호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 혐기소화액 내의 질소 제거에 관한 연구 :Study on Nitrogen Removal from Anaerobic Digestate using Aerobic Granular Sludge

김광일

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김광일 (명지대학교, 명지대학교 대학원)

지도교수: 안대희

발행연도: 2017

저작권: 명지대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 혐기소화액 내의 질소 제거에 관한 연구

김광일 일반 2017.01 학위논문

2016

호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 고농도 질소 제거에 관한 연구

김광일 , 예재빈 , 안대희 대한환경공학회 학술발표논문집 2016.11 학술대회자료

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호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 혐기소화액 내의 질소 제거에 관한 연구

김 광 일
명지대학교 대학원 환경에너지공학과
지도교수 안 대 희

혐기소화액은 고농도 질소 및 유기물, 낮은 C/N비, 난분해성 유기물 등 특성으로 직접방류 불가하고 하수처리장으로 연계처리를 해야 한다. 하지만 기존 생물학적 질소 제거 공법은 에너지 소모가 많고 질소 제거에 한도가 있으며 수리학적체류시간(Hydraulic retention time, HRT)이 긴 문제점이 있다. 이에 경제적이고 효율적인 생물학적 질소 제거 공법을 개발할 필요가 있다.
단축 질산화, 탈질 질소 제거 공법은 암모니아 산화세균(Ammonia oxidizing bacteria, AOB)의 작용으로 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 부분 질산화 하고 바로 아탈질을 하는 것으로, 기존 생물학적 질소 제거 공법과 비교하여 반응시간을 단축하고, 25%의 산소, 40% 외부탄소원을 절감할 수 있는 장점이 있다.
호기성 그래뉼 슬러지(Aerobic granular sludge, AGS)는 높은 미생물 농도, 적은 잉여슬러지 발생량, 고밀도, 강한 내부구조, 우수한 침전성, 호기조건에서 동시 질산화-탈질 가능 등 특성을 가지고 있으며 차세대 하수처리공법으로 인증 받고 있다.
따라서 본 연구는 연구실에서 배양한 AOB와 AGS를 결합하여 AOB-AGS를 배양하고, 미생물 분석을 통하여 AOB가 AGS에 코팅여부를 확인하고, 인공폐수를 이용하여 아질산화 능력을 검증하고, 최종적으로 혐기소화액 내의 총 질소(Total nitrogen, T-N) 제거 효율을 평가하였다.
11일과 18일의 배양을 통하여 AOB-AGS의 배양 성공 및 성숙을 판단하였고, FISH 미생물 분석을 통하여 AOB-AGS 내의 AOB의 형광 Signal가 대조군 AGS 보다 훨씬 강하고, 주로 그래뉼의 가장자리에 분포되어 있음을 나타났으므로 AOB의 코팅 성공을 직관적으로 확인 하였다.
아질산화 능력 검증에서 NH4+-N 부하 증가함에 따른 제거율은 조금 씩 떨어지는 것이 나타났고, Kinetic study에서 질소부하율(Nitrogen loading rate, NLR) 0.15일 때 최대 아질산염 축적 율(Nitrite accumulation rate, NAR) 91%가 나타났고, NLR 0.25일 때 최대 제거율 99.3%가 나타났으며, NLR 0.25일 때 최대 비질산화속도(Specific nitrification rate, SNR) 0.29 kg NH4+-N/kg MLVSS?d가 나타났다.
혐기소화액 내의 총 질소 제거 효율 평가에서 메탄올을 외부탄소원으로 사용하는 경우 19일의 적응 기간이 필요하고, 평균 T-N의 제거율은 HRT 10일 때 77.3%, HRT 8.3일 때 70.5%, HRT 6.7일 때 46%로 나타났다. T-N 제거 효율을 고려하는 동시에 반응시간을 단축하여 운전하기 위해 HRT 8.3일로 운전하는 것이 적절하다고 사료된다.

주제어
호기성 그래뉼 슬러지, 암모니아 산화세균, 혐기소화액, 수리학적체류시간, 총 질소, C/N비, 단축 질산화-탈질

Study on Nitrogen Removal from Anaerobic Digestate using Aerobic Granular Sludge

Jin Guangri
Department of Environmental Engineering and Energy
Graduate School, Myongji University
Directed by Professor Ahn Daehee

Anaerobic digestate has the Characteristic of high concentration nitrogen with organic matter, low C/N ratio, refractory organics, it’s can’t be discharged directly and should be linked with sewage treatment plant for treatment. But conventional biological nitrogen removal process exists some problems of a high cost of energy and nitrogen treatment limitation and long Hydraulic retention time(HRT). Therefore, it is necessary to develop an economical and efficient biological nitrogen removal process.
The shortcut nitrification-denitrification process is using ammonia-oxidizing bacteria to oxidize ammonia to nitrite for the partial nitrification, and then directly to denitrification. Compared with the conventional biological nitrogen removal process, there has some advantage that shortens the reaction time, saving 25% oxygen, 40% extra carbon source.
Aerobic granular sludge(AGS) has the Characteristic of high microorganisms concentration, less excess sludge, high density, strong Internal structure, excellent settling performance, possible to simultaneous nitrification-denitrification under aerobic conditions. It''s certifying to be the next generation sewage treatment process.
In this study, culturing the AOB-AGS using cultured AOB and AGS at laboratory, Confirm whether AOB has been successfully coated on AGS by FISH microbiological analysis, validation of nitrite nitrification capacity with artificial wastewater, finally evaluated the total nitrogen (T-N) removal efficiency in the anaerobic digestate.
The successful culture and maturation of AOB-AGS were judged through 11 days and 18 days culture. The fluorescence signal of AOB in AOB-AGS was much stronger than the contrast experiment AGS through FISH microbial analysis, and it was intuitively confirmed that AOB was successfully coated because it was mainly distributed at the edge of the granule.
In the test of nitrite nitrification ability, the removal rate decreased with the increase of ammonia loading. Kinetic studies showed a maximum NAR of 91% at NLR 0.15, a maximum removal rate of 99.3% at NLR 0.25, and a maximum SNR of 0.29 kg NH4+-N/kg MLVSS?d at NLR 0.25.
In the evaluation of T-N removal efficiency in anaerobic digestate, when methanol was used as an external carbon source, the adaptation period is 19 days. The average T-N removal rate was 77.3% for HRT 10d, 70.5% for HRT 8.3d, and 46% for HRT 6.7d. In order to reduce the reaction time while considering the T-N removal rate, it is considered appropriate to operate with HRT 8.3d.

Key word
Aerobic granular sludge, Ammonia oxidizing bacteria, Anaerobic digestate, Hydraulic retention time, Total nitrogen, C/N ratio, Shortcut nitrification-denitrification

#호기성 그래뉼 슬러지 #암모니아 산화세균 #혐기소화액 #수리학적체류시간 #총 질소 #C/N비 #단축 질산화-탈질

그림 목차 ⅲ
표 목차 ⅴ
국문 초록 ⅵ
제1장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목적 3
제2장 문헌 연구 4
2.1 호기성 그래뉼 슬러지(Aerobic granular sludge, AGS) 4
2.1.1 호기성 그래뉼 슬러지의 형성 4
2.1.2 호기성 그래뉼 슬러지의 특성 6
2.1.3 호기성 그래뉼 슬러지의 미생물 군집 9
2.2 생물학적 질소 제거 14
2.2.1 기존 생물학적 질소 제거 14
2.2.2 단축 질산화, 탈질 질소 제거 20
2.3 연속회분식반응기 22
2.4 혐기소화액 25
2.4.1 혐기소화액의 특성 25
2.4.2 혐기소화액의 정화처리 27
2.5 FISH 미생물 분석 29
제3장 연구 방법 32
3.1 실험 장치 32
3.2 실험 방법 37
3.2.1 AOB-AGS 배양 37
3.2.2 FISH 미생물 분석 39
3.2.3 인공폐수를 이용한 아질산화 능력 검증 42
3.2.4 혐기소화액 내의 총 질소 제거 43
3.3 분석 방법 45
제4장 연구 결과 및 분석 46
4.1 AOB-AGS 배양 연구 46
4.1.1 암모니아성질소 제거율을 통한 AOB 코팅 연구 47
4.1.2 Kinetic study를 통한 AOB 코팅 연구 49
4.2 FISH 미생물 분석 연구 51
4.3 인공폐수를 이용한 아질산화 능력 검증 연구 54
4.3.1 암모니아성 질소 부하에 따른 유입, 유출 및 제거율 54
4.3.2 암모니아성 질소 부하에 따른 제거율, SNR 및 NAR 연구 56
4.4 혐기소화액 내의 총 질소 제거 효율 연구 59
4.4.1 회분식 아질산화-아탈질 연구 59
4.4.2 HRT 변화에 따른 연속회분식 총 질소 제거 효율 연구 62
제5장 결 론 71
참고 문헌 73
Abstract 79

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