0. 들어가며



물고기 똥인 암모니아를 독성이 덜한 질산염으로 바꿔주기 위해

질소산화세균(암모니아산화세균, 아질산산화세균)으로 생물학적 여과를 수행함.


이는 관상어항, 호수 및 바다 등의 생태계에서 적용되지만

수처리에서도 상기 질소산화세균(이하 질산화균)을 활용하여 암모니아를 처리하고 있음.


그래서 수처리 쪽에서 생물학적 여과에 대한 정보가 꽤 많이 있고,

어항의 여과기는 수처리에서 사용하는 부착생물막법과 상당히 유사함.


그래서, "수환경보전을 위한 생물학"이란 책에서 괜찮은 내용을 추려서 적어보려고 함.


참고로 작성자의 주관적인 견해가 상당히 많이 들어가서

내가 원래 알고 있던 지식이나 뇌피셜이 들어간 해석은 따로 표시해놓음.

(결론도 일반적으로 아는 내용이라 그냥 재미삼아 읽으면 좋을듯?)




1. 질소산화세균이란?


질소는 크게 3가지 형태가 있는데,

NH₃(암모니아) → NO₂(아질산) → NO₃(질산)

이렇게 바꿔주는 애를 질소산화세균이라고 함.


암모니아는 생물체에 대해 독성을 갖고 있는데

단순히 말하면 암모니아는 환원된 상태(에너지가 많음)라 유기물을 막 공격함.


근데 질산화균은 암모니아를 산화(안정화)하면서 뺏은 에너지로 성장함.




2. 생물막이란?


먼저 활성슬러지에 대해 알아야 하는데, 폐수에는 무기물(대충 영양분)이 엄청 많잖아?

질산화균을 포함한 미생물들이 무기물을 먹고 엄청 번식해서 군집을 이룬게 활성슬러지임.


근데 말이 활성슬러지지, 그냥 모여서 떠다니는 애들인데

무기물이 많을 때는 막 번식하다가 무기물이 적어지면 배고파서 죽는거임.



- 그래서 부착생물막법이라는 방법을 활용함.


생물막은 미생물이 물체의 표면에 부착해서 수 mm 두께의 집을 만든거임.

그러면 활성슬러지 때와 달리 얘네들이 정착해서 적당한 수를 유지하니까 안정적으로 수질을 정화해줌.

어항 업계에서는 여과재에 생물막을 형성함



3. 생물막법의 이점


위에서 말했듯 미생물이 적당한 수를 유지하니까 안정적으로 수질을 정화해줌.

그리고 애초에 어항은 무기물이 적으니까 생물막법이 아니면 미생물이 별로 못자람.


근데 여기서 이런 질문이 나올 수 있음.

"그냥 암모니아 생기면 질산화균이 먹고 자랐다가 죽으면 되는거 아님?"



맞긴한데,

질산화균의 비증식 속도는 매우 작음.

암모니아산화세균(0.21[1/day]), 아질산산화세균(1.12[1/day])니까

암모니아산화세균이 100마리가 있으면 하루 지나야 121마리가 된다는 거임.


그래서 물고기가 암모니아를 싸면 질산화균이 감당할만큼 증식하기엔 너무 오래걸리고,

막상 질산화균이 암모니아를 다 먹고 증식하면 배고파서 또 죽는거임.


센스가 좋은 사람은, 암모니아균이 아질산균보다 비증식속도가 낮으니까

박테리아 활성제엔 아질산이 아니라 암모니아가 들어있는 이유를 알 수 있음




4. 생물막이 잘 자랄 수 있는 환경


이제 왜 질산화균이 물속에서 자랄 수 있는데,

탱크항에서 왜 매일 환수하는지 이해했을 거라 생각함.

그리고 여과재를 사용해서 왜 생물막을 형성하는 지도 이해했을 거라 생각함.


그럼 생물막은 어떻게 하면 잘 자랄 수 있는데?


일단 표면적이 넓을 수록 좋음.

근데 우리는 효율적으로 생물막을 형성하고 싶으니까 부피 대 표면적이 큰 여과재를 사용하는거지.

여과재는 일반적으로 바닥에 까는 바닥재(돌멩이)나 스펀지를 많이 사용함.



여기서 재밌는 실험이 있는데

촘촘한 벽돌수로랑, 내부 공간이 많은 쇄석(돌멩이)수로를 만들어서

질소(N)-0.35ppm의 오수를 계속 흘려보냄. (유량, 유속 등은 비슷하고 표면적만 약 6배 차이)


근데 벽돌수로는 암모니아균과 아질산균이

윗부분(3m 지점)에서 각기 26.8, 0.9 만큼 존재했는데

아랫부분(30m 지점)에서는 각기 6.7, 0.4 로 감소했다는 거임.


반대로 쇄석수로는 암모니아균과 아질산균이

윗부분(3m 지점)에서 각기 25.6, 1.8 만큼 존재했는데

아랫부분(30m 지점)에서는 각각 64.0, 2.2 로 증가함.

(세균 수단위 : 10⁶cells/cm²)


벽돌수로랑 쇄석수로에서 윗부분의 총균수는 27.7과 25.6으로 비슷했는데

아랫부분에서는 총균수가 7.1과 66.2로 엄청나게 차이가 났다는 거지.


이 책에서는 이 결과가 쇄석 사이에 포착된 현탁성 유기물의 분해와 깊은 관계가있는 것으로 파악 된다네.

물론 이 실험은 오수를 계속 흘려보낸 거라 어항과 상황은 다르지만, 표면적이 얼마나 생물막 형성에 있어서 중요한지 알 수 있지.




5. 그럼 표면적이 크기만 하면 좋은거임?(뇌피셜)


작성자의 주관적인 견해로 그렇지는 않다고 생각함.

일단 생물막은 귀지나 때처럼 수mm 두께로 형성되고 그 이상 자라면 알아서 탈리됨.

근데 이 말을 반대로 말하면 생물막은 일정한 두께까진 자란다는 거임.


평균기공이 너무 작은 스펀지는 생물막이 구멍을 막아서 무기물이 이동하지 못할 수도 있고

표면적이 거친 입자형 여과재는 해안선 역설마냥 표면적은 넓긴 넓었는데 막상 생물막의 부피는 별 것 아닐 수 있다는 거지.


그리고 용존산소는 생물막의 2~3mm 정도만 통과할 수 있다고 하니,

현탁성 유기물을 포착하면서 물이 잘 통과하는 20~30ppi의 스펀지가 가장 효율이 좋은 여과재가 아닌가 싶음.

(잔잔한 물 기준이고, 기포기가 연결된 스펀지 여과기는 ppi가 더 높아도 괜찮을 듯)

근데 효율을 크게 따질 필요는 없는게, 결국 필요한 수의 질소균만 있으면 되는거니까 여과재를 더 넣으면 끝임.




6. 마치며


결론을 요약하면 너무 간단하다

1) 여과재를 쓰는게 암모니아 관리에 수월하다.

2) 스펀지가 효율은 최고지만, 굳이 효율을 따지지 않고 여과재를 더 때려 넣으면 된다.


초심자에겐 여과재의 필요성, 중급자에겐 그 이론적 근거를 알 수 있도록 설명하려고 했는데

난이도 설정을 잘 했을지는 모르겠다.


난 이론을 공부하는게 좋지 경험적 지식에 대해서는 잘 몰라서,

고급자가 보기에는 말도 안되는 내용이 있을 수도 있음. 틀린 거 있으면 댓글로 알려주셈.


[참고문헌]

스도우 류이치. 수환경보전을 위한 생물학. 한국: 동화기술, 2011. 이태관 공역