HRT 변화에 따른 호기성 생물막내 미생물 분포 및 활성도 변화 특성

강신현, 이현주*, 남해욱*, 박태주*

부산대학교 청정공학협동과정, 부산대학교 환경공학과*

The Characteristics of the Microorganism Distribution and Activity in an

Aerobic Biofilm according to different HRT

Shin-Hyun Kang, Hyun-Joo Lee*, Hai-Uk Nam*, Tae-Joo Park*

Dept. of Clean Technology, Pusan National University

Dept. of Environment Engineering, Pusan National University*

서론

최근 농업, 공업 및 축산업을 비롯한 산업전반의 급속한 발전과 생활수준의 향상으로 환경오염원이 다양화되고 있으며, 고농도 영양염과 난분해성 화합물들이 도시하수나 산업폐수 중에 포함되어 수계로 배출되어 식수뿐만 아니라, 공업용수 및 농업용수로 사용되어질 수자원의 오염에 막대한 영향을 미치고 있는 실정이다. 이들 각종 발생오염원의 처리를 위해 최근 주목받는 처리기술중의 하나가 미생물에 의해 형성된 생물막을 이용하는 공정이다.

생물막 반응기를 이용한 폐수처리 공정에서 폐수처리 기능을 담당하고 있는 것은 생물막을 형성하고 있는 미생물이며, 효율적인 폐수처리와 생물막 공정의 개선을 위해서는 기질의 유입흐름과 생물막간의 상호관계 및 미생물 활성 등의 생물막 자체에 대한 미생물학적인 연구가 필수적이다.

본 실험에서는 유입 유속의 변화에 따른 bulk liquid 층과 생물막층간의 동적거동과 생물막 내부의 미생물 상호간의 거동 그리고 그에 따른 생물막의 활성도와 미생물량의 변화 관계를 연구하였다.

이론

(1) 미소전극(Microelectrode)

선택성이온전극(pH, NH4+-N, NO3--N)은 분석대상이온을 선택적으로 투과하는 이온교환막과 전기화학장치를 조합해 분석대상 이온농도에 알맞게 기전력을 측정함으로써 이온농도를 계측하는 것이다. 이 기전력은 다음의 Nernst법칙에 따른다.

[eqn: RM E = E_0+ ({2.303RT}over{nF})loga]                               (1)

여기서,  E : 시료액으로 전극과 참조전극 사이에 발생하는 전위차 (mV)

E0 : 기준전위차 (mV)

R : 기체상수 (8.314 J/oK mol)

T : 절대온도(oK)

F : Faraday상수 (96,485 C/g 이온)

n : 측정대상 이온전하

a : 이온활량

(2) INT

활동적으로 호흡하는 박테리아의 전자전달 시스템에 의하여 INT(2-(p-iodophenyl)

-3-(p-nitrophenyl)-5-phenyl tetrazolium chloride)가 INT-formazan (INTF)으로 환원되는 원리를 이용한 것으로 INT를 감소시키는 bacteria의 능력에 따라 활동성 또는 비활동성으로 분류된다.

가. Total biomass activity 측정

[eqn: RM DHA = { 905 TIMES D_465 TIMES V_1} over {C TIMES V_2 TIMES t TIMES F}]                                 (2)

여기서,  C  : 시료의 미생물 농도 (g/l)

V1 : 용매의 부피 (5 ml)

V2  : 추출에 사용된 시료의 부피 (5 ml)

t    : INT와의 반응시간 (20 min)

F   : INT와 포르말린에 의한 희석보정계수(0.714)

DHA(dehydrogenase, 탈수소효소)

나. Heterotrophs와 Nitrobactor spp. activity 측정

ATU : Nitrosomonas spp. 저해제

다. Heterotrophs activity 측정

ATU와 NaClO3(Sodium chlorate) : Nitrosomonas spp. 및 Nitrobacter spp. 저해제

실험

본 연구에 사용된 아크릴 반응기는 5개의 구획으로 나누어져 있으며, 무산소, 호기성, 침전조를 배치하였다. 전체 반응조 용량은 32.5 L이며 무산소조와 호기성조의 부피비는 1:1(6.7 L)이며 최종침전조의 부피는 8.4 L이다(Figure 1).

반응기 배열은 무산소(1)/침전조/호기성(1)/무산소(2)/호기성(2)로 구성되어 있으며 유입유량은 HRT(Hydraulic Retention Time) 8시간을 기준으로 유입하며 6시간과 4시간으로 HRT를 변화시키고 호기성(2)에서 무산소(1)로 내부반송을 행하며 이때의 반송비는 1Q/Q로 하였다. 유입수는 합성폐수로 Glucose(224□/L), NH4Cl(76.4□/L), KH2PO4(21.9□/L), Na2CO3(212□/L), KCl(17.5□/L), CaCl2(17.5□/L), NaCl(37.5□/L), MgSO4(12.5□/L)를 조제하여 실험하였으며 이때 사용된 메디아는 porous media(1□)에 25 cps의 PVA(Polyvinylalcohol)로 입힌 media로 충진율은 20%였고 질산화 미생물 관찰을 위해 각 호기조의 메디아를 분취하였다.

Figure 1. 실험장치의 구성도

결과 및 토의

Figure 2는 HRT 8일 때 각 호기조에서 PVA 메디아에 부착된 생물막내의 농도 프로파일로 bulk상과 생물막내부에서 암모니아성 질소와 질산성 질소 농도의 변화 경향이 뚜렷하며 암모니아성 질소가 감소함에 따라 질산성 질소는 증가하였고 산소는 기저에서 거의 0 □/L까지 떨어졌으며 pH는 적은 감소를 보였다.

Figure 3은 HRT에 따른 호기조 1에서 생물막내의 산소 농도 프로파일로 HRT가 8시간에서 4시간으로 짧아짐에 따라 생물막의 두께가 감소하고 생물막 밀도가 증가함에 따라 산소전달의 깊이가 줄어들었다.

(a) 호기조 1                           (b) 호기조 2

Figure 2. HRT 8일 때 메디아에 부착된 생물막내의 component profiles

Figure 3. HRT 변화에 따른 호기조 1에서 생물막내의 산소농도구배

Figure 4는 HRT에 따른 VSS와 단위 미생물당의 DHA 활성도의 변화를 호기조 1과 2에 대해 나타낸 것으로 VSS의 경우 호기조 1과 2의 반응조에서 HRT의 변화에 따라 각각 0.33∼0.25 g/L와 0.33∼0.21 g/L로 유사하게 감소하였으나 DHA 활성도는 호기조 1의 124.2∼147.7 □ O2/gVSS·day에 비하여 호기조 2는 50.4∼71.5 □ O2/gVSS·day로 낮았다. VSS의 경우는 HRT가 감소함에 따라 생물막내 부착된 VSS양도 감소하였다.

Figure 5는 HRT에 따른 각 호기조에서 heterotrophs와 autotrophs의 분율의 변화를 나타낸 것으로 두 호기성 반응조 모두에서 HRT가 8시간에서 4시간으로 감소함에 따라 호기조 1의 경우 heterotrophs의 분율이 66.3%에서 83.3%로 증가하였으며 autotrophs의 분율은 상대적으로 33.7%에서 17.7%로 감소하였다. 한편, 호기조 2의 경우 heterotrophs의 분율이 53.8%에서 67.7%로 증가하였으며 autotrophs의 분율은 상대적으로 47.2%에서 32.3%로 감소하였다.

(a) 호기조 1                           (b) 호기조 2

Figure 4. HRT 변화에 따른 호기조 1과 2에서 VSS와 활성도의 관계

(a) 호기조 1                           (b) 호기조 2

Figure 5. HRT 변화에 따른 호기조 1과 2에서 autotrophs/heterotrophs의 분율 변화

Figure 6은 HRT에 따른 VSS와 DAPI에 의해 측정된 메디아 단위 표면적당의 총세포의 관계를 나타낸 것으로 호기조 1이 호기조 2보다 메디아에 부착된 세포의 수와 VSS의 양이 더 컸으며 HRT가 감소할수록 각 호기조의 VSS와 총세균수는 감소하였다.

(a) 호기조1의 VSS와 총세포수         (b) 호기조2의 VSS와 총세포수

Figure 6. HRT 변화에 따른 호기조 1과 2에서 VSS와 DAPI의 관계

결론

Microelectrode를 활용한 DO, NH4+-N, NO3--N 및 pH의 농도 프로파일을 측정한 결과 HRT가 감소함에 따라 생물막내부로의 생물막 두께의 감소 및 각 농도구배의 감소를 확인할 수 있었으며 호기조 1과 2에서 자가영양미생물 즉 질산화미생물의 양이 감소하였으며, 호기조 2에 비해 유기물부하가 높은 호기조 1에서 큰 감소를 보였으며 또한 생물막의 VSS성분이 감소함에 따라 INT-DHA활성도는 증가하였다.

참고문헌

1. C. M. Carboneill et. al., "Relevance of the INT Test Response as an  Indicator of     ETS Activity in Monitoring Heterotrophic Aerovic Bacterial Populations in           Activated Sludge", Wat. Res. Vol. 32, No. 4, pp. 1213-1221, 1998

2. Dirk de Beer et. al., "Effect of Biofilm Structures on Oxygen Distribution and        Mass Transport", Biotech. & Bioeng., Vol. 43, pp. 1131-1138, 1994

3. Shung Y. & Zbigniew L., "Measurement of Local Mass Transfer Coefficient in       Biofilms", Biotech. & Bioeng., Vol. 48, pp. 737-744, 1995

4. S. A. Blenkinsopp and M. A. Lock, "The Measurement of Electron Transport        System Activity in River Biofilms", Wat. Res. Vol. 24, No. 4. pp. 441-445, 1990