강화 생물여과를 위한 인산염과 과산화수소 투입이 생물활성탄 공정의 박테리아 군집과 제거효율에 미치는 영향 (Effect of Phosphate and Hydrogen Peroxide on Bacterial Community and Removal Efficiency of Biological Activated Carbon (BAC) Process for Enhanced Biofiltration)

서지정보

· 발행기관 : 대한환경공학회
· 수록지 정보 : 대한환경공학회지 / 43권 / 1호 / 20 ~ 31페이지
· 저자명 : 정은영, 안병렬, 손희종

초록

목적:인산염(PO4-P)과 과산화수소(H2O2)를 투입하는 강화 BAC 공정의 향상된 유기물질 제거능과 부착 박테리아 군집과의 연관성을 평가하고자 하였다.
방법:낙동강 하류원수를 정수처리하는 파일럿 플랜트를 이용하여 내경 20 cm, 높이 250 cm의 아크릴 컬럼 4개를 사용하여 공탑 체류시간 20분으로 운전하였다. 4개의 BAC 컬럼들은 재래식 BAC (control-BAC), 인을 투입한 강화 BAC (PO4-P+BAC), 과산화수소를 투입한 강화 BAC (H2O2+BAC) 및 인과 과산화수소를 함께 투입한 강화 BAC (PO4-P+H2O2+BAC)이다. PO4-P를 투입한 강화 BAC들의 경우, BAC 유입수에 0.010 mg/L의 농도로 PO4-P를 추가로 보충하였으며, H2O2를 투입한 강화 BAC들에서는 H2O2를 BAC 유입수에 1 mg/L의 농도로 투입하였다. 1년 6개월 운전 후에 각 BAC 컬럼의 상부에서 활성탄을 채취하여 16S rRNA 앰플리콘 시퀀싱 분석을 하였다.
결과 및 토의:강화 BAC 공정에서 장기간 투입된 인산염(PO4-P)은 부착 박테리아의 생체량의 증가에 기여하였고, 과산화수소(H2O2)는 부착 박테리아의 활성도 증진에 기여하였다. 재래식 BAC 공정과 강화 BAC 공정들의 부착 박테리아 군집에서는 Proteobacteria문의 우점율이 가장 높았으며, α- 및 β-Proteobacteria강의 우점율이 높게 나타났다. 박테리아 군집 내 다양한 속(genus)들의 구성비율을 바탕으로 한 박테리아 군집 유사도의 경우, 강화 BAC들은 서로 유사하게 나타났으며, 재래식 BAC 공정과는 명확하게 구분되었다. 특히, 광범위한 유기기질들에 대해 우수한 대사능을 가진 Bradyrhizobium속, Sphingomonas속, Methylobacterium속, Sphingobium속, Belnapia속, Burkholderia속, Polaromonas속, Desulfuromonas속들이 강화 BAC 공정들에서 높은 비율로 우점하여 재래식 BAC 공정과는 많은 차이를 나타내었다. BDOC 제거능으로 평가된 처리수의 수질의 경우도 재래식 BAC 공정에서는 처리수 중의 BDOC 농도가 0.15 mg/L 부근으로 나타나 관망에서 잔류염소 농도가 감소하면 생물학적 안전성이 위협받을 가능성이 존재한 반면, 인산염(PO4-P)과 과산화수소(H2O2)를 투입한 강화 BAC 공정 처리수에서는 평균 BDOC 농도가 0.15 mg/L 미만으로 관망에서의 생물학적 안전성에 문제가 없었다.
결론:재래식 BAC 공정에 비해 강화 BAC 공정에서는 부착 박테리아의 생체량과 활성도뿐만 아니라 유기물 제거능이 뛰어난 박테리아 속(genus)들의 구성비율이 월등히 높아 처리수의 수질도 재래식 BAC 공정에 비해 생물학적으로 안전하였다.

영어초록

Objectives:The correlation between the organic material removal ability of the enhanced BAC process injected by the phosphate (PO4-P) and/or hydrogen peroxide (H2O2) and attached bacterial community was evaluated.
Methods:As pilot plant for the purification of raw water downstream of Nakdong river, 4 acrylic columns with an inner diameter of 20 cm and a height of 250 cm were operated at an empty bed contact time of 20 minutes. The four BAC columns are as followed; conventional BAC (control-BAC), enhanced BAC with phosphorus (PO4-P+BAC), enhanced BAC with hydrogen peroxide (H2O2+BAC), and enhanced BAC with phosphorus and hydrogen peroxide (PO4-P+H2O2+BAC). 0.01 mg/L of PO4-P and 1 mg/L of H2O2 were added in influent in the enhanced BAC, respectively. After 18 months of operation, activated carbon was collected from the top of each BAC column and 16S rRNA amplicon sequence analysis was performed.
Results and Discussion:The long-term addition of PO4-P and H2O2 contributes the increase of biomass and activity of attached bacteria, respectively. In the attached bacterial community of conventional and enhanced process, Proteobacteria phylum is the most dominant specie and both α-Proteobacteria class and β-Proteobacteria class are also highly present. Each enhanced BAC exhibits very high bacterial community similarity based on the composition of various genera but it is completely different with conventional BAC. In particular, Bradyrhizobium, Sphingomonas, Methylobacterium, Sphingobium, Belnapia, Burkholderia, Polaromonas, and Desulfuromonas, which have excellent metabolism functions for a wide range of organic substrates, are highly dominated in the enhanced BAC process. The concentration of Biodegradable Dissolved Organic Carbon (BDOC) is obtained close to 0.15 mg/L for conventional BAC and less than 0.15 mg/L for enhanced BAC process, respectively. In general, the higher BDOC concentration can result in reducing biostability in water supply and distribution system when the residual chlorine concentration does not meet requirements. As result, less than 0.15 mg/L BDOC accomplished by PO4-P and H2O2 enhances the biostability.
Conclusions:Compared to the conventional BAC process, the biomass and activity of attached bacteria and the ratio of the organization composition of the bacteria insides (genus) are considerably higher in the enhanced BAC process. These results achieve higher water quality and improve biostability.

참고자료

· 없음