본 연구는 Trickle Bed Air Biofilter(TBAB) 반응특성을 파악을 통해 악취물질 저감을 위한 새로운 공정개발을 목표로 하고 있다. 실험개요는 아질산 축적에 따른 반응기 평가 및 질산화 반응에 대한 해석연구와 toluene과의 공존과정에서의 반응기 성능평가 및 물질전달과정 해석에 대한 연구로 분류하여 실시하였으며, 각각의 실험과정을 TBAB 1과 TBAB 2로 지칭하였다.
TBAB 1 실험 과정은 첫째, 장기간 연속 운전을 통하여 반응기 내의 아질산 축적과정을 유도하였으며, 유입 부하량 변동에 따른 반응기 성능평가를 실시하였다. 둘째, 반응기 내의 반응속도 차이에 따른 물질 분해능을 연구하였다. 셋째, 반응기 내의 물질 흐름을 추적하여 물질전달과정을 해석하였다. 넷째, 반응기 내에 군집을 조성하고 있는 우점종 미생물을 파악하여, 물질 분해과정을 입증하였다. TBAB 1에 실험 구성은 액상에 영양물질(NH4+) 농도를 564mg/L로 설정하여 0.9L/d로 설정하였으며, 암모니아 가스의 농도(유입 부하량)는 50ppm(0.97g/m3/h)~800ppm(15.52g/m3/h)까지 순차적으로 설정하였다. 반응기 내에 체류시간은 2.35분으로 설정하였다.
TBAB 2 실험은 TBAB 1을 바탕으로 탄소기질(toluene)과의 공존과정에서 발생하는 반응기 특성을 연구하였다 실험과정은 첫째, 암모니아와 toluene 공존과정에서의 반응기 성능평가를 실시하였다. 둘째, 탄소기질 유입으로 인한 물질전달과정에 전환을 규명하였다. 실험구성은 TBAB 1을 대상으로 별도의 조건 설정 없이 toluene과의 혼합가스를 제조하여 반응기 내에 유입하였다. 혼합 가스의 농도는 암모니아 600ppm(10.67g/m3/h)을 설정하여 toluene과의 질량 비율에 따라 혼합하여 유입하였다. 이때의 암모니아와 toluene의 유입 부하량 비율은 10:1, 5:1, 2:1로 설정하였다.
TBAB 1 실험결과는 50-100ppm(0.97g/m3/h~1.94g/m3/h)까지 순응기간을 거친 후 200ppm(3.88g/m3/h)부터600ppm(10.67g/m3/h)까지는 99%이상에 높은 제거효율을 나타내었다. 800ppm(15.52g/m3/h)에서는 제거효율이 75%를 웃도는 것으로 나타났으며, 임계부하량(critical loading rate)은 10.67g/m3/h, 최대제거용량(Elimination capacity, EC)은 11.64g/m3/h로 확인되었다. TBAB 1내에 물질수지 전환을 분석한 결과(Inlet loading rate, 10.67g/m3/h), 유입 nitrogen의 약 41.5%는 액체상의 NNH4+, 43%는 NNO2-, 15%는 NNO3-로 분석되었으며, 고체상에 VSS는 검출되지 않은 것으로 확인되었다. 다른 모든 구간에서도 같은 경향을 나타내었다. 물질전환과정을 추적한 결과, 아질산 축적이 이루어진 것으로 나타났으며, FA(Free ammonia) 활동에 의한 결과로 판단된다. 반응기 내의 FA 농도는 최대(평균) 2.93(1.7)mg/L로 질산성 질소로의 전환을 저해하는 범위에 해당하는 것으로 확인되었다. 이때의 질산화로의 전환 저해율은 67%인 것으로 나타났다.
TBAB 2 실험결과, 암모니아의 제거효율은 99% 이상을 유지하였으며, toluene에 경우 초기 미생물 순응기간을 거친 후 최대 90% 이상에 제거효율을 유지하였다. 반응기 내 물질수지 전환을 분석한 결과, toluene 유입 부하량이 증가할 수록 아질산성 질소의 생성비율은 23%, 18%, 19%로 감소하는 것으로 확인하였으며, 질산성 질소의 비율은 11%, 16%, 21%로 증가하는 것으로 나타났다. 탄소기질에 유입으로 인하여 질산화로의 전환이 이루어진 것으로 판단된다. 또한, 탄소기질은 분해되어 이산화탄소와 바이오매스로 전환되며, 바이오매스 분석 값은 1.7%, 6.36%, 7.65%로 증가되었다. 또한, 이론적 이산화탄소 발생량을 토대로 이산화탄소 발생량을 추적한 결과, 80%는 이산화탄소로 전환되며 20%는 미생물 합성에 사용된 것으로 확인되었다.

The objective of this study was to investigate the development of a new process for reducing odor using a trickle-bed air biofilter (TBAB). The experiment involved a study analysis for the evaluation of a reactor and nitrification (TBAB 1) and the performance evaluation and mass transfer of a reactor in co-existence with toluene (TBAB 2).
First, in TBAB 1 experiment, nitrite accumulation was induced in a reactor through long-term continuous operation and performance evaluation of a reactor was observed by variations of inlet loads. Second, degradability of substances was studied by differences of reaction velocity in a reactor. Third, mass balance on the track of material flow in a reactor was analyzed. Fourth, material decomposition procedure was developed by understanding dominant microorganism composed of a cluster in a reactor. TBAB 1 was set in 0.9 L/d, which was 564 mg/L of NH4+ in liquid phase with the concentration of ammonia (input loads) in the range of 50 ppm (0.97 g/m3/h) to 800 ppm (15.52 g/m3/h). The retention time was 2.35 minutes in a reactor, which was a long-term continuous experiment.
TBAB 2 experiment, designed based on TBAB 1, determined the reactor characteristics in the condition of the coexistence of toluene as carbon substances. First, the co-existence process of ammonia and toluene was examined for performance evaluation. Second, the conversion of mass balance procedure was discovered by injecting carbon substances. The mixed gas with ammonia of 600ppm (10.67 g/m3/h) was injected, mixed by mass ratio of toluene. At this time, the rate of ammonia and toluene with inflow loads was set in 10:1, 5:1, and 2:1 of mass loading ratio.
The TBAB 1 experiment showed more than 99% of high removal efficiency from 200ppm (3.88 g/m3/h) to 600 ppm (10.67 g/m3/h) after an adaptation period to 50~100 ppm (0.97 g/m3/h~1.94 g/m3/h). At the inlet concentration of 800 ppm (15.52 g/m3/h), the removal efficiency appeared to be 75%, where the elimination capacity was 11.64 g/m3/h, and the critical loading rate was 11.64 g/m3/h. The results of inlet loading rate of 10.67 g/m3/h in TBAB 1 indicated that inlet gas phase nitrogen was converted into approximately 41.5% of liquid phase NNH4+, 43% of NNO2-, and 15% of NNO3-. However, it did not detect VSS in solid phase but showed the same patterns in the other sections. The trace of substance conversion showed nitrite accumulation due to Free Ammonia(FA) activity. The maximum FA concentrations in a reactor appeared to be 2.93 mg/L(average 1.7 mg/L), which is the inhibitor range of conversion to nitrate. At this time, the rate of conversion inhibition to nitrification was 67%.
From the results of TBAB 2, ammonia removal efficiency was more than 99%, while for toluene more than 90% of removal efficiency was maintained after an adaptation period. The results of mass balance conversion in a reactor indicated that as toluene loading increased nitration generation was reduced by 23%, 18%, and 19%, but nitrate generation increased by 11%, 16%, and 21%. The results revealed the nitrification conversion was enhanced by loading carbon substrates. Moreover, carbon substrates were converted to carbon dioxide and biomass, which increased by 1.7%, 6.36%, and 7.65%. With the results of tracking carbon dioxide emissions versus theoretical carbon dioxide emissions, about 80% of carbon was converted to carbon dioxide and about 20% was confirmed as microbial synthesis.