KR100431954B1

KR100431954B1 - 사료제조공정에서 발생하는 악취를 제거하기 위한바이오필터 악취제거장치

Info

Publication number: KR100431954B1
Application number: KR10-2001-0064986A
Authority: KR
Inventors: 박영구
Original assignee: 현대특수사료(주)
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2004-05-17
Also published as: KR20030034298A

Abstract

본 발명은 사료제조공정에서 발생하는 악취를 제거하기 위한 바이오필터장치에 관한 것으로, 보다 더 구체적으로는 나무껍질로 충전된 콘크리트 구조물에 사료제조 공정에서 발생하는 악취를 포집, 통과시켜 악취를 제거하는 장치에 관한 것이다.

Description

사료제조공정에서 발생하는 악취를 제거하기 위한 바이오필터 악취제거장치{A bad smell-removing bio-filtered apparatus for removing offensive odor in manufacturing process of feedstuff}

오늘날 폐기물의 처리 문제는 전 세계적으로 심각한 사회문제로 대두되고 있는것이 현실이다. 소득 수준의 향상과 지속적인 산업화로 인해 폐기물의 양과 함께 발생 종류도 점차 증가하고 있다. 그중 기체 폐기물에 속하는 악취는 혐오감과 함께 전파 속도가 빨라 유해 성분이 함유되었을 경우 건강을 급속히 해칠 수 있는 것이다. 따라서 악취제거 기술을 개발하고 , 그 제거효율을 높이는 연구는 향후 반드시 이루어져야 할 과제라 할 것이다.

유기성 악취는 황화수소, 메르캅탄류, 아민류 및 자극성 있는 기체상의 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새로서 우리 주변에 다양하게 분포되어 있으며, 주요 악취 성분 및 냄새의 특징은 표1과 같다.

악취성분의 종류와 냄새의 특징
악취성분	화학식	냄새의 특징
암모니아메틸메르캅탄황화수소황화메틸이황화메틸트리메틸아민아세트알데히드스틸렌프로피온산n-낙산n-길초산iso-길초산	NH₃CH₃SHH₂S(CH₃)₂S(CH₃)₂S₂(CH₃)₃NCH₃CHOC₆H₅CHCH₂CH₃CH₂COOHCH₃(CH₂)₂COOHCH₃(CH₂)₃COOH(CH₃)₂CHCH₂COOH	뇨냄새, 암모니아수 냄새썩은 양파 냄새썩은 계란 냄새썩은 양배추 냄새썩은 양배추 냄새썩은 생선 냄새구린내도시가스냄새신자극냄새땀썩은냄새땀썩은냄새땀썩은냄새

이 유기계 악취성분의 제거에 주로 활용되고 있는 기술은 소각법, 흡착법, 약품처리법을 들 수 있다. 소각법은 제거가 빠르나 화석연료를 사용하므로 또 다른 오염을 유발할 수 있고 최근에는 연료비의 증가로 가동에 어려움을 겪고 있다. 또한 흡착법에 의한 제거는 오염물질의 흡착제에의 부착으로 인해 시간의 경과와 함께 효율이 급속도로 감소하기 때문에 유지 보수에 많은 비용이 들어가게 된다. 또한 화학약품에 의한 처리도 일부 시행하고 있으나 사용하는 약품 대부분이 활성이 강한 물질이므로 처리로 인한 2차 오염물의 처리가 문제되고 있다.

따라서 이러한 부수적인 문제들을 해결하면서 악취 제거 효율을 높일 수 있는 것으로 근래에 가장 각광 받고 있는 기술은 생물학적 방법을 이용한 탈취기술이며, 1957년 R. D. Pomery가 황화수소를 토양탈취법으로 특허를 신청한 것을 그 최초로 볼 수 있다. 유기체의 부폐로 인하여 악취가 발생하고 그 악취물질은 또 다른 미생물에 의하여 분해, 탈취된다. 이러한 자연상태에서의 미생물에 의한 생태계 물질순환을 인공장치 속에서 실현한 것이 생물학적 탈취기술이다. 상기 생물학적 탈취기술 중 각종의 유해성 유기물질을 분해하는 분해 미생물을 이용할 경우, 최종 산물은 물과 무해한 유기계통 기체에 불과하므로 환경친화적이며 2차 오염의 염려가 없고, 장치 수명이 비교적 장기간이므로 비용 측면에서 유리하다.

또한, 장치로 구현할 경우 효율을 높이기 위해 미생물을 최대한 활성화 하여야 하며 대부분의 미생물은 호기성인바 산소가 필요하므로 지속적으로 공기를 주입하여야 한다. 또한 미생물의 생존에 필요한 충분한 영양분이 공급되어야 하며, 미생물을 소멸시킬수 있는 독성화합물이 없어야 하고 적절한 수분과 함께 pH, 온도 유지 또한 필수이다.

상기 분해미생물이나 장치를 이용하는 경우의 생물학적 탈취방법은 크게 고체상형과 액체상형으로 분류할 수 있다. 고상형에는 토양탈취법, 충전탑식탈취법, 부식질탈취법이며, 액상형은 활성오니폭기법, 스크러버법이 있다. 고체상형은 미생물을 고체의 표면 또는 공극에 부착시켜 그 미생물에 악취를 접촉시켜 탈취하는 것이다. 미생물이 부착되는 고체를 담체라고 하며, 이것을 바이오필터라고 볼수 있다. 바이오 필터에는 천연의 소재와 인공 소재가 있으며 천연소재로는 퇴비, 나무껍질, 활성탄, 제올라이트, 나뭇잎등이 있으며, 인공소재로는 세라믹, 수지가공품, 스폰지, 프라스틱 및 표면적을 늘리고 내구성을 높이기 위하여 다공질의 점토를 사용할 수 있다.

사실,생 물학적 탈취법의 기본 원리는 일반적인 바이오필름공정과 유사하다. 기본적인 분해 경로는 다음과 같다 (1) 기상에 포함된 대상 처리물질이 공극에서 담체 주위에 형성된 액상 바이오필름의 경계면을 통과한다. (2) 대상 물질이 바이오필름내에서 미생물로 확산이 일어난다. (3) 대상물질이 기질로서 미생물에 의해 산화되어 미생물의 에너지원으로 작용한다.

미생물에 의한 분해에 있어서 암모니아, 아민류의 질산계 악취성분들은 일부가 미생물의 생체구성 성분인 단백질로 되고, 일부는 질산화 박테리아에 의하여 질산으로 산화된다.

Nitrosomonas Nitrobacter

NH⁴--------------------- NO^2------------------------ NO^3-

Nitrosomonas와 Nitrobacter는 매우 호기적이며 화학적 독립영양균인데 Nitrosomonas는 에어지원으로 암모니아를 이용하고 Nitrobacter는 NO^2-를 이용한다.

질산화 박테리아는 환경조건에 매우 예민하여 절대 호기성이어서 고농도의 산소를 요구하며 Nitrobacter는 암모니움 이온의 존재하에 pH 9.5 이상이면 성장이 억제된다. 이런 조건하의 알카리 상태에서는 독성이 있는 아질산염의 축적이 일어나고 반면에 Nitrosomonas는 알카리성 상태에서는 활성이 크지만 pH 6.0이상에서는 성장이 억제된다. 질산반응의 최적온도는 30 ℃ 이고 5 ℃ 이하의 낮은 온도나 40 ℃ 이상의 높은 온도에서는 활성이 없다. 유기 질소의 존재하에서 독립 영양성 질산화 박테리아의 성장이 억제되기는 하지만 질화는 일어난다.

따라서 생물학적 탈취 장치의 관건은 미생물이 최고의 활성을 발휘하기 위해 필요한 최적의 환경 조건을 구현하는 것이고 이는 온도, pH의 유지와 산소와 수분의 원활한 공급, 부산물의 빠른 처리로 집약될 수 있다. 현재까지 주로 나온 기술들을 살펴보면 상기의 내용에서 설명한 생물학적 필터사용시, 단순 밀폐형의 장치를 주로 사용하여 계절 변화에 따른 온도 변화에 능동적으로 대처하지 못해 겨울철에는 효율이 현저히 떨어지는 양상을 보이고 있다. 또한 악취 성분이 장기간 축적된 산 성분을 처리하지 못해, pH가 지나치게 낮아져 필터상의 미생물이 괴사하는 경우가 많았다. 또한 미생물에 산소와 수분을 외부에서 개폐하여 공급하는 방식을 써서 효율적인 수분, 산소 공급이 이루어지지 못하고, 부산물들을 잘 처리하지 못하여 일정 주기로 필터 전체를 교환하는 방법을 사용하여 왔다. 또한 생물학적 필터의 단점인 저 강성으로 인해 필터층을 조금만 두껍게 하여도 필터 자체의 압축에 의하여 필터의 성능이 떨어지는 결과를 보이고 있다.

본 발명은 사료제조공정에서 발생하는 악취를 제거하기 위한 바이오필터장치에 관한 것으로, 보다 더 구체적으로는 미생물이 부착된 나무껍질로 충전된 콘크리트 구조물에 사료제조 공정에서 발생하는 악취를 포집, 통과시켜 악취를 제거하는 장치에 관한 것이다. 따라서 격리된 필터장치 구조물 내에서, 분해 필터상의 미생물이 최적의 활성을 발휘하도록 필터에 가해지는 압력, 온도, pH를 보조적 장치에 의해 조절하고 산소와 수분을 내부적으로 공급하는 장치를 제공하는 것이다.

도1 - 본 발명의 종 단면도

도2 - 본 발명의 필터 지지용 플라스틱 망 구조물의 사시도

도3 - 본 발명의 횡 단면도

이하 발명의 내용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 악취제거장치의 종단면도로써 (1)은 장치를 토양과 격리시키기 위한 콘크리트 차폐막이고, (14)는 미생물 생육을 위한 냉난방의 효율을 높이기 위한단열층이며, (12)는 장치 하단의 토양이다. (11)은 하부 토양으로의 기체 및 액체의 유입을 차단하기 위한 플라스틱막이다. (10)과 (9)는 악취 성분이 파이프로부터 장애받지 않고 쉽게 빠져나와 필터 부분까지 원활히 그리고 고르게 퍼져 나가게 하기 위해 각각 굵은 자갈과 가는 자갈로 채워져 있으며, (8)은 필터층으로서 거친나무껍질을 채우고 (6)은 덮개층으로서 나무 뿌리 혹은 나무껍질로 채운다. (4)는 필터층으로서 거친나무껍질을 채운다. (5)는 필터로 사용된 나무껍질의 하중으로 인한 자체압축을 완화시키기 위한 플라스틱망 구조물이며 도면2에 사시도가 나타나 있다. 따라서 하중을 분산하게 된다. (2)는 나무껍질에 부착되어 있는 미생물의 활동 최적온도를 유지하기 위한 온도유지 장치이다. (7)은 악취가 지나가며 필터로 유출되는 배출파이프이다. (13)은 미생물에 산소를 공급하기 위해 외기를 공급하는 파이프이다.

배출 파이프(7)의 옆면에는 유입가스가 통기되도록 매 1cm마다 1개씩 구멍이 뚫려 있다. 각 구멍은 이물질 유입으로 인한 폐쇄를 막기 위해 플라스틱 망으로 덮여 있다. (13)은 미생물에 산소를 공급하기 위한 파이프로 파이프의 옆면과 밑면에 1cm 간격으로 구멍이 뚫어져 있으며 각 구멍은 나무껍질의 유입으로 인한 폐쇄를 막기 위해 플라스틱망이 끼워져 있다. (3)은 살수장치로 필터의 장기 사용으로 인해 축적된 산성물질을 제거하기 위해 물을 필터와 자갈층 내부로 공급하며, 또한 필터 내부 미생물 생존을 위한 수분을 공급하는 장치로 사용된다. 살수 장치의 하단부에는 물이 뿜어져 나올수 있도록 지름 2mm 정도의 많은 구멍이 뚫어져 있다.

(8),(6),(4)의 필터 재료용 나무껍질의 크기는 2cm 이하 0.5cm 이상이 되도록 한다. 2cm 보다 크면 공극이 너무 커져 표면적이 줄어들어 필터링 효율이 떨어지고 0.5cm 이하가 되면 공극이 너무 줄어들어 산소공급이 원활하지 못하게 된다.

(5)는 격자형의 구조물로 간격 1mm 정도의 프라스틱 재질의 망으로 되어 있고격자의 뼈대 부위는 기체의 유출을 막기위해 최대한 가늘게 구성한다.

(2)의 온도 유지 장치는 악취제거 효율을 향상시키기 위하여 필터 내부의 온도가 20℃ 내지 40 ℃를 유지하도록 설치된다. 급격한 온방은 필터를 건조시킬 수 있고 급격한 냉방은 미생물의 활성을 잃게 할 수 있으므로 장치 설치 장소의 평균 기온을 고려하여 최적용량의 히트펌프를 사용하여 온도 변화가 점진적으로 증가 내지 감소되도록 하여야 하며, 특히 10℃이하의 온도에서는 암모니아 냄새가 발생하며 혐기성 분해가 발생된다.

살수 장치(3)의 하방 수류 속도는 2m/min ∼10m/min되도록 한다. 그 이상이 될 경우는 수압에 의해 필터 층의 나무껍질들이 엉겨 붙을 수가 있고 나무껍질 표면의 미생물들이 씻겨 나갈 수 있다. 또한 수분을 공급하는 용도로 사용할 때에는 필터 내 수분 함량이 60% 내지 70%가 되도록 한다. 60% 이상에서부터 미생물의 활성이 강하게 나타나고 70%가 넘어서면 악취가 함유된 공기를 파이프를 통해 송풍하여 유입시킬 때 강한 부하가 걸리게 된다. 따라서 수분함량을 60% 내지 70%로 유지할 필요성이 있기 때문에 표2에서 본 바와 같이 본 발명 바이오 필터를 사용하므로써 달성될 수 있다.

또한, 살수시 세척수의 원활한 배출을 위해서 전체 장치는 수평면에 대해 2^o내지 5^o의 각도로 하향 설치된다

이하 실시예로 설명한다.

실시예

본 발명에 의한 바이오필터를 아래표 2와 같이 제작하여 종전의 비교예 장치와 동일한 조건으로 비교실험한 결과 1개월후, 2개월후, 3개월후, 4개월후, 5개월후 수분함량, pH 변화, 온도 변화, 악취 정도, 세균개체수는 표3과 같다.

항목	치수
장치의 크기악취개스의 유입량파이프 직경나무껍질크기자갈크기온도필터두께플라스틱 망 상하간격	30m(L)x10m(W)x1.3m(H)600m³/min900m/m20m/m20m/m30^oC 유지100cm50cm

비교예

본 발명의 장치(장치1)에서 플라스틱망, 온도조절 장치, 수분공급장치 및 세척장치를 제거한 장치(장치2)와 장치2에서 바이오필터 대신 활성탄을 사용한 장치(장치3)을 비교실험 하였다. 각 장치에 악취물질을 600m³/min 으로 유입시킨 상태에서 1달 간격으로 필터 상부로부터 30cm 깊이 지점의 pH 와 온도, 장치 상부에서의 직접관능법에 의한 악취 정도를 측정하였다. 직접 관능법은 사람이 직접 냄새를 맡아서 냄새가 없는 무취 상태일 경우를 0, 극도의 악취가 풍기는 상태를 5로 규준하여 측정하였다. 시료의 개체수는 일정량의 필터를 수거하여 단위 부피당의 세균수를 구하였다.

본 발명의 장치와 비교예 장치의 실험결과
	장치 설치 직후	1개월후	2개월후	3개월후	4개월후	5개월후
장치1의 수분함량장치2의 수분함량장치3의 수분함량장치1의 pH장치2의 pH장치3의 pH장치1의 온도장치2의 온도장치3의 온도장치1의 악취장치2의 악취장치3의 악취장치1의 세균개체수장치2의 세균개체수장치3의 세균개체수	65%65%65%8.28.18.3302525000000	64%72%68%8.17.67.5312928000191821	65.5%58%73%8.27.47.2303227012많음많음많음	63%63%79%8.07.26.9302926011많음25많음	64%69%84%8.16.86.7302322022많음2119	66%62%83%8.06.56.5292018023많음2023

본 발명의 장치(장치1)는 바이오 필터 내부 미생물의 활성이 최대가 되도록 수분함량, pH, 온도가 지속적으로 조절되므로 표3에서 보는 바와 같이 내부 환경이 최적의 상태로 유지됨을 알수 있으나, 장치2와 장치3은 이러한 조건들이 계속 변하여 분해 미생물의 생육이 저해됨을 알 수 있다.

비교 예에서와 같이 발생하는 산성물질을 습식 제거에 의해 지속적으로 없애므로 미생물 생육 최적 조건인 pH 8 정도를 유지하고, 수분과 산소를 내장된 파이프를 통해 지속적으로 공급하며 필터를 지지하는 격자형의 프라스틱 망을 삽입하여 필터층 하부에 집중되는 과도한 하중을 없애 필터의 압축으로 인한 성능 저하를 막고 내장 온도 조절장치로 미생물의 활성이 최대로 되는 30℃의 항온 상태를 조성하며, 장치 전체의 경사로 인해 내부의 불순 물질들은 지속적으로 하방으로 제거하는 효과가 있다.

Claims

나무껍질의 크기는 0.5cm에서 2cm인 바이오 필터(4),(6),(8)와 필터 지지용 프라스틱 망사 격벽(5), 다수의 지름 2mm 구멍으로 이루어진 살수 파이프(3), 다수의 구멍으로 이루어진 산소 파이프(13), 히트펌프로 구성된 온도유지장치(2), 플라스틱 막(11), 2cm 내지 5cm인 자갈(9),(10), 측면에 1cm 간격으로 1cm 내지 5cm 구멍으로 형성된 악취유입,배출용 파이프(7), 콘크리트 지지층(1), 단열층(14)으로 이루어져 하향으로 2^o내지 5^o로 경사진 것을 특징으로 하는 악취 정화장치