국내 호소의 녹조 발생에 제한 영양소로 알려진 인(P)에 대하여 방류수 수질기준이 나날이 강화되고 있는 실정이며 대부분의 공공하수처리시설은 고도처리공법을 확보하고 있으나, 수질기준 달성을 위해 응집처리 등의 추가적인 물리·화학적 처리를 실시하고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 새로운 고도처리공법이 요구되고 있는데, 미세조류를 이용한 하폐수처리의 경우 기존 박테리아보다 높은 영양염류 흡수율을 가질 뿐 아니라 광합성에 의하여 산소를 생성하기 때문에 폭기 과정이 필요하지 않으며 처리 후 잉여 바이오매스는 바이오디젤 등의 연료로써 사용될 수 있다는 장점을 가진다.
국내 가장 많은 양의 하폐수를처리하는 A2O 공법은 혐기-호기조건의 전환을 통해 PAO(Phosphorus Accumulating Organisms)의 luxury uptake 기작을 유도하고 인을 과량으로 축적한 미생물의 wasting 과정을 통해 수체 내 인을 제거한다. 그러나 반송 슬러지 내의 질산성 질소가 혐기조로 유입될 경우, 혐기조의 환원력 감소에 따라 인 방출에 저해가 일어나며 이는 인 제거능의 저해를 초래한다. 이러한 A2O 공법에 미세조류를 적용한다고 가정했을 때, 미세조류의 대사 특성 상 urea, nitrate, ammonia 등 다양한 형태의 질소를 사용할 수 있으므로 nitrate 유입에 따른 인 제거능 저해를 최소화 할 수 있을 것으로 판단하였다.
이에 본 연구에서는 PAO의 PHB 합성 기작을 인 제거에 주요 mechanism으로 판단하여, 선행연구를 통해 PAO와 유사한 수준의 PHB를 합성할 수 있다고 알려진 남조류 Synechococcus sp.를 혐기-호기 전환조건에 노출시킴으로써 인의 과잉제거가 가능한지 살펴보고자 하였다.
Synechococcus sp.가 PAO와 동일한 기작으로 인을 과잉흡수 할 수 있다면, 혐기-호기 전환에 따른 과잉제거 뿐 아니라 광합성 대사를 통해 인 제거에 시너지 효과를 낼 수 있을 것으로 예상하였다. 이에 호기 전환 시의 전자수용체 공급방식을 폭기조건과 광조사에 의해 발생한 산소를 이용한 조건으로 나누어 인 제거능을 평가하였다. 혐기조건에서 Synechococcus sp.에 의한 인의 방출이 일어남을 확인할 수 있었으나, 암조건에 폭기만을 이용하여 전자수용체를 공급할 경우 control 조건에 비하여 인의 섭취능이 저하된 것을 확인할 수 있었다. 즉 Synechococcus sp.의 인 방출은 PAO의 인 과잉섭취 기작과는 상이한 pathway로 일어날 가능성이 있다. 또한, 광조사를 통해 호기조건을 조성해준 경우는 control 조건과 유사한 인 제거능을 나타냈었는데, 따라서 3 시간 동안의 혐기조건 조성은 Synechococcus sp.의 인 제거능에 저해 또는 향상을 미치지 않음을 확인할 수 있다.
Synechococcus sp.는 탄소원으로써 무기탄소 뿐 아니라 유기탄소를 이용할 수 있는 mixotrophic 미생물에 해당한다. PHB를 합성하기 위해서는 세포 외부의 탄소를 Acetyl CoA로 전환시키는 과정이 필요한데, 탄소원에 따라 Acetyl CoA 합성 기작이 서로 상이하여 인 방출 및 제거능이 달라질 것으로 예상하였다. 그러나 무기 및 유기탄소 조건 모두 control 조건과 동일한 인 제거능을 보였다.
Synechococcus sp.를 혐기-호기 전환조건에 노출함에 따라 인을 방출하는 경향을 확인할 수 있었으나, 전체적인 인 제거 총량 및 제거속도 측면에서 Control 조건과 유의한 차이가 없었으므로 혐기-호기 공법에 Synechococcus sp.를 적용하는 것은 어려울 것으로 판단된다.

Abstract

Water quality standard of Phosphorus, which is a nutrient limiting factor for the eutrophication, has been strengthened. For following this regulated concentration, most of the public sewage treatment facilities have advanced treatment technology, but in order to achieve water quality standards, additional chemical treatments are carried out. In order to overcome these limitations, new advanced wastewater treatment system is required.
Wastewater treatment system applying microalage can achieve more effective nutrient removal because microalgae has higher nutrient absorption ability than bacteria. Additionally microalgae can produce oxygen by photosynthesis and Surplus biomass has the advantage that it can be used as bio-fuel.
The A2O process, which treats the largest amount of wastewater in Korea, induces the luxury uptake of PAO (Phosphorus Accumulating Organisms) through the conversion of anaerobic-aerobic condition and can remove phosphorus by wasting the high phosphorus containing microorganisms. However, when the nitrate in return sludge is getting into anaerobic tank, the reduction of the reducing power of the anaerobic tank causes an inhibition of the phosphorus release, which results in the inhibition of the phosphorus removal efficiency. When the microalgae were applied to A2O process, various types of nitrogen such as urea, nitrate and ammonium could be used in the metabolism of microalgae, so that inhibition of phosphorus removal by nitrate flux could be minimized.
In this study, the probabiltiy of biological phosphorus removal were evaluated through luxury-uptake process for cyanobacteria Synechococcus sp. which is known to synthesize PHB similar to PAO.
If Synechococcus sp. can remove excess phosphorus by the same mechanism as PAO, it could be expected to produce synergistic effect on phosphorus removal through photosynthesis metabolism as well as luxury uptake due to anaerobic-aerobic conversion. So, the phosphorus removal efficiency were evaluated depending on the electron acceptor supplying method, an aeration condition and a condition using oxygen generated by light irradiation, respectively. It was confirmed that phosphorus release by Synechococcus sp. are occurred in anaerobic condition. However, when the electron acceptor was supplied only aeration method, phosphorus uptake decreased compared to the control condition. In addition, when the aerobic condition through light irradiation, phosphorus removal ability was similar to the Control condition. Therefore, it can be confirmed that the anaerobic condition composition for 3 hours does not inhibit or enhance phosphorus removal efficiency of Synechococcus sp.
Synechococcus sp. is a mixotrophic microorganism that can utilize organic carbon as well as inorganic carbon. In order to synthesize PHB, it is necessary to convert outside cell carbon into Acetyl CoA. It is expected that the release and removal efficiency of phosphorus will be different according to Acetyl CoA synthesis mechanism. However, both inorganic and organic carbon conditions showed the same removal ability as the Control condition.
Synechococcus sp. was shown to release phosphorus by exposure to anaerobic-aerobic conditions, but there was no significant difference in terms of total phosphorus removal rate. Therefore, application of Synechococcus sp. in order to remove phosphorus through anaerobic-aerobic method is proven to be
inappropriate.