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영어

An ion selective microelectrode (ISME) was fabricated to measure concentrations of ammonium (NH4 +-N) and nitrate (NO3 --N) according to the depth of nitrifying biofilm. The limits of detectability and validity of results were investigated to evaluate the ISME. The electromotive force (EMF) was directly proportional to the ion concentration, and average detection limits of NH4 + and NO3 - ISME were 10-5.14 and 10-5.18 M, respectively. The concentrations of NH4 +-N and NO3 --N in various depths on the nitrifying biofilm were measured by the ISME. When a modified Ludzack-Ettinger (MLE) process was operated at an HRT of 6 h, concentration gradients of NH4 +-N in the bulk solution and biofilm at depths of 100 μm decreased by 70 μM, while NO3 --N increased by 101 μM and remained constant thereafter. At an HRT of 4 h, concentration gradients of NH4 +-N at depths of 500 μm decreased by 160 μM and NO3 --N increased by 162 μM and remained constant thereafter. As HRT decreased, the concentration gradients of NH4 +-N and NO3 --N between bulk solution and biofilm was higher due to the increase of nitrogen load. Also, the concentration gradients of the NH4 +-N and NO3 --N of biofilm in the second aerobic tank were lower than those of the first aerobic tank, suggesting differences of nitrogen load and concentrations of DO between the first and second aerobic tank.

한국어

현재 하 · 폐수 처리에 있어 가장 널리 이용되는 활성슬러 지 공정은 유기물을 제거하기 위한 것으로, 적절히 처리되 지 못하고 수계에 배출된 질소와 인 등의 영얌염류는 부영 양화 및 적조의 원인이 된다. 이러한 영양염류를 제거하기 위해, 생물학적 영양염 제거 (biological nutrient removal, BNR)공정이 개발되었다. 질소를 제거하기 위한 BNR 공 정은 암모니아성 질소가 질산성 질소로 전환되는 질산화 과정과 질산성 질소가 질소 가스로 전환되는 탈질 과정으 로 이뤄진다. 하지만, 질산화 미생물은 온도, 부하, pH와 같은 환경 변화에 민감할 뿐만 아니라, 증식속도가 매우 느리기 때문에 성장에 저해를 받으면 회복하는데 많은 시 간이 걸린다. 생물막 공정은 메디아에 미생물을 부착 성장 시킴으로서, 상대적으로 증식 속도가 매우 느린 질산화 미 생물의 고농도 유지가 용이하고, pH, 온도 등과 같은 갑작 스런 환경변화에도 대응할 수 있고, 슬러지 발생량이 적어 유지관리가 쉬운 장점을 가지고 있다 [1,2]. 생물막의 두께는 수백 μm에서 수천 μm밖에 되지 않아 생물막내 미생물들의 활성도 및 분포상태 등의 모니터링에 있어 심각한 장애가 되어왔다. 기존의 연구들은 공정의 유 입수와 유출수의 비교를 통해 생물막 공정의 효율을 평가 하였지만, 생물막 내에서 일어나는 기질 전환 등의 기작은 명확하게 규명되지 않았다 [3]. 그러나 1990년 이후 팁 직 경이 1-10 μm을 가지고, 짧은 응답시간을 가지고 있는 이 온선택성 미소전극을 생물막내로 직접 침투시킴으로서 생 물막의 깊이에 따른 NH4 +, NO3 -, NO2 -, H+ 등의 이온 농도 변화를 통해, 막 내에서 일어나는 기작에 대한 해석이 가 능하게 되었다 [4]. Satoh 등 [5]은 활성 슬러지 플럭 내 이 온선택성 미소전극을 탐침하여 산소 확산의 제한에 의한 질산화 및 탈질 영역에 대해 규명하였다. Scharmm 등 [6]는 질산화 생물막 내 이온선택성 미소전극을 이용하여 NH4 +, NO3 -, NO2 -, O2의 농도 측정하고, fluorescence in situ hybridization (FISH)를 이용하여 생물막 내 질산화 미생물 의 분포 조사를 조사하였다. 이와 같이 최근에는 이온선택성 미소전극은 분자생물학적 방법인 polymerase chain reactiondenaturing gradient gel elecrophoresis (PCR-DGGE)와 접목하여 생물막을 구성하는 미생물의 종 규명 및 반응기 작에 대한 연구가 가능하고, FISH와 접목하여 in-situ 상태 에서 생물막 내 미생물의 활성, 분포 및 기작에 대한 연구 가 가능해졌다 [7,8]. 본 연구에서는 질산화 생물막 내 NH4 + 및 NO3 -의 농도 를 측정하기 위해 액체 교환막을 이용한 이온선택성 미소 전극을 직접 제작하여 검출한계, 재사용기간 등 미소전극 특성을 평가하였다. 또한, 질산화 생물막에 적용하여 HRT 변화에 따른 생물막 두께에 따른 기질 농도 변화에 대해서 도 평가하였다.