KR20160076096A - 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법 및 장치 - Google Patents

혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 활성슬러지를 비드화하고, 비드화된 활성슬러지에 대해 배양 환경을 적용하여 혐기성 암모늄 산화미생물을 배양함과 함께 비드제작 조건 및 총 질소기질농도, 총 질소유입속도, pH 등의 배양환경 조건을 최적화하여 혐기성 암모늄 산화미생물을 단시간 내에 농후 배양할 수 있는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법은 혐기성 암모늄 산화미생물이 담지된 활성슬러지 비드를 제작하는 단계 및 상기 활성슬러지 비드를 암모늄과 아질산이 포함된 배양액에 투입하여, 활성슬러지 비드 내의 혐기성 암모늄 산화미생물을 농후 배양하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법 및 장치{Method and apparatus for culture of anaerobic ammonium oxidizer}
본 발명은 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 활성슬러지를 비드화하고, 비드화된 활성슬러지에 대해 배양 환경을 적용하여 혐기성 암모늄 산화미생물을 배양함과 함께 비드제작 조건 및 총 질소기질농도, 총 질소유입속도, pH 등의 배양환경 조건을 최적화하여 혐기성 암모늄 산화미생물을 단시간 내에 농후 배양할 수 있는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법 및 장치에 관한 것이다.
하폐수 내의 질소를 제거하는 방법으로 질산화 반응 및 탈질 반응을 이용한 생물학적 공정이 널리 사용되고 있다. 기존의 생물학적 공정에서 질산화 반응은 암모니아 산화반응과 아질산 산화반응이 순차적으로 진행되어 이루어지는데, 암모니아 산화반응과 아질산 산화반응을 통해 질소를 산화시킴에 있어서 많은 양의 산소가 요구된다. 또한, 생물학적 공정의 탈질 반응은 질산 또는 아질산의 환원을 위해 미생물의 전자공여체로서 유기탄소원의 공급이 요구되며, 상대적으로 가격이 저렴한 메탄올이 유기탄소원으로 일반적으로 사용되고 있으나 지속적인 공급이 요구됨에 따라 공정 운용에 부담이 되고 있다.
이러한 생물학적 공정의 문제점에 대응하여, 최근 혐기성 암모늄 산화미생물을 이용한 질소 제거 방법에 많은 연구가 이루어지고 있다(한국등록특허 제1040518호 참조). 혐기성 암모늄 산화미생물은 혐기조건 하에서 암모늄(NH4 +)과 아질산(NO2 -)을 기질로 사용하여 질소(N2)를 생성하는 독립영향미생물이다. 혐기성 암모늄 산화미생물은 암모늄(NH4 +)을 전자공여체, 아질산(NO2 -)을 전자수용체로 사용함에 따라 종래의 생물학적 공정과는 달리 유기탄소원의 첨가가 요구되지 않으며, 암모니아성 질소의 부분질산화에 소요되는 산소량도 종래의 생물학적 공정에 대비하여 약 40% 가량 절약되므로 폭기비용 및 탄소원 공급비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 혐기성 암모늄 산화미생물을 이용한 질소제거공정은 최대 질소제거효율이 26∼42 kg-N/m3-day로 3 kg-N/m3-day을 넘지 못하는 일반적인 생물학적 공정에 비해 탈질 효율이 매우 우수하다.
한편, 혐기성 암모늄 산화미생물은 폐수처리공정 및 자연계의 질소순환계에서 Candidatus Brocadia, Candidatus Kuenenia, Candidatus Scalindua, Candidatus Anammoxoglobus, Candidatus Jettenia 등의 형태로 존재하는데, 성장속도가 약 11일로 매우 느린 특징이 있다. 이에 따라, 혐기성 암모늄 산화미생물에 의한 질소제거반응이 일정 수준으로 진행되기 위해서는 오랜 시동시간이 소요되며, 혐기성 암모늄 산화미생물을 최초 적용한 경우에 있어서 1년 이상의 지속적인 혐기성 암모늄 산화미생물의 추가 투여가 필요했음이 보고된 바 있다(Van der Star WR, Abma WR, Blommers D, Mulder JW, Tokutomi T, Strous M, Picioreanu C, van Loosdrecht MC (2007) Startup of reactors for anoxic ammonium oxidation: experiences from the first full-scale anammox reactor in Rotterdam. Water Research 41:4149-4163).
혐기성 암모늄 산화공정의 시동시간은 반응기의 형태, 유입수질과 공정조건의 안정성 등에 의해 영향을 받는데, 그 중에서도 혐기성 암모늄 산화미생물을 반응기 내에 지속적으로 머무르게 하는 고정화(immobilization) 기술이 가장 중요한 인자이다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 고정화 기술은 입단화(aggregation)를 촉진하여 입상화(granulation)를 유도하는 방법이다. 그러나, 미생물의 입단화를 위해서는 매우 까다로운 운전조건을 유지해야 하며, 입단화에 3∼6개월이 소요되고 이후 입단화된 입상 슬러지(granular sludge)의 배가를 위해 추가적인 비용과 시간이 필요하여 조기에 대량의 혐기성 암모늄 산화미생물을 획득하기에는 적절치 않다.
한국등록특허 제1040518호
Van der Star WR, Abma WR, Blommers D, Mulder JW, Tokutomi T, Strous M, Picioreanu C, van Loosdrecht MC (2007) Startup of reactors for anoxic ammonium oxidation: experiences from the first full-scale anammox reactor in Rotterdam. Water Research 41:4149-4163.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 활성슬러지를 비드화하고, 비드화된 활성슬러지에 대해 배양 환경을 적용하여 혐기성 암모늄 산화미생물을 배양함과 함께 비드제작 조건 및 총 질소기질농도, 총 질소유입속도, pH 등의 배양환경 조건을 최적화하여 혐기성 암모늄 산화미생물을 단시간 내에 농후 배양할 수 있는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 하나의 배양장치를 통해 완전혼합연속반응(CSTR, Completely Stirred Tank Reactor) 또는 연속회분식반응(SBR, Sequencing Batch Reactor)을 유도하여 혐기성 암모늄 산화미생물을 농후 배양할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법은 혐기성 암모늄 산화미생물이 담지된 활성슬러지 비드를 제작하는 단계 및 상기 활성슬러지 비드를 암모늄과 아질산이 포함된 배양액에 투입하여, 활성슬러지 비드 내의 혐기성 암모늄 산화미생물을 농후 배양하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 혐기성 암모늄 산화미생물이 담지된 활성슬러지 비드를 제작하는 단계는, PVA(poly(vinyl alcohol))와 알지네이트가 포함된 PVA-알지네이트 혼합용액을 준비하는 과정과, 상기 PVA-알지네이트 혼합용액을 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 활성슬러지와 혼합하여 활성슬러지 비드화용액을 제조하는 과정과, 상기 활성슬러지 비드화용액을 염화칼슘이 함유된 포화붕산 용액에 투여하여 활성슬러지 비드를 형성하는 과정과, 상기 활성슬러지 비드를 인산 용액에 침지시켜 활성슬러지 비드의 기계적 강도를 강화시키는 과정을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 PVA-알지네이트 혼합용액 또는 상기 활성슬러지 비드화용액에 고체입자가 포함될 수 있다. 또한, 상기 PVA-알지네이트 혼합용액은 증류수에 PVA(poly(vinyl alcohol))과 알지네이트가 혼합된 용액이며, 상기 PVA-알지네이트 혼합용액에 고체입자가 포함되며, 증류수 100g 당량에 고체입자 0.5∼5g의 비율로 혼합될 수 있다. 상기 고체입자는 10㎛∼1mm의 크기를 갖는다.
활성슬러지 비드를 형성한 후에, 활성슬러지 비드로부터 고체입자를 탈착시켜 활성슬러지 비드에 기공을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
배양기 내에 배양액 및 활성슬러지 비드가 구비되며, 상기 배양기는 완전혼합연속반응(CSTR) 형태로 운전되며, 배양기 내의 총 질소유입속도는 0.8∼1.5 kg-N/m3-day 로 제어된다. 또한, 배양기 내에 배양액 및 활성슬러지 비드가 구비되며, 상기 배양기는 연속회분식반응(SBR) 형태로 운전되며, 상기 배양기 내의 배양액의 총 질소기질농도는 120∼180mg-N/L로 유지될 수 있다.
상기 배양기에 유입되는 액체의 부피와 배양기로부터 유출되는 액체의 부피는 동일하다. 또한, 연속회분식반응(SBR) 형태로 운전시 상기 배양액의 pH는 6.5∼8이다.
상기 활성슬러지 비드를 배양액에 투입함에 있어서, 배양액의 부피 대비 25∼35%의 활성슬러지 비드가 투입될 수 있다. 이와 함께, 상기 배양액의 암모늄은 (NH4)SO4로 공급되고, 아질산은 NaNO2로 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양장치는 암모늄과 아질산이 포함된 배양액을 포함하여 구성되는 배양기 및 상기 배양액 내에 구비되는 혐기성 암모늄 산화미생물이 담지된 활성슬러지 비드를 포함하여 이루어지며, 상기 활성슬러지 비드는 배양액의 부피 대비 25∼35%인 것을 특징으로 한다.
상기 활성슬러지 비드는, PVA(poly(vinyl alcohol)), 알지네이트 및 활성슬러지가 혼합, 경화된 것이다. 또한, 상기 배양기의 상단부에 활성슬러지 비드의 유출을 방지하는 거름체가 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법 및 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 활성슬러지가 비드 형태를 이룸에 따라, 혐기성 암모늄 산화미생물이 유실되는 것이 최소화됨과 함께 비드의 기계적 강도 확보를 통해 장시간 운전이 가능하게 된다. 또한, 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 활성슬러지 비드에 대해 최적의 농후 배양 조건을 적용함에 따라, 단시간 내에 최대 질소제거활성을 갖는 혐기성 암모늄 산화미생물의 농후 배양이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 암모늄 산화미생물의 농후 배양방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성슬러지 비드 제조과정을 설명하기 위한 순서도.
도 3은 반응표면분석법을 이용한 반응시간에 따른 비드의 기계적 강도를 나타낸 분석결과.
도 4는 완성된 활성슬러지 비드의 SEM 사진.
도 5는 활성탄이 혼합된 활성슬러지 비드화용액을 이용하여 제조한 활성슬러지 비드의 SEM 사진.
도 6은 총 질소유입속도 0.32 kg-N/m3-day로 적용한 경우 혐기성 암모늄 산화미생물의 성장속도를 나타낸 것.
도 7은 총 질소유입속도 0.81 kg-N/m3-day로 적용한 경우 혐기성 암모늄 산화미생물의 성장속도를 나타낸 것
도 8은 질소제거활성이 나타나는 시점에 총 질소기질농도를 높여 107일간 질소제거실험을 진행한 결과.
도 9는 총 질소기질농도와 pH 최적화를 위한 통계분석결과.
도 10은 활성슬러지 비드의 직경에 따른 지수성장속도를 나타낸 그래프.
도 11은 활성슬러지 비드의 상수(A/V)와 활성잠재기간의 역함수 관계를 나타낸 그래프.
도 12는 200일간 배양 결과를 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 암모늄 산화미생물의 농후 배양장치의 사시도.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 암모늄 산화미생물의 농후 배양장치의 사시도.
도 15는 거름체를 나타낸 사시도.
본 발명은 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함되어 있는 활성슬러지를 비드화하여 혐기성 암모늄 산화미생물을 농후 배양하는 기술을 제시한다. 세부적으로, 혐기성 암모늄 산화미생물의 농후 배양에 필요한 최적의 총 질소기질농도, 총 질소유입속도 및 pH 조건을 제시하며, 활성슬러지가 담지된 비드의 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 비드 제조공정을 제시한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법 및 장치를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법은 도 1에 도시한 바와 같이 크게 1) 활성슬러지 비드 제조단계(S101)와 2) 미생물 농후 배양단계(S102)로 이루어진다.
먼저, 1) 활성슬러지 비드 제조단계에 대해 설명하면 다음과 같다. 활성슬러지 비드 제조단계는 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 활성슬러지를 비드화하는 과정이다.
도 2를 참조하면, 활성슬러지 비드를 제조하기 위해 PVA-알지네이트 혼합용액과 활성슬러지를 준비한다(S201). 상기 PVA-알지네이트 혼합용액은 증류수에 PVA(poly(vinyl alcohol))과 알지네이트가 혼합된 용액으로, 증류수 100g 당량에 PVA 10∼20g, 소듐 알지네이트(sodium alginate) 1∼5g이 혼합된 용액을 사용할 수 있다. PVA와 알지네이트의 균일한 혼합을 위해 PVA-알지네이트 혼합용액을 100℃ 이상에서 일정 시간 동안 용해시키는 과정을 적용할 수도 있다.
그런 다음, 상기 PVA-알지네이트 혼합용액을 활성슬러지와 혼합한다(S202). 상기 PVA-알지네이트 혼합용액과 활성슬러지는 1 : 1의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 PVA-알지네이트 혼합용액과 활성슬러지가 혼합된 용액을 이하에서는 '활성슬러지 비드화용액'이라 칭하기로 한다.
상기 활성슬러지는 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함되어 있는 슬러지이다. 혐기성 암모늄 산화미생물의 배양속도를 높이기 위해서는 고농도의 활성슬러지를 사용하는 것이 바람직하며, 중력침전 및 원심분리를 통해 고농도의 활성슬러지를 준비할 수 있다. 또한, 최초 담지되는 혐기성 암모늄 산화균의 함량을 높이기 위하여 활성슬러지 내의 휘발성부유물(VSS, volatile suspended solids)의 농도는 5∼10 VSS-g/L로 향상시켜야 한다. 이와 함께, 여러 활성슬러지의 후보군 중에 농후 배양에 가장 적합한 활성슬러지를 선별하기 위한 방법으로 PCR, Real-time PCR 등의 분자생물학적 기법을 활용하여 혐기성 암모늄 산화미생물의 자생 여부 및 함량을 판별할 수 있으며, 이에 대해서는 본 출원인의 발명자가 기 출원한 한국등록특허 제1040518호에 개시된 '미생물 자원 내 혐기성 암모늄 산화균의 탐색 및 배양 방법'을 이용할 수 있다.
점액 상태의 상기 활성슬러지 비드화용액을 증류수 100g 당량에 0.5∼1g 염화칼슘(CaCl2)을 함유한 포화붕산(H3BO3) 용액에 투여한다(S203). 상기 염화칼슘과 포화붕산은 코어 혼합용액을 비드로 만드는 가교제로서, 상기 염화칼슘은 알지네이트의 가교제, 상기 포화붕산은 PVA의 가교제 역할을 한다.
상기 활성슬러지 비드화용액을 포화붕산 용액에 투여함으로써 활성슬러지 비드를 형성할 수 있으며, 상기 비드의 크기는 혐기성 암모늄 산화미생물의 반응효율 등을 고려하여 제어될 수 있다. 비드의 크기가 작을수록 혐기성 암모늄 산화미생물의 반응효율이 증가되나 반응기로부터 비드가 유출되는 것을 방지하기 위해 비드 크기는 1∼2mm 정도가 바람직하다. 비드의 크기는 바늘, 튜브, 깔데기를 선택적으로 이용하여 조절할 수 있다. 이 때, 활성슬러지 비드화용액과 포화붕산 용액의 반응시간에 따라 기계적 강도를 조절할 수 있다.
활성슬러지 비드가 완성되면, 0.5∼1M의 인산(KH2PO4) 용액에 활성슬러지 비드를 침지시켜 비드의 기계적 강도를 추가적으로 강화시킨다(S204).
후속의 혐기성 암모늄 산화미생물 배양 단계에 의해 활성슬러지 비드 내에는 혐기성 암모늄 산화미생물이 농후 배양되고, 혐기성 암모늄 산화미생물이 농후 배양된 활성슬러지 비드는 실제 공정시 장시간 사용되어야 함에 따라, 비드의 기계적 강도를 극대화할 필요가 있다. 상술한 상기 활성슬러지 비드화용액과 포화붕산 용액의 비드화 반응, 비드와 인산 용액의 강도 반응을 통해 비드의 기계적 강도가 담보되는데, 최소 반응시간 내에 최대의 기계적 강도를 확보하기 위해 TCOD 측정법 및 반응표면분석법을 이용할 수 있으며, 이를 통해 최대의 기계적 강도 확보를 위한 최소 반응시간을 도출할 수 있다.
구체적으로, 40ml 증류수에 100개의 활성슬러지 비드를 투입한 용액을 고속 호모게나이져를 이용하여 분쇄하고, 분쇄된 비드 조각들을 TCOD 측정법을 통해 측정할 수 있다. 반응시간의 최적화를 위해 반응표면분석법을 이용하며, 아래의 식 1은 반응표면분석법의 다차원함수이다. 또한, 반응표면분석법을 위한 실험 조건은 아래의 표 1과 같다.
(식 1)
Figure pat00001
(η a 은 파쇄된 겔 조각에 의해 발현되는 TCOD 농도(mg/L). x k 는 함수의 독립변수, x 1 은 비드화 반응시간, x 2 는 강도 반응시간, C 0 는 회귀분석에서 발생하는 에러값, α k 는 각 독립변수들의 상수)

실험회차		 독립변수
 종속변수
비드화 반응시간
(x1, hr)		 강도 반응시간
(x2, hr)		 TCOD(mg/L)
1 2.0 2.0 171
2 5.0 2.0 152
3 2.0 5.0 148
4 5.0 5.0 115
5 3.5 3.5 166.3±3.06
6 5.6 3.5 116
7 1.4 3.5 201
8 3.5 5.6 101
9 3.5 1.4 187
측정된 값을 기반으로 회기분석한 결과, 식 2와 같은 다차원함수를 도출하였고, 이에 의해 생성된 반응표면은 도 3과 같다. 가장 낮은 TCOD값을 갖는 조건이 가장 높은 기계적 강도를 나타낸다. 상술한 TCOD 측정법 및 반응표면분석법을 통해 도출된 비드화 반응시간과 강도 반응시간은 각각 3.5시간, 5.6시간이며, 이에 근거하여 최적의 비드화 반응시간은 3∼4시간, 최적의 강도 반응시간은 5∼6시간으로 설정되는 것이 바람직함을 알 수 있다.
(식 2)
ηresidual TCOD = 166 - 29.2 x 1 - 20.5 x 2 - 1.56 x1 x 2 - 2.29 x 1 2 - 5.58 x 2 2 + 4.66 x 1 2 x 2 + 5.14 x 1 x 2 2
한편, 완성된 활성슬러지 비드를 이용하여 혐기성 암모늄 산화미생물을 배양함에 있어서, 활성슬러지 비드 내의 혐기성 암모늄 산화미생물은 암모늄과 아질산을 기질로 하여 성장함과 함께 질소 가스를 생성하는데, 비드 내의 질소 가스가 비드 외부로 배출되지 않는 경우 비드 자체가 팽창되는 문제가 발생된다. 질소 가스의 효과적인 배출을 위해서는 비드 내에 질소 가스의 이동통로가 구비되어야 하며, 본 발명에서는 이를 위해 활성슬러지 비드화용액에 일정 크기의 고체입자를 혼합시키는 기술을 제시한다.
활성슬러지 비드화용액 내에 고체입자를 포함시킨 상태에서 활성슬러지 비드를 완성하게 되면, 고체입자는 PVA 또는 알지네이트와 화학적 결합을 이루지 않음에 따라 일정 강도의 외부의 물리적 충격에 의해 고체입자가 활성슬러지 비드로부터 탈착되는 현상이 발생되며, 고체입자가 탈착된 부위에는 활성슬러지 비드의 내외부를 공간적으로 연결하는 기공이 형성되며 이와 같은 기공이 질소 가스의 이동통로 역할을 하게 된다. 여기서, 일정 강도의 외부의 물리적 충격이라 함은 후속의 미생물 농후 배양 단계에서 진행되는 교반기 동작에 의한 교반기와 활성슬러지 비드의 접촉 또는 교반기 동작에 의한 활성슬러지 비드들 간의 접촉을 의미하거나, 고체입자를 활성슬러지 비드로부터 탈착시키기 위한 외부의 물리적 충격을 의미할 수 있다.
상기 고체입자는 활성슬러지 비드화용액에 추가, 혼합되거나 PVA-알지네이트 혼합용액 내에 미리 혼합될 수 있다. 또한, 상기 고체입자는 PVA, 알지네이트와 화학적 반응을 하지 않는 제반 물질로 구성 가능하며, 본 발명에서는 일 실시형태로 10㎛∼1mm 이하 크기의 활성탄을 이용하였다. 이와 함께, 상기 고체입자는 PVA-알지네이트 혼합용액 내에 혼합되는 경우를 기준으로, 증류수 100g 당량에 0.5∼5g의 비율로 혼합되어야 한다. PVA-알지네이트 혼합용액 내에서의 고체입자의 함량이 5%를 넘어서게 되면 고체입자로 인한 점도 증가로 인해 비드 형성되지 않는 문제점이 있다.
도 4는 완성된 활성슬러지 비드의 SEM 사진이며, 도 5는 활성탄이 혼합된 활성슬러지 비드화용액을 이용하여 제조한 활성슬러지 비드의 SEM 사진을 나타낸 것이며, 도 5에 도시한 바와 같이 활성슬러지 비드의 표면에 40∼70㎛의 기공이 형성됨을 확인할 수 있다.
상술한 1) 활성슬러지 비드 제조단계를 통해 활성슬러지 비드가 제조된 상태에서, 상기 2) 미생물 농후 배양단계를 진행한다. 상기 2) 미생물 농후 배양단계는 활성슬러지 비드 내에 포함되어 있는 혐기성 암모늄 산화미생물을 농후 배양시키는 과정이다.
2) 미생물 농후 배양단계는, 배양기 내에 진행된다. 구체적으로, 배양액이 구비된 배양기 내에 활성슬러지를 투입한 후, 일정 시간을 경과시키면 활성슬러지 비드 내의 혐기성 암모늄 산화미생물이 배양된다.
혐기성 암모늄 산화미생물은 암모늄과 아질산을 기질로 하여 성장되며, 이에 따라 배양기 내의 배양액은 암모늄과 아질산을 포함하여 이루어지며, 암모늄과 아질산의 공급원으로 각각 (NH4)SO4 및 NaNO2가 이용될 수 있다. 또한, 배양액 내에는 일정량의 탄소, 인, 마그네슘, 칼슘 및 미량의 염류를 포함될 수 있다.
상기 배양기 내에 활성슬러지 비드를 투입함에 있어서, 상기 활성슬러지는 배양액의 부피 대비 25∼35% 정도 투입된다. 배양액의 부피 대비 35% 이상의 활성슬러지 비드가 투입되면 질소제거활성이 둔화되는 문제가 발생된다.
한편, 혐기성 암모늄 산화미생물이 성장함에 따라 기질(암모늄 및 아질산)이 소모되므로 혐기성 암모늄 산화미생물의 지속적인 성장을 위해서는 배양액의 총 질소기질농도를 일정 수준으로 유지해야 하며, 일정 수준의 총 질소기질농도 유지를 위해 배양기 내에 추가적인 질소기질의 공급이 필요하다. 기질이 소모된 배양액은 배양기로부터 배출되며, 기질이 포함된 새로운 배양액이 배양기에 공급되는 형태로 배양기가 운영된다.
배양기 내에 질소기질을 추가 공급하는 방법은 배양기의 운전 형태에 따라 달리 적용된다. 본 발명에 있어서, 상기 배양기는 완전혼합연속반응(CSTR) 형태 또는 연속회분식반응(SBR) 형태로 운영이 가능하다. 완전혼합연속반응(CSTR)은 배양액을 연속적으로 배양기 내에 공급하는 방식이며, 연속회분식반응(SBR)은 배양액을 일정 시간 간격으로 간헐적으로 공급하는 방식이다. 완전혼합연속반응(CSTR), 연속회분식반응(SBR) 각각에서의 구체적인 배양기 운전 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 배양기가 완전혼합연속반응(CSTR) 형태로 운전되는 경우, 배양액의 부피 대비 25∼35%의 활성슬러지 비드가 투입된 상태를 기준으로, 배양기에 추가적으로 연속 유입되는 질소기질의 속도 즉, 총 질소유입속도는 0.8∼1.5 kg-N/m3-day 로 제어되어야 한다. 이 경우에 있어서, 배양기에 유입되는 액체(배양액)의 부피와 배양기로부터 유출되는 액체(폐배양액)의 부피는 동일함이 전제된다.
다음으로, 연속회분식반응(SBR) 형태로 운전되는 경우, 배양액의 부피 대비 25∼35%의 활성슬러지 비드가 투입된 상태를 기준으로, 배양기 내의 배양액의 총 질소기질농도는 120∼180mg-N/L로 유지되는 상태에서 혐기성 암모늄 산화미생물의 질소제거활성이 최대화되며, 질소제거활성을 배가하기 위한 추가적인 조건으로 pH를 6.5∼8로 설정할 수 있다. 이와 같은 총 질소기질농도 조건 및 pH 조건은 술하는 실험결과에 의해 뒷받침된다. 참고로, 배양액의 총 질소기질농도가 180 mg-N/L 이상, pH 8 이상이 되면 암모니아 독성에 의하여 미생물의 성장이 저하되며, 총 질소기질농도가 120mg 보다 낮으면 기질부족에 의하여 성장속도가 감소된다.
한편, 상기 배양기는 세부적으로 다음과 같이 구성될 수 있다. 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이 상기 배양기(10)는 혐기성 암모늄 산화미생물의 배양 공간을 제공하며, 상기 배양기(10) 내에는 전술한 바와 같은 배양액 및 활성슬러지 비드(도시하지 않음)가 구비된다. 또한, 상기 배양기(10) 내에는 배양액과 활성슬러지 비드의 접촉을 유도하는 교반기(11)가 구비된다.
상기 배양기(10)의 일측에는 배양액 유입구(12) 및 배양액 유출구가 구비된다. 배양액 유출구는 완전혼합연속반응(CSTR) 운전시 배양액이 유출되는 CSTR 유출구(14)와 연속회분식반응(SBR) 운전시 배양액이 유출되는 SBR 유출구(13)로 구분된다. 완전혼합연속반응(CSTR) 운전시 배양액은 배양액 유입구(12)로 공급됨과 함께 배양기(10) 내의 배양액은 CSTR 유출구(14)로 배출되며, 연속회분식반응(SBR) 운전시 배양액의 공급 후 일정 시간 경과 후 SBR 유출구(13)를 통해 배양액이 배출된다.
상기 배양기(10)의 상단부에는 활성슬러지 비드의 유출을 방지하기 위한 거름체(15)가 구비되며, 상기 거름체(15)에는 배양액의 통과를 위한 배양액 유출공(15a)이 구비된다(도 15 참조). 또한, 상기 배양기(10)의 후단측에 부직포와 같은 표면적이 넓은 소재를 충진한 미생물 회수장치(도시하지 않음)가 더 구비될 수 있으며, 상기 미생물 회수장치를 통해 배양액에 포함되어 유출되는 혐기성 암모늄 산화미생물의 회수가 가능하다.
다음으로, 실험예를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 암모늄 산화미생물의 농후 배양방법을 보다 상세히 설명하기로 한다.
<실험예 1 : 활성슬러지 비드의 제조>
증류수 250ml에 PVA 10∼20g, 소듐 알지네이트 1∼5g이 혼합된 용액을 준비하고, 오토클레이브(autoclave)에서 121℃에서 30분간 용해시켰다. 이어, 방냉 상태에서 40℃로 식혔다. 그런 다음, PVA-알지네이트 혼합용액을 활성슬러지와 혼합한 후, 정량펌프를 이용하여 포화붕산(H3BO3) 용액(증류수 100g 당량에 0.5∼1g 염화칼슘을 함유한 포화붕산 용액)에 떨구어 활성슬러지 비드를 제조하였다. 제조된 활성슬러지 비드를 0.5∼1M의 인산(KH2PO4) 용액과 반응시켜 기계적 강도를 증가시켰다. 도 4는 실험예 1을 통해 제조된 활성슬러지 비드의 SEM 사진이다.
<실험예 2 : 혐기성 암모늄 산화미생물의 배양>
배지가 채워진 반응기에 실험예 1을 통해 제조된 활성슬러지 비드를 투입하였다. 상기 배지는 기본적으로 96 mg-C/L of NaHCO3, 6 mg-P/L, 12 mg-Mg/L, 48 mg-Ca/L로 구성되며, 1ml의 미량염류Ⅰ 용액과 1ml의 미량염류Ⅱ 용액이 추가된다. 미량염류 I 용액은 5g/L EDTA와 5g/L FeSO4·7H2O을 포함하고, 미량염류 II 용액은 5g/L EDTA, 0.43g/L ZnSO4·7H2O, 0.24g/L CoCl2·6H2O, 0.99g/L MnCl2·4H2O, 0.25g/L CuSO4·5H2O, 0.22g/L Na2MoO4·2H2O, 0.19g/L NiCl2·6H2O, 0.21g/L Na2SeO4·10H2O, 0.014g/L H3BO3를 포함한다. 배양 과정에서 배지 내에 암모늄과 아질산의 공급원으로 각각 (NH4)SO4, NaNO2를 추가 공급하였다.
<실험예 3 : 완전혼합연속반응(CSTR) 운전시 총 질소유입속도에 따른 배양 결과>
실험예 2의 방법을 통해 혐기성 암모늄 산화미생물을 배양하였으며, 총 질소유입속도를 0.32 kg-N/m3-day와 0.81 kg-N/m3-day 로 달리 적용하여 배양을 실시하였다. 이 때, 배양기는 암반응 조건에서 35℃로 유지되었고, 배지의 pH 조절은 없었다. 질소제거효율의 지수성장을 내삽, 회기분석하여 혐기성 암모늄 산화미생물의 성장속도를 계산하였다.
도 6는 총 질소유입속도 0.32 kg-N/m3-day로 적용한 경우 혐기성 암모늄 산화미생물의 성장속도를 나타낸 것이고, 도 7는 총 질소유입속도 0.81 kg-N/m3-day로 적용한 경우 혐기성 암모늄 산화미생물의 성장속도를 나타낸 것이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 총 질소유입속도 0.81 kg-N/m3-day로 적용한 경우 월등한 지수 성장속도를 나타냄을 알 수 있으며, 0.32 kg-N/m3-day의 경우 배가성장시간(doubling time, Td)이 12.0일임에 반해 0.81 kg-N/m3-day의 경우 배가성장시간(Td)이 6.2일에 불과하여 총 질소유입속도의 증가에 따라 성장속도가 증가함을 확인할 수 있다.
또한, 혐기성 암모늄 산화반응이 나타나기 시작하는 시점에서 총 질소유입속도를 서서히 높이는 방식으로 질소제거효율을 향상시킬 수 있음도 확인하였다. 도 8을 참조하면, 107일간의 운영을 통해 최고 1.63 kg-N/m3-day의 제거효율을 획득할 수 있음을 확인하였다.
<실험예 4 : 연속회분식반응(SBR)에서의 최적 총 질소기질농도 및 pH 조건 설정>
암모니아성 질소와 아질산성 질소를 1 : 1의 비율로 조절한 상태에서, 총 질소기질농도와 pH를 아래의 표 2와 같이 조절하여 혐기성 암모늄 산화활성을 측정하여 최적 조건을 탐색하였다. 실험결과의 분석을 위해 반응표면분석법을 적용하여 회기분석하였다.

실험회차		 독립변수
 종속변수
총 질소기질농도
(mg-N/L)		 pH 질소제거활성
1 220 8 1.30
2 220 6 1.29
3 100 8 1.41
4 100 6 1.49
5 160 7 1.70±0.06
6 244.8 7 0.99
7 75.2 7 1.27
8 160 8.4 1.34
9 160 5.6 0.43
회기분석 결과, 아래의 식 3을 도출하였으며 이에 의해 분석된 최적 조건은 도 9를 통해 확인 가능하다. 도 9를 참조하면, 혐기성 암모늄 산화활성이 1.6 kg-N/L.mg-VSS.day 이상을 나타내는 구간이 총 질소기질농도 120-180 mg-N/L이며, pH는 6.8∼7.8로 나타났다. 이와 같은 조건을 유지하였을 때, 혐기성 암모늄 산화미생물의 활성을 극대화시킨 상태에서 농후배양 공정 운영이 가능하다.
(식 3)
ηresidual ANAMMOX = 1.70 -1.65ㅧ10-3 x 1 +3.27ㅧ10-1 x 2 +3.61ㅧ10-4 x 1 x 2 -7.91ㅧ10-5 x 1 2 -4.14ㅧ10-1 x 2 2 -9.59ㅧ10-5 x 1 2 x 2 +3.82ㅧ10-4 x 1 x 2 2 +1.04ㅧ10-4 x 1 2 x 2 2
<실험예 5 : 활성슬러지 비드의 직경에 따른 성장속도>
활성슬러지 비드 내에 질소기질이 전달되지 못하여 혐기성 암모늄 산화미생물의 성장속도가 저하되는 현상을 확인하기 위해, 활성슬러지 비드를 직경 5.06mm, 5.96mm, 6.50mm로 제작하여 농후 배양을 실시한 결과 혐기성 암모늄 산화활성의 지수성장이 서로 다름을 확인하였다(도 10 참조).
0.2 kg-N/m3-day를 초기 활성 달성목표로 설정하였을 경우, 도 11과 같이 입자의 상수(A/V, 표면적/부피)가 활성잠재기간(Lag Period)과 역함수 관계를 나타낸다. 따라서, 활성슬러지 비드의 직경을 최소화하되, 활성슬러지 비드의 유출을 방지하기 위해 활성슬러지 비드의 직경은 1∼2 mm이 설계하는 것이 바람직하다.
<실험예 6 : 장기 배양 결과>
도 3과 같은 구조를 갖는 배양기를 통해 활성슬러지 비드 내의 혐기성 암모늄 산화미생물을 200일간 장기 배양한 결과, 도 12에 도시한 바와 같이 안정적인 배양이 진행됨을 확인할 수 있다.
10 : 배양기 11 : 교반기
12 : 배양액 유입구 13 : SBR 유출구
14 : CSTR 유출구 15 : 거름체

Claims (18)

  1. 혐기성 암모늄 산화미생물이 담지된 활성슬러지 비드를 제작하는 단계; 및
    상기 활성슬러지 비드를 암모늄과 아질산이 포함된 배양액에 투입하여, 활성슬러지 비드 내의 혐기성 암모늄 산화미생물을 농후 배양하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혐기성 암모늄 산화미생물이 담지된 활성슬러지 비드를 제작하는 단계는,
    PVA(poly(vinyl alcohol))와 알지네이트가 포함된 PVA-알지네이트 혼합용액을 준비하는 과정과,
    상기 PVA-알지네이트 혼합용액을 혐기성 암모늄 산화미생물이 포함된 활성슬러지와 혼합하여 활성슬러지 비드화용액을 제조하는 과정과,
    상기 활성슬러지 비드화용액을 염화칼슘이 함유된 포화붕산 용액에 투여하여 활성슬러지 비드를 형성하는 과정과,
    상기 활성슬러지 비드를 인산 용액에 침지시켜 활성슬러지 비드의 기계적 강도를 강화시키는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 PVA-알지네이트 혼합용액 또는 상기 활성슬러지 비드화용액에 고체입자가 포함되는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 PVA-알지네이트 혼합용액은 증류수에 PVA(poly(vinyl alcohol))과 알지네이트가 혼합된 용액이며,
    상기 PVA-알지네이트 혼합용액에 고체입자가 포함되며, 증류수 100g 당량에 고체입자 0.5∼5g의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 고체입자는 10㎛∼1mm의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 활성슬러지 비드를 형성한 후에,
    활성슬러지 비드로부터 고체입자를 탈착시켜 활성슬러지 비드에 기공을 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 배양기 내에 배양액 및 활성슬러지 비드가 구비되며,
    상기 배양기는 완전혼합연속반응(CSTR) 형태로 운전되며,
    배양기 내의 총 질소유입속도는 0.8∼1.5 kg-N/m3-day 로 제어되는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 배양기 내에 배양액 및 활성슬러지 비드가 구비되며,
    상기 배양기는 연속회분식반응(SBR) 형태로 운전되며,
    상기 배양기 내의 배양액의 총 질소기질농도는 120∼180mg-N/L로 유지되는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 배양기에 유입되는 액체의 부피와 배양기로부터 유출되는 액체의 부피는 동일한 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 배양액의 pH는 6.5∼8인 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 활성슬러지 비드를 배양액에 투입함에 있어서, 배양액의 부피 대비 25∼35%의 활성슬러지 비드가 투입되는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 배양액의 암모늄은 (NH4)SO4로 공급되고, 아질산은 NaNO2로 공급되는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양방법.
  13. 암모늄과 아질산이 포함된 배양액을 포함하여 구성되는 배양기; 및
    상기 배양액 내에 구비되는 혐기성 암모늄 산화미생물이 담지된 활성슬러지 비드를 포함하여 이루어지며,
    상기 활성슬러지 비드는 배양액의 부피 대비 25∼35%인 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 배양기는 완전혼합연속반응(CSTR) 형태로 운전되며,
    배양기 내의 총 질소유입속도는 0.8∼1.5 kg-N/m3-day 로 제어되는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 배양기는 연속회분식반응(SBR) 형태로 운전되며,
    상기 배양기 내의 배양액의 총 질소기질농도는 120∼180mg-N/L로 유지되는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 배양액의 pH는 6.5∼8인 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양장치.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 활성슬러지 비드는,
    PVA(poly(vinyl alcohol)), 알지네이트 및 활성슬러지가 혼합, 경화된 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양장치.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 배양기의 상단부에 활성슬러지 비드의 유출을 방지하는 거름체가 구비되는 것을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화미생물 농후 배양장치.
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