Integration of ammoia-oxidation and ANAMMOX reactions in a double-layered gel bead for single-stage ammonia removal

Abstract

최근 비용경제적인 암모니아성 질소 제거 기술로서 아나목스 반응을 이용한 동시 질산화-탈질 공정이 상용화되었으나, 아나목스 미생물의 성장속도가 느리고 산소에 민감하기 때문에 실규모 공정의 시동기간 단축 및 안정성 등의 문제가 꾸준히 제기되어 왔다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 2중 구조의 겔 비드를 이용한 고정화 기술을 제시하였다. 느린 아나목스 미생물의 성장속도를 극복하기 위하여, PVA/alginate 겔에 미생물을 포괄 고정화하여 높은 아나목스 활성을 단기간에 획득하는 기술을 개발하였다. 배양에 앞서, 중앙합성계획법과 반응표면분석법을 이용하여 겔 비드의 최적 기계적 강도를 확보하였다. 일반 활성슬러지를 접종한 겔 비드를 연속 반응기에 투여하여 배양한 결과, 43일간 0.81 kg-N/m3-day의 아나목스 활성을 달성하였다. 이는 활성 슬러지를 이용한 아나목스 농후배양으로는 최대의 효율에 해당한다. 이와 같이 제조된 겔 비드의 표면에서 2차 겔화 반응을 유도하여 암모니아 산화 미생물 포괄 고정을 위한 외층을 성형하였다. 2중 구조 비드 내/외층에 의한 동시 질산화-탈질 반응을 암모니아성 질소 제거 공정에 적용한 결과, 회분식 배양에서는 외층이 없는 아나목스 비드 대비 제거율이 27.2%에서 55.5%로 향상되었다. 연속식 반응기에서는 0.59 kg-N/m3-day의 질소 유입속도에서 71.6%의 안정적인 암모니아성 질소 제거 효율을 보였다. 인공 생물막으로서 외층의 기계적 강도를 강화하기 위하여 PVA 농도를 최대 12.5%로 증가시켰으며, 이는 외부 겔 층으로의 산소 기질 전달에 저해를 주지 않았다. 0.6~8 mg/L 용존산소 농도에서 83.3~1,250 μm 범위의 산소침투 깊이가 나타나 2.5~3 mm 범위의 두께를 가지는 외층에 의해 아나목스 미생물이 산소 저해로부터 효과적으로 보호됨을 알 수 있었다. Free Ammonia 독성 인자 존재 하에서도 산소 침투 깊이의 확장이 관찰되지 않아, 고농도 암모니아성 질소 제거를 위한 실규모 적용이 기대 되었다. 2.0 mg/L의 낮은 용존산소 조건에서도 17일간 암모니아 산화 활성이 0.65 kg-N/m3-d로 증가하여, 외층의 암모니아 산화 효율이 실용적으로 유의한 수준까지 확보됨을 알 수 있었고, 생존하는 암모니아 산화균은 주로 95 μm 깊이에 분포하는 것을 형광 현미경 관찰을 통해 밝혔다. AQUASIM 시뮬레이션을 통해 두꺼운 외층에 의한 기질 전달 효율 저하가 총 질소 제거율에 유의한 영향을 주지 않는 것으로 계산되었다. 또한 과다한 AOB와 NOB의 미생물 농도는 외층의 질산화 효율을 필요 이상으로 증대하여 총질소 제거 효율을 낮추는 것으로 나타났으며, 혐기성 암모늄 산화 미생물의 농도 10%를 가정하였을 때 AOB 및 NOB 미생물의 0.1~10%가 적절할 것으로 예상되었다.