빛과 미세조류를 이용한 무폭기 부분 아질산화 = Partial nitrification using light and microalgae without aeration

국문 초록 (Abstract)

활성슬러지 공법 및 그 변형 공법은 물리·화학적 공정에 비해 저렴한 운영비 덕분에 많이 사용되어 왔으나, 수중의 암모니아를 질산염으로 산화시키기 위해 필요한 기계적 폭기에 많은 에너지가 사용된다. 그러나 부분 아질산화를 통해 수중의 암모니아를 아질산염까지만 산화시키고 탈질을 통해 질소기체로 환원시킨다면 완전 질산화 후 탈질 대비 25%의 산소와 40%의 탄소요구량을 절감할 수 있다. 이전 연구에서 Batch test를 통해 빛을 이용한 부분 아질산화를 진행할 때 활성슬러지의 농도 400 mg/L, 광원은 LED모듈을 이용한 청색+녹색 혼합광, 빛의 세기는 3000 Lux 일 때 가장 효과적이었다. 따라서 본 연구에서는 앞서 밝힌 조건을 바탕으로 미세조류와의 공배양을 실시하여 빛과 미세조류를 이용해 무폭기 부분 아질산화의 실현 가능성을 확인하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 활성슬러지와 폐수는 수원의 S 하수처리장에서 채취하였다. 채취한 폐수는 NH₃-N 50 mg/L , alkalinity 500 mg/L으로 보충해준 후 배지로 사용하였다. 본 연구에서 사용된 partial Nitrification(PN) 슬러지는 연구실에서 600일 동안 ammonia oxidizing bacteria(AOB)를 농화시킨 슬러지를 사용하였다. 또한 본 연구에 사용된 미세조류는 S 하수처리장의 실제 폐수에 빛을 조사하여 얻은 자연 발생된 미세조류를 사용하였다. 실험은 Batch test 형태로 수행되었으며 삼각 플라스크에 working volume 600 mL로 한 후 양 옆에서 LED 모듈을 통해 청색+녹색 혼합광을 3000 Lux로 조사하고 교반 강도는 100 rpm으로 일정하게 하였다. 활성슬러지와 PN 슬러지는 400 mg/L 로 조절하여 접종하였고 미세조류는 0 mg/L ∼ 150 mg/L로 조절하여 접종하였다. NH₃-N, NO₂^―-N, NO₃^―-N는 각각 Standard method 4500-NH₃ F, 4500-NO₂^― B, 그리고 HACH method 10020을 이용하여 측정하였다. 실험 결과 활성슬러지와 미세조류를 함께 접종했을 때, 미세조류를 접종하지 않고 기계적 폭기로 산소를 공급한 실험과 비교했을 때 아질산염의 상대적 생산속도는 0.70, 질산염의 상대적 생산속도는 1.25 로 부정적인 결과를 보였으나, 암모니아의 상대적 제거속도는 1.33으로 긍정적인 결과를 보였고, 미세조류의 biomass concentration이 40 mg/L일 때, 부분 아질산화 측면에가 가장 효과적이었다. 또한 PN 슬러지 400 mg/L와 미세조류 40 mg/L를 접종했을 때, 활성슬러지와 미세조류를 접종했을 때 보다 암모니아의 비 제거속도는 2.15배, 아질산염의 비생산속도는 3.66배, 질산염의 비생산속도는 0.90배로 뛰어난 부분 아질산화 효율을 보였다. 따라서 빛과 미세조류를 이용한 무폭기 부분 아질산화는 가능하며, 활성슬러지 및 PN 슬러지와 미세조류의 mixed liquor suspended solids(MLSS) 비율은 10 : 1 (400 mg/L : 40 mg/L)에서 가장 효율적이었으며, 해당 연구의 batch test 결과를 바탕으로 continuous stirred tank reactor(CSTR)에서 배양할 경우 안정적으로 무폭기 부분 아질산화를 수행할 수 있을 것으로 기대된다.