Thiobacillus thiooxidans를 고정화한 바이오필터를 이용한 황화수소 제거에 관한 연구

Abstract

H₂S, one of the most toxic compounds, causes severe odor problems and can lead to a significant health problem, even to death when exposed for a very short period at low concentrations. For the treatment of such compound, biological process, especially biofiltration, has been widely used nowadays due to its high removal efficiency and economical advantages. Besides these advantages, biofiltration can maximize the removal efficiency even with very simple accommodations. To further maximize the efficiency, the manufacture of superior packing materials, not to mention the isolation of excellent microorganisms, is indispensable. In this study, we first characterized the physiological properties of three different microorganisms, AZll, MET, and TAS, which were classified as Thiobacillus thiooxidans, and then applied each of these three kinds of microorganisms to the removal of H₂S by immobilizing them in the biofilters, first, to those packed with synthetic porous ceramic and second, with natural lava carriers. Also, two-step biodesulfurization reactor, immobilized with Thiobacillus ferrooxidans, was introduced to remove high concentration of H₂S. As a result, when substrate, S^0 concentration was 50g/L, the maximum specific sulfur oxidation rates for T. thiooxidans AZI1, T. thiooxidans MET, and T. thiooxidans TAS were 22, 15, and 15.3g-S·DCW¹·d¹, respectively. Maximum specific growth rates for T. thiooxidans AZll, T. thiooxidans MET, and T. thiooxidans TAS turned out to be 0.33, 0.30, and 0.45d ¹, respectively. All three kinds of microorganisms displayed high growth even at low pH ranges such as pH 2∼4. When T. thiooxidans AZll, T. thiooxidans MET, and T. thiooxidans TAS were applied in the biofilters packed with porous ceramic, and when space velocity was set to 200h , they almost perfectly removed H₂S with 99.99% removal efficiencies, when inlet loads were increased up to 680g-S·㎥ ·h¹. Out of three microorganisms, only T. thiooxidans AZll was applied to the biofilters packed with three different kinds of lava samples A, B, and C, which had slightly different physical and chemical properties. When space velocity was set to 400h¹, removal efficiencies for H₂S were nearly 99% when inlet loads were increased up to 340∼390g-S·m³·h¹. High concentration of H₂S, 37,OOOppm, was removed with 96.8% of efficiency when two-step biodesulfurization was applied. Chemolithoautotrophic bacteria, T. thiooxidans and T. ferrooxidans, used in this study were proven to be excellent microorganisms for the removal of H2S, and synthetic porous ceramic and natural lava were also proven to be very appropriate carriers to immobilize microorganisms and apply to the biofilter. ; H₂S는 각종 산업장에서 발생하는 대표적인 악취물질로써, 미량의 농도로도 사망에 이르게 하는 매우 유독한 물질이다. 이러한 H₂S를 제거하기 위해 조업·운전비가 저렴하며, 상온·상압하에서도 운전 가능할 뿐만 아니라, 제거효율도 높은 생물학적 방법이 각광을 받고 있다. 미생물을 이용한 생물탈취법 중에서 바이오필터를 이용한 방법은 작은 설비규모로 효율을 극대화시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 바이오필터의 효율을 극대화시키기 위해서는 탈취 활성이 뛰어난 미생물을 분리하는 것도 중요하지만, 우수 미생물 담체를 개발하는 것도 매우 중요하다. 본 연구에서는, 실험실에서 자체 분리한 T. thiooxidans AZll, T. thiooxidans MET, 그리고, T. thiooxidans TAS의 H₂S 분해특성에 관하여 알아보았고, 이들을 우수 담체로 개발된 다공성 세라믹 담체 및 천연담체인 제주도 화산석에 고정화하여 H₂S를 제거하는 실험을 수행하였다. 아울러, T. ferrooxidans를 이용하여 2단계 공정으로 H₂S를 제거하는 생물학적 탈황공정도 수행하였다. 실험결과, 기질농도가 50g/L일 때 T. thiooxidans AZll, T. thiooxidans MET, 그리고, T. thiooxidans TAS의 최대황산화속도는 각각 22, 15, 그리고 15.3g-S·DCW¹·d¹로 나타났으며, 비성장속도는 각각 0.33, 0.30, 그리고 0.45d^-1였다. 세 균주 모두 pH 2-4 범위의 낮은 영역에서도 높은 생장을 나타내었다. T. thiooxidans AZll, T. thiooxidans MET, 그리고 T. thiooxidans TAS를 다공성 세라믹 담체에 고정화한 바이오필터를 이용하여 H₂S 제거실험을 수행한 결과, 최고 680g-S·m^-3·h¹의 H₂S 부하량에도 불구하고 99.99%라는 거의 완벽한 제거효율을 나타내었다. T. thiooxidans AZll을 고정화한 화산석 바이오필터의 경우는, 공간속도가 400h^-1였을 때, 340∼390g-S·m³·h¹의 H₂S를 99%에 가까운 효율로 제거시킬 수 있었다. T. ferrooxidans를 이용한 2단계 탈황공정에 있어서도 H₂S가 37,OOOppm까지 유입되었음에도 96.8%라는 높은 H₂S 제거효율을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 사용한 독립영양세균인 T. thiooxidans 및 T. ferrooxidans는 H₂S에 대한 우수한 탈취능력을 가진 균주로 입증되었고, 합성 무기담체인 다공성 세라믹과 천연담체인 제주도 화산석은 미생물을 고정화하여 바이오필터에 적용시킬 수 있는 우수한 담체임이 입증되었다.