KR100638325B1

KR100638325B1 - 폴리에틸렌 담체를 이용한 악취 및 ｖｏｃ 제거 바이오필터

Info

Publication number: KR100638325B1
Application number: KR1020050031593A
Authority: KR
Inventors: 김수옥
Original assignee: (주)대성그린테크
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-10-24
Also published as: KR20060109367A

Abstract

본 발명은 폴리에틸렌담체를 이용한 바이오필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 통상의 바이오필터 시스템에 본 발명에 따른 폴리에틸렌 담체를 이용하여 악취 및 휘발성유기화합물을 효율적으로 처리하는 바이오필터에 관한 것으로, 폐합성수지인 폴리에틸렌수지를 사용하여 자원재활용 측면과 수분함유율이 높아 미생물의 성장에 최적의 조건을 제공한다.

폴리에틸렌, 바이오필터, 악취, VOC, 담체

Description

폴리에틸렌 담체를 이용한 악취 및 ＶＯＣ 제거 바이오필터{Biofilter for offensive odor and volatileoraganic compounds treatment by using polyethylene media}

제 1도는 종래의 악취 및 휘발성유기화합물의 처리를 위한 바이오 필터 시스템을 도시한 사시도.

제 5도는 본 발명에 따른 폴리에틸렌 담체의 사시도.

* 도면에 사용된 주요부호에 대한 설명 *

110 : 유입구 120 : 송풍기 130 : 온도조절부

140 : 습도조절부 141 : 물탱크 142 : 제 1순환펌프

143 : 물분사기 150 : 저장부 151 : 영양분 탱크

152 : 완충용액 탱크 160 : 필터반응탑 161 : 상부 폴리에틸렌 담체

162 : 하부 폴리에틸렌 담체 163 : 제 2순환펌프

164 : 용액분사기

광화학스모그 유발 등 대기오염문제 심각하게 대두, 발암성 물질로 인체에 유해, 유기성 용제를 사용하는 사업장 근로자들 직업병과 중독문제 유발, 사업장이나 환경기초시설의 부지 선정의 단계에서부터 주변 주민들로부터 민원발생, 각종 산업시설 부식 촉진에 따른 경제적 손실, 유해성 때문에 배출허용 기준을 엄격히 규제할 예정(악취방지법 시행예정, 방지시설 의무화등)이며, 이러한 추세에 맞춰 환경관련 연구들이 활발히 진행되고 있다.

바이오필터는 가스속의 오염물질을 생물학적으로 처리하는 방법중의 하나로서, 미생물을 다공성의 담체에 고정화시켜 미생물의 대사활동에 의해 오염물질을 물, 이산화탄소 그리고 무해한 염으로 분해하는 환경친화적이고 경제적인 처리공법으로 미생물이 악취/VOC 성분을 탄소원과 에너지원으로 이용함으로써 무취/무해한 물질로 분해하여 제거시키는 원리이며 미생물의 생장조건으로는 수분 60 ~ 100%, 온도 10 ~ 50℃이다.

이러한 바이오필터를 이용한 악취 및 VOCs분해 기작으로는,

·악취물질(황화수소, 메르캅탄, 암모니아, 아민류등) : 악취물질 + 미생물 → CO₂ + H₂O + 미생물 + 무기염류(황산염, 질산염)

·유기 악취물질 및 휘발성 유기화합물 : 유기화합물 + 미생물 → CO₂ + H₂O + 미생물

·질소계열 악취 : NH₃+ O₂ → (질산화세균) → H₂O + CO₂ + NO₂ ^- or NO₃ ^-

·황계열 악취 : H₂S + O₂ → (황산화세균) → H₂O + CO₂+ S or SO₄ ^2-

·VOCs_:HC + O₂ →(VOCs분해세균) → H₂O + CO₂

·암모니아 : NH₃ + 미생물 + 2O₂ → NO₃ ^-(또는 NO₂ ^-) + H₂O + H⁺

·황화수소 : H₂S + 미생물 + 2O₂ → SO₄ ^2- + 2H⁺

·트리메틸아민 : (CH₃)₃N+ 미생물 + 6O₂→ NO₃ ^- (또는 NO₂ ^-) + 3CO₂ + 3H₂O + H⁺

·메틸메르캅탄 : CH₃SH + 미생물 + 3½O₂→ SO₄ ^2- + CO₂ + H₂O+ 2H⁺

·황화메틸 : (CH₃)₂S + 미생물 + 4O₂ → SO₄ ^- + 2CO₂ + 2H₂O+ 2H⁺

·이황화메틸 :(CH₃)₂S₂ + 미생물 + 6½O₂ → 2SO₄ ^2- + 2CO₂ + H₂O + 4H⁺

·스틸렌 : (C₆H₅)CHCH₂ + 미생물 + 10O₂ → 8CO₂ + 4H₂O

·아세트알데히드 : CH₃CHO + 미생물 + 2½O₂ → 2CO₂ + 2H₂O

바이오필터 시스템은, 1957년 Pomeroy에 의해 개발되었으며, 1970년대 들어 네덜란드와 독일을 중심으로 개방형 바이오필터로 발전하게 되었다. 1980년대 이후 북유럽에서 지금의 바이오필터 시스템으로 발전시켰다. 현재 선진국에서는 악취 및 VOCs처리기술 중에 BACT(Best Available Control Technology)로 인정받고 있으며, 국내에서도 하수처리장, 퇴비장 등을 시작으로 적용이 확대되고 있다.

이러한 바이오필터의 적용분야로는 하수처리장, 오폐수처리장, 축산폐수 및 분뇨처리장, 하수슬러지 처리공정, 담배제조공장, 퇴비화시설, 음식물쓰레기처리공정, 식품가공공장, 사료공장, 폐기물보관 및 처리시설, 폐기물보관 및 철시설, 농수산 도매시장 및 공판장등의 악취발생원, 페인트제조공장 및 도장공장, 석유화학제조업, 정유공장, 자동차제조업, 고무제조공정, 타이어제조공정, 매립가스 제거시설(SVE), 저유소, 주유소, 세탁시설, 자동차 정비업등의 VOCs발생원에서 발생되는, 황화계 악취물질: 황화수소, DMS, 메틸메르캅탄류 및 질소계 악취물질: 암모니아, NOx, 아민류등의 악취물질과 방향족화합물:BTEX, Phenol, Styrene , 알코올류: MeOH, EtOH, Propanol, 탄화수소류: Hexane, Dichloromethane, 유기산류: Butyric acid, Valeric acid, 알데히드류: Formaldehyde, Acetaldehyde등의 VOCs물질들을 제거한다.

탈취방식별 기술비교 아래 표에서 보는 바와 같다.

표)

	바이오필터	토양탈취	활성탄흡착	촉매연소	직접연소	약액세정
원리	천연 및 인공담체에 미생물을 고정하여 생물학적으로 처리	토양층의 미생물을 이용하여 악취성분 제거	활성탄의 물리적 흡착능에의해 처리	촉매를 사용하여 350 ~ 450℃의 온도에서 악취성분 산화	850℃이상의 고온에서 악취성분을 열적으로 산화분해	산화제를 이용하여 악취성분 분해
장점	·저농도 고풍량의 가스처리에 적합 ·낮은 운전비 ·2차오염없음	·장비 간단 ·낮은 초기투자비 ·낮은 운전비	·저농도 VOCs제거에 적합 ·장비가 단순	·고농도 가스처리에 유리 ·고온배출가스 처리 적합	·고농도 가스처리 유리 ·다양한 성분처리가능	·처리가스의 온도영향적음 ·저농도 대량가스처리 적합 ·분진동시처리 가능
단점	·장치의 설치 면적이 큼 ·고온배출가스처리부적합 ·고농도가스처리 부적합	·설치면적이 넓음 ·운전조건선정이 어려움 ·고온, 고농도 배출가스처리 부적합	·사용활성탄 폐기시 2차 오염발생 ·타르, 수분, 분진등에 약함 ·VOCs 처리시 화재발생 우려	·높은 초기투자비 ·저농도, 간헐적 운전시 높은 운전비 ·촉매피독물질처리곤란(황성분 등)	·높은 초기투자비 ·저농도, 간헐적 운전시 높은 운전비 ·고온산화에 의한 NOx 성분배출 가능	·낮은 탈취효율 ·복합취기에 대한 비용상승 ·2차 오염물질배출가능 ·장비부식성

종래의 바이오 필터는 악취 및 휘발성유기화합물이 혼합되어 있는 오염공기 를 미생물이 충진되어 있는 미생물담체층을 통과시켜 정화된 공기를 배출시키고, 상기 미생물이 성장하기 위한 수분을 공급하기 위해 물탱크에 저장되어 있는 물을 분사기로 분사한다.

따라서, 오염공기에 포함되어 있는 악취 및 휘발성유기화합물은 미생물의 생 분해 작용에 의해 이산화탄소와 물로 분해되어 제거된다.

그러나, 상기 미생물담체층에 충진되어 있는 미생물이 종속영양 세균일 경우에는 휘발성유기화합물을 처리하기 위한 질소, 인 등과 같은 미생물을 성장시키기 위한 영양분을 공급하여야 하는데 미생물의 성장에 필요한 영양분을 공급할 수 없으며, 미생물이 성장하고 활동할 수 있는 온도 및 습도를 일정하게 유지시키기 위한 조절수단이 없다는 문제점이 있다.

또한, 종속영양 세균은 미생물의 특성상 바이오메스(Biomass)를 생성하기 때문에 미생물담체의 공극을 막아 압력손실이 과도하게 커지므로 오염공기의 처리효율이 급격히 저하된다는 문제점이 있다.

통상의 바이오필터 시스템에 있어서, 담체를 본 발명에 따른 폴리에틸렌 담체를 사용함으로써 악취 및 휘발성 유기화합물(VOCs)의 처리효율을 증대시켜 최적의 바이오필터를 제공하고자 한다.

상기한 과제를 해결하고자 본 발명에서는

아래와 같은 통상의 바이오필터 시스템에 그 담체로써 폴리에틸렌담체를 사용하여 그 처리효율을 증대하는 구성을 갖는다.

악취 및 휘발성유기화합물이 혼합되어 있는 오염공기를 유입하는 유입구(110)와; 상기 유입구(110)와 연결되어 유입되는 악취 및 휘발성유기화합물이 혼합되어 있는 오염공기를 흡입하는 송풍기(120)와; 상기 송풍기(120)와 연결되어 흡입되는 악취 및 휘발성유기화합물이 혼합되어 있는 오염공기의 온도를 조절하는 온도조절부(130)와; 일정량의 물이 저장되어 있는 물탱크(141)와, 상기 물탱크(141)에 저장되어 있는 물을 순환시키는 제 1순환펌프(142)와; 상기 제 1순환펌프(142)에서 순환된 물을 분무하는 물분사기(143)를 형성한 습도조절부(140)와; 탄소원, 질소, 인 이외의 칼륨, 황, 칼슘, 철 등과 같은 미생물이 성장하는데 필요한 영양분이 저장되는 영양분 탱크(151)와, 미생물의 특성상 생성하게되는 바이오메스를 제거하기 위한 산, 알카리 약품 등을 저장하는 완충용액 탱크(152)를 형성한 저장부(150)와; 악취를 제거하는 미생물과 휘발성유기화합물을 제거하는 미생물이 충진된 담체(161, 162)와, 상기 저장부(150)의 영양분 탱크(151)와 완충용액 탱크(152)에 연결되어 저장되어 있는 영양분 및 산, 알카리 약품을 순환시키는 제 2 순환펌프(163)와, 상기 제 2순환펌프(163)를 통해 상기 담체(161, 162)의 상부에 영양분 및 산, 알카리 약품을 분무하는 용액분사기(164)를 형성한 필터반응탑(160)으로 이루어지는 통상의 바이오 필터 시스템에 그 담체(161, 162)로써,

비중이 20 ~ 80kg/㎥이고, 부피가 0.1 ~ 100㎠인 폴리에틸렌으로 제조되어 입방형, 구형 또는 실린더형인 폴리에틸렌 담체에, 점토성물질 60 ~ 80중량%에 접착제 20 ~ 40중량%를 부가하여 교반한 후 통상의 코팅방법으로 코팅하여 100 ~ 120℃의 온도에서 건조하여 사용하며, 상기 점토성 물질은 납석, 점토 및 펄프중에서 선택되는 1종 이상인 것을 그 특징으로 한다.

상기와 같이 폴리에틸렌 담체를 점토성물질로 코팅을 함으로써, 기존의 고분자 담체 사용시 영양분공급에 따른 공급시기 및 공정등이 추가적으로 필요하다는 단점을 해결할 수가 있다.

이러한 폴리에틸렌의 제조방법으로는

폴리에틸렌수지를 120 ∼ 150℃에서 전기히터에 의하여 가열 용융시켜 형성되는 폴리머를 토출시키는 압출기(250)와; 이 압출기(250)의 측으로 외주면에 도 3에 나타낸 것과 같은 다수의 반원형 토출공(212a)이 형성되는 내측노즐(212)과, 내주면에 상기 내측노즐(212)의 토출공(212a)과 상응되도록 다수의 반원형 토출공(214a)이 형성되는 외측노즐(214)이 결합되어 상호 반대방향으로 회전되는 성형노즐부(210)와;

상기 성형노즐부(210)에서 토출되는 폴리머를 냉각수를 이용하여 냉각 고화시키는 수냉 냉각부(260)와;

상기 수냉 냉각부(260)를 거쳐 원활하게 배출될 수 있도록 설치되는 인취부(270)와;

상기 인취부(270)를 거친 성형물을 필요로 하는 크기로 절단하는 절단부(280)가 순차적으로 설치되고;

상기 성형노즐부(210)와 수냉 냉각부(260) 사이에 진공 냉각부(220)가 설치된 제조장치를 개시하고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 성형노즐부의 작동 상태를 도시한 개략적인 정면도로서, 상기 성형노즐부(210) 내측노즐(212)의 토출공(212a)과 외측노즐(214)의 토출공(214a) 내면에 다수의 미세한 턱(212a')(214a')을 형성하고, 내측노즐(212)은 화살표 방향으로, 외측노즐(214)은 상기 내측노즐(212)의 회전방향과 반대 방향의 화살표 방향으로 회전되는것을 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 진공 냉각부를 도시한 측면도의 요부 확대도로서, 상기 성형노즐부(210)와 수냉 냉각부(260) 사이에 설치되는 진공 냉각부(220)는 상기 내측노즐(212)의 축에 결합되어 회전되는 맨드릴(222)과 그 외측으로 다수의 배기공(224a)이 형성된 지지부재(224)가 설치되며, 상기 지지부재(224)의 외측에는 진공펌프(226)가 설치되어 구성된 것을 도시한 도면이다.

상기 맨드릴(222)은 일측에 다수의 배기공(224a)이 형성된 타원형의 지지구(221)가 설치되어 있다.

도 5는 본 발명 수 처리용 접촉메디아를 도시한 요부 사시도로서, 압출기(250)를 거쳐 내측노즐(212)의 토출공(212a)과 외측노즐(214)의 토출공(214a)이 상호 반대 방향으로 회전되는 성형노즐(210)을 통하여 압출 성형되는 과정에서 내측노즐(212)의 토출공(212a)과 외측노즐(214)의 토출공(214a)이 만나는 부분에서 각각의 폴리머가 교차되면서 융착된 후, 진공 냉각부(220)와 수냉 냉각부(260)를 거쳐 냉각 및 고화되면서 인취부(270)를 통하여 인취되면서 절단부(280)에 의하여 원하는 크기로 절단된 망형상의 원통구(300)가 형성된 것을 도시한 도면이다.

상기 원통구(300)의 내면 또는 외면에는 주름턱부(300a)가 형성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용관계를 첨부된 도면에 의하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 압출기(250)에서 가열 용융된 폴리에틸렌수지의 폴리머가 성형노즐부(210)로 유입되어 압출되는 과정에서 성형노즐부(210)의 내측노즐(212) 과 외측노즐(214)이 상호 반대 방향으로 회전되면서 각각의 토출공(212a)(214a)으로 압출되는 폴리머가 상기 내측노즐(212)의 토출공(212a)과 외측노즐(214)의 토출공(214a)이 만나는 부분에서 교차되면서 융착되어 망형상의 원통구(300)를 형성하게 된다.

상기에서 내측노즐(212)의 토출공(212a)과 외측노즐(214)의 토출공(214a)의 내면에는 미세한 턱(212a')(214a')이 형성되어 있는 관계로 압출되는 망형상의 원통구(300)의 내면 또는 외면으로 주름턱부(300a)가 형성되면서 압출되어진다.

상기에서 성형노즐부(210)의 내측노즐(212)과 외측노즐(214)의 크기에 따라 압출 성형되는 망형상의 원통구(300)의 크기를 원하는 치수로 성형시킬 수 있다.

상기와 같이 압출되는 망형상의 원통구(300)는 다시 진공 냉각부(220)의 맨드릴(222) 지지구(221)의 외주면과 지지부재(224)의 내주면 사이로 유입되면서 지지부재(224)의 외부로 설치된 진공펌프(226)에 의하여 망형상의 원통구(300)가 유입되면서 유입된 공기를 외부로 배기하게 되는 데, 이때, 맨드릴(222)의 지지구(221)는 내측노즐(212)과 같은 방향으로 회전하고 있으므로 그 회전력과 진공펌프(226)에 의하여 각각의 배기공(224a)으로 배기되는 공기 간에 와류가 발생하면서 압출되는 망형상의 원통구(300)의 내면 또는 외면으로 상기 토출공(212a)(214a)에 서와 같이 주름턱부(300a)를 형성시키면서 1차적으로 냉각이 이루어지는 것이다.

상기와 같이 진공 냉각부(220)를 통하여 1차적으로 냉각되어 성형되는 망형상의 원통구(300)는 다시 냉각수를 분사노즐에 의해 분사시키거나, 또는 수조 등에 냉각수가 담수된 수냉 냉각부(260)를 거치면서 2차적인 냉각이 이루어지면서 완전 한 형태의 성형물로 냉각이 이루어지고, 이 성형물은 수냉 냉각부(260)를 거친 후, 인취부(270)에 의하여 인취되면서 그 후방으로 설치된 절단부(280)에 의하여 필요로 하는 크기로 절단되어 지는 것이다.

상기에서, 망형상의 원통구(300)의 내면과 외면으로 주름턱부(300a)를 형성시키는 것은 폴리에틸렌수지의 특성상 성형이 이루어진 상태에서는 표면이 매끄럽게 성형되는 관계로, 표면이 매끄럽게 성형될 경우에는 미생물의 부착 및 번식이 용이하게 이루지지 않으므로서, 망형상의 원통구(300)의 내면과 외면에 미세한 주름턱부(300a)를 형성시켜 미생물의 부착 및 번식을 용이하게 할 수 있도록 하기 위함이다.

상기에서, 망형상의 원통구(300)의 내면과 외면으로 미세한 주름턱부(300a)를 형성시키는 방법은 첫째, 압출기(250)를 통하여 성형노즐부(210)로 압출되는 폴리머에 직접적으로 성형될 수 있도록 성형노즐부(210)의 내측노즐(212)과 외측노즐(214)의 토출공(212a)(214a)에 미세한 턱(212a')(214a')을 형성시켜 압출시키는 방법과, 둘째, 진공 냉각부(220)를 이용하여 내부로 유입되는 공기를 외부로 배기시키는 과정에서 맨드릴(222)의 지지구(221) 회전력과 진공펌프(226)의 배기과정에서 배기되는 배기압으로 부터 발생되는 기류에 의하여 미세한 주름턱부(300a)를 형성 시킬 수 있는 방법, 두가지로 설명되어 있으나, 상기와 같은 방법을 병행하여 사용할 수 있고, 각각의 방법으로도 형성시켜 사용할수 도 있다.

상기와 같이 제조된 폴리에틸렌 담체에 점토성 물질 60 ~ 80중량%에 접착제 20 ~ 40중량%를 부가, 교반하여 통상의 방법으로 코팅하는 방법 및 건조단계를 거쳐 폴리에틸렌 담체가 제조된다.

접착제가 20중량%이하인 경우에는 점토성물질이 폴리에틸렌담체에 코팅이 잘 되지 않으며, 40중량%가 넘는 경우에는 점토성물질의 의한 활성이 잘 이루어지지 않는 단점을 갖는다.

상기 점토성 물질은 납석, 점토 및 펄프중에서 선택되는 1종이상인 것이며, 접착제는 아크릴 수지, 물유리 및 실리카겔졸중에서 선택되는 1종이상인 것이다.

이하 실시예를 통해 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.

실시예1

본 발명에 기재된 폴리에틸렌 제조장치를 이용하여 폴리에틸렌 담체를 제조한 후 점토 80중량%에 실리카겔졸 20중량%를 부가하여 충분히 교반한 후 통상의 방법으로 코팅하고 120℃의 온도에서 건조하여 제조한다.

본 발명에 따른 바이오필터는 다량 유입되는 각종 산업시설에서 배출되는 악취물질과 휘발성 유기화합물(VOCs)을 효과적이고 안정적으로 제거할 수 있으며, 폐합성수지인 폴리에틸렌수지를 재활용함으로써 제조원가를 낮추며, 폴리에틸렌 담체 의 수분 함유율이 높아 미생물의 성장에 최적인 조건을 제공하는 효과를 갖는다.

Claims

악취 및 휘발성유기화합물이 혼합되어 있는 오염공기를 유입하는 유입구(110)와; 상기 유입구(110)와 연결되어 유입되는 악취 및 휘발성유기화합물이 혼합되어 있는 오염공기를 흡입하는 송풍기(120)와; 상기 송풍기(120)와 연결되어 흡입되는 악취 및 휘발성유기화합물이 혼합되어 있는 오염공기의 온도를 조절하는 온도조절부(130)와; 일정량의 물이 저장되어 있는 물탱크(141)와, 상기 물탱크(141)에 저장되어 있는 물을 순환시키는 제 1순환펌프(142)와; 상기 제 1순환펌프(142)에서 순환된 물을 분무하는 물분사기(143)를 형성한 습도조절부(140)와; 탄소원, 질소, 인 이외의 칼륨, 황, 칼슘, 철 등과 같은 미생물이 성장하는데 필요한 영양분이 저장되는 영양분 탱크(151)와, 미생물의 특성상 생성하게되는 바이오메스를 제거하기 위한 산, 알카리 약품 등을 저장하는 완충용액 탱크(152)를 형성한 저장부(150)와; 악취를 제거하는 미생물과 휘발성유기화합물을 제거하는 미생물이 충진된 담체(161, 162)와, 상기 저장부(150)의 영양분 탱크(151)와 완충용액 탱크(152)에 연결되어 저장되어 있는 영양분 및 산, 알카리 약품을 순환시키는 제 2 순환펌프(163)와, 상기 제 2순환펌프(163)를 통해 상기 담체(161, 162)의 상부에 영양분 및 산, 알카리 약품을 분무하는 용액분사기(164)를 형성한 필터반응탑(160)으로 이루어지는 통상의 바이오 필터 시스템에 있어서,

상기 담체(161, 162)는 비중이 20 ~ 80kg/㎥이고, 부피가 0.1 ~ 100㎠인 폴리에틸렌으로 제조되어 입방형, 구형 또는 실린더형인 폴리에틸렌 담체에 납석, 점 토 및 펄프중에서 선택되는 1종 이상의 점토성물질 60 ~ 80중량%에 아크릴 수지, 물유리 및 실리카겔졸중에서 선택되는 1종 이상으로 구성된 접착제 20 ~ 40중량%를 부가하여 교반한 후 통상의 코팅방법으로 코팅하여 제조된 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 담체를 이용한 악취 및 VOC 제거 바이오필터.
제 1항에 있어서, 접착제는 아크릴 수지, 물유리 및 실리카겔졸중에서 선택되는 1종이상 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 담체를 이용한 악취 및 VOC 제거 바이오필터.
제 1항에 있어서 폴리에틸렌 담체는 주름을 형성하여 미생물의 부착 및 번식을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 담체를 이용한 악취 및 VOC 제거 바이오필터.