KR20010054417A - 질소제거 미생물(암모니아성질소 → 질산성질소) 고정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질소제거 미생물의 성장률을 높이기 위하여 암모니아성 질소 및 기타 영양성분을 합성섬유를 포함하는 섬유상 접촉재에 코팅시켜 질화세균의 성장을 촉진시킴과 동시에 용이하게 고정화시키며, 1개의 처리조를 2개의 처리조로 나누어 1차 처리조는 영양성분이 코팅되지 않은 일반접촉재를 설치하여 미생물 균종 중 탄소원이용 세균을 우점화시키고, 2차 처리조는 암모니아성 영양성분을 코팅한 접촉재를 설치하여 질화세균을 우점화시켜 질화세균의 적응기간을 단축시키는, 질소 제거 미생물 고정화 방법에 관한다.

Description

질소제거 미생물(암모니아성질소 → 질산성질소) 고정화 방법{THE METHOD FOR IMMOBILIZING BACTERIA IN NITRIFICATION}

본 발명은 질소제거 미생물 고정화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질소제거 미생물의 성장율을 촉진시키기 위해 생물막법 접촉재에 질화미생물의 성장을 도모하는 영양성분을 코팅하여 질소제거 미생물을 고정화시켜 질화효율을 높이는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고정화 미생물은 생체반응기(bioreactor) 또는 바이오센서(biosensor)등으로 이용되고 있다. 생체반응기는 미생물이나 효소의 반응을 이용해서 연속적으로 목적 미생물을 생산하는 방법으로서 고정화 미생물을 사용하는 경우는 2 가지 방법으로 구분할 수 있다. 하나는, 미생물 중에 함유되어 있는 여러가지 효소를 반응에 관여시키는 경우로서 고정화 미생물은 죽은 상태로 존재하여도 관계가 없다. 관여하는 효소가 많은 반응이나 또는 1 종류 효소로서 효소를 생물체에서 추출 및 정제하는 것이 귀찮은 경우가 이에 해당한다. 또 다른 하나는 미생물의 대사기능을 전체적으로 이용하거나 미생물이 외부로 방출하는 효소를 반응에 이용하는 경우로서, 고정화한 미생물은 살아 있어야 한다. 양자를 구분하는 의미로서 후자를 고정화 증식 미생물이라고 한다. 한편, 바이오센서에도 고정화미생물이 사용되고 있다. 이는 미생물이 특정 물질을 섭취 및 대사하는 성질을 이용한 것이다.

하수의 부영양화, 조류의 급성장에 의하여 수중 내 산소결핍 원인물질인 질소를 제거함에 있어서 생물학적처리는 오·폐수처리에 중요한 역할을 차지하게 되었다. 질소제거는 두 과정으로 구분되어 지는데, 암모니아성 질소에서 질산성질소로 전환시키는 질화 과정(Nitrification)과 질산성질소로 부터 질소가스로 전환시키는 탈질 과정(Denitrification)으로 구분된다. 상기 두 과정은 미생물의 성상에 따라서 효율상 차이가 나타나는데, 질화과정은 암모니아성 이온을 에너지원으로 이용하는 세균이 다종일때, 탈질 과정은 탄소원을 에너지원으로 이용하는 세균이 다종일때 최대의 효과를 얻을 수 있다. 질소제거는 성장속도가 느린 질화세균의 생체량에 의해 좌우되는데 질화세균은 성장속도가 매우 느리므로 호기성 미생물을 순환시켜 하폐수의 유기물을 이산화탄소 등으로 분해하여 정화시키는 활성슬러지법에 사용하기에는 많은 어려움이 따른다. 질소제거는 성장속도가 느린 질화세균의 생체량에 좌우되기 때문에 생물막을 이용한 질소제거 시스템이 선호되고 있다. 그러나 질화세균의 부착을 위해서는 초기 기간이 매우 길다라는 것과 수많은 종류의 전자전달자 및 유기탄소원이 오·폐수 내에 존재하므로, 이 유기 탄소원을 이용하는 세균이 빠르게 성장함에 비해 성장속도가 느린 질화 세균은 그보다 느리게 성장하므로 경쟁에서 쉽게 도태된다. 따라서 성장속도가 느린 질화세균을 위해 생물막법을 많이 사용하고 있으나 이 방법 또한 질화세균을 고정화시키는 방법에 있어서는 성장속도 및 부착기간을 단축시키지 못하고 있다. 또한 생물막 표면에 부착된 미생물이 증가하게 되면 내부에서 성장하고 있는 세균인 질화세균에 까지는 산소가 용이하게 전달되지 못하여 균종이 사라지게 된다. 그러므로 탄소원을 이용하는 세균과의 경쟁에서 질화효율을 높이기 위한 방법 및 질화미생물이 생물막에 적절한 양만큼 존재할 수 있도록 질화미생물 부착기간을 줄이는 방법이 고안되어야 할 필요성이 요구되어졌다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 문제점을 극복하는 것으로서, 성장기간이 길고, 고정화가 어려운 질화미생물을 단기간에 쉽게 고정화시키고 질화미생물량을 증가시키는 방법을 제공하는 것이다.

즉, 본 발명은 40ppm 이상의 오·폐수내 암모니아성 질소를 제거하는데에 통상 소요되는 질화미생물 적용기간 30일을 10일로 단축시키거나 미리 질화미생물이 고정화된 접촉재를 직접 반응조에 설치함으로써 질화미생물의 적용기간을 크게 단축시키고, 또한 질화 미생물의 영양성분을 코팅한 섬유상접촉재를 일반접촉재와 같이 각각의 반응조에 설치하여 질화세균의 저해요소인 탄소원을 줄이는 방법을 제공한다.

본 발명은 섬유상 접촉재에 암모니아성 질소 및 무기원소를 포함하는 영양성분을 아가(agar)와 함께 코팅시키는 방법으로 질소제거 미생물을 고정화시키고 질화효율을 높이는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 오·폐수내 유기탄소원에 의한 균종간의 상호경쟁을 억제하여 질화(nitrification)의 효율을 높이기 위한 방법으로, 암모니아성 질소 혼합영양성분을 합성섬유로 이루어진 섬유상접촉재에 아가(agar)를 이용하여 코팅시켜 질화세균의 성장을 촉진시킴과 동시에 용이하게 고정화시키고, 1개의 처리조를 2개의 처리조로 나누어 1차 처리조는 영양성분이 코팅되지 않은 일반접촉재를 설치하여 미생물 균종 중 탄소원 이용세균을 우점화시키고 2차 처리조는 암모니아성 영양성분을 코팅한 접촉재를 설치하여 질화세균을 우점화시켜 질화효율을 크게 향상시키는 방법에 관한것이다.

상기 암모니아성 질소 혼합영양성분은 일인산 5.8그람, 이인산 4.5그람, 황산암모니움 4.2그람, 염화망간 0.006그람,황산제이철 0.001그람, 염화칼슘 0.02그람, 염화마그네슘 0.16그람과 아가(agar) 20그람을 1리터 물에 녹여 제조할 수 있다.(상기 물질 1리터 용액은 1미터당 표면적이 1제곱미터인 접촉재 100미터에 코팅시킬 수 있는 양이다.)

본 발명의 방법에 의하여 제시된 혼합영양성분으로 코팅되어진 접촉재는 질화미생물의 성장이 3배가량 빠르다. 또한 코팅되어진 접촉재에서 질화미생물을 성장시킨후 새로운 암모니아성 폐수가 있는 반응조로 옮겨 성장 시켰을 때 질화반응이 단시간내에 회복되어 고정화된 접촉재의 효과를 쉽게 얻게 된다.

본 발명에서는 고농도의 탄소원으로 질화세균의 성장을 억제시키는 한편 질화세균의 성장을 도모하기 위한 방법을 제시하고 있다. 본 발명은 일반 섬유상 접촉재와 암모니아성 영양성분이 코팅되어진 섬유상접촉재를 2개의 처리조에 각각 나누어 설치하여 질화효율을 향상시켰다. 예를 들어, 4리터의 반응조에 40cm 접촉재를 설치하는 방법 및 2리터 2개조에 각각 20cm 접촉재를 설치하는 방법 및 2리터 두 개조 중 1차조에는 일반 섬유접촉재를, 2차조에는 암모니아성질소 영양성분이 코팅되어진 동일량의 접촉재를 설치하는 방법과 같이 3개의 방법을 비교할 경우, 동일량의 오수를 공급시켰을 때의 질산성질소의 생성시기 및 발생량은 영양성분이 코팅된 접촉재를 혼합시킨 설치조가 가장 우수하게 나타난 것으로 보아 두 개의 반응조 및 코팅되어진 접촉재는 고농도 오수의 질소제거에 효과적임을 알 수 있었다.

이하 실시예에서 본 발명을 상세히 설명하나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

영양성분 코팅된 섬유상 접촉재의 암모니아성 질소제거 효율 비교.

본 실시예 1에서는 생물학적 산소요구량이 95ppm, 암모니아성 질소 농도가 25ppm의 합성오수를 사용하였으며 2리터의 처리조에 접촉재 16cm를 설치하고 2리터 오수를 12시간동안 공급하였다. 또한 용존산소는 3.0ppm으로 유지시켰으며 분석시일 5일전 초기 5일간은 일반오수를 공급시켰다.

일반섬유상 접촉재와 영양성분 코팅 접촉재 질화비교

	영양성분 코팅 섬유상 접촉재	섬유상 접촉재(코팅X)
	암모니아성질소	질산성 질소	생물학적산소요구량	암모니아성질소	질산성질소	생물학적산소 요구량
1일째	20	5.1	47.6	20.5	4.1	46.2
2일째	18	2.3	50	19.7	0.45	49
3일째	12	7.9	33	16.7	2.25	30
4일째	9.7	8.8	25	16.5	1.5	20
5일째	7.4	10.1	15	14.25	2	14.7
6일째	4.5	11.5	12.8	19.5	1	13.2
7일째	3	14.5	17.9	17.5	5	18.1
8일째	2.8	17.3	21	18.7	3.6	22
9일째	4.5	13.7	14.9	14.55	4.5	13.7
10일째	2	16.7	18	15	6.25	16.5
11일째	1.2	16.5	14	16.6	9.5	12.6
12일째	0.5	18.2	11.5	12.5	8.5	8.9
13일째	3.5	15.7	9.2	14.2	10.5	9.7
14일째	4	18.2	8.1	17.2	8	9.5
15일째	2	14.7	7.1	12.3	11.1	9.7

상기의 표에 의하면 영양성분이 코팅된 섬유상 접촉재가 질화 미생물의 성장속도 및 질산성질소의 생성량이 3배가량 앞서고 있음을 알 수 있다.

실시예 2

상기 실시예 1의 코팅된 접촉재의 반응조 변경후 질소제거 효율 측정

본 실시예 2에서는 상기의 실험조의 영양성분이 코팅되고 질화세균이 성장된 섬유상접촉재를 새로운 반응조에 옮겨 30ppm 가량의 암모니아성 질소가 함유된 합성오수를 공급하였을 경우의 질산성 질소의 발생을 보았다.(암모니아 질소농도가 30ppm - 25ppm 사이인 합성오수 공급)

질화세균이 고정된 접촉재의 질화효율

	암모니아성 질소	질산성 질소
1일째	27	1.1
2일째	19	10
3일째	7.2	19.7
4일째	6.5	18.6
5일째	4.5	22.3
6일째	5.5	22.6
7일째	6.7	24.1
8일째	4.2	19.8
9일째	4.0	22.8
10일째	3.9	24.9
11일째	4.2	26
12일째	5.4	22
13일째	5.7	24
14일째	4.9	23
15일째	5.3	25
16일째	4.1	21
17일째	4.1	20

상기의 표에의하면, 반응조에서 3 일후 고정화된 섬유상 접촉재상에서 질화가 다시 발생함을 알 수 있다.

실시예 3

1개 처리조, 2개 처리조 접촉재 설치 방법에 따른 질화효율 차이

본 실시예 3은 생물학적 산소요구량이 200ppm 이상이며 암모니아성 질소가 40ppm 가량의 합성오수를 공급하여 같은 용량의 반응조에 설치방법 및 코팅된 섬유상접촉재를 첨가 또는 생략하는등의, 방법상의 차이를 두었더니, 질화효율의 차이를 보였다. (암모니아성 질소 35ppm - 40ppm)

섬유상접촉재 및 일반접촉재의 설치방법에 따른 질화효율

	4리터 반응조:40cm 접촉재 설치	2리터+2리터 반응조:20cm 각각설치	2리터+2리터:1차조-→20cm 2차조-→코팅된 섬유상 접촉재
	암모니아성 질소	질산성 질소	생물학적산소요구량(BOD)	암모니아성 질소	질산성 질소	생물학적산소요구량(BOD)	암모니아성 질소	질산성 질소	생물학적 산소 요구량(BOD)
1일째	38	0	42	38	0	37	38	0	40
2일째	34	2.2	37	32	3.2	42	30	2.5	35
3일째	27	4.6	30	22	8.5	30	22	4.2	29
4일째	26	5.6	32	22	9.7	27	20	10	32
5일째	20	5.2	26	21	4.5	24	15	10	22
6일째	29	4.7	20	19	12.1	26	15	15.2	19
7일째	22	4.3	19	14	10.5	24	10	16	25
8일째	24	7.2	19	16.5	12	18	9	17	16
9일째	21	4.5	17	15.5	12	19	10	18	15
10일째	22	7.2	15	14	15	17	11	21	17
11일째	20	14	17	14	30	15.5	9.7	24	16
12일째	24	10	16.3	22	13	16.3	8.5	25	19
13일째	19.5	12	17	14	19	15.9	7.3	24	14
14일째	20	14	16	13	19	19	10	23	15
15일째	19	13	14	17	15	21	7	23	16
16일째	25	10	11	19	16	17.1	4	22	14.7
17일째	22	6	15	18	13	14.7	9	19	10.2
18일째	27	11	10	16	18	14.2	5	23	17.1
19일째	24	9	10.2	17	16	14.8	7.5	20	15
20일째	17	10	11.9	19	15	14.9	8	19	14
21일째	16	9	12.5	17	15	15	4.5	19.9	16

상기의 표3에서는 섬유상접촉재의 설치방법에 따라 질화효율이 차이를 나타내며 암모니아성 질소 영양성분 코팅된 섬유상접촉재를 설치시 좀더 높은 질화 효율을 나타내고 있다.

본 발명에 의한 질소제거방법(질화과정)에 의하면, 기존의 생물학적처리인 섬유상접촉재를 이용하는 방법과는 달리, 생물학적 산소요구량이 높은 오수에 있어서도 코팅된 섬유상 접촉재를 선택적으로 설치하여 질화세균보다 성장이 빠른 탄소원 이용 세균이 질화미생물의 성장을 저해시키는 것을 극복하여 질화균주의 빠른 성장을 도모할 뿐만 아니라 고정화된 질화세균을 타 반응조에 적용시켜 질화세균의 적응기간을 단축시키는 효과를 얻을수 있다.

Claims (4)

1. 섬유상접촉재에 아가(agar)를 이용하여 영양성분을 코팅시켜 질화 미생물을 성장시키는 것을 특징으로 하는 질소제거 미생물 고정화 방법.
2. 제 1항에 있어서, 섬유상 접촉재가 합성섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 질소제거 미생물 고정화 방법.
3. 제 1항에 있어서, 영양성분이 코팅된 접촉재가 질소제거에 사용되는 것을 특징으로 하는 질소제거 미생물 고정화 방법.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 영양성분은 암모니아성 질소 및 무기원소로 혼합되어 제조되는것을 특징으로 하는 질소제거 미생물 고정화 방법.