1. 탈질 인 제거 메커니즘
고{0}}산성 박테리아는 혐기성 조건에서 큰 유기 분자를 저분자량-지방산으로 분해합니다. DPB(Distilled Bismuth Biota)는 혐기성 조건에서 세포 내 폴리인산염을 분해하여 ATP를 생성하고 능동 수송을 통해 지방산을 흡수하며 폴리(-하이드록시부티레이트)(PHB)를 합성하는 동시에 PO43-을 방출합니다. 다량의 PHB를 축적한 후 DPB는 NO3-를 PHB 산화를 위한 전자 수용체로 사용하여 혐기성 상태로 들어갑니다. PHB의 분해를 활용하여 에너지를 생성하고 환원력(NADH)을 제공하며, NADH+H+를 전자 전달 사슬의 운반체로 사용하여 양성자를 제거하여 양성자 구동력을 형성합니다. 이 양성자 구동력은 PO43-를 체외에서 체내로 수송하고, 여기서 ATPase의 작용으로 ATP를 합성하고, 과잉 PO43-를 폴리인산으로 중합합니다. 혐기성 조건에서 DPB가 생산하는 ATP 전자 전달 사슬을 통해 체내 폴리인산염의 분해를 통해 혐기성 조건에서 생성된 ATP를 초과합니다. 따라서 혐기성 조건에서 흡수되는 인은 혐기성 조건에서 방출되는 인보다 더 큽니다. 따라서 DPB는 폐수에서 인을 과도하게 흡수하는 기능을 갖습니다.
2. 탈질 및 인 제거에 영향을 미치는 주요 요인
2.1 탄소-대-질소 비율
전통적인 인 제거 이론에 따르면, 무산소 구역에 탄소원이 존재하거나 혐기성 구역에 질산염이 존재하면 탈질 박테리아와 DPB 사이에 전자 수용체 질산염 질소 또는 탄소 공급원에 대한 경쟁이 발생하여 DPB의 선택적 이점이 감소하고 인 제거 효율에 영향을 미칩니다. 이를 위해서는 유입수의 적절한 탄소-대-질소 비율이 필요합니다. 그러나 Ahn J. et al. 혐기성/호기성(A/O) 조건에서 탄소원의 장기간 순응과 혐기성 영역으로 유입되는 소량의 질산염이 DPB 농축을 촉진하고 DPB가 A/O 조건에서 무산소 인 흡수 용량을 유지할 수 있음을 보여줍니다. 미생물학적 관점에서 볼 때 두 가지 설명이 있습니다. 하나는 DPB가 트리카르복실산 회로(TCA)를 통해 혐기성 영역에서 탄소원을 직접 활용한다는 것입니다. 다른 하나는 DPB가 TCA 사이클을 통해 혐기성 기간 동안 탄소원을 산화시켜 폴리하이드록시알칸산을 축적하는 환원력과 에너지를 얻고, 호기성 기간 동안 생존한다는 것이다. 이와 관련하여 DPB의 생리학적 특성에 관한 다른 보고서는 발표되지 않았습니다.
2.2 질산염 투여 방법
무산소 구역에 질산염을 첨가하는 방법에는 순간 첨가와 연속 첨가의 두 가지 방법이 있습니다. 연속 첨가는 약간 더 효과적이며 아질산염 축적을 방지합니다. 인 흡수율에 대한 지속적인 첨가 시간의 영향에 관해 Zou Hua et al. 연속 첨가 시간이 3.5시간인 경우보다 2시간인 경우 인 흡수율이 더 높은 것으로 나타났다. 그러나 현재 첨가율과 인 흡수율 사이의 구체적인 관계에 대한 보고는 없습니다. 더 많은 기술 문서는 중국 폐수 처리 엔지니어링 네트워크에서 찾을 수 있습니다.
2.3 SRT
DPB는 A/O 조건보다 A/A 조건에서 더 느리게 성장합니다. SRT가 너무 짧으면 반응기의 DPB가 제거되고, SRT가 너무 길면 슬러지가 노화되고 인 함량이 감소합니다. Merzouki M.은 SBR 탈질 인 제거 시스템의 인 제거 효율이 SRT가 7.5일일 때보다 15일일 때 1.8배 더 높다고 보고하였다. 인 및 질소 제거에 사용되는 입상 슬러지 공정의 경우 슬러지 구조는 더 풍부하고 통합된 생물학적 공동체로 인해 복잡합니다. 슬러지 연령을 통해 DPB, 폴리인산염-축적 박테리아 및 질산화 박테리아의 균형을 맞추는 방법은 여전히 불확실합니다.
2.4 아질산염
현재 아질산염이 인 흡수를 억제하는지 여부에 대해 두 가지 의견이 있으며 이러한 의견은 다양한 연구 주제에 기초합니다. 탈질 및 인 제거 순응 과정을 거치지 않은 슬러지를 연구 대상으로 삼은 결과는 임계 수준을 초과하는 아질산염 농도가 인 흡수를 억제하는 것으로 일관되게 나타났습니다. Wang Ya-yi 등의 실험. Meinhold J. et al.의 실험에서는 아질산염 농도가 15mg/L를 초과하면 인 흡수가 억제된다는 것을 보여주었습니다. 임계 아질산염 농도는 5~8mg/L인 것으로 나타났습니다. 그러나 탈질 및 인 제거 순화 과정을 거친 슬러지를 연구 대상으로 삼는 경우에는 다른 결과가 나온다. Hu JY의 실험에서는 널리 알려진 폴리인산-축적 박테리아(PAB)와 DPB 외에도 세 번째 그룹의 PPB도 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 PPB는 인 흡수를 위한 전자 수용체로 아질산염을 활용할 수 있습니다. 또한 실험 결과, 초기 아질산염 농도가 115 mg/L 미만인 경우 인 흡수가 크게 억제되지 않는 것으로 나타났습니다. 국내 폐수 처리장의 아질산염 농도는 분명히 이 임계 농도보다 훨씬 낮으므로 생물학적 인 제거에 부정적인 영향을 미치지 않습니다. 온도(DPB는 특히 온도, 특히 저온에 민감함) 및 양이온(Mg2+ 및 K+)과 같은 많은 다른 요인이 탈질화 인 제거에 영향을 미칩니다. 현재 이러한 측면에 대한 연구는 거의 없으며, 다양한 요인 간의 상호작용으로 인해 연구의 어려움이 가중되고 있습니다.
3. 탈질화 인 제거를 달성하기 위한 새로운 접근법
전통적인 탈질 인 제거 공정에는 다음이 포함됩니다. ① 혐기성/무산소 및 질산화(A2N) 공정. 본 공정은 질화균과 DPB를 서로 다른 슬러지 시스템에서 별도로 배양하여 DPB에서 질화균을 완전히 분리하는 이중-슬러지 탈질 인 제거 공정입니다. A2N 공정은 탄소와 질소 비율이 낮은 상황에 가장 적합합니다. ② 데파녹스 공정. 유입되는 탄소 및 질소 함량이 높을 경우 A2N 공정에서 무산소조 뒤에 폭기조를 추가해야 하므로 DEPHANOX 공정이 형성됩니다.
③BCFS 프로세스. 이 프로세스는 수정된 UCT 프로세스입니다. UCT 공정의 설계 원리는 폴리인산염- 축적 박테리아에 필요한 환경 조건의 엔지니어링 향상을 기반으로 하는 반면, BCFS의 개발은 공정 관점에서 DPB의 농축 조건을 만드는 것입니다. 최근 탈질인 제거기술 적용에 관한 연구가 획기적인 성과를 거두었다. 폐수 처리가 필요한 단위는 폐수 보물 프로젝트 서비스 플랫폼에서 유사한 폐수 처리 경험이 있는 회사와 상담할 수도 있습니다.
3.1 AOA-SBR 방법
혐기성/무산소/호기성(A2O) 공정은 질소 및 인 제거의 일반적인 형태입니다. 주로 폴리인산염-축적세균, 질화세균, 탈질세균의 대사를 통해 작동합니다. 따라서 이 과정에서는 질산염과 아질산염을 함유한 액체의 순환이 필수적입니다. Tsuneda S.et al. 는 DPB(diphosphoride polyphate)의 특성을 최대한 활용하여 탄소원 없이 무산소 조건에서 질소와 인을 동시에 제거하는 SBR(Self-Biochemical Reactor)에서 혐기성/호기성/무산소(AOA) 공정을 제안했습니다. 이를 통해 탄소원 없이 무산소 구역에서 탈질이 일어나 호기조와 무산소조 사이의 순환이 필요 없어 단일 SBR에서 질소와 인의 동시 제거가 가능해집니다. 또한 실험에 따르면 이 공정은 탄소-대-비율이 10 미만인 합성 폐수를 처리할 때 평균 질소 및 인 제거율이 각각 83%와 92%로 우수한 질소 및 인 제거 효과를 달성할 수 있음이 입증되었습니다. 이 공정은 DPB를 풍부하게 할 뿐만 아니라 DPB가 인과 질소 제거에 중요한 역할을 하도록 만듭니다. 실험 결과 DPB는 AOA-SBR 공정에서 전체 폴리인산-축적 박테리아의 44%를 차지하는 것으로 나타났으며 이는 기존 A/O{20}}SBR(13%) 및 A2O 공정(21%)보다 훨씬 높습니다.
AOA-SBR 공정에는 두 가지 주요 특징이 있습니다. ① 호기성 인 흡수를 억제하기 위해 호기성 단계 초기에 적절한 양의 탄소원을 첨가합니다. 본 실험에서 호기성 단계에서 첨가되는 탄소원의 최적량은 40mg/L였습니다.
② 이 과정에서 아질산염은 인 흡수를 위한 전자 수용체 역할을 할 수 있습니다.
3.2 입상슬러지 공정
질소 및 인 제거를 위한 입상 슬러지는 현재 연구단계에 있다. 기존 슬러지 공정과 비교하여 호기성 입상 슬러지는 침전 성능이 우수하고 바이오매스 농도가 높으며 슬러지 수분 함량이 낮습니다. 입상 슬러지를 적용하면 기존 슬러지에 존재하는 문제(예: 슬러지 벌킹, 처리 구조물의 넓은 설치 공간, 정화기의 2차 인 방출 등)를 극복할 수 있습니다. Dulekgurgen E. et al.의 실험 입상 슬러지는 COD, 인, 질소 제거율이 각각 95%, 99.6%, 71%로 안정적인 바이오매스를 가지고 있음을 보여주었습니다. 국내 연구 결과도 이러한 결과와 일치하며, 호기성 입상 슬러지는 탈질 및 인 제거 능력을 갖고 있다. 입상 슬러지의 독특한 구조와 산소 확산 구배의 존재로 인해 폴리인산-축적 박테리아, 질화 박테리아 및 DPB가 공존할 수 있는 환경을 제공합니다. 다량의 DPB와 질산화 박테리아가 입상 슬러지에 축적됩니다. Yang Guojing 등의 실험. DPB는 입상 슬러지 내 모든 폴리인산염- 축적 박테리아의 73.1%를 차지하는 것으로 나타났습니다. 입상 슬러지의 배양은 일반 슬러지의 배양보다 어렵고 영향을 미치는 요인도 비교적 복잡하다.
일반 슬러지 탈질 및 인 제거에 공통적인 영향 요인 외에도 입상 슬러지에는 고유한 영향 요인이 있습니다. ① DO 농도와 입자 크기 간의 상호 작용은 탈질 및 인 제거 효율에 중요한 영향을 미칩니다. 입자 크기가 너무 작으면 산소 침투가 상대적으로 강해 무산소 구역 형성에 영향을 미쳐 탈질 및 인 제거가 불가능해집니다.
② 적절한 질소{0}}대-인 비율을 유지하는 것은 슬러지 과립화 및 인 제거 능력에 매우 중요합니다. 질소-대-인 비율이 2.36에서 4.0으로 증가하면 인 제거율은 85.0%에서 54.1%로 감소합니다. ③ Lin Y-M et al.의 실험 입자 크기와 인-대-탄소 질량비 사이에 밀접한 관계가 있음을 보여주었습니다. 인-대-탄소 질량 비율이 높으면 더 작은 입자와 더 조밀한 구조를 얻을 수 있으므로 SVI가 감소하고 폴리인산염-축적 박테리아의 축적이 촉진됩니다.
3.3 내부 순환 공수 시퀀싱 배치 생물막 공정
내부 순환 공수 순서 배치 생물막 공정(SBBR)은 주로 통합된 인 및 질소 제거를 위해 설계되었습니다. Zhang ZY 등의 연구. 내부 순환 공수 SBBR이 안정적인 질소 및 인 제거율을 달성했음을 보여주었습니다. 최적 충진밀도와 유기물 부하 하에서 COD, N, P 제거율은 각각 95.3%±3.3%, 94.6%±4.1%, 73.1%±8.3%였다. 반응기는 파티션-에 의해 호기성 구역과 환류 구역의 두 구역으로 나누어집니다. 질산화 박테리아와 호기성 폴리인산염-축적 박테리아는 호기성 구역에서 주로 발견되는 반면, DPB는 역류 구역에서 발견됩니다. 혐기성 기간 동안 환류 구역의 DPB와 호기성 구역의 폴리인산염-축적 박테리아가 유기 기질을 흡수합니다. 호기성/무산소 기간 동안 호기성 구역의 질화 박테리아는 NO3- 및 NO2-를 생성하여 DPB 인 흡수를 위한 전자 수용체를 제공하여 질소와 인을 제거합니다. 슬러지 제거는 인 제거에 영향을 미치는 중요한 요소이며, 이는 섬유 패킹의 밀도를 조정하여 달성할 수 있습니다. 기존의 SBBR은 주로 생물막 내 질산화 박테리아와 종속 영양 박테리아 사이의 산소 및 영양분 경쟁으로 인해 질소 및 인 제거 효율이 낮습니다. 기존 SBBR과 비교하여 내부 순환 공수 SBBR은 이러한 경쟁을 피합니다. 기존 활성슬러지 공정에 비해 이 반응기는 에너지와 투자를 절약합니다.
4. 전망
탈질인 제거 기술에 대한 국내외 연구는 예비적인 성과를 거두었으며, 기초연구에서 공학적 응용으로 기술이 발전하고 있습니다. 현재 탈질 인 제거 시스템의 미생물 군집 구조와 기능에 대한 이해는 여전히 제한적입니다. 미생물 군집 구조는 시스템마다 크게 다르며, 동일한 시스템 내 미생물 군집도 매우 복잡합니다. 분자 생물학 기술을 사용하면 미생물 군집 역학을 추적하고 기능 그룹을 식별하여 미생물 군집 구조와 기능 사이의 관계를 밝혀 생물학적 처리 공학을 더 잘 제어할 수 있습니다. 생물학적 인 제거에 사용되는 분자 생물학 기술에는 중합효소연쇄반응(PCR), 제한 단편 길이 다형성(RFLP) 및 올리고뉴클레오티드 프로브 기술이 포함됩니다. 연구에서는 일반적으로 폴리인산염-축적 박테리아(PAB)가 -프로테오박테리아의 로도사이클루스 및 데클로리모나스 그룹에 속하는 것으로 간주합니다. Satoshi T. et al. RFLP를 사용하여 폴리인산-축적 박테리아(DPB)의 특성을 연구했는데, 이는 DPB가 Rhodocyclus 그룹의 Thaurera mechrnichensis 및 Azoarcus tolulyticus임을 나타냅니다. 탈질 인 제거 시스템의 미생물학과 엔지니어링을 긴밀하게 통합해야 합니다. 미생물 탐지 및 생태학적 연구를 통해 시스템 내 DPB의 양과 군집 구조를 분석 및 결정하고, 운영 매개변수가 PPB, 질화 박테리아 및 DPB의 특성, 개체군 밀도 분포, 공간 분포에 어떻게 영향을 미치는지 이해하여 탈질 인 제거 시스템의 인위적 향상을 달성하고 처리 공정을 최적화하며 신기술의 개발 및 적용을 강화할 수 있습니다.
