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제약 및 바이오공정에서 발생하는 폐 유기용제의 유기탄소원 활용성 평가
박철 ( Chul Park ),김민경 ( Minkyung Kim ),최봉호 ( Fenghao Cui ),모경 ( Kyung Mo ),김문일 ( Moonil Kim ),한덕규 ( Dukgyu Han ),서진수 ( Jinsoo Seo ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-
국내에서 발생되는 폐유기용제는 연간 약 115만톤으로 추정되며, 이 중 식품, 제약, 바이오 산업 등에서 약 40%의 비중을 차지하고 있다. 제약 및 바이오공정에서 발생하는 폐 유기용제는 원료가공 및 정제과정에서 발생하고 있으며, 발생된 폐 유기용제는 다양한 종류의 유기화합물이 혼합된 형태로 배출되어 폐 유기용제의 처리 및 재자원화 과정에서 많은 문제가 발생하고 있다. 본 연구에서는 제약회사에서 발생하는 다양한 성분이 함유된 폐 유기용제를 증발농축 방법으로 정제하여 제약·바이오 공정에서 발생하는 폐유기용제에 대한 생물학적 탈질공정에 유기탄소원으로의 활용성을 평가하였다. 본 연구에 사용된 대상물질은 증발농축 공정을 통해 재자원화된 고비점물질을 평가 대상으로 적용하였으며, 탈질반응 내 유기탄소원 활용성 평가에서는 고비점물질로 정제되어 성상이 다른 2개 물질과 메탄올을 유기탄소원으로 하여 동일한 운전조건에서 Batch Test를 진행하였다. 고비점물질을 유기탄소원으로 사용하였을 때, 비탈질속도(g N<sub>removal</sub>/g MLSS/hr)는 각각 1.55, 1.50 이였으며 총 제거시간은 25.5, 25.5로 분석되었다. 메탄올을 유기탄소원으로 사용하였을 때, 비탈질속도(g N<sub>removal</sub>/g MLSS/hr)는 1.68 총제거시간은 27.6으로 분석되었다. 이러한 결과를 통해 고비점물질과 일반적으로 탈질반응에 유기탄소원으로 사용되는 메탄올을 비교하였을 때 비탈질속도의 차이는 거의 없는 것으로 관찰되었고 아질산과 질산이 탈질소화 되는데 걸리는 시간은 고비점물질을 유기탄소원으로 사용한 것이 더 짧은 것으로 나타났다.
유사 1차 동역학 모델을 이용한 Electro-Fenton 공정의 난분해성 유기물질 제거효율 최적화
김민경 ( Minkyung Kim ),김도균 ( Dokyun Kim ),박철 ( Chul Park ),최봉호 ( Fenghao Cui ),모경 ( Kyung Mo ),김문일 ( Moonil Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-
최근 국내·외적으로 잔류성유기오염물질, 기름성분 등의 난분해성 유기물에 대한 환경적 영향에 대한 이슈가 제기 되었으며, 이를 효과적으로 처리하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 난분해성 유기물질의 처리를 위한 전기화학적 방법으로는 Electro-Fenton 공정이 대표적인 방법으로 사용되고 있다. Electro-Fenton 반응의 경우 OH·, Fe<sup>2+</sup>, H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>의 생성과 소모가 동시에 발생하기 때문에 실험을 통하여 측정한 다양한 인자를 토대로 반응의 특성과 유기물제거의 상관관계를 평가하는데 한계가 있어 최적화에 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 Electro-Fenton의 다양한 인자와 유기물제거 상관관계 평가를 용이하게 하기 위한 모델을 개발하기 위하여 Phenol을 대상으로 pH 3 조건에서 Electro-Fenton 반응을 batch test를 통한 데이터베이스를 구축하였다. 구축된 데이터베이스를 토대로 시간에 따른 유기물 농도 변화를 나타내본 결과 1차-동역학 반응의 패턴에 근접하였다. 이는 유사 1차-동역학 모델(Pseudo 1st-order reaction model)을 사용 할 수 있음을 의미하며, 모든 반응 과정을 반응속도 상수 1개로 통합한 유사 1차 반응 속도상수(pseudo 1st-order kinetic constant, k<sub>ap</sub>)를 사용하여 1st-order kinetic식으로 나타낼 수 있다. 유사 1차반응 상수 k<sub>ap</sub>는 반응물의 농도, pH, 전류 밀도, 산소 농도, 온도 등 다양한 인자들의 영향에 따라 결정되기 때문에 영향인자들의 변화에 따라 k<sub>ap</sub>를 보정하여야 한다. 따라서, 각각의 인자들을 반영하여 k<sub>ap</sub> 보정식을 도출 하였고 이를 적용한 모델을 통하여 Electro-Fenton의 영향인자인 전류밀도, DO 농도, Fe<sup>2+</sup> 농도, 반응시간에 따른 유기물제거율 예측이 가능하였다. 나아가, 실제 데이터를 통하여 검증을 실시한 결과, F-satatistic 값은 7.1542e<sup>+28</sup>, p-value는 2.8618e<sup>-15</sup>로 실제 데이터와의 유사성이 높은 것으로 나타났다. 본 연구의 결과를 종합적으로 고려해 보았을 때, 전류밀도 0.3mA/㎠, 유입 유기물 농도 100mg/L, 반응시간 2hr 조건하에서 DO 농도 범위는 약 2mg/L ~ 6mg/L, Fe<sup>2+</sup> 농도 범위는 약 50mg/L ~ 100mg/L에서 유기물 제거율이 약 85%이상으로 최적조건인 것으로 나타났다. 본 연구에서 개발된 모델을 토대로 향후 Electro-Fenton 공정을 이용한 난분해성 유기물 처리최적화에 적용할 수 있다.
음식물류폐기물의 건식사료화 공정에서 발생되는 응축수로부터 유기탄소 추출
김민경(Min-Kyung Kim),권기욱(Ki-Wook Kwon),모경(Kyung Mo),최봉호(Feng-Hao Cui),박세용(Se-Yong Park),김문일(Moon-Il Kim) 유기성자원학회 2020 유기물자원화 Vol.28 No.2
본 연구에서는 음식물류폐기물 건조공정에서 발생하는 응축수에 포함된 유기탄소를 추출하여 외부탄소원으로서 적용 가능성을 평가하였다. 응축수의 성상은 COD, TN, TP 및 TS는 각각 21,374 (±3,238.3) mg/L, 148 (±32.6) mg/L, 4.19 (±1.5) mg/L, 455.7 (±0.015) mg/L로 나타났으며, 응축수에 포함된 생분해성 유기물의 함량은 47%였다. 응축수에 포함된 유기탄소 추출을 위하여 증발 농축 및 감압 증발 농축의 방법을 사용하였다. 본 연구에서 총 8가지 조건에서 수행 되었으나, 4가지 조건 (1. 상압 (0mmHg), 110℃ 2. 감압 (-600mmHg), 70℃ 3. 감압 (-500mmHg), 80℃ 4. 감압(-600mmHg), 80℃)에서 추출이 가능한 것으로 나타났다. 추출 결과, 추출된 4가지 조건 모두에서 유입 부피의 약 10% 추출하였을 때, 추출물의 유기물 농도가 가장 높고 추출 시간 대비 추출된 유기물의 양이 가장 많은 것으로 나타났다. 응축수에 포함된 유기탄소의 추출 최적 조건은 감압 (-600mmHg), 80℃로 판단하였으며, 유입 부피의 10% 추출이 적합한 것으로 평가하였다. 이때, 추출 농도, 추출량, 추출 효율, 추출시간, BOD/TCOD, TVFAs/TCOD의 비율 및 NH3-N의 값은 각각 174,200 mg/L, 8,710 mg, 46%, 10분, 0.97, 0.74, 75.5 mg/L로 나타났다. 따라서, 추출된 유기탄소는 외부탄소원으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. In this study, organic carbon was extracted from the condensed water of food waste drying process to estimate the applicability as external organic carbon sources. The COD, TN, TP and TS of condensed water were 21,374 mg/L, 148 mg/L, 4.19 mg/L, and 455.7 mg/L, respectively. In addition, the content of biodegradable organics in condensed water was 47%. The fractional distillation and the vacuum evaporation were employed for extracting organic carbon. There were 8 extraction conditions, but 4 conditions were available for extraction. They were 1) 0mmHg, 110℃ 2) -600mmHg, 70℃ 3) -500mmHg, 80℃ 4) -600mmHg, 80℃. All 4 conditions showed the highest organic concentration and the highest quantity of organics when extracted 10% of initial volume. It was estimated that optimum conditions were 80℃, -600mmHg and 10% extraction. Then, extraction concentration, extraction quantity, extraction efficiency, extraction time, BOD/TCOD ratio, TVFAs/TCOD ratio and NH3-N were 174,200 mg/L, 8,710 mg, 46%, 10 min, 0.97, 0.74 and 75.5 mg/L respectively. Therefore, the extracted organic carbon can be utilized as external organic carbon sources.