2.1. 황탈질 반응조의 운전

전자공여체로 티오황산염(S₂O₃^-)을 이용해 질산성 질소와 아질산성 질소를 질소가스로 환원시킬 수 있는 황탈질균 을 얻기 위하여 2리터 용량의 회분식 반응기와 합성폐수 를 이용해 30°C에서 약 4개월간 황탈질 반응조를 운전하 였다. 이 기간 동안 전자수용체의 종류에 따라 황탈질 반 응조를 두 단계로 나누어 운전하였는데 첫 번째 단계 (stage I)에서는 전자수용체로 질산염을 이용해 약 2개월간 운전하였다. 운전 초기에 황탈질균의 원활한 우점화를 위 해 안산하수처리장의 반송 슬러지를 식종하였고, 질산염의 농도를 하루에 20 mg-N/L씩 단계적으로 증가시켜 5일째부 터 100 mg-N/L가 되도록 하였다. 두 번째 단계(stage II)에 서는 전자수용체를 질산염에서 아질산염으로 바꾸어 약 2 개월간 운전하였다. 전자수용체의 변화에 따른 황탈질균의 탈질능 저하를 최소화하기 위해 첫 번째 단계와 유사하게 아질산염의 농도를 이틀에 25 mg-N/L씩 단계적으로 증가 시켜 10일째부터 100 mg-N/L가 되도록 하였다. 황탈질 반 응조를 운전하는 동안 황탈질균이 성장한 혼합 배지액 200 mL를 이틀에 한 번씩 제거하고 그에 상응하는 양의 새로운 합성배지를 공급하여 수리학적 체류시간과 고형물 체류시간을 20일로 유지하였다. 이때 각 단계의 휘발성 부 유물질(VSS) 농도는 50일째 680 mg/L, 115일째 620 mg/L 로 유지되었다.

2.2. 합성폐수

황탈질 반응조 내 혼합 배지액을 구성하는 각각의 성분 들의 초기농도가 1리터 당 KNO₃ 721 mg (stage I) 혹은 KNO₂ 607 mg (stage II), Na₂S₂O₃·5H₂O 1.5 g, NaHCO₃ 700 mg, K₂HPO₄ 5.6 mg, NH₄Cl 5.7 mg, MgCl₂·6H₂O 1.0 mg, CaCl₂·2H₂O 1.0 mg, FeSO₄·4H₂O 1.0 mg, MnSO₄·4H₂O 1.0 mg이 되도록 합성폐수를 준비하였다(^{Kim, 2004}).

2.3. 회분식 실험

다양한 FNA 농도가 질산성 질소 및 아질산성 질소의 황 탈질능에 미치는 영향을 평가하기 위하여 황탈질 반응조에 서 51일과 116일에 얻은 각각의 슬러지와 합성폐수를 이용 해 회분식 실험을 실시하였다.

회분식 실험은 Table 1에 나타낸 것과 같이 다양한 pH 조 건 및 FNA 농도에서 실시하였는데 용존산소가 탈질에 미치는 영향을 최소화기 위해 회분식 실험 전 질소 가스로 충분히 퍼징한 후, 30°C로 유지되는 교반형 항온조에서 실시하였다.

2.4. 분석항목 및 분석방법

황탈질 반응조 및 회분식 실험에서 얻은 시료의 질산성 질소 및 아질산성 질소 농도는 나이론 실린지 멤브레인 필 터로 여과한 후, 이온크로마토그래프(IC-1000, Varian)로 측 정하였고, 휘발성 부유물질 농도는 Standard method (^{APHA, AWWA, and AWEF, 1999})의 분석법을 이용하여 측정하였다.

3.1. 황탈질 반응조의 운전

전자수용체의 종류에 따라 두 단계로 나누어 운전한 회 분식 황탈질 반응조의 탈질능 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 첫 번째 단계에서는 전자수용체로 질산염을 이용하여 반응 조를 운전한 결과(stage I), 초기에는 질산성 질소의 대부분 이 아질산성 질소의 형태로 축척되었으나 14일째부터는 아 질산성 질소의 탈질도 원활히 진행되어 더 이상의 축적은 관찰되지 않았다. 두 번째 단계인 56일째부터는 전자수용 체를 질산염에서 아질산염으로 바꾸어 운전한 결과(stage II), 초기에는 불안전한 탈질로 약간의 아질산성 질소의 축적이 관찰되었으나 곧 안정화되어 63일째부터는 검출되지 않았 다. 황탈질 반응조가 안정적으로 운전되는 동안, 질산성 질 소 및 아질산성 질소의 탈질과정에서 지체기(Lag phase)는 관찰되지 않았고, 더욱이 질산성 질소의 탈질과정에서 아질 산성의 축적도 관찰되지 않았다. 이때 50일째 질산성 질소의 비탈질속도(Specific denitrification rate)는 16.3 mg-N/g-VS S·hr이었고, 115일째 아질산성 질소는 52.1 mg-N/g-VSS·hr 으로 아질산성 질소의 비탈질속도가 약 3.2배나 큰 탈질능 을 보였다. 이에 전자공여체로 티오황산염을 이용해 황탈질 반응조를 운전하는 동안 질산성 질소 및 아질산성 질소의 높은 탈질효율을 안정적으로 얻을 수 있었다.

Fig. 1. Daily variation of nitrate and nitrite concentrations of the thiosulfate-utilizing denitrification reactor.

3.2. 황탈질균의 탈질능력

각각의 전자수용체 조건에서 배양한 황탈질균을 이용하 여 질산성 질소 및 아질산성 질소의 탈질능을 측정하였다. 그 결과를 Table 2에 나타내었는데 단위시간 당 황탈질균 에 의한 질산성 질소 및 아질산성 질소의 탈질량(비탈질속 도)이 아질산성 질소의 초기농도와 pH 조건에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 질산염으로 배양한 황탈질균의 경우 (stage I), 질산성 질소의 탈질량은 아질산성 질소의 초기농 도와 pH가 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 아질산 성 질소가 존재하지 않을 때, pH 7.0에서 가장 많은 탈질 량이 관찰되었으나 아질산성 질소 농도가 100 mg-N/L일 때, pH 7.9에서 가장 적은 탈질량이 관찰되었다. 그러나 아 질산성 질소의 탈질량은 질산성 질소와 유사하게 아질산성 질소의 초기농도가 증가할수록 감소하지만 pH의 영향은 크게 다른 것으로 나타났다. 아질산성 질소의 농도가 50 mg-N/L에서는 pH가 증가할수록 탈질량이 감소하지만 100 mg-N/L에서는 탈질량이 증가해 pH 7.0에서 아질산성 질소 의 초기농도에 따라 가장 많은 탈질량과 가장 적은 탈질량 이 모두 관찰되었다.

아질산염으로 배양한 황탈질균의 경우(stage II)도 질산염 으로 배양한 황탈질균의 경우와 유사하게 질산성 질소의 탈질량이 아질산성 질소의 초기농도가 증가할수록 감소하 는 것으로 나타났다. 그러나 pH 영향은 달라 아질산성 질 소가 존재하지 않을 때에는 pH가 감소할수록 탈질량은 증 가하지만 아질산성 질소가 존재할 때에는 감소하는 것으로 나타났다. 한편 아질산성 질소의 탈질량은 질산염을 이용해 배양한 황탈질균의 경우와 동일한 경향이 관찰되었다.

이와 같이 아질산성 질소가 존재하지 않을 때, pH 7.0에 서 가장 높은 탈질능이 관찰된 것은 황탈질균을 배양하는 과정에서 Thiobacillus denitrificans 와 같이 최적의 성장조 건이 pH 7.0 전후인 미생물이 우점화했기 때문으로 판단된 다(^{Kelly and Wood, 2000}). 또한 탈질량이 pH 조건과 함께 아질산성 질소의 초기농도에도 영향이 관찰된 것은 아질산 성 질소가 존재하지 않을 경우에는 pH의 영향만 받지만 아질산성 질소가 존재할 경우에는 pH가 낮을수록 FNA 농 도가 증가하므로 낮은 pH 조건에서는 FNA의 영향을 크게 받았기 때문으로 판단된다.

한편 황탈질균 배양에 사용된 전자수용체의 종류에 따라 탈질능에도 큰 차이가 관찰되었다. 아질산염으로 배양한 황 탈질균의 질산성 질소 탈질능은 질산염으로 배양한 황탈질 균보다 낮은 것으로 나타났다. 질산성 질소만 존재할 때, 아질산염으로 배양한 황탈질균의 탈질능은 pH 7.0에서는 23.4%, pH 7.5와 7.9에서는 각각 53.2%와 59.5%나 낮았다. 또한 아질산성 질소가 함께 존재할 때에도 아질산염으로 배양한 황탈질균의 탈질능이 질산염으로 배양한 경우보다 낮았다. 아질산성 질소의 농도가 50과 100 mg-N/L일 때, 아질산염으로 배양한 황탈질균의 질산성 질소 탈질능은 질 산성 질소로 배양한 황탈질균과 비교해 pH 7.0에서 각각 66.4%와 72.4%, pH 7.5에서 각각 59.4%와 57.7%, pH 7.9 에서 41.9%와 46.5% 낮았다. 그러나 아질산성 질소의 탈 질능은 질산성 질소의 경우와 달리 높은 것으로 나타나 아 질산성 질소의 탈질능이 pH 7.0에서 각각 30.5%와 3.0%, pH 7.5에서 각각 22.9%와 10.6%, pH 7.9에서 각각 17.3%와 23.8% 높았다.

이와 같이 질산염으로 배양한 황탈질균보다 아질산염으 로 배양한 황탈질균에서 질산성 질소의 탈질능은 낮지만 아질산성 질소의 탈질능은 높았는데 질산성 질소의 낮은 탈질능은 황탈질균의 배양 과정에서 Nar (Respiratory nitrate reductase)와 같은 질산염 환원효소의 발현이 억제되었기 때문으로 판단된다(^{Körner and Zumft, 1989}). 또한 아질산 성 질소의 높은 탈질능은 세포 성장 및 에너지 생산 능력 을 저해하는 FNA에 장기간 노출되면서 살균효과(Biocidal effect)에 일부 적응했기 때문으로 판단된다(^{Jiang et al., 2011}).

3.3. FNA의 영향

질산성 질소 및 아질산성 질소의 탈질량은 아질산성 질 소의 초기농도가 증가할수록 감소하지만 pH 조건에 큰 영 향을 받는 것으로 나타났다. 이에 FNA가 황탈질균의 탈질 능에 어떻게 영향을 미치는지를 Fig. 2에서 검토하였다. 그 결과, 아질산성 질소의 초기농도가 동일한 조건에서도 pH 감소에 의해 FNA 농도가 증가하면 질산성 질소 및 아질산 성 질소의 탈질량은 감소하며, 그 감소폭은 FNA 농도가 클수록 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 2. Influence of FNA on specific denitrification rate at stage I (a and c) and II (b and d).

질산염으로 배양한 황탈질균의 경우, 아질산성 질소가 존 재하지 않을 때와 비교해 아질산성 질소의 초기농도가 증가 할수록 질산성 질소와 아질산성 질소의 탈질량이 감소하였 는데 pH 7.0에서 가장 큰 감소폭이 관찰되었다. 한편 아질 산염으로 배양한 황탈질균의 경우에서도 질산염으로 배양한 황탈균의 경우와 유사한 결과가 관찰되었다. 이와 같이 아 질산성 질소의 초기농도가 증가할수록 그리고 pH 조건이 낮을수록 큰 폭의 탈질능 감소가 관찰된 것은 아질산성 질 소 자체의 미생물에 대한 독성과 질산성 질소 및 아질산성 질소의 탈질능에 대한 FNA의 저해가 이를 배가시켰기 때문 으로 판단된다. 이와 유사한 결과가 anammox균을 이용한 독립영양탈질(^{Egli et al., 2001})과 종속영양탈질(^{Ma et al., 2010})에서도 보고된 바 있는데 질산성 질소의 탈질 저해가 FNA 농도와 깊은 관계를 가지는 것으로 알려져 있다.

또한 황탈질균 배양에 사용한 전자수용체의 종류에 따라 FNA의 영향이 크게 다른 것으로 나타났다. Fig. 3에 나타 낸 것과 같이 질산염으로 배양한 경우와 비교해 아질산염 으로 배양한 황탈질균의 경우에서 큰 폭의 탈질능 감소가 관찰되었다. 아질산성 질소가 존재하지 않을 때와 비교해 아질산성 질소의 농도가 50과 100 mg-N/L으로 증가할 때, FNA 농도가 가장 높은 pH 7.0에서 질산성 질소의 감소폭 이 각각 75.6%와 27.3%나 더 크고, 아질산성 질소의 감소 폭은 더욱 커서 105.7%에 이르는 것으로 나타났다. 이와 같이 배양에 사용된 전자수용체의 종류에 따라 관찰된 탈 질량 감소폭 차이의 원인은 정확히 알 수 없지만 황탈질균 배양에 사용된 전자수용체의 종류에 따라 이들 세균의 생 태계 구성의 변화와 이에 따른 탈질능의 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 아질산염으로 황탈질균을 배양한 경우, 질산염으로 배양한 경우와 비교해 황탈질균의 생태계 구성 이 크게 다른 것으로 알려져 있다(^{Yoon, 2010}).

Fig. 3. Decreased specific denitrification rate of nitrate (a) and nitrite (b) in the presence of nitrite.