매립지 침출수 처리를 위한 미생물 연료전지 결합형 폐수처리 시스템 개발에 관한 연구

엄한기,최유현,이진헌,주현종 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2016 No.-

매립지 침출수는 생활하수와 달리 난분해성 유기물, 고농도 암모니아성 질소 및 중금속 등의 독성물질을 포함하고 있어, 지하수, 하천 및 호소 등으로 유출되면 심각한 수질오염 및 토양오염을 유발할 수 있다. 또한 매립 쓰레기의 성상과 기후 등에 의한 수질 및 수량변동도 크다. 특히 암모니아성 질소를 생물학적으로 처리하기 위해서는 긴 수리학적 체류시간 및 높은 내부반송율을 요구하여, 넓은 부지면적과 높은 운전비용이 소요되기도 한다. 따라서 본 연구에서는 매립지 침출수의 급격한 수질 및 수량변화에 안정적으로 대처가 가능하고, 소요부지 및 운영비를 절감할 수 있는 컴팩트한 매립지 침출수 폐수처리 시스템을 개발하였다. 본 연구에서는 매립지 침출수 내 고농도 암모니아성 질소를 제거하기 위해 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 질산화/탈질 공정 기술을 개발하고 최적 운전인자를 도출하였다. 또한 미생물 연료전지를 결합하여 음식물 쓰레기 탈리액과 매립지 침출수의 혼합액 내 유기물을 처리함과 동시에 전기에너지를 생산할 수 있는 미생물 연료전지를 개발하고, 최적 운전인자를 도출하였다. 저농도 BOD에 의한 미생물 연료전지의 낮은 전기생산량을 극복하기 위해 고농도 유기성 폐수인 음식물 쓰레기 탈리액을 매립지 침출수와 혼합하여 BOD 농도 및 pH를 생물학적 처리에 적합하도록 높여 안정적인 유기물 제거 및 전기생산 기술을 확립하고자 하였다. 본 연구에서 개발된 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 질산화/탈질 공정은 일반 활성슬러지공법과 비교하여 질소 유입 부하량이 2.9~10 배정도 높고, 총 질소 처리효율도 약 97% 이상이다. 호기성 그래뉼 슬러지의 SVI30은 30~50 mL/g이다. 이는 호기성 그래뉼 슬러지에 비해 약 3~5배 정도 낮아, 반응조 내 MLSS 농도를 20,000 mg/L까지 유지할 수 있어 폐수처리시설의 수리학적 체류시간을 최소화 할 수 있다. 본 연구에서 개발된 미생물 연료전지는 환원전극부의 최종전자수용체로 오존을 사용하여 동일 구조의 미생물 연료전지보다 3배 이상 증가시킬 수 있다. 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 매립지 침출수 고도처리공정은 고농도 암모니아성 질소제거에 최적이다. 수도권 매립지 혹은 사용 종료된 매립지 침출수 처리시설로 적용되거나 기존 처리시설의 retrofitting 기술로 적용될 수 있다. 수도권 매립지 침출수 성상과 매우 비슷한 혐기소화폐액이나 하수처리시설의 반류수 처리공정으로도 적용가능하다. 미생물 연료전지는 해양투기 금지로 인한 음식물 쓰레기 탈리액 처리 문제의 현실적 대안으로써 이와 비슷한 성상을 가진 유기성 폐수 처리공정으로도 적용가능하다.

TiO2 기반의 다양한 금속산화물 첨가와 중공사형 흡착제의 비소 흡착 특성

엄한기,장영희,김성수 한국공업화학회 2019 공업화학 Vol.30 No.3

본 연구에서는 TiO2를 기반으로 한 중공사형 흡착제를 제조와 다양한 금속산화물 첨가에 따른 비소 흡착 특성을 평가하였다. 실험 결과 TiO2 중공사형 흡착제가 가장 우수한 비소 흡착 성능을 보였으며, 금속산화물을 첨가한 경우 금속산화물이 TiO2 표면의 산점을 막음으로 인해 오히려 비소 흡착 성능이 저하되었다. 그러나 장시간 비소 흡착 성능을비교한 결과 Al2O3를 첨가한 중공사형 흡착제의 비소 흡착 성능이 증진되었다. 또한 비표면적 및 기공 크기가 상대적으로 클수록 비소 흡착 성능이 우수하였으며, 루이스 산점과 브뢴스테드 산점이 풍부하게 존재할수록 흡착에 유리한사이트가 제공됨을 확인하였다. 이를 통해 기존 파우더 형태의 상용 TiO2를 담체 형태로도 제조하여 소규모 정수처리시설에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

당밀과 질산성 질소의 C/N ratio 변화에 따른 탈질 및 미생물 군집 특성에 관한 연구

엄한기,김성철,Eom, Hanki,Kim, Sungchul 한국미생물학회 2018 미생물학회지 Vol.54 No.2

본 연구에서 탈질 효율 비교를 위해 당밀과 메탄올을 외부 탄소원으로 사용하였다. 세부 실험조건은 C/N ratio 조건에 따라 구분하였다. 회분식 실험 결과, 당밀과 메탄올 모두 C/N ratio가 증가할수록 탈질 효율은 증가하였다. 당밀의 최적 C/N ratio는 잔류 COD 농도와 탈질 효율을 고려할 때 4:1로 나타났으며, 이때 탈질 효율은 91.4%이다. 동역학적 인자로 SDNR을 도출한 결과, C/N ratio가 증가할수록 당밀과 메탄올은 유사한 SDNR 값을 보였으며, C/N ratio 4:1 조건에서 0.0292 g $NO_3{^-}-N$ removal/g MLVSS/day (molasse), 0.0299 g $NO_3{^-}-N$ removal/g MLVSS/day (mehtanol)로 나타났다. 미생물 군집 분석을 통해 당밀에 적응된 슬러지에는 Pseudomonas sp.와 Bergeylla sp. 박테리아가 우점화 된 것을 확인할 수 있었다. 또한 미생물 군집의 다양성보다는 일부 박테리아에 대한 집중성이 더 높게 나타났다. 이에 따라 당밀은 탈질에 특화된 미생물을 집중적으로 성장시키며, 탈질 성능을 높일 수 있는 대체 외부탄소원으로 적용이 가능할 것으로 판단된다. To compare the denitrification efficiency, this study used molasses and methanol were used as external carbon sources. Specific experimental conditions were classified according to C/N ratio conditions. The batch test showed that the denitrification efficiency increased as C/N ratios of molasses and methanol rose. The most suitable C/N ratio of molasses turned out 4:1 considering the concentration of the residue chemical oxygen demand (COD) and the denitrification efficiency, which was 91.4%. Specific denitrification rate (SDNR) drawn as a kinetic factor demonstrated that molasses and methanol showed similar SDNR values as C/N ratios of molasses and methanol increased. Under the condition of C/N ratio 4:1, 0.0292 g $NO_3{^-}-N$ removal/g mixed liquor volatile suspended solid (MLVSS)/day (molasses), 0.0299 g $NO_3{^-}-N$ removal/g MLVSS/day (methanol) were found. Sludge adapted to molasses showed that Bacterium Pseudomonas sp. and Bergeylla sp. dominated through an analysis of microbial community. In addition, some bacteria were high convergences than the variety of microbial community. Accordingly, it was assumed that molasses focus on growing microorganisms specialized in denitrification and applied as a replaceable external carbon source that can enhance denitrification performance.

선박 연료의 황 함유량 규제에 따른 스크러버 기술의 동향과 전망

엄한기 ( Hanki Eom ),박병현 ( Byung Hyun Park ),정순관 ( Soon-kwan Jeong ),김성수 ( Sung Su Kim ) 한국공업화학회 2019 공업화학전망 Vol.22 No.5

국제해사기구(IMO, international maritime organization)는 2015년부터 배출규제해역(ECA, emission control area)을 운항하는 선박은 황 함유량이 0.1%(m/m) 이하로 강화된 기준을 만족하는 연료를 사용해야 하며, 2020년부터는 모든 선박에 대해 황 함유량이 0.5%(m/m) 이하인 연료를 사용하거나 동등 이상의 성능을 갖는 배출가스 후처리 장치의 설치를 의무화하였다. 이에 따라, 선박에서 배출되는 오염물질을 제어할 수 있는 다양한 기술이 개발되고 있으며, 후처리 관점에서 습식 스크러버(wet scrubber)는 선박의 디젤 엔진에서 배출되는 이산화황(sulfur dioxide)을 저감시키기 위한 가장 적합한 해결책으로 알려져 있다. 습식 스크러버는 해수를 사용하는 개방형 스크러버(open loop scrubber)와 화학세정수를 사용하는 폐쇄형 스크러버(closed loop scrubber)로 구분된다. 습식 스크러버는 오염물질의 효율적인 처리가 가능하지만 유지보수비가 비싸고, 폐수 발생으로 인한 2차 오염발생 및 부식에 매우 취약한 단점이 있다. 따라서 최근에는 스크러버 내부의 부식을 방지하기 위한 내부식성 재질에 관한 연구와 흡수제(absorbent)의 고도화 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 하이브리드형 스크러버(hybrid scrubber)는 개방형과 폐쇄형 스크러버의 장점을 결합한 기술로 황산화물의 배출을 규제하는 배출규제해역에서는 폐쇄형 스크러버를 가동하고, 선박이 공해상으로 진입할 경우 개방형 스크러버로 전환함에 따라 황산화물 배출 및 반응 후 세척수의 폐수배출 기준을 동시에 만족할 수 있다.

Biosorption을 이용한 RO농축수 내 TDS 전처리 및 생물학적 질소제거 시스템 개발에 관한 연구

엄한기 ( Hanki Eom ),주현종 ( Hyunjong Joo ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2016 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2016 No.-

RO 농축수에 함유된 NOB(Non-Oxidizing Biocide)가 생물학적 기질 및 질소제거에 미치는 영향

엄한기 ( Han Ki Eom ),최유현 ( Yoo Hyeon Choi ),김현구 ( Hyun Gu Kim ),주현종 ( Hyun Jong Joo ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2015 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2015 No.-

물리ㆍ화학적 및 생물학적 처리가 결합된 장치형 하천정화 시스템에 관한 연구

엄한기 ( Han Ki Eom ),김성철 ( Sung Chul Kim ),김성수 ( Sung Su Kim ),김삼주 ( Sam Ju Kim ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2017 한국물환경학회지 Vol.33 No.3

his study undertook to evaluate the performance of stream purification equipment system, a combination of MBP (Micro Bubble Process) and AGBP (Aerobic Granular Biofilm Process). Based on the results obtained, the optimal HRT (Hydraulic Retention Time) of MBP and AGBP were set as 0.72 and 2.4 h,respectively. Results showed that with continuous operation of combined MBP and AGBP,it is possible to achieve a BOD, TSS and T-P removal efficiency of 85, 90 and 94%, respectively. It further confirmed that the quality of the stream water can be purified by increasing the circulation flow through water simulation evaluation, by applying the QUAL-NIER model. Consequently, this purification system can resolve the current problems of stream purification and dry stream.

AGS의 생물흡착을 이용한 TDS 제거 및 고농도 질소제거에 관한 연구

엄한기 ( Han Ki Eom ),최유현 ( Yoo Hyun Choi ),주현종 ( Hyun Jong Joo ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2016 한국물환경학회지 Vol.32 No.3

This study aimed to assay the biological removal of TDS (total dissolved solids) from RO (reverse osmosis) rejected water. Following bio-sorption of TDS with AGS (aerobic granular sludge), the effects of TDS on biological nitrogen removal were examined. The bio-sorption of TDS after AGS treatment was confirmed by checking for TDS removal efficiency and surface analysis of microorganisms with SEM and EDS. Then, the effects of TDS on biological nitrogen removal and the denitrification efficiency were evaluated using the MBR reactor. According to the results, the bio-sorption of TDS with AGS was 0.1 mg TDS/mg AGS, and we confirmed that the microorganism surfaces had adsorbed the TDS. Biological nitrogen removal efficiency was measured at inhibiting denitrification at 4,000 mg/L of TDS-injected material. Based on this study, it is necessary to pretreat TDS-containing RO rejected water and to maintain TDS concentration lower than a specific value (≤4,000 mg/L), when considering biological nitrogen removal.

TiO₂ 기반의 다양한 금속산화물 첨가와 중공사형 흡착제의 비소 흡착 특성

엄한기 ( Hanki Eom ),장영희 ( Younghee Jang ),김성수 ( Sung Su Kim ) 한국공업화학회 2019 공업화학 Vol.30 No.3

본 연구에서는 TiO₂를 기반으로 한 중공사형 흡착제를 제조와 다양한 금속산화물 첨가에 따른 비소 흡착 특성을 평가하였다. 실험 결과 TiO₂ 중공사형 흡착제가 가장 우수한 비소 흡착 성능을 보였으며, 금속산화물을 첨가한 경우 금속산화물이 TiO₂ 표면의 산점을 막음으로 인해 오히려 비소 흡착 성능이 저하되었다. 그러나 장시간 비소 흡착 성능을 비교한 결과 Al₂O₃를 첨가한 중공사형 흡착제의 비소 흡착 성능이 증진되었다. 또한 비표면적 및 기공 크기가 상대적으로 클수록 비소 흡착 성능이 우수하였으며, 루이스 산점과 브뢴스테드 산점이 풍부하게 존재할수록 흡착에 유리한 사이트가 제공됨을 확인하였다. 이를 통해 기존 파우더 형태의 상용 TiO₂를 담체 형태로도 제조하여 소규모 정수처리 시설에 적용이 가능할 것으로 판단된다. In this study, the hollow fibers from TiO₂ and various metal oxides additives were fabricated and characterized in order to remove the arsenic substance from a contaminated water. Experimental results showed the best arsenic adsorption performance from pristine TiO₂ hollow fibers. When metal oxides were added, the metal oxides reduced the acid sites on the surface of TiO₂ and the arsenic adsorption performance decreased. However, the long term arsenic adsorption performance was enhanced and showed better performance than that of using pristine TiO₂ hollow fibers when Al₂O₃ was added during the hollow fiber fabrication. In addition, the arsenic adsorption performance showed a high dependency on the specific surface area of hollow fibers. It was confirmed that the abundancy of Lewis and Bronsted acid sites provided was favorable for the arsenic adsorption. It was also demonstrated that commercially available TiO₂ powders can be an attractive candidate material for manufacturing hollow fibers for a small scale water treatment plant.

음식물 탈리액 및 매립지 침출수 병합처리에 대한 미생물 연료전지(MFC)의 적용성 평가

엄한기 ( Hanki Eom ),최유현 ( Yoohyun Choi ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2016 No.2

미생물 연료전지는 축산폐수, 음식물류폐기물 침출폐수, 하수슬러지, 식품가공 공정 폐수 등 유기물 함량이 높은 유기성 폐수를 기질로 사용할 수 있으며, 기질의 종류에 따라 전기발생량 및 산화전극부의 미생물 군집에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 미생물 연료전지는 산화전극부, 이온교환막, 환원전극부, 물질전달매개체 등으로 이루어져 있으며, 산화전극부에서는 미생물에 의해 유기물이 분해되면서 전자와 수소이온이 발생하고 이때 생성된 수소이온은 이온교환막을 통해 환원전극으로 이동한다. 또한 이때 발생한 전자는 물질전달 매개체를 통해 환원전극부로 이동하게 되고 환원전극부로 이동한 수소 및 전자는 전자수용체인 산소와 반응하여 물을 생성하는 메커니즘으로 전기를 생산한다. 따라서 미생물 연료전지의 전기생산효율을 높이기 위해서는 산화·환원전극의 소재 및 물질전달매개체의 전자전달 효율 개선이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 미생물연료전지의 전기생산 효율을 증대시키기 위한 전극소재개발 및 폐수처리공정과의 결합을 도모함으로써 폐수처리공정 내 유기물 및 영양염류 제거효율 검토를 통해 미생물 연료전지와 폐수처리공정의 적용가능성을 평가하였다. Standard Type의 미생물 연료전지와 Granule graphite 및 Carbon 계열 Nanofiberl을 전극으로 하는 연료전지 반응조 내에서 유기물 및 영양염류가 약 90%이상 제거됨을 알 수 있었으며, 미생물 연료전지와 유기성폐수처리를 위한 고도처리공정과의 연계처리가 가능할 것으로 판단된다. Sol-gel 법 및 Electro-Spining을 이용한 전극코팅 및 섬유제작이 가능한 것으로 나타났으며, Nozzle, Collector간 거리에 따른 탄소조합 소재 및 탄소코팅 소재 개발과 백금촉매 코팅 비율에 따른 전극 개발을 통해 미생물 연료전지 내 전류생산 효율을 증대할 수 있을 것으로 판단된다. 유기물 및 영양염류제거에 따른 전기방출 미생물이 증식함에 따라 전류생산량이 증가하는 것을 알 수 있었으며, 약 4일 이후 평형상태에 도달하는 것으로 나타났다. 따라서 향후 운전조건 변화에 따른 전류생산 및 전압변화평가를 통해 미생물 연료전지 전류생산효율 증대 방안 수립이 필요할 것으로 판단된다.