KR100375163B1 - 왕겨와 볏짚을 사용한 생물학적 탈취 방법 및 그의장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕겨 또는 볏짚을 미생물 부착 담체 및 유기탄소원으로 사용하는 악취 물질의 생물학적 탈취 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 왕겨를 생물학적 산화 과정의 담체로는 왕겨를, 환원 과정의 담체로는 볏짚을 사용하여, 생물학적 탈취 과정의 저해 요소인 pH 저하를 방지하고, 살수 용수를 계속적으로 재활용하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 악취 물질을 물에 용해시킨 후, 이를 미생물 담체에 살수시켜 제거하는 생물학적 탈취 및 계속적인 살수에 의한 물리적 탈취를 동시에 실시함으로써 탈취율을 높이고, 생물학적 산화에 의해 저하된 살수용수의 pH 저하를 생물학적 환원 과정의 첨가로 방지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 세정수의 저하된 pH를 회복시킴으로써 미생물의 사멸을 방지하고, 세정액을 계속적으로 재활용할 수 있으므로, 보다 안정적이며 장기적으로 악취 물질을 제거하는데 효과적이다.

Description

왕겨와 볏짚을 사용한 생물학적 탈취 방법 및 그의 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR THE BIOLOGICAL DEORDORIZATION USING CHAFF AND RICE STRAW}

본 발명은 왕겨와 볏짚을 사용한 생물학적 탈취 방법 및 그의 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 미생물의 부착 표면 제공 및 미생물의 신진대사에 필요한 유기탄소원 제공의 두가지 기능을 겸하는 미생물 담체로서 왕겨 및 볏짚을 이용하고, 생물학적 탈취 과정의 저해 요소인 pH 저하를 방지하고, 살수 용수를 계속적으로 재활용하기 위해, 생물학적 산화 과정과 환원 과정을 별도로 실시하여서 되는 왕겨와 볏짚을 사용한 생물학적 탈취 방법 및 그의 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 하수처리장, 분뇨처리장, 매립장 등의 혐오시설 중의 악취의 성분은 암모니아 가스(NH₃)가 90% 이상으로 가장 많고, 그 다음이 황화수소 가스(H₂S)이며, 미량의 휘발성 유기물질 등으로 구성되어 있다.

상기 악취의 제거와 관련된 대표적인 물리적 처리 기술은 흡수법(Wet Scrubber)이다. 흡수법은 흡수탑 하부에 악취가스를 유입시키고, 상부에서는 물을 살수하여, 기액간의 향류 접촉으로 악취가스 대부분을 물에 용해시켜 제거하고 깨끗한 공기만를 상부로 배출시키는 방법이다. 여기서, 악취가스가 용해된 세정액은 주로 암모늄이온(NH₄ ⁺)과 황화수소이온(SH^-)으로 구성되며, 이들이 용해도 이상으로 운전되면 세정액은 폐액으로 버려지게 되므로 재처리 과정이 요구된다.

악취 가스의 생물학적 처리 기술은 한국특허 제 138,050호(폐가스의 생물학적 탈취 방법 및 장치)에 기재되어 있다. 이는 악취 가스를 미생물이 서식하고 있는 나무조각 또는 나무껍질조각 담체에 통과시켜 생물학적으로 제거하는 방법으로, 생물학적 제거율을 높이기 위해서는 습도, 온도, 수소이온 농도, 자양 성분 등을적절히 조절해 주어야한다. 또한, 담체에 미생물이 계속적으로 서식하기 위해서는 미생물의 신진 대사에 필수적인, 분해하기 쉬운 저분자 유기성분이 많아야 하나, 나무조각 등은 미생물이 분해하기 어려운 리그닌 등의 고분자 성분이 많아, 미생물의 종다양성 및 수의 확보가 어렵게 된다. 이는 또한, 미생물의 보습 유지를 위한 간헐적인 수분 살포만이 이루어지므로 기체-고체 반응인 폐가스와 담체와의 접촉 효율이 떨어져 폐가스 제거율이 매우 낮아지게 된다.

악취의 주성분인 암모니아 가스, 황화수소 가스 및 휘발성 유기 성분은 미생물에 의해 산화될 때, 각각, 질산성 질소(NO₃ ^-), 황산이온(SO4^-2),및 탄산이온(HCO₃ ^-) 등의 산성염으로 산화된다. 이때, 암모니아를 질산성 질소로, 황화수소 가스를 황산이온으로 산화시키는 자가영양미생물(Autotrophic bacteria)의 에너지원으로서 이산화탄소가 사용된다. 생성된 산성염 중, 황산이온은 농도가 낮아 미생물 서식환경의 pH에 큰 영향을 미치지 않으나, 질산성 질소는 농도가 매우 높아 pH 저하를 야기시키므로, 이에 따른 미생물의 사멸이 있을 수 있다. 따라서, 악취 세정액을 별도의 장소에서 재처리해야 하는 문제점이 발생된다.

따라서, 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 새로운 발명이 요구된다.

본 발명에서는 미생물 부착 및 동시에 미생물의 신진대사에 필요한 탄소원을 제공할 수 있는 새로운 담체 물질을 제공하고자 한다.

또한, 기존의 생물학적 탈취 과정에 생물학적 환원과정을 첨가시켜 세정수의저하된 pH를 회복시킴으로써 미생물의 사멸을 방지하고, 세정액을 계속적으로 재활용할 수 있는, 보다 안정적이고 장기적인 생물학적 탈취 방법 및 장치를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

도 1은 본 발명의 생물학적 탈취 장치의 개략도이다.

도 2는 본 발명 및 비교 물질의 암모니아 제거율을 나타낸 그래프이다.

도 3는 본 발명 및 비교 물질의 유화 가스 제거율을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 ---- 악취 유입팬 2 ---- 산화수 살수 장치

3 ---- 왕겨 베드 4 ---- 처리 가스 배출구

5 ---- 살수 용수 배출 방지판 6 ---- 산화수 저류조

7 ---- 산화수 반송 펌프 8 ---- 베드 받침 철망

9 ---- 환원수 저류조 10 ---- 환원수 반송 펌프

11---- 볏짚 베드 12 ---- 환원수 살수 장치

13 ---- 질소 가스 배출구 14 ---- 산화수 이송 밸브,

15 ---- 환원수 이송 밸브 20 ---- 반응조

본 발명은 미생물 부착 담체 및 미생물 유기탄소원으로 왕겨 및 볏집을 사용하는 악취 물질의 생물학적 탈취 방법 및 그의 장치를 제공하기 위한 것으로 세정수 처리 과정 중의 생물학적 산화 과정과 환원 과정을 별도로 두어 탈취의 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수단은 다음과 같다.

본 발명의 왕겨 및 볏집을 사용하는 악취 물질의 생물학적 탈취 장치는 악취 물질을 반응조로 유입시킴과 동시에 미생물 담체에 공기를 공급하게 되는 악취 유입팬; 상기 반응조 내에서 상향하는 악취 물질과 접촉하여 이를 용해 및 흡수하기 위해 악취 세정수를 살수하는 살수장치; 상기 세정수에 흡수된 악취물질을 생물학적으로 산화시키기 위한 담체로서 미생물의 신진대사를 활발하게 하기 위한 탄소원 제공체인 왕겨 베드; 상기 세정수에 용해된 악취 물질과 생물학적으로 산화된 악취 물질을 저장하고 있는 산화수 저류조; 상기 산화수 저류조 내의 낮은 pH의 물을 생물학적으로 환원시키기 위한 환원 미생물의 담체로서 해당 환원 미생물의 신진대사를 활발하게 하기 위한 탄소원 제공체인 볏집 베드; 살수 용수로 반복 재사용되는 환원수를 저장하는 환원수 저류조; 상기 환원수 저류조의 산화수를 상기 볏짚 베드로 살수하기 위한 살수 장치; 환원수를 산화수 저류조로 이송 및 산화수를 환원수저류조로 이송하는 역류방지밸브를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 장치는 상기 왕겨 베드 상부에는 살수 용수가 배출 공기와 섞여 외부로 배출하는 것을 방지하기 위한 살수 용수 배출 방지판이 지그재그로 겹쳐지게 설치되어 있고, 상기 산화수 저류조로부터의 악취 세정제를 살수장치로 반송하기 위한 산화수 반송 펌프와 환원수 저류조로부터의 산화수를 살수장치로 반송하기 위한 환원수 반송펌프가 추가로 설치되어 있다.

또한, 상기 왕겨 베드와 볏짚 베드는 그의 이탈을 방지하기 위하여 받침 철망에 의해 고정되어 있으며, 상기 반응조의 상부에는 깨끗한 공기를 배출하기 위한 배출구와 질소 가스를 배출하기 위한 질소 가스 배출구가 추가로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 왕겨 및 볏집을 사용하는 악취 물질의 생물학적 탈취 방법은, 악취 물질을 포함하는 상향하는 공기에다 악취 세정액을 살수하여 악취 물질을 용해시키는 단계; 악취 물질이 용해된 세정수를 순환시키면서 미생물이 부착된 담체인 왕겨층에 반복적으로 살수하여 생물학적 산화 과정에 의해 악취 물질을 제거하는 단계; 및 상기 악취 물질이 제거된 산화수를 미생물이 부착된 담체인 볏짚층에 반복적으로 살수하여 생물학적 환원 과정에 의해 산화수 세정액의 pH를 조정하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 상기 미생물 담체는 미생물 부착 뿐만 아니라 미생물의 탄소원으로서의 역할을 수행하며, 상기 왕겨를 이용한 생물학적 산화 과정과 볏짚을 이용한 생물학적 환원 과정은 그 실시 구역을 두 부분으로 나누어서 실시함을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 첨부 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부 도면 중 도 1은 본 발명에 따른 생물학적 탈취 장치의 개략도를 나타낸 것으로, 도 1에 의하면, 공기 중의 악취 물질의 반응조로의 유입과 미생물 담체에 대해 공기를 공급하는 기능을 하는 악취 유입팬(1)에 의해 공기중의 악취 물질이 반응조(20)로 유입되면, 산화수 살수장치(2)에서 살수되는 물(악취 세정액)과 악취 물질은 상향류로 접촉하게 된다. 이 때, 악취 물질인 암모니아 가스, 황화수소 가스 등은 물에 용해되어, 암모늄이온(NH₄ ⁺), 황화수소이온(SH^-)으로 해리하게 되고, 기타 휘발성 유기물은 물에 용해되거나 왕겨 베드(3)에 부착되어 깨끗한 공기만이 상부의 처리 가스 배출구(4)로 배출된다. 왕겨 베드층 상부에는 살수 용수가 배출 공기와 섞여 외부로 유출되지 않도록 살수용수 배출 방지판(5)이 지그재그로 겹치도록 설치되어 있다.

악취 물질이 용해되어 있는 산화수 저류조(6)의 악취 세정액을 산화수 반송 펌프(7)로 왕겨 베드(3)에 분사시키면, 왕겨 베드(3)의 왕겨 표면에 부착된 미생물에 의해 암모늄이온이 질산성 질소로, 황화수소이온이 황산염으로 산화되고, 왕겨의 구성 물질인 유기탄소 성분은 이산화탄소로 산화되어 수중에서 중탄산이온(HCO₃ ^-)으로 존재하게 된다. 수중의 중탄산이온은 암모늄이온을 질산성 질소로 산화시키는 자가영양박테리아(autotrophic bacteria)인 니트로소모나스 (nitrosomonas)나니트로박터(nitrobacter)의 신진대사에 필요한 에너지원으로 사용된다. 왕겨 베드층(3) 상하부에는 왕겨가 빠져나가지 않도록 베드 받침 철망(8)이 설치되어 있다.

상기와 같은 방법에 의해, 산화수 저류조(6)의 물이 악취 세정액으로서 산화수 반송 펌프(7)에 의해 반복적으로 살수되어 왕겨 베드층(3)을 통과할수록 반응의 진척도가 빨라지게 되므로, 산화수 저류조(6) 물 중의 암모아성 질소 농도는 감소되고, 질산성 질소 농도는 증가하게 된다.

상기 악취 물질의 산화 과정으로 생성된 산성염에 의해, 산화수 저류조(6)의 pH는 감소하게 되는데, 이 중, 황산염은 농도가 낮기 때문에 큰 요인으로 작용하지 않으나, 질산성 질소는 주요 요인이 된다. 이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 문제가 되는 질산성 질소를 생물학적으로 환원시켜 질소 가스로서 배출한다. 과정은 다음과 같다.

산화수 저류조(6)의 세정액을 환원수 저류조(9)로 이송시킨다. 이를 환원수 반송 펌프(10)을 통해 환원수 살수장치(12)로 반송하여, 산화수를 볏짚 베드(11)에 살수시키면 질산성 질소는 부착된 미생물에 의해 질소가스로 환원된 후, 질소 가스 배출구(13)로 배출된다. 이 탈질 과정에서 수산기(NO₃ ^-+ 유기탄소→N₂+ OH^-)가 발생되므로, 환원수 이송밸브(15)를 통해 환원수가 산화수 저류조로 재이송이 되면, 산화수의 pH는 다시 중성으로 회복된다. 산화수의 환원수 저류조(9)로의 이송, 환원수의 산화수 저류조(6)로의 이송은 역류 방지 밸브에 의하며, 각 밸브의 작동은 산화수의 수위가 높아지면 수압에 의해 산화수 이송밸브(14)가 열리고, 환원수의수위가 높아지면 환원수 이송밸브(15)가 열린다.

한편, 본 발명의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 산화조의 미생물은 용존산소가 풍부한, 호기성 조건에서 성장하며, 그의 신진대사를 위한 탄소원은 이산화탄소와 같은 무기탄소를 이용하는 자가영양박테리이나, 질산성 질소를 질소 가스로 환원시키는 미생물의 서식 환경은 용존산소가 필요없는 무산소 조건이어야 하고, 그의 신진대사를 위한 탄소원은 유기탄소를 직접 이용하는 슈도모나스(pseudomonas), 아크로모박터(achromobacter) 등과 같은 종속영양박테리아(heterotrophic bacteria)이다.

따라서, 탈취의 산화 과정 및 환원 과정에 관련된 미생물의 종 및 서식 환경은 전혀 다르게 되므로, 악취물질의 제거를 위한 산화과정과 환원 과정은 반드시 분리시켜야 하고, 미생물 부착을 위한 담체 소재 선정에 있어서도 환원 과정에서는 미생물이 분해하기에 더 용이한 담체를 사용해야 한다. 이에 의해, 본 발명에서는 환원 과정의 미생물 담체로서 볏짚을 선택한 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

본 발명에 의한 실시예는 다음과 같이 실시했으며, 그 결과는 표 1에 나타냈다.

실시조건은 다음과 같다.

본 발명의 왕겨는 벼 도정시 발생되는 규격 그대로, 볏집은 1 cm 길이로 균일하게 잘라서 사용하였으며, 살수액은 담체를 통과한 후 저류되는 산화수 저류조및 환원수 저류조의 저류액을 펌핑하여 반복 사용하였다. 각 담체의 충진 용적은 1 m³로 균일하게 하고, 통기선 속도는 약 0.5 cm/sec로 하였다.

실시 방법은 다음과 같다.

본 발명의 왕겨 및 볏집 담체 각각을 1 ℓ 증류수가 담긴 비이커에 건조 중량으로 약 10 g을 동일하게 넣고 24시간 용출시켰다. 그 다음, 수용액을 여과하여 여액의 유기물 농도를 알아보는 COD 농도 및 미생물의 분해능을 알아보는 BOD 농도를 측정하였다.

비교예 1

한국특허 제 138050호의 기재 실험을 비교예로서 실시했으며, 그 결과는 표 1에 나타냈다.

실시 조건은 다음과 같다.

나무 조각의 담체는 굵기 1 cm의 나뭇가지를 길이 1 cm로 균일하게 잘라서 사용하였으며, 간헐적인 살수로 약 90% 이상의 습도를 유지했다. 각 담체의 충진 용적은 1 m³로 균일하게 하고, 통기선 속도는 약 0.5 cm/sec로 하였다.

실시 방법은 다음과 같다.

나뭇조각을 1 ℓ 증류수가 담긴 비이커에 건조 중량으로 약 10 g을 동일하게 넣고 24시간 용출시켰다. 그 다음, 수용액을 여과하여 여액의 유기물 농도를 알아보는 COD 농도 및 미생물의 분해능을 알아보는 BOD 농도를 측정하였다.

표 1. 담체의 유기물 용출 농도 및 생물 분해 가능성 비교

담체	COD(mg/ℓ)1	BOD(mg/ℓ)2
실시예 1(왕겨)	1,200	680
실시예 1(볏짚)	2,500	680
비교예 1(나무조각)	5	2

COD¹: 화학적 산소요구량 (수치가 높을수록 담체로 부터 용출되는 유기물의 농도가

높음)

BOD²: 생물학적 산소요구량 (수치가 높을수록 생물분해가 용이함)

상기 표 1로 부터, 나무조각 용출액(비교예 1)은 매우 낮은 COD 수치를 보이는 반면, 왕겨와 볏짚(실시예 1)은 매우 높은 COD 수치를 보였다. 또한, 미생물 분해 가능성을 알아본 BOD 실험에서도 왕겨 및 볏짚(실시예 1)은 나무조각에 비해 매우 높은 수치를 보였다. 이로써, 왕겨와 볏짚이 미생물 담체뿐만 아니라 유기탄소원 제공체로서도 매우 적절함을 알 수 있었다.

실시예 2

왕겨 및 볏집을 담체로 하여, 암모니아가스 및 유화가스를 90일간 탈취시켰다. 결과는 도 2 및 도 3에 나타냈다.

비교예 2

실시예 2와 동일하게 실시하되, 예외로 나뭇가지를 담체로 이용하였다. 결과는 도 2 및 도 3에 나타냈다.

도 2 및 도 3의 결과로 부터, 나뭇가지를 담체로 하여 수행한 경우, 정상적인 처리가 실시되기 위해선 약 20일 정도의 시간이 소요되었으며, 또한 안정화 후 어느 정도 시간이 지나면 처리 효율이 떨어지는 것을 알 수 있었다. 반면, 본 발명의 경우는 안정화 기간이 없이도 처리 효율이 매우 높았으며, 계속적인 안정된 처리 효율을 보여줌을 알 수 있었다. 이는 나무가지 담체를 사용할 경우, 탈취가 유입 악취가스와 담체에 부착된 미생물과의 기체-고체 반응에만 의존하지만, 본 발명의 경우는 계속적인 살수에 의해 유입된 악취 가스가 세정수에 용해되어 악취가스의 기체-액체 접촉 반응이 이루어지므로 생물학적으로 처리되기 이전에 물리적으로도 처리되어 안정화 기간이 없이도 탈취가 가능하고, 또한, 담체에 미생물이 분해하기 용이한 저분자 탄소성분이 풍부하여 조기 안정화가 쉽게 이루어지기 때문이다.

그리고, 담체 표면의 pH가 낮아지는 생물학적 산화 과정만을 수행하는 비교예와는 달리, 본 발명의 경우, 생물학적 환원 과정을 동시에 실시하기 때문에 pH에 영향을 받지 않아 실험 기간 내내 안정적으로 처리될 수 있었다.

본 발명은 계속적인 살수에 의한 물리적 탈취 및 미생물 부착과 함께 탄소원 제공체 역할을 수행하는 왕겨 및 볏짚 담체를 이용한 생물학적 탈취를 동시에 실시함으로써 탈취율을 높일 수 있으며, 미생물에 의한 환원 과정의 첨가로써 pH의 저하가 방지되므로 장기적이고 안정적인 악취물질의 제거에 효과적이다.

Claims (8)

1. 악취 물질을 반응조(20)로 유입시킴과 동시에 미생물 담체에 공기를 공급하게 되는 악취 유입팬(1);

   상기 반응조 내에서 상향하는 악취 물질과 접촉하여 이를 용해 및 흡수하기 위해 악취 세정수를 살수하는 살수장치(2);

   상기 세정수에 흡수된 악취물질을 생물학적으로 산화시키기 위한 담체로서 미생물의 신진대사를 활발하게 하기 위한 탄소원 제공체인 왕겨 베드(3);

   상기 세정수에 용해된 악취 물질과 생물학적으로 산화된 악취 물질을 저장하고 있는 산화수 저류조(6);

   상기 산화수 저류조(6) 내의 낮은 pH의 물을 생물학적으로 환원시키기 위한 환원 미생물의 담체로서 해당 환원 미생물의 신진대사를 활발하게 하기 위한 탄소원 제공체인 볏집 베드(11);

   살수 용수로 반복 재사용되는 환원수를 저장하는 환원수 저류조(9);

   상기 환원수 저류조(9)의 산화수를 상기 볏짚 베드(11)로 살수하기 위한 살수 장치(12);

   환원수를 산화수 저류조로 이송 및 산화수를 환원수 저류조로 이송하는 역류방지밸브(14,15)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 왕겨와 볏짚을 사용한 생물학적 탈취 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 왕겨 베드 상부에는 살수 용수가 배출 공기와 섞여 외부로 배출하는 것을 방지하기 위한 살수 용수 배출 방지판(5)이 지그재그로 겹쳐지게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 탈취 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 산화수 저류조(6)로부터의 악취 세정제를 살수장치(2)로 반송하기 위한 산화수 반송 펌프(7)와 환원수 저류조(9)로부터의 산화수를 살수장치(12)로 반송하기 위한 환원수 반송펌프(10)가 추가로 설치되어 있는 탈취 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 왕겨 베드(3)와 볏짚 베드(11)는 이탈을 방지하기 위하여 받침 철망(8)에 의해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 탈취 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 반응조(20)의 상부에는 깨끗한 공기를 배출하기 위한 배출구(4)와 질소 가스를 배출하기 위한 질소 가스 배출구(13)가 추가로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 탈취 장치.
6. 악취 물질을 포함하는 상향하는 공기에다 악취 세정액을 살수하여 악취 물질을 용해시키는 단계;

   악취 물질이 용해된 세정수를 순환시키면서 미생물이 부착된 담체인 왕겨층에 반복적으로 살수하여 생물학적 산화 과정에 의해 악취 물질을 제거하는 단계;및 상기 악취 물질이 제거된 산화수를 미생물이 부착된 담체인 볏짚층에 반복적으로 살수하여 생물학적 환원 과정에 의해 산화수 세정액의 pH를 조정하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 왕겨와 볏짚을 사용한 생물학적 탈취 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 미생물 담체는 미생물 부착 뿐만 아니라 미생물의 탄소원으로서의 역할을 수행함을 특징으로 하는 탈취 방법.
8. 제 6항에 있어서, 상기 왕겨를 이용한 생물학적 산화 과정과 볏짚을 이용한 생물학적 환원 과정은 그 실시 구역을 두 부분으로 나누어서 실시함을 특징으로 하는 탈취 방법.