서 론

축산업의 규모화 및 집약화에 따라 가축분뇨의 적정 처리와 질소 관리는 축산환경 관리의 주요 과제가 되고 있다. 가축분뇨는 유기물과 함께 질소 및 인 등의 영양염류를 다량 함유하고 있으며, 적절하게 처리되지 않고 환경으로 유출될 경우 수계의 부영양화 및 수질오염을 유발할 수 있다(Kadam et al., 2024). 특히 가축분뇨는 일반 생활하수에 비해 질소 농도가 높아 안정적인 생물학적 질소 제거를 위한 공정 관리가 중요하다.

생물학적 질소 제거는 호기성 조건에서 암모니아성 질소를 아질산성 질소 와 질산성 질소로 산화하는 질산화와, 무산소 조건에서 질산성 질소와 아질산성 질소를 질소가스로 환원하는 탈질을 기반으로 한다. 그러나 고농도 질소 조건에서는 기질과 중간생성물의 축적에 의해 미생물 활성이 저하되어 질소 제거 성능이 제한될 수 있다. 특히 Free ammonia (FA)는 높은 농도에서 질산화 미생물의 활성을 저해할 수 있으며, Free nitrous acid (FNA) 는 질산화와 탈질 과정 모두에 영향을 미치는 주요 저해인자로 알려져 있다. (Nugrahaeningtyas et al., 2022; Xu et al., 2022; Niu et al., 2023) FNA는 nitrite와 pH에 의해 결정되는 비이온화 형태로 세포막을 통과하여 세포 내 pH 조절과 대사활성에 영향을 줄 수 있으며, 이에 따라 질산화 및 탈질 반응이 저해될 수 있다(Zhou et al., 2011). 탈질 과정에서는 높은 nitrate 부하뿐만 아니라 단계적 환원 과정에서 생성되는 nitrite와 FNA의 축적도 안정적인 질소 제거를 제한할 수 있다. 따라서 가축분뇨 처리와 관련된 고농도 질소 조건에서 질소 형태에 따른 질산화 및 탈질 저해 특성을 구분하여 평가할 필요가 있다.

고농도 질소 조건에서 생물학적 질소 제거 성능을 개선하기 위한 소재로 magnetite (Fe₃O₄)의 활용을 고려할 수 있다. Magnetite는 Fe(II)와 Fe(III)를 함께 포함하는 혼합 원자가 철 광물로 산화환원 반응에 관여할 수 있으며, 전도성 특성을 통해 미생물의 전자전달과 대사환경에 영향을 줄 수 있다고 알려져 있다(Gorski et al., 2010; Chen et al., 2023). 그러나 생물학적 질소 제거에서 magnetite의 효과는 운전조건과 적용 농도에 따라 다르게 보고되고 있다. Perazzoli et al. (2017)은 높은 농도의 Fe₃O₄ nanoparticles가 ammonia oxidizing bacteria의 활성을 감소시킬 수 있음을 보고한 반면, Ma et al. (2017)은 10에서 60 mg/L의 Fe₃O₄ nanoparticles가 활성슬러지의 denitrification을 향상시켰으나 암모니아성 질소 제거에는 뚜렷한 변화를 나타내지 않았다고 보고하였다. 또한 Chen et al. (2023)은 microbial electrolytic cell에서 200 mg/L의 nano Fe₃O₄가 nitrate 제거를 향상시킨 반면, 500 mg/L에서는 이러한 효과가 나타나지 않았음을 보고하였다. 이러한 결과는 magnetite가 생물학적 질소 제거에 미치는 영향이 질소 전환 단계와 적용 조건에 따라 달라질 수 있음을 보여준다.

기존 연구에서는 FA와 FNA에 의한 질산화 및 탈질 저해와 magnetite가 질소 제거에 미치는 영향이 각각 보고되어 왔으나, 서로 다른 고농도 질소 조건에서 magnetite의 효과를 질산화와 탈질 과정에 걸쳐 비교한 연구는 제한적이다. 특히 FA, FNA 및 높은 nitrate 부하는 질소 제거공정에 서로 다른 방식으로 영향을 줄 수 있으므로, 각 조건에서 magnetite가 질소 제거 성능 저하를 어느 정도 완화할 수 있는지를 구분하여 평가할 필요가 있다. 이러한 비교는 magnetite의 효과를 단순한 질소 제거 촉진으로 일반화하기보다 적용 가능한 질소 조건과 그 한계를 구체화하는 데 중요하다.

본 연구에서는 가축분뇨와 같은 질소 고함유 폐수의 생물학적 처리 과정에서 발생할 수 있는 다양한 질소 조건을 대상으로 질산화와 탈질의 반응 특성을 평가하였다. 본 연구에서 설정한 고농도 질소 조건은 일반적인 가축분뇨 처리공정의 정상적인 반응조 수질을 직접 재현하기 위한 것이 아니라, 질소 형태와 부하 수준에 따른 생물학적 질소 전환 반응의 특성 및 한계를 평가하기 위한 확장된 실험조건으로 설정하였다. 질산화에서는 FA와 FNA 농도에 따른 암모니아성 질소 제거 특성을 분석하였으며, 탈질에서는 nitrate 및 FNA 농도에 따른 질산성 질소 제거 특성을 평가하였다. 또한 질소 제거 성능이 저하되거나 반응이 제한된 조건에서 magnetite를 주입하여 제거 성능의 변화를 비교하고, 미생물 군집 조성의 변화를 분석함으로써 질소 조건에 따른 magnetite의 영향을 평가하였다. 이를 통해 본 연구는 특정 현장 농도를 직접 모사하기보다, 넓은 질소 농도 범위에서 나타나는 질소 전환 반응의 특성과 magnetite 적용 효과를 비교·평가하고자 하였다.

재료 및 방법

1. 실험 개요

본 연구는 생물학적 질소 제거 과정 중 고농도 질소 기질 및 생성물에 의한 반응 저해 특성과 Magnetite 주입에 따른 저해 완화 효과를 평가하기 위해 질산화 실험 및 탈질 실험으로 나뉘어 수행되었다. 질산화 실험은 호기성 조건에서 수행하였으며 FA 및 FNA 농도에 따른 질산화 저해 특성을 평가하였다. 탈질 실험은 무산소 조건에서 수행하였으며, 질산성 질소 및 FNA 농도에 따른 탈질 저해 특성을 평가하였다. 또한 각 실험에서 전도성 물질인 Magnetite를 주입하여 고농도 질소 기질 및 생성물 에 의한 저해 완화 효과를 평가하였다.

2. 실험 재료

질산화 및 탈질 실험에 사용한 식종 슬러지는 국내 청주 소재 폐수처리장에서 채취하여 사용하였으며 그 성상을 Table 1에 나타냈다. 기질은 NH₄Cl (Deajung, Republic of Korea, 99.5%), KNO₂ (Deajung, Republic of Korea, 94%), KNO₃ (Deajung, Republic of Korea, 99%), NaHCO₃ (Deajung, Republic of Korea, 99.0~100.5%)를 통해 제조한 합성 기질을 이용하여 수행하였다. 각 실험 별 적용 농도는 (Anthonisen et al., 1976; Environmental Protection Agency, 1994; Soliman and Eldyasti, 2018)을 참고하여 각 반응에 영향을 미칠 것으로 예상되는 범위로 설정하였다. 미생물의 활성도 증가를 위해 미량영양소를 주입하였으며 그 성상을 Table 2에 나타냈다. 각 실험에서 FA 및 FNA 수치는 식 (1) 및 식 (2)를 통해 계산되었다.

3.질산화 시 Free ammonia, Free nitrous acid 및 질산성 질소에 의한 저해 특성 평가

질산화 실험은 250 mL 용량의 Serum bottle에 150 mL의 Working volume을 적용하여 25℃ 및 pH 7.5 조건에서 수행하였다. 암모니아성 질소에 의한 질산화 저해 특성을 평가하기 위해 NH₄⁺-N을 각각 467, 2333, 4666, 6999, 9332, 18,664 mg NH₄⁺-N /L 의 농도로 주입하여 FA 농도를 10, 50, 100, 150, 200 및 400 mg-FA/L로 조절한 후 실험을 수행했다.

또한 질산화 과정에서 생성되는 FNA의 영향을 평가하기 위해 FNA 농도별 실험을 추가로 수행하였다. 질산화 반응이 일어나기 위해선 FA가 존재해야 하기에, FA를 저해가 나타나지 않는 농도 범위로 주입한 후, NO₂^--N을 428, 856, 2140, 4280 mg NO₂^--N /L 의 농도로 주입하여 FNA 농도를 0.1, 0.2, 0.5 및 1.0 mg-FNA/L로 조절한 회분식 실험을 수행했다.

각 실험군 및 대조군의 식종 슬러지 농도는 MLVSS 기준 3,000 mg/L로 조정하였으며 pH는 3 N KOH 및 3 N HCl을 이용하여 7.5로 조절하였다. 추가로 질산화 과정에서 발생하는 pH 감소를 완충하기 위해 알칼리도를 10,000 mg-CaCO₃/L 로 주입하여 실험을 수행했으며 호기성 조건을 유지하고 질산화 과정에서 산소 제한이 발생하지 않도록 공기펌프와 diffuser를 이용하여 반응조 부피당 7 L/L/min의 공기를 지속적으로 공급하였다. 다만, 폭기량은 반응조의 규모 및 형상, diffuser의 산소전달효율, 혼합조건 및 미생물 농도에 따라 실제 산소전달 특성이 달라질 수 있으므로, 본 연구에서 적용한 폭기량은 질산화 공정의 일반적인 최적 폭기량이 아닌 실험 조건에서 호기성 환경을 유지하기 위한 운전 조건으로 설정하였다.

FA 및 FNA 값은 식 (1)과 식 (2)를 통해 계산되었다.

4.탈질 시 질산성 질소 및 Free nitrous acid 에 의한 저해 특성 평가

탈질 실험은 250 mL 용량의 Serum bottle에 150 mL의 Working volume을 적용하여 25℃ 및 pH 7.5 조건에서 수행하였다. 질산성 질소 농도 증가에 따른 탈질 저해 특성을 평가하기 위해 질산성 질소의 농도를 50, 100, 300, 500, 1,000, 3,000 및 6,000 mg-N/L로 조절하여 수행 했다.

또한 탈질 과정의 중간 생성물인 FNA의 영향을 평가하기 위해, 질산성 질소를 독성이 발생하지 않았던 농도 범위로 주입한 후, NO₂^--N을 42.8, 214.0, 428.0, 856.0 mg NO₂^--N /L 의 농도로 주입하여 FNA 농도를 0.01, 0.05, 0.1 및 0.2 mg-FNA/L로 조절한 추가 실험을 수행했다. 탈질 과정에서 탄소원을 공급하기 위해 Glucose (Dextrose, Deajung, Republic of Korea, 98%)를 주입하였으며, C/N비는 4로 설정하였다.

각 실험군 및 대조군의 식종 슬러지의 농도는 MLVSS 기준 3,000 mg/L로 조정하였으며 pH는 3 N KOH 및 3 N HCl을 이용하여 7.5로 조절하였다. 추가로 무산소 조건을 조성하기 위해 99.999% 질소 가스를 1분 30초 이상 퍼징 하였다.

5. Magnetite 주입에 따른 질소 기질 저해 완화 효과 평가

Magnetite 주입에 따른 질산화 및 탈질 저해 완화 효과를 평가하기 위해, 각각의 질산화 및 탈질 저해 실험에서 저해가 발생한 조건을 대상으로 Magnetite를 추가 주입하는 실험을 수행하였다. Magnetite (Fe₃O₄, Junsei, Japan, 94%)는 Baek et al. (2016)에서 높은 효율이 보고된 주입 농도인 20 mM을 적용하였다. 다만, 해당 농도는 혐기소화 공정을 대상으로 도출된 주입 농도로서 질산화 및 탈질 공정에 대한 최적 주입 농도로 간주하기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 Magnetite가 질산화 및 탈질 미생물의 활성과 질소 전환에 미치는 영향을 평가하기 위한 적용 농도로 사용하였으며, 질산화·탈질 공정에 적합한 전도성 물질의 최적 주입 농도에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

6. 시료 채취 및 성상 분석

모든 회분식 실험은 24 h 동안 수행하였으며, 시간에 따른 질소 제거 특성을 평가하기 위해 반응 시작 후 0, 3, 6, 12 및 24 h에 각각 10 mL의 시료를 채취하여 분석하였다. 샘플의 암모니아성 질소 및 질산성 질소는 각각 IC Anion PVA 4.6 × 150 mm column이 부착된 이온크로마토그래피 (Ion Chromatography, Shimadzu)와 IC SI-90 4E (4.0 × 250 mm, Shodex) column이 부착된 이온크로마토그래피 (Ion Chromatography, Shimadzu)를 이용하여 분석했다. 화학적 산소요구량(COD), pH, TS, VS, VSS 는 Standard Methods (Lipps et al., 2023)에 따라 분석하였으며 용존성 물질 분석 시, 0.45µm 필터를 통해 시료를 여과하여 분석에 사용했다. 모든 분석은 2회 반복하여 수행하였으며, 분석 결과는 평균값으로 나타내었다.

7. 미생물 군집 분석

Magnetite 주입에 따른 미생물 군집의 변화를 분석하기 위해 회분식 실험에서 확보한 슬러지 시료를 대상으로 16S rRNA 유전자 기반 미생물 군집 분석을 수행하였다. 시퀀싱으로 확보된 Raw data는 Cutadapt (v3.2)을 이용하여 Adapter 및 Primer sequence를 제거하였으며, Forward Read와 Reverse read는 각각 250 bp 및 200 bp로 Trimming하였다. 이후 DADA2 (v1.18.0)를 이용하여 Sequence error correction, Read merging 및 Noise filtering을 수행하고 Amplicon sequence variants (ASV)를 생성하였다. 예상 오류가 2개 이상인 Sequence는 분석에서 제외하였으며, DADA2의 RemoveBimeraDenovo 함수를 이용하여 Consensus 방식으로 Chimeric sequence를 제거하였다. R (v4.0.3)을 이용하여 350 bp 미만의 ASV를 추가로 제거하였다.

미생물 군집의 비교를 위해 QIIME (v1.9)을 이용하여 정규화를 수행하였으며, 모든 시료 중 가장 낮은 Read 수를 기준으로 Subsampling하여 시료 간 비교 가능성을 확보하였다. 생성된 ASV는 Bayesian classifier를 이용하여 NCBI 16S reference database와 비교하였으며, 분류 신뢰도는 50%를 기준으로 하였다. 이후 QIIME(v1.9.0)을 이용하여 미생물 군집의 다양성 및 계통학적 특성을 분석하였다.

결과 및 논의

1.질산화 시 Free ammonia 및 Free nitrous acid 에 의한 저해 특성 평가

(1) 질산화 시 Free ammonia에 의한 저해 특성 평가

FA 농도에 따른 암모니아성 질소 제거 특성을 Figure 1에 나타내었다. FA 농도가 10, 50 및 100 mg-FA/L인 조건에서는 24 h 후 암모니아성 질소 제거율이 89% 이상으로 유지된 반면, 150 mg-FA/L 이상에서는 제거율이 뚜렷하게 감소하였다. 최종 제거율은 150 및 200 mg-FA/L에서 각각 39 및 37%로 유사하였으며, 400 mg-FA/L에서는 13%까지 감소하였다. 특히 100 mg-FA/L 이하의 조건과 150 mg-FA/L 이상의 조건에서 최종 제거율이 명확하게 구분되어, 본 실험조건에서는 FA에 의한 질산화 저해가 150 mg-FA/L부터 현저하게 나타난 것으로 판단된다. 이는 높은 FA 농도에서 암모니아 산화 미생물의 활성이 제한될 수 있다는 기존 연구 결과와 일치한다(Liu et al., 2019). 특히, 150 mg-FA/L 이상의 조건에서는 초기 암모니아성 질소 농도가 6,000 mg-N/L 이상으로 매우 높았으며, 지속적인 폭기 과정에서 일부 암모니아가 기상으로 전이되는 stripping 현상이 발생했을 가능성이 있다. 만약 암모니아 stripping이 발생하였다면, 측정된 암모니아성 질소 감소량에는 질산화에 의한 생물학적 제거뿐만 아니라 물리적인 암모니아 손실이 포함되어 실제 질산화에 의한 암모니아성 질소 제거율이 과대평가되었을 가능성이 있다. 한편, 각 조건에서 반응 전후 pH는 큰 변화를 나타내지 않아, 실험기간 동안의 pH 변화가 질산화 성능 차이에 미친 영향은 제한적인 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 150 mg-FA/L 이상의 조건에서는 낮은 암모니아성 질소 제거율이 측정되었으며, 이는 고농도 FA 조건에서 질산화 미생물의 활성이 상당히 저해되었을 가능성을 시사한다.

Figure 1.

Temporal changes in ammonia removal efficiency during nitrification at different free ammonia concentrations.

반응시간에 따른 제거 양상에서도 저농도와 고농도 FA 조건의 차이가 확인되었다. 반응 초기에는 FA 농도에 따른 제거율 차이가 최종 제거율과 일치하지 않았으나, 반응이 진행됨에 따라 두 농도 구간의 차이가 점차 뚜렷해졌다. FA 농도가 10, 50 및 100 mg-FA/L인 조건에서는 시간 경과에 따라 암모니아성 질소 제거가 지속된 반면, 150 mg-FA/L 이상의 조건에서는 제거율 증가가 제한되었다. 따라서 고농도 FA의 영향은 초기 반응보다는 반응이 지속되는 과정과 24 h 최종 제거 성능에서 보다 명확하게 나타났다.

FA에 의한 질산화 저해가 확인된 150, 200 및 400 mg-FA/L 조건에서 magnetite를 주입한 결과, 모든 조건에서 암모니아성 질소 제거율이 증가하였으나 개선 정도는 FA 농도에 따라 달랐다(Figure 2). 가장 뚜렷한 개선은 150 mg-FA/L에서 나타나 최종 제거율이 39%에서 약 54%로 증가하였다. 반면 200 mg-FA/L에서는 37%에서 약 41%로 증가하여 개선 폭이 상대적으로 작았으며, 400 mg-FA/L에서는 13%에서 약 23%로 증가하였다. 그러나 가장 높은 FA 조건에서는 magnetite 주입 후에도 최종 제거율이 낮은 수준에 머물렀다. 이러한 결과는 magnetite가 FA에 의한 질산화 성능 저하를 일부 완화할 수 있으나, 그 효과가 FA 농도에 비례하여 나타나지는 않으며 고농도 FA 환경에서는 질소제거 효율 회복이 제한적임을 보여준다.

Figure 2.

Ammonia removal efficiency with and without magnetite addition during nitrification under inhibitory free ammonia conditions.

(2) 질산화 시 Free nitrous acid 에 의한 제거 특성

FA에 의한 질산화 저해의 영향을 최소화하기 위해 FA 농도를 50 mg-FA/L로 유지한 상태에서 FNA 농도에 따른 암모니아성 질소 제거 특성을 비교하였다(Figure 3). FNA 농도가 0.1, 0.2, 0.5 및 1.0 mg-FNA/L인 모든 조건에서 24 h 후 암모니아성 질소 제거율은 약 98%로 나타나 최종 제거 성능에는 뚜렷한 차이가 없었다. 그러나 가장 높은 FNA 농도인 1.0 mg-FNA/L에서는 반응 6 h 후 제거율이 약 47%로 나타나 다른 조건의 약 57에서 60%보다 낮았다. 이후 12 h에는 모든 조건에서 제거율이 약 95% 이상으로 증가하여 조건 간 차이가 대부분 해소되었다. 따라서 본 실험범위에서 FNA는 최종 암모니아 제거를 지속적으로 저해하기보다는 1.0 mg-FNA/L에서 초기 제거를 일시적으로 지연시키는 영향을 나타냈다.

Figure 3.

Temporal changes in ammonia removal efficiency during nitrification at different free nitrous acid concentrations.

FNA는 아질산성 질소와 pH에 의해 결정되는 비이온화 형태로, 일정 농도 이상에서 질산화 미생물의 활성을 저해할 수 있는 것으로 알려져 있다(Zhang et al., 2023). 다만 FNA의 영향은 농도뿐만 아니라 노출시간과 운전조건에 따라 달라질 수 있다. 본 연구에서는 1.0 mg-FNA/L에서 초기 암모니아 제거가 지연되었으나 12 h 이후에는 다른 조건과 유사한 제거율에 도달하였다. 이는 본 실험조건에서 FNA의 영향이 지속적인 질산화 성능 저하보다는 초기 반응 지연의 형태로 나타났음을 보여준다.

초기 암모니아 제거 지연이 가장 뚜렷했던 1.0 mg-FNA/L 조건에서 magnetite를 추가로 주입하였으나, 암모니아성 질소 제거 특성의 뚜렷한 개선은 확인되지 않았다. 이는 FA 조건에서 magnetite 주입에 따라 최종 제거율이 증가한 결과와 대조적이다. 따라서 magnetite가 질산화 과정에 미치는 영향은 질소성 저해 조건에 따라 다르게 나타날 수 있으며, 본 실험범위에서는 FA에 의한 성능 저하에는 일정한 완화 효과를 보인 반면 FNA에 의한 초기 반응 지연에는 뚜렷한 효과를 나타내지 않았다.

2.탈질 시 질산성 질소 및 Free nitrous acid 에 의한 저해 특성 평가

(1)고농도 nitrate loading 조건에서의 탈질 반응 특성 및 질산성 질소 제거 한계

초기 NO₃^--N 농도에 따른 탈질 과정의 질산성 질소 제거 특성을 Figure 4에 나타내었다. 초기 NO₃^--N 농도가 500 mg-N/L 이하인 조건에서는 24 h 후 제거율이 94% 이상으로 나타난 반면, 1,000, 3,000 및 6,000 mg-N/L에서는 각각 77, 45 및 28%로 감소하였다. 한편, 초기 NO₃^--N 농도를 기준으로 실제 제거량을 환산하면, 고농도 조건에서도 상당량의 질산성 질소가 제거되었다. 예를 들어, 500 mg-N/L 조건에서는 약 470 mg-N/L의 NO₃^--N이 제거된 반면, 6,000 mg-N/L 조건에서는 제거율이 28%로 낮았음에도 약 1,680 mg-N/L의 NO₃^--N이 제거되었다. 이는 고농도 nitrate 조건에서 탈질 반응이 완전히 저해된 것이 아니라, 동일한 미생물 농도와 반응시간에서 nitrate loading 증가에 비례하여 질산성 질소 제거가 증가하지 못했음을 의미한다.

Figure 4.

Temporal changes in NO₃^--N removal efficiency during denitrification at different initial NO₃^—N concentrations.

특히 1,000 mg-N/L 이상의 조건에서는 초기 NO₃^--N 농도가 증가함에 따라 24 h 후 제거율이 크게 감소하였으나, 이는 nitrate 자체에 의한 직접적인 기질 저해로 단정하기보다는 동일한 미생물량과 반응시간에서 처리 가능한 탈질 효율의 상대적 한계와 관련된 것으로 해석하는 것이 타당하다. 실제로 반응 초기 3 h 동안에는 모든 고농도 조건에서 질산성 질소가 감소하여 탈질 반응이 진행되었으며, 이는 고농도 nitrate 조건에서도 탈질 미생물의 활성이 유지되었음을 보여준다. 또한 반응 기간 동안 pH의 유의한 변화가 관찰되지 않아, 본 실험에서 고농도 nitrate 조건의 낮은 제거율이 탈질 과정에서의 pH 변화에 의해 발생하였을 가능성은 낮은 것으로 판단된다. 따라서 본 실험조건에서 고농도 nitrate loading에 따른 제거율 감소는 nitrate의 직접적인 저해보다는 높은 초기 부하량에 비해 제한된 미생물량과 반응시간에 의해 발생한 상대적인 처리 한계로 해석하였다.

Nitrate 환원 과정에서 생성되는 NO₂^--N의 시간적 변화를 Figure 5에 나타내었다. 반응 초기 3 h까지는 모든 조건에서 NO₂^--N 농도가 증가하였으나, 이후 초기 3^--N 농도에 따라 서로 다른 경향을 보였다. 500 mg-N/L 이하의 조건에서는 NO₂^--N이 지속적으로 감소하여 24 h 후 15 mg-N/L 이하로 낮아졌다. 반면 3,000 및 6,000 mg-N/L 조건에서는 24 h 후에도 각각 47 및 45 mg-N/L의 NO₂^--N이 잔류하였다. 이러한 결과는 고농도 nitrate loading 조건에서도 nitrate의 nitrite 전환과 후속 환원이 동시에 진행되었으나, 동일한 반응시간 내에 유입된 nitrate를 완전히 환원하기에는 반응이 충분히 진행되지 않았음을 보여준다. 따라서 고농도 조건에서 관찰된 NO₂^--N의 잔류는 nitrate 자체에 의한 직접적인 탈질 저해보다는 높은 질소 부하에 대한 단계별 질소 환원 반응의 처리 속도 차이와 제한된 반응시간의 영향을 반영한 것으로 판단된다.

Figure 5.

Temporal changes in NO₂^--N concentration during denitrification at different initial NO₃^-N concentrations.

질산성 질소 제거가 제한된 1,000, 3,000 및 6,000 mg-N/L 조건에서 magnetite 주입 효과를 추가로 평가하였다(Table 3). Magnetite 주입에 따라 1,000 mg-N/L 조건의 NO₃^--N 제거율은 77%에서 97%로 증가하였으며, 6,000 mg-N/L에서도 28%에서 48%로 증가하였다. 반면 3,000 mg-N/L에서는 magnetite 주입 전후 모두 45%로 나타나 뚜렷한 변화가 확인되지 않았다.

제거율뿐만 아니라 실제 NO₃^--N 제거량을 기준으로 비교하면, magnetite의 효과는 고농도 nitrate 조건에서 보다 뚜렷하게 나타났다. 1,000 mg-N/L 조건에서는 magnetite 주입에 의해 약 200 mg-N/L의 NO₃^--N이 추가로 제거된 반면, 6,000 mg-N/L 조건에서는 약 1,200 mg-N/L의 추가적인 NO₃^--N 제거가 이루어졌다. 따라서 본 실험조건에서 magnetite는 고농도 nitrate 환경에서 절대적인 질산성 질소 환원량을 증가시킬 가능성을 나타냈다. 다만 3,000 mg-N/L 조건에서는 magnetite에 따른 제거량 증가가 관찰되지 않아, 그 효과가 nitrate 농도 증가에 따라 단순한 선형 관계를 나타낸다고 보기는 어렵다.

한편, nitrate 제거량의 증가가 nitrite 잔류 감소로 일관되게 이어지지는 않았다. Residual NO₂^--N 농도는 1,000 mg-N/L에서 magnetite 주입 전후 모두 32 mg-N/L로 동일하였으며, 3,000 mg-N/L에서는 47에서 42 mg-N/L로 소폭 감소하였다. 반면 6,000 mg-N/L에서는 45에서 52 mg-N/L로 증가하였다. 이러한 결과는 magnetite 주입에 의해 nitrate 환원량이 증가하더라도 nitrite를 포함한 후속 환원 단계가 동일한 수준으로 향상되지 않을 가능성을 보여준다. 그러나 본 연구에서는 단계별 질소 환원속도, 탈질 관련 효소활성 및 최종 N₂ 생성량을 직접 측정하지 않았으므로, magnetite가 탈질 과정의 특정 환원 단계에 미치는 영향을 구체적인 기작으로 설명하기에는 한계가 있다.

(2) 탈질 시 Free nitrous acid 에 의한 저해 특성

질산염에 의한 저해가 없는 상황에서, FNA 농도에 따른 탈질 특성을 평가하기 위해 NO₃^--N의 농도를 300 mg-N/L로 주입한 후, FNA 농도를 0.01, 0.05, 0.1 및 0.2 mg-FNA/L로 조절하여 시간에 따른 NO₃^--N 제거율을 비교하였다(Figure 6). 하지만, 기존 NO₃^-N농도에 따른 탈질 특성 평가 실험 결과와 달리, FNA 농도를 소량 주입했음에도 불구하고, 45%이하의 탈질 효율이 측정되었다. 이는 기존 실험과 FNA 실험이 서로 다른 시점에 수행됨에 따라 실험에 사용된 활성슬러지의 미생물 활성 및 생리적 상태가 달랐을 가능성이 있으며, 이에 따른 탈질 성능의 차이가 발생했을 수 있는 것으로 판단된다. 다만, 본 연구에서는 실험 시점별 미생물 활성 및 반응 조건을 추가적으로 비교·분석하지 않았으므로, 정확한 원인을 규명하기 위해서는 추가적인 분석이 필요하다.

Figure 6.

Temporal changes in NO₃^--N removal efficiency during denitrification at different free nitrous acid concentrations.

그럼에도 불구하고 FNA 농도에 따른 상대적인 탈질 특성을 비교하기 위해 각 조건의 NO₃^--N 제거율 변화를 분석하였다. 0.01, 0.05 및 0.1 mg-FNA/L인 조건에서는 24 h 후 NO₃^--N 제거율이 약 45%로 유사한 수준으로 나타났으며, 농도 증가에 따른 뚜렷한 차이는 확인되지 않았다. 반면 0.2 mg-FNA/L에서는 최종 제거율이 약 40%로 감소하여 다른 FNA 조건보다 낮은 수준을 나타냈다. 이러한 결과는 본 실험범위에서 FNA 농도가 0.2 mg-FNA/L까지 증가할 경우 nitrate 제거가 상대적으로 더 크게 제한될 수 있음을 보여준다.

반응 초기의 제거 양상에서도 FNA 농도에 따른 차이가 나타났다. FNA가 0.01에서 0.1 mg-FNA/L인 조건에서는 반응 3 h 동안 NO₃^--N 제거가 비교적 빠르게 진행된 반면, 0.2 mg-FNA/L에서는 동일한 시간 동안의 제거율이 상대적으로 낮았다. 이후 반응이 지속되면서 모든 조건에서 nitrate 제거가 증가하였으나, 0.2 mg-FNA/L 조건은 24 h까지도 다른 조건보다 낮은 제거율을 유지하였다. 따라서 높은 FNA 농도는 최종 nitrate 제거뿐만 아니라 초기 제거 양상에도 영향을 미친 것으로 판단된다.

FNA 조건에서 magnetite의 저해 완화 효과를 추가로 평가하였으나, 시험한 농도 범위에서 nitrate 제거 특성의 뚜렷한 개선은 확인되지 않았다. 이는 FA에 의한 질산화 성능 저하와 일부 고농도 nitrate 조건에서 magnetite 주입 후 제거율이 증가한 결과와 대조적이다. 따라서 본 실험범위에서 magnetite의 효과는 질소성 저해 조건에 따라 다르게 나타났으며, FNA가 존재하는 조건에서는 뚜렷한 완화 효과가 확인되지 않았다. 다만 본 연구에서는 FNA 저해와 magnetite 효과에 관련된 세포 수준의 반응이나 탈질 효소활성을 직접 분석하지 않았으므로, 이러한 차이를 유발한 기작을 구체적으로 설명하기에는 한계가 있다.

3. 미생물 군집 분석

Magnetite 주입에 따른 미생물 군집 변화를 확인하기 위해 질산화 및 탈질 실험에서 Magnetite 주입에 따른 제거효율 향상이 가장 크게 나타난 조건 (질산화에서는 FA 150 mg-FA/L 조건, 탈질에서는 질산성 질소 1,000 mg-N/L 조건)을 대상으로 미생물 군집 분석을 수행하여 그 결과를 Figure 7에 나타내었다.

Figure 7.

Relative abundance of dominant bacterial taxa under nitrification at 150 mg-FA/L and denitrification at 1,000 mg NO₃^--N/L with and without magnetite addition.

질산화 조건에서는 magnetite 주입에 따라 미생물 군집 조성이 변화하였으며, 주요 변화는 Litorilinea aerophila와 Planococcus citreus에서 확인되었다. Magnetite 주입 후 L. aerophila의 상대 abundance는 감소한 반면, P. citreus는 증가하였다. 특히 동일한 FA 조건에서 magnetite 주입에 따라 암모니아성 질소 제거율이 39%에서 약 54%로 증가한 점을 고려하면, 이러한 결과는 고농도 FA 조건에서 magnetite 주입이 질산화 성능뿐만 아니라 미생물 군집 조성에도 영향을 미쳤음을 보여준다. 두 미생물의 상반된 변화는 magnetite가 존재하는 조건에서 특정 미생물군의 상대적 우점도가 선택적으로 변화했음을 나타낸다.

탈질 조건에서도 magnetite 주입에 따라 뚜렷한 군집 변화가 나타났으며, 주요 변화로 Citrobacter freundii의 감소와 Comamonas denitrificans의 증가가 확인되었다. C. freundii는 nitrate를 전자수용체로 이용할 수 있는 대사 특성이 보고되어 있으며(Keevil et al., 1979), C. denitrificans는 nitrate와 nitrite를 환원할 수 있는 대표적인 탈질 미생물로 알려져 있다(Gumaelius et al., 2001; Lu et al., 2014). 특히 magnetite 주입 후 C. denitrificans의 상대 abundance가 증가한 결과는 동일 조건에서 NO₃^--N 제거율이 77%에서 97%로 증가한 결과와 부합하였다. 이는 magnetite가 존재하는 조건에서 탈질 관련 미생물 군집이 재편되었으며, 이러한 군집 변화가 nitrate 제거 성능 향상과 연계되어 나타났음을 보여준다. 질산화와 탈질 조건을 함께 비교하면 magnetite 주입에 따른 질소 제거 성능의 변화와 미생물 군집 재편이 동시에 나타났다. 질산화 조건에서는 특정 우점 미생물의 상대적 분포가 변화하였으며, 탈질 조건에서는 탈질 기능이 알려진 C. denitrificans의 상대 abundance 증가가 nitrate 제거 향상과 함께 확인되었다. 이러한 결과는 magnetite가 고농도 질소 조건에서 미생물 군집 조성에 영향을 미치며, 질산화와 탈질 과정에서 나타난 질소 제거 성능 변화와 연계될 수 있음을 나타낸다.

결 론

본 연구에서는 가축분뇨 처리와 관련된 고농도 질소 조건에서 질산화 및 탈질 성능의 변화와 magnetite 주입에 따른 완화 효과를 평가하였다. FA 농도가 150 mg-FA/L 이상으로 증가함에 따라 암모니아성 질소 제거가 크게 제한되었으며, magnetite 주입은 150 mg-FA/L에서 제거율을 39%에서 약 54%로 증가시켰다. 탈질에서는 높은 nitrate loading에서 24 h 내 제거가 제한되었으나, magnetite 주입에 따라 NO₃^--N 제거율이 1,000 mg N/L에서 77%에서 97%로, 6,000 mg N/L에서 28%에서 48%로 증가하였다. 반면 FNA 조건에서는 질산화의 초기 제거 지연과 탈질 성능 저하가 나타났으며, magnetite에 의한 뚜렷한 개선은 확인되지 않았다. 또한 magnetite 주입에 따라 질산화 및 탈질 조건의 미생물 군집 조성이 변화하였고, 탈질 조건에서는 Comamonas denitrificans의 상대적 증가가 nitrate 제거 향상과 함께 나타났다. 이러한 결과는 magnetite의 효과가 질소 조건에 따라 다르게 나타나며, 고농도 질소를 처리하는 생물학적 질소 제거공정에서 성능 저하를 완화하기 위한 보조 소재로 활용될 가능성을 보여준다.