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Anammox 생물막 반응기를 이용한 저농도 폐수 처리
( Linh-thy Le ),장덕진 ( Jahng Deokjin ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
The Anaerobic Ammonium Oxidation (Anammox) process was firstly discovered in the early 1990s (Mulder et al., 1995). It has been known as a novel and cost-effective biological process typically to treat wastewater had high nitrogen concentration and low concentration of chemical oxygen demand (COD) (Jetten et al., 1999; Wang et al., 2011). In this process, Anammox bacteria directly oxidize ammonia to nitrogen gas (N<sub>2</sub>) with nitrite as an electron donor under strictly anaerobic conditions. NH<sub>4</sub><sup>+</sup> + 1.32NO<sub>2</sub>- + 0.066HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> + 0.13H+ à 1.02N<sub>2</sub> + 0.256NO<sub>3</sub><sup>-</sup>+ 0.066CH<sub>2</sub>O<sub>0.5</sub>N<sub>0.15</sub> + 2.03 H<sub>2</sub>O In recent years, Anammox process had mainly focus on side stream wastewater with high ammonia concentration. The success of Anammox-based side stream wastewater treatment, promoted investigation of its research for mainstream wastewater treatment with low ammonia concentration, typically ranging from 20-85 mgN L<sup>-1</sup> (Metcalf and Eddy, 1991) and low temperature. In this study, a 10 L lab-scale biofilm anammox continuous stirred tank reactor (A-CSTR) was operated to investigate the Anammox community structure and the performance of biofilm Anammox reactor at low nitrogen load. This reactor did not need to be sealed and purging nitrogen to avoid the diffusion of oxygen into the water surface due to the polyurethane foam balls floated on the surface of the reactor. The reactor was cover with a black cover to avoid light and the growth of algae. The temperature was control by using an aquarium heater (Aleas, China). Hydraulic retention time (HRT) was changed from 12 h to 7 h. The reactor was stirred at about 40 rpm by an overhead stirrer.The fiber carriers were utilized to retain the Anammox biomass. The A-CSTR was cultured by 1 L suspended Anammox sludge, originated from a 12.5 L lab-scale Anammox SBR. Extracellular polymeric substances (EPS) and scanning electron microscopy (SEM) of Anammox biomass were evaluated for microbial characterization. After four months, the biofilm Anammox reactor achieved a high nitrogen removal with NRR of 0.2 kg N m<sup>-3</sup> d<sup>-1</sup>, the effluent nitrogen concentration was lower the discharge standard of nitrogen in Korea. The noticing in this research was the dominant species of Anammox population shifted from C. Brocadia into C. Jettenia (18.4% of the microbial community).
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노종찬 ( Noh Jonhchan ),( Le Linh Thy ),장덕진 ( Jahng Deokjin ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
활성슬러지 공법 및 그 변형 공법은 물리·화학적 공정에 비해 저렴한 운영비 덕분에 많이 사용되어 왔으나, 수중의 암모니아를 질산염으로 산화시키기 위해 필요한 기계적 폭기에 많은 에너지가 사용된다. 그러나 부분 아질산화를 통해 수중의 암모니아를 아질산염까지만 산화시키고 탈질을 통해 질소기체로 환원시킨다면 완전 질산화 후 탈질 대비 25%의 산소와 40%의 탄소요구량을 절감할 수 있다. 이전 연구에서 Batch test를 통해 빛을 이용한 부분 아질산화를 진행할 때 활성슬러지의 농도 400 mg/L, 광원은 LED모듈을 이용한 청색+녹색 혼합광, 빛의 세기는 3000 Lux 일 때 가장 효과적이었다. 따라서 본 연구에서는 앞서 밝힌 조건을 바탕으로 미세조류와의 공배양을 실시하여 빛과 미세조류를 이용해 무폭기 부분 아질산화의 실현 가능성을 확인하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 활성슬러지와 폐수는 수원의 S 하수처리장에서 채취하였다. 채취한 폐수는 NH<sub>3</sub>-N 50 mg/L , alkalinity 500 mg/L으로 보충해준 후 배지로 사용하였다. 본 연구에서 사용된 partial Nitrification(PN) 슬러지는 연구실에서 600일 동안 ammonia oxidizing bacteria(AOB)를 농화시킨 슬러지를 사용하였다. 또한 본 연구에 사용된 미세조류는 S 하수처리장의 실제 폐수에 빛을 조사하여 얻은 자연 발생된 미세조류를 사용하였다. 실험은 Batch test 형태로 수행되었으며 삼각 플라스크에 working volume 600 mL로 한 후 양 옆에서 LED 모듈을 통해 청색+녹색 혼합광을 3000 Lux로 조사하고 교반 강도는 100 rpm으로 일정하게 하였다. 활성슬러지와 PN 슬러지는 400 mg/L 로 조절하여 접종하였고 미세조류는 0 mg/L ∼ 150 mg/L로 조절하여 접종하였다. NH<sub>3</sub>-N, NO<sub>2</sub><sup>―</sup>-N, NO<sub>3</sub><sup>―</sup>-N는 각각 Standard method 4500-NH<sub>3</sub> F, 4500-NO<sub>2</sub><sup>―</sup> B, 그리고 HACH method 10020을 이용하여 측정하였다. 실험 결과 활성슬러지와 미세조류를 함께 접종했을 때, 미세조류를 접종하지 않고 기계적 폭기로 산소를 공급한 실험과 비교했을 때 아질산염의 상대적 생산속도는 0.70, 질산염의 상대적 생산속도는 1.25 로 부정적인 결과를 보였으나, 암모니아의 상대적 제거속도는 1.33으로 긍정적인 결과를 보였고, 미세조류의 biomass concentration이 40 mg/L일 때, 부분 아질산화 측면에가 가장 효과적이었다. 또한 PN 슬러지 400 mg/L와 미세조류 40 mg/L를 접종했을 때, 활성슬러지와 미세조류를 접종했을 때 보다 암모니아의 비 제거속도는 2.15배, 아질산염의 비생산속도는 3.66배, 질산염의 비생산속도는 0.90배로 뛰어난 부분 아질산화 효율을 보였다. 따라서 빛과 미세조류를 이용한 무폭기 부분 아질산화는 가능하며, 활성슬러지 및 PN 슬러지와 미세조류의 mixed liquor suspended solids(MLSS) 비율은 10 : 1 (400 mg/L : 40 mg/L)에서 가장 효율적이었으며, 해당 연구의 batch test 결과를 바탕으로 continuous stirred tank reactor(CSTR)에서 배양할 경우 안정적으로 무폭기 부분 아질산화를 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
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스트레스 하의 자연세균의 활성 및 생존의 발광표현형을 이용한 탐지
박경제,윤혜영,천세진,이호자,이동훈,장덕진,이규호,Park, Kyoung-Je,Yoon, Hye-Young,Chun, Se-Jin,Lee, Ho-Sa,Lee, Dong-Hun,Jahng, Deokjin,Lee, Kyu-Ho 한국미생물학회 1998 미생물학회지 Vol.34 No.3
자연미생물, KP964에 luxAB 유전자를 주입하여 발광기능을 부여함으로써 그들의 발광정도가 스트레스에 대한 적응, 생존 및 활성도를 나타내는 색인이 될 수 있는가, 그리고 특히 non-culturable but viable(NCBV) 상태로 존재하는 미생물의 활성에 대한 정보를 제공할 수 있는가를 알아보았다. 영양결핍조건 하에서 그들의 총 세균수, 배양가능세균(colony-forming-unit; CFU)수, viable cell 수, 그리고 발광정도(relative light unit; RLU)의 변화를 조사하였다. 형광현미경으로 확인된 총 수는 변화가 없었으며, 첨가된 yeast extract에 의해 성장하는 viable cell 수는 완만하게 감소하였으나 CFU 수는 급격히 줄어들어 37일 째 이후에는 탐지한계 이하로 감소하였다. RLU의 경우, 처음 7일의 영양결핍동안 0.016%까지 감소하였으며, 그 이후에는 탐지한계수준 이하로 검출되었다. 아울러 스트레스를 받는 4시간 동안 CFU수와 RLU의 관계를 알아보기 위하여 발광 KP964 균주에게 독성유해물질, acid shock, osmotic shocks를 접촉시킨 후 시간별로 CFU와 RLU를 측정한 결과, KP964 CFU 당 RLU는 9.1-26% 까지 감소하였다. 이는 스트레스의 종류에 따라 접촉시간이 길수록 CFU 당 나오는 빛의 양이 줄어듬을 보인 것이다. 이러한 결과는 영양결핍조건 시 RLU의 감소율이 CFU의 감소율보다 더 크며 영양결핍 이외의 다른 스트레스 조건 하에서도 RLU의 감소율과 CFU의 감소율의 연관성을 찾을 수 없음을 보이므로, 발하는 빛의 정량만으로는 NCBV 상태는 물론 배양가능한 세균의 양이나 활성을 나타내지 못하는 듯 하였다. 그러나 스트레스를 받은 KP964의 활성 정도와 잠재발광능력과의 관계는 좋은 연관성을 보여주었다. 즉, p-xylene, hypo-osmotic stress, 또는 영양결핍에 노출된 세균으로부터 각 스트레스를 제거하였을 시 나타나는 발광증가 유형을 조사하였는데, 증가가 시작하기까지의 lag period는 각각 32, 26, 22분으로 나타났다. 즉 미생물에 강력한 스트레스로 작용한 경우일수록 lag time이 길고, 또한 발광의 증가율이 느리며 도달하는 최대 RLU값도 낮음이 관찰되었다. 따라서 스트레스 하의 세균으로부터 직접적인 RLU의 측정보다는 이들이 스트레스 조건으로부터 재성장 또는 소생되는 과정에서의 잠재 발광능력의 분석이 자연세균의 적응, 활성 및 생존의 정도를 나타내주었다. To investigate whether the introduced genetic marker is useful to detect the survivalship and activity of the natural bacteria under the stressed conditions, one Gram-negative isolate, KP964 was transformed to the luminous phenotype by transferring luxAB gene. Under the starvation-stress this luminous bacterial culturability (determined by colony-forming-units [CFU] on agar plate) decreased rapidly below the detection limit by 37 days, while its total cell number (determined by AODC) remained almost the same as its initial inocular size. At that time period, the viable cell number was estimated to be 1400 times higher than its CFU number. The bioiuminescence (determined by relative light units [RLU]) produced under the same condition was also monitored and found to decrease more rapidly than the culturability by 5-fold. Under the other stresses, e.g., osmotic shocks, acid shock, and exposure to toxic chemicals, this bacterial strain did not show the reliable correlation between CFU and RLU. These results might not suggest the direct estimation of bioiuminescence from the stressed bacteria be an index of both the survivalship and its activity. However, when the stressed bacterial cells were incubated under the favorable condition by relieving from the existing stress, the potential bioiuminescence (the lag periods before the increase of bioiuminescence, the increase rates of bioiuminescence, and the maximal levels of bioiuminescence) was shown to be highly dependent upon the strengths of the stresses exposed to the bacterial cells. Therefore, analysis of the potential bioiuminescence from the stressed bacteria revealed good relationships with survival as well as activity.
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