[학위논문]산업폐수의 고도산화와 발생 CO2의 미세조류배양 기반 융합처리기술 개발 Development of convergence processing technology based on advanced oxidation of industrial wastewater and microalgae culture of generated CO2원문보기
인간의 산업활동이 증가함에 따라 기존의 유기오염물질 측정지표COD로는 관리에 한계가 있어, 우리나라 정부는 지표를 TOC로 변경하였다. 변경된 지표는 2022년부터 모든 시설에 대하여 전면 적용되었으며, 그에 따른 처리시설 공정의 개선을 권고하였다. 이 중 다량의 난분해성 유기오염물질을 포함한 산업폐수는 유기물질 농도의 변화 폭이 크기 때문에 처리기준 준수에 어려움이 있는 것으로 나타났다. 본 연구는 이러한 산업폐수에 대하여 수질오염지표 내 처리 및 배출을 위한 방안으로 고도산화처리기술을 적용한 공정의 개선방안을 제안하고자 하였다. 고도산화처리기술 중 한 종류인 ...
인간의 산업활동이 증가함에 따라 기존의 유기오염물질 측정지표COD로는 관리에 한계가 있어, 우리나라 정부는 지표를 TOC로 변경하였다. 변경된 지표는 2022년부터 모든 시설에 대하여 전면 적용되었으며, 그에 따른 처리시설 공정의 개선을 권고하였다. 이 중 다량의 난분해성 유기오염물질을 포함한 산업폐수는 유기물질 농도의 변화 폭이 크기 때문에 처리기준 준수에 어려움이 있는 것으로 나타났다. 본 연구는 이러한 산업폐수에 대하여 수질오염지표 내 처리 및 배출을 위한 방안으로 고도산화처리기술을 적용한 공정의 개선방안을 제안하고자 하였다. 고도산화처리기술 중 한 종류인 저온 플라즈마 처리는 고온 플라즈마 대비 낮은 온도에서 플라즈마를 발생시켜 적은 에너지 비용을 소모하는 장점이 있으며, 다른 고도산화처리기술과 비교하여 부산물을 생성하지 않는다는 장점이 있어 그 적용분야가 늘어나고 있는 유망한 기술이다. 또한 기존 공정에 시설의 변화없이 적용이 가능하다는 장점이 있어 기존 생물학적 처리로는 한계가 있는 난분해성 유기오염물질의 처리에 대안이 될 수 있다. 다만, 저온 플라즈마 처리과정에서 폐수 내 난분해성 유기물질은 플라즈마 방전과정에서 생성된 높은 산화력을 가진 화학종들에 의해 산화 분해되어 다량의 이산화탄소를 공기중으로 배출시킨다. 이산화탄소는 온실가스 규제물질로 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC)에 따라 감축을 목표로 하고 있다. 이러한 국제적 흐름에 발 맞추어 본 연구는 폐수 내 유기오염물질의 저감과 동시에 배출되는 이산화탄소의 양 또한 저감하고자 하였으며 그 방안으로 미세조류 배양 기반 융합처리기술을 제안하고자 하였다. 연구를 통해 제안한 저온 플라즈마 고도산화처리와 발생 CO2의 미세조류배양 기반 융합 처리 공정으로부터 유기오염물질의 제거효율을 확인하고 제거 메커니즘을 규명하여 적용 처리기술의 타당성과 필요성을 보이고자 하였다. 둘째로, 발생 CO2를 미세조류 배양에 적용하였을 때 저감되는 이산화탄소의 공기중 배출을 센서 모니터링을 통해 확인하고자 하였으며, 이산화탄소의 농도변화와 배양조 내 반응과의 관계를 탄소물질수지를 바탕으로 확인하는 것을 목적으로 하였다. 반응조의 구성 후 5일간 진행한 실험의 분석결과, TOC는 초기 1,515 mg C/L 대비 378 mg C/L로 감소하여 75%의 제거효율을 확인하였다. 회기분석을 통해 0.33 /d의 제거 속도 상수 값을 가지며 1차 반응에 유사한 형태로 제거됨을 보였다. 저온 플라즈마로부터 생성되는 OH radical의 정량을 통해 유기오염물질의 제거 메커니즘을 규명하였으며, 본 기술의 적용이 폐수 내 난분해성 유기오염물질의 저감을 가능하게 함을 증명하였다. 구간별 이산화탄소 센서의 설치 및 모니터링을 통해 폐수 내에서 제거되어 배출되는 이산화탄소의 농도와 미세조류 배양조를 거쳐 저감 후 배출되는 이산화탄소의 농도의 변화를 실시간 모니터링이 가능함을 보였다. 또한 미세조류 배양조 내 무기탄소(IC) 농도 분석과 미세조류 건조중량의 측정을 통해 이산화탄소가 배양액 내 용해되어 농도를 증가시키고 이것이 미세조류의 성장에 영향을 주어 성장속도를 증가시켰음을 입증하였다. 바탕실험 대비 CO2 주입 배양조에서 30 %(117→1,550 mg/L, 117→1,993 mg/L) 향상된 생산성을 얻었으며 제안 시스템이 공기 중 CO2배출을 저감할 뿐만 아니라 유용자원인 바이오매스의 생산성을 증가시킬 수 있음을 증명하였다. 분석 및 센서 데이터 수집을 통해 얻어진 탄소농도를 바탕으로 계산하였을 때, 하루 평균 0.53 g C가 저온 플라즈마 처리를 통해 폐수 내 산화 분해되어 CO2형태로 제거되었으며 이 중 0.02 g C가 무기탄소 형태로 배양액 내에 용존되고 0.11 g C가 미세조류의 바이오매스로 전환되어 20 %가 회수되어 탄소고정을 가능하게 하는 유의미한 결과를 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구는 산업폐수 내 난분해성 유기오염물질의 적정처리와 이산화탄소의 배출 저감 및 미세조류 생물자원을 회수하여 경제적이고 효율적인 공정으로 활용 가능함을 보여준다.
인간의 산업활동이 증가함에 따라 기존의 유기오염물질 측정지표COD로는 관리에 한계가 있어, 우리나라 정부는 지표를 TOC로 변경하였다. 변경된 지표는 2022년부터 모든 시설에 대하여 전면 적용되었으며, 그에 따른 처리시설 공정의 개선을 권고하였다. 이 중 다량의 난분해성 유기오염물질을 포함한 산업폐수는 유기물질 농도의 변화 폭이 크기 때문에 처리기준 준수에 어려움이 있는 것으로 나타났다. 본 연구는 이러한 산업폐수에 대하여 수질오염지표 내 처리 및 배출을 위한 방안으로 고도산화처리기술을 적용한 공정의 개선방안을 제안하고자 하였다. 고도산화처리기술 중 한 종류인 저온 플라즈마 처리는 고온 플라즈마 대비 낮은 온도에서 플라즈마를 발생시켜 적은 에너지 비용을 소모하는 장점이 있으며, 다른 고도산화처리기술과 비교하여 부산물을 생성하지 않는다는 장점이 있어 그 적용분야가 늘어나고 있는 유망한 기술이다. 또한 기존 공정에 시설의 변화없이 적용이 가능하다는 장점이 있어 기존 생물학적 처리로는 한계가 있는 난분해성 유기오염물질의 처리에 대안이 될 수 있다. 다만, 저온 플라즈마 처리과정에서 폐수 내 난분해성 유기물질은 플라즈마 방전과정에서 생성된 높은 산화력을 가진 화학종들에 의해 산화 분해되어 다량의 이산화탄소를 공기중으로 배출시킨다. 이산화탄소는 온실가스 규제물질로 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC)에 따라 감축을 목표로 하고 있다. 이러한 국제적 흐름에 발 맞추어 본 연구는 폐수 내 유기오염물질의 저감과 동시에 배출되는 이산화탄소의 양 또한 저감하고자 하였으며 그 방안으로 미세조류 배양 기반 융합처리기술을 제안하고자 하였다. 연구를 통해 제안한 저온 플라즈마 고도산화처리와 발생 CO2의 미세조류배양 기반 융합 처리 공정으로부터 유기오염물질의 제거효율을 확인하고 제거 메커니즘을 규명하여 적용 처리기술의 타당성과 필요성을 보이고자 하였다. 둘째로, 발생 CO2를 미세조류 배양에 적용하였을 때 저감되는 이산화탄소의 공기중 배출을 센서 모니터링을 통해 확인하고자 하였으며, 이산화탄소의 농도변화와 배양조 내 반응과의 관계를 탄소물질수지를 바탕으로 확인하는 것을 목적으로 하였다. 반응조의 구성 후 5일간 진행한 실험의 분석결과, TOC는 초기 1,515 mg C/L 대비 378 mg C/L로 감소하여 75%의 제거효율을 확인하였다. 회기분석을 통해 0.33 /d의 제거 속도 상수 값을 가지며 1차 반응에 유사한 형태로 제거됨을 보였다. 저온 플라즈마로부터 생성되는 OH radical의 정량을 통해 유기오염물질의 제거 메커니즘을 규명하였으며, 본 기술의 적용이 폐수 내 난분해성 유기오염물질의 저감을 가능하게 함을 증명하였다. 구간별 이산화탄소 센서의 설치 및 모니터링을 통해 폐수 내에서 제거되어 배출되는 이산화탄소의 농도와 미세조류 배양조를 거쳐 저감 후 배출되는 이산화탄소의 농도의 변화를 실시간 모니터링이 가능함을 보였다. 또한 미세조류 배양조 내 무기탄소(IC) 농도 분석과 미세조류 건조중량의 측정을 통해 이산화탄소가 배양액 내 용해되어 농도를 증가시키고 이것이 미세조류의 성장에 영향을 주어 성장속도를 증가시켰음을 입증하였다. 바탕실험 대비 CO2 주입 배양조에서 30 %(117→1,550 mg/L, 117→1,993 mg/L) 향상된 생산성을 얻었으며 제안 시스템이 공기 중 CO2배출을 저감할 뿐만 아니라 유용자원인 바이오매스의 생산성을 증가시킬 수 있음을 증명하였다. 분석 및 센서 데이터 수집을 통해 얻어진 탄소농도를 바탕으로 계산하였을 때, 하루 평균 0.53 g C가 저온 플라즈마 처리를 통해 폐수 내 산화 분해되어 CO2형태로 제거되었으며 이 중 0.02 g C가 무기탄소 형태로 배양액 내에 용존되고 0.11 g C가 미세조류의 바이오매스로 전환되어 20 %가 회수되어 탄소고정을 가능하게 하는 유의미한 결과를 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구는 산업폐수 내 난분해성 유기오염물질의 적정처리와 이산화탄소의 배출 저감 및 미세조류 생물자원을 회수하여 경제적이고 효율적인 공정으로 활용 가능함을 보여준다.
As human industrial activity increases, the existing organic pollutant measurement indicator COD has limitations in management, so the Korean government changed the indicator to TOC. The changed indicators were fully applied to all facilities from 2022, and it was recommended to improve the treatmen...
As human industrial activity increases, the existing organic pollutant measurement indicator COD has limitations in management, so the Korean government changed the indicator to TOC. The changed indicators were fully applied to all facilities from 2022, and it was recommended to improve the treatment facility process accordingly. Among them, industrial wastewater containing non-biodegradable organic pollutants had difficulty in complying with treatment standards because the range of change in concentration of organic substances was wide. This study was intended to propose an improvement plan for the process applying advanced oxidation treatment technology to treat and discharge industrial wastewater within the water pollution standards. Cold plasma treatment, one of advanced oxidation treatment technologies, has the advantage of consuming less energy cost by generating plasma at a lower temperature than high-temperature plasma, and has the advantage of not generating by-products compared to other advanced oxidation treatment technologies. In addition, it has the advantage that it can be applied to the existing process without changing the facility, so it can be an alternative to the treatment of non-biodegradable organic pollutants, which have limitations with existing biological treatment. However, in the cold plasma treatment process, non-biodegradable organic substances in wastewater are oxidatively decomposed by chemical species having high oxidizing power generated in the plasma discharge process, releasing a large amount of carbon dioxide into the air. Carbon dioxide is a regulated greenhouse gas, and we aim to reduce it according to the 2030 National Greenhouse Gas Reduction Target (NDC). In line with this international trend, this study aimed to reduce the amount of organic pollutants in wastewater and the amount of CO2 emitted at the same time. Through research, we tried to show the feasibility and necessity of the applied treatment technology by confirming the removal efficiency of organic pollutants from the cold plasma advanced oxidation treatment and the microalgae culture-based convergence treatment process of generated CO2 and identifying the removal mechanism. Second, it was intended when the generated CO2 was applied to the culture of microalgae, the emission of CO2 reduced in the air was confirmed through sensor monitoring, and the relationship between the change in the concentration of CO2 and the reaction in the culture tank was confirmed based on the carbon mass balance. As a result of the analysis of the experiment conducted for 5 days after the configuration of the reactor, TOC decreased to 378 mg C/L compared to the initial 1,515 mg C/L, confirming a removal efficiency of 75%. Through regression analysis, it was shown that the removal rate constant value of 0.33 /d was removed in a form like that of the first-order reaction. The removal mechanism of organic pollutants was identified through the quantification of OH radicals generated from cold plasma, and it was proved that the application of this technology makes it possible to reduce non-biodegradable organic pollutants in wastewater. Through the installation and monitoring of the CO2 sensor for each section, it was shown that real-time monitoring of the concentration of CO2 discharged from wastewater and the concentration of CO2 discharged after reduction through the microalgae culture tank was possible. In addition, through the analysis of the concentration of inorganic carbon (IC) in the microalgae culture tank and the measurement of the dry weight of the microalgae, it was demonstrated that carbon dioxide was dissolved in the culture medium to increase the IC concentration, which affected the growth of microalgae and the growth rate increasing. 30% (117→1,550 mg/L, 117→1,993 mg/L) improved productivity was obtained in the CO2-injected culture tank compared to the control experiment. This proves that the proposed system can not only reduce CO2 emissions in the air but also increase the productivity of biomass, a useful resource. When calculated based on the carbon concentration obtained through analysis and sensor data collection, an average of 0.53 g C per day was oxidatively decomposed in wastewater through cold plasma treatment and removed in the form of CO2. Among them, 0.02 g C was dissolved in the culture medium in the form of inorganic carbon, and 0.11 g C was converted to biomass of microalgae, and total 20% was recovered, confirming a significant result enabling carbon fixation. Therefore, this study shows that it can be used as an economical and efficient process by properly treating non-biodegradable organic pollutants in industrial wastewater, reducing CO2 emissions, and recovering microalgal biological resources.
As human industrial activity increases, the existing organic pollutant measurement indicator COD has limitations in management, so the Korean government changed the indicator to TOC. The changed indicators were fully applied to all facilities from 2022, and it was recommended to improve the treatment facility process accordingly. Among them, industrial wastewater containing non-biodegradable organic pollutants had difficulty in complying with treatment standards because the range of change in concentration of organic substances was wide. This study was intended to propose an improvement plan for the process applying advanced oxidation treatment technology to treat and discharge industrial wastewater within the water pollution standards. Cold plasma treatment, one of advanced oxidation treatment technologies, has the advantage of consuming less energy cost by generating plasma at a lower temperature than high-temperature plasma, and has the advantage of not generating by-products compared to other advanced oxidation treatment technologies. In addition, it has the advantage that it can be applied to the existing process without changing the facility, so it can be an alternative to the treatment of non-biodegradable organic pollutants, which have limitations with existing biological treatment. However, in the cold plasma treatment process, non-biodegradable organic substances in wastewater are oxidatively decomposed by chemical species having high oxidizing power generated in the plasma discharge process, releasing a large amount of carbon dioxide into the air. Carbon dioxide is a regulated greenhouse gas, and we aim to reduce it according to the 2030 National Greenhouse Gas Reduction Target (NDC). In line with this international trend, this study aimed to reduce the amount of organic pollutants in wastewater and the amount of CO2 emitted at the same time. Through research, we tried to show the feasibility and necessity of the applied treatment technology by confirming the removal efficiency of organic pollutants from the cold plasma advanced oxidation treatment and the microalgae culture-based convergence treatment process of generated CO2 and identifying the removal mechanism. Second, it was intended when the generated CO2 was applied to the culture of microalgae, the emission of CO2 reduced in the air was confirmed through sensor monitoring, and the relationship between the change in the concentration of CO2 and the reaction in the culture tank was confirmed based on the carbon mass balance. As a result of the analysis of the experiment conducted for 5 days after the configuration of the reactor, TOC decreased to 378 mg C/L compared to the initial 1,515 mg C/L, confirming a removal efficiency of 75%. Through regression analysis, it was shown that the removal rate constant value of 0.33 /d was removed in a form like that of the first-order reaction. The removal mechanism of organic pollutants was identified through the quantification of OH radicals generated from cold plasma, and it was proved that the application of this technology makes it possible to reduce non-biodegradable organic pollutants in wastewater. Through the installation and monitoring of the CO2 sensor for each section, it was shown that real-time monitoring of the concentration of CO2 discharged from wastewater and the concentration of CO2 discharged after reduction through the microalgae culture tank was possible. In addition, through the analysis of the concentration of inorganic carbon (IC) in the microalgae culture tank and the measurement of the dry weight of the microalgae, it was demonstrated that carbon dioxide was dissolved in the culture medium to increase the IC concentration, which affected the growth of microalgae and the growth rate increasing. 30% (117→1,550 mg/L, 117→1,993 mg/L) improved productivity was obtained in the CO2-injected culture tank compared to the control experiment. This proves that the proposed system can not only reduce CO2 emissions in the air but also increase the productivity of biomass, a useful resource. When calculated based on the carbon concentration obtained through analysis and sensor data collection, an average of 0.53 g C per day was oxidatively decomposed in wastewater through cold plasma treatment and removed in the form of CO2. Among them, 0.02 g C was dissolved in the culture medium in the form of inorganic carbon, and 0.11 g C was converted to biomass of microalgae, and total 20% was recovered, confirming a significant result enabling carbon fixation. Therefore, this study shows that it can be used as an economical and efficient process by properly treating non-biodegradable organic pollutants in industrial wastewater, reducing CO2 emissions, and recovering microalgal biological resources.
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