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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.27 No.1 pp.77-82
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2013.27.1.77

N, P 농도에 따른 Chlorella vulgaris의 성장 및 하수고도처리능 평가

한수현, 이윤희, 황선진*
경희대학교 공과대학 환경공학과·환경연구센터

Advanced wastewater treatment capacity and growth of Chlorella vulgaris by nitrogen and phosphorus concentrations

Sun-Jin Hwang*, Su-hyun Han, Yunhee Lee
Department of Environmental Science and Engineering, Center for Environmental Studies, Kyung Hee University
Received 18 December 2012, revised 5 February 2013, accepted 8 February 2013

Abstract

The growth and removal capacity of nitrogen and phosphorus of Chlorella vulgaris were evaluated in artificial wastewater with different nitrogen and phosphorus concentrations as element growing components for microalgae growth. The nitrogen concentration was varied in 9, 15, 30 and 60 mg-N/L with fixed phosphorus concentration of 3 mg-P/L. The growth and phosphorus removal capacity of C. vulgaris were high at initial nitrogen concentration of 15 and 30 mg-N/L, and the corresponding N/P ratios calculated were 5 and 10. In the case of varying in 1.5, 3, 6 and 10 mg-P/L of phosphorus concentration with fixed nitrogen concentration of 30 mg-N/L, the growth and removal capacity of nitrogen and phosphorus were excellent with phosphorus concentration of 3 and 6 mg-P/L. The corresponding N/P ratios were shown as 10 and 5. Therefore, the appropriate N/P ratio was concluded between 5 and 10 for wastewater treatment using C. vulgaris.

09 한수현 교수님.pdf617.3KB

1. 서 론

 국내 중소규모 하수처리장의 경우, 대부분 활성슬러지 공법으로 운영되고 있으나, 높은 운전비용 및 슬러지 처리방안, 낮은 C/N비로 인한 고도처리 효율저하 등의 문제점을 갖고 있어 기존 하수처리 기술의 개발 및 개선이 필요한 상황이다(An and Seo, 2003). 이와 더불어 2012년 1월 1일부터 강화된 공공하수처리시설 방류수 수질기준 개정안이 시행되어 N, P 제거에 대한 중요성이 대두되고 있다(MOE, 2009).

 현재의 하수고도처리 시스템은 하수 내 유기물을 제거하는 미생물의 생장을 위하여 폭기를 통해 산소를 공급하고 있다. 1 kg의 BOD를 제거하는데 필요한 산소를 공급하기 위해서는 약 1 kwh의 전기가 필요하며(Oswald, 2003), 이 때 폭기에 소요되는 운전비용이 하수처리장 운영비용의 45 ∼ 75 %를 차지하고 있다. 이러한 문제 해결을 위한 대안 중 한 가지로 미세조류를 이용한 하수고도처리가 관심을 받고 있다(Aslan and Kapdan, 2006). 미세조류는 CO2 를 이용하여 성장하기 때문에 C/N비가 낮은 하수에서도 N, P 제거가 가능하며 광합성을 통해 O2를 발생시킴으로써 폭기에 소요되는 운전비용을 절감할 수 있다. 또한 광합성을 통해 CO2를 고정함으로써 환경문제인 온실가스 감축에도 기여를 할 수 있다. 미세조류는 육상식물에 비해 성장속도가 빠르며 비식용자원임과 동시에 지질 및 탄수화물의 함량이 높아 bio-fuel로의 활용가능성이 높다. 그리고 미세조류가 함유하고 있는 vitamin, carotenoid, phycobili-proteins, polysaccharides 등의 유용물질을 이용하여 의약품이나 건강보조식품, 화장품 등의 부가가치 생산이 가능하다는 장점을 가진다(Oh et al., 2003).

 미세조류를 이용한 하수고도처리가 가능한 것은 N, P를 성장을 위한 영양소로 이용하기 때문이며(Lee and Lee, 2001), 미세조류의 성장 및 영양염류 제거능은 환경조건에 따라 크게 달라진다. 미세조류 성장을 위한 주요 영양염류로는 N과 P가 있으며, 하수 내에 존재하는 N과 P의 농도는 미세조류의 성장에 직접적인 영향을 주는 근본적인 인자로써 영양염류의 제거와도 밀접한 관계가 있다고 알려져 있다(Li Xin, 2010).

 질소 농도는 chlorophyll 생성 및 미세조류 증식에 영향을 주며, NO3- 농도는 미세조류의 세포분열 속도에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Boussiba et al., 1991). 또한 인은 세포 내 필수분자(단백질, RNA, DNA, 엽록소 a, ATP 등)를 구성하는 중요 원소중의 하나로, 인이 부족할 경우 필수분자들의 함량이 감소하고 광합성의 명반응과 암반응 및 질소고정 속도가 떨어진다. 미세조류가 생장하기 위한 적정인 농도 범위는 종에 따라 다양하지만, 평균적으로 0.05 ~ 20 ㎎/L으로 알려져 있다(Healey,1982; Becker, 1994).

 본 연구를 위한 인공하수의 설정은 미세조류가 광합성을 하는데 필요로 하지 않는 BOD 농도는 상대적으로 낮으면서, 대사에 필요한 N, P는 높은 농도가 적합하다고 판단되어, 활성슬러지법을 적용한 2차 침전지 후단의 수질성상을 기준으로 하여 보다 넓은 범위의 N, P 농도 조건에서 실험을 진행하였다.

 본 연구에서는 하수고도처리를 목적으로 하는 연구에 많이 사용되는 미세조류 종 중 하나인 C. vulgaris를 대상으로 N, P 농도에 따른 성장 및 N, P 제거능의 변화를 평가하고, 하수처리를 위한 최적의 N, P 농도 및 N/P 비를 도출하고자 하였다.

2. 재료 및 실험방법

2.1 미세조류의 분양 및 배양

 Chlorella vulgaris (AG10194)는 KCTC(Korean collection for type culture)에서 분양 받았으며, BG11 medium(NaNO3 1.5 g/L, MgSO4·7H2O 0.075 g/L, K2HPO4 0.04 g/L, CaCl2·2H2O 0.036 g/L, Na2CO3 0.02 g/L, citric acid 0.006 g/L, ferric ammonium citrate 0.006 g/L, EDTA 0.001 g/L, trace 1mL/L)에서 배양하였다. 250 mL cell culture flask에서 working volume을 200 mL로 하여 초기 pH는 7로 설정해주었고, 온도는 25±1 ℃를 유지시켰다. 광원은 백색형광등을 사용하였고, 광조사 주기는 Light : Dark = 24 : 0, 광량은 100 μmol/m2/s로 설정하여 2주간 배양 후 실험에 사용하였다.

2.2 실험방법

2.2.1. 질소 농도에 따른 C. vulgaris의 성장 및 N, P 제거능 평가

 본 연구에서 고려중인 C. vulgaris를 이용한 하수고도처리의 적용 범위는 활성슬러지 공법을 거친 2차 침전지 후단으로, 하수 내 질소의 대부분은 질산화를 거쳐 NO3-형태로 존재할 것으로 예측된다. 이에 NO3-를 질소원으로 이용하였으며, 국내 하수처리장으로 유입되는 하수 내의 질소농도 범위인 13.5 ~ 81.4 mg/L를 기준으로 하여 BG11 medium의 질소농도를 9, 15, 30, 60 mg-N/L로 설정하였다. 이 때 모든 조건에서의 인 농도는 3 mg-P/L로 동일하게 설정하였다.

 2.5 L의 원통형 반응조에 working volume을 2 L로 하였으며 초기 미세조류 농도는 230 mg/L가 되도록 하였다. 무기탄소원의 공급 및 시료의 원활한 혼합을 위해 air pump를 이용하여 1 vvm으로 폭기시켰다. pH는 pH controller를 이용하여 7±0.2, 온도는 상온인 25±1 ℃로 유지시켰다. 광원은 White LED를 사용했고, L/D cycle을 일 주기 기준 12:12 로 하여 100 ㎛ol/m2 /s 의 광량으로 6일 동안 운전하였다.

2.2.2. 인 농도에 따른 C. vulgaris의 성장 및 N, P 제거능 평가

 국내 하수처리장으로 유입되는 하수 내 인 농도 범위인 1.2 ~ 8.9 mg-P/L를 기준으로, 초기 인 농도를 1.5, 3, 6, 10 mg-P/L로 설정했으며, 이 때의 질소 농도는 30 mg-N/L로 고정하였다. 그 외 실험조건은 2.2.1과 동일하다.

2.3 분석방법

 C. vulgaris의 성장량을 평가하기 위해 standard method에 따라 dry weight을 측정했고(Andrew, 2005), N, P 제거능 평가를 위해, 인공하수 내 NO3--N과 PO43--P를 분석하였다. NO3--N과 PO43--P는 수질분석 Kit법을 이용하여 Water analyzer(HS-3300, HUMAS)로 측정하였다.

pH는 pH meter(pH-200L, iSTEK)를 사용하여 측정하였고, chlorophyll-a는 standard method에 따라 분석하였다(Andrew, 2005). 

3. 실험결과 및 고찰

3.1.1 질소 농도에 따른 C. vulgaris의 성장 및 N, P 제거능 평가

 Fig. 1과 같이 C. vulgaris를 대상으로 초기 질소농도에 따른 성장량을 비교한 결과, 모든 조건에서 성장이 일어났으나, 초기 질소농도가 15 mg-N/L와 30 mg-N/L 일 때 약 1 g/L로 성장이 다소 우수하였으며, 이는 9 mg-N/L(약 0.86 g/L)와 60 mg-N/L 일 때(약 0.76 g/L)에 비해 각각 약 15 %와 30 % 높은 값이었다. 실험기간 동안 C. vulgaris의 건조중량이 지속적으로 증가하여 미세조류 성장단계 중 대수성장 단계로 보여지며, 성장된 미세조류의 활성 또한 우수한 것으로 사료된다. 성장량이 다소 높았던 초기질소 15 및 30 mg-N/L 조건의 N/P비는 각각 5와 10으로 계산되었다. 일반적으로 알려진 미세조류의 경험식(C106H263O110N16P)에서 질량을 기준으로 했을 경우 N/P비는 7.2로 계산되며, 이는 5와 10 범위에 포함되는 값이다. 본 연구에서도 C. vulgaris가 이용하기 적합한 약 7 : 1의 비율로 N, P를 섭취함에 따라 초기질소 15, 30 mg-N/L에서 성장이 다소 우수하게 나타난 것으로 사료된다.

Fig. 1. Growth curves of C. vulgaris by nitrogen concentrations

 Fig. 2에 제시한 질소제거 및 chlorophyll-a 함량 결과의 경우, 초기 질소농도에 비례하여 질소 제거시간이 길어지는 것으로 나타났으며, 제거속도는 Table 1과 같이 계산되어, 30 mg-N/L의 조건에서 가장 빠른 것으로 나타났다.

Fig. 2. NO3--N removal (a) and chlorophyll-a content (b) of C. vulgaris by nitrogen concentrations

Table 1. Nitrogen removal rates of C. vulgaris by nitrogen concentrations

Fig. 2에 제시한 것과 같이 질소가 고갈됨에 따라 chlorophyll-a가 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 질소가 chlorophyll-a의 중심원소인 Mg2+ 과 직접 연결되어 있는 주요 구성성분이기 때문에 외부 질소원이 고갈되면 내부 질소원인 chlorophyll이 세포 합성에 이용되어 chlorophyll-a가 감소하는 현상이 나타난다.(Boxer et al., 1974; Yanqun et al., 2008). 이에 초기 질소농도에 비례하여 질소 고갈시점이 길어짐에 따라 chlorophyll-a의 감소시점이 다르게 나타났으며, 질소가 고갈되기 전까지의 dry weight 당 chlorophyll-a의 함량은 약 2 %인 것으로 계산되었다.

 Fig. 3에 나타낸 C. vulgaris의 초기 질소농도에 따른 인 제거는 성장량 결과와 마찬가지로 15, 30 mg-N/L에서 1.2 mg-P/L/day의 가장 빠른 인 제거속도를 갖는 것으로 나타났으며, 9 mg-P/L와 60 mg-P/L에서의 인 제거속도는 각각 1 mg-P/L/day와 0.86 mg-P/L/day로 계산되어 다소 느리게 나타났다.

Fig. 3. PO43--P removal of C. vulgaris by nitrogen concentrations

3.1.2. 인 농도에 따른 C. vulgaris의 성장 및 N, P 제거능 평가

 C. vulgaris를 대상으로 초기 인 농도에 따른 성장 및 N, P 제거능 평가를 진행한 결과, Fig. 4에 제시한 바와 같이, dry weight의 경우 초기 인 농도 3 및 6 mg-P/L에서의 결과가 1.5 및 10 mg-P/L에 비해 다소 높게 나타났다. 그러나 초기 인 농도가 C. vulgaris의 성장에 미치는 영향은 크지 않다고 판단된다.

Fig. 4. Growth curves of C. vulgaris by phosphorus concentrations

 Fig. 5에 제시한 초기 인 농도에 따른 C. vulgaris의 질소 제거의 경우, 3 및 6 mg-P/L에서 다른 조건에 비해 1일 빠르게 질소제거가 일어났고, 이때의 질소 제거속도는 약 11.6 mg-N/L/day로 계산되었다. 1.5 및 10 mg-P/L에서의 질소 제거속도는 약 8.4 mg-N/L/day로 다소 낮게 나타났으며, chlorophyll-a의 감소도 1일 늦게 일어나는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. NO3--N removal and chlorophyll-a content of C. vulgaris by phosphorus concentrations

 초기 인 농도 1.5 및 10 mg-P/L의 N/P비는 각각 10 및 5이며, 이는 3.1.1의 질소농도에 따른 C. vulgaris의 성장 및 N, P 제거를 위한 최적 조건과 동일한 값으로, 앞에서 설명했듯이 미세조류 경험식의 N/P비가 약 7이기 때문으로 판단된다.

 인 제거의 경우(Fig. 6), 제거속도가 3, 6 mg-P/L의 조건에서 약 1.9 mg/L/day로 계산되었으며, 1.5 mg-P/L와 10 mg-P/L는 각각 1.5 mg-P/L/day와 1.7 mg-P/L/day로 계산되어, 3, 6 mg-P/L의 조건에서 C. vulgaris의 성장 및 질소제거가 빨랐던 결과와 일치하는 것으로 나타났다.

Fig. 6. PO43--P removal of C. vulgaris by phosphorus concentrations

4. 결 론

 초기 질소 및 인 농도를 9 ~ 60 mg-N/L 및 1.5 ~ 10 mg-P/L로 달리하여 C. vulgaris의 성장 및 N, P 제거능을 평가한 결과, 인 농도가 3 mg-P/L로 고정된 경우, 15 및 30 mg-N/L에서 C. vulgaris의 성장 및 인 제거능이 우수하게 나타났으며, 이때의 N/P비는 5와 10의 값을 나타냈다.

 질소 농도를 30 mg-N/L로 고정한 후 인 농도를 달리한 결과, 3 및 6 mg-P/L에서 C. vulgaris의 성장 및 N, P 제거능이 다소 우수한 것으로 나타났으며, N/P비는 각각 10과 5로 계산되었다.

 이는 C. vulgaris가 이용하기 적합한 약 7:1의 비율로 N, P를 섭취함에 따라 N/P비가 5 ~ 10인 초기 질소 15 및 30 mg-N/L와 초기 인 3 및 6 mg-P/L에서 C. vulgaris의 성장 및 N, P 제거능이 다소 우수하게 나타난 것으로 사료된다.

 본 연구의 적용범위로 활성슬러지법을 적용한 2차 침전지 후단을 고려했을때, 대상 하수의 평균적인 N, P 농도가 30 mg-N/L와 3 mg-P/L로써 N/P비가 10이므로, C. vulgaris를 이용한 하수고도처리가 가능할 것으로 판단되며, N/P비를 약 7로 유지하는 것이 하수고도처리 효율을 높이는데 유리할 것으로 판단된다.

사 사

 이 논문은 환경부의 폐기물에너지화 .자원화 전문인력양성사업으로 지원되었습니다.

 이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2012R1A6A3A01016543)

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