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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 구조를 가지는 반응기에서 질소의 제거특성을 관찰하여 유동상 반응기의 결과와 비교한다. 그리고 미소전극을 적용시켜 다 공성 담체내 미소공간에서 용존산소와 glucose의 분포 특성 을 조사하여 담체내 무산소영역에서 유기물확산과 탈질능 의 변화를 규명하고자 한다.
- 담체를 이용한 유동 상 반응기에 막 모듈을 적용시켜 반응기내 미생물 농도를 더욱 높게 유지시킬 수 있다. 본 연구에서는 이러한 구조를 가지는 반응기에서 질소의 제거특성을 관찰하여 유동상 반응기의 결과와 비교한다. 그리고 미소전극을 적용시켜 다 공성 담체내 미소공간에서 용존산소와 glucose의 분포 특성 을 조사하여 담체내 무산소영역에서 유기물확산과 탈질능 의 변화를 규명하고자 한다.
제안 방법
- Revsbech and Jorgensen은 의료목적의 경우와 달리 토양이나 거친 저질(Sediment)와 같이 sensor자체에 강도가 요구되는 경우 다소 두껍거나 튼튼한 전극이 이용될 수 있다고 하였다.") 본 연구에서는 microelectrode를 담체의 polyurethane matrix내에 주입하기 위해 적절한 강도가 요구되 었고 tip 부분의 직경이 200 呻1 정도의 electrode를 적용해 실험에 안정성을 기하였다. 제작된 전극은 공기로 포화된용액과 아황산나트륨 용액(10%)을 이용해 보정하였으며 90% 응답을 나타내는 시간상수(time constant)는 2.
- TOC Analyzer(TOC-5000A, Shimadzu)를 이용하여 유기물 농도를 분석하고, 암모늄 이온, 아질산염 이온, 질산염 이온등 질소이온농도는 ion chromatographyy (SCL-10A, Shimadzu)를 이용해 분석하였다. 미생물의 질소성분함량 분석 을 위해 원소분석 결과를 이용하였다.
- 2에 유동상 반응기에서 각 Carbon/Nitrogen 농도비에 대한 연속실험의 결과를 나타내었다. 각 원수조건에서 최소 30일 이상 연속운전을 하고, 운전 20일 이후 반응기내 미생물의 상태와 유출수질이 안정적으로 유지되었을 때의 농도 들의 평균값을 구하여 각 조건에서의 질소제거특성을 파악 하였다. 각 결과에서 Loading은 유입 질소 부하량을 나타내며 lNot removed，는 미처리된 부분을 나타낸다.
- 1의 phosphate buffer solution으로 2회 세정 후, 황산암모늄과 중탄 산나트륨으로 농도조절 된 500 mL의 배지에 옮겨져 1 L/min으로 공기가 주입되는 환경하에서 시간에 따른 암모니아 농도와 생성된 아질산염, 질산염변화를 측정하였다. 고정상 미생물의 질산화 활성도측정은 12.5%(V/V)의 담체를 채취하여 고정상 그대로 상기의 수순에 따라 측정하였 다. 고정상 미생물의 탈질특성은 12.
- 다공성 담체내 산소농도의 미소분포를 측정하기 위해 Clark-type microelectrode를 직접 제작하여 실험에 이용하였다. DO microelectrode는 Platinum working electrode, Reference electrode, outer casing으로 구성된 2중관 구조를 가지고 있다.
- 다공성 담체를 이용한 유동상 반응기에 막모듈을 설치하 여 단일 반응기내 영양염 제거율과 미생물의 활성변화에 대해 조사하였다. 연속실험 결과 막을 이용한 하이브리드 시스템에서 질소제거 효율이 30% 이상 증가하였으며, 특히 동시적 질산화/탈질을 통해 질소제거특성이 향상됨을 알 수 있었다.
- 08 L/hr로 유지되었 으며 공기주입율은 25 L/min으로 하였다. 막모듈은 적절한 간격을 유지하여 공기방울과 함께 다공성 담체가 자유롭게 유동할 수 있는 구조를 유지하였고, 흡입펌프를 사용하여 여 과수를 배출하였으며 그때의 차압과 유량을 측정하였다.
- 제거된 질소는 질산화/탈질반응을 거쳐 제거된 부분과 미생물 흡수에 의해 제거된 부분으로 구분될 수 있다. 미생물 흡수에 의해제거된 부분은 반응기 유출수증 MLSS농도를 측정하고, MLSS 중의 질소의 함량을 원소분석을 통해 분석한 다음 유출된 MLSS농도에 곱하여 결정되었다. MLSS 중의 질소 함량은 9% 내외로 유지되었으며, 유출수중의 MLSS농도는 대략적으로 100-200 mg/L로서 일반적인 활성슬러지 공정에 비해 매우 낮은 범위를 유지한 반면 담체에 부착된 미생물 농도는 20,000 mg/L 이상 유지되었다.
- TOC Analyzer(TOC-5000A, Shimadzu)를 이용하여 유기물 농도를 분석하고, 암모늄 이온, 아질산염 이온, 질산염 이온등 질소이온농도는 ion chromatographyy (SCL-10A, Shimadzu)를 이용해 분석하였다. 미생물의 질소성분함량 분석 을 위해 원소분석 결과를 이용하였다.
- 측정용기에는 반응기에 공급 되는 합성폐수와 같은 조성의 폐수가 연속공급되며 diffuser를 통해 공기가 공급되어 기질상태와 유동상태를 반영하여 실제 반응기내의 상태와 유사하도록 하였다. 미소전극의 위치를 제어하기 위해 3차원 micromanipulator (Model MMS-77, Shimadzu, Kyoto)를 이용하였으며 CCD카메라 (Model DXC107A, SONY, Tokyo) 관측하에서 50 ㎛씩 이동시키면서 농도분포를 측정하였다.
- 연속 반응기의 기질제거경향이 일정하게 유지되는 상태를 유지하면 반응기내 부유상과 고정상 미생물이 가지는 질산화, 탈질 활성도를 측정하기 위하여 회분실험을 행하였 다. 질산화 활성도는 부유미생물의 경우, 반응기내에서 부 유상태의 미생물을 500 mL를 채취한 후 pH 7.
- 4에 나타내었다. 운전기간 증 각기 다른 원수조건을 적용시켜 처리특성을 조사하였다 (Table 2). 막 여과 flux는 운전초기에 0.
- 5%(V/V) 부피용량의 담체를 채취한 후, 연속실험에서 이용된 glucose와 농도조 절된 KNO3용액에서 측정한다. 이 때 공기와 함께 질소가스를 주입하여 용액의 용존산소농도를 조절한 다음 탈질효 율을 측정하였다.
- 연속 반응기의 기질제거경향이 일정하게 유지되는 상태를 유지하면 반응기내 부유상과 고정상 미생물이 가지는 질산화, 탈질 활성도를 측정하기 위하여 회분실험을 행하였 다. 질산화 활성도는 부유미생물의 경우, 반응기내에서 부 유상태의 미생물을 500 mL를 채취한 후 pH 7.1의 phosphate buffer solution으로 2회 세정 후, 황산암모늄과 중탄 산나트륨으로 농도조절 된 500 mL의 배지에 옮겨져 1 L/min으로 공기가 주입되는 환경하에서 시간에 따른 암모니아 농도와 생성된 아질산염, 질산염변화를 측정하였다. 고정상 미생물의 질산화 활성도측정은 12.
- 측정을 위해 반응기중의 담체를 채취해 유효부피가 200 mL인 측정용기에 고정시켰다. 측정용기에는 반응기에 공급 되는 합성폐수와 같은 조성의 폐수가 연속공급되며 diffuser를 통해 공기가 공급되어 기질상태와 유동상태를 반영하여 실제 반응기내의 상태와 유사하도록 하였다. 미소전극의 위치를 제어하기 위해 3차원 micromanipulator (Model MMS-77, Shimadzu, Kyoto)를 이용하였으며 CCD카메라 (Model DXC107A, SONY, Tokyo) 관측하에서 50 ㎛씩 이동시키면서 농도분포를 측정하였다.
대상 데이터
- 반응기는. 다공성 담체를 이용한 표준적 유동상(Fluidizedbed Reactor, FR)과 유동상에 막모듈이 결합된 하이브리드 반응기 (Hybrid Reactor, HR)의 2가지를 이용하였다 (Fig. 1). Fig.
이론/모형
- 6초였다. glucose 농도측정을 위한 microelectrode는 Cronenberg and van der Heuvel⑵이 제시한 방법을 이용해 제작되었다. glucose microelectrode 역시 2중관 구조를 가지고 있으며, 인장된 capillary속에 직경 0.
성능/효과
- 미소전극을 이용하여 생물막내 호기/무산소 영역을 측정 하는 것이 가능하다.")또한 glucose측정을 위한 미소전극 을 활용함으로써 산소공급 증가에 의한 종속영양적 유기물 산화와 glucose 부하량이 증가하는 연구결과를 보였다.”J” 반면 유기물의 이용도에 따라 부유상이나 생물막에서 탈질율을 저해함도 보였다.
- ”J” 반면 유기물의 이용도에 따라 부유상이나 생물막에서 탈질율을 저해함도 보였다.'이分 결론적으로 기질중 유기물의 증가는 생물막내 무산소 영역을 증가시킴으로써 탈질반응에 중요한 역할을 수행함을 알 수 있다. 담체를 이용한 유동 상 반응기에 막 모듈을 적용시켜 반응기내 미생물 농도를 더욱 높게 유지시킬 수 있다.
- 6의 결과이다. FR에서는 유기탄소원이 증 가했음에도 불구하고 질소제거율은 크게 증가하지 않은 반면 HR에서는 동시적 질산화/탈질 반응이 향상됨에 따라 제거율이 30% 정도 증가하였다.
- 미생물 흡수에 의해제거된 부분은 반응기 유출수증 MLSS농도를 측정하고, MLSS 중의 질소의 함량을 원소분석을 통해 분석한 다음 유출된 MLSS농도에 곱하여 결정되었다. MLSS 중의 질소 함량은 9% 내외로 유지되었으며, 유출수중의 MLSS농도는 대략적으로 100-200 mg/L로서 일반적인 활성슬러지 공정에 비해 매우 낮은 범위를 유지한 반면 담체에 부착된 미생물 농도는 20,000 mg/L 이상 유지되었다. 유출수의 MLSS농도 는 TOC의 증가에 따라 증가하며 이 경우 미생물 흡수에 의한 제거농도는 9-20 mgN/L로서 대부분의 질소제거가 미생물 흡수에 의해 일어남을 알 수 있다.
- ")또한 glucose측정을 위한 미소전극 을 활용함으로써 산소공급 증가에 의한 종속영양적 유기물 산화와 glucose 부하량이 증가하는 연구결과를 보였다.”J” 반면 유기물의 이용도에 따라 부유상이나 생물막에서 탈질율을 저해함도 보였다.'이分 결론적으로 기질중 유기물의 증가는 생물막내 무산소 영역을 증가시킴으로써 탈질반응에 중요한 역할을 수행함을 알 수 있다.
- 그러나 이러한 질소제거는 배출 슬러지량을 증가를 동반한 것으로서 슬러지 처분등을 고려할 때 바람직 하지 않은 처리특성이라 판단되며 또한 이런 제거기작은 제거량에 있어서도 한계점을 보이 고 있다. 결과에서의 Denitrification은 질산화/탈질 과정을 거쳐 제거된 질소의 부하를 나타낸 것으로서 유기물 증가에 따라 오히려 제한되고 있음을 보여준다.
- 운전기간 증 각기 다른 원수조건을 적용시켜 처리특성을 조사하였다 (Table 2). 막 여과 flux는 운전초기에 0.4 m3/m2/dayS 시작하였으나 여과 가 진행되는 동안 막표면의 여과저항 증가로 0.2 m3/m2/day 로 감소하였으나, 운전 160일째에 차아염소산 나트륨으로 화학세정을 하여 운전기간중 수리학적 체류시간 8 hr를 유지하였다. 막 표면에서의 차압은 150일을 정점으로 -50 kPa 까지 증가하였으나 담체유동에 의한 지속적인 막세정등의 효과로 -30—40 kPa의 범위에서 압력이 유지되었다.
- 연속실험 결과 막을 이용한 하이브리드 시스템에서 질소제거 효율이 30% 이상 증가하였으며, 특히 동시적 질산화/탈질을 통해 질소제거특성이 향상됨을 알 수 있었다. 미생물이 부착된 담체내에서의 무산소영역에서 의 glucose flux는 하이브리드 시스템이 담체 유동상에 비해 3배 정도 높아 담체내의 탈질반응이 높게 유지될 수 있도록 함을 알 수 있었다. 이런 특성을 가진 담체와 막을 이용한 단일 반응기는 유기물 및 질소제거에 효율적으로 이용될 수 있으며 소규모 하폐수처리에 적용될 수 있다고 판단되었다.
- 다공성 담체를 이용한 유동상 반응기에 막모듈을 설치하 여 단일 반응기내 영양염 제거율과 미생물의 활성변화에 대해 조사하였다. 연속실험 결과 막을 이용한 하이브리드 시스템에서 질소제거 효율이 30% 이상 증가하였으며, 특히 동시적 질산화/탈질을 통해 질소제거특성이 향상됨을 알 수 있었다. 미생물이 부착된 담체내에서의 무산소영역에서 의 glucose flux는 하이브리드 시스템이 담체 유동상에 비해 3배 정도 높아 담체내의 탈질반응이 높게 유지될 수 있도록 함을 알 수 있었다.
- 5에 동일 기질조건하에서 FR과 H成에서의 질소제거 특성을 나타내었다. 유입 유기탄소농도가 100 mgC/L일때, 두 반응기에서 질소제거는 비슷한 경향을 보이지만 유입 유기탄소농도가 300 mgC/L로 증가할 때 FR에서는 종속영 양균의 산소경쟁에 의한 질산화 저해현상으로 암모니아 농도가 높게 유출된 반면 HR에서는 질산화 저해가 크게 감소하고 전체 질소제거율도 증가하였다. 다만 HR에서 산화된 질산염이 완전 탈질되지 못하고 부분적으로 유출되고 있음을 알 수 있다.
- 즉 담체내에 탈질균이 충분한 활성을 가지고 존재함을 나타낸다. 이것을 담체표면에서만 질 산화가 진행된 FR과는 달리 부유상에서도 질산화가 진행 되어 bulk에서 생물막 표면으로 질산염이 공급되는 조건에 서 막표면에서의 비교적 덜 발달된 종속영양균에 의해 유 기물을 이용한 질산염의 탈질반응이 활성화 된 결과라고 판단되었다.
- 유기물 부하가 낮은 조건에서는 주로 질산염이 배출된 반면 유기물 부하가 증가하면서 암모니아 산화가 저해되어 유출수 중에 암모니아가 높게 포함되어 있음을 알 수 있다. 이상의 결과로부터 다공성 담체를 이 용한 단일반응기에서 질소제거는 유기물 농도에 크게 영향을 받으며 유기물 농도가 증가하면 비교적 향상된 탈질 효율을 얻을 수 있지만 고농도 유기물은 질산화 반응을 저해하여 전체 질소제거효율을 크게 감소시킴을 알 수 있다.
- 8에서 보인 FR에서의 낮은 탈질활성은 glucose의 투과깊이의 차이로서 이해될 수 있다. 총괄 탈질율 이 산소는 전부 소모되면서 glucose는 존재하는 영역의 깊이에 비례한다면 HR의 담체내부탈질율은 FR보다 2배 이상 빠르다고 판단되었다. 무산소 영역에서 glucose의 투과 flux는 Fick의 법칙에 의해 단위면적에 대한 확산계수와 농도 구배에 비례하는 식으로 표현될 수 있다.
- 표준적 유동상 반응기와 담체와 막이 이용된 하이브리드 시스템에서의 유기물 및 질소제거 특성을 살펴본 결과 하 이브리드 시스템에서 유기물 및 질소의 동시제거가 가능한 기작이 발생되고 있음을 보였으며 이런 특성을 비교적 유 •기물 농도가 높은 하폐수처리에 적용할 경우 단일반응기로 동시 질산화/탈질 기작에 의한 영양염제거가 가능함을 알 수 있었다.
후속연구
- 미생물이 부착된 담체내에서의 무산소영역에서 의 glucose flux는 하이브리드 시스템이 담체 유동상에 비해 3배 정도 높아 담체내의 탈질반응이 높게 유지될 수 있도록 함을 알 수 있었다. 이런 특성을 가진 담체와 막을 이용한 단일 반응기는 유기물 및 질소제거에 효율적으로 이용될 수 있으며 소규모 하폐수처리에 적용될 수 있다고 판단되었다.
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