KR102620291B1 - 외인성 아실 호모세린 락톤(ahl)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 이용한 배양조 - Google Patents

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KR102620291B1 KR1020230063315A KR20230063315A KR102620291B1 KR 102620291 B1 KR102620291 B1 KR 102620291B1 KR 1020230063315 A KR1020230063315 A KR 1020230063315A KR 20230063315 A KR20230063315 A KR 20230063315A KR 102620291 B1 KR102620291 B1 KR 102620291B1
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박기영
민경진
장은애
최한나
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주식회사 태영건설
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Abstract

본 발명은 외인성 아실 호모세린 락톤을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제, 이를 이용한 촉진방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래뉼 크기 증가, 그래뉼의 형성 유도와 촉진, 그래뉼 안정성 향상, 바이오매스 함량 증가, 상대적 소수성 증가 및 슬러지 침강 개선 및 생물막 형성을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제에 관한 것이다.

Description

외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 이용한 배양조{A method for promoting granulation of Aerobic Granular Sludge using N-acyl-homoserine lactone}
본 발명은 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지(AGS) 과립화 촉진제, 이를 이용한 촉진방법에 관한 것이다. 본 발명은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 상하수도 혁신기술개발의 지원을 받아 연구된 결과물이고 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원의 신재생에너지 핵심기술개발사업의 지원을 받아 연구된 결과물에 대한 것이다.
호기성 입상 슬러지(Aerobic Granular Sludge, 이하 AGS)는 호기성 조건에서 미생물의 자기고정을 통해 형성된 특수한 생물막으로 수처리 분야에서 유망한 기술로 꼽힌다.
AGS는 안정적인 침전, 고농도 바이오매스 확보, 폐수처리 시 체류시간 단축, 고농도 유기성 폐수에 대한 높은 처리성능 유지 등의 장점 때문에 지난 수십 년간 다양한 규모로 광범위하게 연구되어 왔다. AGS는 일반적으로 높이/직경 비율이 큰 반응기에서 형성되기 때문에 수직 공간을 효율적으로 사용할 수 있고 생물학적 반응과 고액 분리가 하나의 반응기에서 일어날 수 있어 부지 면적과 건설 비용을 줄일 수 있다. AGS는 또한 다양한 오염 물질 부하 및 특성을 가진 폐수를 처리하는 데 사용할 수 있다.
AGS 형성은 세포-세포 부착, 미세응집체 형성, 세포외 고분자물질(EPS) 분비, 과립 성숙의 4단계로 나뉜다. 그러나 AGS의 형성은 엄격한 작동 조건과 함께 수많은 요인의 영향을 받으며 형성에는 시간이 많이 걸린다. 또한 긴 과립화(그래뉼화) 기간과 불안정성으로 인해 AGS 기술의 본격적인 적용이 제한된다.
따라서 기존의 과립 형성 메커니즘을 보완하기 위한 새로운 전략에 대한 많은 연구가 수행되었다. 호기성 과립화를 개선하기 위해 제안된 일부 새로운 전략에 대한 연구에서는 칼슘 및 과립 활성탄과 같은 금속 이온을 추가했다. 외인성 물질을 추가하면 AGS의 안정성을 유지하고 과립화 기간을 단축하는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 전략은 과립화 과정이 세포외 고분자물질(EPS)의 조성과 밀접한 관련이 있고 EPS 분비를 통한 미생물의 부착이 과립 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 나타낸다.
확산성 신호 전달 분자에 의해 발생하는 세포 간 통신 시스템인 쿼럼 센싱(QS)은 플록 또는 생물막 형성 과정 및 슬러지 과립화와 밀접한 관련이 있다. 박테리아 군집은 QS를 사용하여 박테리아 반응을 조정하기 위해 화학적 신호 분자를 교환함으로써 그들의 행동을 조절한다. 신호 분자의 교환은 생물막 형성과 EPS 생산을 변경한다. 적절한 분자 구조를 가진 신호 전달 분자는 미생물 부착 동안 EPS 분비를 촉진하여 미생물 활동을 개선하고 과립 형성을 향상시킬 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-1272016호 대한민국 등록특허 제10-1336988호 대한민국 등록특허 제10-2103668호 대한민국 등록특허 제10-2051259호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 폐수 처리를 위한 호기성 입상 슬러지의 형성과, 과립화를 촉진시킬 수 있는, 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 그람 음성 박테리아가 분비하는 작은 확산성 신호 분자로 QS 발현에 적합한 분자 구조를 가진 N-아실-호모세린 락톤(N-acyl-homoserine lactone, AHL)를 이용하여, 바이오매스 성장률, 미생물 활동 및 질화 생물막 형성을 증가시킬 수 있는, 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 외인성 AHL을 추가하게 됨으로써, 세포외 고분자물질(EPS) 합성을 크게 촉진시키고, 질소 제거 효율, 인 제거 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 EPS 및 미생물 군집 생산에 중요한 영향을 미칠 수 있는, 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명에 따에 따르면, 그래뉼 크기 증가, 바이오매스 함량 증가, 상대적 소수성 증가 및 슬러지 참강 개선 및 생물막 형성을 촉진시킬 수 있는, 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은 호기성 입상슬러지의 과립화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 AHL 신호분자의 쿼럼센싱(QS) 발현을 통해 과립화를 촉진시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 AHL 신호분자는, C6-HSL, C8-HSL, C10-HSL, 및 C12-HSL 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 AHL 신호분자는 C8-HSL인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 세포외 고분자물질(EPS) 분비가 촉진되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 그래뉼 크기 증가, 그래뉼의 형성 유도와 촉진, 그래뉼 안정성 향상, 바이오매스 함량 증가, 상대적 소수성 증가 및 슬러지 침강 개선 및 생물막 형성을 촉진시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 호기성 입상 슬러지를 이용한 처리시스템으로서, 활성슬러지와 폐수가 유입되며 호기성 조건이 유지되는 반응기;를 포함하고, 상기 반응기 내로 앞서 언급한 제1목적에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 외인성 아실 호모세린 락톤을 이용한 호기성 입상 슬러지 처리시스템으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)의 신호분자는 C8-HSL이고, 상기 폐수 내의 질소, 인 제거 효율을 증가시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 활성슬러지와 폐수가 저장된 호기성 반응기에서 호기성 입상 슬러지의 과립화를 촉진시키기 위한 방법으로서, 상기 반응기 내로 앞서 언급한 제1목적에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 첨가하는 것을 특징으로 하는, 외인성 아실 호모세린 락톤을 이용한 호기성 입상 슬러지의 과립화 촉진방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)의 신호분자는 C8-HSL이고, 그래뉼 크기 증가, 그래뉼의 형성 유도와 촉진, 그래뉼 안정성 향상, 바이오매스 함량 증가, 상대적 소수성 증가 및 슬러지 침강 개선 및 생물막 형성을 촉진시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제 및 촉진방법에 따르면, 폐수 처리를 위한 호기성 입상 슬러지의 형성과, 과립화를 촉진시킬 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제 및 촉진방법에 따르면, 그람 음성 박테리아가 분비하는 작은 확산성 신호 분자로 QS 발현에 적합한 분자 구조를 가진 N-아실-호모세린 락톤(N-acyl-homoserine lactone, AHL)를 이용하여, 바이오매스 성장률, 미생물 활동 및 질화 생물막 형성을 증가시킬 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제 및 촉진방법에 따르면, 외인성 AHL을 추가하게 됨으로써, 세포외 고분자물질(EPS) 합성을 크게 촉진시키고, 질소 제거 효율, 인 제거 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 EPS 및 미생물 군집 생산에 중요한 영향을 미칠 수 있는 효과를 갖는다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제, 특히 C8-HSL는 그래뉼 크기 증가, 바이오매스 함량 증가, 상대적 소수성 증가 및 슬러지 참강 개선 및 생물막 형성을 촉진시킬 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실험예에 따른 각각에 첨가된 N-아실 호모세린 락톤(AHL)을 나타내는 회분식 반응기의 개략도,
도 2는 본 발명의 실험예에서 AHL 유형에 따른 EPS 함량 변화그래프,
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 EEM 형광스펙트럼 (a) 예, (b) LB-EPS (c) TB-EPS,
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 대조군과, 4가지 AHL를 첨가한 경우 (a) LB-EPS (B) TB-EPS의 형광강도 비교그래프,
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 슬러지의 상대적 소수성에 대한 AHL의 영향,
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 위 생물막의 CLSM 이미지,
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 입자크기 분포 및 해당 슬러지 이미지,
도 8은 본 발명의 실험예의 AHL 유형에 따른 MLSS, VS/TS, SVI의 변화그래프,
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 연속식 반응기의 모식도,
도 10a는 본 발명의 실험예에 따라 C8-CHL를 주입한 경우(이하 W/AHL)와, 대조군인 주입하지 않은 경우(이하 W/O AHL)의 COD 제거효율 비교그래프,
도 10b는 W/AHL과, W/O AHL의 총 질소(T-N) 제거효율 비교그래프,
도 10c는 W/AHL과, W/O AHL의 총 인(T-P) 제거효율 비교그래프,
도 11은 W/O AHL(a) W/AHL(b)에 대한 LB-EPS 함량 변화그래프,
도 12는 W/O AHL(a) W/AHL(b)에 대한 TB-EPS 함량 변화그래프,
도 13은 W/O AHL(a) W/AHL(b)에 대한 평균입도 사이즈 비교그래프,
도 14는 W/O AHL(a) W/AHL(b)에 대한 이미지,
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 배양조의 개략 단면도,
도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 침전지가 설치된 배양조의 개략 단면도,
도 17은 본 발명의 제1실시예에 따른 배양조의 상부 평면 개략도,
도 18은 본 발명의 제2실시예에 따른 배양조의 상부 평면 개략도,
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 과립화조에서의 수류 이동 개략도,
도 20는 본 발명의 실시예에 따른 배양조 운영 제어 방법의 흐름도,
도 21은 본 발명의 실험예에 따른 각각에 첨가된 N-아실 호모세린 락톤(AHL)을 나타내는 회분식 반응기의 개략도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명은 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제이다.
본 발명에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제는 호기성 입상슬러지의 과립화를 촉진시킨다.
N-아실-호모세린 락톤(N-acyl-homoserine lactone, AHL)은 그람 음성 박테리아가 분비하는 작은 확산성 신호 분자로 QS 발현에 적합한 분자 구조를 가지고 있다. AHL 신호 분자의 추가가 바이오매스 성장률, 미생물 활동 및 질화 생물막 형성을 증가시킨다. 본 발명의 실시예에 따른 외인성 AHL을 추가하면 EPS 합성이 크게 촉진될 수 있다. 특히 외인성 C6-HSL 및 C8-HSL은 질소 제거 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 EPS 및 미생물 군집 생산에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 외인성 C10-HSL 및 C8-HSL이 혐기성 과립 형성을 촉진한다.
즉, AHL 신호분자의 쿼럼센싱(QS) 발현을 통해 AGS 형성, 과립화를 촉진시키게 된다.
본 발명에 따른 AHL 신호분자는, C6-HSL, C8-HSL, C10-HSL, 및 C12-HSL 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 특히 본 발명에 따른 AHL 신호분자는 C8-HSL이다.
생물막 형성 과정은 초기 부착, EPS 분비에 의한 불가역 부착, 증식, 성숙, 분산의 5단계로 이루어진다. 본 발명의 실시예에 따른 외인성 AHL은 초기 과립화 과정을 가속화할 수 있다. AHL의 외인성 추가가 생물막 형성을 가속화하고 시작 지연 기간을 약 50% 단축할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제는, 세포외 고분자물질(EPS) 분비를 촉진시킨다.
또한 본 발명에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제는, 그래뉼 크기 증가, 바이오매스 함량 증가, 상대적 소수성 증가 및 슬러지 참강 개선 및 생물막 형성을 촉진시킨다.
이하에서는 본 발명에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 적용한 경우, 슬러지 특성, 입자 크기, EPS 및 생물막 형성에 대한 실시예, 실험예 및 그에 대한 결과데이터에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에서는 AHL 매개 QS가 호기성 과립화에 미치는 영향을 여러 종류의 AHL을 회분식 방식으로 실험하였다. 이는 AGS 시스템에 가장 적합한 AHL 유형을 결정하기 위한 것이다. 본 발명의 실험예에서는 슬러지 특성, 입자 크기, EPS 및 생물막 형성 등을 실험하였다.
본 발명의 실험예에서는 과립화 과정 및 AGS 시스템에 가장 적합한 AHL 신호 분자의 유형을 조사하기 위해 회분식 실험을 수행하였다.
도 1은 본 발명의 실험예에 따른 각각에 첨가된 N-아실 호모세린 락톤(AHL)을 나타내는 회분식 반응기의 개략도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 활성슬러지(300mL)와 합성폐수 (300mL)를 1L 반응기에서 혼합하였다. AHL을 첨가하지 않은 5개의 반응기 중 하나를 대조군으로 사용하였다. 나머지 4개의 반응기는 5 μM의 N-Hexanoyl-L-homoserine lactone(C6-HSL), N-Octanoyl-L-homoserine lactone(C8-HSL), N-Decanoyl-L-homoserine lactone(C10-HSL), N-도데카노일-L-호모세린 락톤(C12-HSL)을 주입했다.
중랑 2차 정화기에서 반송된 슬러지 파종슬러지는 서울의 하수처리장을 사용하였다. 슬러지의 TSS 및 VSS는 각각 3,260 mg/L 및 2,658 mg/L이었다. 하수 처리장의 측류를 시뮬레이션하여 합성 폐수를 준비했다.
조성은 다음과 같다: COD 2,480 mg/L(아세트산나트륨), TN 86.03 mg/L(NH 4 Cl), TP 24.57 mg/L(K2HPO4 및 KH2 PO4 ). 반응기는 교반기를 이용하여 90rpm으로 혼합하였고, 온도는 25±2℃로 유지하였다. 공기는 에어 디퓨저를 통해 200 mL/min의 속도로 공급하여 호기적 조건을 유지하였다.
이하에서는 본 발명의 실험예에서의 분석방법과, 그 분석방법에 따른 결과에 대해 설명하도록 한다.
MLSS(혼합액 부유 물질), MLVSS(혼합액 휘발성 부유 물질) 및 SVI(슬러지 체적 지수)를 포함한 회분식 반응기 매개변수의 분석은 표준 방법(23판)에 따라 수행되었다. 슬러지의 형태를 조사하기 위해 광학현미경(BX51, Olympus Co., Japan)과 전계방출주사전자현미경(FE-SEM, SU8010, Hitachi Ltd., Japan)을 사용하였다. 입자 크기 분석기(Malvern Mastersizer 2000, Malvern Panalytical Ltd., UK)를 사용하여 과립의 입자 크기 분포를 측정하였다.
EPS 추출은 가장 효과적인 추출방법인 열추출법을 사용하였고, 기존 열추출법을 변형하여 사용하였다. 반응기 내의 슬러지(25mL )를 샘플링하고 4,000g에서 5분 동안 원심분리하였다. 상등액을 버리고 남은 고형물을 70 ℃ 인산완충 식염수에 재현탁하여 1분간 혼합한 후 원심분리(4,000g, 10분) 후 상등액에서 느슨하게 결합된 EPS(LB-EPS)를 측정하였다. 추출 후 남은 고형물을 60℃ 인산완충식염수에 재현탁하고 1분간 혼합한 후 60℃ 수조에서 30분간 반응시켰다. 상등액을 4,000g에서 15분 동안 원심분리한 후 0.45μm 필터로 여과하여 TB -EPS( Tightly-bound EPS) 를 측정하였다.
본 발명의 실험예에서 추출된 EPS는 주성분인 단백질(PN)과 다당류(PS)의 합으로 정량화하였다. Bradford 염료 결합 방법에 기반한 Bio-Rad 단백질 분석을 사용하여 단백질을 분석 했다. 단백질 정량을 위해 2 mg/mL 소 혈청 알부민 스톡 용액을 사용하여 표준 곡선을 작성했다. 시료 0.5 mL와 단백질 염료(Bio-Rad, USA) 0.5 mL를 마이크로 큐벳에 넣은 후 15분 동안 반응시킨 후 UV/VIS 분광기(OPTIZEN POP, Mecasys Co.)를 이용하여 595 nm에서 흡광도를 측정하였다. PS는 TOC 분석기(Multi N/C-3100, Analytik Jena AG, Germany)를 사용하여 분석하였다.
AHL이 유기물 조성에 미치는 영향을 조사하기 위해 추출된 EPS 용액을 형광 여기-방출 매트릭스(F-EEM, RF-5301 spectrofluorometer)를 사용하여 분석하였다. 유기 물질의 형광 특성은 여기 파장 220-400 nm(10 nm 간격) 및 방출 파장 280-600 nm(1 nm 간격)에서 아크 램프를 사용하여 스캔되었다.
그리고 본 발명의 실험예에서, 상대 소수성(RH)은 탄화수소-헥산 추출법을 부분적으로 수정하여 측정하였다. 15mL 샘플을 분별 깔대기에서 동량의 n-헥산과 10분 동안 혼합했다. 30분 후 두 상이 완전히 분리되면 수상을 옮겨 600 nm에서 흡광도를 측정하였다. RH(%)는 n-헥산 처리 전후의 흡광도를 이용하여 수학식 1과 같이 계산하였다.
RH(%) = (1-A0 /A) × 100 (1)
여기서, A0은 n-헥산 처리 전의 OD600이고 , A는 n-헥산 처리 후의 OD600 이다 .
또한 본 발명의 실험예에 따른 생물막 분석을 위해 멤브레인을 1.5 cm × 1.5 cm 조각으로 절단하여 회분식 반응기에 고정하고 슬러지와 함께 24시간 동안 운전하였다. 미생물이 부착된 막 조각을 0.9% NaCl 용액으로 2회 세척하고 SYTO9 및 프로피디움 요오드화물(PI)을 포함하는 LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit(Molecular Probe s, Eugene, Oregon, USA) 로 염색하였다.
SYTO9는 살아있는 세포와 죽은 세포 모두에 침투할 수 있는 녹색 형광 염료인 반면, PI는 세포막이 손상된 죽어가거나 죽은 세포 에만 침투 할 수 있는 적색 형광 염료이다. 생물막 염색을 위해 3 μL SYTO9 및 3 μL PI 용액을 1 mL 증류수와 혼합하고, 혼합물 200 μL 를 피펫팅하여 전체 멤브레인 표면을 덮었다.
막을 담고 있는 페트리 접시를 알루미늄 호일로 덮고 어두운 곳에서 30분 동안 방치한 다음 증류수로 조심스럽게 세척하여 여분의 얼룩을 제거하였다. 멤브레인을 커버가 있는 유리 슬라이드 위에 장착했다. 공초점 레이저 스캐닝 현미경(CLSM, LSM 810, Carl Zeiss, Germany)을 사용하여 막 표면에 부착된 생물막의 두께, 모양 및 분포를 조사하고 이미지를 얻었다. 모든 이미지는 이미지 분석 프로그램(Zen software, Carl Zeiss Co., Germany)을 이용하여 분석하였으며, 멤브레인 표면에 형성된 생물막의 CLSM 이미지는 COMSTAT 이미지 분석 소프트웨어를 이용하여 정량하였다.
본 발명의 실험예에 따른 결과데이터에 대해 설명하도록 한다.
EPS와 셀의 관계에 따라 EPS는 TB-EPS와 LB-EPS의 두 계층으로 구성된다. TB-EPS는 미생물 세포를 둘러싸는 내층을 형성 하고, LB-EPS는 TB-EPS를 덮는 외층을 형성한다. EPS의 조성은 슬러지 특성에 다른 영향을 미치며 외인성 AHL의 추가는 EPS의 분포를 변화시킬 뿐만 아니라 작용기에도 영향을 미친다. 본 발명에서는 EPS를 TB-EPS와 LB-EPS로 구분하였다.
도 2는 본 발명의 실험예에서 AHL 유형에 따른 EPS 함량 변화그래프를 도시한 것이다(PN:단백질, PS:다당류, LB:느슨하게 묶인, TN:단단하게 묶인)
다른 유형의 AHL 신호 분자는 EPS 함량에 약간 다른 영향을 미침을 알 수 있다.TB-EPS는 C8-HSL과 C12-HSL을 첨가한 반응기에서 각각 18.49 mg/g VSS와 18.68 mg/g VSS로 C6-HSL 및 C10-HSL와 달리 대조군(17.91 mg/g VSS)보다 높았다.
LB-EPS는 TB-EPS에 비해 유의하게 증가하였으며, AHL 신호 분자가 첨가된 모든 반응기는 대조군에 비해 LB-EPS가 증가된 것으로 나타났다. 이는 LB-EPS의 전단 저항이 TB-EPS보다 낮기 때문일 수 있다.
전반적으로 C8-HSL은 EPS 함량을 높이는 데 가장 효과적이었다. AHL 유형 중 C8-HSL이 첨가된 반응기의 TB- EPS 및 LB-EPS는 대조군에 비해 각각 18.49 및 74.07 mg/g VSS로 3.15% 및 53.76% 증가하였다. 즉, C8-HSL을 추가하면 EPS 함량이 증가한다는 사실을 발견했다.
표면 전하 및 소수성과 같은 표면 특성을 변경하여 슬러지 응집 및 과립화에 영향을 미칠 수 있다. 그 구성 성분 중 PN은 다른 구성 성분보다 양이온에 대한 친화력이 더 좋기 때문에 가교에 중요한 역할을 한다. 또 다른 구성 요소인 PS의 합성은 세포 부착 능력에 영향을 미치고 미생물 응집체의 형성과 안정성에 도움이 될 수 있다.
LB-PS가 전체 EPS에서 차지하는 비중이 더 크지만, AHL의 추가가 LB-PN 증가에 더 큰 영향을 미치는 것으로 보여 LB-PN은 최대 2.41배 증가한다. AHL 신호 분자를 통해 특히 다당류는 EPS 증가에 상당한 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. AHL 신호 분자는 과립 형성의 초기 단계에 영향을 미쳐 바이오매스 농도, 소수성 및 침강을 증가시키게 된다.
EPS의 구성은 AHL 신호 분자를 EPS의 유기 물질 조성에 추가하는 효과를 조사하기 위해 분석되었습니다. 도 3은 본 발명의 실험예에 따른 EEM 형광스펙트럼으로 (a) 예, (b) LB-EPS (c) TB-EPS이다. 도 4는 본 발명의 실험예에 따른 대조군과, 4가지 AHL를 첨가한 경우 (a) LB-EPS (B) TB-EPS의 형광강도 비교그래프를 도시한 것이다.
C8-HSL이 포함된 반응기에서 LB-EPS 성분 중 단백질 유사 물질에 해당하는 피크 T1 및 T2가 가장 높음을 알 수 있다. 다른 AHL 추가와 달리 피크 B1 및 B2도 두드러진 것으로 나타났다. 이 결과는 EPS의 단백질 함량에 해당한다(도 2).
즉, AHL 신호 분자는 단백질 유사 물질의 분비를 촉진했으며, C8-HSL의 첨가가 가장 큰 영향을 미쳤다. 도 3b 및 3c에 나타낸 바와 같이, TB-EPS의 피크 T1 및 T2는 C8-HSL이 있는 반응기에서 가장 높았다. C8-HSL, C10-HSL , C12-HSL이 첨가된 반응기에서 피크 A와 C 의 형광강도가 높았으며, 이는 EPS에서 fulvic acid와 humic acid 유사물질에 해당한다(도 4). 단백질 유사 물질은 과립 슬러지의 형성 및 안정성에 유리한 반면 휴믹 및 풀빅산 유사 물질은 과립화를 악화시킬 가능성이 있다. 또한, 휴믹산 유사 유기물은 주로 유기체의 세포 사멸 및 분해에 의해 생성되며, 이들의 축적은 미생물의 응집에 이롭지 않을 수 있다.
AHL 신호 분자의 추가는 EPS의 구성을 변경했으며 과립화에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.
또한 본 발명의 실험예에서 C8-HSL이 트립토판을 포함하는 EPS와 방향족 단백질 유사 물질 모두에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 발견했다. 이것은 단쇄 AHL이 장쇄 AHL보다 과립 형성에 더 유리할 수 있으므로 트립토판 및 방향족 단백질 유사 물질이 초기 슬러지에서 EPS 형성의 주요 물질이기 때문이다. 이는 C8-HSL의 첨가가 과립 형성에 기여할 수 있음을 시사한다.
이하에서는 본 발명의 실험예에 대한 결과데이터를 기반으로 상대 소수성 및 생물막 형성에 대한 AHL의 영향에 대해 설명하도록 한다. 슬러지의 상대적 소수성 변화는 바이오필름을 형성하는 바이오매스의 주요 특성 중 하나이다. 증가된 세포 표면 소수성은 세포 간 상호 작용을 촉진하고 과립화를 유발하는 힘으로 간주될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 슬러지의 상대적 소수성에 대한 AHL의 영향을 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 모든 유형의 AHL 신호 분자는 유형에 관계없이 슬러지 플록의 RH 값을 증가시켰다.
소수성의 가장 높은 증가를 보인 AHL은 C8-HSL로 대조군 반응기에서 RH 값이 16.36% , n RH 값이 25.00% 로 C8-HSL이 포함된 반응기에서 약 1.53배 증가하였다. RH값 증가에 가장 영향을 적게 미친 AHL의 종류는 C10-HSL 로 RH값이 20.00% 로 AHL을 투입하지 않은 대조군 반응기보다 약 1.22배 높은 값을 보였다.
슬러지 플록의 소수성이 증가함에 따라 생물 응집이 증가하고 접착력이 향상될 수 있다. 따라서 RH 값이 높을수록 응집 특성이 더 좋다. 상대적으로 낮은 표면 전하와 높은 소수성은 미생물의 응집을 촉진한다. 도 5 는 AHL을 적용하여 형성된 슬러지 플록이 우수한 소수성을 가지며 더 큰 크기와 더 조밀한 구조를 가진 과립 슬러지를 형성할 수 있음을 보여준다.
본 발명의 실험예에서 생물막은 CLSM 이미지 분석을 사용하여 관찰되었으며 구조, 형태 및 생물량에 대한 정보를 얻었다. 생물막의 구조가 균질하게 분포되지 않았기 때문에 멤브레인의 중앙 부분을 모두 분석했다. 도 6은 멤브레인 위 생물막 의 CLSM 이미지를 보여준다. 미생물의 형광이 강할수록 녹색 형광이 더 밝게 나타난다. 대부분의 세포는 높은 신진대사로 인해 살아 있는 세포임을 나타내는 녹색 형광을 나타내는 것으로 보인다. 그러나 AHL이 첨가되지 않은 대조군 반응기는 생물막이 잘 형성되지 않아 영상에서 거의 관찰되지 않음을 알 수 있다.
AHL의 효과는 CLSM 이미지를 사용하여 생물막의 부피와 두께를 정량화하여 비교되었다. 24시간 동안 작동된 멤브레인의 바이오매스 부피는 C8-HSL 및 C12-HSL에서 각각 7.82 ± 6.17 μm3 /μm2 및 6.99 ± 10.22 μm3 /μm2 로 3.58 ± 8.72 μm3 /μm2 보다 컸다. 평균 바이오매스 두께 역시 C8-HSL이 15.31 ± 12.96 μm 로 반응기에서 가장 높았고, C12-HSL이 14.45 ± 10.69 μm 로 그 뒤를 이었다.
이러한 결과는 AHL의 첨가가 생물막과 생물량의 두께를 증가시킨다는 것을 시사한다. 이는 AHL이 EPS 분비를 촉진하여 박테리아 부착을 개선하고 3D 생물막 구성을 촉진하기 때문이다. AHL과 같은 QS 관련 물질의 추가는 QS 신호를 통해 달성할 수 있는 EPS 및 생물막의 상당한 변화에 기여할 수 있다. 따라서 AHL의 첨가는 생물막 형성을 촉진하고, 과립 형성 초기에 접착력을 증가시키며, AGS에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실험예에 대한 결과로서, AHL 첨가에 따른 슬러지 플록의 크기 변화에 대해 설명하도록 한다. 도 7은 본 발명의 실험예에 따른 입자크기 분포 및 해당 슬러지 이미지를 도시한 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, AHL 신호 전달분자의 추가는 과립의 크기를 증가시켰다. 가장 큰 과립은 C6-HSL 및 C8-HSL이 있는 반응기에서 형성되었다. 과립화 초기 단계에서 외인성 AHL 신호 분자를 추가하면 미생물 활동과 바이오매스 성장 속도를 촉진하고 슬러지 과립화를 개선할 수 있음을 보여주었다. 또한 AHL 중 C8-HSL 및 C10-HSL은 평균 과립 크기와 강한 양의 상관관계를 가지며, AHL 수준과 과립 형성 사이에는 강한 상관관계가 있다.
이하에서는 본 발명의 실험예에 대한 결과로서, MLSS 및 정착성에 대해 설명하도록 한다. 도 8은 본 발명의 실험예의 AHL 유형에 따른 MLSS, VS/TS, SVI의 변화그래프를 도시한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, MLSS 및 MLVSS에 대한 AHL 유형의 영향은 상당했다. 3주 후, AHL이 없는 대조군의 MLSS는 2,125 mg/L인 반면, C8-HSL이 추가된 경우 AHL 신호 분자는 2,930 mg/L로 증가했다. 또한 AHL을 첨가한 경우 VS/TS의 비율은 종류에 관계없이 대조군에 비해 85% 이상 증가하였다.
도 8은 슬러지 침강 특성을 나타내는 SVI 결과를 보여준다. 일반적으로 침강 특성은 VS/TS 비율이 증가하면 감소한다. 그러나 본 발명의 실험예에서는 AHL 신호 분자의 첨가로 인한 VS/TS 비율의 증가에도 불구하고 슬러지의 침강 특성이 개선되었다. 이는 EPS 함량의 증가, 특히 VS/TS 비율의 증가에도 불구하고 미생물 응집체의 형성 및 안정성에 기여하는 PN의 증가에 기인한 것으로 판단된다. 이러한 결과는 AHL 신호 분자가 바이오매스 농도를 증가시키고 침전성을 개선한다는 것을 보여준다.
이하에서는 앞서 언급한 본 발명의 실시예에서 AGS의 형성, 과립화 촉진의 효과가 가장 큰 C8-HSL를 첨가한 경우에 대한 추가 실험예와 그 결과에 대해 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 연속식 반응기의 모식도를 도시한 것이다.반응기 부피 2L이고, 침전조 부피 0.76L이다. 그리고 수리학적 체류시간(HRT)은 10일이고, 고형물 체류시간(SRT)을 30 ~ 40일 유지하기 위해 침전조 하부에서 반송하였고, DO는 2 mg/L O2 이하로 유지하였으며, 공기 유량은 0.2 L/min, 실온을 유지(25℃)하였고, 초기 MLSS는 2,243 mg/L였다.
본 발명의 실험예에서 N-acyl Homoserine Lactone이 호기성 그래뉼 공정에 미치는 영향을 확인하기 위해 도 9에 도시된 연속식 반응기에 C8-HSL(N-Octanoyl-L-Homoserine Lactone)을 추가하여 그래뉼의 형성 및 안정성을 확인하였다.
연속식 반응기는 2대(Reator A, Reactor B) 운전되었으며, Reactor A는 대조군(W/O AHL)으로 수행되었으며, Reactor B에는 C8-HSL이 5 μM의 농도로 첨가(W/ AHL)되었다(40일 지점부터 Reactor B에 C8-HSL를 추가하였다.). 반류수를 모사한 합성폐수가 유입수로 사용되었으며, 유입 Feed는 Chiller를 이용하여 6℃로 유지하였다.
도 10a는 본 발명의 실험예에 따라 C8-CHL를 주입한 경우(이하 W/AHL)와, 대조군인 주입하지 않은 경우(이하 W/O AHL)의 COD 제거효율 비교그래프를 도시한 것이다. 도 10a의 Phase Ⅲ에서 유입수 COD 농도의 2배 증가에도 불구하고 Reactor A와 B 모두 운전 기간동안 90% 이상의 COD 처리효율을 나타냈으며, 신호분자 C8-CHL의 추가는 COD 제거율에 크게 영향을 미치지 않은 것으로 보인다.
도 10b는 W/AHL과, W/O AHL의 총 질소(T-N) 제거효율 비교그래프를 도시한 것이다. 도 10c는 W/AHL과, W/O AHL의 총 인(T-P) 제거효율 비교그래프를 도시한 것이다.
도 10b에 도시된 바와 같이, Phase Ⅲ에서 폭기량을 조절해 DO 농도를 2 mg/L O2 이하로 유지해 준 이후 높은 T-N 제거효율이 나타났으며, Reactor A(W/O AHL)에서는 평균 69.69%, 본 발명의 실험예인 Reactor B(W/ AHL)에서는 평균 76.75%로 더 높은 제거효율이 나타남을 알 수 있다.
이는 C8-HSL이 생물학적 질소 제거와 밀접한 상관관계가 있으며, 신호 분자의 추가로 질소 제거율이 증가하였다 것을 알 수 있다.
도 10c에 도시된 바와 같이, T-P 제거효율의 경우, Reactor A (W/O AHL)에서는 평균 86.6%, 본 발명의 실험예인 Reactor B (W/ AHL)에서는 평균 90.1%로 더 높은 제거효율이 나타남을 알 수 있다. C8-HSL의 추가가 COD의 제거에는 큰 영향을 미치지 못하지만, 총질소 및 총인의 제거효율은 신호 분자의 추가로 증가함을 알 수 있다.
도 11은 W/O AHL(a) W/AHL(b)에 대한 LB-EPS 함량 변화그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 12는 W/O AHL(a) W/AHL(b)에 대한 TB-EPS 함량 변화그래프를 도시한 것이다.
앞서 언급한 바와 같이, 일반적으로 EPS는 Loosely-bound EPS (LB-EPS)와 Tightly-bound EPS (TB-EPS)의 두 가지 층으로 구성된다. TB-EPS는 미생물 세포를 감싸는 내층을, LB-EPS는 TB-EPS를 덮어 외층을 형성한다고 알려져 있다. C8-HSL의 추가로 인한 AGS의 형성 및 성숙 과정에서 EPS 변화를 확인하고자 PN 및 PS의 함량으로 EPS를 정량하였다.
LB-PN 및 LB-PS는 본 발명의 실험예인 Reactor B(W/ AHL)에서 증가하는 경향을 보였으며, 각각 2.74배, 3.56배 증가하였다. TB-PN 및 TB-PS 또한 Reactor B에서 더 높은 함량을 보였다. TB-PN은 본 발명의 실험예인 Reactor B에서 대조군인 A에 비해 더 많은 양이 분비되었으며, TB-PS는 Reactor B에서 초기 67.52 mg/g VSS에서 약 1.7배 증가하였으며, 운전 종료 지점까지 유지되는 경향을 보였다.
C8-HSL은 EPS 중 특히 Polysaccharides(PS)의 분비를 조절하고 QS에 참여하는 것으로 보이며 LB, TB-EPS 모두 Reactor B에서 그래뉼의 형성 및 안정성의 향상과 함께 전반적으로 증가함을 알 수 있다.
도 13은 W/O AHL(a) W/AHL(b)에 대한 평균입도 사이즈 비교그래프를 도시한 것이고, 도 14는 W/O AHL(a) W/AHL(b)에 대한 이미지를 도시한 것이다.
초기 입도는 Reactor A, B 모두 약 200 μm의 평균 입도를 보였으나, 운전 30일 경과 후 100 μm 이하로 감소하였다.
운전 40일 지점에 Reactor B에 신호 분자가 추가되었으며, Reactor B에서 평균 290 μm의 입도를 초과하는 그래뉼이 운전 110일 이내에 형성되었으며 이 때 대조군인 Reactor A의 입도 분포는 160 μm 전후의 값을 나타낸다. 운전 종료 지점에서 Reactor A에서는 약 200 μm 전후의 입도를, Reactor B에서는 300 μm를 초과하는 평균 입도를 가짐을 알 수 있다. 입도 분석 결과, C8-HSL을 추가한 Reactor B에서 그래뉼의 크기가 2.5배 증가 및 유지됨을 확인하였다.
이는 C8-HSL 신호 분자의 추가가 그래뉼의 형성을 유도 및 촉진할 수 있으며, 그래뉼의 안정성을 유지하는 데 있어서도 역할을 할 수 있음을 확인하였다.
이하에서는 앞서 언급한 외인성 아실 호모세린 락톤을 이용한 과립화 촉진 배양조의 구성 및 제어방법에 대해 설명하도록 한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진을 위한 배양조의 구성, 및 그 제어방법에 대해 설명한다.
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 배양조의 개략 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 16은 본 발명의 제1실시예에 따른 배양조의 상부 평면 개략도를 도시한 것이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 호기성 입상슬러지 과립화 촉진을 위한 배양조는 도 15에 도시된 바와 같이, 전체적으로 AGS 형성을 위한 과립화조(200), 및 이러한 과립화조(200)의 유출수, 하폐수 유입수 및 AHL(외인성 아실 호모세린 락톤)을 혼합하여 DO 농도를 2mg/L 이상으로 유지하는 포기조(100)로 구성되어 있다.
과립화조(200)에는 교반기(240), DO 센서를 포함하는 제1DO계측기(270), MLSS 계측기(271), 슬러지 계면계(272) 등을 포함하여 구성된다.
포기조(100)는 송풍기(121), 송풍 유량계(122), 산기관(120) 등을 포함하여 구성된다.
또한 과립화조(200)와 포기조(100) 사이에는 과립화조 이동관(20), 이송 펌프(30), 이송 유량계(40)를 포함하고 있다.
포기조(100)는 과립화조(200)의 유출수, 하폐수 유입수 및 AHL가 혼합되며, 별도의 교반기 없이 송풍기(121)를 이용하여 포기를 통해 교반을 유도하며, DO 센서를 포함하는 제2DO 계측기(140))를 이용하여 포기조(100) 내에서의 DO 농도를 제어한다.
즉, 포기조(100)는, 상부가 폐쇄된 본체(110)와, 본체(110) 내부로 공기를 공급하기 위한 송풍기(121)와 산기관(120)과, DO농도를 측정하는 제2DO계측기(140)를 갖는다.
또한 과립화조(200)는 포기조(100) 내의 유출수가 유입되는 내통(210)과, 내통(210) 내부 하단에 임펠러(242)가 위치되도록 설치되는 교반기(240)와, 내통(210)과 이격되는 외통(251)과, 내통(210)과 외통(251) 사이 공간인 반응조(250)와, 내통(210) 외측에 마련되는 반응조 유출부(260)를 포함하여 구성된다. 제어부는 제2DO 계측기(140)에서 측정된 DO값을 기반으로 송풍기(121)를 제어하여 포기조(100) 내의 DO농도를 제어한다.
그리고 포기조(100)에는 과립화조 유출수와 유입수와 AHL가 혼합되는 공간이 분리되도록 마련되는 분리부재(111)를 포함하여 구성된다.
즉, 포기조(100)는 내부 격벽(111) 등을 이용하여 과립화조 유출수, 유입수 및 AHL이 혼합될 수 있는 별도의 분리된 공간이 포함되며 상부가 막혀있어 대기와의 접촉이 최소화 되는 것을 특징으로 한다. 과립화조 유출수, 유입수 및 AHL이 혼합될 수 있는 별도의 분리된 공간은 혼합수의 즉각적인 유출을 방지하기 위한 것으로 완전한 별도의 공간적 분리 또는 격벽(111)을 이용한 구역 분리 등이 모두 가능한 것을 특징으로 한다. 또한 포기조(100)의 상부는 대기중에 존재하는 미생물의 침투나 처리시설내에 존재하는 다른 미생물과의 접촉을 최소화하기 위해 설치하는 것을 특징으로 한다.
포기조(100)에는 과립화조 유출수가 유입되고 제2DO 계측기(140)를 이용해 DO 농도를 실시간으로 측정하여 DO 농도를 2mg/L 이상으로 유지한다. 이때, DO 농도는 송풍기(121)를 이용한 공기공급량의 조정을 통해 제어한다. 후에 설명되는 바와 같이, 하폐수 유입수 및 AHL은 과립화조(200)의 MLSS 농도 및 슬러지의 침강성에 따라 주입량과 주입시기를 제어한다.
과립화조(200)는 과립화조(200) 아래 방향으로 수류를 이동시키는 프로펠러 타입의 교반기(240)와 포기조(100)의 유출수가 유입되는 내통(210), 내통(210)에서 과립화조(200) 내부로 포기조(100) 유출수를 고르게 분산시켜 공급하는 정류판(230), AGS 형성을 유도하는 반응조(250), AGS가 분리되어 유출되는 경사판(261)을 갖는 유출부(260)와, 웨어를 포함하는 웨어 유출부(262)와, 포기조(100)와 연결되는 유출로(263))를 포함하여 구성된다.
또한 앞서 언급한 바와 같이, 과립화조(200)는 DO 센서를 포함하는 제1DO 계측기(270)), MLSS 계측기(271), 슬러지 계면계(272), AGS의 수확 또는 이송시키는 이송로(290) 및 이를 제어하는 설비(밸브, 펌프 등)(291)를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
과립화조(200)의 내통(210)에는 회전수의 제어가 가능한 프로펠러 타입의 교반기(240)가 설치된다. 프로펠러 타입의 교반기(240)는 내통(210)에서의 혼합과 수류를 아래 방향으로 이동시키고 반응조(250)에 존재하는 AGS의 내통(210) 유입 방지를 목적으로 한다.
이를 위해 내통(210)에는 프로펠러 교반기(240)의 임펠러(242) 위치에서 마름모꼴 형상부(220)가 포함되도록 구성된다. 특히 내통(210)의 유출부는 AGS의 내통(210) 유입이 최소화될 수 있도록 최대한 작게 제작하며, 정류판(230)을 설치하여 최대한 유량이 고르게 유출될 수 있는 구조를 가지고 있다. 내통(210)의 유출부가 작으면 유량은 유출 단면에 반비례하므로 유속이 증가하게 되어 내통(210)으로의 유입은 최소화 된다. 유속이 빠를수록 내통(210)에서 유출된 유입수는 반응조(250) 하부 호퍼(252)의 측면을 따라 빠르게 상부로 이동하게 되므로 AGS의 반응조(250) 하부 침적을 방지할 수 있다.
AGS가 내통(210)으로 유입되는 것을 방지하기 위해서는 마름모꼴 형상부(220)의 축경부(222)와 반응조 하부 호퍼(252) 경사면의 사이의 단면은 내통(210)의 유출부 단면보다 약간 커야만 한다.
상부로 이동하는 유출수가 A(3) 지점에 도달하면 이후 반응조(250) 단면이 증가하게 되어 유속이 크게 감소하게 되지만 반응조(250)의 외통(251) 내면에서는 유속이 상대적으로 유속이 빠르고 내통(210)과 인접한 구역으로 이동할수록 반응조(250) 내에서 하강으로 인해 와류가 형성되며 유속은 감소하게 된다.
따라서 유출부(260)는 상대적으로 유속이 느린 내통(210) 인근에 설치되는 것을 특징으로 한다. 유출부(260)에는 AGS 및 슬러지가 유입되므로 경사판(261)을 설치해 AGS와 슬러지의 침전을 유도하여 유출이 최소화 되도록 한다.
그러나 유출부(260)를 통해 유출된 유출수에는 사상균과 미세플럭이 존재할 수 있으므로 이의 포기조(100) 유입을 최소화하기 위해 웨어가 설치된 웨어유출부(262)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 경사판(261)을 갖는 유출부(260)와 웨어가 설치된 웨어유출부(263)의 구조로 인해 사상균 및 미세플럭의 유출은 최소화되며, 사상균이 포기조(100)로 유입되더라도 포기조(100)의 높은 DO 농도로 인해 포기조(100)에서 사멸되므로 사상균에 의한 과립화 안정성 감소를 방지할 수 있으며, 일정시간 간격으로 침전을 통해 사상균을 제거하는 단계를 최소화할 수 있어 반응조(250) 내에서의 혐기성화를 최소화할 수 있고 반응조(250)의 운전시간을 극대화할 수 있다.
그리고, 반응조(250) 내에는 제1DO 계측기(270)와 MLSS 계측기(271), 슬러지 계면계(272)가 설치된다. 제1DO 계측기(270)를 이용하여 반응조(250) 내에서 실시간으로 측정된 DO 농도를 이용하여 산소의 소모량(㎎ O2/L·hr)을 계산한다.
그리고 MLSS 측정값을 이용하여 OUR을 주기적으로 계산하고 유입수 및 AHL 투입시기 및 투입량, 포기조 DO 농도를 결정한다. 또한 슬러지 계면계(272)는 목표 MLSS 농도에 도달하면 일정 주기로 유입과 교반을 중지하여 AGS의 침전성을 평가해 사전에 정의된 목표값에 도달하면 AGS를 수확하거나 본 처리시설로 이송토록 한다.
도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 침전지가 설치된 배양조의 개략 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 18은 본 발명의 제2실시예에 따른 배양조의 상부 평면 개략도를 도시한 것이다.
본 발명의 제2실시에에서는 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 과립화조 유출수에 존재하는 AGS 및 슬러지를 제거하기 위해 별도의 침전지(131)를 설치될 수있음을 알 수 있다. 사상균이나 미세플럭의 유출이 최소화되더라도 슬러지 유출이 발생할 수 있으며, 장기간 슬러지가 유출되면 포기조로 유입되어 포기조(100)에서 슬러지가 배양될 수 있으므로 이를 방지하기 위해 과립화조 유출부 후단에 별도의 침전지(131)를 설치할 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 과립화조에서의 수류 이동 개략도를 도시한 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 과립화조(200)의 내통(210)에는 회전수의 제어가 가능한 프로펠러 타입의 교반기(240)를 설치되어 있어 내통(210)에서의 수류를 아래 방향으로 이동시킨다.
그리고 내통(210) 유출부에 설치된 정류판(230)으로 인해 내통에서 유출되는 수류는 모든 방향으로 동일하게 유출되는데, A(1) 지점에서의 유속은 모든 지점에서의 유속중 가장 빠른 것을 특징으로 한다. 특히, 내통(210)의 유출부에는 프로펠러 교반기(240)의 임펠러(242) 위치에서 마름모꼴 형상부(220)를 포함하고 있어 반응조 하부 호퍼(252) 경사면과의 사이 단면[A(2)]이 내통(210)의 유출부 단면[A(1)]보다 약간 크므로 AGS는 내통(210)으로 유입되지 않고 반응기 하부 호퍼(252)에 AGS가 침적되는 것을 방지한다.
그리고 반응조 하부 호퍼(252) 측면을 따라 상부로 이동하는 유출수가 A(3) 지점에 도달하면 이후 반응조(250) 단면이 증가하게 되어 유속이 크게 감소하게 되지만 반응조(250)의 외통(251) 측[A(4)] 유속이 상대적으로 가장 빠르고 내통(210)과 인접한 구역[A(7)]에서는 반응조(250) 내에서 하강흐름과 접촉하여 와류가 형성되고 유속은 감소하게 된다. 이 구역[A(7)]에서 유체역학적 전단력은 과립화조(200) 내에서 최고를 나타나게 되어 높은 전단력으로 인해 호기성 과립화가 촉진되고 사상균 성장은 억제되며, 과립화 대형화가 방지되게 된다.
반응조 외통(251)을 따라 상승하는 유입수가 A(5) 지점에 도달하면 상부가 웨어유출부(262)이기 때문에 막혀있어 상부면을 따라 이동하게 되고 내통(210) 인근[A(6)]에서는 하강하게 된다. 이때 A(3)을 통과하여 상승하는 유입수와 접촉하면서 와류가 형성되어 유체역학적 전단력에 영향을 받게 된다. 하부로 이동하는 유입수는 A(7) 구역에 도달하면 내통의 마름모꼴 형상부(220)로 인해 AGS와 슬러지는 내통(210)의 마름모꼴 형상부(220)의 확관부(221)에 침강하게 되지만 경사도와 상부에서 발생하고 있는 하강 유속으로 인해 마름모꼴 형상부(200)의 경사로를 따라 하부로 이동한다. 하부로 이동한 AGS와 슬러지는 앞서 설명한 바와 같이 A(3) 구역에서 A(2) 지점을 통과한 유입수와 접촉하며, 혼합되고 와류로 인해 높은 전단력에 노출되어 과립화가 촉진되게 된다.
유출부(260)의 유입부[A(8)]에서는 AGS가 포함된 유출수가 유입되므로 AGS의 유출을 방지하기 위해 경사판(261)을 설치한다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 배양조 운영 제어 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저, 제2DO계측기를 통해 포기조의 제2DO값을 측정하여, 제2DO값이 설정된 제1목표값에 도달하였는지를 판단한다(S10). 제1목표값에 도달하지 않은 경우, 제1목표값이 될 때까지 송풍기(121)를 제어하여 송풍유량을 증가시킨다(S11).
그리고 제1목표값에 도달하게 되면, 제1DO계측기(270)를 통해 과립화조(200)의 DO값을 측정하고, 과립화조(200)의 DO값이 설정된 제2목표값에 도달하였는지를 판단한다(S20). 도달하지 않은 경우, 제2목표값이 될 때까지 교반기(240)와 송풍기(121)를 제어하여 교반속도와 송풍유량을 증가시킨다(S21, S22).
포기조(100)내 DO 농도는 과립화조 유출부(260)에 설치된 제1DO 계측기(270)에 의해 우선적으로 제어된다. 유출수의 DO 농도는 AGS의 상태 및 크기, 배양 기간, 유입수질 등에 따라 다르므로 정의될 수 없지만 통상적으로는 DO 0.1 mg/L 이상으로 유지되어야만 한다.
제2DO 계측기(140)에서 측정되는 포기조(100)의 DO 농도와, 제1DO 계측기(270)에서 측정되는 과립화조(200)의 DO 농도를 실시간으로 측정한 후 과립화조의 체류시간을 고려하여 유입된 시점의 포기조 DO 농도(제1DO 계측기에서 측정된)를 아래 수학식 1에 대입하여 산소의 소모량(㎎ O2/L·hr)을 계산한다(S30).
[수학식 1]
산소 소모량(㎎ O2/L·hr) = (DO(2) (mg/L) - DO(1)(mg/L)) / (HRT(hr) × reactor volume(L))
산소 소모량이 목표값을 초과하면 MLSS 농도의 목표 도달여부를 판단하는데(S40), MLSS 농도가 목표값 이하일 경우에는 기질이 부족한 것이므로 사전에 정의된 비율만큼 과립화조(200)의 교반속도를 증가시키고(S41), 유입수 및 AHL을 정량 투입하여 운영한다(S42).
MLSS 농도가 목표값에 도달하면 이후 교반을 중지하고 슬러지를 침강시킨 후 슬러지 계면높이를 측정해 목표 도달 여부를 판단한다(S50). 이때 슬러지 계면높이가 목표값 이하라면 이는 과립화 형성이 제한된 것이므로 교반속도와 포기조 송풍 유량을 증가시킨다(S51, S52).
이후 모든 목표값에 도달하면 AGS 수확 또는 이송을 위하여 과립화조의 이송로(290)에 설치된 자동화 설비(밸브 또는 펌프)(291)를 작동하도록 한다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:호기성 입상슬러지 과립화 촉진을 위한 배양조
20:과립화조 이송관
30:이송펌프
40:유량계
100:포기조
110:본체
111:격벽
120:산기관
121:송풍기
122:송풍유량계
130:유입부
131:침전지
140:제2DO계측기
200:과립화조
210:내통
220:마름모꼴 형상부
221:확경부
222:축경부
230:정류판
240:교반기
241:회전축
242:임펠러
243:구동모터
250:반응조
251:외통
252:하단호퍼
260:유출부
261:경사판
262:웨어유출부
263:유출로
270:제1DO계측기
271:MLSS계측기
273:슬러지 계면계
290:AGS 수확 이송로
291:제어설비

Claims (10)

  1. 호기성 입상슬러지의 과립화를 촉진시키는 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제가 적용되고, 과립화조와, 포기조를 갖는 호기성 입상슬러지(AGS) 과립화 촉진을 위한 배양조로서,
    AGS 형성을 위한 과립화조; 및
    상기 과립화조의 유출수와, 하폐수 유입수를 혼합하여 DO농도를 설정된 값 이상으로 유지하는 포기조;를 포함하고,
    상기 포기조는, 상부가 폐쇄된 본체와, 상기 본체 내부로 공기를 공급하기 위한 송풍기와 산기관과, DO농도를 측정하는 제2DO계측기를 갖고,
    상기 과립화조는, 상기 포기조 내의 유출수가 유입되는 내통, 상기 내통 내부 하단에 임펠러가 위치되도록 설치되는 교반기, 상기 내통과 이격되는 외통, 상기 내통과 외통 사이 공간인 반응조, 및 상기 내통 외측에 마련되는 반응조 유출부를 갖고,
    상기 포기조는, 상기 과립화조의 유출수가 유입되고, 하폐수 유입수와 함께 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)이 혼합되어 유입되는 것을 특징으로 하는 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 이용한 배양조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 AHL 신호분자의 쿼럼센싱(QS) 발현을 통해 과립화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는, 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 이용한 배양조.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 AHL 신호분자는, C6-HSL, C8-HSL, C10-HSL, 및 C12-HSL 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 이용한 배양조.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 AHL 신호분자는 C8-HSL인 것을 특징으로 하는, 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 이용한 배양조.
  5. 제 2항에 있어서,
    세포외 고분자물질(EPS) 분비가 촉진되는 것을 특징으로 하는, 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 이용한 배양조.
  6. 제 5항에 있어서,
    그래뉼 크기 증가, 그래뉼의 형성 유도와 촉진, 그래뉼 안정성 향상, 바이오매스 함량 증가, 상대적 소수성 증가 및 슬러지 침강 개선 및 생물막 형성을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 외인성 아실 호모세린 락톤(AHL)을 함유하는 호기성 입상슬러지 과립화 촉진제를 이용한 배양조.

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