MLE type MBBR을 이용한 페놀화합물폐수의 처리특성 = Characteristics of Phenolic Wastewater Treatment using Moving Bed Biofilm Reactor in the MLE Process

국문 초록 (Abstract)

산업구조의 고도화에 따라 산업체 및 화학공장에서 배출되는 오염물질도 종류가 다양해지고 배출량도 나날이 증가되고 있다. 특히 페놀류의 대표적인 화합물인 페놀(phenol)은 하천수에 유입될 경우 공공 수역의 수질을 오염시켜 생태계파괴를 야기하고 수계 이용 가능성을 현저히 저하시켜 이미 선진국에서는 배출을 규제해왔으며, 우리나라에서도 그 법적규제가 점차 강화되고 있는 실정이다.
특정 페놀함유 폐수는 질소성분을 다량 포함하고 있어 그 처리에 어려움이 있다. 그러므로 페놀 뿐 만 아니라 질소를 동시에 제거할 수 있는 처리방법이 요구된다. MBBR(Moving Bed Biofilm Reactor)의 개념은 국내에서도 도시하수의 처리에 적용되어 사용되어졌다. 그러나 biofilm 형태의 반응조에서 독성물질의 처리 가능성과 생물학적 성장에 대한 독성의 영향은 조사되어지지 않았었다.
이에 따라 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되는 BNR(Biological Nutrient Removal) 공정 중의 하나인 MLE(Modified Ludzak-Ettinger) 공법에 유동상 생물막 담체를 적용한 biofilm 형태의 반응조에서 페놀의 농도에 따라 생물학적 처리의 가능성 여부를 판단하고자 하였으며, 페놀부하에 따른 유기물 및 질산화와 탈질화에 미치는 영향에 대하여 조사하고자 하였다.
페놀함유폐수의 처리에 있어 유기물 제거효율은 91%이상의 처리효율을 보였다. 페놀이 함유되지 않은 폐수와 168㎎/L의 페놀농도가 함유된 폐수를 비교하였을 때 유기물 제거 시에는 페놀의 영향이 나타나지 않았다.
NH₃-N는 100㎎/L의 페놀농도에서 전환율이 감소하기 시작하여 168㎎/L의 페놀농도에서는 32.1%까지 제거효율의 감소가 나타났다. TKN과 SKN은 페놀농도의 증가에 따라 일정하게 제거효율의 감소를 나타냈으며, 168㎎/L의 페놀농도에서는 제거효율은 38.2%와 34.3%까지 감소하였다. 반응조별 NH₃-N의 추이는 페놀농도 0㎎/L나 67㎎/L의 전환율은 변화가 없음을 알 수 있었다. 반면 NO₃-N의 생성률은 100㎎/L와 168㎎/L의 페놀농도에서 유사하게 나타났다.
AUR batch test를 통한 SNR 산정 실험에서 페놀농도에 따른 값의 변화를 비교하였다. 페놀농도 67㎎/L에서 시간별 구간에 따른 SNR은 0.12, 6.95, 1.05㎎NH₃-N/gMLVSSㆍhr로 나타났고, 100㎎/L의 페놀농도에서는 시간별 구간에 따라 0.26, 1.51㎎NH₃-N/gMLVSSㆍhr로 나타났으나 마지막 구간은 구별할 수 없었다. 168㎎/L의 페놀농도에서는 0.35㎎NH₃-N/gMLVSSㆍhr로 나타났으며 두 번째와 마지막 구간의 구별은 나타나지 않았다.
탈질율을 평가하기 위하여 NUR batch test를 수행하였다. 탈질반응시 이용되는 기질에 따라 구간을 구분하여 산정한 값은 페놀농도의 증가에 따라 0.322, 0.143, 0.049, 0.006㎎N/gMLVSSㆍday로 나타났다. Batch test 결과를 연속식 실험결과와 연계하여 분석한다면, 페놀은 Heterotrophs에게는 기질로써 이용될 수 있으나 탈질미생물에게는 기질로써 전혀 이용될 수 없었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nutrient removal from synthetic wastewater was investigated using a MLE (Modified-Ludzack Ettinger) type MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor), with different phenol (C_(6)H_(5)OH) concentrations, in order to determine the inhibition effects of phenol on biological nutrient removal and the biodegradation of phenolic wastewater. The carriers, made of polyethylene with a density of 0.95g/㎤, were cylindrical in shape with floating characteristics. The inside of a cylinder was cross shaped and the outside had the pin through length direction. The substance surface area is 350㎡/㎥.
The wastewater was prepared by mixing a solution of molasses with known amounts of phenol and nutrients. The experiments were conducted in a lab-scale MLE type MBBR, operated with four different phenol concentrations (0, 67, 100 and 168㎎/L) in the synthetic feed. The solid retention time (SRT) was kept constant for 12days during all the experiments. Throughout the experiments, the ratio of the phenolic COD concentration to the total COD was varied from 0 to 1. Throughout batch test the SNR (Specific Nitrification Rate) and SDNR (Specific Denitrification Rate) were significantly influenced by changes of the phenol concentration. Phenol was inhibitory to the nitrification/denitrification process, and showed greater inhibition with higher initial phenol concentrations. The SNR observed with 0, 67, 100 and 168㎎ phenol/L were very different like 10.12, 6.95, 1.51 and 0.35㎎NH₃-N/gMLVSSㆍhr, respectively. Similarly, the SDNR observed at 0, 67, 100 and 168㎎ phenol/L were different 0.322, 0.143, 0.049 and 0.006㎎N/gMLVSSㆍday, respectively.
The carbonaceous and TKN (Total Kjeldahl Nitrogen) removal efficiencies at a phenol concentration of 0㎎/L were within the ranges of 91～92% and 92～93%, respectively. Phenol was almost completely degraded up to a concentration of 68㎎/L, resulting in almost negligible inhibition effects on the COD and NH₃-N removals. The average carbonaceous and TKN removal efficiencies at a phenol concentration of 100㎎/L were 90.2 and 72.1%, respectively. After increasing the phenol concentration to 168㎎/L, the NH₃-N removal efficiency was significantly decreased to 32.1% due to phenol inhibition to nitrification.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구내용 및 범위 = 2
• 2. 이론적 배경 = 3
• 2.1. 페놀류 화합물 = 3
• 2.1.1. 페놀 = 4
• 2.1.2. 크레솔류(cresols)와 그 밖의 알킬페놀류 = 4
• 2.1.3. 염화페놀류(chlorinated phenols) = 5
• 2.1.4. 폴리하이드록시 페놀(polyhydroxy phenol) = 5
• 2.1.5. 피로갈롤(pyrogallol) = 5
• 2.2. 페놀 특성 = 6
• 2.2.1. 페놀의 성상 = 6
• 2.2.2. 페놀의 용도 = 6
• 2.2.3. 페놀에 대한 인체의 영향 = 6
• 2.3. 페놀의 제거 = 7
• 2.4. MLE type MBBR = 10
• 2.4.1. MLE 공법 = 10
• 2.4.2 MBBR = 10
• 2.4.3. 생물막 공정의 이론과 원리 = 12
• 2.5. 질소 제거 이론 = 13
• 2.5.1 질산화 반응(Nitrification) = 14
• 2.5.2 탈질화 = 18
• 2.6. 통계적 가설검정 = 21
• 3. 실험장치 및 방법 = 23
• 3.1. MLE type MBBR = 23
• 3.2. AUR batch test = 27
• 3.3. NUR batch test = 28
• 4. 연구결과 및 고찰 = 29
• 4.1. 페놀농도에 따른 유기물 제거 특성 = 29
• 4.2. 페놀농도에 따른 질소제거 특성 = 34
• 4.3. AUR batch 실험 결과
• 4.4. NUR batch 실험 결과
• 5. 결론 = 54
• 참고문헌 = 56
• ABSTRACT = 61