담체의 종류와 배열에 따른 회분식 황 산화 탈질공정의 고농도 질산성질소를 함유한 인공폐수의 탈질효율 평가 Performance Evaluation of Bench-Scale Sulfur-Oxidizing Autotrophic Denitrificaiton Process Using Different Packing Material and Position in Reactor원문보기
본 연구에서는 인공 폐수에 포함된 고농도의 ${NO_3}^--N$을 제거하기 위해 황 산화 독립영양 탈질공정으로 sulfur-$CaCO_3$ 복합담체를 이용하여 탈질효율을 평가하였다 sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체를 반응기(R4)에 충진하였다. 유입수 중 ${NO_3}^--N$ 부하량이 $200{\sim}1000g/m^3{\cdot}day$일 때 sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체를 충진한 반응기의 탈질효율은 95.0% 이상의 높은 탈질효율을 보였다. 특히 ${NO_3}^--N$의 부하량이 $1000g/m^3{\cdot}day$일 때의 R4의 평균 ${NO_3}^--N$ 제거율은 98.7%로 sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체를 충진한 반응기가 다른 반응기보다 높은 탈질 효율을 보였다. $Ca^{2+}$와 알칼리도의 분석을 통해, 각 반응기에 충진된 $CaCO_3$에 의한 알칼리도 공급량을 보면 다른 반응기 보다 sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체를 충진한 반응기에 존재하는 $CaCO_3$가 매우 효과적으로 해리되면서 알칼리도를 공급하였다는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 효과적으로 알칼리도가 공급되면서 황 산화 독립영양 탈질 과정에서 발생된 $H^+$에 의해 저하된 pH를 보정하고 탈질 미생물의 탄소원을 공급하여 다른 반응기보다 높은 탈질 효율을 보인 것이다. ESEM을 사용하여 Sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체의 표면을 측정한 결과 황담체 표면보다는 sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체의 표면에 많은 공극이 존재하여 미생물이 부착 할 수 있는 표면적이 증가되어 많은 미생물이 부착할 수 있어 탈질 효율을 증가시키게 된다. 결론적으로 sulfur-$CaCO_3$ 복합담체를 이용한 황 산화 독립영양 탈질공정은 고농도의 ${NO_3}^--N$을 효과적으로 처리할 수 있었다.
본 연구에서는 인공 폐수에 포함된 고농도의 ${NO_3}^--N$을 제거하기 위해 황 산화 독립영양 탈질공정으로 sulfur-$CaCO_3$ 복합담체를 이용하여 탈질효율을 평가하였다 sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체를 반응기(R4)에 충진하였다. 유입수 중 ${NO_3}^--N$ 부하량이 $200{\sim}1000g/m^3{\cdot}day$일 때 sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체를 충진한 반응기의 탈질효율은 95.0% 이상의 높은 탈질효율을 보였다. 특히 ${NO_3}^--N$의 부하량이 $1000g/m^3{\cdot}day$일 때의 R4의 평균 ${NO_3}^--N$ 제거율은 98.7%로 sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체를 충진한 반응기가 다른 반응기보다 높은 탈질 효율을 보였다. $Ca^{2+}$와 알칼리도의 분석을 통해, 각 반응기에 충진된 $CaCO_3$에 의한 알칼리도 공급량을 보면 다른 반응기 보다 sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체를 충진한 반응기에 존재하는 $CaCO_3$가 매우 효과적으로 해리되면서 알칼리도를 공급하였다는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 효과적으로 알칼리도가 공급되면서 황 산화 독립영양 탈질 과정에서 발생된 $H^+$에 의해 저하된 pH를 보정하고 탈질 미생물의 탄소원을 공급하여 다른 반응기보다 높은 탈질 효율을 보인 것이다. ESEM을 사용하여 Sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체의 표면을 측정한 결과 황담체 표면보다는 sulfur-$CaCO_3$ 복합 담체의 표면에 많은 공극이 존재하여 미생물이 부착 할 수 있는 표면적이 증가되어 많은 미생물이 부착할 수 있어 탈질 효율을 증가시키게 된다. 결론적으로 sulfur-$CaCO_3$ 복합담체를 이용한 황 산화 독립영양 탈질공정은 고농도의 ${NO_3}^--N$을 효과적으로 처리할 수 있었다.
In this study, we evaluated the efficiency of using sulfur-$CaCO_3$ complex pellet in the sulfur oxidizing autotrophic denitrification process for synthetic wastewater with high $CaCO_3$ concentration. The sulfur-$CaCO_3$ complex pellet was packed in reactor(R4). Inf...
In this study, we evaluated the efficiency of using sulfur-$CaCO_3$ complex pellet in the sulfur oxidizing autotrophic denitrification process for synthetic wastewater with high $CaCO_3$ concentration. The sulfur-$CaCO_3$ complex pellet was packed in reactor(R4). Influent ${NO_3}^--N$ loading rate was from 200 to $1,000g/m^3{\cdot}day$. During the operation, average denitrification efficiency of R4 was above 95%. Particularly, the denitrififation rate at $1,000g/m^3{\cdot}day$ loading was 98.96% for R4. High ${NO_3}^--N$ removal efficiency was determined in R4 compared with other reactors. Through $Ca^{2+}$ and alkalinity analyses, we calculated the supplied alkalinity from the packed $CaCO_3$ in the reactor. Sulfur-$CaCO_3$ complex pellet more effectively supplied alkalinity through the dissociation of $CaCO_3$ as compared with other media. Based on these results, sulfur-$CaCO_3$ complex pellet increased the pH buffering capacity while also providing the carbon source to the denitrifying bacteria. Denitrification efficiency of R4 was also higher than other reactors. ESEM pictures of sulfur-$CaCO_3$ complex pellet show higher porosity than that of the granular sulfur. Hence, more denitrifying bacteria attached on the sulfur-$CaCO_3$ complex pellet than on granular sulfur. It can be concluded that the sulfur-$CaCO_3$ complex pellet is a more suitable media for a sulfur oxidizing autotrophic denitrification process as it provides high denitrification efficiency.
In this study, we evaluated the efficiency of using sulfur-$CaCO_3$ complex pellet in the sulfur oxidizing autotrophic denitrification process for synthetic wastewater with high $CaCO_3$ concentration. The sulfur-$CaCO_3$ complex pellet was packed in reactor(R4). Influent ${NO_3}^--N$ loading rate was from 200 to $1,000g/m^3{\cdot}day$. During the operation, average denitrification efficiency of R4 was above 95%. Particularly, the denitrififation rate at $1,000g/m^3{\cdot}day$ loading was 98.96% for R4. High ${NO_3}^--N$ removal efficiency was determined in R4 compared with other reactors. Through $Ca^{2+}$ and alkalinity analyses, we calculated the supplied alkalinity from the packed $CaCO_3$ in the reactor. Sulfur-$CaCO_3$ complex pellet more effectively supplied alkalinity through the dissociation of $CaCO_3$ as compared with other media. Based on these results, sulfur-$CaCO_3$ complex pellet increased the pH buffering capacity while also providing the carbon source to the denitrifying bacteria. Denitrification efficiency of R4 was also higher than other reactors. ESEM pictures of sulfur-$CaCO_3$ complex pellet show higher porosity than that of the granular sulfur. Hence, more denitrifying bacteria attached on the sulfur-$CaCO_3$ complex pellet than on granular sulfur. It can be concluded that the sulfur-$CaCO_3$ complex pellet is a more suitable media for a sulfur oxidizing autotrophic denitrification process as it provides high denitrification efficiency.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 고농도의 NCH-N이 함유한 폐수를 효과적으로 처리하기 위한 황 산화 독립영양 탈질공정을 개발하고자 하였다. 이를 위해 황과 CaCCh를 혼합하여 단일덩어리로 만든 새로운 담체를 개발하고 이의 성능을 평가하고자 하였다.
하였다. 이를 위해 황과 CaCCh를 혼합하여 단일덩어리로 만든 새로운 담체를 개발하고 이의 성능을 평가하고자 하였다. 이를 위해서 여러 개의 반응기에 본 연구에서 제조한 sulfiir-CaCOs 복합담체와 황, CaCC>3를 각각 담체로 충진하여 각 공정의 처리효율을 평가, 비교하였다.
제안 방법
45 um의 GF/C 여과지로 여과 후 NO3--N, NO2--N, PO43; SO42; MLSS 농도를 측정하였다. NO3--N의 농도가 10 mg/L 이하가 되면 상등수를 버리고 새로운 T. denitrificans 배양용 배지을 주입하였다. 이러한 방식으로 3주 동안 배양하였으며 배양된 슬러지를 반응기에 넣어 사용하였다.
이를 위해서 여러 개의 반응기에 본 연구에서 제조한 sulfiir-CaCOs 복합담체와 황, CaCC>3를 각각 담체로 충진하여 각 공정의 처리효율을 평가, 비교하였다. 또한 운전 후 각 담체의 표면을 environmental scanning electron micro-scophy(ESEM)로 관찰하여 공정의 운전효율이 미치는 영향을 분석하였다.
미생물의 배양 상태를 측정하기 위해 배양기간 동안 매일 시료를 취하여 0.45 um의 GF/C 여과지로 여과 후 NO3--N, NO2--N, PO43; SO42; MLSS 농도를 측정하였다. NO3--N의 농도가 10 mg/L 이하가 되면 상등수를 버리고 새로운 T.
본 연구에서는 인공 폐수에 포함된 고농도의 NO3--N을 제거하기 황 산화 독립영양 탈질공정으로 황과 CaCCh를 혼합하여 제조한 sulfur-CaCOs 복합담체를 이용하여 탈질효율을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
분석은 시료를 취한 후 ion chromatography(Waters 600s Controller, 626 pump, 432 Conductivity Detector, Alltech ERIS 1000HP Autosup pressor. USA, Column: IC-Pak™ Anion HR 4.6><150 mm)을 사용하여 분석하였다.
시료채취는 2~3일마다 유입수와 유출수를 채취하여 0.45㎛GF/C 여과지를 이용하여 여과한 후 pH, NCh'-N, NO3'-N, SO42-, Ca2+ 및 알칼리도를 분석하였다. pH는 pH meter(Orion, USA)를 사용하여 반응기의 유출부보다 1 cm 아래 지점에서 측정하였으며, NO2'-N, NO3--N, SO? 분석은 시료를 취한 후 ion chromatography(Waters 600s Controller, 626 pump, 432 Conductivity Detector, Alltech ERIS 1000HP Autosup pressor.
알칼리도는 standard method에16)따라 적정법으로 분석하였다. 운전이 끝난 후 담체로 사용된 sulfur-CaCO3 복합담체를 취하여 황 입자 및 반응기에 주입되기 전 sulfur- CaCO3 복합담체의 표면특성을 ESEM(Model: FEI XL-30FEG, electron gun: Schottkey FEG)을 이용하여 관찰하였다.
또한 H*이온이 생성되고 pH가 감소되므로 황 산화 독립영양 탈질 미생물의 탈질율을 저하시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 반응기내에 황과 함께 limestone, CaCO3, NaHCCh와 같은 물질을 주입하여 pH를 조절하고 알칼리도를 공급한다. Discoll12)은 황을 전자공여체로 하는 독립영양 탈질공정에서 limestone이 알칼리도 공급원으로 가능하다는 것을 발견하였고, Zhang과 Lampe'이 실시한 회분식 실험에서는 황과 limestone의 최적부피비가 3 : 1이라는 것을 알 수 있었으며, Liu과 Koenig8)는 limestone을 주입하여 반응기내의 pH를 조절하는 공정을 개발하였다.
이를 위해 황과 CaCCh를 혼합하여 단일덩어리로 만든 새로운 담체를 개발하고 이의 성능을 평가하고자 하였다. 이를 위해서 여러 개의 반응기에 본 연구에서 제조한 sulfiir-CaCOs 복합담체와 황, CaCC>3를 각각 담체로 충진하여 각 공정의 처리효율을 평가, 비교하였다. 또한 운전 후 각 담체의 표면을 environmental scanning electron micro-scophy(ESEM)로 관찰하여 공정의 운전효율이 미치는 영향을 분석하였다.
1 mg/L FeSO4 - 7H2O을 주입하였으며, peristaltic pump를 이용하여 반응기에 정량적으로 주입시켰다. 주입된 NO3-NO3-N의 농도는 66일 까지는 200 mg/L, 93일 까지는 300 mg/L, 104일 까지는 400 mg/L, 104일 이후로는 500 mg/L로 변화시켰으며 hydraulic retention time(HRT)는 운전초기 24 hr로 느리게 하였고 실험 후 43일부터 HRT를 12 hr로 감소시켜 실험을 진행하였다.
황 산화 독립영양 탈질 미생물의 배양을 위해 하수 처리장의 활성슬러지 40 L를 24시간 정치한 후 얻은 침전 슬러지에 T. denitrificans 배양용 배지의13)(Table 1) NO3-N 농도를 100 mg/L로 만들고, sulfur-CaCOs 복합담체 5 kg을 혼합하여 교반한 후 질소가스로 purging 하여 혐기성 상태로 만들어 황 산화 탈질 미생물을 배양하였다.
대상 데이터
Sulfur-CaCO3 복합담체는 분말 형태의 황과 CaCCh를 질량비로 각각 9: 11로15) 혼합한 후, 가열하면서 교반을 한 후 물로 급냉시켜 제조하였다. 단단한 덩어리로 조제된 sulfiir-CaCO3 복합담체는 5~10 mm의 크기로 파쇄하여 담체로 사용하였다.
급냉시켜 제조하였다. 단단한 덩어리로 조제된 sulfiir-CaCO3 복합담체는 5~10 mm의 크기로 파쇄하여 담체로 사용하였다.
1과 같이 설치하였다. 본 연구에 사용한 반응기의 부피는 각각 1500 cm3이고 유효운전 부피는 1000 cm, 이었으나 반응기 유효부피의 80%에 해당하는 만큼 담체를 충진 시켰다. 황과 CaCCh의 비는 회분식 실험을 통해 가장 효과적인 탈질 효율을 담체의 황과 CaCO3 조성은 9: ll(w/w)으로 하여 황과 CaCO3를 반응기에 충진하였으며, 각 반응기내 담체의 구성은 Table 2와 같다.
본 연구에 사용한 인공폐수는 수돗물 1000 mL에 718 mg/L KN03(100 mg/L as NO3-NO3-N), 120 mg/L K2HPO4, 12 mg/L NH4CI, 500 mg/L NaHCOa, 2 mg/L MgCh - 6H2O, 0.1 mg/L FeSO4 - 7H2O을 주입하였으며, peristaltic pump를 이용하여 반응기에 정량적으로 주입시켰다. 주입된 NO3-NO3-N의 농도는 66일 까지는 200 mg/L, 93일 까지는 300 mg/L, 104일 까지는 400 mg/L, 104일 이후로는 500 mg/L로 변화시켰으며 hydraulic retention time(HRT)는 운전초기 24 hr로 느리게 하였고 실험 후 43일부터 HRT를 12 hr로 감소시켜 실험을 진행하였다.
이론/모형
9><150 mm)을 사용하여 분석하였다. 알칼리도는 standard method에16)따라 적정법으로 분석하였다. 운전이 끝난 후 담체로 사용된 sulfur-CaCO3 복합담체를 취하여 황 입자 및 반응기에 주입되기 전 sulfur- CaCO3 복합담체의 표면특성을 ESEM(Model: FEI XL-30FEG, electron gun: Schottkey FEG)을 이용하여 관찰하였다.
성능/효과
2로 알려져 있다.12) 황 산화 독립영양 탈질반응식을 보면 N6-가 N2(g)로 탈질되면서 H+가 0.86 mole이 발생되어 반응기의 pH가 6.2 이하로 떨어지면서 황 산화 독립영양 탈질 미생물에게 악영향을 미쳐 탈질효율을 떨어뜨리게 된다. 이러한 pH 감소를 막기 위해 limestone, NaHCO3, CaCCh를 반응기에 주입하여 pH를 중성으로 유지해야 한다.
증가한다고 보고 하였다.21) Limestone과 CaCCh는 동일한 물질로서 CaC6 역시 낮은 pH상태에서 용해도가 증가 할 것이다. CaCCh가 하단에 위치한 R3의 경우, 유입수가 CaCO3층을 먼저 통과한 후 탈질반응이 일어나기 때문에 반응기 하단에 pH는 유입수와 동일한 pH 8을 유지하였을 것으로 추측된다.
Sulfor-CaCOs 복합담체가 황과 CaCCh를 상하단으로 충진한 반응기 보다 효과적으로 CaCCh가 해리되면서 알카리도를 공급하여 pH를 보정하고, 또한 탄소원을 공급하여 sulfur-CaCO3 복합담체을 충진한 반응기가 황과 CaCCh를 상하단으로 충진한 반응기보다 높은 탈질 효율을 보였으며, 특히 NO3--N 부하량이 1000 g/m3 . day 일 때 90% 이상의 높은 탈질 효율을 보였다.
두 연구에서 모두 황이용 탈질 반응기의 기본 구성은 반응기 상단에는 CaCO3를 충진하고 하단에는 황을 충진하는 방식으로 실험을 수행을 하였는데 본 연구에서 sulfur-CaCO3 복합담체를 사용한 경우는 탈질효율이 1000 g/m3 · day에 가깝게 나타나 황과 CaCCh를 상하단으로 충진을 시킨 공정보다 매우 효과적으로 탈질을 수행할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그리고 CaCCh를 상단에 충진 한 반응기에서 탈질율이 34.7%이고, 하단에 충진한 반응기에서 26.6%로 CaCO3를 상단에 충진 했을 때 탈질율이 높았다.
day의 최고 탈질 속도를 유지할 수 있었다. 두 연구에서 모두 황이용 탈질 반응기의 기본 구성은 반응기 상단에는 CaCO3를 충진하고 하단에는 황을 충진하는 방식으로 실험을 수행을 하였는데 본 연구에서 sulfur-CaCO3 복합담체를 사용한 경우는 탈질효율이 1000 g/m3 · day에 가깝게 나타나 황과 CaCCh를 상하단으로 충진을 시킨 공정보다 매우 효과적으로 탈질을 수행할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그리고 CaCCh를 상단에 충진 한 반응기에서 탈질율이 34.
0 이하의 값을 나타내었다. 이것으로 보아 이론적으로 소모되는 알칼리도보다 많은 양의 알칼리도가 공급되었다는 것을 알 수 있었다. 하지만 다른 반응기 R1~R3은 그 값이 1.
따라서 이론상으로는 용액의 pH가 다른 반응기에서보다 낮았어야 하지만 실제로는 다른 반응기와 비슷한 pH 값을 보이고 있다. 이것은 반응기의 상하단에 충진된 CaCO3보다 sulfur-CaCO3 복합 담체에 포함되어 있는 CaCCh가 해리되어 지면서 알칼리도를 공급하여 pH 보정이 매우 잘 일어나 다른 반응기와 비슷한 pH를 나타내는 것이다, 이러한 결과를 통해 sulfur-CaCO3 복합 담체의 pH 보정효과가 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다. 또한, 이렇게 pH 보정이 잘 일어나면서 탈질 효율이 다른 반응기에 비해 높은 것이다.
Sulfur-CaCO3 복합담체 사용 전후의 표면을 보면 복합 담체에 함유되어 있던 CaCCh가 소모된 것을 볼 수 있었다. 이러한 것을 보아 sulfur-CaCO3 복합담체에 의해서 알칼리도가 효과적으로 공급되었다는 것을 알 수 있었고, 이것은 생성된 Ca2+ 양을 통해서 확인 할 수 있었다.
후속연구
이상의 결과로 미루어보아 sulfur-CaCO3 복합담체를 이용한 황산화 독립영양 탈질공정은 고농도의 NOj-N를 함유한 폐수의 처리에 매우 효율적으로 이용할 수 있을 것이다.
참고문헌 (21)
Ministry of Environment Home Page, http://www.me.go. kr/, July(2001)
Lampe, D. G., Zhang, T. C., 'Evalution of sulfur-based autotrophic denitrification,' In: Proceeding of the 1996 HSRC/WERC Joint Conference on the Environment, Albuquerque, New Mexico, 21-23 May, 444-458(1996)
Zhang, T. C., Lampe, D. G., 'Sulfur Limestone autotrophic denitrification processes for the treatment of nitrat-contaminated water: batch experiment,' Water Res., 33(3), 599-608(1999)
Kurt, M, Dnn, I. J., Bourne, J. R., 'Biological denitrification of drinking water using autotrophic organics woth $H_2$ in a fludized bed bioflim reactor,' Biotechnol. Bioengng., 29, 493-501(1987)
Claus, G., Kutzner, H. J., 'Autotrothic denitrification by thiobacillus denitrificans in a packef in a packed,' Applied Micobial. Biotechnol., 22, 289-296(1985)
Koenig, A., Liu, L. H., 'Kinetic model of autotrophic denitrication,' Water Res., 35(8), 1960-1978(2001)
Discoll, B., 'The use of sulfur and sulfide in packed bed reactors for autotrophic denitrification,' J. Water Pollut. Control Federation, 50, 569-577(1978)
Ronald, M., Atlas Edited by Lawrence. C Parks, 'Handbook of Microbiological Media,' CRC Press(2000)
Lens, P. N. L., Hulstoff, L. P., 'Environmental Technologies to Treat Sulfur Pollution Principles and Engineering,' IWA publishing, 415-447(2000)
심동민, 권은미, 정욱진, 진창숙, 박대원, '배치식 실험을 통한 황 복합 담체의 황/ $CaCO_3$ 혼합비가 황이용 탈질 효율에 미치는 영향', 대한환경공학회, 춘계학술연구발표회 논문집, 경성대학교, 부산, pp. 145(2004)
APHA, 'Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater,' 20th American Public Health Association, Washington D.C, USA(1998)
Sigmund, F, 'Princilpes of Environmental Toxicology,' American Chemical Society, Washington D.C, USA(1997)
Van der Hock, J. P., Kappelhof, J. W. N. M., Hijnen, W. A. M., 'Biological nitrate removal from ground water by sulfur/Limestone denitrification,' Extended summaries-Environmental Biotechnology Group Meeting, 197-200 (1998)
Flere, J. M., Zhang, T. C., 'Nitrate removal with sulfur-limestone autotrophic denitrification process,' J. Envir. Eng., 8(125), 721-729(1999)
Halling-Sorensen, B., Jorgensen, S. E., 'The removal of nitrogen compounds from wastewater,' Elsevier science publishers B. V. Netherlands, 119-137(1993)
Koenig, A., Lin, L. H., 'Use of limestone for pH control in autotrophic denitrification: continuous flow experiments in pilot-scale packed bed reactor,' J. Biotech., 99, 161-171(2002)
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