초록 ▼

다양한 운전조건과 공정상태에 따라 변화하는 질산화/탈질화 생물막의 형성과정과 미생물 군집에 대한 분자생물학적 및 미생물학적 해석을 통하여, 질산화/탈질화 미생물의 공간적 분포 및 활성이 BNR공정의 효율성과 운전의 안정성에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
본 연구에 사용된 실험 장치는 5.3L의 호기성 생물막 반응기 4개를 이용하였으며, 세라믹 메디아를 15%(v/v) 충전하였다. 하수처리장의 활성슬러지를 접종하였으며, 실제 및 합성하수를 유입수로 사용하였다. DO 4 mg/L, 25℃에서 60일간 순응 기간을 거친 후, 공정

다양한 운전조건과 공정상태에 따라 변화하는 질산화/탈질화 생물막의 형성과정과 미생물 군집에 대한 분자생물학적 및 미생물학적 해석을 통하여, 질산화/탈질화 미생물의 공간적 분포 및 활성이 BNR공정의 효율성과 운전의 안정성에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
본 연구에 사용된 실험 장치는 5.3L의 호기성 생물막 반응기 4개를 이용하였으며, 세라믹 메디아를 15%(v/v) 충전하였다. 하수처리장의 활성슬러지를 접종하였으며, 실제 및 합성하수를 유입수로 사용하였다. DO 4 mg/L, 25℃에서 60일간 순응 기간을 거친 후, 공정 효율과 미생물 군집간의 상관관계를 관찰하기 위해 부하율, DO 및 온도를 변화하여 운전하였다. 공정 효율을 평가하기 위해 유기물 제거율 및 질산화 효율을 분석하였으며, FISH, PCR-DGGE와 같은 분자 생물학적 기법을 이용하여 생물 막내 질산화 미생물 및 종속영양 미생물의 공간적 분포 및 다양성과 특성을 관찰하였다. microelectrode을 이용하여 생물막 전체의 미생물 활성도 및 BNR 공정의 효율에 미치는 생물막의 두께를 해석하였다.
생물막은 메디아의 전표면에 골고루 부착하여 성장하고 있었으며, 공극과 채널이 형성된 불규칙적이고 불균일한 구조를 이루고 있음을 알 수 있었다. 생물막의 건조밀도는 생물막 두께에 반비례함을 알 수 있었다. 미소전극을 이용한 생물막내 ion profile 해석 결과, 생물막 깊이에 따라 $NH_4^+$-N 농도가 감소함에 따라 DO농도도 감소하였으며, $NH_4^+$-N 산화가 끝난 후에도 DO농도 변화가 관찰되었다. 이는 생물막 활성이 미생물량에 비례하는 것이 아니라 활성두께의 증가에 비례한다는 것을 알 수 있었다.
합성 및 실제하수 반응기에서 유입부하가 증가함에 따라 AOB 종의 변화는 관측되지 않았으며, 질산화 효율이 증가함에 따라 AOB 분율이 증가하는 것으로 보아, AOB 분율의 변화가 질산화 효율과 관련이 있음이 검증되었다. 생물막 반응기에서 안정적인 질산화 과정을 수행하기 위해서는 DO농도를 5 mg/L 이상으로 유지해야 하는 것으로 나타났으며, DO 변화에 따라 AOB 종의 변화는 관측되지 않았고, DO 농도가 증가함에 따라 질산화 효율은 증가하였으며, AOB와 NOB 군집의 분율과 활성이 증가하였다. 온도가 증가함에 따라 질산화 효율도 증가하였으며, 종의 변화가 관측되었고, AOB와 NOB의 분율과 활성도 증가하였다. 따라서 부하율, DO, 온도와 같은 외부환 경요인은 질산화 효율에 영향을 미치며 그에 따른 질산화 미생물 군집의 분포와 활성 및 종의 변화에도 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, PCR-DGGE, FISH, Microelectrode, INT-DHA 측정기법을 혼용함으로써 생물막을 이용한 질산화 공정에서 다양한 환경변화에 따른 질산화 미생물의 특성과 공간분포를 보다 정확하게 이해 할 수 있었으며, 생물막을 이용한 BNR 공정효율에 따른 생물막의 조절과 같은 중요한 문제들을 미리 예측하고 진단하는 것이 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼

The research purpose of this study is to analyze the effects of different operation conditions on the structure and activity of nitrifying/denytrifying bacteria in a biofilm using various molecular and microbial analysis techniques and to correlate the changes in bacterial composition and activity w

The research purpose of this study is to analyze the effects of different operation conditions on the structure and activity of nitrifying/denytrifying bacteria in a biofilm using various molecular and microbial analysis techniques and to correlate the changes in bacterial composition and activity with BNR process performance.
Experimental apparatus consists of four aerobic biofilm reactors with fixed-bed.
Each reactor was filled with ceramic media, whose packing ratio was 0.15. The effective volume of each reactor was 5.3L. The reactors were inoculated with activated sludge obtained from a municipal sewage treatment plant and acclimated with the raw and synthesis wastewater. The reactors were operated with the at 4 mgDO/L and 25℃ for 60 days, and then loading rate, DO concentration and temperature were changed, respectively. In this study, SCODCr removal efficiency, nitrification efficiency and the distribution nitrifier and 종속영양균 were analyzed. And activity, biofilm thickness and variation of nitrifier and heterotrophs were investigated.
The biofilm had heterogeneous and non-uniformed structure that contained amount of cell cluster, void and channel. The dry density of biofilm against the biofilm thickness. In the microelectrode analysis, $NH_4^+$-N consumption was observed while DO was decreased in the biofilm. And oxygen was still present after $NH_4^+$-N was completely oxidized. It means that the nitrifying activity is increased according to not the biomass but the activity thickness of nitrifying zone in the biofilm. In the aerobic biofilm reactor, AOB species did not changed according to the volumetric and concentration loading rate. As nitrification efficiency was enhanced, the distribution ratio of the AOB and NOB in Eubacteria was also increased. It shows that the nitrification performance is closely related to the distribution ratio of AOB and NOB.
The optimal DO concentration for stable nitrification in biofilm reactor was proposed over 5.0mg/L. However, the species of AOB community was not changed according to DO concentration. As DO concentration was increased, the nitrification efficiency was enhanced. And the distribution ratio and the activity of AOB and NOB were also increased at the same time. The nitrification was enhanced and the species of AOB community was changed when the operating temperature was risen. And the distribution ratio and the activity of nitrifying bacteria were also enlarged at the same condition. So it is considered that the nitrification performance is closely related to the species and distribution type of microbial community in biofilm. And these characteristics of microbial community are greatly influenced by the operating condition such as loading rate, DO and temperature. In conclusion, the combination of PCR-DGGE, FISH, microelectrode and INT-DHA activity test allows a detailed analysis of the characteristic and spatial distribution of nitrifying bacteria and is also expected to be a very powerful monitoring tool in BNR process.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...8
• 1. 국문 요약문...8
• Ⅱ. 연구결과 요약문...9
• 1. 국문 요약문...9
• 2. 영문 요약문...10
• Ⅲ. 연구내용...12
• 1. 서론...11
• 1.1 연구배경...11
• 1.2 국내외 연구동향...11
• 1.2.1 생물막 BNR 공정의 필요성...12
• 1.2.2 생물막 형성과 생물막내 미생물 군집의 분포 및 활성에 관한 연구동향...12
• 1.3 선행연구의 문제점...13
• 1.3.1 배양법에 의한 미생물 군집 해석의 한계...13
• 1.3.2 미생물 다양성에 기초한 군집해석의 문제점...13
• 1.4 연구 과제의 중요성...14
• 1.5 연구목표...14
• 1.5.1 연구의 궁극적 목표...14
• 1.5.2 연구목표...14
• 1.5.3 연도별 연구목표...15
• 1.6 연구 체계 및 방법...15
• 1.6.1 연구구성...15
• 1.6.2 연구수행체계...16
• 1.6.3 연구방법...16
• 1.6.4 연구수행절차 및 일정...23
• 2. 연구재료 및 방법...24
• 2.1 실험장치...24
• 2.2 실험조건 및 유입하수 성상...26
• 2.2.1 유입하수...26
• 2.2.2 실험조건...28
• 2.3 실험방법...31
• 2.3.1 시료채취 및 분석방법...31
• 2.3.2 생물막의 형태학적 관찰...32
• 2.3.3 생물막 두께 및 밀도측정...32
• 2.3.4 DNA 추출 및 PCR 증폭...33
• 2.3.5 DGGE 및 염기서열 분석...34
• 2.3.6 FISH...36
• 2.3.7 Microelectrode...39
• 2.3.8 부착미생물량 측정...41
• 2.3.9 INT-DHA에 의한 미생물의 총활성도...41
• 2.3.10 생물막내 미생물의 상대활성분율...42
• 3. 결과 및 고찰...35
• 3.1 생물막 형성 및 성장에 따른 형태학적 특성...43
• 3.2 미소전극에 의한 호기성 생물막내 기질농도 측정...47
• 3.3 부하율 변화에 따른 합성하수 생물막 반응기의 운전 결과...49
• 3.3.1 부하율 변화에 따른 반응기의 운전 결과...49
• 3.3.2 PCR-DGGE에 의한 질산화 미생물 군집 해석...51
• 3.3.3 Fluorescence in situ hybridization에 의한 생물막내 미생물 분포...53
• 3.4 부하율 변화에 따른 실제하수 생물막 반응기의 운전 결과...62
• 3.4.1 부하율 변화에 따른 반응기의 운전 결과...64
• 3.4.2 PCR-DGGE에 의한 질산화 미생물 군집 해석...51
• 3.4.3 Fluorescence in situ hybridization에 의한 생물막내 미생물 분포와 생물막 두께...53
• 3.5 DO 농도 변화에 따른 합성하수 생물막 반응기의 운전 결과...69
• 3.5.1 DO 농도 변화에 따른 반응기의 운전 결과...69
• 3.5.2 PCR-DGGE에 의한 질산화 미생물 군집 해석...71
• 3.5.3 Fluorescence in situ hybridization에 의한 생물막내 미생물 분포...73
• 3.6 DO 농도 변화에 따른 실제하수 생물막 반응기의 운전 결과...76
• 3.6.1 DO 농도 변화에 따른 반응기의 운전 결과...76
• 3.6.2 PCR-DGGE에 의한 질산화 미생물 군집 해석...78
• 3.6.3 Fluorescence in situ hybridization에 의한 생물막내 미생물 분포...80
• 3.6.4 부착 미생물량과 질산화 미생물의 활성도 변화...83
• 3.7 온도 변화에 따른 합성하수 생물막 반응기의 운전 결과...86
• 3.7.1 온도 변화에 따른 반응기의 운전 결과...86
• 3.7.2 PCR-DGGE에 의한 질산화 미생물 군집 해석...88
• 3.7.3 Fluorescence in situ hybridization에 의한 생물막내 미생물 분포...90
• 3.8 부하율 변화에 따른 합성하수 생물막 반응기의 운전 결과...93
• 3.8.1 부하율 변화에 따른 반응기의 운전 결과...93
• 3.8.2 PCR-DGGE에 의한 질산화 미생물 군집 해석...95
• 3.8.3 Fluorescence in situ hybridization에 의한 생물막내 미생물 분포...97
• 3.8.4 부착 미생물량과 질산화 미생물의 활성도 변화...100
• 4. 결론...103
• 5. 인용문헌...105