하이브리드 반응기의 생물막 및 활성 슬러지 내 미생물 군집 개발

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12558(2022) 이 기사 인용

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미생물은 생물학적 폐수 처리에서 중요한 역할을 합니다. 바이오매스가 발달하는 형태는 다양한 미생물 구조의 다양한 조건으로 인해 유기 화합물 전환의 효율성과 메커니즘을 결정합니다. 그러나 생물막과 활성 슬러지의 미생물 군집을 비교하는 연구 결과는 종종 상충됩니다. 따라서 본 연구에서는 16S rRNA 시퀀싱을 사용하여 하이브리드 반응기의 생물막과 활성 슬러지에서 박테리아 군집의 구성과 발달을 비교했습니다. 시퀀싱 데이터의 통계적 분석에는 생물막 및 활성 슬러지의 분류군 특성 식별, 알파 및 베타 다양성 분석, 네트워크 분석이 포함되었습니다. 이러한 분석은 생물막 박테리아 군집이 활성 슬러지 군집보다 더 풍부하고 다양하다는 것을 나타냅니다. OTU의 평균 수는 생물막에서 1614, 활성슬러지에서 993이었고, Chao1(1735 vs. 1105) 및 Shannon(5.3 vs. 4.3) 생물다양성 지수의 평균값은 생물막에서 상당히 높았습니다. 생물막은 질산화제(예: Nitrosomonas, Nitrospira) 및 인 축적 유기체(Candidatus Accumulibacter)의 개발을 위한 더 나은 환경이었습니다. 생물막 동시 발생 네트워크의 박테리아는 서로 더 많은 연결(Spearman의 순위 상관 계수 기준)을 갖고 있어 활성 슬러지의 박테리아보다 더 많이 상호 작용한다는 것을 나타냅니다.

활성 슬러지와 생물막의 미생물 성장을 결합한 하이브리드 생물학적 반응기는 다양한 구성의 폐수 처리에 널리 사용됩니다. 가장 일반적인 유형의 하이브리드 생물반응기에서 생물막은 폭기조에 추가된 이동 캐리어에서 발생하지만 회전식 생물학적 접촉기 또는 수중 베드와 같은 다른 기술 솔루션을 갖춘 시스템도 있습니다. 하이브리드 기술을 기반으로 한 바이오리액터를 사용하면 바이오매스 농도가 증가하고 폐수 처리 효율이 향상됩니다. 이러한 유형의 기술의 예로는 기존의 연속 배치 반응기 기술을 수정한 통합 고정막 활성 슬러지 이동층 연속 배치 생물막 반응기(IFAS-MBSBBR)가 있습니다. 이 반응기에서는 두 가지 형태의 바이오매스가 동일한 탱크에 공존합니다. 이 기술의 주요 장점은 슬러지 벌킹을 제거하고 더 많은 양의 오염물질을 수용할 수 있다는 것입니다1.

사용된 기술 솔루션에 관계없이 미생물은 생물학적 폐수 처리에서 중요한 역할을 합니다. 미생물 군집의 형성은 운영 조건 및 유입되는 폐수의 구성을 비롯한 다양한 요인의 영향을 받습니다2. 오염물질 제거 효율성과 전체 공정의 성능에 영향을 미치는 중요한 요소는 슬러지 수명입니다. 고형물 체류 시간(SRT)이라고도 불리는 슬러지 연령은 고형분(박테리아)이 반응기에서 소비하는 시간입니다. 박테리아의 각 그룹은 증식을 위한 최적의 시간이 다르며 SRT가 너무 짧으면 시스템에서 씻겨 나가게 됩니다. 증식에 필요한 시간 측면에서 다양한 박테리아의 요구 사항은 매우 다릅니다. 긴 SRT는 질화 및 사상균의 발달을 선호하는 반면, 짧은 SRT는 인 축적 박테리아를 선호하고 탈질소화합니다3,4,5. 바이오매스가 발달하는 형태도 미생물 군집의 최종 구조에 상당한 영향을 미칩니다. 생물막의 조건은 활성 슬러지의 조건과 다릅니다. 예를 들어 생물막에는 산소와 영양분의 농도 구배가 있으며 이러한 물질 중 더 적은 양이 생물막의 더 깊은 층에 도달합니다. 따라서 활성슬러지와 생물막은 오염물질 제거 메커니즘이 서로 다릅니다6. 생물막의 최적 두께는 폐수 처리 공정의 성능에 매우 중요합니다. 너무 얇으면 탈질균이 증식할 수 있는 무산소 조건을 제공하지 못하며, 너무 두꺼우면 영양분에 대한 접근을 제한하는 장벽 역할을 하기 때문에 질화 박테리아에 불리합니다.7. 미생물 군집의 형태도 발달 단계에 따라 결정됩니다. 활성 슬러지와 생물막 모두에서 성숙 과정이 진행됨에 따라 개별 박테리아 그룹의 비율이 변경됩니다.