바이오필터의 담체는 유입되는 악취를 제거할 수 있는 미생물이 서식하는 공간이다. 생물학적 악취제거에 있어서, 담체의 특성은 매우 다양하며 그 성상과 특징은 매우 중요하며 비표면적이 크고 균일한 공극을 갖는 담체의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 코코넛 섬유상 담체, 세라믹 담체, 폴리우레탄 담체를 이용한 생물학적 황화수소 제거능을 비교하였다. 그 결과 섬유상 코코넛담체는 나머지 두 개의 담체 보다 유입부하 변동과 수분 보유능 평가에서 안정적이고 높은 처리효율을 나타내었다. 그러나 수명이 짧은 단점이 있어 이를 보완하기 위해 폴리프로필렌 재질의 섬유상 담체를 제작하였고 이 담체의 황화수소 제거능을 평가한 결과, 3 이하의 낮은 pH와 6 초의 짧은 EBRT에서도 99% 이상의 높은 처리효율을 나타내었다. 따라서, 이러한 물리적 특성 때문에 황화수소의 제거에 폴리프로필렌 섬유상 담체를 이용하여 현장에 적용할 경우 효과적인 처리를 기대할 수 있다.
바이오필터의 담체는 유입되는 악취를 제거할 수 있는 미생물이 서식하는 공간이다. 생물학적 악취제거에 있어서, 담체의 특성은 매우 다양하며 그 성상과 특징은 매우 중요하며 비표면적이 크고 균일한 공극을 갖는 담체의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 코코넛 섬유상 담체, 세라믹 담체, 폴리우레탄 담체를 이용한 생물학적 황화수소 제거능을 비교하였다. 그 결과 섬유상 코코넛담체는 나머지 두 개의 담체 보다 유입부하 변동과 수분 보유능 평가에서 안정적이고 높은 처리효율을 나타내었다. 그러나 수명이 짧은 단점이 있어 이를 보완하기 위해 폴리프로필렌 재질의 섬유상 담체를 제작하였고 이 담체의 황화수소 제거능을 평가한 결과, 3 이하의 낮은 pH와 6 초의 짧은 EBRT에서도 99% 이상의 높은 처리효율을 나타내었다. 따라서, 이러한 물리적 특성 때문에 황화수소의 제거에 폴리프로필렌 섬유상 담체를 이용하여 현장에 적용할 경우 효과적인 처리를 기대할 수 있다.
Biofilters use porous solid media to support microorganisms and allow access to the contaminants in the airflow. The characteristics of media used in biofilters vary greatly, and therefore it is important to select the appropriate media in order to obtain a large enough surface attachment area and u...
Biofilters use porous solid media to support microorganisms and allow access to the contaminants in the airflow. The characteristics of media used in biofilters vary greatly, and therefore it is important to select the appropriate media in order to obtain a large enough surface attachment area and uniform pore. This study was performed to compare hydrogen sulfide ($H_2S$) removal efficiencies of three biofilter media; coconut fiber, ceramic, and polyurethane. The biofilter packed with coconut fiber showed stable removal activity when inlet loading was changeable, and was restored rapidly when the moisture content decreased. However, the coconut fiber suffered from low durability. To cope with this problem a media of fibrinous polypropylene was developed to strengthen the durability of the coconut fiber. Biofilter column experiments using the fibrinous polypropylene media demonstrated over 99% of removal efficiencies at pH as low as 3 and 6 seconds of EBRT (empty bed gas residence time). Due to its superior physical characteristics, it is expected that the $H_2S$ treatment performance will increase when the new fibrinous polypropylne media is applied in commercial biofilter systems.
Biofilters use porous solid media to support microorganisms and allow access to the contaminants in the airflow. The characteristics of media used in biofilters vary greatly, and therefore it is important to select the appropriate media in order to obtain a large enough surface attachment area and uniform pore. This study was performed to compare hydrogen sulfide ($H_2S$) removal efficiencies of three biofilter media; coconut fiber, ceramic, and polyurethane. The biofilter packed with coconut fiber showed stable removal activity when inlet loading was changeable, and was restored rapidly when the moisture content decreased. However, the coconut fiber suffered from low durability. To cope with this problem a media of fibrinous polypropylene was developed to strengthen the durability of the coconut fiber. Biofilter column experiments using the fibrinous polypropylene media demonstrated over 99% of removal efficiencies at pH as low as 3 and 6 seconds of EBRT (empty bed gas residence time). Due to its superior physical characteristics, it is expected that the $H_2S$ treatment performance will increase when the new fibrinous polypropylne media is applied in commercial biofilter systems.
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문제 정의
본 연구에서는 효과적인 생물학적 악취 제어를 위해대표적으로 사용되고 있는 다공성 세라믹 담체와 폴리우레탄 담체, 그리고 섬유상 코코넛 담체의 황화수소제거능을 평가였으며 섬유상 담체의 최적화 방안에 대해 조사하였다.
비교하였다. 또한 폴리프로필렌 재질의 인공 섬유상 담체를 천연 유기성 섬유상 담체인 코코넛 섬유와 비교하기 위한실험도 진행하였다. 이렇게선정된 담체들은 30 L 용량의 원통형 반응기를 제작하여 각각16 L 씩 충전하였으며, 경기도 W 하수처리장내 탈취배관에 연결하여 운전하였으며, 황화수소의 유입농도를 인위적으로 변화시키기 위하여 5% 황화수소가스용기를 유입라인에 연결하여 조절하였다.
제안 방법
본 연구에서는 선행조사를 통하여 무기성 담체로 다공성 세라믹을 선택하였고, 유기성 담체로는 폴리우레탄, 천연 담체로는 코코넛 섬유를 선정하여 각 담체의악취처리효율을 비교하였다. 또한 폴리프로필렌 재질의 인공 섬유상 담체를 천연 유기성 섬유상 담체인 코코넛 섬유와 비교하기 위한실험도 진행하였다.
또한 폴리프로필렌 재질의 인공 섬유상 담체를 천연 유기성 섬유상 담체인 코코넛 섬유와 비교하기 위한실험도 진행하였다. 이렇게선정된 담체들은 30 L 용량의 원통형 반응기를 제작하여 각각16 L 씩 충전하였으며, 경기도 W 하수처리장내 탈취배관에 연결하여 운전하였으며, 황화수소의 유입농도를 인위적으로 변화시키기 위하여 5% 황화수소가스용기를 유입라인에 연결하여 조절하였다. [Fig.
47 g/L 이며, 반응기에 주입할 경우에는 Na2S2O3 을 제외한 배양액을 사용하였다. 또한 배양액이 순환하는 과정에서 증발되거나 pH 가 낮아지면 배양액을 보충하였으며, 약 50일 동안 운전하면서 황화수소의 유입과 유출 농도를 측정하였다. 실험이 종료된 후에는 각 담체를 샘플링하여 Bradford method를 통해 단백질량을 측정하여 최종적인 미생물량을 분석하였다.
또한 배양액이 순환하는 과정에서 증발되거나 pH 가 낮아지면 배양액을 보충하였으며, 약 50일 동안 운전하면서 황화수소의 유입과 유출 농도를 측정하였다. 실험이 종료된 후에는 각 담체를 샘플링하여 Bradford method를 통해 단백질량을 측정하여 최종적인 미생물량을 분석하였다.
황화수소 농도 분석은 FPD(Flame Photometric Detector)가 장착된 가스 크로마토그래피 (GC2010, Dong-il Shimadzu 社)를 이용하여 분석하였다. 시료주입부150℃, 검출부150℃, 오븐50℃에서 1분간 유지, 65C까지 5C/min으로 승온시키고 65C에서 1분간 분석하였고, columne 1, 2, 3-TCEP(2m X 2.
시료주입부150℃, 검출부150℃, 오븐50℃에서 1분간 유지, 65C까지 5C/min으로 승온시키고 65C에서 1분간 분석하였고, columne 1, 2, 3-TCEP(2m X 2.6mm X 1㎛)로 packed 칼럼을 사용하여 분석하였다. 황화수소 가스의 검량선 작성은 100ppm 황화수소표준가스(순도 99.
999%)를 사용하여 준비하였다. 단백질은 미생물이 집적된 담체 샘플이 들어있는 병에 2N NaOH 용액을 주입하고 100C에서 30분간 중탕하여 cell debris를 용출시킨 후, 염색용액을 주입하고, 30분간 방치한 후 흡광도를 측정하였다. 공극률은 담체가 충전된 반응기에 물을 주입하여 일정부피가 되면소요된 물의 양을 측정하여 계산하였다.
단백질은 미생물이 집적된 담체 샘플이 들어있는 병에 2N NaOH 용액을 주입하고 100C에서 30분간 중탕하여 cell debris를 용출시킨 후, 염색용액을 주입하고, 30분간 방치한 후 흡광도를 측정하였다. 공극률은 담체가 충전된 반응기에 물을 주입하여 일정부피가 되면소요된 물의 양을 측정하여 계산하였다.
91, 용융 온도는 약 160~165℃이다. 섬유상 쏠리프로필렌 담체는 펠렛을 용융시켜 충분히 혼합하고방사노즐을 통하여 방사한 후 연신과정을 통해 가는섬유가 서로 뭉쳐있는 형태로 제조하였다.
어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서는 수분의 공급과 물질전달을 원활하게 하는 것이 중요하며 , 이를 위해 섬유상 담체의 적용을 검토하였다. 섬유상담체의 소재는 천연유기물인 코코넛 섬유를 적용하였으며, 대조군으로는 일반적으로 사용되고 있는 쏠리우레탄과 다공성 세라믹 재질의 담체를 사용하였다.
한편, 각 담체의 수분 완충능력을 평가하기 위하여반응시간 31일 시점에서 수분공급을 24시간 동안 일시적으로 정지시킨 후 황화수소 제거능을 평가하였다. 그 결과 폴리우레탄 담체의 경우, 황화수소 제거율이약 50% 정도로 급격하게 감소하였으며 정상상태로 회복하는데 5일 정도 소요되었다.
단점을 가지고 있다. 따라서 코코넛 담체의 물리적인 특성을 개선하여 수명을 증진시키기 위한 전처리로고분자 화합물을 코팅하여 앞서 제시한 방법과 동일하게 평가를 진행하였다. 전처리 코팅으로 인해 인장강도와 압축강도는 증가하였으나, 황화수소 처리효율은 급감하여 전처리 코팅은 적절한 방법이 아닌 것으로 판단되었다(data not shown).
전처리 코팅으로 인해 인장강도와 압축강도는 증가하였으나, 황화수소 처리효율은 급감하여 전처리 코팅은 적절한 방법이 아닌 것으로 판단되었다(data not shown). 따라서 섬유상 담체의 장점은 유지하면서 수명을 연장하기 위한 방안으로 폴리프로필렌 섬유상 담체를 제조하였다(data not shown, In printing). 이 섬유상 담체는 공극률이 60% 이상이며, 담체 사이에 형성되는 공극의 크기는 200~3, 000 ㎛ 범위로 매우 조밀하게 조성되어 있다.
5]에는 섬유상의 폴리프로필렌 담체의 pH 변동에 따른 황화수소 분해효율 평가 결과를 나타내었다. 실제 현장에서 황화수소를 생물학적으로 처리할 경우 황산이온이증가하여 pH가 급격히 저하되어 처리효율이 급감하는경우가 많은데15, 6), 본 연구에서는 순환수에 포함된 완충용액의 양을 조절하여 pH 변동에 따른 황화수소 분해능을 평가하였다. 그 결과 반응초기 안정화에 소요되는 기간은 코코넛 담체에 비해 6일 정도 더 소요되는결과를 나타내었다.
대상 데이터
2]와 같다. 본 연구에사용된 미생물은 황산화균인 Acidithiobacillus caldus sp과 분변토 추출액을 1 : 1로 혼합하여 황산화 배지에 7일간 적응시킨 배양액을 사용하였다. 이때의 미생물농도는 4, 000 mg/L 정도였으며, 이렇게 제조한 배양액 20L를 48시간 동안 순환시켜 각 담체에 접종하였다.
이때의 미생물농도는 4, 000 mg/L 정도였으며, 이렇게 제조한 배양액 20L를 48시간 동안 순환시켜 각 담체에 접종하였다. 황산화 배지의 조성은 KH2PO4 2 g/L, K2HPO4 2 g/L, NH4CI 0.4 g/L, MgCl2 -6H2O 0.18 g/L, FeSQ - 7H2O 0.01 g/L, Na2S2O3 2.47 g/L 이며, 반응기에 주입할 경우에는 Na2S2O3 을 제외한 배양액을 사용하였다. 또한 배양액이 순환하는 과정에서 증발되거나 pH 가 낮아지면 배양액을 보충하였으며, 약 50일 동안 운전하면서 황화수소의 유입과 유출 농도를 측정하였다.
6mm X 1㎛)로 packed 칼럼을 사용하여 분석하였다. 황화수소 가스의 검량선 작성은 100ppm 황화수소표준가스(순도 99.999%)를 사용하여 준비하였다. 단백질은 미생물이 집적된 담체 샘플이 들어있는 병에 2N NaOH 용액을 주입하고 100C에서 30분간 중탕하여 cell debris를 용출시킨 후, 염색용액을 주입하고, 30분간 방치한 후 흡광도를 측정하였다.
본 연구에서는 범용 열가소성 고분자인 폴리프로필렌을 펠렛 형태로 "사에서 구입하였으며, 펠렛의 비중은 0.91, 용융 온도는 약 160~165℃이다. 섬유상 쏠리프로필렌 담체는 펠렛을 용융시켜 충분히 혼합하고방사노즐을 통하여 방사한 후 연신과정을 통해 가는섬유가 서로 뭉쳐있는 형태로 제조하였다.
이를 해결하기 위해서는 수분의 공급과 물질전달을 원활하게 하는 것이 중요하며 , 이를 위해 섬유상 담체의 적용을 검토하였다. 섬유상담체의 소재는 천연유기물인 코코넛 섬유를 적용하였으며, 대조군으로는 일반적으로 사용되고 있는 쏠리우레탄과 다공성 세라믹 재질의 담체를 사용하였다. [Fig.
이론/모형
수 있다. 또한 실험을 완료한 후 각 담체를 채취하여담체에 부착된 미생물량을 Bradford 방법을 이용한 단백질 측정법을 통해 평가하였으며 그 결과를 [Table 2]에 제시하였다. 단백질 측정 결과 각 담체에 부착된단백질량은 섬유상 코코넛>폴리우레탄>세라믹 의순서로 나타났는데, 이것은 섬유상 코코넛 담체에 부착된 미생물이 3~4배 정도 많다는 의미이며 따라서 미생물의 집적이 용이하고 활성 유지가 우수한 담체라고판단된다.
성능/효과
평가하였다. 그 결과 폴리우레탄 담체의 경우, 황화수소 제거율이약 50% 정도로 급격하게 감소하였으며 정상상태로 회복하는데 5일 정도 소요되었다. 그러나 섬유상의 코코넛 담체는 수분공급 정지의 영향이 거의 없는 것으로나타나 수분 완충능력 이 가장 우수한 것으로 판단된다.
그러나 섬유상의 코코넛 담체는 수분공급 정지의 영향이 거의 없는 것으로나타나 수분 완충능력 이 가장 우수한 것으로 판단된다. 결과적으로 섬유상의 코코넛 담체는 유입부하의 변동과 수분공급 정지에도 불구하고 거의 일정하게 99% 이상의 우수한 처리효율을 유지할 수 있음을 알 수 있다.
4]에는 각 담체별 황화수소 분해능 평가 결과를 나타내었다. 코코넛 섬유 담체를 투입한, 미생물 반응기의 분해능(elimination capacity; EC) 값은 100% conversion line과 거의 유사하게 나타났으며 이때의최대 분해능은 12.05 g/m3-hr 이였으며, 이러한 경향은 유입되는 황화수소의 농도 변화에도 불구하고 코코넛 섬유 미생물 반응기가 안정적으로 오염물질을 제거할 수 있음을 의미한다. 이는 물리적으로 코코넛 섬유가 갖는 넓은 비표면적과 수분 보유능 및 생물학적으로 미생물의 서식 및 활동이 용이하여 높은 미생물 집적으로 인한 결과라 판단된다.
이러한 결과를 통해 섬유상의 코코넛 담체가 세라믹과 폴리우레탄 담체보다 담체로써의 성능이 월등함을알 수 있다. 또한 실험을 완료한 후 각 담체를 채취하여담체에 부착된 미생물량을 Bradford 방법을 이용한 단백질 측정법을 통해 평가하였으며 그 결과를 [Table 2]에 제시하였다.
또한 실험을 완료한 후 각 담체를 채취하여담체에 부착된 미생물량을 Bradford 방법을 이용한 단백질 측정법을 통해 평가하였으며 그 결과를 [Table 2]에 제시하였다. 단백질 측정 결과 각 담체에 부착된단백질량은 섬유상 코코넛>폴리우레탄>세라믹 의순서로 나타났는데, 이것은 섬유상 코코넛 담체에 부착된 미생물이 3~4배 정도 많다는 의미이며 따라서 미생물의 집적이 용이하고 활성 유지가 우수한 담체라고판단된다.
따라서 코코넛 담체의 물리적인 특성을 개선하여 수명을 증진시키기 위한 전처리로고분자 화합물을 코팅하여 앞서 제시한 방법과 동일하게 평가를 진행하였다. 전처리 코팅으로 인해 인장강도와 압축강도는 증가하였으나, 황화수소 처리효율은 급감하여 전처리 코팅은 적절한 방법이 아닌 것으로 판단되었다(data not shown). 따라서 섬유상 담체의 장점은 유지하면서 수명을 연장하기 위한 방안으로 폴리프로필렌 섬유상 담체를 제조하였다(data not shown, In printing).
이 섬유상 담체는 공극률이 60% 이상이며, 담체 사이에 형성되는 공극의 크기는 200~3, 000 ㎛ 범위로 매우 조밀하게 조성되어 있다. 또한 수분을함유한 상태에서의 겉보기 비중은 0.3 정도로 매우 낮아 시 공 및 운반이 용이 한 장점이 있으며, 코코넛 담체에 비해 강도가 우수하여 담체 충전 과정에서 가루의발생이 적은 특징을 가진 것으로 나타났다. [Fig.
실제 현장에서 황화수소를 생물학적으로 처리할 경우 황산이온이증가하여 pH가 급격히 저하되어 처리효율이 급감하는경우가 많은데15, 6), 본 연구에서는 순환수에 포함된 완충용액의 양을 조절하여 pH 변동에 따른 황화수소 분해능을 평가하였다. 그 결과 반응초기 안정화에 소요되는 기간은 코코넛 담체에 비해 6일 정도 더 소요되는결과를 나타내었다. 이는 미생물의 친화력이 천연담체에 비해 저하되는 인공담체의 특성을 반영한 결과라고하겠다.
이는 미생물의 친화력이 천연담체에 비해 저하되는 인공담체의 특성을 반영한 결과라고하겠다. pH에 대한 완충능 평가를 위해 생물학적 반응이 안정화되었다고 판단된 6일 이후부터 12일까지 완충용액 투입을 중단하였는데, pH가 2.0까지 저하되었어도 처리효율에 미치는 영향은 거의 없었다. 또한 황화수소 충격부하의 영향을 파악하기 위해 황화수소의유입농도를 10ppm에서 40ppm으로 급격하게 상승시켰으나, 마찬가지로 99% 이상의 높은 처리효율을 나타냈다.
0까지 저하되었어도 처리효율에 미치는 영향은 거의 없었다. 또한 황화수소 충격부하의 영향을 파악하기 위해 황화수소의유입농도를 10ppm에서 40ppm으로 급격하게 상승시켰으나, 마찬가지로 99% 이상의 높은 처리효율을 나타냈다.
6〕에는 폴리프로필렌 섬유상 담체의 황화수소분해능 평가 결과를 나타내었는데, 코코넛 섬유상 담체의 분해능 평가 결과와 동일하게 100% conversion line에 수렴함을 알 수 있다. 따라서 폴리프로필렌 섬유상 담체는 천연섬유인 코코넛 섬유상 담체의 황화수소분해능은 유지하면서도 물리적 강도는 우수하여 수명이 짧은 치명적인 단점을 보완할 수 있는 고효율의 고분자 인공담체로 평가되었다.
1. 천연 물질인 코코넛 섬유상 담체를 대상으로 생물학적 황화수소 제거능을 평가한 결과, 세라믹과폴리우레탄 담체보다 황화수소의 유입부하 변동과 수분 보유능 평가에서 안정적이고 높은 처리효율을 나타내었다. 이는 균일한 크기의 공극과 뛰어난 수분의 보유력 때문이며, 미생물의 부착 및활성 에도 효과적인 것으로 나타났으나 수명이 짧은 단점 을 보완할 필요가 있다.
2. 이를 보완하기 위해 폴리프로필렌 재질의 섬유상담체를 제조하였으며, 이 담체의 황화수소 제거능을 평가한 결과, 코코넛 섬유상 담체의 황화수소분해능과 유사하였으며, 3 이하의 낮은 pH에서도 99% 이상의 높은 처리효율을 나타내었다. 또한물리적 강도는 코코넛 섬유상 담체보다 우수하여수명이 짧은 치명적인 단점을 보완할 수 있는 고효율의 고분자 인공담체로 판단된다.
이를 보완하기 위해 폴리프로필렌 재질의 섬유상담체를 제조하였으며, 이 담체의 황화수소 제거능을 평가한 결과, 코코넛 섬유상 담체의 황화수소분해능과 유사하였으며, 3 이하의 낮은 pH에서도 99% 이상의 높은 처리효율을 나타내었다. 또한물리적 강도는 코코넛 섬유상 담체보다 우수하여수명이 짧은 치명적인 단점을 보완할 수 있는 고효율의 고분자 인공담체로 판단된다.
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