미생물 고정화 담체를 적용한 MBR 공정에서 고농도 질소 처리 특성에 관한 연구 :A study on the characteristics of high concentration nitrogen treatment in MBR process using microbial immobilized media

김지숙

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김지숙 (서울시립대학교, 서울시립대학교 대학원)

지도교수: 박철휘

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2019

[신진연구자] 미생물 고정화 담체를 적용한 MBR 공정에서 고농도 질소 처리 특성에 관한 연구

김지숙 , 박철휘 대한환경공학회 학술발표논문집 2019.12 학술대회자료

MBR공정에서 질산화 미생물고정화 담체 적용에 따른 막 오염 제어

김지숙 , 국영롱 , 박정연 외 2명 대한환경공학회지 2019.05 학술저널

미생물 고정화 담체 적용을 통한 통합 반류수 질소 처리

김지숙 , 신동철 , 박정태 외 3명 대한환경공학회지 2019.04 학술저널

미생물 고정화 담체를 적용한 MBR 공정에서 고농도 질소 처리 특성에 관한 연구

김지숙 환경공학과 2019.01 학위논문

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고농도 질소의 생물학적 처리에 있어서 호기조 내의 용존산소 부족으로 인한 혐기화 및 고농도 미생물 유지 불가능 등의 문제가 발생한다. 따라서 고농도 미생물 확보에 따른 처리속도를 증가시키기 위해 미생물 고정화 담체를 적용하여 실 폐수의 고농도 질소를 처리하고자 하였다.
본 연구에서는 질산화 미생물 (Nitrosomonas europaea, Nitrobacter winogradskyi)과 탈질(Paraccocus denirtificant, Psedomonas fluorecsns)미생물을 각각 무독성 및 불휘발성인 PVA/PEG 담체에 고정화하였다. 미생물 고정화 담체 기술에 있어서 미생물의 활성화는 중요한 단계로, 질산화 미생물 고정화 담체 및 탈질 미생물 고정화 담체의 활성화 기간은 약 20일 소요되었다. 담체의 공극 크기는 약 20 ㎛로 미생물이 생장하기에 적당하였고, 공극 내부에 미생물 군집이 잘 형성된 것을 확인하였다.
미생물 군집을 분석한 결과 질산화 미생물 고정화 담체에는 제작시 고정화했던 Nitrosomonas europaea와 Nitrobacter winogradskyi 종이 우점화 되었다. 탈질 미생물 고정화 담체에는 Enterobacter가 우점종으로 발견되어 활성화 과정에서 탈질 미생물의 군집 구조가 변한 것으로 나타났다. 담체 내의 미생물을 정량하기 위해 단백질을 분석하여 MLSS로 환산하였고, 그 값은 질산화 미생물 고정화 담체 3713.7 mg/L, 탈질 담체는 5642.0 mg/L로 고농도 미생물이 존재하는 것으로 고찰되었다.
고농도 질소가 거동하는 반류수 내에는 난분해성 유기물이 37 %로 일반 하수보다 높았고, C/N비와 알칼리도가 부족하게 나타났다. 특히 반류수의 유입 부하변동이 크기 때문에 고농도의 미생물이 필요하였고, 미생물 고정화 담체를 통해 고농도로 유지 할 수 있었다. 또한 알칼리도의 생성기작으로 탈질 반응조를 두어 호기조의 질산화율을 높일 수 있었다.
MBR에서 담체의 유동에 따른 membrane scouring 평가를 하였다. media MBR은 일반 MBR공정보다 차압상승률이 낮았고, air scouring 빈도가 적어서 에너지 소비를 줄일 수 있었다. 또한 internal submerged MBR과 external submerged MBR의 permeability는 각각 266.1 L/m2/d/bar, 187.1 L/m2/d/bar로 담체가 scouring agent로 작용하여 막 오염을 저감시킨 것으로 나타났다. 하지만 담체의 특성상 membrane사이에 clogging 현상을 발생시켜 최종적으로 external submerged MBR 타입을 적용하였다.

When high concentration nitrogen is treated by a biological process, anaerobic occurs due to lack of dissolved oxygen in the aerobic tank, and it is difficult to maintain a high concentration of biomass. Therefore, in order to increase the treatment performance and to maintain the high concentration of biomass, the special microorganism was immobilized into the media to treat high concentration nitrogen of the wastewater.
In this study, nitrifiers (Nitrosomonas europaea, Nitrobacter winogradskyi) and denitrifiers (Paraccocus denaturative and Psedomonas fluorecsns) were immobilized into the media using non-toxic and nonvolatile PVA / PEG. The biomass activity was an important factor in microbial immobilized media technology. Activation period of the nitrifier and denitrifier immobilized media took about 20 days. The pore size of the media was about 20 ㎛, and it was confirmed that the microbial community was well formed inside the pore.
Nitrosomonas europaea and Nitrobacter winogradskyi were dominant in nitrifier immobilized media. Enterobacter was found to be dominant in denitrifier immobilized media, and microbial community structure was changed during activation process. In order to quantify the biomass in the media, the protein was analyzed and converted into MLSS. The value was 3713.7 mg/L for the nitrifier immobilized media and 5642.0 mg/L for the denitrifier media.
In the return wastewater containing high concentration nitrogen, 37% of non degradable organic matter was analyzed and higher than general sewage, and C/N ratio and alkalinity were insufficient. Especially, since the load fluctuation of influent loading is large, a high concentration of biomass is required, and it can be maintained at a high concentration through a microbial immobilized media. In addition, nitrification rate of aerobic reactor was increased by using denitrification reactor as alkalinity production mechanism.
In MBR, membrane scouring was evaluated according to various media flow. The media MBR was lower in the trans membrane pressure rise rate than the MBR process, and the air scouring frequency was lower, thereby reducing the energy consumption. The permeability of internal submerged MBR and external submerged MBR was 266.1 L/m2/d/bar and 187.1 L/m2/d/bar, respectively. It was shown that the media acts as a scouring agent to reduce membrane fouling. However, due to the characteristics of the media, clogging phenomena occurred on the membranes and so, the external submerged MBR type was applied ultimately. Treatment efficiency of MBR with microbial immobilized media were 72 % for TN, 83 % for COD and 100 % for SS respectively.
As a result of this study, the removal efficiency of TN was increased by MLE process using microbial immobilized media in the treatment of high concentration nitrogen. In addition, residual COD and SS were removed by applying membrane at post treatment. Therefore, the application range of microbial immobilized media has been expanded to MBR and the possibility of applying them to high concentration nitrogen wastewater containing non degradable organics in the future has been examined.

1. 서 론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 내용 및 범위 3
2. 이론적 배경 6
2.1 생물학적 질소 처리 6
2.1.1 질산화 반응 7
2.1.2 탈질 반응 24
2.1.3 생물학적 질소 처리공정 36
2.1.4 반류수 특성 43
2.2 미생물 고정화 담체 45
2.2.1 개요 45
2.2.2 미생물 고정화 담체 공법 47
2.2.3 미생물 고정화담체 적용 52
2.3 MBR (Membrane Bioreactor) 58
2.3.1 MBR 개요 8
2.3.2 막 오염 인자 61
2.3.3 막 오염 제어 66
2.4 미생물 고정화 담체 분석 71
2.4.1 SEM/EDX 71
2.4.2 Live & Dead cell 71
2.4.3 단백질 72
2.4.4 미생물 활성화 74
3. 연구내용 및 방법 75
3.1 미생물 고정화 담체 제작 75
3.2 미생물 고정화 담체 물리·화학·생물학적 특성 77
3.2.1 담체 표면 및 공극률 77
3.2.2 담체 내 미생물 활성화 79
3.2.3 시안화물 독성 평가 83
3.3 담체 내 미생물 분석 84
3.3.1 Live & Dead cell 분석 84
3.3.2 단백질 분석 85
3.3.3 미생물 군집 분석 86
3.4 생물학적 질소제거 89
3.4.1 반류수 성상분석 89
3.4.2 질산화·탈질 반응속도 91
3.4.3 MLE 및 MBR 공정 적용 92
4. 연구 결과 및 고찰 103
4.1 미생물 고정화 담체 특성 103
4.1.1 물리·화학적 특성 103
4.1.2 생물학적 질소처리 112
4.1.3 시안화물 독성 영향평가 119
4.1.4 담체 내 미생물량 분석 121
4.1.5 미생물 군집 특성 126
4.2 미생물 고정화 담체의 scouring 평가 137
4.2.1 Activated MBR & media MBR 효율 비교 137
4.2.2 Internal & External submerged MBR 효율 비교 148
4.3 반류수 처리 151
4.3.1 반류수 특성 151
4.3.2 질산화 ·탈질 반응속도 158
4.3.3 MLE process 적용 평가 164
4.3.4 MBR process 적용 평가 169
5. 결 론 181
Reference 185
Abstract 203

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