생물학적 탈질, 특히 생물막 기반의 공정은 가혹한 환경에 대해 높은 저항성을 가지고 있어 안정적인 질소 제거를 위해 널리 사용되고 있다. 수소 기반 분리막 생물막 반응기(H₂-MBfR)는 생물학적 탈질 기술에 대한 대안으로써 주목받고 있다. 하지만 지금까지 H₂-MBfR 의 성능 안정성에 대한 체계적인 연구는 거의 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 H₂-MBfR 에서 start-up 부터 연속 운전까지 안정적인 탈질을 가능하게 하는 수소 압력의 영향을 조사하였다.
이를 위해, 1 장에서는 향상된 안정화 성능을 확보하기 위한 start-up 중의 수소 압력의 영향을 조사했다. 수소 압력은 접종원의 순응과 막 표면에 대한 부착 및 추가적인 성능 향상에 상당한 영향을 미쳤다. 본 연구에서는 결과를 바탕으로 초기 운영 단계에서 보다 개선된 안정화 성능을 확보하기 위한 실제 적용에 대한 시사점을 제시하였다.
2 장에서는, 장기 운영 중 생물막에 다양한 외부의 방해요소(disturbance)를 가해지면서 물리적으로 두꺼운 생물막이 축적되었다. 생물막은 황산염 및 과염소산염과 같은 다른 산화음이온을 포함하여 질산염의 충격 부하에 대해 빠른 성능 회복을 보였다. 또한 10℃ 의 낮은 온도에서도 거의 완전한 질소제거가 이루어졌는데, 이는 아마도 두꺼운 생물막의 보호 기능으로 인해 미생물이 낮은 온도에 저항하고 적응했기 때문일 것이다. 마지막으로, 높은 부하 조건에서 수소 플럭스를 초과하는 제거 플럭스가 관찰되었다. 이는 내인성 전자 공여체를 사용하는 종속영양생물의 기여 때문이었을 것이며, 생물막에 포함된 soluble microbial products, extracellular polymeric substances 및 biomass decay 등이 에너지원으로 사용된 것으로 보였다. 실제로, 생물막의 16S rRNA 분석 결과, 절대적인 독립영양 미생물은 확인되지 않았으며 대부분은 종속영양 미생물로 나타났으며, homoacetogens 도 존재하였다. 결과적으로 다량의 생물막 축적은 풍부한 유기물질을 내포하여 종속영양미생물의 성장을 가능하게 하였고, 이로 인해 우수한 회복 탄력성과 향상된 제거 플럭스에 기여하였을 수 있음을 시사하였다.
3 장에서는, 2 장에 이어 생물막의 종속영양 산화음이온 환원을 보다 포괄적으로 이해하기 위해 metagenomic 분석이 수행되었다. 그 결과 생물막에 수소 산화와 더불어 유기 탄소 대사에 관련된 기능 유전자가 풍부하게 존재하는 것이 확인되었다. Homoacetognens 으로 추정 미생물이 주로 Baceriodales 목에서 발견되었으며, 그들이 제공한 acetate 는 종속영양생물의 성장을 촉진했을 것이다. 다양한 기능을 하는 핵심 미생물은 혼합영양 박테리아인 Hydrogenophaga 와 Thauera 였으며, 이것은 내인성 유기 기질의 영존재의 향으로 판단되었다. 본 연구의 결과는 질산염, 황산염 및 과염소산염 등의 산화음이온 환원이 종속영양생물과 함께 수소 산화세균에 의해 수행되었을 가능성을 보다 직접적으로 보여주었다.
2 장에서 발견된 성능 회복탄력성은 운영 중 수소의 과잉 공급으로 인한 종속 영양 성장으로 인한 것으로 가정되었다. 종속 영양 생물이 제공하는 성능 탄력성을 확인하기 위해 생물막이 발달함에 따라 수소 공급이 간헐적으로 차단되었다. 수소가 풍부하게 공급된 반응기는 수소 차단에 대해 회복 탄력성이 높은 것으로 확인되었다. 이는 독립영양 미생물이 생산한 유기성 대사산물과 homoacetogens 이 생산한 acetate 를 이용한 종속영양 미생물의 완충 작용으로 고려되었다.
전반적으로, 본 연구는 탈질 H₂-MBfR 의 안정적인 운영을 가능하게 하는 수소 압력의 영향을 밝혔다. Start-up 중에 수소 압력을 조정하여 순응 및 미생물 부착성을 개선하고, 더욱 향상된 안정화 성능을 달성할 수 있었다. 이후에 이어지는 연속 운영에서 풍부한 수소 공급은 종속영양생물의 성장을 촉진하고 이로 인해 외부 교란에 대한 성능 탄력성을 향상시켜 안정적인 탈질화가 가능하였다.