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저온플라즈마를 통한 도축폐수 처리 시 헤모글로빈 내 철에 의한 SCO/SCR 촉매반응 기반 질소 제거
박루미 ( Rumi Park ),이재철 ( Jae-cheol Lee ),이동관 ( Donggwan Lee ),이인호 ( In-ho Lee ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2018 No.-
저온플라즈마(non-thermal plasma)는 advanced oxidation processes (AOPs)중 하나로 강력한 산화력을 지니는 다양한 라디칼 및 산화종을 생산하여 난분해성 유기물 처리에 초점을 맞추어 연구가 진행되어왔다. 저온 플라즈마를 사용하여 도축폐수를 처리하는 과정에서 일정부분 질소가 제거되는 결과를 얻었으나 제거메커니즘에 대한 규명은 지금까지 불명확하게 제시되어왔다. 도축폐수 내에는 가축의 혈액을 주요 성분으로 포함하고 있어 단백질과 함께 철 이온이 다량 함유되어있다. SCO (selective catalytic oxidation) 및 SCR (selective catalytic reduction) 반응은 Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 또는 철 및 다른 금속을 포함한 촉매에 의해 일어나는 암모니아의 산화·촉매 반응이다. 두 반응을 통해 암모니아를 N<sub>2</sub>가스로 제거 가능하다는 가설 하에 본 연구는 저온 플라즈마를 이용한 암모니아 및 NOx의 제거 가설을 입증하는 실험적 결과를 제시한다. 실험 폐수는 H사의 도축폐수 유출수를 사용하였으며, batch 실험을 수행하였고 반응조 부피는 1.5 L, 공기 유량은 2 L/min으로 설정하였다. Gas sampling bag을 이용하여 반응조에서 유출되는 가스를 샘플링하여 가스 검출기(Kitagawa)를 통해 암모니아 가스 농도를 측정하였다. 저온플라즈마를 연결시킨 도축폐수 반응조를 24시간동안 운전한 결과 저온 플라즈마 반응조에서는 총 질소는 31.3 %, 암모니아성 질소는 48.2 % 감소되었다. 24시간동안 제거된 암모니아 가스에 대한 질소량은 32.5 mg으로 전체 제거 질소량 (300 mg N)에 약 10 %에 불과한 양이었다. 또한 존재하는 질소는 대부분 암모니아성 질소의 형태로 제거되었다. 따라서 제거된 암모니아성 질소는 암모늄 이온이 산화되어 NH<sub>3</sub>, 혹은 NOx가 아닌 N<sub>2</sub>로서 외부로 유출되었을 것으로 추측되며 이는 도축폐수 내 존재하는 다량의 철산화물 또는 다른 촉매 작용을 하는 매개체에 의한 선택적 산화 반응으로 보인다. 사사: 본 연구는 2018년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. (NRF-2017R1A2B4012762) 또한 이 연구는 2016년도 정부(환경부)의 재원으로 한국환경산업기술원의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2016000140002).
저온플라즈마 산화공법을 이용한 미세조류 바이오매스 내 마이크로시스틴-LR, -RR, -YR의 제거 동역학
박루미 ( Rumi Park ),김종국 ( Jong-guk Kim ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-
농업용수, 낙시터 등 다양한 용도로 이용되고 있는 국내 많은 저수지는 매년 부영양화에 따른 심각한 녹조문제를 겪고 있다(김승 2017). 저수지에 발생하는 녹조를 제어하기 위해 응집제 살포 및 준설, 인공식물섬 등의 물리화학적 방법이 연구되고 있으나 저수지에 발생한 녹조를 이루는 몇몇 남조류는 대표적으로 마이크로시스틴을 포함한 유해 조류독소를 형성하기 때문에 보다 효과적이며 확실한 처리기술이 필요하다. 본 연구는 녹조와 녹조 내 존재하는 대표적인 조류독소인 마이크로시스틴을 제어하기 위해 고급산화공법 중 한 가지로, 다양한 산화종을 생산하여 난분해성 화합물 및 고부하 유기물의 높은 처리성능이 입증된 저온플라즈마 산화공법을 적용하였다. 연구진은 저수지의 녹조를 수거, 농축한 미세조류 바이오매스를 대상으로 저온플라즈마 처리 시 마이크로시스틴-LR, -RR, -YR 3 종의 농도 변화를 관찰하였다. 반응조는 저온플라즈마 발생기에서 방전된 carrier gas가 기체 형태로 반응조 내부로 유입되는 형식으로 운전되었다. 시간에 따른 마이크로시스틴의 농도와 바이오매스 농도의 상관관계 및 동역학적 고찰은 회분식 실험 데이터를 분석하여 진행되었다. 채취한 시료는 1.2 μm GF/C 여과지로 미세조류 세포를 걸러 아세트산 용출에 투입되었다. 이렇게 용출된 세포 내 마이크로시스틴과 여과지로 거른 세포 외 용액의 마이크로시스틴 농도를 각각 분석하여 저온플라즈마 산화공법이 녹조의 바이오매스 농도와 마이크로시스틴에 미치는 영향을 고찰하였다. 본 연구는 매년 심각한 문제를 일으키는 저수지 내 녹조를 수거, 농축한 미세조류 바이오매스에 존재하는 유해 독성 성분을 저온플라즈마 산화공법을 통해 제거하여 고농도 바이오매스의 자원화 활용도를 높인다.
수중 막 여과와 저온 플라즈마를 결합한 고농도 가축분뇨 처리 시스템의 거동평가
안현민 ( Hyeonmin An ),이재철 ( Jae-cheol Lee ),박루미 ( Rumi Park ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-
산업이 발달하고 인구가 증가함에 따라 육류를 주로 소비하는 식습관의 변화는 가축 사육 두수를 증가시켰으며 이는 가축분뇨 발생량의 증가로 이어져 부영양화와 같은 환경문제의 근원이 되고 있다. 고농도의 가축 분뇨를 처리하기 위하여 다양한 화학적 및 생물학적 처리 기술들이 연구되고 있으나, 상대적으로 긴 처리시간 확보, 넓은 부지면적의 소요, 추가 화학약품 투입의 필요성 등과 같은 다양한 한계가 존재하여 지속적인 도전이 필요한 실정이다. 본 연구는 수중 막 여과와 저온 플라즈마를 결합한 고농도 가축분뇨 처리 시스템을 제안하고 그 성능을 평가한다. 막 여과는 고액분리를 통해 탁도 및 부유 물질의 제거에 탁월하다고 알려져 있으며 저온플라즈마는 공기 중 전기적 방전을 통해 강 반응성 산화종인 OH 라디칼 및 오존 등을 생성시켜 난분해성 유기물질 등의 처리에 효과적이다. 이에 본 연구는 저온 플라즈마만 적용한 시스템(case.1), 막 여과만 적용한 시스템(case.2), 저온 플라즈마와 막 여과를 결합한 시스템(case.3)에 대하여 수리학적 체류시간을 3일에서 1일로 감소시키며 이에 따른 영양염류 및 오염물질의 처리 성능과 막 오염의 정도를 고찰하였다. 그 결과 수리학적 체류시간 3일에서 저온 플라즈마와 막 여과를 결합한 시스템은 영양염류(TN 72.4 %, TP 57.8 %, NH<sub>3-</sub>N 73.3 %), 탁도(99.1 %) 및 유기물(DOC 71.3 %, SS 98.7 %)의 제거효율이 가장 높게 나타났으며, transfer membrane pressure(TMP) 증가율 및 유출수의 플럭스 감소율이 가장 적은 것으로 밝혀졌다. 또한, 수리학적 체류시간 1일에서 막 저항은 case.3(0.4 × 10<sup>14</sup> m<sup>-1</sup>)이 case.1(1.5 × 10<sup>14</sup> m<sup>-1</sup>)에 비해 낮게 관찰되어 이 결과는 막 여과와 저온 플라즈마의 결합이 영양염류 및 오염물질 처리능력과 막 오염 저감에 탁월함을 입증한다. 종합하면, 본 연구에서 제안한 고농도 가축분뇨 처리 시스템은 막 오염 감소를 통해 비용효과적 처리를 가능하게 하며 영양염류 및 오염물질의 제거를 동시에 달성 가능한 것으로 판단되어 가축분뇨의 안정화효율 제고에 기여할 수 있다고 사료된다.
저온 플라즈마와 막 여과를 결합한 물리화학적 고농도 가축분뇨처리 시스템의 거동평가
안현민 ( Hyeonmin An ),이재철 ( Jae-cheol Lee ),박루미 ( Rumi Park ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-
가속화되는 산업과 인구의 증가는 육류 소비량을 증가시켰고 이는 가축분뇨 발생량의 증가로 이어져 부영양화와 같은 환경문제의 근원이 되고 있다. 고농도의 가축 분뇨를 처리하기 위한 다양한 생물학적 및 화학적 처리 기술들이 연구되어 왔지만, 상대적으로 긴 처리시간 확보 및 추가 화학약품 투입 필요성 등과 같은 여러 한계가 존재한다. 본 연구는 저온 플라즈마와 막 여과를 결합한 물리화학적 시스템을 제안하고 그 성능을 평가한다. 저온 플라즈마는 공기 중 전기적 방전을 통해 강 산화종인 OH 라디칼 및 오존 등을 생성시켜 난분해성 유기물질 등의 처리에 효과적이며, 막 여과는 고액분리를 통해 부유 물질 및 탁도의 제거에 탁월하다고 알려져 있다. 이에 본 연구는 저온 플라즈마만 적용한 시스템(case.1), 막 여과만 적용한 시스템(case.2), 저온 플라즈마와 막 여과를 결합한 시스템(case.3)에 대하여 수리학적 체류시간에 따른 영양염류 및 오염물질의 처리 성능과 막 오염의 정도를 고찰하였다. 그 결과 저온 플라즈마와 막 여과를 결합한 시스템은 영양염류(TN 72.4 %, TP 57.8 %, NH3-N 73.3 %), 탁도(99.1 %) 및 유기물(DOC 71.3 %, SS 98.7 %)의 제거효율이 매우 높게 나타났으며, transfer membrane pressure (TMP) 증가율 및 유출수의 플럭스 감소율이 가장 적은 것으로 밝혀졌다. 이 결과는 저온 플라즈마와 막 여과의 결합이 오염물질 처리능력 및 막 오염 저감에 탁월함을 입증한다. 종합하면, 본 연구가 제안한 물리화학적 처리시스템은 고농도 가축분뇨의 비용효과적 처리를 가능하게 하며 탁도, 유기물 및 막 오염 저감을 동시에 달성 가능한 것으로 사료되어 가축분뇨의 안정화효율 제고에 기여할 수 있다고 사료된다.