Free ammonia 저해에 따른 질산화 미생물의 질산화 특성 연구

윤호준, 김선교, 김동진

한림대학교 환경학과

Effect of free ammonia inhibition on nitrification characteristics of nitrifiers

Ho-Joon Yun, Sun-Kyo Kim, Dong-Jin Kim

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Department of Environmental Science, Hallym University,

서론

질소가 고농도로 함유된 폐수가 발생되는 화학산업과 축산폐수, 침출수 등은 특히 하천의 자정작용에 악영향을 미치고 수계에 배출될 때 조류의 증식에 의해 부영양화를 일으키거나 용존산소의 소비, 수생생물의 독성을 나타내므로 처리공정의 연구가 필요하고 활발히 진행중이다. 이러한 질소처리 공정 중 하나인 생물학적 질소제거 공정은 질산화와 탈질 공정을 거치게 된다. 이러한 공정에서는 폭기에 필요한 에너지 및 탈질에 필요한 유기물 비용으로 인하여 처리비용이 많이 소요되어 경제적으로 많은 부담이 되고 있다. 따라서 이의 해결책으로 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 부분 질산화 한 후 이를 탈질시키는 질소제거공정 기술이 연구되고 있다. 암모니아성 질소가 아질산성 질소로 산화된 후 탈질 될 경우 약 25%의 산소요구량과 40%의 유기물 요구량을 감소시킬 수 있고 이 경우 탈질 속도도 1.5-2배정도 빨라진다[1]. 이러한 부분질산화 방법은 용존산소에 의한 방법과 free ammonia에 의한 방법이 있다. 후자에 의한 방법으로 free ammonia 농도가 1에서 5 mg-N/L에서는 아질산 산화균는 저해를 받지만  암모니아 산화균은 저해를 받지 않는 농도이기 때문에 아질산성 질소가 축적되는 것을 관찰하였다[3].

본 연구에서는 질산화 미생물을 이용하여 저온에서 일정한 free ammonia에 의해 일정기간 저해를 입은 미생물을 이용하여 batch 실험을 통하여 아질산성 질소의 축적의 원인과 free ammonia의 농도와 저해기간이 질산화 미생물에 미치는 영향을 살펴보는 실험을 수행하였다.

재료 및 방법

본 연구에서는  free ammonia에 의해 암모니아 산화와 아질산 산화가 저해 입는 것을 알아보기 위하여 모든 암모니아성 질소가 질산성 질소로 전환되는 상태에서 즉 free ammonia의 저해가 없는 상태의 미생물을 이용하여 batch 실험을 수행하였다. 먼저 일정농도의 free ammonia에 의해 저해를 입히기 위하여 500ml의 삼각 플라스크에 3□에서 미량원소와 pH 8에서의 암모니아성 질소를 넣어주었다. 저장조건은 Table 1에 나타내었다. 미생물을 플라스크에서 저온으로 저장한 후 미생물을 filter하여 batch 1과 3은 암모니아성 질소 10 mg/L와 batch 2와 4는 아질산성 질소 10ppm의 배지에서 pH 7.5로 보정후 30□의 shaking incubator에서 100 rpm 으로 실험하였다.

실험에 사용한 배지는 질소원으로 (NH4)2SO4와 NaNO2를 사용하였다. 미량원소로 MgSO4·H2O 5 mg/L,  KCl 7 mg/L, NaHPO4·12H2O 29 mg/L, CaCl2·2H2O 7 mg/L, KH2PO4 11 mg/l, FeCl3·6H2O 1 mg/L, NaHCO3 (CaCO3 기준) 7.14 g/g NH4+-N을 주입하였다. Sample의 분석은 Standard Method에 따라 분석하였다.

Table 1. Storage condition of each batch test.

	flask 1	flask 2	flask 3	flask 4
Batch 1	0.00 mg/L	2.06 mg/L	5.15 mg/L	10.30 mg/L	free ammonia
	5 day	5 day	5 day	5 day	storage time
Batch 2	0.00 mg/L	2.06 mg/L	5.15 mg/L	10.30 mg/L	free ammonia
	5 day	5 day	5 day	5 day	storage time
Batch 3	10.30 mg/L	10.30 mg/L	10.30 mg/L	10.30 mg/L	free ammonia
	5 day	10 day	15 day	20 day	storage time
Batch 4	10.30 mg/L	10.30 mg/L	10.30 mg/L	10.30 mg/L	free ammonia
	5 day	10 day	15 day	20 day	storage time

결과 및 토론

모든 실험시 저장기간 이외에는 free ammonia에 의한 저해를 입지 않도록 저농도의 질소 함유 배지를 이용하여 실험하여 주었다. 질산화 반응 종료 후 용존산소의 농도와 pH를 측정하였으나 질산화에 영향을 주지 않는 상태로 유지되었음을 알 수 있었다.

Fig. 1은 암모니아성 질소를 질소원으로 이용하여 저장기간은 같으나 free ammonia의 농도에 의해 저해시킨 batch 1의 결과이다. 그림에서 보듯이 저농도의 암모니아성 질소의 산화에서는 큰 차이는 없었다. 그러나 암모니아성 질소에 대한 maximum specific activity는 flask 1이 높게 나타났다. 또한 아질산성 질소의 축적률 또한 flask 1이 flask 4에서 보다 낮게 나타나 free ammonia에 의한 영향으로 판단할 수 있었다.

Figure 1. Batch kinetic analysis of batch 1.

(□: NH4+-N; □: NO2--N; □: NO3--N)

Figure 2. Batch kinetic analysis of batch 2.

Batch 2는 batch 1과 같은 조건으로 질소원으로 아질산성 질소를 이용하여 실험한 질산화 반응을 Fig. 2에 나타내었다. 그림에서와 같이 free ammonia의 농도가 높은 flask 4가 가장 많은 저해를 입었으며 flask 1은 lag time 없이 바로 산화되어 질산성 질소 전환되기 시작하였다. 아질산산화의 maximum specific activity를 살펴보면 flask 1부터 flask4까지 각각 4.35, 4.30, 3.54, 3.36 mg-N/g-VSS/hr로 flask 1가 가장 높게 나타났다.

Batch 3                                Batch 4

Figure 3. Batch kinetic analysis by free ammonia inhibition period.

(□: NH4+-N; □: NO2--N; □: NO3--N)

Fig. 3는 동일한 free ammonia의 농도에서 저해기간에 따른 질산화 미생물의 저해 반응을 살펴본 것이다. 초기 batch 3는 질소원으로 암모니아성 질소 그리고 batch 4는 질소원으로 아질산성 질소를 각각 10 mg/L로 제조하였으나 3□에서 저장 후 미생물의 분리시 filter가 잘 이루어지지 않아 저장용액에 포함된 암모니아성 질소가 포함되어 있어 전체 질소의 양이 증가 하였다.

Batch 3의 결과를 살펴보면 저장기간이 5일로 짧은 flask 1에서는 아질산성 질소의 축적 양이 적으며 바로 질산성 질소로 산화되었다. 하지만 저장기간이 길수록 아질산성 질소의 축적 양이 많아졌으며 질산성 질소로의 산화 반응이 늦게 이루어졌다. 암모니아성 질소 산화균인 ammonia oxidizer(AO)와 아질산성 질소 산화균인 nitrite oxidizer(NO)의 maximum specific activity는 다음과 같다.

Table 2. Maximum specific activity of nitrifiers.

Batch 3	flask 1	flask 2	flask 3	flask 4
Ammonia oxidizer	2.61	2.32	1.92	1.78
Nitrite oxidizer	2.42	1.95	0.26	0.45
Batch 4	flask 1	flask 2	flask 3	flask 4
Ammonia oxidizer	1.87	1.6	2.05	1.50
Nitrite oxidizer	3.58	2.41	2.34	2.27

Free ammonia에 의한 질산화 반응의 저해시 5일의 짧은 저장기간에서는 0∼10.30 mg/L의 feee ammonia 농도 범위에서도 큰 차이는 보이지 않았으나 아질산 산화 반응에서는 초기에 lag time이 존재하였다. 또한 free ammonia 10.30 mg/L에서는 저장기간이 길수록 암모니아성 질소의 산화 및 아질산성 질소 산화 반응에서의 저해 효과가 확실히 나타났다.

감 사

본 연구는 산학연 공동기술개발 지역 컨소시엄 사업에 의하여 수행되었습니다.

참고문헌

1. Garrido, J. M., W. A. J. van Benthum, M. C. M. van Loosdrecht, and J. J. Heihnen, Influence of Dissolved Oxygen Concentration on Nitrite Accumulation in a Biofilm Airlift Suspension Reactor, Biotechnology and Bioengineering. 53 168-178(1997).

2. Turk, O. and D.S. Mavinic, “Maintaining nitrite build-up in a system acclimated to free ammonia”, Wat. Res. 23, 1383-1388, 1989b.

3. Villaverde, S., F. Fdz-Polanco, and P. A. Garcia-Encina, “Influence of pH over nitrifying biofilm activity in sumerged biofilters”, Wat. Res. 31, 1180-1186, 1997.