고정화된 질산균을 이용한 TAN 제거

김병진, 조문철, 안갑환*, 김용하, 서근학

부경대학교 화학공학과, 지산전문대학 환경관리과*

Removal of TAN by using the Immobilized Nitrifying Bacteria

Byong-Jin Kim, Moon-Chul Cho, Kab-Hwan Ahn*, Yong-Ha Kim, Kuen-Hack Suh,

Dept. of Chemical Engineering, Pukyong National University

Dept. of Environmental Science & Technology, Jisan Junior Colledge *

서론

어류를 고밀도로 사육하는 순환여과식 양식은 어류의 소비가 날로 증가하고 있는 오늘날의 식생활 문화와 잘 부합될 수 있도록 그 생산력을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 수질오염 문제로 인하여 야기되는 양식장에서의 각종 규제를 해결할 수 있는 장점을 지니고 있는 사육시스템이다. 반면에 어류의 대사작용과 사료찌꺼기 등으로 인하여 발생되는 암모니아 및 아질산 등은 사육중인 어류에 유해한 영향을 끼친다[1]. 일반적으로 암모니아라 함은 총암모니아(Total Ammonia Nitoren)로서 수중에서 평형을 이루고 있는 비이온성 암모니아(NH3)와 이온성 암모니아(NH4+)의 합으로 수중에서 다음과 같이 평형을 이루고 있다.

[eqn: NH_3 + H_2 O" " □" "NH_4^+ + OH^-]

[eqn: &{[NH_3 ]} over{[NH_4^+ ]} = 10^{(pH-pKa)}, ~~~##&pKa~=~0.090018~+~{2729.92} over T,K]

위 식에서 이온성 암모니아와 비이온성 암모니아의 비는 온도와 pH의 영향을 받는데 비이온성 암모니아는 이온성 암모니아에 비해 훨씬 더 유독하여 어류의 성장을 저해하고 치사율을 높이는 원인이 되므로 미국 환경 보호청에서는 사육조 내의 비이온성 암모니아를  0.02 mg/L 이하로 유지하도록 권장하고 있으며 [2],[3] 이와 더불어 적정 pH의 유지도 중요하다.

순환여과식 양식 시스템에서 발생되는 암모니아의 제거를 위한 방안으로 회전원판공법[4], 침지여상 공법[5] 및 유동층 공법[6] 등이 연구되어지고 있다. 이와 같은 공법들은 지지체 표면에 미생물을 부착시켜 이용하는 방법으로 이와는 달리 alginate 등의 bead를 이용하여 미생물을 다공성 매체내에 포괄시켜 사용할 경우 별도의 지지체가 필요없으며 반응기 내의 미생물 농도를 고농도로 유지시킬 수 있으며 미생물과 처리수의 분리가 용이한 장점을 지닐 수 있다.

본 연구에서는 순환여과식 양식장에서 발생되는 암모니아의 효율적인 제거를 위하여 질산화균을 Ca-alginate bead로 고정화시켜 bead를 안정성있고 최대의 효과를 발휘할 수 있도록 고안된 air lift bioreactor에 충진하여 이를 이용 양어장 순환수 중의 암모니아 제거 운전을 수행하면서 암모니아 제거특성과 운전특성을 연구하여 저농도에서도 최대의 제거효과를 얻을수 있는 운전 조건을 구하려한다.

재료 및 방법

본 실험에 사용된 Ca-alginate bead는 부산광역시 수영하수처리장의 활성슬러지를 65 mesh(□ : 0.21 mm) standard sieve로 걸러서 협잡물을 제거시킨 후, 3개월동안 Table 1에 나와 있는 기질을 조제 공급하면서 질산화균으로 순치시킨 미생물을 농축하여 4%(DW/V)용액으로 만든 후 5%(W/V) sodium alginate 용액과 동량 혼합하여 최종 미생물 농도가 2%(DW/V)가 되도록 하여  0.1M CaCl2용액속에 사출시켜 평균직경 4.5mm의 Ca-alginate bead로 만들어 실험에 사용하였다.

실험장치는 Fig. 1에 나와 있는 형태로 반응기는 직경이 130 mm, 높이가 90 mm인 원통형 관을 이용하여 전체 용량이 1L가 되게끔 제작하였고 반응조 하부에는 질산화 과정에서 소비되는 산소를 공급하고 반응기내의 완전혼합을 유도하고 공급산소의 용해율울 높이기 위하여 glass filter(Pore size : G3)를 이용한 air distributer를 설치하였다. 공급된 공기는 길이가 70 mm이고 직경이 21 mm인 draft tube를 따라서 상향으로 이동하도록 제작하였다. 하부에서의 수류형태는 상부에서 내려온 순환수와 새로이 주입된 기질이 함께 합쳐져서 draft tube를 따라서 상승하여 혼합되게 된다. 본 반응기는 입자상 미생물이 충진되어 있는 지점의 상부와 하부에 미세망을 설치하여 bead가 반응기 밖으로 유실되지 않고 주입되는 기질이 반응지역 내로 원활히 유입될 수 있도록 설계하였다. 기질과 공기의 공급이 동시에 이루어지고 있는 draft tube의 상부 끝 부분을 미세망 보다도 0.5cm가 높게 제작하여 유입수와 기포의 전단력에 의한 bead의 파괴를 최소화하여 bead의 수명을 보다 길게 연장할 수가 있도록 고안 하였다.

미생물이 고정화된 500mL의 Ca-alginate bead를 반응기의 원환에 채운 후 합성양어장수를 공급하며반응조 내로 주입되는 인공양어장수는 양식장의 현장자료를 토대로 하여 1000mgTAN/L 용액을 만든 후 수돗물로 희석하여 TAN이 2ppm이 되도록하여 사용하였다. 반응기 내로 유입되는 암모니아성 질소의 공급을 위하여 염화암모늄(NH4Cl)을 이용하였으며, 질산화 시 알칼리도의 보충을 위해 중탄산 나트륨(NaHCO3)을 이용하였다. 기질조제에 필요한 희석수는 미량원소의 공급을 위하여 수도물을 이용하였다.

실험단계는 수력학적 체류시간을 2.0시간부터 유량을 점점 증가시키면서 암모니아성 질소의 제거속도가 감소되는 0.2시간까지 운전하였으며 반응조 내의 운전온도는 27 ± 1℃가 되도록 일정하게 유지하였고 공기는 0.1v/v/m으로 공급하였다.

시료의 분석은 암모니아성 질소는 암모니아 선택 전극법(ORION-9512BN)을 이용하였으며 반응조의 운전에 있어서 미생물의 내부상태를 간접적으로 쉽게 알아볼 수 있는 척도가 되는 pH와 DO는 pH 미터(SUN TEX SP-701)와 DO 미터(YSI-55)를 사용하여 상시적으로 측정하였다.

결과 및 고찰

체류시간 변화에 따른 TAN 제거특성을 조사하기 위하여 반응기내에 공기량은 0.1vvm으로 일정하게 주입하고 유입수의 TAN농도를 2mg/L으로 연속공급하면서  체류시간을 2.00, 1.00, 0.70, 0.55, 0.40, 0.30, 0.25 및 0.20시간으로 변화시키면서 이에 따른 유출수의 암모니아성 질소 농도를 살펴본 결과 Fig. 2에 도시된 바와 같이 수력학적 체류시간이 0.30시간까지는 서서히 증가하다가 그 이하의 체류시간에서는 급속히 감소하는 것으로 나타났다. 이는 0.30시간 이하의 체류시간에서는 TAN이 bead내부로의 확산되어 제거되는 속도보다 유속이 훨씬 빠르기 때문으로 보여진다.

Fig. 3은 수력학적 체류시간에 따른 암모니아성 질소의 제거율을 도시한 것으로 체류시간이 길수록 제거율은 높은 것으로 나타났다. 제거율은 체류시간이 2hr일 때 81%부터 0.5hr에서의 63%까지는 선형적으로 감소하다가 0.5hr이후부터 급격히 감소하였다. 0.5hr이하의 체류시간에서는 bead내부로의 물질전달 속도보다 액본체의 흐름속도가 매우 빠르기 때문에 제거율이 급속히 감소하는 것으로 생각된다.

Fig. 4은 수력학적 체류시간에 따른 암모니아성 질소의 제거속도를 도시한 것으로 수력학적 체류시간이 0.3hr에서 82g TAN/m3/day로 최대값을 나타내었다. 제거속도란 반응조 일정체적에서 일정시간동안 제거할 수 있는 량이므로 제거 속도가 최대일 때 처리량이 최대이므로 반응기의 성능이 최대라 볼 수 있다. Fig. 2에서 나타난 바와 같이 수력학적 체류시간이 감소할수록 유출수의 농도가 증가하여 Fig. 3에서 보여지는 바와 같이 제거율은 떨어지나 수력학적 체류시간이 감소에 따라 유량이 증가하여 전반적인 처리능력은 증대되고 최적치로 나타난 0.3hr이하의 체류시간에서는 유입되는 암모니아성 질소가 미생물에 의해 처리되기 전에 밖으로 유출되는 비율이 급속히 증가하여 유량이 증가함에 따라 처리속도는 오히려 감소되는 것으로 보여진다. 0.3hr에서의 제거율은 47.5%로서 유입수의 50%정도만 제거하여도 유량이 증대하여 암모니아의 제거속도는 계속적으로 증가하여 최적치인 것으로 나타났다.

참 고 문 헌

1. Miller, G.E. and G.S. Libey : Aquacultural Engineering, 3, 39-57(1984).

2. Roger, G.L and S.L. Klementon : Aquaculture Engineering, 4, 135∼154(1985).

3. EPA(Environmental Protection Agency).: □Quality Criteria for Water□.

Washington D.C.(1976)

4. Antonie, R.L., D.L. Kluge and J. H. Mieke : J. WPCF., 46, 298-311(1974).

5. Nijhof, M. and J. Bonverdeur : J. Aquaculture, 87(1990).

6. Jewell, W.J. and Cummings, R.J. : Wat. Sci. Tech.,Vol. 22., 443-450(1990).

7. Kim, J.S.: Ph. D. Dissertation, National Fish. Univ. of Pusan, Pusan, Korea(1995).