반류수는 하수처리과정의 슬러지 처리공정 중에 발생되는 슬러지 탈수 여액, 농축 여액 등을 포함하는 고농도의 혼합 폐액이다. 1980년대 후반에 반류수의 처리 수질에 대한 문제점이 대두되기 시작하고, 방류수 수질기준이 강화되면서 반류수 내의 질소, 인의 처리에 대한 중요성이 더욱 증대되고 있다. 반류수 내에는 질소, 인이 고농도로 포함되어 있고, C/N비가 낮으며 난분해성 유기물을 다량 함유하고 있어 안정적인 제거에 어려움을 겪고 있다. 현재 반류수를 제거하는 방법으로는 장기 폭기법, MLE(Modified Ludzack-Ettinger)공정, Anammox 공법, 아질산화-아탈질 공법인 SHARON(Stable-reactor, High-Activity Ammonia Removal Over Nitrite) 공법 등이 있다. 하지만 이러한 반류수 처리방법은 외부 탄소원의 추가 및 알칼리도 공급이 필수적이거나 미생물 배양이 어렵고 시간이 오래 걸리며, 미생물의 유실로 인해 생물학적 처리 공정에 범용적으로 적용되기 어렵다는 문제점이 있다. 미생물의 유실을 방지하고 고농도의 미생물 유지가 가능한 미생물고정화법을 하·폐수 처리에 적용하려는 연구가 1960년 후반부터 진행되었고, 담체 없이 고농도의 바이오매스 유지가 가능하며, 고농도의 하·폐수 처리가 가능한 호기성 그래뉼 슬러지 기술이 이러한 반류수를 처리하기 위한 대안이 될 수 있다.
호기성 그래뉼 슬러지는 미생물의 자가 고정화를 통해 형성된 미생물 군집체로, 오염물질의 처리 효율이 높고 고액분리가 뛰어나다. 또한, 하·폐수의 체류시간 단축, 안정적인 침강성, 고농도의 유기성 폐수에 대한 높은 처리 성능을 유지하는 등의 장점을 가지고 있다. 하지만 긴 그래뉼화 시간과 장기간 작동 시 불안정한 그래뉼 구조는 기술의 본격적인 적용을 방해하는 주요 문제로 알려져 있다. Quorum sensing(QS)은 박테리아 유전자 발현과 생리적 행동을 조정하는 세포 간의 통신 접근 방식으로, 화학적 신호 분자의 교환에 의해 발생한다. N-acyl-homoserine Lactone(AHL)은 QS 신호 분자의 일종이며, 호기성 그래뉼 슬러지는 미생물 QS 시스템을 형성하는 기본 조건을 충족할 수 있는 조밀한 구조와 높은 바이오매스를 가지고 있다. 외인성 AHL의 추가를 통한 QS의 선택적 향상은 오염물질의 제거성능을 향상시키고, 세포외 고분자 물질의 분비 및 그래뉼화 과정을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 AHL이 호기성 그래뉼의 형성 및 안정성 유지에 미치는 영향을 확인하고자 연속식 반응기에 N-Octanoyl-L-homoserine lactone(C8-HSL)을 추가하여 운전하였다. Reactor A는 대조군, Reactor B에는 C8-HSL이 5 μM의 농도로 추가되었다.
실험 결과 COD 제거효율은 신호전달물질의 추가와 관계없이 높은 제거효율을 나타냈으나, 총 질소 및 총 인의 제거효율은 AHL의 추가로 증가하는 것을 확인하였다. 입도 분석 및 현미경 분석을 통해 AHL의 추가로 그래뉼의 크기가 2.5배 증가하고 유지되는 것을 확인하였다. AHL의 추가는 세포외 고분자 물질의 분비를 증가시켰으며, EPS 중 특히 PS의 분비를 통해 QS에 참여하는 것으로 보인다. 미생물 군집 분석 결과 EPS 분비 및 그래뉼화와 관련된 군집의 변화를 확인하였으며, AHL의 추가로 미생물 군집의 다양성 및 풍부도가 증가함을 확인하였다.
AHL의 추가는 더 많은 미생물의 응집을 유도하였으며, 그래뉼의 크기를 증가시키고 그래뉼 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 AHL의 추가로 호기성 그래뉼의 형성 및 구조적 안정성이 향상될 수 있다고 판단된다.

The plant recycle flow is is a high-concentration mixed waste liquid including sludge dewatering filtrate and concentrated filtrate generated during the sludge treatment process of the sewage treatment process. In the late 1980s, as the problem of treated water quality by plant recycle flow emerged and effluent water quality standards were strengthened, the importance of treating nitrogen and phosphorus in plant recycle flow is further increasing. The plant recycle flow contains high concentrations of nitrogen and phosphorus, has a low C/N ratio, and contains a large amount of non-biodegradable organics, making it difficult to remove it stably. Currently, there are Extended Aeration method, MLE(Modified Ludzack-Ettinger) process, Anammox process, and SHARON (Stable-reactor, High-Activity Ammonia Removal Over Nitrite) method as methods for treating plant recycle flow. However, such a method for treating backwater requires the addition of an external carbon source and the supply of alkalinity. In addition, there are problems in that cultivation of microorganisms is difficult and takes a long time, and it is difficult to be universally applied to biological treatment processes due to loss of microorganisms. Research to apply the microbial immobilization method, which can prevent loss of microorganisms and maintain high concentrations of microorganisms to sewage and wastewater treatment, has been conducted since the late 1960s. An aerobic granular sludge technique capable of providing water can be an alternative for treating the plant recycle flow.
Aerobic granular sludge is a microbial community formed through self-immobilization of microorganisms, and has high contaminant treatment efficiency and excellent solid-liquid separation. In addition, it has advantages such as shortening the retention time of sewage and wastewater, stable sedimentation, and maintaining high treatment performance for high-concentration organic wastewater. However, long granulation time and unstable granule structure during long-term operation are known as major problems that hinder the full-scale application of the technology. Quorum sensing (QS) is an intercellular communication approach that mediates bacterial gene expression and physiological behavior, caused by the exchange of chemical signaling molecules.
N-acyl-homoserine lactone (AHL) is a kind of QS signaling molecule, and aerobic granular sludge has a compact structure and high biomass that can meet the basic conditions for forming a microbial QS system. Selective enhancement of QS through the addition of exogenous AHLs can improve contaminant removal performance. It can also increase the secretion of extracellular polymeric substances and improve the granulation process. In this study, N-Octanoyl-L-homoserine lactone (C8-HSL) was added to a Flow reactor to investigate the effect of AHL on the formation and stability of aerobic granules. Reactor A was added as a control, and C8-HSL was added at a concentration of 5 μM to Reactor B.
As a result of the experiment, the COD removal efficiency was high regardless of the addition of signal molecules, but the total nitrogen and phosphorus removal efficiencies increased with the addition of AHL. Through particle size analysis and microscopic analysis, it was confirmed that the addition of AHL increased the size of the granules by 2.5 times and maintained them. The addition of AHL increased the secretion of extracellular polymeric substances, and appears to participate in QS through the secretion of PS, especially among EPS. As a result of microbial community analysis, the community related to EPS secretion and granulation was changed. The addition of AHL also increased the diversity and abundance of the microbial community.
Addition of AHL induced more microbial aggregation, which could increase granule size and improve granule stability. It is also believed that the addition of AHL can improve the formation of aerobic granules and their structural stability.