미량오염물질 제거능 향상을 위한 생물활성탄 공정의 강화

손희종,정은영,염훈식,최상기,박홍기 대한환경공학회 2023 대한환경공학회지 Vol.45 No.12

목적 : 본 연구에서는 생물막 특성이 강화된 BAC 공정에서의 미량오염물질의 제거효율을 일반 BAC 공정과 비교·평가하여, 정수장의 BAC 공정에서 미량오염물질의 제거효율을 상승시킬 수 있는 방안을 제시하고자 하였다. 방법 : 대상 미량오염물질로는 dibromo-methylparaben (Br2-MP)를 선정하였다. 회분식 실험과 실험실 규모 컬럼 실험을 수행하여 일반 BAC 공정과 인(P) 및 과산화수소(H2O2)를 첨가하여 생물막 특성을 강화한 BAC에서 Br2-MP의 제거 효율을 평가하였다. 회분식 및 실험실 규모의 컬럼 실험 결과를 사용하여 생분해 동역학을 평가하였다. 결과 및 토의 : 동일한 생체량 조건(2.0±0.2×107 cells)에서 Br2-MP의 제거효율을 비교한 회분식 실험에서 생물학적 활성도가 높게 나타난 강화 BAC 공정의 생물분해 속도상수(kbio)는 일반 BAC 공정보다 1.2배 높았다(강화 BAC: 3.4±0.3 mg·C/g·hr, 일반 BAC: 2.9±0.4 mg·C/g·hr). 동일한 습중량(1 g) 조건으로 Br2-MP의 제거효율을 비교한 회분식 실험에서, 생체량 함량이 높은 강화 BAC 공정의 생물분해 속도상수(kbio)는 일반 BAC 공정보다 1.9배 더 높았다(강화 BAC: 3.5±0.4 µg·ATP/g·GAC, 일반 BAC: 2.3±0.2 µg·ATP/g·GAC). 회분식 실험을 통해 강화 BAC 공정은 부착된 박테리아의 생체량과 활성이 증가하여 Br2-MP 제거에 더 효율적이었다. 다양한 수온(5, 25℃)과 공탑 체류시간(EBCT: 5-40분) 조건에서 실험실 규모의 컬럼 실험을 진행한 결과, 전체 운전 기간 동안 일반 BAC 공정에 비해 강화 BAC 공정에서 Br2-MP의 제거효율이 더 높은 것으로 나타났다. 특히, 저온(5℃)과 짧은 EBCT(5분)에서 강화 BAC 공정과 일반 BAC 공정의 Br2-MP 제거효율은 큰 차이를 나타내었다. 5℃와 25℃에서 일반 BAC 공정의kbio는 각각 0.0229 min-1, 0.0612 min-1, 강화 BAC 공정의 kbio는 각각 0.0470 min-1, 0.1421 min-1로 강화 BAC 공정이 일반 BAC 공정에 비해 2배 이상 빠른 Br2-MP 생분해능을 나타내었으며, 이러한 결과는 회분식 실험결과와도 유사하였다. 또한, 하절기 잦은 EBCT 변경에 대한 영향을 시뮬레이션한 실험에서 강화 BAC 공정은 일반 BAC 공정에 비해 상대적으로 안정적인 Br2-MP 제거효율을 유지하였다. 결론 : 강화된 BAC 공정은 일반 BAC 공정에 비해 우수한 미량오염물질 생물분해능을 나타내었다. 다만 경제성(인산염과 과산화수소 비용 등)과 수질을 고려할 때 하절기와 같이 EBCT가 단축되거나 수온이 낮아지는 동절기에 한하여 간헐적으로 강화 BAC 공정을 운영하는 것도 효율적인 대안으로 평가되었다. Objectives : In this study, the removal efficiency of micropollutants in the biological activated carbon (BAC) process was investigated, and a method for improving the removal efficiency of micropollutants in the BAC process of water treatment plants was proposed.Methods : Dibromo-methylparaben (Br₂-MP) was selected as the target micropollutant. Batch and lab-scale column experiments were conducted to evaluate the removal efficiencies of Br₂-MP in the conventional BAC process and the BAC with enhanced biofilm properties by the addition of phosphorus (P) and hydrogen peroxide (H₂O₂). Biodegradation kinetics were evaluated using results from batch and lab scale column experiments.Results and Discussion : As a result of comparing the removal efficiency of Br₂-MP in a batch experiment with the same biomass concentrations (2.0±0.2×10⁷ cells), the biodegradation rate constant (<i>k</i>_bio) of the enhanced BAC process was found to be 1.2 times higher than that of the conventional BAC process due to its higher biological activity (enhanced BAC: 3.4±0.3 mg·C/g·hr, conventional BAC: 2.9±0.4 mg·C/g·hr). Comparison of removal efficiencies of Br₂-MP in batch experiments with the same wet weight of BAC (1 g) showed that the biodegradation rate constant (<i>k</i>_bio) of the enhanced BAC process was 1.9 times higher than that of conventional BAC process due to higher biomass (enhanced BAC: 3.5±0.4 µg·ATP/g·GAC, conventional BAC: 2.3±0.2 µg·ATP/g·GAC). Through the batch experiments, the enhanced BAC process was efficient in removing Br₂-MP via increasing both biomass concentrations and activity of attached microorganisms. Lab-scale column experiments conducted under different water temperatures (5 and 25℃) and empty bed contact time (EBCT: 5-40 min) conditions showed higher removal efficiency of Br₂-MP in the enhanced BAC process than the conventional BAC process throughout the entire period of operation. In particular, the removal efficiency of Br₂-MP between the enhanced and conventional BAC processes showed significant differences at low temperature (5℃) and short EBCT (5 min). At 5℃ and 25℃, the kbio of the conventional BAC process was 0.0229 min^-1 and 0.0612 min^-1, respectively, and the <i>k</i>_bio of the enhanced BAC process was 0.0470 min^-1 and 0.1421 min^-1, respectively, These results showed that the enhanced BAC process had two times higher biodegradability of Br₂-MP than the conventional BAC process. These results showed a similar trend to the results from the batch experiment. In an experiments simulating the impact of frequent EBCT changes during summer, the enhanced BAC process maintained a relatively stable removal efficiency of Br₂-MP compared to the conventional BAC process.Conclusion : The enhanced BAC process showed superior biodegradation of micropollutant compared to the conventional BAC process. Considering economic costs (e.g., costs of adding phosphate and hydrogen peroxide) and water quality, it appears to be an efficient alternative to operate the enhanced BAC process intermittently, limited to cases where EBCT is shortened, such as summer, or when water temperature is low, such as in winter.

고도정수처리 공정에서의 BOM 제거특성 평가

손희종,노재순,황영도,권기원,신판세,강임석,주기재 대한환경공학회 2003 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2003 No.12

iPDA를 이용한 막분리 전처리 응집공정의 평가

손희종,노재순,황영도,김상구,지기원,유평종,정철우 대한환경공학회 2006 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2006 No.12

고조류 대응 막여과 시스템 연구 및 침지식 분리막 호환성 평가

손희종,임동석,박정수,조용주,류동춘 대한환경공학회 2018 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2018 No.11

BAC 공정에서 에스트로겐류 생물분해능 및 생물분해 동력학 평가

손희종,염훈식,권효주,류동춘,이경심 대한환경공학회 2018 대한환경공학회지 Vol.40 No.2

In this study, The effects of empty bed contact time (EBCT) and water temperature on the biodegradation of 4 estrogens in biological activated carbon (BAC) process were investigated. Experiments were conducted at three water temperatures (5℃, 15℃ and 25℃) and three EBCTs (5, 10 and 15 min). Increasing EBCT and water temperature increased the biodegradation efficiency of estrogens in BAC column. E2 was the highest biodegradation efficiency, but E3 was the lowest. The kinetic analysis suggested a pseudo first-order reaction model for biodegradation of 4 estrogens at various water temperatures and EBCTs in the BAC columns. The first-order biodegradation rate constants (kbio) of 4 estrogens ranging from 0.1729~0.2511 min-1 at 5℃ to 0.3833~0.6094 min-1 at 25℃ in the BAC columns. By increasing the water temperature from 5℃ to 25℃, the biodegradation rate constants (kbio) were increased 2.2~2.4 times in the BAC columns. 본 연구에서는 BAC 공정에서 EBCT 및 수온변화에 따른 에스트로겐류 4종에 대한 생물분해 제거특성을 조사하였다. 생물활성탄 공정에서 에스트로겐류 4종의 생물분해율은 EBCT와 수온에 따라 큰 영향을 받았으며 EBCT와 수온이 증가할수록 생물분해율이 증가하였다. 에스트로겐류의 4종의 생물분해능은 E2가 가장 높았으며, 다음으로 E1, EE2 및 E3로 평가되었다. 또한, 에스트로겐류의 4종에 대한 BAC 공정에서의 생물분해 속도상수(kbio)는 수온 5℃에서 25℃로 상승하였을 경우, 0.1729~0.2511 min-1에서 0.3833~0.6094 min-1로 2.2배~2.4배 정도 증가하였다.

회분식 생물반응기를 이용한 BDOC_rapid와 BDOC_slow 결정

손희종,노재순,강임석,Son, Hee-Jong,Roh, Jae-Soon,Kang, Lim-Seok 한국물환경학회 2004 한국물환경학회지 Vol.20 No.4

In this study, biodegradable organic matter was divided into a rapidly biodegradable fraction($BDOC_{rapid}$) and a slowly biodegradable fraction($BDOC_{slow}$) for various waters with different types of DOC. These fractions($BDOC_{rapid}$ and $BDOC_{slow}$) were defined by using a shaking incubation method modified from Carlson's method. Also, in this study, optimum incubation time and accuracy were investigated to determine $BDOC_{rapid}$ and $BDOC_{slow}$. When suspended bacteria obtained from raw water and BAC effluent, or attached bacteria from BAC was respectively used as an inoculum, the difference in total BDOC($BDOC_{total}$) was minimal. Therefore, total BDOC was determined in 7~8 days by the shaking method, which is comparable with Servais's method by which BDOC was determined in 28 days. In addition, the difference of BDOC between these two methods was within 7%. Although $BDOC_{rapid}$ and $BDOC_{slow}$ were effectively determined by a method defined by Klevens, the difference in optimal incubation time was significant for different water samples. However, when using the shaking method, optimal incubation time for $BDOC_{rapid}$ was found to be 3 days, therefore, the $BDOC_{rapid}$ was defined as the difference between $DOC_0$ and $DOC_{3days}$, and $BDOC_{slow}$ was defined as the difference between $BDOC_{total}$ and $BDOC_{rapid}$. As a conclusion, for determining the fraction of BDOC using the shaking method, the concentrations of an inoculurns and optimal incubation times used in this study were very effective.

MIEX^®+UF 공정을 이용한 NOM 제거 특성

손희종,황영도,노재순,김상구,권기원,신판세,김원경,강임석 대한환경공학회 2004 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2004 No.12

활성탄 공정에서의 천연유기물질 제거특성

손희종,노재순,배석문,황영도,박은주,지기원,신판세,강임석 대한환경공학회 2005 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2005 No.12

활성탄 공정에서의 염소 소독부산물 제거특성

손희종,노재순,배석문,김상구,최근주,지기원,신판세,강임석 대한환경공학회 2005 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2005 No.12

LC-OCD-OND를 이용한 정수처리 공정에서의 용존 유기물질 분획들의 생물분해에 대한 통찰

손희종,김용순,김상구,황영도,황인성 대한환경공학회 2019 대한환경공학회지 Vol.41 No.1

The purpose of this study was to assess biodegradability of the dissolved organic matter (DOM) fractions of different composition and origin and to understand how these DOM fractions are removed during the full scale drinking water treatment process (DWTP). This study provides an important insight into biodegradations of DOM fractions by LC-OCD-OND analysis methods. Biopolymers (BP) were biodegradable most easily and quickly compared to other fractions, followed by low molecular weight-neutrals (LMW-neu), and building blocks (BB) and humic substrances (HS) showed a very similar biodegradation rate. Biodegradation or production of BDOC and BDON were observed in the HS fraction. Most of the BDOC and BDON were removed by coagulation/sedimentation process in DWTP. These results highlight the importance of an optimised coagulation process to remove as much biodegradable high molecular weight (MW) dissolved organic matter (DOM) as possible. BDOC incubation test results showed microbial catabolism of all DOM fractions regardless of the MW of DOM fractions. Therefore, to minimize the risk of microbial growth and proliferation in the drinking water distribution systems, it is pointed out the need to control all possible DOM fractions in the DWTP. 본 연구의 목적은 다양한 기원과 조성을 가지는 수중의 용존유기물질(dissolved organic matter, DOM)의 생물분해성을평가하고, 정수처리 공정에서 이러한 DOM 분획들의 제거 메카니즘을 이해하는 것이다. 호소수를 사용하는 실제 정수장의정수처리 공정별 처리수들을 대상으로 수행하였으며, LC-OCD-OND 분석방법에 의한 DOM 분획들의 생물분해에 대한 중요한 통찰을 제공한다. Biopolymers는 다른 분획들에 비해 가장 용이하고 빠르게 생물분해되었고, 다음으로는 LMW-neu였으며, building blocks과 humic substances는 유사한 생물분해율을 나타내었다. Humic substances 분획에서 BDOC (biodegradable dissolved organic carbon)와 BDON (biodegradable dissolved organic nitrogen)의 농도 감소(분해) 또는 농도 증가(생성)가 관찰되었다. 대부분의 BDOC와 BDON은 응집·침전공정에서 제거되었으며, 이는 생물분해성 고분자 유기물질을 최대한 많이 제거하기 위해서는 응집공정 최적화의 필요성을 의미한다. BDOC 배양실험 결과에서 DOM 분획들의 분자량 크기에 관계없이 모든 DOM 분획들은 박테리아에 의한 분해대사가 가능하였다. 따라서 배·급수관망에서 미생물 성장 및 급격한 증식에 대한 위험을 최소화하기 위해서는 정수처리 공정에서 가능한 한 모든 DOM 분획들을 제어해야 할 필요성이 있었다.