2.1. PAO 및 dPAO SBR의 운전

PAO 및 dPAO를 배양하는 각 SBR 반응조 내의 생성된 입상슬러지 특성비교를 위해 혐기-호기 (An-Ox), 혐기-무산 소(An-Ax)로 구분되는 두 가지 다른 조건의 동일형태 반응 조를 운전하였다. 총 길이 320 mm, 유효 높이 260 mm, 지름 170 mm로 높이/직경 비는 1.9가 되도록 하였다. 반응 조의 유효용적은 5.9 L이며 침전 후 유출되고 남은 용적은 2.5 L가 되도록 하여 반응조의 처리수배출비율(volumetric exchange rate: VER)은 60%가 되도록 구성하였다. 합성하수 (synthetic wastewater)의 유입, 혼합 및 배출은 Programmable Logic Controller (PLC)를 이용하여 자동제어 하였으며 반 응조 내 교반을 위해 mechanical mixer (60 mm × 130 mm × 2 blade)를 사용하였다. 또한 두 반응조 모두 뚜껑에 고 무 packing을 하여 외부공기 차단을 통해 최적의 혐기-호기 (An-Ox), 혐기-무산소(An-Ax)조건을 유지하고자 하였다. 유 입수는 하루 8시간의 cycle로 총 3회 유입되고, 유입량은 3.4 L/cycle 이었다. 각 cycle은 30분의 유입(Feeding), 2.5 시간의 혐기(Anaerobic), 4시간의 무산소(Anoxic) 또는 호기 (Oxic), 30분의 침전(Setting), 그리고 30분의 유출(decant)로 구성하였다. PAO(An-Ox) SBR의 호기조건에서는 aeration 을 위해 지름 140 mm의 원형 산기석 및 에어펌프 (LP-40A, Yong-nam Co.)를 설치하여 유량 20 L/min에 기체유속은 1.5 cm/s가 되도록 하였고 용존산소(dissolved oxygen: DO) 농도는 DO probe(Pro-20, YSI)를 이용하여 실시간 모니터 링을 통해 2 ~ 3 mg/L로 유지하였다. dPAO SBR의 경우 혐 기성조건이 끝난 후 15분 동안 100 mL의 potassium nitrate solution (7.21 g KNO₃/L)을 주입하였다.

2.2. 유입수 성상

유입수는 propionic acid (HPr)를 기반으로 조제된 합성 하수를 사용하였다. 질소는 NH₄Cl를 사용하였으며 인은 KH₂PO₄ 시약을 사용해 유입수를 구성하였다. Trace metal은 ^{Weng and Molof (1974)}를 참고하여 유입수에 0.1 mL/L 기준으로 주입하여 효과적인 미생물 합성을 유도하였다. COD는 sodium propionic acid를 단일 탄소원으로 사용하여 평균 150 mg/L의 농도로 주입하였다. HPr은 EBPR을 저해 한다고 알려진 GAO (glycogen accumulating organisms)를 배제시킬 수 있고 PAO와 dPAO를 선택적으로 배양시킬 수 있기 때문이다(^{Hood and Randall, 2001}; ^{Mino et al., 1994}). 질소의 경우 dPAO SBR에는 미생물 합성을 고려해 암모니움성 질소(NH₄-N)으로 10 mg/L를 유입수를 통해 주 입하였으며 질산성 질소(NO₃-N)은 무산소 반응시 전자 수용 체(electron acceptor)로서 dPAO가 이용할 수 있도록 외부 에서 PLC를 이용하여 15 mg/L를 주입하였다. PAO SBR의 경우 dPAO SBR과 C/N/P 비를 동일한 조건으로 하기 위해 유입수에 NH₄-N으로 약 25 mg/L를 주입하였다(Table 1).

2.3. 수질분석 및 입상슬러지 관찰

유입수와 유출수의 COD, SS, N, P, pH 등 일반적인 수 질분석은 Standard Methods (^{APHA, AWWA, and WEF, 2005})에 의거하여 수행하였다. 슬러지의 EPS 분석은 양이 온교환수지(cation exchange resin: CER) 추출법(^{Frϕlund et al., 1996})을 사용하였다. Wet mounting에 의한 미생물관찰 은 지금까지 입상슬러지의 표면이나 그 형태적 특성에 대 한 실증적 연구보고가 미흡한 편이다. 기존 광학현미경은 낮은 배율에서도 높은 심도(深度)로 인한 out focusing 현 상으로 형태적 관찰이 어렵다. 또한 전자현미경(scanning electron microscope: SEM)은 시료전처리와 고진공상태에서 시료의 손상과 표면 왜곡으로 실제 상황에 맞는 이미지 확보 가 어렵다. 하지만 ESEM (environmental scanning electron microscope)과 같은 3세대 주사현미경을 사용하면 비교적 고진공으로 인한 시료 손상 없이 습윤(濕潤)상태에서 시료의 상태를 비교적 소상하게 관찰 할 수 있다. 따라서 Optical microscope (Green Sci., Ltd, JSB-133) 및 ESEM (Philips, FEI XL-30 FEG)으로 실제 젖은 상태의 미생물을 전자현 미경으로 관찰하였다.

3.1. 질소·인 제거 특성

혐기-호기(An-Ox)조건으로 운전된 PAO SBR의 SCOD는 혐기조건에서 76.8%를 소모하여 인 방출(P release)에 기여 하였으며 유출수의 SCOD 농도는 30.8 mg/L로 측정되었다. 초기 6.1 mg/L의 soluble P는 약 4.5배가량 증가하여 평균 27.42 mg/L로 증가하였다. 호기조건에서 인 흡수(P uptake) 는 초기 27.4 mg/L에서 4시간 후 1.65 mg/L로 감소하여 PAO에 의한 인 흡수(P uptake)가 성공적으로 일어난 것으 로 판단된다. SCOD 및 PO₄-P의 평균제거 효율은 79.6 % 및 72.1 %이었고 후단 호기조건에서의 질산화로 인해 유출 수에서 13.4 mg/L의 질산성 질소(NO₃-N)가 측정되었으며 SS 농도는 10.9 mg/L이었다. 한편 혐기-무산소(An-Ax)조건 으로만 운전된 dPAO SBR의 평균 유출수질은 SCOD 31.3 mg/L, PO₄-P 2.5 mg/L, NO₃-N 1.0 mg/L로 측정되어 SCOD, PO₄-P 및 NO₃-N의 평균제거 효율은 각각 78.1 %, 60.3 % 및 93.3 %로 측정되었고, 유출수의 SS 농도는 8.6 mg/L이 었다. NO₂-N은 두 반응조의 각 단계에서 모두 0 ~ 0.3 mg/L 정도로 거의 측정되지 않았다. 유기물제거는 두 반응조에서 비슷하게 나타나며 EBPR 효율은 PAO를 이용하는 PAO SBR에서 더 높은 것으로 나타났다. 그러나 같은 양의 탄 소원을 사용한 dPAO SBR에서는 dPAO를 이용한 탈질 반 응도 있어 공정에 응용할 경우 탄소원을 절감할 수 있다고 판단된다. 두 반응조의 유입, 유출 농도 및 제거효율을 Table 2에 정리하여 나타내었다.

3.2. 입상슬러지 형태

PAO 및 dPAO SBR에서 약 200일 이후 완전한 형태의 입상슬러지가 생성되었으며, 평균 입경은 PAO 입상슬러지 는 0.4 ± 0.3 mm이며, dPAO 입상슬러지는 2.2 ± 1.7 mm으 로 dPAO 입상슬러지의 입경이 약 5배가량 더 컸으며(Fig. 1(a), (c)), floc 상태로 존재하는 biomass의 비율도 더 높았 다(0.15 mm 이하, 5.5 %). 또한 4.0 mm 이상인 입자도 존 재해 입경분포가 PAO SBR보다 넓은 것을 알 수 있었다. PAO 입상슬러지의 경우 흰색에 가까운 색을 띄며 표면이 매끄러운 형태였다(Fig. 1(d)). dPAO 입상슬러지와 비교하 여 다소 조밀함이 떨어지나 쉽게 풀어지지는 않았다. 반면 dPAO 입상슬러지는 선명한 황갈색을 띄며 조밀한 구조를 가지고 있었다. 표면은 말랑하고 부드러운 질감을 가지고 있으나 내부는 비교적 딱딱한 것이 만져졌다. 입상슬러지를 절단한 후 전자현미경을 사용하여 40배율로 관찰한 결과 직경 약 1.0 mm 정도의 핵(core)이 관찰되었다(Fig. 1(b)). Fig. 2는 직경 1.0 ~ 2.0 mm 정도의 PAO 및 dPAO 입상슬 러지의 표면을 ESEM으로 배율을 달리하며 관찰한 사진이 다. Fig. 2(a)는 46배율로 보여진 dPAO 입상슬러지의 전체 적인 형태이며, Fig. 2(b)는 저진공(0.7 torr) 과정에서 dPAO 입상슬러지의 표면 중 균열지역을 100배로 확대한 사진이 다. Fig. 2(c)는 PAO 입상슬러지의 표면을 43배율로 확대 하여 관찰한 결과 비교적 매끄러운 표면으로 형성된 형태 적 특성을 보여주고 있다. Fig. 2(c)의 사진을 Fig. 2(d)의 1,264배로 확대해 보면 입상슬러지의 표면은 박테리아의 군집으로 이루어져 있는 것을 관찰할 수 있다.

Fig. 1. Micrographs of the (a) dPAO granule, (b) Cross sectional view of a granule (×40), (c) PAO granule and (d) PAO granule (×40).

Fig. 2. ESEM micrographs of (a) surface of dPAO granule (×46), (b) enlarged view of granule surface (×100), (c) surface of PAO granule (×43) and (d) bacterial aggregation of granule surface (×1,264).

3.3. 입상슬러지의 형태학적 특성 비교 고찰

Table 3은 입상슬러지의 형태특성을 비교 고찰하기 위해 PAO(An-Ox) SBR와 dPAO(An-Ax) SBR의 다양한 운전조 건을 정리하였다. 두 SBR의 상반된 운전조건은 고형물체류 시간(sludge retention time: SRT), pH, DO, 전자수용체 (electron acceptor)으로 나타났다. 따라서 관찰된 서로 다른 PAO 및 dPAO 입상슬러지의 크기와 기존 입상슬러지 문 헌연구의 다양한 연구조건과 비교 검토하여 형태학적 특성 을 유발하는 주요요인을 분석하고자 하였다.

Fig. 3은 입상슬러지의 크기와 고형물체류시간(SRT)의 관 계를 나타낸 것이다. 대부분의 입상화 연구에서 SRT는 20 일 이하로 운전되었다(^{Carvalho et al., 2006}; ^{Coma et al., 2010}; ^{Li et al. 2011}; ^{Li et al., 2008}; ^{Sheng et al., 2010}; ^{Tay et al., 2001}; ^{Wang et al., 2007}; ^{Wu et al., 2010}). 본 반응조의 SRT는 20일로 계획하였으나 실측치는 PAO SBR 및 dPAO SBR에서 각각 34.56일 및 40.02일로 측정되었다. Fig. 3을 살펴보면 SRT와 입상슬러지의 크기는 상관없이 보이지만, dPAO 입상슬러지를 제외한 운전조건이 호기 (aerobic)인 나머지 호기성 입상슬러지와 PAO 입상슬러지 인 경우 SRT가 길어질수록 입상슬러지의 크기가 작아지는 경향을 보였다. ^{Ni et al. (2010)}의 연구에 따르면 SRT가 증가할수록 MLVSS(mixed liquor volatile suspended solid) 와 inert biomass는 증가하지만 EPS 및 active biomass의 양이 줄어든다고 하였으며 ^{Djamila et al. (2008)}의 연구결 과도 SRT 23일에서 SRT 40일 때보다 bound-EPS의 농도 가 낮으며 특히 humic acid의 농도가 낮다고 보고 하였다. 결과적으로 두 반응조의 다소 긴 SRT는 입상화기작에 따 라 긍정적인 영향을 줄 가능성은 있으나 EPS 생성에는 도 움이 되지 않았다고 판단된다. ^{Li et al. (2008)}는 SRT가 세포표면 소수성 및 입상슬러지 형성의 주요요소가 아니며 침전시간보다 그 영향이 적다고 한 바 있다. 반면 dPAO 입상슬러지는 상대적으로 긴 SRT와 큰 크기의 입상슬러지 가 관찰되었는데, ^{De Zeeuw (1988)}은 SRT가 충분하다면 충분히 무거워진 불활성 입자와의 부착을 통해 compact granule이 형성될 수 있다고 보고하였다. 하지만 짧은 SRT 인 경우에도 입상슬러지가 크게 성장되는 경우가 있어 SRT와 입상슬러지의 크기는 큰 상관이 없어 보인다.

Fig. 3. The relationship between SRT and granule size in An-Ox SBR and An-Ax SBR. (Aerobic codition:1)Li et al. (2008);2)Tay et al. (2001);3)Sheng et al. (2010);4)Coma et al. (2010);5)Wang et al. (2007);6)Li et al. (2011);7)Wu et al. (2010);8)Carvalho et al. (2006)).

Fig. 4(a)는 PAO 및 dPAO 입상슬러지와 기존 문헌연구 결과에서 나타난 혐기성입상화공정과 호기성입상화공정, 그 리고 혐기-무산소-호기반응 조건을 이용한 공정에서 만들어 진 입상슬러지의 EPS 농도와 입상슬러지크기와의 관계를 보여주고 있다(^{Li et al., 2011}; ^{Li et al., 2008}; ^{McSwain et al., 2005}; ^{Sheng et al., 2010}; ^{Wang et al., 2007}; ^{Wu et al., 2010}; ^{Zheng et al., 2007}; ^{Zhu et al., 2012}). PAO 및 dPAO 입상슬러지의 EPS 농도는 각각 23.93, 36.70 mg/g VSS로 다른 입상화연구에서의 농도보다 상대적으로 낮은 편이다. 입상슬러지크기와 EPS의 관계를 살펴보면 EPS 농 도와 입상슬러지의 크기는 큰 상관관계가 없는 것으로 보 인다. 본연구의 PAO SBR 및 dPAO 입상슬러지의 EPS 농 도를 살펴보면(Fig. 4(b)), 입경이 더 큰 dPAO 입상슬러지 는 평균 36.70 mg EPS/g VSS으로 PAO 입상슬러지의 평 균 23.93 mg EPS/g VSS보다 EPS를 53% 더 함유하고 있 었다. 그러나 EPS의 측정은 추출방법에 따라 편차가 크며 EDTA (^{Sheng et al., 2005})나 HCHO/NaOH (^{Liu and Fang, 2002})를 이용한 화학적 추출방법은 다른 물리적인 추출법 보다 높게 측정된다고 알려져 있다(^{Sheng et al., 2010}). 또 한 단백질과 다당류만 측정한 본 연구의 EPS 측정값은 실 제보다 낮을 수 있음을 감안해야 한다. 한편 EPS 중 단백 질/다당류 비는 PAO 및 dPAO 입상슬러지에서 각각 2.3 및 3.5로 단백질의 농도가 더 높았다. ^{Jorand et al. (1998)}은 다당류가 주로 친수성으로 구성되어 있고 단백질은 주로 소수성으로 구성되어 있다고 하였다. 따라서 이러한 결과는 친수성인 다당류성 EPS보다 소수성을 지닌 단백질성 EPS 가 입상화에 더 많이 기여했기 때문이라고 판단된다. ^{Li et al. (2011)}은 작은 입상슬러지보다 큰 입상슬러지가 EPS 중 단백질의 비율이 높다고 보고한 바 있다.

Fig. 4. The relationship between granule size and EPS content with various references including our results (a) and carbohydrate and protein content within EPS in the PAO (An-OX) SBR and the dPAO(An-Ax) SBR (b).1)Zheng et al. (2007);2)Wu et al. (2010);3)McSwain et al. (2005);4)Sheng et al. (2010);5)Zhu et al. (2012);6)Wang et al. (2007);7)Li et al. (2011);8)Li et al. (2008).

또한 PAO 입상슬러지와 달리 dPAO 입상슬러지 내부에 core형성과 침전물질이 발견되었는데, 이는 pH 하강을 유 발하는 호기성 질산화과정이 없고 상대적으로 높은 pH 7.34 ~ 8.85 범위로 운전되었으므로 인이 칼슘염의 형태로 화학적 침전이 일어나기에 충분한 조건이라 판단된다. 반면 PAO SBR의 pH는 6.78 ~ 7.28이었으며 입상슬러지 내의 core의 형성이나 침전된 물질이 관찰되지 않았다. ^{Angela et al. (2012)}은 An-Ox로 구성된 생물학적 인제거공정의 입 상슬러지 형성 연구에서 전체 인제거량 중 45% 정도까지 도 granule 내부의 결정형태를 이루어 인이 제거 된다고 제 시하고 있다. 이는 생물학적 반응조에서 인제거량의 약 절 반 정도가 화학적인제거에 의한 것으로 일반적인 생물학적 인제거에 의한 인제거와는 상이한 조건으로 볼 수 있다.

한편 두 반응조의 현저히 다른 운전조건은 전자수용체로 서 PAO SBR는 O₂을 전자수용체로 사용하는 반면 dPAO SBR은 NO₃을 이용하여 무산소 조건 시작단계에서 전자수 용체로 주입되어 15분 동안 빠르게 dPAO에 의한 탈질되었 다. 즉, 4시간의 무산소 조건에서 초기에 다 소비되어 산소 부재하에 운전되었다고 볼 수 있는 것이다. 이러한 측면에 서 현재까지 관찰된 다양한 조건(호기, 혐기-호기, 혐기-무 산소, 혐기)에서 생성된 입상슬러지의 형태학적 특성(Table 4) 및 입자크기(Fig. 5)을 비교 분석하고자 하였다. 우선 호 기성 입상슬러지의 형태는 floc보다는 단단하게 뭉쳐있으나 느슨한 형태가 특징으로 이 입자들은 운전조건에 따라 입 상구조가 쉽게 와해(瓦解)되는 특징이 있다. 본 연구진의 선행연구(^{Jang, 2002})에서도 유사하게 관찰되었다. Filament 가 발달한 형태 역시 흔히 관찰되는데, 입자가 단단하게 뭉쳐지기 전의 상태로 사료된다. 이러한 호기성 입상슬러지 는 거의 노란색(^{Zheng et al., 2006})으로 형상이 균일하고, 대부분 구형 또는 타원형이다(^{Kim et al., 2004}; ^{McSwain et al., 2004}; ^{Qin et al., 2004}). 호기성 입상슬러지의 직경 은 0.2 ~ 2.5 mm (Fig. 5)의 범위(^{Beun et al., 1999}; ^{Li et al., 2008}; ^{Gao et al., 2011}; ^{Zheng et al., 2006})이며, 조밀 한 구조를 지니며 내부표면에 Pill 형태의 미생물, rod 형태 의 미생물로 넓게 분포되어 있다(^{Adav et al., 2007}). 자가 고정화에 의해 형성된 호기성 입상슬러지는 조밀하게 밀집 된 미생물 응집체이며 입상슬러지의 밀도는 전형적인 활성 슬러지보다 훨씬 더 높은 것이 특징이다(^{Liu et al., 2004}; ^{Wang et al., 2006}). 혐기-호기 교호환경조건에서 생성된 입 상슬러지는 비교적 매끄러운 형태의 구형(球形)으로 상당 히 뭉쳐진 형태이긴 하나 단단한 것이 아니고 물렁하고 유 연한 형태인 특징이 관찰되었다. 이러한 형태의 입상슬러 지는 유동상 상향류형 반응조에서부터 SBR에서 흔히 관찰 되며, N·P를 제거하기 위한 여러 운전환경에서도 관찰된 다. 최근에는 실험실 규모 입상슬러지를 생성하는 SBR 반 응조에 혐기-호기 조건을 주어 EBPR을 구현하는 연구가 다수 진행되었는데(^{Angela et al., 2011}; ^{Wu et al., 2010}; ^{Zhang et al., 2011}), 입상슬러지는 흰색에 가까운 황갈색을 띄며 표면이 매끄러운 형태였으며, 그 크기는 0.2 ~ 0.5 mm (Fig. 5)으로 혐기성 입상슬러지에 비해 작은 편이었다(^{Wu et al., 2010}). 또한 ^{Zhang et al. (2011)} 연구에서는 입자의 크기에 따라 미생물의 형태도 다르다고 하였는데, 0.2 ~ 0.45 mm의 작은 입상슬러지에서는 rod 형태의 미생물과 filamentous bacteria가 0.45 ~ 0.6 mm의 중간 크기의 입상 슬러지는 coccoid 형태의 미생물 표면에 관찰되었다고 하 였다. 내부에는 rod 형태와 filamentous bacteria의 형태의 미생물이 관찰되었지만 0.9 mm 이상의 큰 입상슬러지에서 는 내·외부 모두 coccoid 형태의 미생물이 관찰되었다고 한 다. 한편, ^{Angela et al. (2011)}의 연구에서는 내부가 비어있 는 형태로 이 공간에 결정화(crystallization)된 무기물질이 있는 것으로 관찰되었다.

Fig. 5. Average granule size under each condition (Anerobic:Lettinga et al. (1980);Hulshoff Pol et al. (1983);Tay and Yan. (1996);Zhou et al. (2006);Pevere et al. (2007), Aerobic:McSwain et al. (2005);Wang et al. (2006);Zheng and Yu (2007);Li et al. (2009);Sheng et al. (2010);Li et al. (2011);Zhu et al. (2012), An-Ox:Dulekgurgen et al. (2008);Wu et al. (2010);Zhang et al. (2011);Angela et al. (2011)).

반면 본 연구의 An-Ax SBR 반응조에서 발견된 dPAO 입상슬러지는 명확히 보이는 핵(core)를 가지고 있으며 호 기성 및 혐기-호기 조건의 입상슬러지 보다 단단한 형태가 관찰되었다. 또한 N·P를 동시제거 하는 SBR에서 생성된 입자로 독특한 형태로 선명한 황갈색을 띄며 조밀한 구조 를 가지고 있었다. 입경은 1.0 ~ 3.0 mm 정도로 평균 2.2 mm이었으며 표면은 말랑하고 부드러운 질감을 가지고 있 으며 내부는 비교적 딱딱한 것이 만져졌다. 입자의 내부에 흰색 core가 관찰되었으며, 흰색 core는 결정(crystal)들이 엉킨 형태로 존재하고 있으며 비교적 딱딱하였다. UASB 반응조에서 발견되는 혐기성 입상슬러지는 가장 단단하게 뭉쳐져 있는 것이 특징이며, 특히 혐기성 입상슬러지는 직경 0.5 ~ 3.4 mm의 범위로(Fig. 5) 경우에 따라 아주 크게 형성 되며 대개 검은색이며 형상은 균일하지 않고 표면이 거친 형태인 특징을 보였다(^{Hulshoff Pol et al., 1983}; ^{Lettinga et al., 1980}; ^{Pevere et al., 2007}; ^{Tay and Yan, 1996}; ^{Zhou et al., 2006}). 따라서 호기성과 혐기성 조건을 가름하는 중 요한 환경조건인 산소의 유무에 따라 입상슬러지의 형태가 다른 것으로 판단할 수 있다. 즉 free O₂가 아예 차단된 USAB 입상슬러지는 상대적으로 아주 단단하고 조밀한 구 조이다. 특히 혐기성 입상슬러지는 경우에 따라 아주 크게 형성되며 대개 검은색이며 형상은 균일하지 않고 표면이 거친 형태이었다. 한편, free O₂가 지속적으로 공급되는 호 기성 입상슬러지의 경도는 아주 무른- soft한- 상태이며(^{Li et al., 2009}; ^{Li et al., 2011}; ^{McSwain et al., 2005}; ^{Sheng et al., 2010}; ^{Wang et al., 2006}; ^{Zheng and Yu, 2007}; ^{Zhu et al., 2012}), 산소가 부분적으로 공급되면서 미생물에게 환경적 스트레스(environmental stress)를 주는 혐기-무산소, 혐기-호기 조건의 입상슬러지는 비교적 매끄러운 형태의 뭉쳐진 입자로 평가할 수 있다. 즉, 전자수용체(electron acceptor) 에 따라 형태학적 특성이 달라지는 것으로 사료된다.