공기부상식 생물반응기에서 암모니아 제거시 공기량 영향

조진구, 김병진, 서근학

부경대학교 화학공학과

Effect of Air Rate for Removal of Ammonia in airlift bioreactor

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 생물막법과 고분자 물질에 고정화시키는 포괄고정화법으로 나눌 수 있다. 최근 처리수와 미생물의 분리가 용이하고, 전단응력에 의한 미생물 유출이 없어 반응조 내에 미생물의 농도를 고농도로 유지가 가능하고, 유입되는 폐수를 짧은 시간안에 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.

Airlift 생물반응기는 반응기 전체에 걸쳐 균일한 혼합과 낮은 전단력, 높은 물질전달, 에너지 요구량이 적은 특징을 가지고 있어 미생물을 이용한 폐수처리 공정에 이용되고 있다[3,4]

본 실험에서 사용한 장치는 airlift 생물반응기 중 split-cylinder airlift 생물반응기의 형태로써 가장 중요한 운전인자는 반응기내 액체 순환 속도이다[5]. 이 액체 순환 속도는 반응기내의 밀도와 공급되는 공기유량과 밀접한 관계를 가지고 있다. 상승부와 하강부 사이에 공기축적량(Gas-holdup) 차이에 의한 밀도차이가 생겨 유체의 회전이 유도된다. 공기축적량이 증가하면 상승부와 하강부의 액체 순환 속도가 빨라지고 결과적으로 반응기내 유체가 빠른 속도로 순환한다.

본 연구에서는 암모니아성 질소의 효율적인 제거를 위하여 합성 고분자 물질인 Polyvinyl alcohol(PVA)에 질화세균군을 포괄 고정화시킨 bead를 이용하여 airlift 생물반응기에서 유입되는 공기유량과 bead의 충진율에 따른 암모니아 제거특성의 관계를 연구하고자 한다.

실 험

질화세균 및 고정화 질화세균

본 실험에 사용한 질화세균은 부산 S 하수처리장의 활성 슬러지를 Table 1에 나타낸 성분과 비율로 암모니아 배지에 1개월간 순치하여 질화세균군으로 순양시켜 사용하였다. 세척하고 원심분리한 질화세균을 합성 고분자인 Polyvinyl alcohol(Kurare Co. Ltd.)에 12.5%의 질화세균 농도가 되도록 충분히 섞은후 포화된 boric acid 용액에 적가시켜 4.5∼5mm의 질화세균이 고정화된 bead를 제조하였다.

질화세균이 고정화된 bead는 다시 20일 정도 Table 1의 배지를 암모니아성 질소의 농도 25g/m3로 공급하여 bead의 활성을 점검하고 정상상태 도달 후 실험에 사용하였다.

Table 1 Synthetic feedstock solution

Composition	ratio
NH4Cl	1
NaHCO3	7.14
Na2HPO4	0.32

Table 2 Minimum air rate

Packing volume(%)	Minimum air rate(vvm)
5	0.4
10	0.6
15	0.8
20	1

실험장치

실험에 사용한 반응기 및 장치의 모식도는 Fig. 1과 같다. Airlift 생물반응기는 내경 6cm, 높이 18cm의 아크릴 관을 이용하여 제작하였으며 반응기 내에 투입되는 bead의 유동성을 높이기 위하여 반응기 내부에 baffle을 설치하여 split-cylinder airlift 생물반응기 형태로 제작하였다. Baffle은 상승부에 공급되는 공기의 체적을 고려하여 반응기 내부의 유체 흐름속도를 일정하게 하기 위하여 상승부와 하강부의 단면적의 비가 6:4가 되도록 설치하였다[5]. 반응기 하단에서 baffle까지의 높이는 하강부의 단면적과 동일한 넓이를 차지하도록 위치하였고, 상승부의 하단에는 bead를 유동시키고 질산화에 필요한 산소를 공급하기 위하여 air stone을 이용한 공기 분산기를 설치하였다.

1. Airlift bioreactor 2. Outlet port

3. Screen          4. Air distributor

5. Peristaltic pump 6. Feed tank

7. Rotameter       8. Air pump

Fig. 1 Schematic digram for airlift

bioreactor

합성폐수의 유입구는 하강부의 액면 아래에 설치하여 유입된 합성폐수가 질화세균이 고정화된 bead와 접촉을 하지 않고 배출되는 것을 방지하였다. 유출구는 bead가 침강하는 부분인 하강부 상부에 설치하였으며, 반응기 상부에는 bead의 유출을 막기 위한 유출구 아래에 미세망을 설치하였다.

실험방법

반응기로 유입되는 합성폐수는 Table 1과 같은 성분과 조성비로 암모니아성 질소의 농도가 25g TAN/m3이 되도록 합성폐수를 만들어 정량 펌프를 사용하여 수력학적 체류시간을 0.5h로 고정시켜 공급하였으며, 반응기 상승부로 공급되는 공기는 공기펌프를 이용하여 Table 2에 나타낸 것과 같이 각 충진율에 따라 bead가 유동할 수 있는 최소공기유량을 기준으로 공급하여 실험을 행하였다.

질화세균이 고정화된 bead는 체적에 대하여 5, 10, 15, 20%로 충진하여 실험을 수행하였고, 최소공기유량에 대하여 최대 5배까지 공기량을 변화시키면서 airlift 생물반응기에서 충진율과 공기유량에 따른 암모니아 제거의 관계를 살펴보았다.

결과 및 토론

Fig. 2는 airlift 생물반응기에 질화세균이 고정화된 bead를 Table 2에 나타낸 것과 같이 최소공기유량으로 유동시켰을 때 암모니아 제거속도를 bead의 충진율 5, 10, 15, 20%에 따라 알아보았다. 그리고 충진율 5%일 때의 제거 속도를 기준으로 충진율 10, 15, 20%일 때의 제거속도의 비를 나타내었다. 최소공기유량일 때 충진율이 높아짐에 따라 암모니아 제거속도는 점점 증가하나, 충진율 5%일 때의 암모니아 제거속도에 비하여 충진율이 4배 많아진 20%의 암모니아 제거 속도는 2배정도 증가한 것을 알 수 있었다. 그러므로 airlift 생물반응기에서 bead를 유동하기 위한 최소공기유량일 때 높은 암모니아 제거속도를 얻기 위하여 충진율을 높이는 것은 의미가 없으며, 이는 충진율이 높아짐에 따라 전체적으로 반응기내에 밀도가 높아져 액체순환속도가 감소하고 암모니아와 bead의 접촉기회가 줄었기 때문으로 생각된다.

Airlift 생물반응기로 유입되는 공기유량을 1.2vvm으로 일정하게 유지하고 각 충진율 5, 10, 15, 20%일 때의 암모니아 제거속도를 Fig. 3에 나타내었다. 최소 공기유량일 때 충진율이 높아짐에 따라 암모니아 제거속도가 증가하였지만 동일 공기유량인 경우 충진율 15, 20%는 거의 같은 암모니아 제거속도를 나타내었으며, 각 충진율에 대한 암모니아 제거속도 차이가 20% 미만임을 알 수 있었다. 이는 공기유량 1.2vvm은 충진율 15, 20%에서 암모니아 제거를 위한 한계요인으로 작용하며, airlift 생물반응기에서 동일 공기유량일 때 질화세균이 고정화된 bead의 충진율은 암모니아 제거에 많은 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.

Fig. 4와 Fig. 5는 각 충진율 5, 10, 15, 20%에 대하여 공기유량을 0.2vvm에서 3.6vvm까지 변화시켰을 때 암모니아 제거속도와 반응기내의 질산염의 농도를 나타내었다. 암모니아를 제거하기 위해서는 이론적으로 1g의 암모니아성 질소가 질산염으로 산화되기 위해서는 4.75g의 산소가 필요하다[2]. 25g/m3의 암모니아를 제거하기 위해서는 118.75g/m3의 산소가 필요하며 이는 공기 폭기에 의해서만 충분한 양의 산소공급이 가능하다. Fig. 4와  Fig. 5에서 공기유량이 증가함에 따라 충분한 양의 산소전달이 이루어져 암모니아 제거속도가 증가하였고, 질산염의 농도도 증가하였다. 하지만 Airlift 생물반응기에서 공기를 일정양 이상 공급하여도 암모니아의 산화가 일어나지 않고 암모니아 제거속도 및 질산염의 농도가 일정하게 유지되는 것을 알 수 있었다. 이는 공기량이 증가하면 airlift 생물반응기 내부의 액체순환속도가 빨라져 암모니아 산화가 증가하지만 일정속도 이상의 액체 순환 속도에서는 bead와 암모니아의 접촉시간이 너무 짧고, 많은 양의 공기가 유입되어 공기가 차지하는 면적이 넓어짐으로 인하여 상대적으로 bead와 암모니아의 접촉면적이 줄어들었기 때문으로 생각된다.

Fig. 2 TAN removal rate and ratios

of removal rate vs. packing volume

at minimum air rate

Fig. 3 TAN removal rate vs.

packing volume at same

air rate(1.2vvm)

Fig. 4 TAN removal rate vs. air

rate

Fig. 5 Nitrate concentration vs.

air rate

참고문헌

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

Jons(1994).

2. U.S. EPA(Enviromental Protection Agency).: Process Design Manual for

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

3. T. Gallo and D. S. Sandfors, Presented at the 86th National Meething of

AIChE, April 1-5, Houston, Texas.(1979).

4. J. Redman, The Chemical Engineer, pp. 12, October(1987)

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