암모늄 질소 소화에 의한 바이오매스 생성량은 암모늄이 실제로 소비된 양에 화학양론적 바이오매스 수율을 적용하여 계산합니다. 제시된 반응에서는 암모늄 이온 55 mol이 몰질량 약 113 g/mol인 C5H7O2N으로 표시되는 세균 조직 1 mol을 생성합니다. 따라서 파일럿 반응기로 유입되는 암모늄 질량 유량을 측정하고, 제거된 비율을 곱한 다음, 소비된 암모늄을 이에 상응하는 바이오매스 질량으로 환산합니다.

핵심 계산식은 다음과 같습니다: 바이오매스 생성량 = 소비된 암모늄 부하량 × 화학양론적 바이오매스 수율. 제시된 반응에서 수율은 약 소비된 NH4+ 1 g당 바이오매스 0.114 g, 또는 소비된 NH4-N 1 g당 바이오매스 0.147 g입니다.

암모늄 부하량 설정

유입수 암모늄 질량 유량 계산

반응기로 유입되는 암모늄 부하량은 유량과 농도로 계산합니다:

[ L_{\text{NH}4} = Q \times C{\text{NH}_4} ]

여기서:

(L_{\text{NH}_4}) = 유입 암모늄 부하량
(Q) = 액체 유량
(C_{\text{NH}_4}) = 유입 암모늄 농도

일관된 결과를 얻으려면 서로 호환되는 단위를 사용해야 합니다. 예를 들면 다음과 같습니다:

[ \text{kg/d} = \frac{\text{m}^3}{\text{d}} \times \frac{\text{mg}}{\text{L}} \times 10^{-3} ]

(1\ \text{mg/L})은 (1\ \text{g/m}^3)과 동일하므로 이 환산이 가능합니다.

실제로 소비된 암모늄 사용

바이오매스는 반드시 전체 유입 부하량에서 생성되는 것이 아니라 미생물에 의해 제거된 암모늄으로부터 생성됩니다:

[ L_{\text{consumed}} = Q(C_{\text{in}} - C_{\text{out}}) ]

제거율만 알고 있는 경우:

[ L_{\text{consumed}} = L_{\text{in}} \times X ]

여기서 (X)는 암모늄 전환율입니다. 제거율 85%는 (X = 0.85)로 나타냅니다.

화학양론적 수율 적용

암모늄 몰을 바이오매스 몰로 환산

제시된 반응은 다음과 같습니다:

[ 5CO_2 + 55NH_4^+ + 76O_2 \rightarrow C_5H_7O_2N + 54NO_2^- + 52H_2O + 109H^+ ]

이 반응은 다음과 같은 몰 관계를 나타냅니다:

[ 55\ \text{mol NH}_4^+ \rightarrow 1\ \text{mol 바이오매스} ]

바이오매스 분자의 몰질량은 약 113 g/mol입니다. 암모늄 이온의 몰질량은 약 18.04 g/mol입니다.

따라서:

[ Y_{\text{biomass/NH}_4^+}

\frac{113}{55 \times 18.04} ]

[ Y_{\text{biomass/NH}_4^+} \approx 0.114\ \frac{\text{g 바이오매스}}{\text{g NH}_4^+} ]

그러면 바이오매스 생성 속도는 다음과 같습니다:

[ P_{\text{biomass}}

L_{\text{NH}_4^+,\text{consumed}} \times 0.114 ]

`NH4+`와 `NH4-N` 구분

파일럿 플랜트 데이터는 전체 암모늄 이온 질량이 아니라 암모늄성 질소, 즉 NH4-N으로 보고되는 경우가 많습니다. 이러한 차이는 수치상 수율을 변경합니다.

표시된 반응의 경우:

[ Y_{\text{biomass/NH}_4\text{-N}}

\frac{113}{55 \times 14.01} ]

[ Y_{\text{biomass/NH}_4\text{-N}} \approx 0.147\ \frac{\text{g 바이오매스}}{\text{g NH}_4\text{-N}} ]

농도가 NH4+로 표시된 경우에는 0.114 g/g을 사용합니다. NH4-N으로 표시된 경우에는 0.147 g/g을 사용합니다.

파일럿 플랜트 예제를 통한 계산

유량, 농도 및 전환율을 사용한 예제

파일럿 반응기에 다음 조건이 있다고 가정합니다:

유량: (Q = 1.0\ \text{m}^3/\text{d})
유입 암모늄: (C_{\text{in}} = 100\ \text{mg NH}_4\text{-N/L})
유출 암모늄: (C_{\text{out}} = 20\ \text{mg NH}_4\text{-N/L})

소비된 암모늄성 질소 부하량은 다음과 같습니다:

[ L_{\text{consumed}}

1.0(100-20) ]

[ L_{\text{consumed}}

80\ \text{g NH}_4\text{-N/d} ]

NH4-N 수율을 적용하면:

[ P_{\text{biomass}}

80 \times 0.147 ]

[ P_{\text{biomass}} \approx 11.8\ \text{g 바이오매스/d} ]

따라서 추정 총 바이오매스 생성량은 건조 세포 바이오매스 기준으로 약 11.8 g/d입니다.

반응기 수율로 결과 표현

파일럿 운전 간 비교를 위해 바이오매스 생성량을 소비된 암모늄으로 정규화합니다:

[ Y = \frac{P_{\text{biomass}}} {L_{\text{NH}_4\text{-N},\text{consumed}}} ]

이 값의 단위는 다음과 같습니다:

[ \text{g 바이오매스}/\text{g 소비된 NH}_4\text{-N} ]

이 정규화 값은 서로 다른 수리학적 부하율, 용존산소 조건, 온도 또는 반응기 구성을 비교할 때 유용합니다.

계산을 물질수지와 연결

질소의 이동 경로 구분

소비된 암모늄이 모두 바이오매스가 되는 것은 아닙니다. 제시된 반응에 따르면 암모늄 질소는 다음과 같이 분배됩니다:

새로운 세포 조직
아질산염
잔류 암모늄 또는 기타 측정된 질소 형태

따라서 완전한 파일럿 플랜트 질소 물질수지는 다음 항목을 비교해야 합니다:

[ N_{\text{in}}

N_{\text{biomass}} + N_{\text{nitrite}} + N_{\text{residual}} + N_{\text{other outputs}} ]

화학양론적 계산은 바이오매스 성분을 추정하며, 유입수 및 유출수 분석은 전체 질소 물질수지가 합리적인지 확인합니다.

탄소 및 산소 요구량 포함

이 반응은 또한 암모늄 산화와 세포 합성에 이산화탄소와 산소가 필요함을 보여줍니다. 따라서 바이오매스 추정값은 다음 항목과 비교하여 검토해야 합니다:

이용 가능한 무기 탄소
포기 용량
용존산소 측정값
관찰된 아질산염 생성량
측정된 부유 고형물

반응기에 충분한 탄소나 산소가 부족하면 이론적 바이오매스 생성량이 실제로 형성될 수 있는 양을 초과하게 됩니다.

바이오매스 보유 및 고형물 처리 반영

총 생성량과 잉여 슬러지는 동일하지 않음

화학양론적 결과는 새로 생성된 총 바이오매스량을 나타냅니다. 파일럿 플랜트에서 잉여 슬러지로 배출되는 양은 고형물 체류, 침전, 재순환, 시료 채취 및 내생적 감쇠에 따라 달라집니다.

단순화된 순 고형물 물질수지는 다음과 같습니다:

[ P_{\text{net solids}}

P_{\text{gross biomass}}

P_{\text{decay}} ]

고형물 배출 속도를 계산할 때는 반응기에 보유된 바이오매스 또는 재순환 흐름을 통해 되돌아오는 바이오매스도 포함해야 합니다.

후단 호기성 소화 고려

호기성 슬러지 소화는 별도의 후단 공정입니다. 외부 공급 없이 추가 포기를 제공하므로 미생물이 내생 호흡 단계로 들어가 자신의 세포 물질 일부를 소비하게 됩니다.

보충 자료에 따르면 호기성 소화는 약 15~25일의 세포 및 수리학적 체류 시간에서 약 50%의 총 부유 고형물 감소를 유발할 수 있습니다. 이 감소율은 암모늄 제거 반응기에서 생성된 바이오매스를 추정한 후 적용해야 하며, 초기 화학양론적 바이오매스 수율과 혼동해서는 안 됩니다.

상충 관계 이해

이론적 수율은 관찰된 고형물보다 클 수 있음

화학양론적 수율은 반응이 제시된 형태로 진행되고 필요한 반응물이 이용 가능하다고 가정합니다. 실제 측정 고형물은 내생 호흡, 세포 용해, 유지 에너지, 불완전한 포집 및 유출수와 함께 배출되는 고형물 때문에 더 적을 수 있습니다.

분석 기준의 일관성 유지

빈번한 오류 중 하나는 동일한 계산에서 NH4+와 NH4-N 농도를 혼용하는 것입니다. 실험실 결과가 전체 암모늄 이온의 질량을 보고하는지, 아니면 해당 이온에 포함된 질소의 질량만 보고하는지 항상 확인해야 합니다.

이 반응은 특정 생물학적 경로를 나타냄

제시된 식은 바이오매스 형성 및 아질산염 생성을 수반하는 암모늄 산화를 설명합니다. 특히 다른 미생물, 전자수용체, 탄소원 또는 반응이 지배적인 경우를 포함하여 모든 질소 제거 경로에 자동으로 적용해서는 안 됩니다.

바이오매스 조성은 근사값임

C5H7O2N은 세포 조직을 경험적으로 나타낸 것입니다. 설계 계산과 물질수지 교육에 유용하지만, 실제 미생물 군집은 조성이 다양하며 저장 고분자, 무기 물질 및 부착 고형물을 포함할 수 있습니다.

목적에 맞는 선택

파일럿 플랜트의 목적에 필요한 세부 수준으로 계산을 사용하십시오:

주요 관심사가 이론적 바이오매스 생성량인 경우: 소비된 암모늄 부하량을 계산하고 0.114 g 바이오매스/g NH4+ 또는 0.147 g 바이오매스/g NH4-N을 곱합니다.
주요 관심사가 반응기 설계인 경우: 바이오매스 추정값을 산소 요구량, 탄소 이용 가능량, 수리학적 부하량 및 고형물 체류 요구사항과 함께 검토합니다.
주요 관심사가 측정된 슬러지 배출량인 경우: 총 바이오매스 생성량을 감쇠, 보유, 재순환, 유출수 고형물 및 후단 호기성 소화를 반영하여 조정합니다.
주요 관심사가 파일럿 플랜트 검증인 경우: 계산된 바이오매스 및 질소 생성물을 측정된 부유 고형물, 암모늄, 아질산염, 산소 및 탄소 데이터와 비교합니다.

일관된 단위와 완전한 고형물 및 질소 물질수지를 사용하면 암모늄 전환을 통해 환경 단위 조작 파일럿 플랜트에서 바이오매스 생성량을 신뢰성 있게 추정할 수 있습니다.

요약 표:

주요 항목	계산 또는 지침
유입 암모늄 부하량	`Q x C_in`
소비된 암모늄	`Q x (C_in - C_out)` 또는 유입 부하량 x 제거율
`NH4+`로부터의 수율	`소비된 NH4+ 1 g당 바이오매스 0.114 g`
`NH4-N`으로부터의 수율	`소비된 NH4-N 1 g당 바이오매스 0.147 g`
파일럿 예제	`80 g NH4-N/d x 0.147 = 11.8 g 바이오매스/d`
총 바이오매스와 순 바이오매스	감쇠, 보유, 재순환, 유출수 고형물 및 슬러지 배출을 반영하여 조정
검증 데이터	바이오매스 추정값을 암모늄, 아질산염, 산소, 탄소 및 부유 고형물 측정값과 비교

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