PVA에 고정화된 질화세균에 의한 TAN제거

조진구, 김병진, 서근학

부경대학교 화학공학과

Total Ammonia Nitrogen(TAN) Removal by Immobilized Nitrifier with Polyvinyl Alcohol(PVA)

Jin-Koo Cho, Byong-Jin Kim, Kuen-Hack Suh

Department of Chemical Engineering Pukyong National University

서 론

폐수에 포함된 질소성분은 약 2/3가 암모니아성 질소성분이며 암모니아성 질소를 제거하는 방법으로써 생물학적 처리 공정이 많이 이용되고 있다[1]. 대표적인 질산화 미생물은 암모늄을 아질산염으로 산화시키는 Nitrosomonas sp.와 아질산염을 질산염으로 산화시키는 Nitrobacter sp. 등이 있다. 이 질산화 미생물의 합성과 암모니아 산화식을 포함하는 총괄식은 다음과 같다[2].

[eqn: NH_4 ^+ `+`1.83O_2`+`1.98HCO_3 ^- ~ -> ##~0.021C_5 H_7 NO_2`+`0.98NO_3 ^-& `+`1.041H_2 O`+`1.88H_2 CO_3]

일반적인 미생물 고정화방법은 미생물을 담체 표면에 고정시키는 고정 생물막법과 고분자 물질의 내부에 미생물을 가두어두는 포괄고정화법으로 나눌 수 있다. 최근에 처리수와 미생물의 분리가 용이하고, 전단응력에 의한 미생물 유출이 없어 반응조 내에 미생물의 농도를 고농도로 유지가 가능하고, 유입되는 폐수를 짧은 시간 안에 처리할 수 있으며, 온도나 pH같은 환경조건이 급격히 변화하거나 독성물질이 유입되어도 고정화 미생물 자체의 완충작용에 의해 활성이 변하지 않는 등의 장점을 가진 포괄 고정화 방법이 많이 연구되고 있다.

본 연구에서는 폐수에 포함된 질소성분 중 암모니아성 질소의 효율적인 제거를 위하여 포괄 고정화 방법 중 천연 고분자에 비해 내구성이 강하고 생분해 되지 않으며 가격이 저렴한 합성 고분자 물질인 Polyvinyl Alcohol(PVA)와 boric acid를 이용하여 질화세균군을 포괄 고정화시켜 공기부상식 반응기에서의 암모니아 제거시 운전 특성을 연구하고자 한다.

실 험

질화세균 및 고정화 질화세균

본 실험에 사용한 질화세균은 부산 S 하수처리장의 활성 슬러지를 합성 암모니아 배지에 1개월간 순치하여 질화세균군으로 순양시켜 사용하였으며, 고정화 질화세균은 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 PVA-boric acid법에 의하여 제조하였다[3]. 질화세균이 고정화된 bead의 크기는 4 mm였으며, 고정화 질화세균을 다시 20일 정도 합성배지를 공급하여 고정화 질화세균의 활성을 점검하여 정상상태에 도달한 후에 실험에 사용하였다.

실험 장치

실험에 사용한 반응기 및 장치의 모식도는 Fig. 2과 같다. 공기부상식 반응기는 내경 8 cm, 높이 24 cm의 아크릴 관을 이용하여 제작하였으며 반응기 내에 투입되는 고정화 질화세균의 유동성을 높이기 위하여 반응기 내부에 방해판을 설치하여 split-cylinder형 공기부상식 반응기 형태로 제작하였다. 방해판은 상승부에 공급되는 공기의 체적을 고려하여 반응기 내부의 유체 흐름속도를 일정하게 하기 위하여 상승부와 하강부의 단면적의 비가 6:4가 되도록 설치하였다[4]. 반응기 하단에서 방해판까지의 높이는 하강부의 단면적과 동일하도록 제작하였고, 상승부의 하단에는 고정화 질화세균을 유동시키고 질산화에 필요한 산소를 공급하기 위하여 상기석을 이용한 공기 분산기를 설치하였다.

합성 폐수의 유입구는 하강부의 액면 아래에 설치하여 유입된 합성폐수가 고정화 질화세균의 내부 순환형태에 영향을 미치지 않고 반응기 내부를 최소 1회전이상 순환할 수 있도록 하였으며, 유출구는 고정화 질화세균이 침강하는 부분인 하강부 상부에 설치하였다. 반응기 상부에는 고정화 질화세균의 유출을 막기 위하여 유출구 아래에 미세망을 설치하였다.

실험 방법

공기부상식 반응기로 유입되는 합성폐수는 암모니아성 질소의 농도를 2.5 g TAN/m3으로 제조하여 정량 펌프를 사용하여 공급하였으며 반응기 상승부로 공급되는 공기는 공기펌프를 이용하여 공급하였다.

고정화 질화세균 충진율은 반응기 체적에 대하여 10, 20, 30% 부피로 변화시켰고, 수력학적 체류시간은 0.5시간에서 0.1시간까지 변화하며 실험하였다. 공기 유량은 0.15, 0.3 vvm으로 변화시키며, DO의 변화와 암모니아 농도를 측정하였다.

분석방법

암모니아 농도는 선택성 전극(ORION-9512BN)을 사용하여 측정하였고, 용존산소는 용존산소 측정기(YSI-55)를 사용하여 측정하였으며, pH의 변화는 pH meter(ORION-290A)를 사용하여 측정하였다.

결과 및 토론

공기부상식 반응기내의 고정화 질화세균의 충진율을 변화시켰을 때 암모니아 제거속도와 충진율 10%일 때의 제거속도를 기준으로 충진율 20, 30%의 제거속도의 비를 Fig. 3에 나타내었다.  충진율이 증가함에 따라 암모니아 제거 속도가 증가하지만 충진율이 3배 증가하였을 때 제거속도는 약 2배정도 증가하는 것을 볼 수가 있다. 이는 충진율이 높아짐에 따라 반응기내에 밀도가 높아져 액체 순환 속도가 감소와 충진율이 높아짐에 따라 반응기내의 고정화 질화세균과 암모니아의 접촉기회가 줄어들었기 때문으로 생각된다.

수력학적 체류시간에 따른 TAN 제거속도와 DO의 변화를 Fig. 4에 나타내었다. HRT가 감소함에 따라 암모니아 제거 속도는 거의 직선적으로 증가하였으며, HRT 0.2시간에서는 99.2 g/m3/day의 제거속도를 나타내었고, HRT 0.1시간에서 130.2 g/m3/day의 암모니아 제거 속도를 나타내었다. 이때 DO는 감소하였는데, 이는 동일 부피에서 암모니아 제거량이 증가하였기 때문으로 생각된다. HRT 0.5시간에서 유출수의 DO는 6 g/m3 이상이므로 질화작용에 필요한 충분한 산소의 공급이 이루어짐을 알 수 있다.

공기유량의 변화에 따른 암모니아 제거속도의 변화는 Fig. 5에 나타내었다. 충진율 10, 20%일 때 공기유량을 0.15, 0.3 vvm로 변화시킴에 따라 암모니아  제거속도의 변화는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 암모니아 제거속도는 거의 변화가 없었다. 이는 공기유량 0.15 vvm이상에서의 공기유량의 증가는 암모니아 제거에 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다. 암모니아를 제거하기 위해서는 이론적으로 1 g의 암모니아성 질소가 질산염으로 산화하며 4.75 g의 산소가 필요하다. 즉 0.15 vvm의 공기 유량에서도 암모니아 제거를 위한 충분한 산소 전달이 이루어짐을 알 수 있다.

온도와 pH의 영향에 따른 암모니아 제거속도의 변화는 Fig. 6에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 고정화 질화세균의 암모니아 제거속도는 반응기내의 온도가 20 ℃에서 25 ℃로 바뀌었을 때 제거 속도 증가보다 25 ℃에서 30 ℃로 바뀌었을 때 암모니아 제거 속도의 증가가 더 급격하게 나타났으며,  pH가 7.7에서 7.1로 바뀌었을 때 암모니아 제거 속도 감소보다 pH 7.1에서 6.2로 바뀌었을 때 암모니아 제거 속도가 급격하게 감소하는 경향을 나타내었다.

참고문헌

1. Gabriel Bitton.: Wastewater Microbiology, pp. 213-444, John wiley &

Sons(1994).

2. U. S. Environmental Protection Agency.: Process Design Manual for

Nitrogen Control, Office of Technology Transfer, Washington, D. C.(1975).

3. S. Hashimoto and K. Furukawa.: Biotechnology and Bioengineering,

30:52-59(1987).

4. M. Y. Chisti.: Airlift bioreactors, pp. 93-96, Elsevier applied science, London

and New York.(1989)

Fig. 1 Preparation of  nitrifier immobilized bead by

PVA-boric acid method

Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 3 TAN removal rate and

ratios of removal rate vs.

packing volume

Fig. 4 TAN removal rate and DO

vs. HRT

Fig. 5 TAN removal rate vs. air

rate

Fig. 6 TAN removal rate vs.

temperature and pH