탈질공정의 탄소원으로 폐신문지의 사용 가능성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

집약적 농업으로 인한 과다한 비료사용과 축산배수의 방류 등으로 인하여 수계의 NO_(3)-N 오염이 환경적인 문제로 대두되고 있는 실정이다. 특히 지하수나 상수원수의 NO_(3)-N 오염이 이미 유럽, 미국 및 일본을 비롯한 지역에서 일찍이 심각한 문제로 대두되어 왔다. 우리나라의 음용수 수질 검사에 적용되는 NO_(3)-N 및 NO_(2)-N의 농도는 WHO의 가이드라인과 동일한 10㎎/ℓ이고 유럽과 미국에서도 같은 수치를 적용하거나 또는 50mgNO_(3)/ℓ를 기준치로 채용하는 경우가 대부분이다. NO_(3)-N가 다량 함유되어 사람의 건강에 미치는 영향으로는 유아청색증이나 발암성의 두가지를 들 수 있으며, 또한 수계에 대한 영향으로는 조류의 번식을 증가시켜 하천수의 수질을 악화시키는 한 원인이 되고 있으며, 이런 현상은 하구언이나 연안 해안에서도 종종 나타난다.
폐수중에 함유된 NO_(3)-N성분을 제거하는 방법으로는 활성탄 흡착법, 이온교환법 등과 같은 물리 화학적인 방법이 알려져 있으나 생물학적 탈질공정에 비해 처리비용이 과다함으로 비경제적이라고 지적되고 있다. 생물학적 탈질공정은 환경적인 면이나 대규모처리에서도 실행가능하므로 가장 뛰어난 공법으로 인정받고 있다. 생물학적 탈질화공정에서는 탈질반응에 필요한 분해되기 쉬운 유기물질이 필요하므로 외부에서 메탄올, 에탄올, 초산 등과 같은 유기탄소원을 주입해 주어야 한다. 하지만 이들 물질들을 사용하는 과정에서 경제적인 어려움을 안고 있다.
본 연구에서는 탈질을 위한 유기탄소기질로서의 셀룰로오즈 성분을 다량 함유하며 주변에서 쉽게 이용 가능한 물질로서 폐신문지의 사용 가능성을 검토하였다.
실험은 크게 회분식 실험과 연속식 실험으로 구분하여 실험하였는데, 회분식 실험에서는 탈질반응이 우수하게 일어나는 신문지의 적정주입량을 알아보았고, 에탄올, 초산올 탄소원으로 이용한 실험의 결과와 비교하여 탈질능력을 알아보았다. 그리고 연속식 실험에서는 신문지를 충진시킨 칼럼의 탈질능력을 알아보기 위하여 유입수의 질소농도를 변화시켜 칼럼의 질소부하량의 한계와 유속을 변화시켜 유속에 대한 영향을 알아보았다.
혈청병을 이용하여 탄소원으로 신문지, 에탄올, 초산을 각각 이용한 결과 신문지의 경우 10g/ℓ이상이 양호한 탈질능력을 보였으며, 에탄올의 경우 NO_(3)-N농도의 5배인 150㎎/ℓ이상에서 가장 우수했다. 초산의 경우 탈질반응이 거의 일어나지 않았는데, 이는 샘플의 pH를 측정한 결과 pH 3.79∼4.11로 미생물이 생육하기에는 적당한 pH가 아니었기 때문인 것으로 생각된다. 신문지 10g/ℓ와 에탄을 150mg/ℓ를 각각 탄소원으로 하여 4ℓ의 회분식 반응조를 이용하여 탈질능력을 비교한 결과, 애탄올은 약 70시간 경과 후, 신문지의 경우는 약 120시간 경과 후 98%이상의 탈질율을 보였다. 실험의 결과 양쪽 모두 탈질율은 우수하나 에탄올을 탄소원으로 사용한 쪽이 신문지의 경우보다 탈질 속도가 우수함을 알 수 있었다.
신문지를 충진시킨 칼럼을 이용한 연속식 실험에서는 유입수의 NO_(3)^(-)-N농도를 변화시켜 탈질반응을 수행한 결과 60㎎/ℓ의 농도에서 처리수에서 NO_(3)-N가 검출되었고, 이 때 질소 제거량은 360㎎/d였다. 반응조의 유속에 대한 영향을 알아본 결과 유속 0.6m/d까지는 완전한 탈질이 수행되었고 탈질효율은 유속 1.2m/d에서 제거질소량이 320㎎/d로 가장 우수하였으며 유속 1.4m/d에서는 급격히 감소하였다. 위의 결과를 비교해 볼 때 신문지로 충진된 반응기가 질소의 농도보다는 유속에 대한 영향을 많이 받고 있음을 알 수 있었다.
신문지를 탈질을 위한 기질로서 사용할 경우 값비싼 정제탄소원의 이용을 피할 수 있을 뿐만 아니라 환경에 부담을 지우는 폐기물의 재활용이라는 측면에서도 신문지의 사용을 강조한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study was to Investigate the capability for using the waste newspaper as a carbon source of denitrification. In this paper. a study of denitrification of nitrate-nitrogen was carried out experimentally through the serum bottle test batch experiment and continuous experiment. Based on the results of this experimental study, the following conclusions can be made.
1. In the serum bottle test using the waste newspaper, ethanol, methanol, and acetic acid as a carbon source, denitrification rate was good when newspaper of more than 10g_(newspaper)/χ was added. In case of ethanol, adding ethanol over 150mg/χ, the five times as much as concentration of nitrite-nitrogen, had a higher performance. Denitrification rates with methanol, and acetic acid are not good. I think that this is because pH 3.79~4.11 range made from adding these is not suitable for microorganism growth.
2. In batch comparison experiment using newspaper 10g/ℓ and ethanol 150mgmg/ℓ as a carbon source, denitrification rates are 8.11% and 25.6% respectively after 47 hour operation. To increase denitrification rate up to 98%, ethanol reactor had 70 hour operation time, and newspaper reactor had 116 hour operation.
3. In continuous experiment in a column packed with newspaper, the detection of nitrate in effluent was not found before increasing the concentration of nitrite up to 60 mg/ℓ influent and it was time that the column was operated at 360mg/d, the nitrogen removal rate. In the investigation of flow rate, it was shown that the highest nitrogen removal rate, 320 mg/d was at the flow rate of 1.2m/d.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• Ⅰ. 緖論 = 1
• Ⅱ. 文獻考察 = 3
• 1. 脫窒 = 3
• 2. 炭素源 = 8
• Ⅲ. 實驗 = 9
• 1. 裝置 = 9
• 2. 試料 및 分析 = 12
• 3. 方法 = 14
• Ⅳ. 結果 및 考察 = 17
• 1. 미생물 성장곡선 = 17
• 2. 물속에서 신문지의 유기탄소 용출 = 18
• 3. 回分式 實驗 = 19
• 가. 혈청병을 이용한 실험 = 19
• 나. 4ℓ 아크릴 반응조를 이용한 실험 = 26
• 4. 연속식 실험 = 30
• 가. 질소부하량 = 30
• 나. 유속의 영향 = 32
• Ⅴ. 結論 = 34
• 參考文獻 = 35
• ABSTRACT = 38