질소는 대표적인 부영양화 원인 물질이다(Fernandez et al., 2008). 이러한 질소는 섬유, 화학, 제지, 식품 및 도금 산업 등의 방류수에 포함되어 다양한 경로를 통해 수계로 유입되어 인간에게 직, 간접적으로 영향을 미친다. 아질산성 질소는 형액의 헤모글로빈과 결합하여 산소 운반능력을 감소시키며 질산성 질소는 발암 전구물질로 분류된 나이트로조아민(nitrosoamine)을 생성한다.(Camargo et al., 2005; Zhou et al., 2009). 따라서 ...
질소는 대표적인 부영양화 원인 물질이다(Fernandez et al., 2008). 이러한 질소는 섬유, 화학, 제지, 식품 및 도금 산업 등의 방류수에 포함되어 다양한 경로를 통해 수계로 유입되어 인간에게 직, 간접적으로 영향을 미친다. 아질산성 질소는 형액의 헤모글로빈과 결합하여 산소 운반능력을 감소시키며 질산성 질소는 발암 전구물질로 분류된 나이트로조아민(nitrosoamine)을 생성한다.(Camargo et al., 2005; Zhou et al., 2009). 따라서 산업폐수의 부정적인 환경 영향을 줄이기 위해 폐수에 포함된 질소를 제거하고 있다(Laureni et al., 2015). 질소를 처리하기 위한 다양한 물리, 화학적 공법이 있으나 가축 분뇨 및 침출수 등의 고농도 질소 함유 폐수를 처리하는데 적합하지 않다(Choi et al., 2005, Van Hulle et al., 2010). 따라서 보다 비용 효율적인 생물학적 질소제거 공법을 주로 사용하고 있다. 과거부터 현재까지 사용된 재래식 질소제거 공정은 다양한 변법으로 이루어져있으나 크게 암모늄 산화균과 아질산염 산화균을 이용한 질산화와 종속 영양 탈질균을 이용한 탈질화로 이루어져 있다(Ma et al., 2016; Hellinga et al., 1998; She et al., 2016). 그러나 일반적으로 낮은 에너지 효율과 외부 탄소원 주입 등의 단점이 있어 극복이 필요하다(Zhao et al., 2013; Shen et al., 2009). 탈암모늄균은 1990년대에 발견된 무산소조건에서 아질산염을 전자 수용체로 활용하여 암모늄을 질소 가스로 전환시키는 독립 영양 미생물이다(Abma et al., 2010; Mulder et al., 1995). 아질산염과 질산염을 1:1.32의 비율로 사용하는 생물학적 특성으로 인해 유입 암모늄의 50-60%를 아질산염으로 전환하는 부분 아질산화 공정과 주로 결합되는 탈암모늄 공정은 종속 영양 미생물로 유기 탄소원의 주입이 필요 없으며 부분 아질산화로인해 산소 요구량을 약 60% 절약할 수 있는 장점이 있다(Kartal et al., 2010; Okabe et al., 2011; Ma et al., 2016). 그러나 효과적인 부분 아질산화/탈암모늄 공정을 위해서는 아질산염 산화균을 억제하며 암모늄 산화균을 우점화 시키고 느린 성장속도를 가진 암모늄 산화균과 탈암모늄균의 유실을 방지하기 위한 방법이 필요하다(Huang et al., 2016; Xing et al., 2013; van der Star et al., 2008; Wang et al., 2009; Jetten et al., 1999; Isake et al., 2006). 이를 위해 폴리비닐 알코올과 알긴산 나트륨을 이용한 PVA/alginate 담체를 제작하여 2단 질소제거 공정(부분 아질산화/탈암모늄 공정)을 운전하였으며 성공적인 부분 아질산화와 탈암모늄 반응을 달성하였다. 부분 아질산화 공정에 PVA/algiante 담체는 매우 적합하여 암모늄이 아질산염으로 안정적으로 전환되었으며 질산염으로 거의 전화되지 않았다. 그러나 탈암모늄 공정에서는 탈암모늄 반응 유도 후 담체의 팽창 및 파괴 현상이 나타나 운전을 중단하였다. 원인을 규명한 결과 PVA/alginate 담체의 낮은 가스 투과성으로 인해 담체 내부에 질소 가스가 축적되어 파괴된 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 발포제를 사용하여 PVA/alginate 담체의 가스 투과성 및 물질 전달을 개선한 다공성 PVA/algiante 담체를 개발하고자 하였으며 다공성 담체에 적합한 발포제를 선정하고 물성 실험 및 연속 운전 실험을 수행하였다.
질소는 대표적인 부영양화 원인 물질이다(Fernandez et al., 2008). 이러한 질소는 섬유, 화학, 제지, 식품 및 도금 산업 등의 방류수에 포함되어 다양한 경로를 통해 수계로 유입되어 인간에게 직, 간접적으로 영향을 미친다. 아질산성 질소는 형액의 헤모글로빈과 결합하여 산소 운반능력을 감소시키며 질산성 질소는 발암 전구물질로 분류된 나이트로조아민(nitrosoamine)을 생성한다.(Camargo et al., 2005; Zhou et al., 2009). 따라서 산업폐수의 부정적인 환경 영향을 줄이기 위해 폐수에 포함된 질소를 제거하고 있다(Laureni et al., 2015). 질소를 처리하기 위한 다양한 물리, 화학적 공법이 있으나 가축 분뇨 및 침출수 등의 고농도 질소 함유 폐수를 처리하는데 적합하지 않다(Choi et al., 2005, Van Hulle et al., 2010). 따라서 보다 비용 효율적인 생물학적 질소제거 공법을 주로 사용하고 있다. 과거부터 현재까지 사용된 재래식 질소제거 공정은 다양한 변법으로 이루어져있으나 크게 암모늄 산화균과 아질산염 산화균을 이용한 질산화와 종속 영양 탈질균을 이용한 탈질화로 이루어져 있다(Ma et al., 2016; Hellinga et al., 1998; She et al., 2016). 그러나 일반적으로 낮은 에너지 효율과 외부 탄소원 주입 등의 단점이 있어 극복이 필요하다(Zhao et al., 2013; Shen et al., 2009). 탈암모늄균은 1990년대에 발견된 무산소조건에서 아질산염을 전자 수용체로 활용하여 암모늄을 질소 가스로 전환시키는 독립 영양 미생물이다(Abma et al., 2010; Mulder et al., 1995). 아질산염과 질산염을 1:1.32의 비율로 사용하는 생물학적 특성으로 인해 유입 암모늄의 50-60%를 아질산염으로 전환하는 부분 아질산화 공정과 주로 결합되는 탈암모늄 공정은 종속 영양 미생물로 유기 탄소원의 주입이 필요 없으며 부분 아질산화로인해 산소 요구량을 약 60% 절약할 수 있는 장점이 있다(Kartal et al., 2010; Okabe et al., 2011; Ma et al., 2016). 그러나 효과적인 부분 아질산화/탈암모늄 공정을 위해서는 아질산염 산화균을 억제하며 암모늄 산화균을 우점화 시키고 느린 성장속도를 가진 암모늄 산화균과 탈암모늄균의 유실을 방지하기 위한 방법이 필요하다(Huang et al., 2016; Xing et al., 2013; van der Star et al., 2008; Wang et al., 2009; Jetten et al., 1999; Isake et al., 2006). 이를 위해 폴리비닐 알코올과 알긴산 나트륨을 이용한 PVA/alginate 담체를 제작하여 2단 질소제거 공정(부분 아질산화/탈암모늄 공정)을 운전하였으며 성공적인 부분 아질산화와 탈암모늄 반응을 달성하였다. 부분 아질산화 공정에 PVA/algiante 담체는 매우 적합하여 암모늄이 아질산염으로 안정적으로 전환되었으며 질산염으로 거의 전화되지 않았다. 그러나 탈암모늄 공정에서는 탈암모늄 반응 유도 후 담체의 팽창 및 파괴 현상이 나타나 운전을 중단하였다. 원인을 규명한 결과 PVA/alginate 담체의 낮은 가스 투과성으로 인해 담체 내부에 질소 가스가 축적되어 파괴된 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 발포제를 사용하여 PVA/alginate 담체의 가스 투과성 및 물질 전달을 개선한 다공성 PVA/algiante 담체를 개발하고자 하였으며 다공성 담체에 적합한 발포제를 선정하고 물성 실험 및 연속 운전 실험을 수행하였다.
Since discovery of the deammonification process from 1990s, paradigm of nitrogen removal from ammonium-rich residual wasterwater was shifted. The deammonification process, autotrophic deammonification bacteria can convert ammonium to dinitrogen gas with nitrite as an electron accepter under the anox...
Since discovery of the deammonification process from 1990s, paradigm of nitrogen removal from ammonium-rich residual wasterwater was shifted. The deammonification process, autotrophic deammonification bacteria can convert ammonium to dinitrogen gas with nitrite as an electron accepter under the anoxic condition. With this unique characteristic of deammonification bacteria, deammonification process combined with a partial nitritation normally. The advantage of two-stage partial nitritation/deammonification process are as follows; lower oxygen demand, no external carbon source requirement, lower sludge production and less area requirement. However, it is critical obstacle to keep concentration of biomass adequately in the reactor and to stabilize the start-up, due to very slow growth rate of deammonification bacteria for 11 days and ammonium-oxidizing bacteria for 8 hours approximately. For these reasons, immobilization of microbial cells showed an increasing interest in wastewater treatment to minimize the risk of biomass wash-out from the reactors and to provide a process stability. Partial nitritation and deammonification process using PVA/alginate carrier have been carried out successfully and PVA/alginate carrier have the advantge of suppression of nitrite-oxidizing bacteria by low gas permeability of carrier. However, carrier swelled and burst by nitrogen gas produced by deammonification bacteria due to low gas permeability of carrier. The purpose of this study is to develop porous PVA/aglinate carrier improved gas permeability and mass transfer by using forming agent (NaHCO3). The result from this studies revealed that NaHCO3 is more suitable pore forming agents for porous PVA/alginate carrier than that of Na2CO3. PVA/alginate carrier containing NaHCO3 produced more homogeneous and denser pores than Na2CO3. Futhermore carrier containing Na2CO3 have conglutinated to each other for immobilization processes. There were many improvements by using pore forming agent for PVA/alginate carrier. The structure of the carrier was destroyed by the pore-forming bubble and formed fine pore in the carrier. Due to the pore function as channel, mass transfer and gas permeability has improved. And improvement of mass transfer results better cross-link of the PVA/alginate carrier containing NaHCO3 0.6 w/v%; increasing of the density, porosity and swelling ratio. When nitrogen loading rate was maintained at 1.81±0.01 kgNm-3d-1, nitrogen removal rate of control, 0.30 and 0.60 % with addition of NaHCO3 showed 1.67±0.01, 1.67±0.01, 1.69±0.02 kgNm-3d-1. Control, NaHCO3 0.30 and 0.60 % have achieved 1.93±0.08, 2.05±0.02, 2.25±0.03 kgNm-3d-1 of nitrogen removal rate, respectively, at 3.11±0.01 kgNm-3d-1 of nitrogen loading rate.
Since discovery of the deammonification process from 1990s, paradigm of nitrogen removal from ammonium-rich residual wasterwater was shifted. The deammonification process, autotrophic deammonification bacteria can convert ammonium to dinitrogen gas with nitrite as an electron accepter under the anoxic condition. With this unique characteristic of deammonification bacteria, deammonification process combined with a partial nitritation normally. The advantage of two-stage partial nitritation/deammonification process are as follows; lower oxygen demand, no external carbon source requirement, lower sludge production and less area requirement. However, it is critical obstacle to keep concentration of biomass adequately in the reactor and to stabilize the start-up, due to very slow growth rate of deammonification bacteria for 11 days and ammonium-oxidizing bacteria for 8 hours approximately. For these reasons, immobilization of microbial cells showed an increasing interest in wastewater treatment to minimize the risk of biomass wash-out from the reactors and to provide a process stability. Partial nitritation and deammonification process using PVA/alginate carrier have been carried out successfully and PVA/alginate carrier have the advantge of suppression of nitrite-oxidizing bacteria by low gas permeability of carrier. However, carrier swelled and burst by nitrogen gas produced by deammonification bacteria due to low gas permeability of carrier. The purpose of this study is to develop porous PVA/aglinate carrier improved gas permeability and mass transfer by using forming agent (NaHCO3). The result from this studies revealed that NaHCO3 is more suitable pore forming agents for porous PVA/alginate carrier than that of Na2CO3. PVA/alginate carrier containing NaHCO3 produced more homogeneous and denser pores than Na2CO3. Futhermore carrier containing Na2CO3 have conglutinated to each other for immobilization processes. There were many improvements by using pore forming agent for PVA/alginate carrier. The structure of the carrier was destroyed by the pore-forming bubble and formed fine pore in the carrier. Due to the pore function as channel, mass transfer and gas permeability has improved. And improvement of mass transfer results better cross-link of the PVA/alginate carrier containing NaHCO3 0.6 w/v%; increasing of the density, porosity and swelling ratio. When nitrogen loading rate was maintained at 1.81±0.01 kgNm-3d-1, nitrogen removal rate of control, 0.30 and 0.60 % with addition of NaHCO3 showed 1.67±0.01, 1.67±0.01, 1.69±0.02 kgNm-3d-1. Control, NaHCO3 0.30 and 0.60 % have achieved 1.93±0.08, 2.05±0.02, 2.25±0.03 kgNm-3d-1 of nitrogen removal rate, respectively, at 3.11±0.01 kgNm-3d-1 of nitrogen loading rate.
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