된 원형조를 사용하였고 총용적은 14/이며 유효용적은 122로 운전하였다. 처리후 배출되는 유출수의 양은 7£ 이고 남은 슬 러지 부분의 용량은 52로 하였다.
- 본 연구에 사용된 식종슬러지는 울산의 S하수처리장의 B3(Best-Bio-Bacillus System) 반응조로부터 채취하였으며 15 일간의 적응기간을 거친 후 반응조에 식종하였다. 포기시간에 서의 용존산소(DO)는 바실러스속 세균(Bacillus sp.
- 글루코스(Glucose)를 탄소원으로 이용하여 COD를 400mg/£가 되게 하였고, 질公농도는 NHQ1 를 사용하여 40mgNH3-N/Z 로 맞추어 시료의 질소성상을 암모니아성 질소의 형태로 주입하였으며, 인의 농도는 KaHPQt를 사용하여 lOmgRyW 로 하였다. 산발효액은 본교 십습선의 식당에서 수거하여 산발효장치를 이용하여 생산하였斗. 음식폐기물에서 산발효액의 첨가가 질소 및 인의 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해서 온도센서, ORP probe 및 pH meter가 부착된 반응장치를 이용하여 탈질속도와 인 방출 거동을 분석하였다.
- Bacillus 균주의 군집구조를 분석하기 위해 PCR-DGGE 기법을 이용하였다. 원심분리 된 슬러지의 총 DNA를 추출하였다. DNA 추출은 Fast DNA SPIN KIT (for soil) (BIO 101 Systems, Q-BIO Gene)를 이용하여 매뉴얼에 따라 수행하였다.
- 처리후 배출되는 유출수의 양은 7£ 이고 남은 슬 러지 부분의 용량은 52로 하였다. 유입 및 유출튜브는 직경 5mm의 실리콘 튜브를 사용하였으며, 유입 및 유출펌프는 미량 조절이 용이한 정량펌프(Peristaltic pun®를 이용하여 일정한 량이 주입되고 배출되게 하였다. 교반시간(Mixing time)에서의 반응조의 원활한 혼합을 위해 교반기를 설치하여 50~70rpm으 로 교반시켰고 공기공급장치를 통하여 공기를 공급하였다.
- 본 실험에 사용된 유입수 및 음식폐기물의 산발효액의 성상 을 각각 Table 1, 2에 나타내었다. 유입수는 한국해양대학교 실 습선에서 발생한 오수의 특성을 참조하여 실험의 지속성을 유 지하기 위하여 인공폐수를 제조하여 사용하였다(김 등, 1998). 글루코스(Glucose)를 탄소원으로 이용하여 COD를 400mg/£가 되게 하였고, 질公농도는 NHQ1 를 사용하여 40mgNH3-N/Z 로 맞추어 시료의 질소성상을 암모니아성 질소의 형태로 주입하였으며, 인의 농도는 KaHPQt를 사용하여 lOmgRyW 로 하였다.
- 증폭 조건은 95℃ 15분간 cell lysis한 후 95℃ 45초, 60℃ 45초, 72℃ 1분 30초, 30cycle 증폭하였다. 증폭에 사용된 primer는 27F (5 ' -AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG- 3 '), 1492R (5 ' -GGY TAC CTT GTT ACG ACT T-3 ') 를 사용하여 수행하였고 증폭 산물의 크기는 약 1466bp이다. sequence data 는 National Center for Biotechnology Information (NCBI) programs 을 이용하여 분석하였다.
이론/모형
- Bacillus 균주의 군집구조를 분석하기 위해 PCR-DGGE 기법을 이용하였다. 원심분리 된 슬러지의 총 DNA를 추출하였다.
- 배양된 Bacillus 균주는 visible counting 후 우점종 5종을 선택하여 순수 배양하였다. 분리균주의 동정 을 위해 colony PCR 기법을 이용하여 16S rDNA를 증폭하였다. 증폭 조건은 95℃ 15분간 cell lysis한 후 95℃ 45초, 60℃ 45초, 72℃ 1분 30초, 30cycle 증폭하였다.
- 실험분석치가 안정화되는 정상상태에서 유입 수와 처리수에 대하여 MLSS, CODcr, SS, TKN, T-P등의 분석은 Standard Methods에 의거하여 측정하였다. 각 항목별 분석방법은 Table 4에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 음식폐기물 산발효액의 탈질율을 평가한 결과 질산성 질소 가 완전히 제거되는 시간은 140분이였고, 탈질속도는 0.30g NOs-N/g VSS . day로 나타났다.
- (2) 반응조내의 상태에 따라 미생물종의 변화를 분석하여 우점 화하는 것이 가능하였다. Bacillus sp.
- (3) 산발효액의 주입으로 인하여 유출수 중의 CODcr 농도가 증가함을 알 수 있었는데 이것은 산발효액에 존재하는 유 기물을 미생물이 다 이용하지 못하는 부분이 존재하고 주 입량의 증가에 따른 유출수 중의 SDcr 농도를 증가시켰 다.
- (4) 암모니아성 질소의 성상은 산발효액의 첨가에 크게 영향을 받지 않았으며 산화된 질소의 변화는 산발효액 주입량이 증가할수록 무산소단계에서 농도가 감소하여 전체 제거효 율이 증가함을 볼 수 있었다.
- 2 그리고 10/01/03는 1 균주가 각 시료들에서 가장 우점하는 종들로 나타났다. 10/10/03과 10/13/03 시료에서는 band No. 13 균주가 가장 우점화 되었고, 10/15/03, 10/17/C3, 10/20/03 시료에시는 band No. 14 균주가 가장 우점하는 종으로 나타났다.
- 9에 나타내었다. 각각의 COD의 제거효율은 98.5%, 암모니아성질소 는 90%, 총질소의 제거효율은 95%, 인의 제거효율은 93%로 나타났다. Bacillus sp.
- Bacillus sp.를 이용한 SBR를 사용하여 선박폐수에 대하여 안정적인 처리효율을 나타내었다.
- 반응조가 안정화된 후 6일간 연속 운전한 결과 외부탄소원 으로 음식폐기물 산발효액을 첨가되지 않은 경우 유출수 중의 CODcr의 농도가 5.0~7.0mg〃로 나타났다. 음식폐기물의 산 발효액을 주입한 경우에는 10.
- 5에 나타내었다. 반응조내 호기성 공정에서는 암모니아성 질소(NH「N)가 40mg〃에서 변화였고, 무산소 공정에서는 질산성 질소(NQ「)가 질산화되어 0.5mg々에서 2.7mg々 로 증가하였다. Bacillus sp.
- 암모니아의 질산화가 원활하 게 일어나서 전체의 90%이상이 제거되었고 질산성질소는 5mg //이하로 안정적으로 배출되었다. 본 연구에서 사용된 SBR 공정으로 선박에서 발생되는 유기물의 처리와 질소를 제어할 수 있다는 것을 확인하였다.
- 암모니아성 질소의 성상은 산발효액의 첨가에 크게 영향을 받지 않았으며 호기단 계에서 95%이상 질산화되어 유출수 중에서는 5观/£이하로 유지되었다. 산화된 질소의 변화는 산발효액 주입량이 증가할수록 무산소 단계에서 농도가 감소하여 전체 제거효율이 증가 함을 볼 수 있었다.
- 7은 반응조에서 질소성분의 변하 양상 과 산화된 질소의 변화를 보여주고 있다. 암모니아성 질소의 성상은 산발효액의 첨가에 크게 영향을 받지 않았으며 호기단 계에서 95%이상 질산화되어 유출수 중에서는 5观/£이하로 유지되었다. 산화된 질소의 변화는 산발효액 주입량이 증가할수록 무산소 단계에서 농도가 감소하여 전체 제거효율이 증가 함을 볼 수 있었다.
- 합류될 경우 총질소가 30~40mg//정도가 존재하며 대부분이 암모니아성 질소로 바다의 부영양화의 주범이 되므 로 처리한 후 배출하여야한다. 암모니아의 질산화가 원활하 게 일어나서 전체의 90%이상이 제거되었고 질산성질소는 5mg //이하로 안정적으로 배출되었다. 본 연구에서 사용된 SBR 공정으로 선박에서 발생되는 유기물의 처리와 질소를 제어할 수 있다는 것을 확인하였다.
- 반응조에 유입 된 유출수내의 CODcr, TOC의 농도변화를 나타내었다. 유기둘(CODcr, TOC)의 변화는 유입수의 CODcr, TOC의 농도가 각각 370mg//, 240mg々이고 유출수에서 6.5mg /7와 3mg/2로 세거효율이 95%이상으로 높은 처리율을 나타났다. 측정된 결과가 우리나라의 오수처리시 방류수 배출의 법적 기준인 COD 40mg//, SS 20mg/£ 이하를 만족하였고(김 등, 2002), USA 33 CFR 159 Alaskan waters cruise ships의 규정인 BOD5는 30mg/£와 SS는 30mg// 등을 만족하였다.
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