KR100558628B1 - 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취 제거 장치 및 방법 - Google Patents
중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취 제거 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 미생물을 이용하여 휘발성유기화합물(VOC) 및 악취를 제거하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 VOC 및 악취 제거 장치는, 중공사막을 생물반응조에 침적시켜 산기관(diffuser)의 역할을 병행시킴으로써, 소수성 중공사막 모듈로 유입된 VOC 및 악취 함유 기체가 모두 중공사막의 공극을 통해 빠져나가면서 상기 중공사막 표면에 부착 성장하는 미생물에 의해 1차적으로 분해 및 제거되고, 상기 중공사막 모듈을 통과한 VOC 및 악취함유 기체가 생물반응조 내부 미생물 배양액으로 산기되면서, 생물반응조 내부의 미생물 배양액에서 부유 성장하는 미생물에 의해 다시 2차적으로 분해 및 제거되므로, 처리효율이 매우 뛰어나다. 따라서, 본 발명에 의한 VOC 및 악취 제거 장치 및 방법은, 높은 농도부하 및 유량부하 적용 그리고 유량부하 변동시에도 안정적이고, 기존의 생물여과 공법 보다 높은 처리 효율을 얻을 수 있는 친환경적인 기술이다.
휘발성유기화합물, 악취, 소수성, 중공사막, 산기장치, 투과, 생물반응조
Description
도 1은 본 발명에 의한 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 휘발성유기화합물(VOC) 및 악취 제거 장치 및 방법의 처리 공정을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 생물반응조 내에 중공사막 산기장치 및 오염된 기체의 유입, 처리 및 배출 경로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 참조예 1에서 기체유입부, 기체유출부의 기상 톨루엔 농도 및 반응조 내부의 액상 톨루엔 농도의 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 3의 톨루엔 제거효율을 분석한 결과도이다.
도 5은 본 발명의 실시예 1 내지 3에 의해 측정된 분해능 곡선을 나타낸 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 생물반응조 2: 기체유입부
3: 소수성 중공사막 산기장치 4: 밸브 및 압력조절장치
5: 기체유출부 6: 액상 순환 펌프
본 발명은 중공사막을 생물반응조에 침적시켜 산기관(diffuser)의 역할을 병행시킴으로써, 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds: VOC) 및 악취의 처리능력과 안정성을 극대화시킨, VOC 및 악취 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.
VOC는 증기압이 높아 쉽게 증발되고, 대기 중에 존재할 때 태양빛에 의해 질소산화물(NOx)과 광화학적 산화반응을 일으켜 지표면의 오존농도를 증가시켜 스모그현상을 일으키는 유기 화합물질을 총칭하는 것이다. 내연 기관에서 배출되는 NOx, SOx와 함께 대표적인 대기 환경오염의 주요인인 VOC는 지구온난화, 성층권의 오존층 파괴, 대기 중 악취 유발, 식물에 대한 악영향 등의 이유로 최근 그 처리문제가 중요시되고 있다.
VOC를 처리하기 위하여 기존에는 흡수, 흡착, 열소각, 응축 등의 공법 등이 사용되었다. 최근에는 이러한 공법 이외에도 생물학적 처리공법, 촉매산화공법, 광촉매산화공법 등의 고도처리 방법들이 사용되고 있는데, 유해 부산물의 생성 가능성 여부, 2차 처리 공정의 필요성 여부 및 경제적 타당성 등의 이유로 인하여 여러 공법들 중 미생물을 이용한 친환경적인 공법인 생물학적 처리공법에 관한 연구 및 적용이 활발하게 진행되고 있다.
대표적인 생물학적 처리공법으로는 바이오트릭클링 필터(biotrickling filters), 바이오스크러버(bioscrubbers) 등의 생물여과공법(biofiltration)이 있는데, 이들 공법은 반응조 내부에 천연 혹은 합성 소재를 담체로 충전하여 미생물이 그 여재에 부착성장하는 조건에서 유입되는 VOC를 처리하는 시스템이다. 생물여과공법으로 대표되는 이러한 생물학적처리공법은 경제적이며, 유해부산물의 생성이 적고, 2차 처리 공정이 불필요하다는 장점을 가지고 있지만, 높은 부하량 적용의 한계, 미생물의 과다성장으로 인한 막힘 현상(clogging), 변동 유량에 대한 불안정성 등으로 인하여 실제 산업현장에 장기간 적용하기에는 아직 무리가 있는 것으로 판단된다.
최근 이러한 생물여과공법의 단점을 극복하기 위하여 멤브레인, 특히 중공사막을 이용한 생물반응조(hollow fiber membrane bioreactor)의 적용 가능성이 대두되고 있다. 중공사막을 이용한 생물반응조(membrane bioreactor)는 폐수처리용으로 연구 및 적용되고 있으며 다수의 특허가 출원되어 있으나, TCE, 톨루엔, 부탄올, 프로펜 등의 VOC 및 악취 등의 대기오염 물질 처리 장치에의 적용 사례는 아직 미비한 실정이다.
참고로, 한국 특허 제10-446070호는 중공사막 결합형 생물반응조를 개시하고 있으나, 상기 반응조의 경우 유입된 오염 공기의 대부분이 중공사막의 중공을 그대로 통과하여 중공사막에 직접 연결된 기체유출부를 통해 배출되어 버리고, 유입된 공기에 함유된 오염물질 중 일부만이 중공사막의 공극을 통하여 반응조 내부로 확 산될 뿐이어서, 고농도 오염공기에 대한 VOC 및 악취제거 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중공사막을 생물반응조에 침적시키고, 유입된 오염 공기가 중공사막의 공극을 통하여 모두 반응조의 내부로 투과되게 하여, 중공사막 표면에 부착 성장하는 미생물과 반응조 내부의 액상에 부유 성장하는 미생물에 의하여 VOC 분해를 행함으로써, 높은 부하 적용의 한계라는 종래 생물여과 처리공법의 단점을 극복할 수 있는, 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 생물반응조에서 중공사막을 산기관 형태로 운전함으로써, 생물반응조의 장점을 극대화할 수 있는, 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 장치는, VOC 및 악취 제거를 위한 장치로서, 소수성 중공사막 모듈 내부로 유입된 VOC 및 악취 함유 기체가 중공사막의 공극을 통하여 생물반응조내로 모두 투과되고, 투과된 VOC 및 악취 함유 기체가 생물반응 조의 하부에서 상부로 산기되도록 소수성 중공사막 산기장치가 미생물 배양액이 담긴 생물반응조에 설치된 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조; VOC 및 악취 함유 기체를 생물반응조에 설치된 소수성 중공사막 산기장치로 유입시키도록 중공사막 산기장치와 연결되어 상기 생물반응조에 설치된 기체유입부; 및 상기 생물반응조 내부의 미생물 배양액으로 산기되어 미생물에 의해 처리된 기체를 배출시키도록 상기 반응조 상단에 구비된 기체배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 장치에 있어서, 상기 장치는 생물반응조 내부 미생물 배양액으로 산기된 VOC 및 악취 함유 기체가 상기 미생물 배양액과 원활히 섞이도록 유도하는 액상 순환 펌프를 생물반응조의 외부에 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 장치에 있어서, 상기 장치는 중공사막 산기장치의 중공의 압력이 과도하게 상승할 경우, 이를 배출할 수 있도록 하는 밸브 및 압력조절장치를 중공사막 산기장치 말단에 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 방법은, VOC 및 악취 제거를 위한 방법으로서,VOC 및 악취 함유 기체를 생물반응조 하부의 기체유입부를 통해 생물반응조에 설치된 소수성 중공사막 산기장치로 유입시키는 단계(a); 상기 단계(a)에서 유입된 VOC 및 악취 함유 기체가 상기 중공사막의 공극을 통해 빠져나가면서 소수성 중공사막 표면에 부착 성장하는 미생물에 의해 1차적으로 분해 및 제거되는 단계(b); 상기 단계(b)에서 1차적으로 VOC 및 악취가 분해 및 제거된 기체가 생물반응조 내부 미생물 배양액으로 산기되어 상기 반응조 내부의 미생물 배양액에서 부유 성장하는 미생물에 의해 2차적으로 분해 및 제거되는 단계(c); 및 상기 단계(c)에서 VOC 및 악취가 2차적으로 분해 및 제거된 기체가 생물반응조 상단에 구비된 기체배출구로 배출되는 단계(d)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 방법에 있어서, 상기 단계(c)에서 생물반응조 내부 미생물 배양액으로 산기된 VOC 및 악취 함유 기체가 상기 미생물 배양액과 원활히 섞이도록 액상 순환 펌프에 의해 순환시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 방법에 있어서, 상기 단계(b)에서 중공사막 산기장치의 중공의 압력이 과도하게 증가하는 경우 중공사막 산기장치의 말단에 설치된 밸브 및 압력조절장치를 이용하여 증가된 압력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 소수성 중공사막을 VOC 및 산소 등의 물질 전달 매개체로 사용하는데, 여기서 중공사막은 매우 넓은 표면적을 가지고 있어 물질 전달에 유리하며, 생물막의 형태로 미생물이 서식할 수 있는 환경을 제공해준다. 또한, 내부 미생물의 양적/질적 조절이 가능하여 고농도의 VOC 처리시에도 막힘 현상(clogging) 억제 및 미생물의 활성도 유지 등이 가능하다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 장치 및 방법의 처리 공정을 나타낸 도면이다. 도 1의 중공사막 산기장치(3)는, 생물반응조의 바닥면에 대하여 수직 또는 수평 또는 휘어진 형태로 배치될 수 있다. 도 2는 본 발명의 생물반응조 내에서의 중공사막 산기장치의 배치 형태 및 오염된 기체의 유입, 처리 및 배출 경로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 장치를 이용하여 공기 중의 VOC 및 악취를 제거하기 위하여, 먼저 VOC 및 악취 함유 기체를 생물반응조(1) 하부의 기체유입부(2)를 통해 소수성 중공사막 산기장치(3)로 유입시키면, 상기 유입된 VOC 및 악취 함유 기체는 소수성 중공사막 산기장치(3)의 공극을 통과하여 반응조 내부로 모두 투과되게 된다. 이때, VOC 및 악취 함유 기체는 먼저 소수성 중공사막 표면에 부착 성장하는 미생물에 의해 1차적으로 분해 및 제거되고, 상기 VOC 및 악취가 1차적으로 분해 및 제거된 기체는 다시 생물반응조(1) 내부 미생물 배양액의 상부로 산기되면서 반응조 내부의 미생물 배양액에서 부유 성장하는 미생물에 의해 2차적으로 분해 및 제거되게 된다. 상기 VOC 및 악취가 2차적으로 분해 및 제거된 기체는 생물반응조(1) 상단에 구비된 기체유출부(5)로 배출됨으로써, VOC 및 악취가 제거된 공기를 수득할 수 있다. 이 때, 기체유출부(5)는 송풍기 또는 환기통을 통하여 처리된 기체를 방출시킬 수 있으며, 필요에 따라 여러 개의 배출밸브를 구비할 수 있다.
본 발명의 장치는 액상 순환 펌프(6)를 이용하여 소수성 중공사막 산기장치(3)로부터 생물반응조 내부 미생물 배양액으로 산기된 VOC 및 악취 함유 기체가 미생물 배양액과 원활히 섞이도록 유도한다.
본 발명의 장치 및 방법에서 사용하는 소수성 중공사막의 공극 크기는 기본적으로 상용화되어 있는 MF(microfiltration) 막 또는 UF(ultrafiltration) 막의 범위 내에서 사용할 수 있다. 또한 상기 소수성 중공사막 모듈은 필요에 따라 그 수를 증가시킬 수 있다. 또한, 생물반응조의 기체유입부 역시 필요에 따라 그 수를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 반응조 내부의 영양염류는 내부 미생물의 양적/질적 조절 및 대사 부산물의 축적으로 인한 악영향을 막기 위하여 일정한 주기로 일정량을 교체할 수 있으며, 필요한 경우 새로운 미생물 배양액을 첨가할 수 있다. 생물반응조 내부 미생물 배양액의 교체는 미생물의 농도 등 활성도를 측정하여 적절하게 조정한다.
본 발명의 장치를 장기간 운전하면 바이오파울링 현상(biofouling, 유기체나 기타 물질들이 중공사막에 달라붙어서 엉키는 것)에 의해 중공사막 공중의 압력이 과도하게 상승하는 현상이 나타나며, 중공사막 산기장치(3)에 연결된 밸브 및 압력조절 장치(4)를 이용하여 증가된 압력을 적정수준 이하로 낮추어 준다.
또한, 본 발명에서 영양염류 교체 이후 중공사막 중공의 압력이 어느 정도 감소하는데 이는 영양염류 교체시 중공사막 표면의 미생물이 떨어져나가 발생되는 현상이다. 이를 통하여 정기적으로 중공사막 표면의 미생물을 제거하면 압력 손실 문제를 해결할 수 있는 것으로 확인되었다. 또한, 바이오파울링 현상을 감소시키기 위하여 NaOCl 등의 산화제를 주기적으로 적용하여 부착된 미생물을 인위적으로 탈리시키는 방법도 적용 가능하다.
이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.
참조예 및 실시예
본 참조예에서는 미생물이 없는 조건에서 VOC의 물질전달을 알아보기 위한 미생물부존재하의 실험(abiotic test)을 수행하였다. 또한, 본 실시예에서는 다양한 VOC 유입부하 조건에서의 처리효율 및 분해능 실험을 통하여 기존 공법에 대한 비교 검토 및 대체 공법으로의 가능성 여부를 확인하였다. 실험을 위한 대표 VOC로는 최근 도료 용제, 접착제, 잉크, 의약품 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있고, 기존 VOCs 처리공법 개발 시 대상 단일 오염물로 많이 선택되는 톨루엔을 선정하여 적용하였다.
본 참조예 및 실시예의 반응 조건은 다음과 같다.
1. 반응조 구성
실험실 규모 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조는 1단의 중공사막 모듈이 미생물 배양액이 담긴 반응조에 침지된 형태로, 전체 구성은 도 1에 나타낸 바와 같다.
시료인 일정한 농도의 톨루엔으로 오염된 공기는 반응조의 양쪽 기체유입부를 통해 중공사막 모듈로 유입되어 통과한 후, 반응조 내부 액상으로 산기된다. 유입된 톨루엔은 1차적으로는 중공사막에 부착 성장하는 미생물에 의해, 2차적으로는 반응조 내부의 액상에서 부유 성장하는 미생물에 의해 분해ㅇ제거된다. 이상의 과정에 의해 처리된 공기는 반응조 상단에 위치한 기체유출부로 배출된다. 반응조 내부 액상은 전달된 오염물의 원활한 섞임을 유도하기 위하여 액상 순환 펌프를 통하여 일정 유량 (6L/min)으로 순환시켜주었다.
2. 중공사막
사용한 중공사막은 본래 폐수처리용으로 개발 사용되는 제품을 본 실험에 적용하기 위하여 표면이 소수성 특성을 갖도록 제작하였다. 중공사막의 자세한 사양은 하기 표 1과 같다.
| 항목 | 특징 |
| 물질 | 폴리에틸렌(소수성) |
| 최소 공극 크기 | 0.4 마이크론(micron) |
| O.D/I.D/벽 두께 | 650/410/120 마이크론(micron) |
| 모듈내 섬유의 수 | 7×75 |
하기 각 실시예에서 동일한 막 조건을 유지하기 위하여 막을 세척한 후 사용하였다. 막 세척은 1차적으로 흐르는 물을 이용하여 막 표면의 이물질이나 미생물을 제거한 뒤, 2차적으로 차아염소산나트륨(NaOCl) 수용액을 이용하여 공극사이에 끼어있는 잔존 미생물을 처리하였다. 이때 공극내부로 차아염소산나트륨 용액이 유입될 수 있도록 에탄올(ethanol)을 이용하여 표면처리 단계를 거치도록 하였다.
3. 톨루엔 분해 미생물 배양 및 영양염류 조성
하기 각 실시예에 사용된 미생물은 하수처리장 반송슬러지를 채취하여 약 6개월간 톨루엔을 유일 탄소원 및 에너지원으로 밀폐된 20L 크기용기에서 배양하였다. 20L 중 10L는 미생물이 서식하는 액상으로, 10L는 산소를 공급할 수 있는 상부 공간(headsapce)으로 유지시켰다.
본 실험에서 사용한 영양염류의 조성은 리지웨이(Ridgway, H. F., Appl. & Environ. Microbial., 56, pp3565-3575, 1990)의 조성을 일부 개선한 것으로 기본적으로 반응조 내에서 톨루엔을 분해하는데 필요한 질소, 인 등의 영양분의 고갈이 일어나지 않게 하는 것을 원칙으로 하였다. 주입되는 영양염류는 KH2PO4 2.72g/L, Na2HPO4 1.42g/L, (NH4)2HPO4 1.32g/L, KNO3 3.03g/L를 주 영양염류로 하고, 미량 영양염류 용액을 1 mL/L 주입하여 조제하였다. 미량 영양염류 용액의 조성은 MgSO4·7H2O 50g/L, CaCl2·2H2O 14.7g/L, H3BO3 2.86g/L, MnSO4·H2O 1.54g/L, FeSO4·7H2O 2.5g/L, CuCl2·2H2O 0.027g/L, ZnSO4·7H2O 0.044g/L, CoCl2·6H2O 0.041g/L, Na2Mo·2H2O 0.025g/L, NiCl2·6H2O 0.02g/L이다.
4. 액상교체율
미생물에 의한 유기물 분해가 최적의 조건에서 이루어지도록 하기 위하여, 반응조 내부 용액을 매일 일정량 (3 L/day) 교체하였다. 액상교체는 충분한 영양물질을 미생물에 공급한다는 의미 이외에도 필요 이상의 미생물 성장을 제어하며, 반응조 내부에 대사 부산물이 축적되어 생길 수 있는 여러 악영향을 예방하는 측면이 있다.
<참조예 1: 물질이동 실험 (미생물부존재하의 실험)>
기상의 톨루엔이 중공사막을 통하여 액상으로 물질전달되는 속도를 측정하기 위하여 미생물이 없는 조건에서 톨루엔의 기상에서 액상으로, 액상에서 기상으로의 물질이동 실험을 수행하였다. 반응조 내부의 톨루엔 흡착으로 인한 영향을 최소화하기 위하여 실험 시작 전에 유입유량 6L/min, 유입농도 40 ppm의 톨루엔을 5~6시간 정도 미리 주입하였으며, 실험은 40⇒200ppmv, 200⇒400ppmv, 400⇒40ppmv의 세 단계에 걸쳐 진행하였다. 각 단계별 기체유입부, 기체유출부 기상 톨루엔 농도 및 반응조 내부의 액상 톨루엔 농도의 측정결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에서 보는 바와 같이, 세 단계에 걸친 유입부의 톨루엔 농도 변화로 인하여 기체유출부의 농도 및 반응조 내부의 액상 농도는 기체유입부의 농도 변화와 같은 유형으로 증가 및 감소하였다. 이러한 실제 농도 변화를 바탕으로 기상의 톨루엔이 멤브레인을 거쳐 액상으로 물질전달되는 정도를 나타내는 톨루엔의 물질전달계수(KLa) 값을 다음의 식을 이용하여 계산하였다(Metcalf and Eddy, Wastewater Engineering, 4th edition, McGraw-Hill, New York, pp. 425-428 (2003)).
(상기 식에서, dC/dt = 시간에 따른 액상 농도 변화(mg/L/s), KL= 전 액체 물질전달 계수 (m/s), a=단위 부피당 물질전달을 위한 계면 면적(1/m), Cs=기체와 평형상태에서의 액상 농도(mg/L), C=액상 농도(mg/L))
위 식을 선형화하고 실험결과에 대입하여 물질전달 계수를 계산한 결과, 톨루엔이 기상에서 액상으로 물질전달되는 상 1 및 2의 경우 0.19/min, 0.12/min 의 물질전달계수를, 액상에서 기상으로 물질전달되는 상 3의 경우 0.11/min의 물질전달계수를 얻었다. 따라서 이들을 전체 평균한 0.137/min를 대표 물질전달계수, KLa로 산정하였다.
본 발명의 물질전달계수는 기존 생물학적 반응조 VOCs 물질전달계수와 비교가능하다. 활성슬러지 반응조에 오염 공기를 미세 기포 형태로 주입하는 기존 연구에서는 톨루엔 물질전달계수가 주입된 공기유량에 따라 0.084~0.237/min으로 보고되었으며(Bielefeldt, A. R., Stensel, H. D., "Treating VOC-Contaminated Gases in Activated Sludge: Mechanistic Model to Evaluate Design and Performance", Environ. Sci. Technol., 33, 3234-3240 (1999)), 본 발명에서 추정한 물질전달계수가 여기에 해당한다.
즉, 본 발명에 의한 VOC 및 악취 제거장치는 미세기포를 사용한 산기관과 유사한 물질전달율을 나타냄을 특징으로 하며, 기체 유속 및 중공사막의 개수를 증가시킴으로써 상기 물질전달율을 더욱 증대시킬 수 있다.
<실시예 1-3: 다양한 유입부하 조건에서 미생물에 의한 VOC 제거 실험>
본 발명에 의한 장치의 다양한 VOC 유입부하 조건에서 미생물에 의한 VOC 제거능을 좀 더 알아보기 위하여, 본 실시예 1 내지 3을 수행하였다.
본 실시예 1-3에서는 6L/min의 유입유량 조건에서 유입 톨루엔 유입 부하량을 50, 100, 500g/m3/hr(톨루엔의 유입농도 각각 100, 200, 1,000 ppm)으로 하여 각각 하기 표 3의 조건으로 5일간 운전하면서, 톨루엔 분해(제거)효율을 측정하였고, 5일 이후 각 조건에서의 본 발명에 의한 장치의 처리능을 알아보기 위하여 분해능(EC, Elimination Capacity) 테스트를 수행하였다. 참고로, 각 실험 시작 전에 중공사막 세척 및 반응조 내 청소를 동일하게 수행하여 항상 같은 조건에서 실험을 시작할 수 있게 하였다.
| 샘플 번호 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 |
| 반응조 부피 (L) | 3 | ||
| 유입 톨루엔 부하량 (g/m3/hr) | 50 | 100 | 500 |
| 유입 가스 유량 (L/min) | 6 | ||
| 가스 체류 시간 (sec) | 30 | ||
| 액상 교체율 (L/day) | 0.3 | ||
| 액상 순환율 (L/min) | 6 | ||
기상의 톨루엔 유입농도 및 유출농도는 기체유입부 및 기체유출부의 샘플링 포트에서 샘플락 밸브를 추가시킨 500㎕ 해밀턴 가스 타이트 시린지(Hamilton gas tight syringe)를 이용하여 반응조의 상부 공간에서 기상으로 시료를 채취하였다. 채취된 시료는 FID 및 HP5 컬럼이 장착된 HP6890 GC에 수동 주입하여 톨루엔 농도를 측정하였다. 액상 톨루엔 농도는 0.1 ㎛ 공극의 필터로 부유물질을 제거한 후, 퍼지앤트랩(Purge & Trap, Tekmar)이 장착된 HP6890N GC에 주입하여 분석하였다.
톨루엔 분해(제거) 효율
다양한 조건에서 톨루엔 분해 효율을 측정해본 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이, 운전을 시작한 직후의 톨루엔 제거효율은 첨가된 미생물 배양액의 농도와 활성도에 따라 약 30~80% 정도로 나타났지만 운전 시작 후 2일 후에는 70% 이상의 높은 처리효율을 나타내었다. 특히, 운전 초기에는 각 반응조에서 유입부하의 차이에 따라 톨루엔 제거효율 차이를 확인할 수는 있었으나, 반응조가 안정화된 이후 실시예 1 내지 3 모두에서 톨루엔 처리효율이 70~80% 수준으로 거의 유사한 결과를 얻었다. 이는 낮은 부하 조건에서 더 높은 분해효율을 얻을 수 있을 것이라는 일반적인 예상과는 다른 결과인데, 반응조내의 미생물 농도 및 막 표면의 부착성장 미생물의 처리능력에서 이와 같은 결과가 얻어지는 원인을 찾을 수 있다.
분해능 실험(Elimination capacity test)
분해능 실험은 본 발명에 의한 장치의 각 운전조건에서 유입 톨루엔 농도를 단시간 동안 급격히 증가시킨 후 제거되는 톨루엔 양을 측정하는 것으로, 이 결과를 이용하여 동적부하변동(dynamic loading condition)에서의 본 발명에 의한 장치의 운전특성을 알아볼 수 있으며 반응조의 주요 설계인자로 이용된다. 각기 다른 유입부하 조건에서 측정된 본 발명에 의한 장치의 분해능 곡선을 도 5에 나타내었다.
도 5에서 보면, 실시예 1 및 2 조건에서 분해능 실험 결과 600 g/㎥/hr의 유입부하에서 300∼400 g/㎥/hr 수준의 분해능을 얻어냈으며, 실시예 3의 경우에는 1,100 g/㎥/hr의 유입부하량 적용시 800 g/㎥/hr 수준의 분해능 값을 얻었다. 이는 일반적인 생물여과공법에 의한 톨루엔 최대분해능 값인 50∼100 g/㎥/hr 수준보다 월등히 높은 수치라 할 수 있다.
특히 본 실시예들에서는 본 발명에 의한 장치의 최대분해능(maximum elimination capacity)을 확인하지 않았으나, 800 g/㎥/hr 이상의 톨루엔 유입부하량에서도 무난히 톨루엔 제거 반응을 수행할 수 있을 것으로 예측된다. 일반적으로 생물반응조에서 VOC 분해능 실험은 유입부하량이 증가하여도 분해능이 더 이상 증가하지 않는 상태까지 진행하여 최대분해능을 측정한다. 그러나, 본 실험에서는 도 5와 같이 약 600 g/㎥/hr 이상의 유입부하에서도 분해능이 계속 증가하고 있어 최대분해능을 확인할 수 없었다.
요컨대, 본 발명은 기존의 생물여과공법의 최대 분해능인 50~100 g/㎥/hr을 월등히 능가하는 400 g/㎥/hr 이상의 결과를 얻었으며, 높은 유입부하량 조건에서 운전되는 경우에는 800 g/㎥/hr 이상의 분해능을 나타내었다.
<비교예 1: 기존 중공사막 결합형 생물반응장치>
본 비교예 1에서는, 중공사막 모듈이 생물반응조에 단순 침적된 형태로서 대부분의 유입된 VOC 및 악취 함유 기체가 그대로 중공사막의 중공을 통하여 통과하여 중공사막에 직접 연결된 기체유출부를 통해 배출되어 버리고 일부의 오염물질만이 종공사막의 공극을 통해 생물반응조내로 확산되는 형태의 종래의 장치(한국 특허 제10-446070호)를 이용하여 상기 실시예 2와 동일한 조건하에 톨루엔의 처리효율을 관측하였다.
실험결과, 본 발명의 경우 처리효율이 80%에 달하는 반면에(실시예 2), 비교예 1의 경우 10% 미만의 처리효율을 보이는데 그쳤다. 이는 기존 방식의 경우, 대부분의 오염 기체가 중공사막 내부를 단순 통과하는 방식이어서, 기체유입부와 기체유출부의 압력차이가 올라가야만 물질전달이 가능해지기 때문이다. 이에 반하여, 본 발명의 경우, 오염 기체가 중공사막의 공극을 통해 모두 생물반응조내로 투과되기 때문에, 오염물질의 물질전달 효과가 훨씬 증가하기 때문이다.
비록 상기에서 본 발명은 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 본 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 장치 및 방법은, 중공사막 모듈 내부로 유입된 VOC 및 악취 함유 공기가 중공사막의 공극을 통하여 반응조 내부의 미생물 배양액(액상)으로 모두 투과되어 반응조의 하부에서 상부로 산기됨으로써, VOC 및 악취 함유 기체가 중공사막 표면에 부착 성장하는 미생물에 의해 1차적으로 분해 및 제거되고, 상기 중공사막을 통하여 액상으로 산기된 VOC 및 악취 함유 기체가 다시 생물반응조 내부 미생물 배양액에서 부유 성장하는 미생물에 의해 2차적으로 분해 및 제거되어 기존의 생물여과공법 보다 처리 효율이 뛰어나다.
따라서, 본 발명에 의한 VOC 및 악취 제거 장치 및 방법을 이용하면, 기존 생물여과공법에서는 수행하기 어려운 반응조 내부 미생물의 양적, 질적 제어 및 축적되는 대사 부산물의 주기적 배출 등이 가능하여 높은 농도부하 및 높은 부하량 적용시에도 안정적인 처리효율을 얻어낼 수 있다.
Claims (6)
- VOC 및 악취 제거를 위한 장치로서,소수성 중공사막 모듈 내부로 유입된 VOC 및 악취 함유 기체가 중공사막의 공극을 통하여 생물반응조내로 모두 투과되고, 투과된 VOC 및 악취 함유 기체가 생물반응조의 하부에서 상부로 산기되도록 소수성 중공사막 산기장치가 미생물 배양액이 담긴 생물반응조에 설치된 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조;VOC 및 악취 함유 기체를 생물반응조에 설치된 소수성 중공사막 산기장치로 유입시키도록 중공사막 산기장치와 연결되어 상기 생물반응조에 설치된 기체유입부; 및상기 생물반응조 내부의 미생물 배양액으로 산기되어 미생물에 의해 처리된 기체를 배출시키도록 상기 반응조 상단에 구비된 기체배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 장치.
- 제1항에 있어서,상기 장치는 생물반응조 내부 미생물 배양액으로 산기된 VOC 및 악취 함유 기체가 상기 미생물 배양액과 원활히 섞이도록 유도하는 액상 순환 펌프를 생물반응조의 외부에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 장치.
- 제1항에 있어서,상기 장치는 중공사막 산기장치의 중공의 압력이 과도하게 상승할 경우, 이를 배출할 수 있도록 하는 밸브 및 압력조절장치를 중공사막 산기장치 말단에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 장치.
- VOC 및 악취 제거를 위한 방법으로서,VOC 및 악취 함유 기체를 생물반응조 하부의 기체유입부를 통해 생물반응조에 설치된 소수성 중공사막 산기장치로 유입시키는 단계(a);상기 단계(a)에서 유입된 VOC 및 악취 함유 기체가 상기 중공사막의 공극을 통해 빠져나가면서 소수성 중공사막 표면에 부착 성장하는 미생물에 의해 1차적으로 분해 및 제거되는 단계(b);상기 단계(b)에서 1차적으로 VOC 및 악취가 분해 및 제거된 기체가 생물반응조 내부 미생물 배양액으로 산기되어 상기 반응조 내부의 미생물 배양액에서 부유 성장하는 미생물에 의해 2차적으로 분해 및 제거되는 단계(c); 및상기 단계(c)에서 VOC 및 악취가 2차적으로 분해 및 제거된 기체가 생물반응조 상단에 구비된 기체배출구로 배출되는 단계(d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 방법.
- 제4항에 있어서,상기 단계(c)에서 생물반응조 내부 미생물 배양액으로 산기된 VOC 및 악취 함유 기체가 상기 미생물 배양액과 원활히 섞이도록 액상 순환 펌프에 의해 순환시키는 것을 특징으로 하는 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 방법.
- 제4항에 있어서,상기 단계(b)에서 중공사막 산기장치의 중공의 압력이 과도하게 증가하는 경우 중공사막 산기장치의 말단에 설치된 밸브 및 압력조절장치를 이용하여 증가된 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 중공사막 산기장치 결합형 생물반응조를 이용한 VOC 및 악취 제거 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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