초록 ▼

IV. 연구개발결과 및 활용에 대한 건의
1. Fiber 형 이온교환수지를 이용한 이온교환공정의 최적화
Fiber 형 수지를 wound 및 cartridge type의 housing의 형태로 제조하여 교환용량 및 저농도 재생실험을 수행한 결과, bead형 수지보다 월등한 질산성질소제거효율을 나타내었다. 각 수지에 대한 파과실험결과 A520E, IRA 900, 그리고 Fiban A6는 각각 300 BV, 270 BV, 120 BV에 해당하였고, Column Test를 통하여 총 교환용량을 산출한 결과 각각 9.3, 10.5

IV. 연구개발결과 및 활용에 대한 건의
1. Fiber 형 이온교환수지를 이용한 이온교환공정의 최적화
Fiber 형 수지를 wound 및 cartridge type의 housing의 형태로 제조하여 교환용량 및 저농도 재생실험을 수행한 결과, bead형 수지보다 월등한 질산성질소제거효율을 나타내었다. 각 수지에 대한 파과실험결과 A520E, IRA 900, 그리고 Fiban A6는 각각 300 BV, 270 BV, 120 BV에 해당하였고, Column Test를 통하여 총 교환용량을 산출한 결과 각각 9.3, 10.56 및 3.05meq SO₄^2-/g Resin이었다.
1,2, 및 3%의 재생액을 사용하여 칼럼으로부터 유출되는 재생폐액을 분석한 결과, 목적 이온기들을 수지로부터 집중적으로 탈리시킬 수 있는 재생농도는 NaCl 2%가 가장 적절하다고 판단되며, 이는 탈질 및 황산염환원 미생물에 있어서도 저해를 주지 않고 원활한 활성을 유지할 수 있는 농도이다. 또한 NaCl 2%에서 적용가능한 완전 및 부분재생시간은 재생폐액의 총질산성질소의 농도를 기준으로 95% 및 60%가 수지로부터 제거된 시간에 대해서 각각 60분과 30분이었다.
섬유형이온교환수지 Fiban A6에 대한 단위무게당 통과수량은 재생농도 NaCl 2% 재생시간 60분으로 하여 파과및 재생추이를 관찰한 결과 처리수량은 0.8(throughput Liter/g resin)이었다. 이는 수지의 단위무게당 질산성질소 제거량이 31.2mg NO₃-N/g resin으로 bead 형 수지에 비해 훨씬 높았다.
2. 생물학적 탈질공정을 이용한 재생폐액 재이용 기술 개발
Alginate, bentonite, 그리고 acrylamaid를 사용하여 슬러지를 담체내부에 고정시키는 포괄고정법과 담체 외부에 피복시키는 강제부착법을 적용하여 재생폐액의 탈질반응을 수행한 결과, 단기간내에 활성을 회복하였다. Alginate 3,000첸, CaCl₂ 1.0% 이상, Bentonite를 첨가한 조건에서 우수한 탄성과 점성을 지닌 담체가 성형되었다. 또한 고농도 질산염하에서 농화배양하여 분리하는 것이 우수한 탈질균주의 확보에 유리하다. 본 연구에서 개발한 담체를 적용할 경우, 초기 시운전에 걸리는 시간을 크게 단축시킬 수 있으며, 높은 질소제거효율을 유지할 수 있다. 상기 담체를 이용하여 이온 교환 재생폐액 질산성질소와 황산이온을 제거하고 염분을 회수하여 재생제로 재이용하기 위해 유량과 기질의 농도를 변화시키면서 회분 및 연속실험을 실시하였다.
Alginate와 Acrylamaid의 복합담체를 성형한 후 고염조건에 충분히 적응시킨 슬러지를 담체외피에 부착하여 탈질소 공정을 약 90일간 운전한 결과 HRT 7, R_N rate 1.9에서 각각 95% 및 87%의 양호한 질소 및 COD제거 효율을 얻었다. 동일한 방법으로 생물학적 탈황공정을 40일간 운전한 결과 HRT 8.4, R_S rate 0.3의 조건에서 sulfate 및 COD의 제거 효율이 각각 61%, 71%으로 가장 양호하였다.
3. 고염조건하 탈질균주의 동정 및 분리
장기간 고염과 고농도의 질산성 질소 조건에서 적응된 5가지 종류의 슬러지로부터 호기성 탈질 효율이 우수한 박테리아 1-11(7.72mg/L NO₃-N/hr reduction),3-09(8.82mg/L NO3-N/hr reduction)가 분리되었다. 이것은 기존에 동일한 탈질 기능이 있다고 보고된 Paracoccus denitrificans(Thiosphaera pantotropha, ATCC 35512)나 NS-2에 비하여 탈질 활성이 우수함이 확인되었다.
또한 이 5가지 종류의 탈질 슬러지의 미생물 군집 구조가 분자생물학적인 방법, T-RFLP(terminal-restriction fragment length polymorphism)으로 분석되었다. 각 슬러지는 적응 조건에 따라 서로 다른 군집 구조를 가지고 있는 것으로 나타났고, 기존에 보고된 sequence를 다수 포함하고 있어TDmau, 아직 보고되지 않은 T-RF들도 상당히 존재하고 있는 것으로 나타났다.
4. 복합이온교환공정의 현장운전
섬유형 이온교환수지 Fiban A6에 대해 재생농도 NaCl 2%, 재생시간 60분으로 하여 파과 및 재생추이를 관찰한 결과 수지의 단위무게당 처리수량은 0.8(throughput Liter/g resin)이었다. 이는 bead type resin 보다 높은 효율을 나타내었으며, 이를 이용한 다양한 형태의 적용이 가능하다.
생물학적 탈질공정 이후 유출수의 황산이온을 제거하기 위하여, 생물학적 황산염환원과 바륨을 이용한 화학적 탈황법을 비교하였다. 초기 NaCl 2%로 염보충없이 8회의 반복운전을 실시한 결과 생물학적 황산염환원은 운전횟수가 반복됨에 따라 재생액내의 염소이온이 현저히 감소되었고, 황산이온이 5,000 mg/L까지 농축되었다. 염화바륨을 적용했을 경우 황산이온을 효과적으로 저감할 수 있었으며, 염소이온이 보충됨에 따라 염보충 주기를 크게 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
생물학적 황산염환원 및 화학적인 염화바륨 침전법으로 각각 황산이온을 제거한 재생액을 이용하여 8회 동안 반복적으로 수지를 재생하고 파과실험을 실시한 결과, 화학적 침전법을 적용한 조건에서 수지의 교환용량저하가 관찰되지 않았다.
염화바륨을 이용하여 황산이온을 제거할 경우 화학반응에서 염소이온이 생성되어 부가적인 염보충 효과를 가져와, 소금의 보충시기가 연장되며, 재생액의 직접적인 절감도 기대된다.

Abstract ▼

An ion exchange process using fiber type resin, Fiban A6, was applied to remove nitrate from groundwater. The breakthrough profiles of three ionic species, such as nitrate, sulfate, and chloride, showed that nitrate ion was selectively exchanged with chloride in resin phase without severe interferen

An ion exchange process using fiber type resin, Fiban A6, was applied to remove nitrate from groundwater. The breakthrough profiles of three ionic species, such as nitrate, sulfate, and chloride, showed that nitrate ion was selectively exchanged with chloride in resin phase without severe interference caused by sulfate. Fiban A6 resins successfully produced about 0.8 liter of throughput per unit gram resin when treating groundwater which contained about 30±2 mg/L of NO₃^--N and 40±5 mg/L of SO₄}^-2. According to the analysis of waste regenerant, nitrate was rapidly leaked out from resin within the first 20 min of regeneration time. Partial regeneration was more efficient and practical than complete regeneration in terms of the amount of salt required, but it seems nearly impossible to use the bypass blending technique with partial regeneration due to nitrate leakage up to 7 mg NO₃^--N/L. More vigorous declassification of the resin bed after partial regeneration was beneficial in reducing the nitrate leakage.
Two strains having high denitrification activity were isolated from activated sludge that enriched and adapted in high salt and high nitrate concentration for more than six months at least. The denitrification activity of these strains were tested by the decrease of nitrate concentration. The denitrification activity of strain 1-11(7.72mg/L NO3-N /hr reduction) and 3-09(8.82mg/L NO3-N /hr reduction) were higher than that of Paracoccus denitrificans (Thiosphaera pantotropha, ATCC 35512) and NS-2 that reported to have aerobic denitirification activity.
The microbial community compositon of these denitrification sludge was analyzed with molecularbiological methods, espccially with T-RFLP(terminal-restriction fragment length polymorphism) method in the respect of nitrous oxide reductase gene(nosZ). Each sludge community was composed of some reported nosZ T-RFs and some unidentified T-RFs.
It is compare biological and chemical treatment for removal of sulfate that interfered in ion-exchange capacity of resin, effectually, add to exiting processes using biological denitrification for nitrate removal of ion-exchange waste brine with high salt, nitrate-nitrogen, and sulfate. These were con1pared with regeneration efficiency of treated regenerant biological denitrification and sulfate reduction process with media were attached sludge that were adjusted to salt condition of NaCl 2% on surface of bead consists of alginate, acrylamaid, and bentonite, and chemical sedimentation with barium chloride. The result of operation for biological denitrification process with manufacture synthetic waste brine consists of NaCl 20 g/L, N0₃^--N I g/L, and SO₄^-2 g/L, the denitrification reactor provided a nitrate removal and COD efficiency of 95% and 87% at a HRT of 7 and R_N 1.9. The sulfate reduction and COD efficiency of the sulfate reduction reactor remained about 61% and 71% at a HRT 8.4 and Rs 0.3. In result of compared to biological sulfate reduction and chemical de-sulfate, as repeat operation times biological sulfate reduction effluent greatly were reduced to chloride ions in waste brine, and sulfate ions were concentrate to 5g/L. However when were dosed with chloride barium as equivalent rate of Ba²⁺:SO₄^2-=1:1, sulfate ions effectually were removed. As there were filled up chloride ions, additionally, confirmed to increased salt addition recycling, greatly. In result of 8th recycled operation, it appear to exchange capacity difference of 2.4 times. If we have use biological-chemical waste brine reuse system, as a above statements.
Consequently, considering the present status of ground water contaminated by nitrate, boring new pumping wells for potable water sources of small communities can not be a viable alternative any more. The ion exchange technology seems to be the most suitable technology for the treatment of small volumes of groundwater polluted by nitrate.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 요약문 ... 2
• SUMMARY ... 7
• CONTENTS ... 9
• 목차 ... 12
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 15
• 제1절 연구개발의 목적 ... 15
• 제2절 연구개발의 필요성 및 범위 ... 17
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 19
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 22
• 제1절 실험 방법 ... 22
• 1. Fiber형 이온교환수지의 특성연구 ... 22
• 가. Bead type anion exchange resin ... 22
• 나. 수지의 교환용량산출 ... 22
• 다. 저농도 재생실험 ... 26
• 2. 저농도 재생법에 의한 이온교환수지 재생폐액 처리공정의 확립 ... 28
• 가. 생물학적 재생폐액의 처리공정 ... 28
• 나. 생물.화학적 재생폐액처리방법 ... 31
• 3. 미생물 고정화 방법의 표준화 및 재생시스템의 최적화 ... 33
• 가. 탈질균의 분리 및 분양 ... 33
• 나. 탈질균의 성장특성 및 탈질 활성 조사 ... 33
• 다. 활성 슬러지와 갯벌 시료에서 DNA 추출 및 PCR ... 35
• 라. 고정화 담체의 성형방법 및 물리적 특성 조사 ... 35
• 마. 고정화담체의 탈질능 실험 ... 41
• 바. 담체를 충진한 탈질반응조의 연속공정운전 ... 41
• 4. 재생폐액처리에 적합한 탈질미생물 확보 및 특성연구 ... 44
• 가. 우수 탈질 균주의 분리와 탈질 활성도 측정 ... 44
• 나. 탈질 활성도 측정 ... 45
• 5. 복합 이온교환 공정의 현장운전 ... 48
• 가. Model site의 개요 ... 48
• 나. Fiber형 이온교환수지 Housing Type의 결정 ... 48
• 다. 강제 부착방식의 미생물 고정화장치의 적용 ... 50
• 라. Pilot-scale 복합 이온교환장치의 설계 ... 52
• 제2절 연구 내용 ... 56
• 1. Fiber형 이온교환수지를 이용한 이온교환공정의 최적화 ... 56
• 가. 수지의 이온교환능력 ... 56
• 나. 재생방식 ... 56
• 다. Fiber 형 수지에 적합한 Housing system개발 ... 63
• 2. 생물학적 탈질공정을 이용한 재생폐액 재이용 기술 개발 ... 65
• 가. 우수탈질균의 확보 ... 65
• 나. 미생물 고정화 방법의 표준화 ... 68
• 다. 고정화담체를 충진한 탈질반응조의 연속공정운전 ... 73
• 라. 강제부착방식의 미생물고정화 담체의 제안과 성능검증 ... 73
• 3. 복합이온교환공정의 현장성능 검증 ... 79
• 가. 재생폐액의 생물학적 재이용 공정의 성능 검증 ... 79
• 나. 재생폐액내 황산이온의 화학적 침전제거 ... 84
• 다. 복합이온교환공정의 현장검증 ... 85
• 라. 우수 탈질 균주의 분리와 탈질 활성 측정 및 탈질 슬러지 군집 분석 ... 91
• 제3절 연구 결과 ... 105
• 1. Fiber 형 이온교환수지를 이용한 이온교환공정의 최적화 ... 105
• 2. 생물학적 탈질공정을 이용한 재생폐액 재이용 기술 개발 ... 106
• 3. 탈질균주의 분리 및 슬러지군집 분석 ... 106
• 3. 복합이온교환공정의 현장성능 검증 ... 107
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 109
• 제1절 기술개발에 따른 기대효과 ... 109
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 111
• 제1절 기대 효과 ... 111
• 제2절 활용계획 ... 112
• 제6장 문헌연구 ... 113
• 제1절 이온교환공정 ... 113
• 1. 질산성질소 제거기술 ... 113
• 2. 이온교환공정의 운전 ... 113
• 3. 이온교환공정의 종류 ... 118
• 제2절 이온교환능의 제고 ... 121
• 1. 황산염이온의 영향 ... 121
• 2. 재생방식의 비교 ... 124
• 제3절 재생폐액의 절감 및 재이용 ... 127
• 1. 재생폐액의 처분 ... 127
• 2. 고염조건에서 생물학적 탈질소에 의한 재생폐액 내 질산성질소의 제거 ... 127
• 3. 황산염 환원균에 의한 황산염의 제거 ... 129
• 제4절 이온교환공정 운전사례 ... 133
• 제7장 참고문헌 ... 137
• 끝페이지 ... 143