Bioelectrochemical nitrogen removal for nitrogen rich wastewater

Abstract

하폐수에 함유된 질소는 호기성 질산화와 무산소 탈질로 이루어진 생물학적 질소제거 공정을 이용하여 처리하여 왔다. 그러나, 질산화를 위해서는 하폐수에 함유된 유기오염물을 우선적으로 제거하고 많은 양의 산소와 알카리도를 공급하여 독립영양 질산화균을 우점성장시켜야 하며, 탈질을 위해서는 전자공여체인 외부탄소원이 필요하다. 따라서, 질소제거에 필요한 산소와 알카리도 및 외부탄소원 요구량을 감소시키기 위하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시켜 탈질시키는 단축질소제거공정이 연구되어 왔다. 최근에는 혐기성상태에서 암모니아성 질소를 전자공여체로 그리고 아질산성 질소를 전자수용체로 사용하여 질소를 제거하는 아나목스공정이 고농도질소의 경제적인 처리기술로 크게 관심을 받고 있다. 그러나, 단축질산화공정이나 아나목스공정은 선택적 아질산화를 포함한 여러 가지 한계들로 인하여 폭넓은 현장적용에 어려움을 겪고 있다. 최근 생물전기화학반응조에서 암모니아성 질소는 산화전극표면의 체외전자방출균 (ammonium oxidizing exoelectrogens, AOE)에 의해서 산화될 수 있으며, 환원전극에서는 전자영양탈질균 (denitrifying electrotrophs, DNE)에 의해 질산이온이나 아질산이온이 질소가스로 환원될 수 있음이 밝혀졌다. 따라서, 생물전기화학반응조에서 AOE와 DNE를 이용한 질소제거는 고농도 질소 폐수의 경제적인 처리를 가능하게 할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다. 따라서, 본 논문에서는 생물전기화학반응조에서 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 각각 전자공여체 및 전자수용체로 사용하는 아나목스반응과 유사한 반응기작에 의해 질소를 제거하기 위한 연구를 수행하였다. 생물전기화학반응조에 혐기성소화 슬러지를 식종하고 분극 전극쌍을 설치하여 외부 전압원으로 0.6V를 인가하였다. 이때 생물전기화학반응조에서는 아질산성 질소 및 알칼리도의 소모를 동반하는 암모니아성 질소제거 현상이 관측되었다. 이것은 혐기성슬러지로부터 우점 배양된 질소제거에 관여하는 AOE 및 DNE가 독립영양균이며, 암모니아성 질소가 전자공여체로 사용되며 아질산성질소가 전자수용체로 사용되었음을 의미한다. 이때 암모니아성 질소 제거에 필요한 아질산성 질소 및 알칼리도는 각각 0.58 mg NO2-N/mg NH4-N과 2.0 mg as CaCO3/mg NH4-N이었다. 또한, 생물전기화학반응조에서 암모니아성 질소의 산화과정은 아나목스반응과는 달리 부산물로서 질산성 질소를 생성하지 않았다. 활성 슬러지를 접종한 뒤 전압을 0.6V로 인가하여 생물전기화학반응조에서 발견된 질소제거에 식종균의 영향을 조사하였다. 폐수는 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 알칼리도 및 미량 미네랄이 함유되도록 준비하였으며, 생물전기화학반응조를 연속 회분식으로 수회 반복운전하였다. 이때 순환전압전류곡선의 산화환원피크로부터 벌크 용액 내에 존재하는 AOE와 DNE의 존재를 확인하였다. 생물전기화학 질소제거 반응조에서 발생한 바이오 가스는 대부분이 질소 가스였으며, 메탄과 이산화탄소도 미량 관측되었다. 암모니아성 질소산화를 위해 필요한 아질산성 질소는 약 0.72 mg NO2-N/mg NH4-N로서 혐기성식종슬러지를 사ㅣ용한 경우보다 약간 높았으나 와 알칼리도 요구량은 1.73 mg CaCO3/mg NH4-N으로서 약간 낮았다. 또한, 혐기성 조건에서 암모니아성 질소 및 아질산성 질소의 제거는 생물전기화학반응조 내의 벌크 용액에서 AOE와 DNE 간의 직접 종간 전자 전달 (direct interspecies electron transfer, DIET)에 의해 이루짐을 확인하였다. 생물전기화학반응조에서 정전기장을 이용하여 전기활성균을 우점성장 시키고 암모니아성 질소 및 아질산성 질소의 제거를 촉진시키기 위한 연구를 수행하였다. 암모니아성 질소의 제거율은 정전기장이 0.2 V/cm이었을 때 약 52.5 mg N/g VSS.d이었으나, 0.67 V/cm에서는 78.7mg N/g VSS.d 로 증가하였다. 생물전기화학반응조의 주요 미생물종은 전기활성 미생물로 알려진 Pseudomonas와 Petrimonas 및 Thiopseudomonas 이었다. 벌크용액에 대한 순환전압전류곡선에서 AOE 및 DNE의 피크가 확인되었으며, 전기화학임피던스분광법으로 조사한 전자 전달을 위한 과전위는 정전기장의 세기가 증가함에 따라 감소하였다. 생물전기화학적 질소 제거 반응에 있어서 벌크 용액을 정전기장에 노출시키는 것은 질소 제거에 효과적이었으며, 정전기장의 세기를 증가하였을 때 질소 제거 효율도 증가하였다. 분극전극을 설치한 상향류식 생물전기화학반응조를 이용하여 고농도의 암모니아성 질소 폐수의 부분질산화를 위한 연구를 수행하였다. 상향류식 반응조의 벌크용액에 노출된 정전기장은 0.24, 0.40, 0.80 및 1.96 V/cm이었으며, HRT는 1 일에서 4 일까지 변화시켰다. 유입폐수의 암모니아성 질소농도는 500 mg/L의 NH4-N이었다. 정전기장 0.4 V/cm에서 아질산성 질소는 HRT가 1 일에서 4 일로 증가할 때 100 mg NO2-N/L에서 270 mg NO2-N/L까지 증가하였다. 그러나, 0.24 V/cm의 정전기장에서는 0.4 V/cm에서보다 아질산성 질소의 축적이 적었다. 질산성 질소는 0.4 V/cm의 정전기장에서 HRT가 1일에서 4일까지 증가하였을 때 약 35 mg NO3-N/L에서 50 mg NO3-N/L로 증가하였다. 이는 생물전기화학 질산화가 HRT 뿐만 아니라 정전기장의 강도에 따라 달라진다는 것을 의미한다. 0.80 V/cm 및 1.96 V/cm의 높은 정전기장에서 아질산성 질소는 약 320 mg NO2-N/L까지 증가하였으며, 질산성 질소는 85 mg NO3-N/L로 증가하였다. 그러나, 1.96 V/cm에서는 아질산성 질소의 농도는 155 mg NO2-N/L로 감소한 반면, 질산성 질소는 135 mg NO3-N/L로 크게 증가하여 정전기장 0.8 V/cm 이하에서 암모늄 산화 효율이 더 높은 것으로 평가되었다. 생물전기화학반응조를 이용한 질소제거는 혐기성상태에서 암모니아성 질소를 전자공여체로 그리고 아질산성 질소 및 질산성 질소를 전자수용체로 이용하여 질소를 제거하는 새로운 기술이다. 향후 반응에 영향을 미치는 다양한 영향인자에 대한 연구가 수행되고 최적화된다면 아나목스를 대체할 수 있는 새로운 경제적인 기술로 발전할 수 있을 것으로 평가된다.