석탄과 철광석은 산업발달의 시작부터 현재까지 지속적으로 사용되고 있다. 이에 따라 수반된 석탄 및 철광석 정제산업의 발달은 석탄철광폐수의 양적 증가를 초래하여 그 처리가 많은 관심 속에 활발하게 연구되고 있다. 석탄철광폐수는 페놀, 시안과 같은 독성 물질 뿐 만 아니라 혐기성미생물과 경쟁관계에 있는 황산염환원균활성증가를 초래하는 SO42-를 고농도로 함유한다. 이 석탄철광폐수의 처리법으로는 물리적, 화학적, 생물학적 처리가 다양하게 연구되어왔는데, 고농도의 폐수처리에 익히 알려진 혐기성미생물을 이용한 석탄철광폐수의 처리는 경제성과 재생에너지 측면에서 최근 큰 관심을 받고 있다. 하지만 폐수에 함유된 페놀, 시안, 등과 같은 독성물질이 생물학적 처리에 심각한 저해를 초래할 수 있어 문제로 지적되고 있으나 그 독성에 대한 현재까지의 연구는 미진한 형편이다. 이에 본 연구는 입상 혐기성미생물이 석탄철광폐수 소화 시 받게 되는 급성독성에 대하여 실험적 고찰을 진행하고 그 적응 방안을 연구하였다. 석탄철광폐수는 석탄철광정제의 완료시점에 실폐수 샘플을 채취하여 사용하였다. 폐수특성 분석결과 pH 7, 페놀 589±23 mg/L, 시안 49 mg/L, 암모니아성질소 39±9 mg/L, SO4-2는 735 mg/L이며 화학적 산소요구량은 3.9 g/L으로 나타났다. 석탄철광폐수에 대한 물벼룩 급성독성시험 결과 TU가 28로 매우 높게 측정되었다. 이 폐수에 UASB의 입상슬러지를 이용하여 혐기성소화를 수행하였다. 약 20일간 유기물 부하 0.6 g COD/L/day에서 초기 적응을 수행하였고, 혐기성소화조의 정상상태에서 COD 제거율은 98%, 메탄수율은 약 80 mL CH4/g COD로 나타났다. 이 혐기성소화조가 석탄철광폐수 유기물부하 0.76 g COD/L/day에 노출 되었을 경우 미생물의 활성을 모니터링한 결과, 폐수유입 즉시 메탄가스발생이 80% 이상 감소되는 강한 독성이 감지되었으며 COD 제거효율은 점차 감소하여 약 20일 후 10%로 낮아졌다. 유출수 내 페놀은 약 210 mg/L로 제거율 60%을 나타났지만 시안은 106 mg/L로 분해되지 않고 축적되어 유입 대비 2배가량 증가하였다. SO4-2 는 2000 mg/L로 급격하게 농도가 증가한 후 약 20일 후 1000 mg/L 이하로 감소하였다. 이로보아 석탄철광폐수 내 시안과 황화합물로 인하여 혐기성미생물 내의 메탄균의 저해가 이루어짐을 짐작할 수 있다. VFA 분석결과는 산발효균과 메탄발효균의 공생관계가 파괴되었음을 보여주었다. 더불어 높은 SO4-2 농도는 황산염환원균과의 경쟁이 유도될 수 있는 농도로 밝혀졌다. 이러한 석탄철광폐수의 급성독성은 고농도의 독성물질 제거를 위한 전처리 혹은 혐기성미생물의 적응기간이 필요함을 나타내었으며, 후자를 선택하여 약 30일 간 단계적인 미생물의 독성적응절차를 거친 결과 급성독성을 극복하고 유기물 및 페놀 분해가 점진적으로 가능함을 확인 하였다.

The basic mechanism of the granular sludge formation which is the most important factor in the start-up and stable operaton is not confirmed yet. In this study, the effect of granular sludge formation was investigated with the different substrate concentrations and the various ratios of substrate supply/deficiency. The granular sludge formation in the UASB reactor was closely related to the substrate concentrations and the ratio of substrate supply/deficiency. The granular sludge formation was not accelerated at low substrate concentration. It was convinced that granular sludge formation was accelerated when the substrate supply with high concentration was stopped at UASB reactor. From this experiment, it was estimated that granular sludge was formed by the combination of hydrogen utilizing bacteria that form hydrogen condition and acid forming bacteria at substrate deficit condition by mutual symbiosis. Though the removal efficiency of organic matter was decreased as the influent substrate concentration was increased, the higher the influent substrate the better the granular sludge formation.

Granular sludge formation and it`s activity change are the most important factors in achieving successful start-up and operation of UASB reactor. Nevertheless, the detailed mechanism is still unknown. On the basic of the experiments in laboratory-scale UASB reactor, the effect of hydrogen partial pressure on sludge granulation was evaluated. Size distribution method and specific metabolic activity of the sludge with the operation time were used as a means for estimating the degree of the sludge granulation. At the constant hydrogen loading, the granulation increased as starvation periods in hydrogen supply increased, resulting in high organic removal efficiency. It was evidient that hydrogen play very important role in granulation and sludge granulation was achieved through mutual symbiosis between hydrogen utilizing bacteria and hydrogen producing bacteria under the hydrogen deficient conditions.

Design approach of Upflow Anaerobic Sludge Blanket(UASB) process based on the biological kinetic parameters are known to be very difficult since the characteristics of the granular sludge depends on the type of wastewater and size distribution of the granular sludge also depends on the upflow velocity in the UASB reactors. Furthermore, industrial wastewater containing toxic substances has been treated by UASB process without the clear knowledge of toxic effects on the granular sludge. Hence, the present research was aimed on the intensive evaluation of biological kinetic parameters of the granular sludge in UASB reactor with and without toxic substance of 2,4-dichlorophenol in order to present the basic design measures for UASB process design. The results could be summarized as follows. The biological kinetic parameters(k and Ks) considerably varied with the granular size of the sludge. Generally, the k and ks values of the granular sludge increased with the particle size of the granule. The biological kinetic parameters(k and Ks) of the granular sludge obtained from batch test were not applicable to design purpose of UASB process due to substrate diffusional limitation into the granular sludge in the completely mixed UASB reactors. The toxic effects on k and Ks greatly varied with the granular size. And as the toxicant concentration increased, the k value decreased while the Ks value increased. Inhibition constant(ki) for k with the toxicant of 2,4-dichlorophenol varied from 0.5 to 2.3 depending on the granular sizes while the inhibition constant(Ki) for Ks varied from 20.7 to 80.1, showing the mixed inhibition.