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문제 정의
- 따라서 안정된 바이오필터 운전과 성능을 위해서는 급격한 차압 증가는 바람직하지 않다. 따라서 본 연구에서는 바이오필터를 운전하는 300일 동안의 차압 변화를 관찰하고 이로부터 바이오필터와 담체의 안정성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 바이오필터용 담체로써 분말활성탄 및 제올라이트를 폴리우레탄과 혼합하여 동시 발포한 다공성 폴리우레탄 담체를 파일롯 규모의 바이오필터에 적용하여 하수처리장 농축조에서 발생되는 악취의 처리 성능을 조사하였다. 또한 담체에 분포하는 악취제거에 관여하는 미생물의 종류와 분포를 조사하고자 하였다. 본 연구에서는 담체에 부착하여 분포하며 악취 제거에 관여하는 미생물들의 군집구조를 FISH (Fluorescence in Situ Hybridization) 방법을 통해 알아보고, 이를 통해 본 담체의 미생물 부착 특성을 조사하고자 하였다.
- 또한 담체에 분포하는 악취제거에 관여하는 미생물의 종류와 분포를 조사하고자 하였다. 본 연구에서는 담체에 부착하여 분포하며 악취 제거에 관여하는 미생물들의 군집구조를 FISH (Fluorescence in Situ Hybridization) 방법을 통해 알아보고, 이를 통해 본 담체의 미생물 부착 특성을 조사하고자 하였다.
- 본 연구에서는 바이오필터용 담체로써 분말활성탄 및 제올라이트를 폴리우레탄과 혼합하여 동시 발포한 다공성 폴리우레탄 담체를 파일롯 규모의 바이오필터에 적용하여 하수처리장 농축조에서 발생되는 악취의 처리 성능을 조사하였다. 또한 담체에 분포하는 악취제거에 관여하는 미생물의 종류와 분포를 조사하고자 하였다.
제안 방법
- 2초로 증가시켜 운전을 수행하였다. 241~300일의 60일 동안은 다시 공탑체류시간을 3.6초로 짧게 운전하여 외기 온도 및 유입 악취가스의 부하 증가에 따른 바이오필터의 처리 성능을 검토하였다(기간 4). 대표적인 악취가스로는 황화수소와 암모니아를 선택하여 이들의 처리 특성을 분석하였다.
- 강원도 C시 하수종말처리장 내 슬러지 농축조에서 발생하는 악취제거를 위해 폴리우레탄을 기저물질로 하여 분말활성탄 및 제올라이트 동시 발포한 담체로 충진된 파일롯 규모의 바이오필터를 설치 운전하여 처리성능을 조사하였다. 바이오필터는 폭과 길이 각 1 m, 높이 2 m 크기 2개로 구성되어 있고 담체층 높이는 60 cm이다.
- 6초로 운전하였다(기간 2). 기간 3(60~240일)에서는 11월로 접어들면서 외부 온도의 하강으로 인한 바이오필터의 안정적인 운전을 위해 공탑체류시간을 다시 4.2초로 증가시켜 운전을 수행하였다. 241~300일의 60일 동안은 다시 공탑체류시간을 3.
- 즉, 암모니움 등 이온성 물질이 과다하게 유입되는 경우 본 담체는 생물학적 처리만을 기대하는 일반 담체와는 달리 본 담체는 생물학적 처리와 더불어 제올라이트에서 이를 우선적으로 흡착하는 방법으로 완충역할을 할 수 있어 부하변동에 능동적으로 대처할 수 있는 차별성이 있다. 미생물 접종을 위해 하수처리장 포기조 미생물을 채취하여 눈금 1 mm 체로 거른 뒤 바이오필터 담체층에 주입하여 접종하였다.
- 모든 in situ hybridization은 Manz 등에 의해 기술된 방법에 의해 수행하였다[14]. 미생물은 Zeiss Axiovert 형광현미경과 Kr/Ar ion laser (488 nm, 543 nm, 633 nm)가 장착된 MRS-1024 (Bio-Rad, U.K.) Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM)를 사용하여 관찰하였다. FISH 결과에서 미생물 정량화 해석은 이미지 프로세싱 소프트웨어(IMT i-Solution, version 3.
- 바이오필터의 담체층 부피를 기준으로 한 공탑체류시간(EBRT)은 운전 초기 34일 동안은 5초로 운전하였으며(기간 1), 한계 공탑체류시간 실험을 위해 35일부터 59일까지는 3.6초로 운전하였다(기간 2). 기간 3(60~240일)에서는 11월로 접어들면서 외부 온도의 하강으로 인한 바이오필터의 안정적인 운전을 위해 공탑체류시간을 다시 4.
- 분말활성탄과 제올라이트가 담지된 폴리우레탄 담체를 충진한 파일롯 규모의 바이오필터를 300일간 운전하며 슬러지 농축조에서 발생하는 악취를 처리한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 황 화합물 분석을 위해서는 표준과학연구원에서 ppm 농도로 제조된 표준가스를 사용하였다. 분석은 gas chromatography (HP6890, USA)에 의해 수행되었으며, 불꽃광검출기(FPD: Flame Photometric Detector)로 분석하였다.
- 유입되는 주요 악취성분이 황화수소와 암모니아로 이의 제거에 관여하는 황산화 미생물에 선택적으로 결합(hybridization)되어 형광을 나타내는 probe Thio0820과 질산화 미생물의 관찰을 위해서 probe Nso1225를 사용하여 Nitrosomonas로 대표되는 β-proteobacteria 계통의 암모니아 산화균을 관찰하였다.
- 주요 내용으로는 지정악취물질을 암모니아, 메틸멀캅탄, 황화수소 등 기존의 8개 항목에서 2010년까지 22개 항목으로 점차 확대하였으며, 동 물질에 대한 배출허용기준 및 시·도지사가 조례로 정할 수 있는 엄격한 배출허용기준 설정범위를 공업지역과 기타지역으로 구분하여 구체적으로 정하도록 하였다.
- 하수처리장 농축조에 발생되는 악취분석을 위해 바이오필터 전처리 시설 앞단과 탈취시설을 거쳐 처리된 가스가 배출되는 곳에 샘플링 port를 설치하여 유입 및 유출 가스를 분석하였다. 암모니아는 붕산용액을 포집용액으로 하여 시료를 채취한 후 페놀펜타시아노니트로실 철(III)산 나트륨 용액을 가하여 섞은 후 차아염소산나트륨 용액을 혼합하여 25~30 ℃에서 1시간 방치 후 분광광도계(Shimadzu 1201, Japan)를 이용하여 640 nm에서 흡광도를 측정하였다.
- 하수처리장 농축조에서 발생하는 악취를 처리하는 파일롯 플랜트의 운전은 9월부터 이듬해 6월에 걸쳐 총 10개월간 수행하였다. Figure 3은 10개월 동안의 바이오필터의 황화수소 처리 성능을 보여주고 있다.
대상 데이터
- 또한 악취를 유발하는 악취배출시설을 석유정제품 제조시설, 기초 유기화합물 제조시설, 축산시설, 도축·고기 가공 및 저장처리시설 등 48개 시설로 정하였다.
- 강원도 C시 하수종말처리장 내 슬러지 농축조에서 발생하는 악취제거를 위해 폴리우레탄을 기저물질로 하여 분말활성탄 및 제올라이트 동시 발포한 담체로 충진된 파일롯 규모의 바이오필터를 설치 운전하여 처리성능을 조사하였다. 바이오필터는 폭과 길이 각 1 m, 높이 2 m 크기 2개로 구성되어 있고 담체층 높이는 60 cm이다. 유입 가스의 풍량은 하수종말처리 시설 기계설비공사 설계지침에 기준하여 산정하였다[12].
- 파일롯 규모의 바이오필터 운전 기간 동안 바이오필터 담체에 주로 존재하는 미생물의 종류, 분포 등을 관찰하기 위하여 분자 생물학적 기술인 rRNA oligonucleotide probe와 결합된 FISH (Fluorescence in Situ Hybridization) 기법을 이용하였다. 실험에 사용한 oligonucleotide probe는 기존에 보고된 bacteria 검출을 위한 probe EUB338과 암모니아 산화균의 검출을 위한 probe Nso1225, 황산화 미생물의 검출을 위한 probe Thio0820을 사용하였으며 Fluorescein Isothiocyanate (FITC), Hyrophilic Sulfoindocyanine Dye (CY-3)로 형광 label하여 합성하였다(MWG Biotech, German). 실험에 사용된 oligonucleotide probe들과 이들의 sequence, specificity 그리고 hybridization 조건을 Table 1에 나타내었다.
- 실험에 사용한 담체(EcocarboliteTM)는 분말활성탄(야자계, 중량기준 4%, 300 mesh 이하) 및 제올라이트(50~100 µm, 중량기준 2~3%)와 폴리우레탄을 동시에 발포시켜 제조한 것으로써 크기는 1.5 cm × 1.5 cm × 1.5 cm이고 밀도는 0.1 g/cm3 가량의 경량 담체이며 비표면적은 500~600 m2/g, 공극률은 95%에 달하였다(Figure 2).
- 암모니아는 붕산용액을 포집용액으로 하여 시료를 채취한 후 페놀펜타시아노니트로실 철(III)산 나트륨 용액을 가하여 섞은 후 차아염소산나트륨 용액을 혼합하여 25~30 ℃에서 1시간 방치 후 분광광도계(Shimadzu 1201, Japan)를 이용하여 640 nm에서 흡광도를 측정하였다. 황 화합물 분석을 위해서는 표준과학연구원에서 ppm 농도로 제조된 표준가스를 사용하였다. 분석은 gas chromatography (HP6890, USA)에 의해 수행되었으며, 불꽃광검출기(FPD: Flame Photometric Detector)로 분석하였다.
데이터처리
- ) Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM)를 사용하여 관찰하였다. FISH 결과에서 미생물 정량화 해석은 이미지 프로세싱 소프트웨어(IMT i-Solution, version 3.0)를 사용하여 면적 비율로 산정하였다.
이론/모형
- C시 하수종말처리장 내 농축조에서 발생되는 악취제거를 위한 파일롯 규모의 바이오필터를 운전하는 동안 바이오필터 담체 높이와 운전기간에 따른 미생물의 분포를 분자생물학적 기법인 Fluorescence in Situ Hybridization (FISH) 기법을 이용하여 확인하였다. 유입되는 주요 악취성분이 황화수소와 암모니아로 이의 제거에 관여하는 황산화 미생물에 선택적으로 결합(hybridization)되어 형광을 나타내는 probe Thio0820과 질산화 미생물의 관찰을 위해서 probe Nso1225를 사용하여 Nitrosomonas로 대표되는 β-proteobacteria 계통의 암모니아 산화균을 관찰하였다.
- 실험에 사용된 oligonucleotide probe들과 이들의 sequence, specificity 그리고 hybridization 조건을 Table 1에 나타내었다. 모든 in situ hybridization은 Manz 등에 의해 기술된 방법에 의해 수행하였다[14]. 미생물은 Zeiss Axiovert 형광현미경과 Kr/Ar ion laser (488 nm, 543 nm, 633 nm)가 장착된 MRS-1024 (Bio-Rad, U.
- 바이오필터는 폭과 길이 각 1 m, 높이 2 m 크기 2개로 구성되어 있고 담체층 높이는 60 cm이다. 유입 가스의 풍량은 하수종말처리 시설 기계설비공사 설계지침에 기준하여 산정하였다[12]. 그 기준에 의하여 풍량은 수면적 부하와 안전계수를 적용하여 15~20 m3/min으로 운전하였고 체류시간을 길게 할 경우에는 거기에 맞추어 유량을 감소시켜 운전하였다.
- 파일롯 규모의 바이오필터 운전 기간 동안 바이오필터 담체에 주로 존재하는 미생물의 종류, 분포 등을 관찰하기 위하여 분자 생물학적 기술인 rRNA oligonucleotide probe와 결합된 FISH (Fluorescence in Situ Hybridization) 기법을 이용하였다. 실험에 사용한 oligonucleotide probe는 기존에 보고된 bacteria 검출을 위한 probe EUB338과 암모니아 산화균의 검출을 위한 probe Nso1225, 황산화 미생물의 검출을 위한 probe Thio0820을 사용하였으며 Fluorescein Isothiocyanate (FITC), Hyrophilic Sulfoindocyanine Dye (CY-3)로 형광 label하여 합성하였다(MWG Biotech, German).
성능/효과
- 1) 공탑체류시간 3.6~5초의 범위에서 유입 황화수소의 농도가 2~20 ppmv에서 초기 순응기간을 제외하고는 거의 100%에 가까운 제거율을 보여주었다. 암모니아는 0.
- 2) 약 60 cm에 달하는 바이오필터 충진층 사이의 압력손실은 최종적으로 31 mm H2O로 매우 낮아 장기간의 운전에도 바이오필터의 막힘이나 담체의 압착 현상이 일어나지 않아 장치의 안정성을 확인할 수 있었다.
- 3) FISH 방법으로 확인한 결과 질산화를 주관하는 암모니아 산화균인 Nitrosomonas와 황산화균인 Thiobacillus ferroxidans가 검출되었다. 바이오필터의 운전기간이 길어질수록, 그리고 악취의 유입부분이 유출부분에 비해 미생물 분포량이 더 많음을 확인하였다.
- Figure 5는 바이오필터 운전기간 동안 가습탱크와 바이오필터 담체층의 차압 변화를 나타내었다. 가습탱크의 차압은 운전 기간 내내 4 mm H2O 이내를 나타내었으며 공탑체류시간이 5초인 기간 1에서는 병렬로 구성된 바이오필터 1과 2의 차압은 약간의 차이를 보였으나 평균 5~6 mm H2O를 나타내 총 차압(가습탱크 + 바이오필터 담체층 차압)은 10 mm H2O를 보였다. 유입풍량을 15 m3/min에서 20 m3/min으로 증가시켜 공탑체류시간을 3.
- 공탑체류시간을 3.6초로 낮추어 운전한 기간 2의 경우 체류시간을 줄인 후 5일 동안 유출되는 황화수소의 농도가 0.3 ppmv까지 나타났으며 제거율은 97% 정도로 유지되었다. 그러나 그 뒤로 다시 제거율이 안정되어 100%의 제거효율을 보였다.
- 기간 3에서는 평균 주간 외기온도가 10 ℃ 이하로 낮아졌으며 바이오필터의 보온설비(단열 및 가열장치)를 설치하여 유입 온도를 최소 15 ℃가 되도록 유지하였다. 그럼에도 불구하고 유입가스의 낮은 온도로 인한 미생물의 활성저하를 고려하여 공탑체류시간을 4.2초로 증가시켜주었다. 기간 3의 초기 한 달간 유입 황화수소의 평균 농도는 5.
- 기간 3에서 동절기에 접어들면서 기온은 낮아졌지만 유입되는 암모니아의 농도가 더욱 낮아졌고 공탑체류시간도 4.2초로 짧아지고 바이오필터에 보온설비를 하면서 암모니아 제거율은 여전히 100%로 나타났다. 기간 4에서 유입가스의 암모니아가 때에 따라 1 ppmv 이상 높아지기도 했지만 제거율은 100%를 유지하여 안정된 처리성능을 보였다.
- 2초로 짧아지고 바이오필터에 보온설비를 하면서 암모니아 제거율은 여전히 100%로 나타났다. 기간 4에서 유입가스의 암모니아가 때에 따라 1 ppmv 이상 높아지기도 했지만 제거율은 100%를 유지하여 안정된 처리성능을 보였다.
- Figure 7은 바이오필터 담체에 분포하는 황산화 미생물을 조사한 FISH 결과이다. 바이오필터 운전 30일 후 황산화 미생물은 질산화 미생물의 경우와 마찬가지로 담체층 상부에서 채취한 담체에서 18.4%가 관찰된데 반해 하부 담체에서는 10.7%가 관찰되어 상부에서 더 많이 관찰되었다((A), (B)). 이는 유입되는 악취 성분들이 대부분 상부의 담체층에 부착된 미생물에 의해 제거되므로, 담체층 하부로 갈수록 미생물들이 이용할 수 있는 기질(악취)이 줄어들기 때문으로 판단된다.
- 3) FISH 방법으로 확인한 결과 질산화를 주관하는 암모니아 산화균인 Nitrosomonas와 황산화균인 Thiobacillus ferroxidans가 검출되었다. 바이오필터의 운전기간이 길어질수록, 그리고 악취의 유입부분이 유출부분에 비해 미생물 분포량이 더 많음을 확인하였다.
- 이는 유입되는 악취 성분들이 대부분 상부의 담체층에 부착된 미생물에 의해 제거되므로, 담체층 하부로 갈수록 미생물들이 이용할 수 있는 기질(악취)이 줄어들기 때문으로 판단된다. 반면 운전 150일 후 바이오필터 상부층에서 채취한 담체에서 전체 미생물 대비 24.8%의 황산화 미생물이 관찰되었고 하부층에서도 16.1%가 관찰되어 담체층 전반에 걸쳐 30일 운전 결과에 비해 황산화 미생물 분포가 증가한 것을 확인하였다((C), (D)). Ho 등은 DGGE 기법을 이용하여 초기에 접종한 Arthrobacter sp.
- 그러나 DGGE 기법으로 독립영양 질산화 미생물이나 황산화 미생물의 분포는 확인하지 못하였다. 실제로 질산화와 황산화는 대부분이 독립영양 미생물에 의해 진행되는 만큼 본 연구에서 FISH 기법을 이용하여 분포가 확인된 Nitrosomonas와 Thiobacillus ferroxidans는 실제 악취제거에 직접 기여하는 미생물이라 더욱 값진 결과라 하겠다.
- 또한 (C)와 (D)는 운전 150일 경과 후 각각 담체층 상부와 하부의 담체를 채취하여 FISH 실험을 수행한 결과이다. 운전 기간이 증가함에 따라 담체에 부착 성장하는 미생물들이 증가하고 또한 운전 120일 후에 영양제를 공급하여 운전 30일에 분석한 미생물들에 비해 EUB338 기준 전반적으로 38% 이상의 미생물이 증가됨을 관찰하였다. 하지만 질산화 미생물의 경우 운전 30일 후 관찰한 것과 비교하여 담체층 별로 약간 감소한 결과를 보였는데 이는 유입 암모니아 농도가 평균 0.
- 4 ppmv로 운전되었다. 이때 유출되는 암모니아는 거의 검출되지 않아 제거율이 100%에 이르렀으며 황화수소와는 달리 처음부터 높은 제거율을 보였다. 그 이유는 슬러지 농축조에는 암모니아 농도가 매우 낮게 유지되었고 이는 하수처리 과정에서 유입수에 포함된 암모니아의 대부분이 질산화 되거나 탈질된 때문으로 판단된다.
- 6초로 낮춘 기간 4에서 일시적으로 빠르게 차입이 증가하여 최종적으로 31 mm H2O까지 증가하였다. 즉 유입 풍량의 증가에 따른 공탑체류시간의 감소와 인산염 등 미네랄 성분이 포함된 영양제 보충 등으로 인한 미생물량의 증가는 압력 상승을 가져왔으나 운전기간 300일 동안 그 변화는 35 mm H2O으로써 담체로 충진된 파일롯 규모의 악취제거 바이오필터의 운전 결과 장기간 운전에도 압착, 미생물 증식 등에 의한 차압변화가 비교적 낮아 안정적인 운전이 가능함을 확인하였다.
- 운전 기간이 증가함에 따라 담체에 부착 성장하는 미생물들이 증가하고 또한 운전 120일 후에 영양제를 공급하여 운전 30일에 분석한 미생물들에 비해 EUB338 기준 전반적으로 38% 이상의 미생물이 증가됨을 관찰하였다. 하지만 질산화 미생물의 경우 운전 30일 후 관찰한 것과 비교하여 담체층 별로 약간 감소한 결과를 보였는데 이는 유입 암모니아 농도가 평균 0.2 ppmv로 황화수소에 비해 매우 낮았기 때문에 질산화 미생물의 개체수는 감소한 것으로 판단된다((C), (D)).
- 하향류식 바이오필터에서 악취가스가 유입되는 담체층 상부 10 cm(A)에서 probe EUB338과 결합된 전체 미생물은 담체층 상부에서 깊이 50 cm에 위치한 하부 10 cm(B)에 위치한 담체 내 미생물에 비해 33% 더 많이 존재하였으며 질산화 미생물은 상부 10 cm(A)에서 13.8%가 관찰된데 반해 하부 10 cm에서는 3.6%(B)가 관찰되어 10% 이상 더 존재함을 확인할 수 있었다. 또한 (C)와 (D)는 운전 150일 경과 후 각각 담체층 상부와 하부의 담체를 채취하여 FISH 실험을 수행한 결과이다.
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