Contribution of immobilized media with bacteria to the odor removal was evaluated in a lab scale bio-filter compared to that with sponge or ceramic media without the immobilized bacteria. Candida tropicalis for volatile organic compounds and ammonium oxidizing bacteria (AOB) for inorganic compounds ...
Contribution of immobilized media with bacteria to the odor removal was evaluated in a lab scale bio-filter compared to that with sponge or ceramic media without the immobilized bacteria. Candida tropicalis for volatile organic compounds and ammonium oxidizing bacteria (AOB) for inorganic compounds were used as seeds in lab-scale bio-reactors. Three different type of media in the bio-reactors that immobilized bioreactor (IBR), sponge bioreactor (SBR), and ceramic bioreactor (CBR) were examined, respectively. An empty bed contact time (EBCT) of the bio-filters was fixed as 60 seconds, and the inlet concentration of toluene was changed from 20 ppm to 200 ppm to observe the removal efficiency depending on the concentrations. As a result, the maximum elimination capacities of IBR, SBR, and CBR were 166 $g/m^3/hr$, 138 $g/m^3/hr$, and 138 $g/m^3/hr$, respectively. In addition, toluene as an organic compound and ammonia as an inorganic compound were applied together with different inlet concentrations varied from 80 ppm to 250 ppm of toluene and from 2.5 ppm to 40 ppm of ammonia. The toluene maximum elimination capacities in IBR, SBR, and CBR were 97.4 $g/m^3/hr$, 59.5 $g/m^3/hr$, and 81.9 $g/m^3/hr$, respectively. The ammonia maximum elimination capacities were reached as 7.2 $g/m^3/hr$ in IBR, 6.6 $g/m^3/hr$ in SBR, and 7.0 $g/m^3/hr$ in CBR.
Contribution of immobilized media with bacteria to the odor removal was evaluated in a lab scale bio-filter compared to that with sponge or ceramic media without the immobilized bacteria. Candida tropicalis for volatile organic compounds and ammonium oxidizing bacteria (AOB) for inorganic compounds were used as seeds in lab-scale bio-reactors. Three different type of media in the bio-reactors that immobilized bioreactor (IBR), sponge bioreactor (SBR), and ceramic bioreactor (CBR) were examined, respectively. An empty bed contact time (EBCT) of the bio-filters was fixed as 60 seconds, and the inlet concentration of toluene was changed from 20 ppm to 200 ppm to observe the removal efficiency depending on the concentrations. As a result, the maximum elimination capacities of IBR, SBR, and CBR were 166 $g/m^3/hr$, 138 $g/m^3/hr$, and 138 $g/m^3/hr$, respectively. In addition, toluene as an organic compound and ammonia as an inorganic compound were applied together with different inlet concentrations varied from 80 ppm to 250 ppm of toluene and from 2.5 ppm to 40 ppm of ammonia. The toluene maximum elimination capacities in IBR, SBR, and CBR were 97.4 $g/m^3/hr$, 59.5 $g/m^3/hr$, and 81.9 $g/m^3/hr$, respectively. The ammonia maximum elimination capacities were reached as 7.2 $g/m^3/hr$ in IBR, 6.6 $g/m^3/hr$ in SBR, and 7.0 $g/m^3/hr$ in CBR.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 선행연구를 통해 포괄고정 담체를 개발했으며(김 등, 2012), 자체 개발한 포괄고정 담체의 효능을 평가하기 위해 포괄고정 담체, 스펀지 담체, 세라믹 담체를 각각 충전한 바이오필터를 운전하여 유기악취 및 유·무기 복합악취에 대한 처리효율과 분해능을 평가하였다.
본 연구에서는 자체 개발한 포괄고정 담체의 악취 제거효능을 평가하기 위해 포괄고정 담체, 스펀지 담체, 세라믹 담체가 각각 충전된 반응조에 유기악취로 톨루엔, 무기악취로 암모니아를 유입시켜 포괄고정 담체의 성능을 평가하였다.
EBCT를 1분으로 유지시키기 위해서 공기유량은 톨루엔과 암모니아가 각각 1.6 L/min씩 총 3.2 L/min로 설정하였다. 톨루엔은 30 ∼ 100 g/m3/h, 암모니아는 0.
GC 분석을 위한 톨루엔 standard는 0 ∼ 300 ppm 범위에서 vapor pressure 방법을 이용하여 측정했으며, GC의 운전조건은 Table 3과 같다.
담체종류에 따른 바이오필터의 유기악취와 유·무기 복합악취 제거능을 파악하기 위해 본 연구에서 개발한 포괄고정 담체 제조방법으로 제조한 포괄고정 담체와 스펀지 담체 그리고 세라믹 담체를 바이오필터에 충전하여 운전하였다.
5로 유지시켜 주었다. 또한 유입 및 유출되는 톨루엔과 암모니아 농도를 매일 측정했으며, 영양염류는 이틀마다 새로운 영양염류로 교체하였다.
본 연구에서는 단일 유기악취로 톨루엔을 선정하여 3개의 반응조에 C. tropicalis 포괄고정 담체(immobilized bioreactor, IBR), 스펀지 담체(sponge bioreactor, SBR), 세라믹 담체(ceramic bioreactor, CBR)를 각각 충전하여 Fig. 1과 같이 구성하여 운전하였다.
암모니아 분석은 1 L의 Tedlar bag을 이용하여 가스를 포집하여, 암모니아 검지관(GASTEC, dectector, tube No.3L)을 이용하여 분석하였다.
영양염류는 40 mL/min의 유량으로 8시간마다 15분씩 살수되어 하루에 2 L가 공급되도록 설정하였고, drain chamber에 pH controller를 설치하여 pH를 6.5 ∼ 7.5로 유지시켜 주었다.
영양염류는 40 mL/min의 유량으로 8시간마다 15분씩 살수되어, 총 2 L/day가 공급되도록 설정하였고, drain chamber에 pH controller를 설치하여 pH를 6.5 ∼ 7.5로 유지하였다.
유기악취와 무기악취를 동시에 제거하기 위해 1층에는 yeast가 고정된 담체를 2층에는 AOB가 고정된 담체를 각각 1 L 씩 충전하여 유기악취와 무기악취를 단계별로 처리하고자 하였다.
5로 유지하였다. 유입 및 유출되는 톨루엔 농도를 매일 측정했으며, 영양염류는 이틀마다 새로운 영양염류로 교체하였다.
이때 포괄고정 담체는 PEGDA(Polyethylene glycol diacrylate) 10 %, sodium alginate 1 %, potassium persulfate 1 %, TMEDA 0.02 %와 약 1.5 OD(optical density @ 600 nm) 미생물 농축액 50 %를 증류수에 혼합한 후, 스펀지 형태(12×12×12)의 담체에 흡수시켜 상온에서 경화시켜 제조하였다.
산업현장에서 배출되는 악취는 단일 악취물질이 아닌 유기악취와 무기악취가 혼합된 복합악취로 배출된다. 이에 본 연구에서는 유기악취는 톨루엔, 무기악취는 암모니아를 선정하여 Fig. 1과 같이 바이오필터를 구성하고 운전을 실시하였다.
톨루엔 분석은 FID(flame ionization detector)가 장착된 GC(Acme 6000M GC, Young Lin Korea)를 이용하였다. 톨루엔은 반응조 유입, 유출부의 샘플링 포트에서 1 L의 Tedlar bag을 이용하여 포집 후 측정하였다.
톨루엔은 30 ∼ 100 g/m3/h, 암모니아는 0.25 ∼ 7.7 g/m3/h로 유입부하를 단계적으로 증가시켜 담체별 유입부하 변화에 따른 처리효율을 평가하였다.
본 연구에서는 무기악취 대표물질로 하수 처리장, 분뇨처리장 등 환경기초시설에서 많이 발생하는 암모니아를 대상기질로 선정하였다. 암모니아 분해균주인 ammonia oxidizing bacteria(AOB)를 분리배양하기 위해 S시 하수 처리장에서 활성슬러지를 샘플링하여 30 ℃, 180 rpm에서 24시간 전배양하였다.
본 연구에서는 휘발성 유기화합물에 분해능이 높은 효모(yeast)인 Candida tropicalis를 대상균주로 하였으며, 한국미생물보존센터(Korea Culture Center of Microorganisms, KCCM)에서 분양받아 YM(yeast extrate 3 g, malt extract 3 g, peptone 5 g, dextrose 10 g, agar 20 g, distilled water 1 L) 한천배지에서 1차 배양하였다. 액상배양을 위해 탄소원으로 톨루엔을 첨가한 액체배지에 한천배지에서 배양된 C.
성능/효과
C. tropicalis를 이용하여 톨루엔만 유입시켰을 때의 최대 분해능을 산출한 결과, IBR은 166 g/m3/hr, SBR은 138 g/m3/hr, CBR은 138 g/m3/hr로 IBR이 가장 높게 나타났다.
반면, CBR과 SBR은 유입부하가 증가함에 따라 톨루엔 제거효율이 감소하는 경향을 나타내었다. CBR의 경우 톨루엔 유입농도 200 ppm까지는 90 %의 제거효율을 나타냈으나, 톨루엔 유입농도가 250 ppm으로 증가함에 따라 제거율이 85%로 감소하였고, SBR의 경우 톨루엔 유입농도가 증가함에 따라 제거율이 85 %에서 60 %까지 감소하여 가장 낮은 제거율을 나타내었다.
IBR의 경우 톨루엔 유입농도가 20 ppm에서 100 ppm, 200 ppm으로 단계적으로 증가함에도 90 % 이상의 높은 제거율을 보이며, 급격한 유입부하 변동에도 안정적인 처리가 가능한 것으로 나타났다. SBR은 톨루엔 유입농도가 20 ppm에서는 최대 90 %, 100 ppm에서는 85 %, 200 ppm에서는 80 %의 제거율로 유입부하가 증가함에 따라 제거효율이 감소되었다.
IBR의 경우 톨루엔 유입농도가 20 ppm에서 100 ppm, 200 ppm으로 단계적으로 증가함에도 90 % 이상의 높은 제거율을 보이며, 급격한 유입부하 변동에도 안정적인 처리가 가능한 것으로 나타났다. SBR은 톨루엔 유입농도가 20 ppm에서는 최대 90 %, 100 ppm에서는 85 %, 200 ppm에서는 80 %의 제거율로 유입부하가 증가함에 따라 제거효율이 감소되었다. CBR 역시 톨루엔의 유입농도 20 ppm 일 때 최대 90 %의 제거율을 나타내었으나, 100 ppm, 200 ppm으로 유입부하가 증가함에 따라 제거효율이 80 %로 감소되었다.
담체별 특징을 살펴보면 IBR은 CBR과 SBR에 비해 안정화되는 기간이 짧고, 높은 분해능을 나타냈다. 이는 포괄고정 담체가 미생물을 고정한 후 이용되기 때문에 운전초기에도 다량의 미생물을 확보할 수 있었기 때문이라 판단된다.
담체성능이 좋다고 알려진 스펀지와 세라믹을 포괄고정 담체와 비교한 결과, 포괄고정 담체의 톨루엔 제거능이 스펀지 담체에 비해 30 % 이상, 세라믹 담체에 비해 15 % 이상 높게 나타났다. 또한, 암모니아 제거에 있어, SBR과 CBR은 유입부하가 증가함에 따라 큰 폭으로 제거효율이 감소하였으며, 특히 CBR은 초기 안정화되는데 시간이 오래 걸리는 단점을 나타내었다.
또한, IBR은 유입부하 변동에도 가장 안정적으로 톨루엔과 암모니아를 제거하여 세 종류의 담체 중에서 가장 우수한 성능을 나타낸 반면, CBR은 안정화되는 기간이 오래 걸렸지만, 안정화 후에는 유입부하 변동에도 SBR 보다 안정적인 제거효율을 보였다.
담체성능이 좋다고 알려진 스펀지와 세라믹을 포괄고정 담체와 비교한 결과, 포괄고정 담체의 톨루엔 제거능이 스펀지 담체에 비해 30 % 이상, 세라믹 담체에 비해 15 % 이상 높게 나타났다. 또한, 암모니아 제거에 있어, SBR과 CBR은 유입부하가 증가함에 따라 큰 폭으로 제거효율이 감소하였으며, 특히 CBR은 초기 안정화되는데 시간이 오래 걸리는 단점을 나타내었다. 반면, IBR은 운전 초기부터 100 %의 제거효율을 나타내었으며, 유입부하 변동에도 안정적인 운전이 가능함을 보여주었다.
또한, 암모니아 제거에 있어, SBR과 CBR은 유입부하가 증가함에 따라 큰 폭으로 제거효율이 감소하였으며, 특히 CBR은 초기 안정화되는데 시간이 오래 걸리는 단점을 나타내었다. 반면, IBR은 운전 초기부터 100 %의 제거효율을 나타내었으며, 유입부하 변동에도 안정적인 운전이 가능함을 보여주었다.
Namgung(2010)에 의하면 혼합 악취물질이 유입되는 경우, 단일 악취물질이 유입되는 경우와 비교하여, 최대 분해능이 톨루엔은 40 %, 암모니아는 50 % 정도 감소한다고 보고하였다. 본 연구에서 톨루엔과 암모니아가 혼합되어 유입되었을 경우, 톨루엔만 유입되었을 경우와 비교하여 톨루엔 최대 분해능은 IBR 43 %, SBR 57 %, CBR 41 %가 감소되었다.
를 접종한 polyurethane 담체를 이용하여 바이오필터를 운전하여 톨루엔 최대 분해능이 150 g/m3/hr이었고, Singh and Rai(2010)은 polyurethan을 충전한 바이오필터에서 톨루엔 최대 분해능을 90 g/m3/hr이었다고 보고하였다. 본 연구의 IBR은 선행연구 보다 높은 최대 분해능을 나타냈으며, SBR과 CBR은 비슷하거나 다소 낮은 최대 분해능을 나타내었다.
2 (b)에 나타내었다. 운전시작 후 15일까지는 세 반응조 모두 90 % 이상의 높은 제거율을 보였으나, 이후 SBR과 CBR의 제거율은 60 %까지 감소되었다. Park(2008)에 의하면 바이오필터 운전 초기에 나타나는 높은 제거효율은 미생물에 의한 분해가 아닌 바이오필터 시스템내의 흡착효과라고 보고하였다.
톨루엔과 암모니아를 동시에 유입시켰을 때의 최대 분해능을 산출한 결과, 톨루엔의 경우 IBR은 97.4 g/m3/hr, SBR은 59.5 g/m3/hr, CBR은 81.9 g/m3/hr의 최대분해능을 나타내었고, 암모니아의 경우 IBR은 7.2 g/m3/hr, SBR은 6.6 g/m3/hr, CBR은 7.0 g/m3/hr의 최대 분해능으로 IBR이 가장 높았으며, CBR, SBR의 순으로 최대 분해능이 높게 나타났다.
참고문헌 (19)
Kim, D. S. (2000) Technology of odor elimination and recent trends in the industry, The Korean Society of Industrial Engineering Chemistry, Symposium of Environmental Technology, pp. 111-134.
Kim, S. J., Kim, T. H., Lee, Y. H., Jang, H. S., Song, J. H., Hwang S. J. (2012) Development of optimal bio-encapsulated media for organic/inorganic odor reduction, Journal of Korean society of water and wastewater, 28(1), pp. 29-36.
Namgung, H. K., Shin, S. K., Hwang, S. J., Song, J. H (2010) Transient behaviors of a two-Stage biofilter Packed with immobilized microorganisms when treating a mixture of odorous compounds, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 32(12), pp.1126-1133
Park, S. J. (2001) Development of G-7 biofilter and commercialization for odor and VOCs elimination, Hi-Tech Environmental Engineerging, 6, pp. 19-22.
Han, D. K., Bae, W. G., Cho, Y. J., Won, H. S., Lee, Y, H. (2005) Treatment of refractory organics in dyeing wastewater by using cell immobilized pellets, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 27(9), pp. 917-922.
Bielefeldt, A. R. (1996) Biotreatment of contaminated gases in a sparged suspended-growth reactor: Mass transfer and biodegradation model Ph.D.Dissertation, University of Washington, Washington, U.S.A., pp. 4-55.
Devinny, J. S., Deshusses, M. A. and Webster, T. S. (1999) Biofiltration for air pollution control, Boca Raton, FL: Lewis Publishers, CRC Press LLC, pp. 7-13.
Dorado, A.D., Baquerizo, G., Maestre, J.P., Gamisans, X., Gabriel D., Lafuente, J. (2008) Modeling of a bacterial and fungal biofilter applied to toluene abatement Kinetic parameters estimation and model validation, Chemical Engineering Journal, 140, pp.52-61.
Jang, J. H., Hirai, M. and Shoda, M. (2004) Styrene degradation by Pseudomonas sp. SR-5 in biofilters with organic and inorganic packing materials, Appl. Microbial. Biotechnol., 65, pp. 349-355
Jorio, H., Bibeau, L., Viel, G. and Heitz, M. (2000) Effects of gas flow rate and inlet concentration on xylene vapors biofiltration performance, Chem. Eng. Sci., 76, pp. 209-221.
Kim, D. K., Cai, Z.i, Sorial, G.A. (2005) Impact of interchanging VOCs on the performance of trickle bed air biofilter, Chemical Engineering Journal, 113 pp. 153-160.
Lee, E. H., Ryu, H.W., Cho, K.S. (2009) Removal of benzene and toluene in polyurethane biofilter immobilized with Rhodococcus sp. EH831 under transient loading, Bioresource Technology, 100, pp. 5656-5663.
Liao, Q., Tian, X., Chen, R., Zhu, X., (2008) Mathematical model for gas-liquid two-phase flow and biodegradation of a low concentration volatile organic compund(VOC) in a trickling biofilter, J. of Heat and Mass Transfer, 51, pp. 1780-1792.
Moe, W. M., Qi, B. (2004) Performance of a fungal biofilter treating gas-phase solvent mixtures during intermittent loading, Water Res., 38, pp. 2259-2268.
Oh, Y-S. and Choi, S-C. (2000) Selection of suitable packing material for biofilteration of toluene, m- and p-xylene vapors, J. Microbiol., 38, pp. 31-35
Park B. G., Shin W.S., Jeong Y.S., Chung J.S. (2008) Simultaneous removal of H2S, NH3 and Toluene in a biofilter packed with zeocarbon carrier, J.Environmental Sciences, 17(1), pp. 7-17.
Singh, R.S., Rai, B.N. and Upadhyay, S.N. (2010) Removal of toluene vapour from air stream using a biofilter packed with polurethane foam, Process safety and environmental protection, 88, pp. 366-371.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.