The Phenol Wastewater Treatment by Caηdida tropicalis in Fluidized Bed Biofilm Reactor

Kor. J. Appl. Microbiol. Bioeng Vol. 13, No.1, 33-39( 1985)

유동층 반응기에서 Ca ru1 ida tropicalis 율에 의한 페놀함유 폐수처리에 관한 연구

김우식·염경호·김응식

연세대학교 공과대학 화학공학과 (1985 년 1 월 29 일 수리)

The Phenol Wastewater Treatment by Caηdida tropicalis in Fluidized Bed Biofilm Reactor

Woo Sik Kim. Kyung Ho Youm and Eung Sik Kim

Department of Chemical Engineering, Y onsei University, Seoul, Korea (Received Jenuary 29, 1985)

The effects 01 initial concentration, flow rate, and recycle ratio on the removal efficiency 01 phenol were studied in a tapered fluidized bed reactor packed with activated carbon which was attached with Candida tropica/is. The optimum conditions 01 Candida tropicalis were showed that pH was 7.0 and temperature was 30⁰C, and the specìfic growth rate 01 Candida tropica/is was satislied with the Monod equation up to 500 mglL 01 phenol, and beyond it the inhibition 01 substrate was lound. According to the increases 01 initial concentration and flow rate, the removal efficiency was decreased, as the recy,cle ratio was increased, the removal efficiency was increased. ln the case 01 flow rate 01 10m Llsec and the recycle ratiool 2, ithe removal elliciency was 90 % above lor the all 01 initial concentration The removal rate 01 phenol was the lirst order reaction in this system, and the rate equation 01 reaction was as lollows,

rs = 0.00242 - - . -UoC In F

33

석탄의 가스화 및 액화공정이 개발되면서， 이로 에 따라 단연적이 감소하으로 유동속도가 감소되고 부터 방출되는 페놀폐수의 처리방뱅에 관심이 높아 따라서 유동층내의 입자손실 없이 유동화폭을 증가 지고 있으며(11 근래에 들어 페놀을 기질로 이용하 시키며 미생울의 과영성장에 따른 멀폐 현상등의 는 마생물들이 발견되면서 미생울악 유동층 반응기 조작 불안정성을 어느정도 제거할 수 있다(1-') 릎 이용한 생물학적 페놀폐수처리방법이 활발히 연 본 연구에서는 먼저 페놀 폐수처리에 이용된 바 구되고 있다끼 미생울악 유동층 반응기는 유통매체 없는 Candida tropicalis (IFO 0589)를 페놀을 기 에 미생울을 부착시키므로 기존의 분산균 반응기， 질로하여 회분반응기내 호기조건하에서 성장시 켜 충진층 반응기등에 비해 효율성이 높은 이점을 갖 균성장 특성을 캠토하고1 원추형 유동층 반응기내 고 있다 (3-1) 그러나 보통의 관형 유동층 반응기가 에서 유동 애체인 활성단에 C. tropicalis 율을 부 지니고 있는 최적 조엽조건의 좁은 폭과 낮은 안정 착시켜 반응기 조작변수의 변화에 따른 페놀 처리 도등의 단정을 보완하기 위하여 원추형 유동층 반 정도를 설험 하여 이를 유도한 미생울막 반응기의 응기가 개발되었으며， 이 반응기는 높이가 증가함 모텔식과 비교하였다.

34

z

Z 。

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넉l

R~ (Zo+ZltanO

~Ro+Ztan 0

~ Ro (1 +측

“。

~Ro(l + ζ ) where.

ζ = 존 mn

n 。 ι 。

Ro~Zo tan 0

R ~4. 05cm

R 。~1. 45cm

o

Fig.1. Coordinate system for the tapered f luidized bed.

이론적 배경

원추형 유동층 반응기에 대한 부피분율 및 압력 강하에 대한 수학적 모델을 Hsu 가 제시한 바 있는 바j 끼 미생울에 의한 기질의 제거속도를 n 차라 할 때， 반응기내의 기질의 물질수지식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

ðC ð‘C Uz ðC -kCⁿ -' --Da--_+----~--

ðt - --ðZ' E: ðZ E: (1) 여 기서 원추형 유동층 반응기는 Fig. 1 과 같이 얀경이 높이 Z 에 따라 변화하므로 축방향으로의 유 체속도 Uz 는 다음과 같다.

Uz ^{Q Q} Uo

‘ 1rR' 1rR; (1+1;")’ (1+ 1;")

,

ðF , ð'F" 1 ,ðF , KF n

~-- C~-，)+ -~" ^{C:)+'-'--~O (3)} ð

,

+

본 실험 조건에 (3)식을 적용하기 위하여 다음과 같은 가정을 하였다}’^l

(1) 균은 최대로 성장하여 정상 상태를 유지한다.

(2) 원추형 유동충 반응기의 축방향 분산은 무시 한다.

(3) 율에 의한 기질의 제거속도는 1 차 반웅이다.

위의 가정으로 부터 ðF -:.- ~

O.

cJt" rea

(3) 식은 다음과 같이 간단히 나타낼 수 있다.

브~ +

+

~

dξ (4)

Ko1'. J. Appl. Microbiol. Bioeng.

Table 1. Concentrated feed solution.

Item Quantity (mg/L)

C.H,OH 9.000

NaNO. 225

KH,PO

‘

MgSO

‘ .

CaCl, 18

FeCI, . 7H,O 5

MnSO

‘ .

0.5N-KOH (4 mL/L)

(4) 식을 다음의 경계조건을 이용하여 적분하면，

1;"~ 0 에 서 F~C/Co~l. O (5)

F ~ξ~exp

k

+김‘)}

(6)식으로부터 반응속도 상수플 구하면

k~ ^-u

Zo (1+1;"+융1;"') 1;"ln F ⁽⁷⁾ 따라서 반웅속도 상수 k 는 초기유속， 농도 및 반 응기의 기하학적인자(Zo. ξ)의 함수임을 알수 있다.

실험장치 및 방법

균성장 특성 실험

( f

기질인 페놀에서의

1

속도를 갖는 조건 (pH， 온도)을 결정하기 위하여 Table 1 의 농축합성 페놀 폐수 (C: N: P ^~ 100:5:1) 를(.，10) 증류수로 희석시 킨 100mg/L 의 페놀용액 2L 에， 배지에 이식하여 진탕 배양한 균주 6UmL 를 주엽 하고 pH (0.5N KOH 로서 조절) 와 온도를 변 화시키연서 Fig.2 와 같아 호기조건하에서 회분배 양 실험을 행하였다.

Sampling pH Prohe D. O. Meter

Water Bath

Fig. 2. Ba tch r,eactor.

VoI.13,No.l,

35

또한 C. tropicalis 의 성장특성을 규명하기 위하 놀 폐수는 Tubing Pump 로 흔합조에 보낸후 정수 여 위에서 결정된 최척 성장조건하에서 페놀 용액 된 물로서 원하는 농도로 희석하여 반응기 하부로 의 초기농도를 50-700mg/L로 변화시키면서 회분 도입하였￡며， 반응끼 하부와 상부에 각각 시료 채 배양 실험을 행하여， 배양시간에 따은 페놀농도의 취구를 설치하여 페놀 농도를 측정하였다. 본 실험 변화， DO (용존산소) 변화 빛 균체 량의 변화를 측 에 사용된 C. tropical ^‘ s 균은 호기 성 이 므로 수조，

정하였다 이때 페놀농도의 측정은 4-Amino Anti- 항온조 및 혼합조에 Air Sparger 를 설치하여 반응 pyrme 법 (ASTM 1783-80) {“’ 3로， DO 는 용존산 기에 도입되는 합성페놀 폐수가 항상 포회 상태의 소 분석 기 (Beckman, D. 0 Analyzer, 미국) 로 측정 용존산소 (30.C 에서 7. 6mg O,/L) 를 유지 하도록 하 하였으며， 균체량의 변화는 UV (Shimadzu, 120-01, 였다 반응기릎 거친 처리액은 실험의 필요에 따라 일본)로 660nm 에서의 Optical Density로서 측정하 재순환시켰으며， 일류되어 방출되는 활성탄은 진동

였다끼 분리기 (Vibrating Screen)를 이용하여 균체를 분리

원추횡 미생물막 유동층 반응기 실험 한 후(12) 반응기로 채도입하였다-

유동층 반응기에서의 페놀처리 실험에 사용된 장 활성탄에 율체를 부착시키기 위해 안응기 내에 치를 Fig.3 에 나타내었다. 반응기는 아크릴 판으 150cm³ (80g) 의 활성탄 (20 x 30Mesh) 을 충전한 후 로 하부내경 2. 9cm, 상부내경 8.1cm, 높이 107 cm 공급액의 페놀농도를 50mg/L, 도입유속윤 20mL!

되게 제작하였다. 도입 유체의 고른분산을 위해 반 sec, 재순환율 (=R/F) 을 2 로 조절한 후 120mL 의 응기 하부에 분산판을 설치하였으며. 온도조절을 균주를 주입하여 활성탄에 율체를 부착시켰다 전 위해 반응기 외부에 울자켓을 설치하였다 합성 페 반웅기에 결쳐 마생물막아 활성탄에 균열하게 도포

1. Feed Tank 13. Tap Water Tank 2. Tubing Pump 14. Water Bath 3. Rotameter 15. Sampling Tap 4. Mixing Tank 16. Drain

5. Magnetic Stirrer 17. Temperature Controller 6. Liquid Pump 18. Water Jacket

7. Slurry Pump 19. Soìenoid Valve 8. Check Valve 20. S tirrer

9. Liquid Distributor21. Air Compressor 10. TFBBR 22. Air Sparger 11. Vibrating Screen 23. Refined Water 12. Seperator

Fig.3. Schematic diagram of experimental apparatus.

되었음을 확인한 후 도입농도(100-500mg/Ll. 도 입유속(lO-20mL/sec) 및 재순환율(R/F=0-2) 에 따은 페놀제거 정도를 측정하였다 채취된 시료 는 원심분리기에서 8 ， OOOrpm 으로 15 분간 원심분리 한 후 상층액을 4-Amino Antipyrine으로 발색시켜(11) UV를 이용하여 510nm 에서 흡광도를 측정 하여 페 놀농도를 구하였다.

100

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5 6 7

pH

K

8 9 10

Fig.4. Effect of pH on degradation of Candida tropicalis( Ci = 100mg/L, Temp. = 30.C ).

Kor. J. Appl. Microbiol. Bioeng.

36

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500 600 300 (00 100 200

O 50 O

Initial concentra tion(rng/L) Fig.6. Specific growth rate in change with

initial phenol concentration(Ternp.~ 30.C,

pH~7.0)

~ 100

s

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원추형 미생물학 유동층 반응기 실험 1) 미생물막 형성 실험

유동층의 높이로 부터 유동매체에 부착된 미생물 악의 두께를 결정하는 M. Tsezos 의 이론식우로 부 터 마생물악의 두께를 결정하기 위해 J “) 유속변화에 따른 유동층의 높이를 측정하여 외삽에 의해 구한 미생물악의 두께와 반웅기 출구에서의 페놀제거 효 율을 Fig.8 에 나타내였다. 이 결과 균부착실험 개시후 약 3 일째부터 활성탄에의 균부착이 급격 해져 약 2 주일 후에는 전 활성탄에 균일한 두께로 도포됨을 알 수 있으며， 이때의 미생물막 두께는 약 420μm 정도이었다.

2) 초기농도 및 유속의 균 성장이 정상상태에

l

~x

Fig.7. Lineweaver-Burk plot of batch experirnent.

페놀

3 영향

도달한 후 초기도입

2 5

O O 15

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균성장 특성 실험

100mg/L 의 페놀용액에 배양된 균을 접종시켜 pH 빛 온도를 변화시키면서 페놀의 처리속도를 측정하 여 Fig.4 빛 Fíg.5 에 나타내였다. 이 결과 C. 1- ropical is 의 최적성장 조건은 pH 7.0, 온도 30.C 임 을 알 수 있었으며， 원추형 유동층 미생물막 반응 기에서의 페놀처리 실험시 이 조건을 항상 유지시 켜 주었다.

C. lropicalis 의 페놀용액에서의 비증식 속도를 규영 하기 위 하여 초기 페놀농도를 30, 50, 70, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700mg/L 로 변화시 키 면 서 시간에 따른 균체량을 측정한 후 이로부터 비증 식 속도를 구하여 Fíg.6 에 나타내었다 01 결과 페놀의 농도가 500mg/L 이하의 경우에는 페놀 벚 생성울의 균성장에 대한 억제작용이 나타냥을 확인 하였다(ll，씨 500mg/L 이하에서의 비증식 속도를Lí­

neweaver- Burk Plot 한 결과 (Fíg. 7 참조)， C. lro- picalis 의 페놀 용액에서의 바증식 속도를 다음의 Monod 식 형태로 나타낼 수 있었다-

0 125 (S) μ 12.78+ CS)

50

Fig.5. Effect of ternperature on degradation of Candida tropical is (Ci ~ 100rng/L,

pH~7. 0)

실험결과 및 고찰

(8) (0

Ternperature ('C) 30 10 20

O O

Vol.13, No.l,

37

0.6

.

- Theoretical

• Experimental

•

0.5

0.4

0.31

0.2 k ($)

【응9aa

‘@

%잉톨@;·}}링 i어〉。E잉힘

80

50 40 70 60 400

300

200 (Ea)

@mωF4υ·a* 틀Ii}으∞

100 30

200 250 150

50 100 20

Uo/ln (C/Co)

•

。

‘ ^r 0

f

Fig.l0. k vs. Uo/ (ln C/Co)

100

F+ R

- - - 1 0 - - - 2 0

100 200 300 400 500 Feed concentration( mg/L) R/ F

o

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• 2

$) isaaR

‘。KQIiw;;ιiι‘ .애~SEQ며

80

60

401-

20 3 5 7 9 11 13

Opera tion time (day)

Fig.8. Daily variation of biofilm thickness and removal efficiency of phenðl.

15 1

•

600

Fig. 11. Effect of recycle ratio (R/F) on removal efficiency of phenol

0 6

5

4

3

2 -(니\빼E)

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r

r) L

l

k ~ - O. 00242 . Un ::....

In F

본 실험에서 구한 반응속도 상수 k 플 유도된 (9)

식과 비교한 결과를 Fig. 10 에 나타내었다. 이 결과

실험에 의한 속도 상수값이 이론값과 거의 일치함 을 알 수 있으여， 따라시 C. tropicalis 슐에 의한 페놀의 제 거속도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

U ，、C S~O. 00242;-二­

In F 3) 재순환율의 영향

미처리된 페놀을 완전 처리시킬 목적￡로， 채 순 환율이 페놀처리에 미치는 영향을 검토하기 위하여

(9)

(1이 250

농도와 유속이 페놀처리에 마치는 영향을 고찰하기 위하여 농도를 100, 200, 300, 400, 500mg/L 로 변 화시키고， 유속을 8 -20mL/sec 로 변화시키면서 실 험 한 결과 Fig.9 와 같이 도입 페놀농도의 변화는 직선적인 관계를 나타내어 C. tropicalis 의 페놀제 거 속도는 1 차로 가정할 수 있다만")

(7)식의 반응속도 상수 k 는 초기유속 U 。 및 농 도 C 의 함수이으로 Fig. 1 에 나타낸 Z 。 빛

e

대입하여 정리하면 다음과 같다.

150 200

Retention time (sec) Fig. 9. Plot of ln C vs. r

0 100

Kor. J. Appl. Microbiol. Bioeng.

Reaction rate, mg/L-min Substrate concentration, mg/L

: Axial fluid velocity at the reactor inlet, cm/

rs S

sec

: Axial fluid velocity, cm/sec : Height of tapered fluidized bed, cm

Axial distance from the bottom of reactor to the hyperthetical apex of the inverted U。

Uz Z Z。

재순환율(R/F) 을 0, 1, 2 로 변화시키면서 실험한 결과를 Fig.11 에 나타내었다.

01

재순환율이 2 인 경우 모든 농도범위에서 90% 이 상의 페놀 제져 효과를 나타내었다.

38

cone,cm

Voidage of tapered fluidized bed, Specific growth rate, hr-'

: lnclined angle of tapered fluidized bed, degre

‘

Biofilm thickness

,

: Reduced reactor height, (Z/Zo) : C/C 。

: Feed Flow Rate, mL/sec : tUo/Z 。

: time, min Pea UoZo/Da

E μ

8

δ 론

본 연구의 결과 다음과 같은 결폰을 얻었다.

(1) C. tropicalis 의 혜놀용액에서의 최적 성장조 건은 pH 7.0, 온도 30.C 이었으며， 페놀농도가 500 mg/L 이하의 경우 비증식 속도는

0.125 (S) μ 12.78+ (S)

걸

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참고문헌

t

F -F

r 이었다

(2) 활성탄에 율을 부착한 후 약 2 주일 후부터 마생물막이 안정화되었으며， 이때의 미생물막 두께 는 약 420μm 이였다

(3) 공급액의 페놀 농도 및 유속이 작을수록， 재 순환율이 클수록 페놀 제 거 효율이 증가하였￡며，

유속이 lOmL/sec 이고 재순환율이 2 인 경우 90%

이상의 페놀이 처리되었다.

(4) 반응기내에서 C. tropicalis 의 페놀처리 속도 는 1 차 반응이며， 반응속도를 초기유속 맞 농도의 항수로서 다음과 같이 나타낼 수 있었다.

2.

UAC 3.

's~O. 00242~二­

ln F

^~^~ 4.

연구는 한국과학재단 지원 연구비로 수행되였 지원하여 주심에 심심한 사의를 드립니다 .

.1'..

L

으며

6.

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10 기호설명

lnitial concentration, mg/L Effluent concentration, mg/L^‘ Axial dispersion coefficient. cm/sec Volumetric reaction rate constant, min -.

: kzo/U 。

Order of reaction rate, Volumetric flow rate, cm³ /sec

Radius of tapered reactor at a height Z, cm Recycle Flow Rate, mL/sec

C 。

C Da k K n Q R -R

1L Radius of tapered reactor at the inlet of

reactor bottom, cm

R 。

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