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문제 정의
- 바이오필터에 적용되는 담체는 pH 변화에 대한 완충능력이 있고, 적정밀도를 유지할 수 있어야 하며, 구조 및 화학적 특성이 안정되어야 한다(남궁완 등, 2002). 본 연구에서는 분리된 황산화 세균과 다양한 담체를 이용해 분리균주의 황화수소 제거효율을 살펴보았다.
제안 방법
- 운전온도는 25～35℃이었으며 반응기는 물을 이용하여 역세척이 가능하도록 하였다. 영양물질은 담체층 상부에 설치된 노즐을 통해 분사되었으며 2～4시간 간격으로 수분을 공급하였고 영양분을 공급하기 위해 영양분 공급조를 설치하였다. 황화수소 가스는 바이오필터에 일정 유량,농도로 공급해주기 위하여 가스봄베에서 공급되는 가스의 압력을 일차적으로 조절한 후, mass flow controller(F-201C, Bronkhorst)를 이용하여 공급압력을 조절한 후 flow-meter 및 air compressor를 이용해 공기와 혼합시켜 설정된 농도로 일정하게 주입하였으며 시료채취는 반응기 상부와 하부,그리고 각 부분에 설치된 sampling port를 이용하여 분석하였다.
- 영양물질은 담체층 상부에 설치된 노즐을 통해 분사되었으며 2～4시간 간격으로 수분을 공급하였고 영양분을 공급하기 위해 영양분 공급조를 설치하였다. 황화수소 가스는 바이오필터에 일정 유량,농도로 공급해주기 위하여 가스봄베에서 공급되는 가스의 압력을 일차적으로 조절한 후, mass flow controller(F-201C, Bronkhorst)를 이용하여 공급압력을 조절한 후 flow-meter 및 air compressor를 이용해 공기와 혼합시켜 설정된 농도로 일정하게 주입하였으며 시료채취는 반응기 상부와 하부,그리고 각 부분에 설치된 sampling port를 이용하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 Table 2와 같은 실험조건에 다양한 미생물 담체를 이용해 황화수소 제거 실험을 진행하였으며 담체에 멸균된 미생물 접종균 500mL를 접종한 후 실험을 진행하였다. 담체의 pH를 중성으로 만들기 위해 1M potassium phosphate buffer(pH 7.
- 황화수소 농도는 유입 및 유출구에서 황화수소 농도는 측정농도범위가 0～50ppm인 황화수소 측정기(Komyo Mb500, Japan)를 이용하여 측정하였다.
- 반응기의 재질은 아크릴이며 직경 10cm, 높이 150cm, 충진층 높이는 70cm이었다. 반응기 내부의 함수율을 충분히 유지시켜주면서 유입 가스의 유량을 0.3~1.2m/min로 변화시켜 이때의 압력강하 (mmH2O)를 마노미터로 측정하였다.
- IW.와 지렁비 분변토 및 ACF, PU, 섬유상, 화산석, 규조토 담체를 이용하여 농도변화에 따른 황화수소의 제거효율을 살펴보았다. 실험에 앞서 10ppm 미만의 저농도로 황화수소를 4일간 주입시켜 황산화 세균의 적응기를 주었으며 이후 단계적으로 12일 주기로 유입농도를 10, 20, 30, 40, 50ppm으로 증가시키면서 유입농도 변화에 따른 황화수소의 제거효율을 조사하였으며 결과는 Fig.
- 와 지렁비 분변토 및 ACF, PU, 섬유상, 화산석, 규조토 담체를 이용하여 농도변화에 따른 황화수소의 제거효율을 살펴보았다. 실험에 앞서 10ppm 미만의 저농도로 황화수소를 4일간 주입시켜 황산화 세균의 적응기를 주었으며 이후 단계적으로 12일 주기로 유입농도를 10, 20, 30, 40, 50ppm으로 증가시키면서 유입농도 변화에 따른 황화수소의 제거효율을 조사하였으며 결과는 Fig. 3과 같다.
- IW.와 지렁비 분변토 및 ACF, PU, 섬유상, 화산석, 규조토담체를 이용하여 공간속도 변화에 따른 제거효율의 변화를 살펴보았다. 황화수소의 유입농도를 20ppm으로 고정한 상태에서 공간속도를 56h-1～400h-1까지 변화시켰으며 실험 결과는 Fig.
- 그리고 증가된 압력손실은 가스의 원활한 흐름을 방해하여 바이오필터의 운전효율을 저하시킨다. 본 연구에서는 6가지의 담체를 이용해 바이오필터를 이용한 황화수소 제거반응 시 발생하는 압력손실을 조사하였으며 결과는 Fig. 5와 같다. 압력손실의 변화는 30일 이상 조업한 바이오필터에 대해 공기유량 0.
- 5와 같다. 압력손실의 변화는 30일 이상 조업한 바이오필터에 대해 공기유량 0.3~1.5m/min의 범위에서 manometer를 사용하여 측정하였다. 무기성 담체의 경우 대해 초기 운전 시에는 압력강하가 5mmH2O 미만으로 나타났으나 유기성 담체인 지렁이 분변토의 경우 25mmH2O 정도로 압력손실이 크게 발생하는 것으로 확인되었다.
- 전남 화순군의 폐탄광 폐수에서 황산화 세균인 Thiobacillus sp. IW를 분리하여 다양한 담체를 대상으로 황화수소 제거반응을 실시하였다. 유기성 담체인 지렁이 분변토와 무기성 담체인 규조토, 화산석, ACF, 섬유상 및 PU 담체를 이용하여 유입농도에 따른 황화수소 제거특성을 실험한 결과 50ppm 이하일 경우 ACF 담체의 경우 96%의 제거효율을 보였으며 섬유상, PU 담체의 경우 99% 이상의 높은 제거효율을 나타내었다.
대상 데이터
- IW.를 황화수소 제거용 균주로 사용하였다. 시료를 500mL 삼각플라스크에 넣고 기본배지에 0.
- 본 연구에서 사용된 담체는 유기성 담체로 지렁이 분변토를 이용하였으며 무기성 담체로는 활성탄 섬유(ACF), 폴리우레탄(PU), 섬유상, 화산석, 규조토를 사용하였다. 지렁이 분변토는 미생물의 성장에 필요한 유기 및 무기질이 포함되어 있어 별도의 배지공급이 필요하지 않은 장점이 있으며, 섬유상 담체의 경우 주로 polypropylene으로 제조되며 미생물이 부착할 수 있는 섬모의 양이 많아 부착 미생물의 양이 많이 특징이 있다.
- 2와 같다. 반응기의 재질은 아크릴이며 직경 10cm, 높이 150cm, 충진층 높이는 70cm이었다. 반응기 내부의 함수율을 충분히 유지시켜주면서 유입 가스의 유량을 0.
성능/효과
- 유입농도 20ppm까지는 ACF, PU, 섬유상 담체 모두 100%의 제거효율을 나타내었다. 다만 유기성 담체의 경우 10ppm에서 20ppm으로 황화수소 유입농도가 증가하면 제거효율이 일시적으로 감소했으나 적응 후 제거효율이 다시 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 유입농도가 30ppm으로 증가하면 섬유상과 PU를 사용한 바이오필터에서는 별다른 감소를 나타내지 않았으나 다른 담체의 경우 제거효율이 감소하였다가 다시 1일 정도의 적응기를 거친 후 제거효율이 회복되었다.
- 다만 유기성 담체의 경우 10ppm에서 20ppm으로 황화수소 유입농도가 증가하면 제거효율이 일시적으로 감소했으나 적응 후 제거효율이 다시 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 유입농도가 30ppm으로 증가하면 섬유상과 PU를 사용한 바이오필터에서는 별다른 감소를 나타내지 않았으나 다른 담체의 경우 제거효율이 감소하였다가 다시 1일 정도의 적응기를 거친 후 제거효율이 회복되었다. 그러나 회복 정도는 앞선 농도의 증가보다 떨어짐을 볼 수 있었다.
- 그러나 회복 정도는 앞선 농도의 증가보다 떨어짐을 볼 수 있었다. 60일 운전 결과 50ppm 이하의 농도에서 섬유상, PU, ACF 담체의 경우 96% 정도의 제거효율을 보였으나 규조토와 화산석의 경우 같은 무기성 담체이지만 제거효율이 다소 떨어지는 것으로 확인되었다. 특히 규조토의 경우 유기성 담체인 지렁이 분변토와 유사한 제거효율 변화를 나타내어 다른 무기성 담체와 비교해 황화수소 제거효율이 떨어지는 것으로 확인되었다.
- 60일 운전 결과 50ppm 이하의 농도에서 섬유상, PU, ACF 담체의 경우 96% 정도의 제거효율을 보였으나 규조토와 화산석의 경우 같은 무기성 담체이지만 제거효율이 다소 떨어지는 것으로 확인되었다. 특히 규조토의 경우 유기성 담체인 지렁이 분변토와 유사한 제거효율 변화를 나타내어 다른 무기성 담체와 비교해 황화수소 제거효율이 떨어지는 것으로 확인되었다.
- 담체에 상관없이 공간속도 100h-1까지는 99.9%의 제거효율을 나타냈으나 200h-1로 증가하면 규조토, 화산석, 지렁이 분변토 담체를 사용한 경우 제거효율이 각각 95%, 97%, 94% 정도로 감소하는 것으로 나타났다. 결론적으로 400h-1의 공간속도에서 섬유상 담체의 경우 99.
- 9%의 제거효율을 나타냈으나 200h-1로 증가하면 규조토, 화산석, 지렁이 분변토 담체를 사용한 경우 제거효율이 각각 95%, 97%, 94% 정도로 감소하는 것으로 나타났다. 결론적으로 400h-1의 공간속도에서 섬유상 담체의 경우 99.9% 이상의 높은 제거효율을 보였으며 PU 담체의 경우에도 96% 이상의 제거효율 나타내었다. 그러나 다른 담체의 경우 제거효율의 감소가 크게 나타나 안정적인 운전에 어려움이 있다고 판단되었다.
- 5m/min의 범위에서 manometer를 사용하여 측정하였다. 무기성 담체의 경우 대해 초기 운전 시에는 압력강하가 5mmH2O 미만으로 나타났으나 유기성 담체인 지렁이 분변토의 경우 25mmH2O 정도로 압력손실이 크게 발생하는 것으로 확인되었다. 또한 모든 담체의 경우 유입유량이 증가하면 압력손실도 증가하였으나 무기성 담체의 경우 운전에 문제가 될 정도의 압력손실이 발생하지는 않았으며, 특히 PU와 섬유상 담체의 압력손실이 적어 바이오필터용 담체로 적용하기에 유리하였다.
- 무기성 담체의 경우 대해 초기 운전 시에는 압력강하가 5mmH2O 미만으로 나타났으나 유기성 담체인 지렁이 분변토의 경우 25mmH2O 정도로 압력손실이 크게 발생하는 것으로 확인되었다. 또한 모든 담체의 경우 유입유량이 증가하면 압력손실도 증가하였으나 무기성 담체의 경우 운전에 문제가 될 정도의 압력손실이 발생하지는 않았으며, 특히 PU와 섬유상 담체의 압력손실이 적어 바이오필터용 담체로 적용하기에 유리하였다.
- IW를 분리하여 다양한 담체를 대상으로 황화수소 제거반응을 실시하였다. 유기성 담체인 지렁이 분변토와 무기성 담체인 규조토, 화산석, ACF, 섬유상 및 PU 담체를 이용하여 유입농도에 따른 황화수소 제거특성을 실험한 결과 50ppm 이하일 경우 ACF 담체의 경우 96%의 제거효율을 보였으며 섬유상, PU 담체의 경우 99% 이상의 높은 제거효율을 나타내었다. 또한 공간속도 변화에 따른 제거효율을 살펴본 결과 담체 종류에 상관없이 공간속도 200h-1까지는 99.
- 유기성 담체인 지렁이 분변토와 무기성 담체인 규조토, 화산석, ACF, 섬유상 및 PU 담체를 이용하여 유입농도에 따른 황화수소 제거특성을 실험한 결과 50ppm 이하일 경우 ACF 담체의 경우 96%의 제거효율을 보였으며 섬유상, PU 담체의 경우 99% 이상의 높은 제거효율을 나타내었다. 또한 공간속도 변화에 따른 제거효율을 살펴본 결과 담체 종류에 상관없이 공간속도 200h-1까지는 99.9%의 제거효율을 나타냈으며 300h-1로 증가하면 ACF를 사용한 경우 제거효율의 감소가 발생하기 시작했다. 그러나 400h-1까지 93% 이상의 제거효율을 보였으며 PU 담체와 섬유상 담체의 경우 각각 96%, 99% 이상의 제거효율을 나타내었다.
- 9%의 제거효율을 나타냈으며 300h-1로 증가하면 ACF를 사용한 경우 제거효율의 감소가 발생하기 시작했다. 그러나 400h-1까지 93% 이상의 제거효율을 보였으며 PU 담체와 섬유상 담체의 경우 각각 96%, 99% 이상의 제거효율을 나타내었다. 마지막으로 담체별 압력손실 변화를 실험한 결과 ACF 담체가 다른 담체에 비해 압력손실이 큰 것으로 나타났으나 운전에 문제가 될 정도의 압력손실이 발생하지는 않았다.
- 그러나 400h-1까지 93% 이상의 제거효율을 보였으며 PU 담체와 섬유상 담체의 경우 각각 96%, 99% 이상의 제거효율을 나타내었다. 마지막으로 담체별 압력손실 변화를 실험한 결과 ACF 담체가 다른 담체에 비해 압력손실이 큰 것으로 나타났으나 운전에 문제가 될 정도의 압력손실이 발생하지는 않았다.
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