실제 혼합염색폐수의 유동상 시스템을 활용한 미생물처리와 하이브리드 재순환시스템처리 Treatment of an Authentic Textile-dyeing Wastewater Utilizing a Fluidized Biofilter and Hybrid Recirculating System Composed of the Fluidized Biofilter and a UV/photocatalytic Reactor원문보기
A fluidized biofilter was filled with Pseudomonas sp. and Bacillus cereus/thuringiensis-fixed waste-tire crumb media and was run to treat authentic textile-dyeing wastewater mixed with alkaline polyester-weight-reducing wastewater. As a result, its removal efficiency of $COD_{Cr}$ and col...
A fluidized biofilter was filled with Pseudomonas sp. and Bacillus cereus/thuringiensis-fixed waste-tire crumb media and was run to treat authentic textile-dyeing wastewater mixed with alkaline polyester-weight-reducing wastewater. As a result, its removal efficiency of $COD_{Cr}$ and color were 75~80% and 67%, respectively. In addition, upon constructing hybrid-recirculating system composed of the fluidized biofilter and a 450 W-UV/photocatalytic reactor, only fluidized biofilter was run bypassing UV/photocatalytic reactor at stage I. Subsequently, the hybrid system was continuously run at stage II-i, ii and iii. At stage II-i, the total removal efficiency of $COD_{Cr}$ was enhanced to be 80~85%, compared to 75% at stage I, owing to 20~30% removal efficiency of the UV/photocatalytic reactor. However, at stage II-i, the total removal efficiency of color was enhanced to be 65~70%, compared to 45~65% at stage I, even though the removal efficiency of the UV/photocatalytic reactor was tantamount to merely 0~5%. As far as the removal efficiency of fluidized biofilter of the hybrid-recirculating system is concerned, its removal efficiency of color was enhanced by the synergy effect of the hybrid-recirculating system unlike $COD_{Cr}$. Besides, despite of the increase of hybrid-recirculating system-recycle ratio, the deactivation of photo-catalytic activity was scarcely observed to eliminate the color while its irreversible deactivation was observed to eliminate $COD_{Cr}$.
A fluidized biofilter was filled with Pseudomonas sp. and Bacillus cereus/thuringiensis-fixed waste-tire crumb media and was run to treat authentic textile-dyeing wastewater mixed with alkaline polyester-weight-reducing wastewater. As a result, its removal efficiency of $COD_{Cr}$ and color were 75~80% and 67%, respectively. In addition, upon constructing hybrid-recirculating system composed of the fluidized biofilter and a 450 W-UV/photocatalytic reactor, only fluidized biofilter was run bypassing UV/photocatalytic reactor at stage I. Subsequently, the hybrid system was continuously run at stage II-i, ii and iii. At stage II-i, the total removal efficiency of $COD_{Cr}$ was enhanced to be 80~85%, compared to 75% at stage I, owing to 20~30% removal efficiency of the UV/photocatalytic reactor. However, at stage II-i, the total removal efficiency of color was enhanced to be 65~70%, compared to 45~65% at stage I, even though the removal efficiency of the UV/photocatalytic reactor was tantamount to merely 0~5%. As far as the removal efficiency of fluidized biofilter of the hybrid-recirculating system is concerned, its removal efficiency of color was enhanced by the synergy effect of the hybrid-recirculating system unlike $COD_{Cr}$. Besides, despite of the increase of hybrid-recirculating system-recycle ratio, the deactivation of photo-catalytic activity was scarcely observed to eliminate the color while its irreversible deactivation was observed to eliminate $COD_{Cr}$.
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제안 방법
그리고 효율적인 염색폐수 처리방법을 제시하기 위하여 AOP로서의 UV/광촉매반응공정과 유동상 바이오필터를 조합한 하이브리드 재순환시스템을 구축하여 실제 혼합염색폐수를 처리 대상으로본 하이브리드 재순환시스템의 실제 혼합염색폐수에 대한 CODCr 및 색도의 제거특성을 조사하고 최적화조건을 구축하였다.
1)은 유동상 바이오필터공정을 UV/광촉매산화공정의 前공정으로 설정함으로서 광촉매에 대한 비활성화 인자 농도를 낮추고자 하였다. 또한 UV/광촉매산화공정을 거친 처리수의 유동상 바이오필터공정으로의 재순환은 mixing 효과로 인한 유동상 바이오필터의 제거효율 저하에도 불구하고 실제 혼합염색폐수 처리공정의 안정된 운전을 위하여 고농도의 실제 혼합염색폐수 원수에 존재할 수 있는 미생물에 대한 독성물질의 희석효과 및 UV/광촉매산화공정과 유동상 바이오필터공정으로 이루어진 하이브리드 재순환시스템의 시너지효과를 기대하였다. 본 하이브리드 재순환시스템 운전에 있어서 Table 2와 같은 운전조건으로 stage I에서는 UV/광촉매반응기를 바이패스하여 유동상 바이오필터만을, stage II-i, ii 및 iii에서는 하이브리드 재순환시스템을 각각 운전하였다.
유동상 바이오필터 내에 산소를 공급하기 위하여 폭기량을 최하단 및 3 단에서 각각 1 L/min 및 2 L/min으로 설정하였다. 또한 유동상 바이오필터의 내부온도를 일정하게 유지하기 위하여 유동상 바이오필터 외부에 설치된 water jacket을 통하여 water circulator (JEIO Tech., RBC-20)를 사용하여 30 ℃의 항온수를 일정한 유량으로 순환시켰다.
5로 측정된 혼합염색폐수(원수)를 pH 7로 중화시킨 혼합염색폐수와 Table 1의 배지조성의 영양원과 함께 발효조에서 48시간 동안 Pseudomonas sp. 및 Bacillus cereus/thuringiensis[19,20]를 혼합 배양하여 파장이 620 nm에서 10 배 희석 시에 optical density (O.D.)가 0.193일 때의 미생물을 바이오필터에 주입하여 batch 상태에서 2일 동안 폐타이어 유동상 담체[18]에 미생물고정화를 시켰다. 그 후에 Yeast Extract 3 g과 KH2PO4 3 g을 중성 혼합염색폐수 5 L에 섞어서 peristaltic pump (Masterflex, LC-07554-85) 및 tygon관을 이용하여 2 ml/min의 유량으로 바이오필터에 주입하였고 반송유량은 8 ml/min으로 설정하여 48시간 동안 운전하였다.
본 연구에서는 염색 또는 나염공정 외에 호발, 정련, 폴리에스테르 감량공정 및 표백공정 폐수 등이 혼합된 D염색공단의 실제 혼합염색폐수를 처리 대상으로 유동상 바이오필터를 활용하여 실험을 하였다. 그리고 효율적인 염색폐수 처리방법을 제시하기 위하여 AOP로서의 UV/광촉매반응공정과 유동상 바이오필터를 조합한 하이브리드 재순환시스템을 구축하여 실제 혼합염색폐수를 처리 대상으로본 하이브리드 재순환시스템의 실제 혼합염색폐수에 대한 CODCr 및 색도의 제거특성을 조사하고 최적화조건을 구축하였다.
본 연구의 하이브리드 재순환시스템은 유동상 바이오필터공정을 UV/광촉매산화공정의 前공정으로 설정함으로서 광촉매에 대한 비활성화 인자 농도를 낮추고, UV/광촉매산화공정을 거친 처리수를 유동상 바이오필터공정으로의 재순환함으로써 하이브리드 재순환 시스템의 시너지효과를 기대하였다. 유동상 바이오필터만을 사용하여 D염색공단의 실제 혼합염색폐수를 처리하였을 때의 CODCr 및 색도 제거효율은 각각 75~80% 및 67%를 나타내었다.
본 연구의 혼합염색폐수처리용 유동상 바이오필터는 내경 10 cm, 각 단의 길이가 13.5 cm인 아크릴관을 5 단으로 연결하여 총길이 0.68 m의 반응기로서 반응기의 각 단의 내부에 40%의 부피 비율로 폐타이어 유동상 담체[18]를 충전하였다. 유동상 바이오필터의 각 단 사이에는 천공된 partition을 설치하여 각 단에 충전된 유동상 담체가 각 단에서만 순환되도록 하였고, 유동상 바이오필터 가장 위쪽의 5 번째 단의 혼합염색폐수 처리수 출구 앞에는 위어를 설치하여 유동상 담체는 출구로 빠져나가지 못하게 하였다.
또한 UV/광촉매산화공정을 거친 처리수의 유동상 바이오필터공정으로의 재순환은 mixing 효과로 인한 유동상 바이오필터의 제거효율 저하에도 불구하고 실제 혼합염색폐수 처리공정의 안정된 운전을 위하여 고농도의 실제 혼합염색폐수 원수에 존재할 수 있는 미생물에 대한 독성물질의 희석효과 및 UV/광촉매산화공정과 유동상 바이오필터공정으로 이루어진 하이브리드 재순환시스템의 시너지효과를 기대하였다. 본 하이브리드 재순환시스템 운전에 있어서 Table 2와 같은 운전조건으로 stage I에서는 UV/광촉매반응기를 바이패스하여 유동상 바이오필터만을, stage II-i, ii 및 iii에서는 하이브리드 재순환시스템을 각각 운전하였다. 유동상 바이오필터 유입수, 유동상 바이오필터의 5개의 단 각각에 설치된 sampling port, 유동상 바이오필터 처리수(또는 UV/광촉매반응공정 유입수) 및 하이브리드 재순환시스템 처리수의 CODCr 및 색도를 측정하였다.
다시 24시간 동안 batch 상태로 고정화시킨 다음에 48시간 동안 중성 혼합염색폐수 5 L에 yeast extract 1 g과 KH2PO4 1 g을 섞어서 주입하였고 그 후부터는 yeast extract 없이 KH2PO4 1 g을 섞어서 2 ml/min의 유량으로 주입하여 HRT가 26 h의 운전조건으로 50일 이상 유동상 바이오필터를 운전하였다. 유동상 바이오필터 내에 산소를 공급하기 위하여 폭기량을 최하단 및 3 단에서 각각 1 L/min 및 2 L/min으로 설정하였다. 또한 유동상 바이오필터의 내부온도를 일정하게 유지하기 위하여 유동상 바이오필터 외부에 설치된 water jacket을 통하여 water circulator (JEIO Tech.
유동상 바이오필터 또는 하이브리드 재순환시스템에서의 염료 제거특성은 UV-spectrophotometer (phamacla LKB, Biochrom 4060)를 사용하여 측정하였다.
유동상 바이오필터 또는 하이브리드 재순환시스템의 혼합염색폐수 처리특성을 조사하기 위하여 closed reflux, colorimetric method에 기준한 CODCr을 유입수 및 처리수에 대하여 측정하고 Hach사의 0~1500 ppm 범위의 digestion 용액을 사용하여 spectrophotometer (Hach, DR/2010)를 이용하여 처리수 및 유입수의 CODCr을 각각 측정하여 검증하였다.
유동상 바이오필터 유입수 및 처리수의 용존산소는 DO meter (Istek, Model 215D)로 측정하였고 pH 측정은 pH meter (Jenco, Model 1671)을 사용하였다.
유동상 바이오필터 유입수, 유동상 바이오필터의 5개의 단 각각에 설치된 sampling port, 유동상 바이오필터 처리수(또는 UV/광촉매반응공정 유입수) 및 하이브리드 재순환시스템 처리수의 CODCr 및 색도를 측정하였다.
폐타이어 담체[18]를 충전한 유동상 바이오필터 또는 하이브리드 재순환시스템의 혼합염색폐수 처리효율 등을 나타내기 위하여 혼합염색폐수(pH 13)를 pH 7로 중화시킨 유입수 및 처리수의 CODCr와 색도 측정을 하였다. 한편 하이브리드 재순환시스템의 UV/광촉매공정에 있어서 광촉매활성을 유지하기 위한 전자수용체로서 유동상 바이오필터 처리수의 용존산소 농도 및 pH를 측정하였다.
2와 같고 전형적인 anatase 피크를 보였다. 하이브리드 재순환시스템 (Fig. 1)은 유동상 바이오필터공정을 UV/광촉매산화공정의 前공정으로 설정함으로서 광촉매에 대한 비활성화 인자 농도를 낮추고자 하였다. 또한 UV/광촉매산화공정을 거친 처리수의 유동상 바이오필터공정으로의 재순환은 mixing 효과로 인한 유동상 바이오필터의 제거효율 저하에도 불구하고 실제 혼합염색폐수 처리공정의 안정된 운전을 위하여 고농도의 실제 혼합염색폐수 원수에 존재할 수 있는 미생물에 대한 독성물질의 희석효과 및 UV/광촉매산화공정과 유동상 바이오필터공정으로 이루어진 하이브리드 재순환시스템의 시너지효과를 기대하였다.
와 색도 측정을 하였다. 한편 하이브리드 재순환시스템의 UV/광촉매공정에 있어서 광촉매활성을 유지하기 위한 전자수용체로서 유동상 바이오필터 처리수의 용존산소 농도 및 pH를 측정하였다. 유동상 바이오필터 또는 하이브리드 재순환시스템 실험에 있어서 아래와 같은 모든 시료의 분석방법은 standard method 및 수질환경오염 공정시험방법에 의하여 분석하였다.
대상 데이터
1)의 UV/광촉매반응기에는 출력 및 주파장이 각각 450 W 및 365 nm인 UVB 램프(한성자외선)를 삽입하였고 광촉매 반응기는 지름 및 높이가 각각 130 mm 및 140 mm인 환형의 내부가 TiO2 졸(P&T-31C, 나노팩)로 코팅 및 소성된 pyrex관을 사용하였다. 광촉매반응기 내부에는 마찬가지로 코팅 및 소성된 내경 및 길이가 각각 14 mm 및 20 mm인 유리관 96개를 충전하였다. Pyrex 관과 유리관들의 TiO2 졸(나노팩)로 코팅 및 소성방법은 참고문헌[21]의 방법을 적용하였고 소성된 TiO2 광촉매의 XRD 패턴은 Fig.
유동상 바이오필터에 UV/광촉매반응기를 조합한 하이브리드 재순환시스템(Fig. 1)의 UV/광촉매반응기에는 출력 및 주파장이 각각 450 W 및 365 nm인 UVB 램프(한성자외선)를 삽입하였고 광촉매 반응기는 지름 및 높이가 각각 130 mm 및 140 mm인 환형의 내부가 TiO2 졸(P&T-31C, 나노팩)로 코팅 및 소성된 pyrex관을 사용하였다.
이론/모형
광촉매반응기 내부에는 마찬가지로 코팅 및 소성된 내경 및 길이가 각각 14 mm 및 20 mm인 유리관 96개를 충전하였다. Pyrex 관과 유리관들의 TiO2 졸(나노팩)로 코팅 및 소성방법은 참고문헌[21]의 방법을 적용하였고 소성된 TiO2 광촉매의 XRD 패턴은 Fig. 2와 같고 전형적인 anatase 피크를 보였다. 하이브리드 재순환시스템 (Fig.
한편 하이브리드 재순환시스템의 UV/광촉매공정에 있어서 광촉매활성을 유지하기 위한 전자수용체로서 유동상 바이오필터 처리수의 용존산소 농도 및 pH를 측정하였다. 유동상 바이오필터 또는 하이브리드 재순환시스템 실험에 있어서 아래와 같은 모든 시료의 분석방법은 standard method 및 수질환경오염 공정시험방법에 의하여 분석하였다.
성능/효과
그 결과로서, Fig. 9에서와 같이 유동상 바이오필터 하단부인 첫째 sampling port에서의 CODCr 는 stage II-i에서 stage I보다 낮았으나 유동상 바이오필터 상단부인 4째와 5째 sampling port에서와 유동상 바이오필터 출구 CODCr 는 stage II-i에서 stage I보다 높아졌다.
그러나 두공정의 시너지 효과로 제고되리라는 예상과 다르게 유동상 바이오필터공정의 CODCr 제거율은 35~40%에서 35%로 약간 저하되었다.
8과 같이 stage I에서 stage II-i로 전환되었을 때에 UV/광촉매산화공정의 색도(염료)제거율은 0~5%에 불과하였으나 총 색도제거율은 45~65%로 부터 65~70%까지 제고되었다. 두공정의 시너지효과로 제고되리라는 예상과 같이 유동상 바이오필터공정의 색도(염료)제거율은 전술된 COD 제거율과는 다르게 15~25%에서 20~30%로 제고되었다. Stage II-ii로 전환되었을 때에 반송비(recycle ratio)가 증가함에 따른 mixing 효과로 인하여 유동상 바이오필터의 색도(염료)제거율은 10%로 저하되었으나 UV/광촉매산화공정의 색도(염료)제거율은 5%로 변화가 없었다.
따라서 본 연구에서 UV/광촉매산화공정의 CODCr 제거율이 급격히 저하된 이유는 친수성인 UV/광촉매 표면에서의 유동상 바이오필터 처리수에 존재하는 친수성인 계면활성제 마이셀 등의 흡착이 반송비 증가에 따라서 광촉매 active site를 급격히 포화시켜서 광촉매의 촉매활성이 저해된 것 즉 광촉매 비활성화에 기인한다고 사료된다.
따라서 색도제거에서는 CODCr 제거와 다르게 UV/광촉매산화공정에 의하여 유동상 바이오필터의 효율이 제고되어서 하이브리드 재순환시스템의 시너지효과가 관찰되었다.
따라서 혼합염색폐수의 하이브리드공정처리 중에서 광촉매반응에서 색도제거율은 CODCr 경우와 다르게 반송비(recycle ratio) 증가에 따른 광촉매 비활성화를 보이지 않았다.
유동상 바이오필터 처리수의 CODCr은 약 500 mg/L로서 난분해성인 혼합염색폐수의 75~80% CODCr 제거효율을 나타내었는데 약품비 및 슬러지 처리비용이 많이 소요되는 화학적 응집 공정 없이 유동상 바이오필터공정만으로 높은 제거율을 보였다. 또한 Fig. 4에서처럼 색도는 유입수의 경우는 약 1500 ADMI를 나타내었고 처리수는 약 500 ADMI를 나타내어서 약 67%의 색도제거율을 보였다. 이와 같이 Pseudomonas sp.
또한 색도제거에서는 CODCr 제거와 다르게 반송비 증가에 따른 광촉매 비활성화를 보이지 않았으며, CODCr 제거에서는 반송비 증가에 따른 광촉매 비활성화는 비가역적이었다.
및 Bacillus cereus/ thuringiensis[19,20]를 유동상 담체에 고정한 유동상 바이오필터의 CODCr 및 색도 제거효율은 각각 75~80 및 67%에 달하였다.
유동상 바이오필터 처리수의 CODCr은 약 500 mg/L로서 난분해성인 혼합염색폐수의 75~80% CODCr 제거효율을 나타내었는데 약품비 및 슬러지 처리비용이 많이 소요되는 화학적 응집 공정 없이 유동상 바이오필터공정만으로 높은 제거율을 보였다.
유동상 바이오필터만을 사용하여 D염색공단의 실제 혼합염색폐수를 처리하였을 때의 CODCr 및 색도 제거효율은 각각 75~80% 및 67%를 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
염색 폐수 처리에는 어떤 방법이 있는가?
따라서 염색폐수는 일반적으로 높은 화학적 산소요구량(CODCr) (150~10,000 ppm), 생물학적 산소요구량(BOD)(100~4000 ppm), pH(6~10) 와 색도 (50~2500 ADMI)의 특성을 보인다[5]. 염색 폐수 처리는 물리적·화학적·생물학적 방법을 이용할 수 있다. 흡착[6], 화학적 응집과 침전[7] 및 여과 [8] 등의 물리적·화학적 방법은 빠르게 처리할 수 있는 장점이 있지만, 고가의 처리시설과 과다한 유지비가 필요하며, 특히 화학적 처리의 경우 화학약품의 사용에 따른 2차 오염 문제가 있다.
생물학적 처리가 염색폐수처리에 적용되는 이유는?
염색 폐수 처리는 물리적·화학적·생물학적 방법을 이용할 수 있다. 흡착[6], 화학적 응집과 침전[7] 및 여과 [8] 등의 물리적·화학적 방법은 빠르게 처리할 수 있는 장점이 있지만, 고가의 처리시설과 과다한 유지비가 필요하며, 특히 화학적 처리의 경우 화학약품의 사용에 따른 2차 오염 문제가 있다. 따라서 기존 염색폐수의 생물학적 처리기술[9]과 같은 환경 친화적이며 비용이 저렴한 생물학적 처리가 염색폐수처리에 일반적으로 적용되고 있다.
염색폐수의 특성은?
섬유산업의 발전과 더불어 약 100,000 종류 이상의 염료가 개발되어 연간 7×105 ton이 생산되고 있으며 일반적으로 섬유 염색 공정 중에 염료 사용량의 40% 정도가 염색 폐수로 배출되고 있다[3,4]. 따라서 염색폐수는 일반적으로 높은 화학적 산소요구량(CODCr) (150~10,000 ppm), 생물학적 산소요구량(BOD)(100~4000 ppm), pH(6~10) 와 색도 (50~2500 ADMI)의 특성을 보인다[5]. 염색 폐수 처리는 물리적·화학적·생물학적 방법을 이용할 수 있다.
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