LDOF 광생물반응기에서 조류배양을 이용한 축산폐수 처리에 관한 연구

류재홍, 이우창, 조진만, 최정우, 이원홍, 한징택*

서강대학교 화학공학과, 서강대학교 생명과학과*

Treatment of Swine Wastes by Algae Cultivation in a LDOF Photobioreactor

Jae-Hong Ryu, W. C. Lee, J. M. Cho, J. W. Choi, W. H. Lee, J. T. Han*

Department of Chemical Engineering, Sogang University

Department of Life Science, Sogang University*

서론

동물자원 생산시 폐기물로 나오는 가축분뇨의 양의 증가와 함께 이들의 불완전한 처리가 환경 피폐의 주요인의 하나로 대두됨에 따라 축산 폐기물의 경제적이고 효과적인 처리가 중요한 문제점으로 인식되고 있다. 축산폐수를 비롯한 일반하수의 처리공정으로 물리적인 1차처리 및 유기질 폐기물을 처리하는 2차 생물학적 처리방법이 이용되고 있다. 2차처리의 주축기술은 미생물이 페수중의 유기물을 먹이로 이용하여 이를 생물세포 즉 바이오 매스로 변환시키는 대사 활동을 이용한 것이다. 그러나 1차처리와 2차처리로 얻어지는 영양염류를 포함한 배출수를 생태계에 방류하는 경우 하천의 부영양화(Eutrophication)로 인하여 생태계의 파괴를 유발하므로 유기질 폐기물과 영양염류의 양을 더욱 감소시키는 3차처리, 즉 고도수처리가 필요하다. 질소/인 등의 영양염류를 대사물로서 사용함으로써 폐수에서 이를 제거하는 조류를 고도수처리 공정에 응용하려는 연구가 진행되고 있다[1-2]. 조류를 이용한 폐수처리 공정은 폐수처리와 더불어 부산물로 생산되는 biomass를 사료원으로 사용함으로써 경제성 증가를 가져올 수 있다. 따라서 폐수처리시에 조류의 고농도 배양을 가능하게 하기위한 반응기의 개발이 필요하다. 조류 성장에 영향을 주는 pH, pO2, pCO2, 온도, 염도등의 최적배양조건 및 배양기내의 효과적인 빛의 전달, 즉 단위 배양액 부피에 빛의 직접적인 노출면적을 극대화 시키는 반응기 설계 기술등이 많이 연구되고 있다[3-4].

본 연구에서는 조류를 이용한 폐수처리공정에서 단위 배양액 부피에 빛의 직접적인 노출면적을 극대화 시켜 조류의 빠른 성장을 유도함과 동시에 고농도 조류 배양시 발생하는 불균일한 광조사 문제를 해결하도록 광섬유(LDOF, Light Diffusing Optical Fiber)로 구성된 광생물반응기를 제작한다. 제작된 광생물반응기를 이용하여 가축분뇨 폐기물내의 질소, 인의 제거실험을 수행하였다.

실험

조류의 기초 배양실험 및 외부 광조사에 의한 생물반응기 실험

본 연구에서는 NO3-, PO4-3 등을 기질로써 대사하는 독립영양 광합성 성질이 있는 담수 미세조류인 Chlorella sp. HA-1을 사용하였다. 조류의 회분식 배양의 배지는 질소/인 농도비를 최적화한 M4N배지를 사용하였다[5]. 최적 조류성장 질소/인의 비율을 결정하기 위해서 배지내 인의 농도는 일정하게 유지하고 질소의 공급원인 KNO3의 첨가량을 다르게 하여 전체적으로 13개의 시료를 준비하여 접종 후 15일후 건조세포 중량이 가장 많은 flask의 초기 질소/인의 비율을 최적의 조성으로 결정한다. 배양기는 5L 생물반응기를 제작하여 배양부피를 3L로하여 운전하였다. 배양조건은 온도 30oC, 교반속도 125rpm으로 유지하였으며 10% CO2 혼합공기를 0.1vvm의 유량으로 반응기 상부로 부양하여 배양액의 혼합효과를 수반하였다. 일반 생물반응기 실험의 광조사 방법은 100W 할로겐 램프를 이용한 외부 조사방식 이며 광조사 주기는 12시간으로 하였다.

LDOF 광생물반응기

LDOF 광생물반응기 실험의 광조사 방법은 100W 할로겐 램프를 광원으로 하여 배양기 내부에 설치한 광섬유를 이용한 내부 조사방식이다. Fig. 1에 광섬유 배양기 및 주변장치를 나타내었다. 조류를 이용한 실제 축산폐수 처리 실험시에 광섬유 배양기를 사용하였으며, 배양액으로 실제 축산폐수의 여액을 희석하여 1일정도 정치시킨 후 그 상등액을 실험에 사용하였다. 축산폐수의 직접 사용가능성을 시험하기 위하여 멸균없이 사용하였다.

분석방법

세포의 성장은 세포건조 중량 측정법을 이용하여 측정한다. 반응기에서 얻은 현탁세포를 test tube에 옮기고 3,000rpm에서 30분간 원심분리한다. 원심분리후 test tube에서 여액과 침전세포를 분리한다. 침전된 세포 들은 건조오븐에서 건조시킨후 세포건조 중량을 측정한다. 질소농도분석은 nitrate electrode방법을 이용한다. 인농도 분석은 photometric method를 이용한다. U.V spectrophotometer를 이용하여 absorbance를 측정하고 미리 준비한 정량관계식을 이용하여 인농도를 계산한다.

결과 및 토론

외부 광조사에 의한 생물반응기 실험

Fig. 2는 초기 접종량을 0.3541g/L로 한 Chlorella sp. HA-1의 배양기간 중 시간경과에 따른 세포 건조중량을 나타낸 것이며 Fig. 3 은 영양염류인 질소와 인의 변화를 나타낸것이다. 세포의 최대 성장은 접종 후 13일 경에 나타났으며, 이때의 세포 건조 중량은 2.2695g/L이다. 질소는 배양 마지막날인 15일에는 0.2104g/L에 이르렀으며 인은 전부 소모되었다. 질소와 인의 배양기간동안의 세포 성장에 따른 소모성향을 살펴보면 질소와 인은 Chlorella sp. HA-1성장에 주요기질로서 작용함을 알 수 있다.

LDOF 광생물반응기 실험

Fig. 4은 초기 접종량을 0.3917g/L로 한 Chlorella sp. HA-1의 광섬유 생물배양기 회분식 배양기간중 시간경과에 따른 세포 건조중량을 나타낸 것이며 Fig. 5는 질소와 인의 변화를 나타낸 것이다. 세포의 최대 성장은 접종 후 12일 경에 나타났으며, 이때의 세포 건조 중량은 2.5111g/L이다. 초기 질소 및 인의 농도는 각각 2.4156g/L, 0.2451g/L이다. 질소와 인은 배양 14일에 전부 소모되었다.

LDOF 광생물반응기를 이용한 축산폐수 처리 결과

외부 광조사에 의한 생물반응기와 LDOF 광생물반응기의 광조사방식의 변화에 따른 세포성장과 질소와 인의 소모를 비교해 볼 때 LDOF 광생물반응기 실험시 외부 광조사에 의한  배양기 실험에서보다 세포건조중량이 11%, 질소와 인의 소모량은 각각 19%와 10%로 증가하였다. 이는 LDOF 광생물반응기에서 외부 광조사에 의한 배양기보다 효율적인 광전달을 통하여 향상된 결과를 나타내었다고 사료된다. Fig. 6과 Fig. 7은 조류를 이용한 실제 축산폐수 처리시의 세포건조중량과 처리된 질소와 인의 실험결과이다. 축산폐수를 사용하였을 때 세포성장은 둔화되었으며, 질소와 인의 처리양은 각각 1.296g/L과 0.061g/L이였다.

본 연구결과는 조류를 이용한 축산폐수처리 공정에서 광섬유 배양기를 이용함으로써 질소/인 영양염류의 제거율의 향상 및 조류의 고농도 배양의 가능성을 제시하고 있다. 부산물로 얻어지는 조류를 식, 사료원으로 개발하는 기술이 확보된다면 공정의 실용화 가능성을 한층 높일 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌

1. Hashimoto, S. and Furukawa, K., "Nutrient Removal from Secondary Effluent by Filamentous Algae"(1989), J. Ferment. Bioeng, 67(1), 62-69

2. Lavoie A. and No□e J. de la, "Hyperconcentrated Cultures of Scenedesmus Obliquus, A New Approach for Wastewater Biological Tertiary Treatment"(1985), Water Res., 19(11), 1437-1442

3. Takano, H., Takeyama, et al., Appl. Biochem. Biotechnol., 28/29, 157, 1991

4. Kurosawa, H., Konno, et al., J. Ferment. Bioeng., 75(1), 71, 1993

5. Y. Watanabe, N. Ohmura and H. Saiki, Isolation and determination of cultural characteristics of microalgae whifunctions under CO2 enriched atmosphere, Pergamon Press, 1992

감사의 글

본 연구는 1995년도 아산재단의 연구지원에 의하여 수행되었습니다. 귀재단에 감사드립니다.

Fig. 1 Schematic diagram of optical fiber photobioreactor

Fig. 2  Experiment results using          Fig. 3  Experiment results using

external light radiation                   external light radiation

(dry cell weight)                         (N/P consumption)

Fig. 4 Experimemt results using           Fig. 5 Experimemt results using

LDOF photobioreeactor                      LDOF photobioreeactor

(dry cell weight)                            (N/P comsumption)

Fig. 6 Experiment results of               Fig. 7 Experiment results of

swine wastes treatment                    swine wastes treatment

(dry cell weight)                           (N/P comsumption)