순환 유동상 생물막 반응기에서 free ammonia와 용존산소가

아질산성 질소 축적에 미치는 영향

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

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

이동익, 김동진

한림대학교 환경학과

Effect of free ammonia and dissolved oxygen on nitrite accumulation in biofilm airlift suspension reactor

Dong-Ik Lee, Dong-Jin Kim

Department of Environmental Science, Hallym University,

서론

일반적으로 폐수 중 질소성분의 제거는 질산화 미생물에 의한 질산화 반응과

종속영양 미생물에 의한 탈질 반응으로 설명되어 왔다. 특히 미생물에 의하여 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화하는 질산화 반응은 Nitrosomonas로 대표되는 Ammonia oxidizer에 의해 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화하는 1단계 반응과 Nitrobacter로 대표되는 Nitrite oxidizer에 의해 아질산성 질소를 질산성 질소로 산화하는 2단계 반응으로 진행된다. 최근 폐수처리장에서 일어날 수 있는 새로운 생물학적 질소제거 공정으로 질산화 단계에서 Nitrite oxidizer의 활성을 저해하여 반응기내 아질산성 질소를 축적하여 바로 탈질시키는 공정이 발견되었다. 이는 질산화 단계에서 약 25%의 산소가 절감되기 때문에 에너지가 절감되고 아질산성 질소에서 직접 탈질될 수 있어 질산성 질소에서 탈질되는 것에 비해 전자공여체인 유기탄소의 소비량을 약 40%정도 줄일 수 있으며 아질산성 질소에서의 탈질속도가 질산성 질소의 탈질속도에 비해 1.5내지 2배정도 빨라 반응기 용적을 줄이는 등의 장점이 있다.

이러한 선택적 질산화를 위해 아질산 산화균을 저해하는 방법에는 몇가지가 있다. 먼저 pH 변화에 의해 아질산 산화세균의 활성을 저해시킬 수 있다[2]. Free ammonia(NH3, FA)나 free nitrous acid(HNO2, FNA)는 질산화 박테리아에 독성을 나타내며 pH 변화에 따른 평형관계 변화에 따라 pH를 조금만 변화시켜도 이들의 농도를 조절할 수 있다. 특히 ammonia oxidizer보다 nitrite oxidizer가 free ammonia와 free nitrous acid에 더 많은 저해를 받기 때문에 선택적으로 nitrite oxidizer의 성장을 둔화시킬 수 있어 nitrate로의 산화를 막을 수 있다.

Anthonisen 등은 Nitrosomonas는 free ammonia의 농도가 10 - 150 mg N/L에서 저해 받지만 Nitrobacter는 0.1 - 1.0 mg N/L사이의 낮은 농도에서도 저해를 받는다고 기록하였다.

Free ammonia의 농도는 실험에 의하여 측정된 암모니아성 질소의 농도로부터 아래의 평형 방정식으로 부터 유추할 수 있다.

NH4+ + OH-  □  NH3 + H2O     ----- 암모니아 평형

Free ammonia 농도는 암모니아성 질소의 농도와 온도, pH에 영향을 받으므로 다음 계산식으로부터 알 수 있다.

Ka = 암모니아 평형방정식의 이온화 상수

Kw = 물의 이온화 상수

Ka/Kw = e(6334/273+□)

이외의 방법으로는 용존 산소를 조절하여 nitrite oxidizer의 성장을 저해하는 것과 ammonia oxidizer를 순수 배양하여 고정화하거나 연속흐름 반응기에서 nitrite oxidizer를 성장속도 차이에 의하여 wash-out시키는 것 등이 있다. amm-

onia oxidizer의 산소에 대한 Ks 값이 30 □mol O2/L인데 비해 nitrite oxidizer의 Ks는 125 □mol O2/L이다. 즉, nitrite oxidizer가 ammonia oxidizer에 비하여 산소에 대한 affinity가 낮기 때문에 용존 산소의 농도를 제한적으로 공급할 경우 nitrite oxidizer의 성장을 선택적으로 제한할 수 있다[1].

재료 및 방법

본 연구에 사용된 순환 유동상 반응기는 높이 102 □, 유효부피가 3.3 □인 아크릴 소재의 원형관으로 제작되었다. 반응기의 separator internal diameter는 40 □, separator external diameter는 100 □, riser internal diameter는 40 □, downcomer internal diameter는 70 □, riser to bottom distance는 10 □로 제작되었다. pH controller를 상부에 설치하여 pH를 7.5로 유지시켰다. 반응기내 현무암의 농도는 16 g/L로 주입되었고 소형 blower에 의해 공급되는 공기에 의해 유동되었다. 미생물 접종은 질산화를 수행하고 있는 반응기의 질산화 미생물을 접종하였다. 폐수는 암모니아성 질소원으로 (NH4)2SO4를 사용하였으며 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) 7.1 g/g NH4+-N을 주입하였다.

시료는 Standard Method에 따라 분석하였다.

결과 및 토론

Fig. 1은 반응기가 암모니아성 질소 부하 0.15 kg/m3/d로 운영될 때의 수리학적 체류시간과 암모니아성 질소 제거율, 용존 산소의 평균농도, 유출수 중 아질산성 질소의 비율을 나타낸다. 수리학적 체류시간은 16.5, 11, 8.2, 6.6, 4.6 hr로 점차 짧게 변화시켜 주었고 암모니아 부하를 일정하게 유지시켜주기 위해 유입수 농도를 103, 69, 52, 41, 29 mg/L로 바꾸어 주었다. 전구간에 걸쳐 100 %에 가깝게 질산화율을 보였다. 수리학적 체류시간의 감소에 따른 암모니아성 질소 제거율의 변화나 아질산성 질소의 축적은 관찰할 수 없었다. 이는 낮은 암모니아성 질소 부하에서 완전한 질산화가 이루어 졌기 때문으로 사료된다. 이 시기의 용존산소는 질산화가 저해를 받는다고 알려진 2 mg/L보다 훨씬 높은 평균 7 mg/L로 유지되었으며 free ammonia의 농도 또한 0 mg/L에 가깝게 유지되었다.

Fig. 2는 반응기가 암모니아 부하 1.9 kg/m3/d 운영될 때의 수리학적 체류시간과 암모니아성 질소 제거율, 용존 산소의 평균농도, 유출수 중 아질산성 질소의 비율, free ammonia의 농도를 나타낸다. 암모니아 부하가 0.15 kg/m3/d일 때와는 다르게 수리학적 체류시간의 감소에 따른 암모니아성 질소 제거율의 감소와 아질산성 질소의 축적을 확인할 수 있다.

Fig 1. Nitrite ratio, dissolved oand ammonium removal efficiency at various hydraulic retention time in biofilm airlift suspension reactor. (load : 0.15 kg/m3/d; □ : removal efficiency;   ■ : HRT; □ : DO; □ : nitrite ratio)

암모니아성 질소 제거율의 감소는 수리학적 체류시간의 감소에 따른 기질과 미생물과의 접촉시간의 감소 때문이다. 암모니아성 질소 제거율의 감소에 따라   free ammonia의 농도가 증가하였고 이로 인하여 아질산성 질소의 축적이 발생한 것으로 보인다. 또한 이시기의 용존산소는 약 2 mg/L로 아질산 산화균은 산소에 대한 저해도 받았을 것으로 사료된다. 각 구간에서의 free ammonia의 농도는 (a)구간에서 0.84 mg/L, (b)구간에서 0.54 mg/L, (c)구간에서 0.47 mg/L, (d)구간에서 0.58 mg/L, (e)구간에서 0.59 mg/L로 변하였다. 이러한 농도의 변화에 따라 유출수 중 아질산성 질소의 비율도 매우 유사한 경향을 보이며 변하고 있음을 볼 수 있다.

본 실험을 통해 용존산소와 free ammonia의 농도 조절로 아질산 산화균을 제한하여 높은 아질산성 질소의 축적을 달성할 수 있음을 확인했고 반응기 운영시 용존산소와 free ammonia를 제어할 수 있는 요소로서 수리학적 체류시간과 암모니아 부하가 효과적으로 쓰일 수 있음도 확인할 수 있었다.

Fig 1. Nitrite ratio, dissolved oxygen and ammonium removal efficiency at various hydraulic retention time in biofilm airlift suspension reactor. (load : 0.15 kg/m3/d; □ :  removal efficiency; ■ : HRT; □ : DO; □ : nitrite ratio; □ : free ammonia concentration)

감 사

본 연구는 산학연 공동기술개발 지역컨소시엄 사업에 의해 지원되었습니다.

참고문헌

1. Kuai, L. and W. Verstraete (1998), "Ammonium Removal by the Oxygen-Limited Autotrophic Nitrification-Denitrification System", Appl. Environ. Microbiol, 64:4500-4506.

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