탈질미생물의 분자생물학적 정보를 반영하는 수학적 모델의 개발

Abstract

활성슬러지를 구성하는 미생물은 활성슬러지 모델(ASM)에서 매우 단순화하여 구분하고 있으며, 하수처리 시스템의 구성과 효율을 평가하고 예측하는데 있어서 활성슬러지의 탈질능은 매우 중요한 요소임에도 불구하고 동력학 계수는 하나의 상수로 구성되어 있다. 활성 슬러지에 의한 탈질반응은 산화된 질소를 혐기적 환원과정을 통하여 기체 상태로 만들어 대기 중으로 돌려보내는 과정으로서 하수 중 질소 성분을 제거하는 과정의 한 축을 담당한다.

본 연구에서는 기존의 공학적인 탈질능 분석방법인 NUR batch test와 nitrite reductase를 이용한 분자생물학적인 분석방법을 통하여 자료를 수집하고, 분자생물학적 정보를 반영한 NUR batch test 모사 모델을 개발하여 모델로부터 탈질능을 예측하고자 시도하였다. 이에 AO 공정과 MLE 공정의 탈질능과 nir-gene 정량정보를 이용하여 탈질미생물을 나타내는 XDen을 ASM2에 적용하였다. 모델에 적용할 다양한 활성슬러지를 확보하기 위해 AO 공정과 Bardenpho 공정을 실험실에서 약 80일간 운전하였고, 다양한 공정으로 운전되는 여러 하수처리장을 방문하여 샘플링 하였다. 활성 슬러지 샘플은 NUR batch test를 실시하여 탈질능을 측정하고 탈질 미생물의 정량화를 위해 Real-time PCR을 수행하였다.

종속영양미생물(XH) 중, 탈질미생물이 80%에 해당한다는 의미로 사용되는 ηNO3의 default값인 0.8은 탈질능과 상관관계가 없음을 확인하였다. 반면에, 탈질능과 비례관계에 있는 XDen은 nirS와 nirK의 유전자 양의 합과도 비례관계에 있다. 실험실에서 운전한 반응조의 NUR batch test 결과, 반응조 유입수의 질소와 탄소원 유입량이 상대적으로 컸던 Bardenpho 반응조의 탈질능이, AO 반응조에 비해 월등히 높았다. 또한, 여러 하수처리장의 슬러지를 이용한 NUR batch test 결과, 평균적으로 5월에 탈질능이 가장 높았으며, T 하수처리장의 탈질능이 다른 하수처리장 중 평균 탈질능이 가장 높은 것으로 밝혀졌다. Real-time PCR 분석 결과, 탈질능이 높은 활성 슬러지 샘플에서는 많은 양의 nir 유전자가 존재하였다. 따라서 활성 슬러지 내에 존재하는 nir 유전자의 양은 해당 슬러지의 탈질능을 결정하는 것으로 사료된다. XDen 인자를 포함하는 modified ASM2가 실험실 규모와 현장 규모의 활성슬러지 샘플에 대하여 실측 자료에 가깝게 NUR batch test를 모사하였다. 따라서 활성 슬러지의 탈질능을 예측할 시, nir 유전자의 정량정보를 반영하는 것은 새로운 하나의 유용한 방안이라고 여겨진다.

In the activated sludge process, denitrification is a representative nitrogen removal reaction. The ASM2 simulation of nitrogen removal helps engineers to understand and operate their treatment plant but this model generally lacked sufficient credibility. The objective of this study is to develop a modified ASM2 specific for denitrification.

Using previous study data, the ASM2 was modified reflecting quantitative information of nir - gene which is nitrite reductase. The modified ASM2 included a factor XDen which denitrifying heterotrophic biomass. The sludge samples from laboratory AO and Bardenpho processes and four WWTPs were obtained and performed NUR batch test and real-time PCR analysis to know denitrification potential and denitrifying bacteria abundance respectively. These data were applicated to ASM2 and modified ASM2 for simulation of NUR batch test.

In the modified ASM2, the calculated value of XDen is proportional to the measured sum of nir - gene quantity and the denitrification potential. The denitrification potential was higher in Bardenpho process than AO process reactor. Also, the denitrification potential of WWTPs' sludge was affected by various WWTPs' conditions. In all samples, the sum of nir - gene quantity indicates the denitrification potential of activated sludge. The modified ASM2 reflecting molecular information can simulate NUR batch test. As a result, it is a new alternative using quantitative information of nir-gene to estimate denitrification potential.