회분식 장치에서 미생물을 이용한 고농도 액상산업폐기물의 탈질 특성 = Characteristics of Denitrification for the Industrial Liquid Wastes of High Nitrate Concentration Utilizing Microbes in Batch Reactor

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 500mℓ의 Bioreactor에 합성 폐액 360mℓ와 생물종자 40mℓ를 혼합하여 400mℓ의 실험 용액을 만들어 일정시간 반응시켜 시료를 채취하여 pH 변화, 온도의 영향, 미생물의 성장, 질소의 제거 등을 분석하였다.
실험 조건은 질산성 질소의 농도는 10,000 ∼ 25,000 mg/ℓ, pH의 범위는 6.0 ∼ 9.0, 사용된 용액은 Ammonium nitrate(NH4NO3), Sodium nitrate(NaNO3), A/N(Acetic acid/Nitrate)비는 0.8, 1.0, 1.2, 미생물의 농도는(Biomass concentration) 10 ∼ 50 %, 전자공여체(Electron donor)는 CH3COOH, 온도는 25 ∼ 35 ℃의 변화를 주었으며, 미생물은 Pseudomonas halodennitrificans를 이용하였다.
실험 방법은 Batch reactor에서 반응을 시켜 일정 시간이 경과 후에 주사기를 사용하여 시료를 채취하고 pH를 측정한 후, 광학밀도를 측정하였다. 또한, Microfilter와 원심분리기를 이용하여 시료를 고·액 분리하였고 분리된 액체에서 질소의 농도를 분석하고 분리된 고체는 하루동안 60 ℃ 건조기에서 건조한 후 MLSS(Mixed liquor suspended solid)를 분석하고, 600 ℃에서 30분간 연소시킨 후 MLVSS(Mixed liquor volatile suspended solid)를 분석하였다.
질산성 질소를 함유한 고농도 액상산업폐기물의 발생억제와 효율적인 처리를 위한 생물학적 탈질을 연구한 결과는 다음과 같다.

- 운전 가능 pH 범위는 6.5 – 8.5, 최적 운전 온도는 30℃, A/N 비는 1.0이 최적 조건이며, 미생물의 량을 최대로 유지하는 것이 바람직하고 Nitrate 양에 관계없이 생물학적 처리가 가능하다.
- Ammonium nitrate(NH4NO3) 용액의 탈질 속도는 3.55g/l.day, MLSS는 2.75g/l, MLVSS/MLSS는 83.9%, 질소제거 효율은 96.7 % 이다.
- Sodium nitrate(NaNO3) 용액의 탈질 속도는 3.24g/l.day, MLSS는 2.83g/l, MLVSS/MLSS는 78.1, 질소제거 효율은 95.9 % 이다.
- Ammonium nitrate(NH4NO3)와 Sodium nitrate(NaNO3) 용액의 kinetic parameter는 모두 문헌치 범위인 것으로 나타났다.
- 탈질용액의 생물학적 처리를 고려하면 recycle이 없을 때는 Ammonium nitrate(NH4NO3) 용액이 효율적이고, recycle이 있는 경우 Sodium nitrate(NaNO3) 용액이 효율적이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study carried out the denitrification of liquid industrial wastes containing high concentration nitrate nitrogen by using microorganisms in a batch reactor. A simulated solution was used as the liquid industrial waste. The experiment was carried out by mixing 360 ㎖ of the simulated solution with 40 ㎖ of the microbial seed solution. Experiments were carried out in a batch reactor for a certain period of time, and samples were taken for pH change, effect of temperature, growth of microorganisms, and concentration of nitrate nitrogen. The experimental conditions were as follows: the concentration of nitrate nitrogen was 10,000 ~ 25,000 mg / L, the pH range was 6.0 ~ 9.0, the solutions used were AN (NH4NO3), SN (NaNO3), A / N ratio was 0.8, the concentration of Pseudomonas halodennitrificans was 10 ~ 50 %, the electron donor was CH3COOH, the temperature was 25 ~ 35 ℃, and the microorganism was Pseudomonas halodenitrificans. In the experimental method, samples were sampled using a syringe after a certain reaction time, pH was measured, and optical density was measured. The concentration of nitrogen in the separated liquid was analyzed by using a microfilter and a centrifugal separator. The separated solid was dried in a dryer at 60 ℃ for one day, analyzed for MLSS, and burned at 600 ℃ for 30 minutes and MLVSS were analyzed. The following conclusions were obtained from this study.

- The operating pH range is 6.5 - 8.5, optimum operating temperature is 30 ℃, and A / N ratio is 1.0. It is desirable to maintain the maximum amount of microorganisms and biologically treatable regardless of nitrate concentration.
- The denitrification rate of ammonia nitrate (NH4NO3) solution is 3.55, MLSS is 2.75g/l, MLVSS / MLSS is 83.9 %, and nitrogen removal efficiency is 96.7%.
- The kinetic parameters of ammonia nitrate (NH4NO3) and sodium nitrate (NaNO3) solutions were all in the literature range.
- Considering the biological treatment of the denitrification solution, the ammonium nitrate (NH4NO3) solution is efficient when there is without recycle, and the sodium nitrate (NaNO3) solution is more effective with recycle.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구동향 3
• Ⅱ. 이론적 고찰 7
• 2.1 미생물의 성장 7
• 2.1.1 이화작용 7
• 2.1.2 동화작용 7
• 2.2 생물학적 질소의 제거 원리 9
• 2.2.1 생물학적 질소의 제거 9
• 2.2.2 질산화 반응 기작 11
• 2.2.3 호기성 탈질화 및 종속영향 질산화 13
• 2.2.4 혐기성 Ammonium 산화 미생물에 의한 탈질 반응 15
• 2.2.5 독립영양 미생물에 의한 혐기성 Ammonium 산화 18
• 2.2.6 아질산성 질소 경로의 질산화에 의한 질소 제거 19
• 2.3 생물학적 질소 제거에 영향을 미치는 인자 22
• 2.4 Microbial kinetics 24
• Ⅲ. 실험장치 및 방법 26
• 3.1 실험 장치 및 측정 기기 26
• 3.2 실험 조건 27
• 3.3 실험 방법 28
• Ⅳ. 실험결과 및 고찰 29
• 4.1 탈질에 의한 pH 변화 29
• 4.2 미생물 성장과 온도의 영향 31
• 4.3 A/N(Acetic acid/Nitrate)비에 따른 pH 변화 32
• 4.4 미생물 성장과 A/N(Acetic acid/Nitrate)비의 영향 35
• 4.5 질소 농도와 pH 변화 38
• 4.6 미생물 성장과 질소 농도의 영향 41
• 4.7 Waste recycle에 따른 pH 변화 44
• 4.8 미생물 성장과 Waste recycle 영향 45
• 4.9 B/C(Biomass concentration)비에 따른 pH 변화 48
• 4.10 미생물 성장과 B/C(Biomass concentration)비 영향 49
• 4.11 A/N(Acetic acid/Nitrate)비에 따른 MLSS 변화 50
• 4.12 B/C(Biomass concentration)비에 따른 MLSS 변화 54
• 4.13 MLVSS/MLSS 변화 55
• 4.14 Waste recycle과 B/C(Biomass concentration)비에 따른 질산성 질소의 변화 56
• 4.15 탈질의 Kinetics 특성 59
• Ⅴ. 결론 61
• 참고문헌 63
• Abstract 68

참고문헌 (Reference)

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10. “고농도 질소폐수 처리 공정 내 N₂O 생성에 관한 미생물학 적 탈질 기능 연구”, 이장호, 연세대학교 대학원 박사논문, , 2016

11. “미생물을 이용한 고농도 질산성 질소를 함유한 액상 폐기물 의 탈질에 과한 연구”, 김종술, 충주대학교 산업대학원 석사논문, , 2005

12. , “고농도 질산성질소 활성슬러지 탈질 반응에서 불소, 칼슘 이온 및 이온 강도의 영향”, 하재인, 중앙대학교 대학원 석사논문, , 2001

13. “혐기소화조와 폭기조 개량을 통한 고농도 질소함유 산업폐 수 처리시스템 개발” 최종보고서, 환경부, , 2009