활성슬러지 공정은 하수와 폐수내의 오염물질인 부유성 고형물, 용해성 유기물, 인과 질소와 같은 오염물질을 생물학적으로 제거하는 수 처리 공정으로 20세기 초에 개발되었다. 이후 현재까지 활성슬러지공정은 다양한 방법으로 개선되어 광범위하게 적용되고 있다. 활성슬러지공정 및 그 변형 공정은 호기적 조건에서 생물학적처리로 오염물질을 제거하는 바, 폭기조가 필수적이다. 폭기조는 하수처리시설에서 소요되는 전체 ...
활성슬러지 공정은 하수와 폐수내의 오염물질인 부유성 고형물, 용해성 유기물, 인과 질소와 같은 오염물질을 생물학적으로 제거하는 수 처리 공정으로 20세기 초에 개발되었다. 이후 현재까지 활성슬러지공정은 다양한 방법으로 개선되어 광범위하게 적용되고 있다. 활성슬러지공정 및 그 변형 공정은 호기적 조건에서 생물학적처리로 오염물질을 제거하는 바, 폭기조가 필수적이다. 폭기조는 하수처리시설에서 소요되는 전체 전력량 중 약 50%를 차지한다. 따라서 에너지 소비를 절감하기 위하여 다양한 방법이 제시되고 있습니다. 그 방법 중 하나는 미세조류가 있다. 미세조류는 빛을 이용하여 광합성을 통해 산소를 발생할 뿐만 아니라 인과 질소를 다량 흡수하여 세포합성에 이용한다. 이런 특성을 이용하여 하수를 처리한다면, 폭기 없이 처리가 가능 할 수 있다. 하지만 빛 투과의 제한으로 인하여, 넓은 부지가 필요하고 수 처리에 긴 시간이 필요하다. 더불어 자연채광을 사용하기 처리시설을 야외에 설치해야하므로, 환경의 변화에 큰 영향을 받게 된다. 이런 문제를 극복하기 위해서, 박테리아와 미세조류를 공배양 하는 것이다. 미세조류가 광합성으로 발생한 산소를 박테리아가 유기물과 질소 제거에 이용하여 빠르게 제거한다면, 송풍에너지를 저감 하고 빠르게 오염물질을 제거할 수 있을 거라 보인다. 제 3장의 연구 목적은 질산화를 위한 산소 공급원으로서 미세조류를 사용할 가능성을 조사하는 것이다. 질산화의 산소요구량을 측정하기 위해, 활성슬러지를 150일 동안 선택배지에서 배양하고, 농화된 질산화균을 성공적으로 배양했다. 질산화농화균을 이용하여 질산화에 대한 산소 요구량을 추정하고 미세조류와의 공배양에 이용하였다. 외부 폭기 없는 혼합이 질산화의 산소요구를 만족 시킬 수 있는지를 확인하기 위해 다양한 혼합조건에 대해 산소이동속도(oxygen transfer rate, OTR)를 측정하였다. 모든 혼합조건에서 OTR은 질산화농화균의 산소소비속도(oxygen uptake rate, OUR)보다 0.4-2.12 mg/L·hr만큼 낮았다. 결과적으로, 인공적 폭기 없는 질산화는 산소의 부족으로 완전한 질산화의 도달은 어렵다. 한편, 6종의 미세조류가 산소생산속도(oxygen production rate, OPR)를 측정하였으며, Chlorella vulgaris, Scenedesmus quadricauda, Chlorella emersonii, Desmodesmus communis는 모든 혼합 조건에서 각각 6.88-8.69 mg/L·hr, 5.28-7.83 mg/L·hr, 4.90-7.59 mg/L·hr 그리고 4.99-7.72 mg/L·hr로 질산화에 충분한 산소를 공급할 수 있음을 입증하였다. 이러한 결과에 기초하여, 충분한 질산화농화균과 공배양을 위해 충분한 산소 공급이 가능한 4 종의 미세조류를 선택하였으며, 외부 폭기 없이 완전한 질산화를 달성하였다. 마지막으로, 공배양의 전기 에너지를 추정하였으며, 공배양에 의한 에너지 소비는 폭기 질산화의 소비 보다 1.63-29.3% 낮음을 보여주었다. 제 3장의 연장선으로 제 4장의 연구는 질산화 박테리아에 대한 미세조류와 빛의 영향을 조사했다. 미세조류 세포의 산소생산속도를 다양한 세포 농도에서 측정했고, 미세조류 종에 무관하게 800 mg/L의 미세조류 농도에서 폭기 없이 질산화농화균에 산소를 충분히 공급 가능함을 발견했다. 하지만 800 mg/L 이상에서는 그림자 효과로 인하여 OPR이 더 이상 증가하지 못함이 나타났다. 반면에 미세조류를 통해서 질산화에 필요한 산소를 공급하고자 할 때, 불가피한 빛이 질산화에 미치는 영향을 알아보고자 질산화농화균의 암모니아산화속도(ammoniaoxidation rates, AOR)와 질산염생산속도(nitrate production rate, NPR)를 측정하였다. 그 결과 폭기로 산소가 충분히 공급됨에도 불구하고, 빛이 있는 경우에는 AOR과 NPR이 각각 58-67% 그리고 73-91% 저감되었다. 미세조류와 질산화농화균의 공배양의 AOR 및 NPR에 대한 빛의 저해 효과는 self-shading 효과로 인해 완화되었다. 흥미롭게도, AOR과 NPR은 C.vulgaris 그리고 S.quadricauda의 질량 비율이 증가함에 따라 감소했지만, D.communis 비율이 증가함에 따라 증가되었다. 이 종(species) 특이적 형상은 활성산소에 의한 것으로 보인다. 마지막으로, 활성산소종과 빛의 부정적인 영향이 최소화되는 미세조류와 박테리아 질량비에서 질산화를 한다면, 폭기한 질산화농화균에 비하여 4.70-47.0%의 전력량을 저감할 수 있었다. 제 5장는 미세조류가 질산화에 요구되는 산소를 공급가능하며, 이를 통해서 저에너지 하수처리가 가능함을 바탕으로 실제하수를 처리를 통해 안정적이고 저에너지 하수처리의 가능성을 조사했다. 본 연구에서는 전형적인 MLE 공정에서 호기조와 무산소조를 각각 미세조류와 박테리아 공배양조와 생물여과조로 구성한 50 m3/day규모의 pilot plant를 650일간 운영하였다. Pilot plant 운영 기간 중 개선을 통해서 겨울철이 포함되어 있는 6개월 동안 한국의 가장 강력한 규제기준인 방류수 수질 기준인 화학적 산소요구량, 부유물질, 총질소 그리고 총인의 유출수의 농도가 각각 20 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L 그리고 0.2 mg/L 이하로 유지되었다. 미세조류와 박테리아가 공배양조에 유입되는 용존산소농도보다 유출되는 용존산소농도가 겨울철이 포함된 기간에서도 높았다. 자연발생된 미세조류가 발생된 산소로 제공될 때, 겨울철이 포함된 기간에서도 질산화 효율은 79-80%로 유지되었다. 이는 여름철과 겨울철의 환경에서 자연발생된 미세조류인 녹조류과 규조류가 충분한 산소를 공급한 결과로 보인다. 이렇게 자연발생된 미세조류에 의해서 질산화에 요구되는 산소를 20-60%가량 대체가 가능함을 보여주었다. 전형적인 MLE 공정과 본 연구에서 제시한 처리 공정의 송풍에 소비비용을 계산한 결과 연간 약 61.7%의 송풍에너지를 저감할 수 있음을 보여주었다. 한편, 본 공정이 미세조류로 하수를 처리하는 raceway와 HARP의 소요 부지 보다 67-89배 작았다. 본 처리 공정은 MLE 공정과 비슷한 부지가 소요된다. 미세조류를 송풍에너지를 저감하는 목적으로 이용한다면 적은 부지에서도 송풍에너지를 저감하면서 안정적인 하수처리가 가능함을 보여주었다.
활성슬러지 공정은 하수와 폐수내의 오염물질인 부유성 고형물, 용해성 유기물, 인과 질소와 같은 오염물질을 생물학적으로 제거하는 수 처리 공정으로 20세기 초에 개발되었다. 이후 현재까지 활성슬러지공정은 다양한 방법으로 개선되어 광범위하게 적용되고 있다. 활성슬러지공정 및 그 변형 공정은 호기적 조건에서 생물학적처리로 오염물질을 제거하는 바, 폭기조가 필수적이다. 폭기조는 하수처리시설에서 소요되는 전체 전력량 중 약 50%를 차지한다. 따라서 에너지 소비를 절감하기 위하여 다양한 방법이 제시되고 있습니다. 그 방법 중 하나는 미세조류가 있다. 미세조류는 빛을 이용하여 광합성을 통해 산소를 발생할 뿐만 아니라 인과 질소를 다량 흡수하여 세포합성에 이용한다. 이런 특성을 이용하여 하수를 처리한다면, 폭기 없이 처리가 가능 할 수 있다. 하지만 빛 투과의 제한으로 인하여, 넓은 부지가 필요하고 수 처리에 긴 시간이 필요하다. 더불어 자연채광을 사용하기 처리시설을 야외에 설치해야하므로, 환경의 변화에 큰 영향을 받게 된다. 이런 문제를 극복하기 위해서, 박테리아와 미세조류를 공배양 하는 것이다. 미세조류가 광합성으로 발생한 산소를 박테리아가 유기물과 질소 제거에 이용하여 빠르게 제거한다면, 송풍에너지를 저감 하고 빠르게 오염물질을 제거할 수 있을 거라 보인다. 제 3장의 연구 목적은 질산화를 위한 산소 공급원으로서 미세조류를 사용할 가능성을 조사하는 것이다. 질산화의 산소요구량을 측정하기 위해, 활성슬러지를 150일 동안 선택배지에서 배양하고, 농화된 질산화균을 성공적으로 배양했다. 질산화농화균을 이용하여 질산화에 대한 산소 요구량을 추정하고 미세조류와의 공배양에 이용하였다. 외부 폭기 없는 혼합이 질산화의 산소요구를 만족 시킬 수 있는지를 확인하기 위해 다양한 혼합조건에 대해 산소이동속도(oxygen transfer rate, OTR)를 측정하였다. 모든 혼합조건에서 OTR은 질산화농화균의 산소소비속도(oxygen uptake rate, OUR)보다 0.4-2.12 mg/L·hr만큼 낮았다. 결과적으로, 인공적 폭기 없는 질산화는 산소의 부족으로 완전한 질산화의 도달은 어렵다. 한편, 6종의 미세조류가 산소생산속도(oxygen production rate, OPR)를 측정하였으며, Chlorella vulgaris, Scenedesmus quadricauda, Chlorella emersonii, Desmodesmus communis는 모든 혼합 조건에서 각각 6.88-8.69 mg/L·hr, 5.28-7.83 mg/L·hr, 4.90-7.59 mg/L·hr 그리고 4.99-7.72 mg/L·hr로 질산화에 충분한 산소를 공급할 수 있음을 입증하였다. 이러한 결과에 기초하여, 충분한 질산화농화균과 공배양을 위해 충분한 산소 공급이 가능한 4 종의 미세조류를 선택하였으며, 외부 폭기 없이 완전한 질산화를 달성하였다. 마지막으로, 공배양의 전기 에너지를 추정하였으며, 공배양에 의한 에너지 소비는 폭기 질산화의 소비 보다 1.63-29.3% 낮음을 보여주었다. 제 3장의 연장선으로 제 4장의 연구는 질산화 박테리아에 대한 미세조류와 빛의 영향을 조사했다. 미세조류 세포의 산소생산속도를 다양한 세포 농도에서 측정했고, 미세조류 종에 무관하게 800 mg/L의 미세조류 농도에서 폭기 없이 질산화농화균에 산소를 충분히 공급 가능함을 발견했다. 하지만 800 mg/L 이상에서는 그림자 효과로 인하여 OPR이 더 이상 증가하지 못함이 나타났다. 반면에 미세조류를 통해서 질산화에 필요한 산소를 공급하고자 할 때, 불가피한 빛이 질산화에 미치는 영향을 알아보고자 질산화농화균의 암모니아산화속도(ammonia oxidation rates, AOR)와 질산염생산속도(nitrate production rate, NPR)를 측정하였다. 그 결과 폭기로 산소가 충분히 공급됨에도 불구하고, 빛이 있는 경우에는 AOR과 NPR이 각각 58-67% 그리고 73-91% 저감되었다. 미세조류와 질산화농화균의 공배양의 AOR 및 NPR에 대한 빛의 저해 효과는 self-shading 효과로 인해 완화되었다. 흥미롭게도, AOR과 NPR은 C.vulgaris 그리고 S.quadricauda의 질량 비율이 증가함에 따라 감소했지만, D.communis 비율이 증가함에 따라 증가되었다. 이 종(species) 특이적 형상은 활성산소에 의한 것으로 보인다. 마지막으로, 활성산소종과 빛의 부정적인 영향이 최소화되는 미세조류와 박테리아 질량비에서 질산화를 한다면, 폭기한 질산화농화균에 비하여 4.70-47.0%의 전력량을 저감할 수 있었다. 제 5장는 미세조류가 질산화에 요구되는 산소를 공급가능하며, 이를 통해서 저에너지 하수처리가 가능함을 바탕으로 실제하수를 처리를 통해 안정적이고 저에너지 하수처리의 가능성을 조사했다. 본 연구에서는 전형적인 MLE 공정에서 호기조와 무산소조를 각각 미세조류와 박테리아 공배양조와 생물여과조로 구성한 50 m3/day규모의 pilot plant를 650일간 운영하였다. Pilot plant 운영 기간 중 개선을 통해서 겨울철이 포함되어 있는 6개월 동안 한국의 가장 강력한 규제기준인 방류수 수질 기준인 화학적 산소요구량, 부유물질, 총질소 그리고 총인의 유출수의 농도가 각각 20 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L 그리고 0.2 mg/L 이하로 유지되었다. 미세조류와 박테리아가 공배양조에 유입되는 용존산소농도보다 유출되는 용존산소농도가 겨울철이 포함된 기간에서도 높았다. 자연발생된 미세조류가 발생된 산소로 제공될 때, 겨울철이 포함된 기간에서도 질산화 효율은 79-80%로 유지되었다. 이는 여름철과 겨울철의 환경에서 자연발생된 미세조류인 녹조류과 규조류가 충분한 산소를 공급한 결과로 보인다. 이렇게 자연발생된 미세조류에 의해서 질산화에 요구되는 산소를 20-60%가량 대체가 가능함을 보여주었다. 전형적인 MLE 공정과 본 연구에서 제시한 처리 공정의 송풍에 소비비용을 계산한 결과 연간 약 61.7%의 송풍에너지를 저감할 수 있음을 보여주었다. 한편, 본 공정이 미세조류로 하수를 처리하는 raceway와 HARP의 소요 부지 보다 67-89배 작았다. 본 처리 공정은 MLE 공정과 비슷한 부지가 소요된다. 미세조류를 송풍에너지를 저감하는 목적으로 이용한다면 적은 부지에서도 송풍에너지를 저감하면서 안정적인 하수처리가 가능함을 보여주었다.
The activated sludge process was developed in the 1900s to biologically remove soluble organics and suspend solids from wastewater. However, activated sludge process and its improved versions are still widely used worldwide to treat wastewater. In these processes, aeration is necessary for microorga...
The activated sludge process was developed in the 1900s to biologically remove soluble organics and suspend solids from wastewater. However, activated sludge process and its improved versions are still widely used worldwide to treat wastewater. In these processes, aeration is necessary for microorganisms to oxidize biodegradable organic matters and nitrogen. Thus, the electric energy required to maintain the necessary aerobic conditions in the aerated tanks accounts for approximately 50% of the total energy consumption in wastewater treatment plants. In Korea and the United States, 16–144 billion kWh of electric power were consumed in 2010 by wastewater treatment plants, which accounted for 0.5%–4% of the national electric power consumption. Hence, a good option to save energy in wastewater treatment plants is to replace electric air blowers with microalgae, which use light and inorganic carbon to produce oxygen through photosynthesis. This dissertation discusses whether microalgae can supply enough oxygen for nitrification and the possibility of long-term pilot plant applications. Chapter 3 aims to investigate the possibility of using microalgae as an oxygen source for nitrification. Consequently, enriched nitrifiers were used to estimate the required amount of oxygen for nitrification and co-culturing with the microalgae; thus, the activated sludge was cultured in a minimum selective medium for 150 days, and the enriched nitrifiers were successfully obtained. Oxygen transfer rates were also measured for various mixing strategies to determine if mixing without aeration can fulfill the required amount of oxygen for nitrification. Subsequently, for all mixing strategies, the oxygen transfer rates were lower than the oxygen uptake rates of enriched nitrifiers. Hence, nitrification without aeration was incomplete because of oxygen deficiency. Moreover, the oxygen production rates of six microalgae species were measured, and it was found that C. vulgaris, S quadricauda, C. emersonii, and D. communism can supply sufficient oxygen for nitrogen oxidation for all mixing conditions. Based on these results, four species of microalgae with sufficient oxygen providing capabilities were selected for co-culturing with enriched nitrifying bacteria and complete nitrification was attained without forced aeration. Hence, the electric energy for co-culturing microalgae and bacteria was less than that for nitrifying bacteria. Chapter 4 studies the effects of microalgae and light on nitrifying bacteria. Accordingly, oxygen production rates of microalgae cells were measured for various cell concentrations, and it was found that 800 mg/L of microalgal cell concentration supplied sufficient oxygen for bacterial nitrification without forced aeration. Moreover, because light was needed to grow microalgae, the forced aeration effect of light on nitrifiers was also investigated by determining the ammonia oxidation rates (AOR) and nitrate production rates (NPR) of enriched nitrifiers in the absence of microalgae, and it was noted that those rates were significantly lower in the presence of light. However, the inhibitory effect of light on AOR and NPR was alleviated in the co-culture of microalgae and enriched nitrifiers owing to the self-shading effect. Interestingly, AOR and NPR decreased as the mass ratio of Chlorella vulgaris and Scenedesmus quadricauda increased; however, they increased with an increased ratio of Desmodesmus communis. This species-specific phenomenon was thought to be attributed to the variable production of reactive oxygen species. The purpose of this study is to investigate the feasibility of co-culturing microalgae and bacteria to develop a pilot plant for practical sewage treatment through a long-term operation. When treating sewage with microalgae, the growth rate of four frequently found species was measured according to the sewage growth rate. If microalgae minimize the outflow of inorganic carbon sources to the atmosphere, it can induce rapid natural growth and promote stability. In addition, the variation in the ammonia concentration in the sewage was examined to determine the stability of the process with respect to the change of the influent ammonia load. The microalgal species showed different resistances, but stable growth can be reached at ammonia concentrations of 100 mg/L. Additionally, to classify the species of naturally occurring microalgae, they were observed under a microscope and then identified, and their morphological characteristics were also studied. Moreover, despite the low temperature and long-term operation with low insolation in winter, the chemical oxygen demand, suspended solids, total nitrogen, and total phosphorus effluent concentration are found to be 20 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L, and 0.2 mg/L, respectively, for 6 months. Furthermore, the microalgae have been partially replaced with the energy consumed by the algae. Finally, the microalgae alone process, the process of this study, and the site of the bacteria-based processes were compared.
The activated sludge process was developed in the 1900s to biologically remove soluble organics and suspend solids from wastewater. However, activated sludge process and its improved versions are still widely used worldwide to treat wastewater. In these processes, aeration is necessary for microorganisms to oxidize biodegradable organic matters and nitrogen. Thus, the electric energy required to maintain the necessary aerobic conditions in the aerated tanks accounts for approximately 50% of the total energy consumption in wastewater treatment plants. In Korea and the United States, 16–144 billion kWh of electric power were consumed in 2010 by wastewater treatment plants, which accounted for 0.5%–4% of the national electric power consumption. Hence, a good option to save energy in wastewater treatment plants is to replace electric air blowers with microalgae, which use light and inorganic carbon to produce oxygen through photosynthesis. This dissertation discusses whether microalgae can supply enough oxygen for nitrification and the possibility of long-term pilot plant applications. Chapter 3 aims to investigate the possibility of using microalgae as an oxygen source for nitrification. Consequently, enriched nitrifiers were used to estimate the required amount of oxygen for nitrification and co-culturing with the microalgae; thus, the activated sludge was cultured in a minimum selective medium for 150 days, and the enriched nitrifiers were successfully obtained. Oxygen transfer rates were also measured for various mixing strategies to determine if mixing without aeration can fulfill the required amount of oxygen for nitrification. Subsequently, for all mixing strategies, the oxygen transfer rates were lower than the oxygen uptake rates of enriched nitrifiers. Hence, nitrification without aeration was incomplete because of oxygen deficiency. Moreover, the oxygen production rates of six microalgae species were measured, and it was found that C. vulgaris, S quadricauda, C. emersonii, and D. communism can supply sufficient oxygen for nitrogen oxidation for all mixing conditions. Based on these results, four species of microalgae with sufficient oxygen providing capabilities were selected for co-culturing with enriched nitrifying bacteria and complete nitrification was attained without forced aeration. Hence, the electric energy for co-culturing microalgae and bacteria was less than that for nitrifying bacteria. Chapter 4 studies the effects of microalgae and light on nitrifying bacteria. Accordingly, oxygen production rates of microalgae cells were measured for various cell concentrations, and it was found that 800 mg/L of microalgal cell concentration supplied sufficient oxygen for bacterial nitrification without forced aeration. Moreover, because light was needed to grow microalgae, the forced aeration effect of light on nitrifiers was also investigated by determining the ammonia oxidation rates (AOR) and nitrate production rates (NPR) of enriched nitrifiers in the absence of microalgae, and it was noted that those rates were significantly lower in the presence of light. However, the inhibitory effect of light on AOR and NPR was alleviated in the co-culture of microalgae and enriched nitrifiers owing to the self-shading effect. Interestingly, AOR and NPR decreased as the mass ratio of Chlorella vulgaris and Scenedesmus quadricauda increased; however, they increased with an increased ratio of Desmodesmus communis. This species-specific phenomenon was thought to be attributed to the variable production of reactive oxygen species. The purpose of this study is to investigate the feasibility of co-culturing microalgae and bacteria to develop a pilot plant for practical sewage treatment through a long-term operation. When treating sewage with microalgae, the growth rate of four frequently found species was measured according to the sewage growth rate. If microalgae minimize the outflow of inorganic carbon sources to the atmosphere, it can induce rapid natural growth and promote stability. In addition, the variation in the ammonia concentration in the sewage was examined to determine the stability of the process with respect to the change of the influent ammonia load. The microalgal species showed different resistances, but stable growth can be reached at ammonia concentrations of 100 mg/L. Additionally, to classify the species of naturally occurring microalgae, they were observed under a microscope and then identified, and their morphological characteristics were also studied. Moreover, despite the low temperature and long-term operation with low insolation in winter, the chemical oxygen demand, suspended solids, total nitrogen, and total phosphorus effluent concentration are found to be 20 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L, and 0.2 mg/L, respectively, for 6 months. Furthermore, the microalgae have been partially replaced with the energy consumed by the algae. Finally, the microalgae alone process, the process of this study, and the site of the bacteria-based processes were compared.
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