KR100665548B1

KR100665548B1 - 복합 악취가스처리를 위한 바이오필터용 양수성 충진담체

Info

Publication number: KR100665548B1
Application number: KR1020050043233A
Authority: KR
Inventors: 갈렐라 멜빈; 로랜자나 아리즈; 아노나스 알렉스; 투구 엥후둘; 니솔라 그레이스; 심동민; 안주현; 박신정; 손석일; 권은미; 정욱진
Original assignee: 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2007-01-22
Also published as: WO2006126797A1; KR20060120971A

Abstract

본 발명은 복합 악취가스처리를 위해 유기 및 무기 담체의 바이오필터의 장점만을 모은 새로운 개념의 양수성(친수성/소수성) 복합 바이오필터에 관한 것으로, 본 발명의 복합 악취가스처리를 위한 바이오필터용 양수성 충진담체는 유기성 담체와 무기성 담체를 일정비율로 혼합하고 여기에 활성탄과 유기 접착제 및 무기 접착제를 부가하여 비드(bead)로 성형하여 건조하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 복합 악취가스처리를 위한 바이오필터용 양수성 충진담체는 공모양으로 가볍고 구조적으로 단단하며 다공성과 수분함유량이 우수할 뿐 아니라, 부가적으로 영양분과 미생물을 함유할 수 있다. 또한, 본 발명의 양수성 복합 충진담체는 우수한 물리적 성질과 균주의 성장과 활동에 필요한 영양분과 수분의 공급과 서식환경이 우수하고 압력손실과 압밀화와 같은 바이오필터의 운전을 위한 성질도 우수하며 친수성과 소수성 복합 악취제거에 뛰어난 효과가 있는 유용한 발명이다

충진담체, 양수성, 락울(rock wool), 분변토(compost), 바이오필터

Description

복합 악취가스처리를 위한 바이오필터용 양수성 충진담체{Hydrophilic and hydrophobic packing media of biofilter for treating mixed malodor gases}

도 1은 본 발명에 따라 제조된 바이오 필터용 복합 양수성 담체의 단면을 나타낸 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 바이오 필터용 복합 양수성 담체를 제조하는 방법을 개략저긍로 나타낸 개략도이고,

도 3은 본 발명에 따라 제조된 바이오 필터용 복합 양수성 담체를 이용한 바이오 필터의 최적운전을 위해 실린더에 충진된 상태를 나타낸 사진이고,

도 4는 암모니아 가스를 처리하기 위한 바이오 필터 시스템의 구성을 도시한 처리 흐름도이고,

도 5는 황화수소 가스를 처리하기 위한 바이오 필터 시스템의 구성을 도시한 처리 흐름도이고,

도 6는 톨루엔 가스를 처리하기 위한 바이오 필터 시스템의 구성을 도시한 처리 흐름도이고,

도 7은 본 발명에 따른 담체를 사용하여 각종 가스를 처리하기 위한 바이오 필터의 사진이고,

도 8은 유입 암모니아가스 농도의 증가에 따른 제거율을 나타내는 그래프로 a)는 암면만을 담체로 사용한 바이오필터A에 의한 제거율을 나타내고, b)는 본 발명에 따른 담체를 사용한 바이오필터 B에 의한 제거율을 나타내는 그래프이고,

도 9는 바이오필터의 사용담체에 따른 제거효율을 나타내는 그래프이고,

도 10은 암모니아 가스 바이오필터의 담체 높이와 압력 강하 간의 관계를 나타내는 그래프이고,

도 11은 반응기 내의 수분 함유율은 나타내는 그래프이고,

도 12는 암면만을 담체로 사용한 바이오필터A와 본 발명에 따른 담체를 사용한 바이오필터 B로부터 배수된 물의 pH 및 암모니움 농도와 층의 온도를 나타내는 그래프이고,

도 13은 암면만을 담체로 사용한 바이오필터A와 본 발명에 따른 담체를 사용한 바이오필터 B에 의한 암모니아 가스 제거능을 나타내는 그래프이고,

도 14는 황화가스의 농도 및 제거효율을 나타내는 그래프로, 각각 도 14a는 암면만을 담체로 사용한 바이오필터A, 도 14b는 본 발명에 따른 담체를 사용한 바이오필터 B에 의한 제거효과를 나타내는 것이고,

도 15는 황화가스를 제거한 유출수의 pH 및 설페이트의 농도를 나타내는 그래프이고,

도 16은 반응기 내의 수분 함유율은 나타내는 그래프이고,

도 17은 황화가스 바이오필터의 담체 높이와 압력 강하 간의 관계를 나타내는 그래프이고,

도 18은 실험 기간동안의 반응기의 온도변화를 나타내는 그래프이고,

도 19는 톨루엔의 농도 및 제거효율을 나타내는 그래프로, 각각 도 19a는 암면만을 담체로 사용한 바이오필터A, 도 19b는 본 발명에 따른 담체를 사용한 바이오필터 B에 의한 제거효과를 나타내는 것이고,

도 20은 톨루엔 칼럼으로부터 유출수의 pH 변화를 나타내는 그래프이고,

도 21은 톨루엔 바이오필터의 담체 높이와 압력 강하 간의 관계를 나타내는 그래프이고,

도 22는 반응기 내의 수분 함유율은 나타내는 그래프이고,

도 23은 실험 기간동안의 반응기의 온도변화를 나타내는 그래프이고,

도 24는 암모니아, 황화수소, 그리고 톨루엔 제거 반응기들 (바이오필터 A-F)에 대한 스파이크(spike) 테스트 결과를 나타내는 그래프이고,

도 25는 암모니아와 황화수소와 톨루엔제거 바이오필터들의 제거용량을 나타내는 그래프이고,

도 26은 본 발명의 실험예에 따른 실험을 각각 실행한 후의 복합담체표면과 내부의 전자현미경 (ESEM)사진이다.

본 발명은 복합 악취가스처리를 위한 바이오필터용 양수성 충진담체에 관한 것으로, 보다 자세하게는 유무기 담체의 바이오필터의 장점만을 모은 새로운 개념 의 양수성(친수성/소수성) 복합 바이오필터에 관한 것이다.

바이오필터의 충진담체의 성능은 악취제거성능과 운전비용에 영향을 미치는 중요한 요소이다.

통상 미생물 담체로써 최적인 담체는 가벼워야 하고, 표면적이 넓고, 수분함유량이 높아야하며, 장기 조업에 따른 담체모양을 유지(생분해가 안됨)해야 한다. 그런데, 종래 담체로 사용되어온 토탄(peat), 퇴비(compost), 나무 등의 섬유질 담체는 생분해가 되어 장기 조업에 따른 분해가 일어나 압손이 증가하여 빈번하게 담체를 교환해야 하는 단점이 있다.

한편, 지금까지 사용된 무기담체는 굴패각 및 세라믹 담체가 자주 사용되었지만 이 담체들은 분해가 안 되는 장점이 있지만 첫째 너무 무겁고, 수분함유량이 저조하여 미생물의 생장이 유지되려면 외부에서 막대한 수분 공급 및 영양분을 추가로 공급해야 하는 단점이 있었다.

또한, 종래의 암면(rock wool)과 유기성 담체(compost,wood), 무기성 담체(polyurethane foam, ceramic)와의 물리화학적 조건을 비교하면 다음 표 1과 같다.

바이오필터 담체들의 물리적 성질

Media	Bulk density (g/ml)	Porosity(%)	Water holding capacity(%)
Organic Compost wood chip	0.39 0.31	58.95 52.30	62 NA
Inorganic Rockwool Polyurthane Ceramic	0.20 0.02 0.47	85.07 77.78 79.60	81 NA 62.8

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 암면은 다음의 담체 중 수분함유량이 가장 높고, 가장 가벼우며, 공극률(porosity)도 높은 우수한 담체로 보고 되었다. 그러나 이 담체는 섬유상(fibrous fiber)담체로 되어 수분 함유시 압밀작용(compaction)이 빠르게 진행이 되어 압손이 증가하는 경향이 있는 단점이 있다.

따라서 본 발명자 등은 상기한 종래의 담체에 있어서의 각 문제점을 가지지 않는 새로운 담체를 개발하기 위해 예의 연구한 결과 상기 종래 기술의 문제점의 해결책을 안출하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 미생물 담체로써 가벼울 뿐 아니라, 표면적이 넓고, 수분함유량이 높으며, 장기 조업에 따른 담체모양을 유지되는 양수성 복합 담체를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 생분해가 되는 유기담체 대신 생분해가 되지 않는 새로운 양수성 복합 담체를 제공하기 위한 것이다.

상기 본 발명의 목적은 담체 모양을 유지하면서 가볍고 수분 함유량이 높은 암면 및 벤토나이트 혼합담체를 사용하여 본 발명을 완성하였다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 악취가스처리를 위한 바이오필터용 양수성 충진담체는;

유기성 담체와 무기성 담체를 일정비율로 혼합하고 여기에, 활성탄과 유기 접착제 및 무기 접착제를 부가하여 비드(bead)로 성형하여 건조하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 무기성 담체는 암면이고 상기 유기성 담체는 퇴비이고, 바람직하기로는 지렁이의 분변토이다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 유기성 담체와 무기성 담체의 혼합비율은 65 ~ 75 : 35 ~ 25로 될 수 있다. 상기 혼합 비율을 벗어나면 바이오 필터용 담체로서 요구되는 이상적인 생분해성, 수분 함유능 및 중량을 가지지 못한다는 관점에서 바람직하지 않다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 유기 접착제는 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol; PVA), 글루타르알데하이드(glutaraldehyde) 또는 TEOS이고 무기 접착제는 벤토나이트(bentonite)임이 바람직하다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 바이오 필터용 담체로 제조된 비드에서, 비드 안에는 친수성 수분함유 능력이 좋은 암면 담체를 PVA로 코팅하며 담체 결합능을 증진시키기 위하여 글루타르알데하이드 또는 TEOS와 같은 가교결합제 (crosslinking agents)를 혼합하여 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 구성에 따르면, PVA 담체 표면의 공극 크기 및 공극률을 조절하기 위하여 옥수수 전분 농도 조절을 통하여 포어 사이즈(pore size) 및 공극률을 조절하여 제조할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 또한 담체 제조시 담체 내에 악취 분해 균주와 영양분도 고정화 하여 같이 제조할 수 있다.

더욱이, 상기 본 발명에 따르면, 소수성 기체의 PVA 담체 표면에의 물리적 흡착을 용이하게 하기 위하여 활성탄을 같이 첨가하여 소수성 가스의 담체 흡착능을 증가시킨다.

이하, 본 발명을 첨부 도면을 참고로 보다 자세하게 기술한다.

먼저, 본 발명에 따른 복합 담체의 제조방법과 실험 조건에 대해 기술한다.

상기 본 발명의 구성에 따라 제조된 담체의 모양을 개략적으로 나타내면 도 1과 같으며, 도 2는 이러한 담체를 제조하는 공정흐름을 나타낸 것이다.

먼저, 퇴비(compost)는 9 메쉬(mesh)에서 14 메쉬 사이의 체(sieve)를 통과한 것을 사용하였고 암면(rock wool)은 UR사에서 구입하여, 암면과 퇴비의 질량비를 70:30으로 섞었다. 물을 총 무게의 70%정도 되게 첨가하여 젖은 상태에서 섞고 활성탄도 조금 첨가하였다. 균일하게 섞은 후 유기접착제로 PVA를 무기접착제로 벤토나이트를 첨가하여 0.8에서 1.0cm 직경의 공모양으로 제조하여 3-4시간 동안 60C 오븐에서 건조하였다 (도 2참고). 본 발명에서 사용된 각 구성성분의 특징, 그 역 할 및 사용이유를 설명하면 다음과 같다;

즉, 암면은 35-45%의 SiO₂, 20-40%의 CaO, 10-20%의 Al₂O₃, 0-12%의 FeO, 0-12%의 Fe₂O₃, 및 3-10%의 MgO로 구성되어 형성 배지의 주요부를 이루고, 높은 다공성, 높은 수분담지력, 경량성, 양호한 배수능, 양호한 완충력, 친수 및 소수양성을 가지는 장점이 있으나, 유기물 함량이 2%로 낮고습윤시 압밀작용이 발생하고 영양분이 없다는 단점이 있다.

배지에 유기성 및 영양분을 공급하기 위해 부가되는 퇴비는 매우 다양하고 미생물 밀도가 크며, 우수한 수분 억제능, 중성 pH, 및 적절한 유기함량을 가지며, 유기성 배지는 미생물 세포와 결합에서 보다 반응적이다. 반면, 이 구성분은 단독으로 사용시 일반적으로 높은 압력 강하를 나타내고 압밀작용을 나태내기 쉽다는 단점이 있다.

또 다른 구성성분인 활성탄소는 배지에서 오염성 가스를 초기에 흡수하는데, 이들 활성탄소 성분은 양호한 흡수능을 가지고, 변동이 심한 유입 농도를 완화하는 완충자로 작용하고 실질적인 수분 담지능을 가지고 미생물 부착이 양호한 표면을 제공한다. 하지만 비용이 높고 영양분 부가와 미생물 접조이 필요한 단점이 있다.

결합제로 사용된 폴리비닐 알콜은 미생물 분야에서 가장 보편적이고 안전한 결합제로서, 배지에 물을 흡수하도록 친수성을 나타낸다.

마지막으로 벤토나이트(Bentonite)는 물에 녹지 않게 하는 경화제로 높은 흡수능을 가지지만, 상대적으로 높은 팽윤지수와 상대적으로 분량한 투과성을 가지는 단점이 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 보다 자세히 설명하지만 본 발명의 범위가 여기에 한정되는 것은 아닙니다.

또한, 이하의 실시예에서는 암면과 퇴비의 비를 70:30으로 고정하였고 활성탄의 양도 고정한 후 유기와 무기 접합제 용액의 비를 변화시켰다. 퇴비는 본 발명에 따른 담체에 있어서 유기성분과 영양분을 공급하기 위한 중요 요소이고 균주들의 고정화에 필요한 활성적인 결합영역을 제공하게 된다. 반면에 상술한 바와 같이 암면은 무기담체로서 비교적 높은 다공성(porosity)과 수분보유가능량(water holding capacity) 및 배수능을 부여하기 위해 첨가된다. 또한, 활성탄은 초기의 악취가스의 흡착능이 우수하기 때문에 첨가하였고 PVA와 벤토나이트는 구성성분들의 접착을 위하여 유기성과 무기성 접착제로서 첨가하였다. PVA와 벤토나이트의 양은 다음과 같이 각 실시예에서 다르게 부가되었다.

실시예 1

암면(rock wool)과 퇴비(compost)의 중량비가 70:30으로 되고 70%의 수분을 보유한 습윤 암면-퇴비 혼합물(rockwool-compost mixture) 130g, 그래뉼 타입의 활성탄소 3g, 30ml의 10% (w/v) PVA 용액 및 35ml 물에 25g의 벤토나이트를 용해한 용액을 혼합하여 구슬 타잎의 담체로 제조하였다.

실시예 2

49ml 물에 35g의 벤토나이트를 용해한 용액을 혼합하는 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 담체를 제조하였다.

실시예 3

20% (w/v) PVA 용액을 사용하는 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 담체를 제조하였다.

실시예 4

20% (w/v) PVA 용액을 사용하고 21ml 물에 15g의 벤토나이트를 용해한 용액을 혼합하는 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 담체를 제조하였다.

실시예 5

20% (w/v) PVA 용액을 사용하고 15ml 물에 25g의 벤토나이트를 용해한 용액을 혼합하는 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 담체를 제조하였다.

실시예 6

20% (w/v) PVA 용액을 사용하고 21ml 물에 15g의 벤토나이트를 용해한 용액을 혼합하고, 6.5g의 분말 석회석을 부가로 사용하는 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 담체를 제조하였다.

실시예 7

실험예 1

담체의 물리화학적 특성 측정

상기 각 실시예에 따라 제조된 담체의 물리화학적 특성을 다음 표 2에 나타난 방법을 측정하여 그 결과를 다음 표 3에 나타냈다.

양수성 복합 담체의 물리화학적 테스트

Property	Method
Bulk density
True density	Pycnometer Method (SSSA 14-3)a
Porosity	x 100
Water-holding capacity	Gravimetric procedurea
Mechanical/Structural Strength	Physical observation and submergence in water
Reaction in acid	Submergence in acidic solution
pH	By pH meter
Total organic carbon	Acidic digestion; TOC machine
Total organic nitrogen	Total Kjeldahl Nitrogen (TKN) methoda
Adsorption	Flask adsorption (for toluene) experiment

구분	Bulk density (g/ml)	True density (g/ml)	Porosity (%)	Water Holding capacity (g/g)	pH	After submerging in water	After submerging in acidic solution (pH=4.40)
실시예 1	0.4939	1.5436	68.0000	0.9780	7.35	2	3
실시예 2	0.4763	1.4597	67.3684	1.2225	7.73	3	5
실시예 3	0.5176	1.5129	65.7895	0.8820	7.62	1	1
실시예 4	0.5014	1.9052	73.6842	0.8224	7.39	1	1
실시예 5	0.3526	0.9813	64.07	0.7200	7.56	1	1
실시예 6	0.4374	1.3190	66.8421	0.8755	6.96	4	5
실시예 7	0.5175	1.5858	67.3684	0.8317	7.55	1	1

*상기 항목중 물에 침지 후 및 산용액에 침지 후의 평가에서 1은 단단한 구조, 2는 그렇게 단단하지는 않은 구조, 3은 어느정도 연화된 구조, 4는 연화된 구조, 및 5는 파괴되는 등의 불량한 구조를 나타냄.

상기 표 3에 나타난 담체들의 성질을 통하여 가볍고 산성용액에서도 구조가 변하지 않는 실시예 5의 담체가 바이오필터용 담체로 가장 적합함을 알 수 있다. 도 3은 본 실시예에 따라 제조된 복합담체의 사진이다.

실험예 2

최적 운전 조건의 검토

본 발명에 따른 복합담체의 성능을 비교하기 위하여 암모니아와 황화수소와 소수성 가스인 톨루엔에 대한 바이오필터의 제거실험을 실시하고 복합담체를 사용한 바이오필터의 최적운전조건을 검토하였다.

1) 균주의 고정화

상기 본 발명의 실시예에 따라 복합담체를 대량으로 제조하였고 담체를 각 가스 분해를 위한 균주를 표 4에 나타낸 배지 내에서 고정화하였다. 암모니아 분해균주와 황화수소 분해균주를 위해서는 1mL의 순수 배양액을 1 L의 배지에 옮겨 넣고 2-3일 동안 28℃에서 150rpm으로 교반하여 주었다. 배양배지를 20분 동안 7000rpm으로 원심분리하였고 농축된 부분을 다시 암모니아 분해균주를 위해서는 NH₄Cl와 황화수소 분해균주를 위해서는 Na₂S₂O_3?5H₂O가 들어 있지 않은 새로운 배지에 옮겨 담아서 일정시간 동안 배양하여 복합담체에 균주를 고정화하였다.

톨루엔 분해 균주를 위해서는 1 mL의 순수 배양을 글루코스(glucose)를 탄소원(carbon source)으로 사용하는 액체 배지에서 2-3일 동안 28℃에서 150rpm으로 교반하여 주었다. 사용된 배지의 조성은 10 g/L glucose, 5 g/L yeast extract, 5 g/L (NH₄)₂SO₄, 5 g/L KH₂PO₄, and 1 g/L MgSO_4?7H₂O 이었다. 원심분리를 한 후, 농축된 부분을 아래의 표 4에 나타낸 배지에서 옮겨 담고 5일 동안 배양하였다. 플라스크를 테프론(teflon)으로 코팅된 실리콘(silicon) 마개로 막아서 톨루엔의 손실을 방지하였다. 배지를 다시 원심분리하고 농축된 부분을 톨루엔이 없는 새 배지에 담고 2일 동안 배양하여 고정화시켰다.

비교로서 암면 담체에 대한 균주들의 고정화도 위의 방법과 동일하게 실시하였다.

다른 미생물 균주에 대한 미네랄 배지 조성

NH₃-degrading (AMM strain)	Sulfur-oxidizing (SUL4 strain)	VOC-degrading (TOL1 strain)
NaHPO₄ 1.0 g/L CH₃COONa 1.0 g/L KH₂PO₄ 0.3 g/L NH₄Cl 26.8 g/L Yeast extract 5.0 g/L Deionized water fill to 1L	KH₂PO₄2.0 g/L K₂HPO₄ 2.0 g/L NH₄Cl 0.4 g/L MgCl_2?6H₂O 0.2 g/L FeCl_3?6H₂O 0.02 g/ L Na₂S₂O_3?5H₂O 8.0 g/L Yeast extract 5.0 g/L Deionized water fill to 1L	KH₂PO₄5.0 g/L K₂HPO₄ 4.5 g/L (NH₄)₂SO₄2.0 g/L Mg SO_4?7H₂O 0.34 g/L Trace elements- 200L/L Deionized water fill to 1L 300 ppm toluene^a

2) 복합담체를 이용한 바이오필터장치와 실험 조건

도 4, 5 및 6은 암모니아와 황화수소와 톨루엔 가스처리를 위한 바이오필터 시스템의 그림을 보여 주고 있다. 각 가스들을 암면 담체와 본 발명의 복합담체 반응기에 평형적으로 유입하였다. 초기 운전조건을 표 5에 나타내었고 도 7에 바이오필터 반응시스템의 사진을 나타내었다.

바이오 필터 실험에 대한 초기 조작 변수

Operating Parameters	NH₃-treating biofilters		H₂S-treating biofilters		Toluene-treating biofilters
	Rock wool	Ball-type	Rock wool	Ball-type	Rock wool	Ball-type
Air flow rate (L/min)	1.50	1.50	1.50	1.50	2.00	2.00
EBRT (s)	62.80	65.94	65.94	67.51	68.30	65.94
Bed volume (L)	1.73	1.65	1.65	1.69	2.16	2.20
Bed height (m)	0.220	0.220	0.210	0.215	0.275	0.280
Bed temperature (C)	25.60	25.40	25.30	25.40	25.90	26.20
Inlet concentration (ppm_v)	19.0	19	20	20	12.734	10.457
Mass loading (g/m³/hr)	0.753	0.789	1.661	1.623	2.912	2.348

실험예 2

본 발명에 따른 복합담체를 이용한 바이오필터에 의한 가스제거실험

① 암모니아가스의 제거실험

암모니아 가스의 제거

도 8는 64일간 암모니아가스의 농도를 증가시키면서 종래의 암면담체와 본 발명에 따른 복합담체의 두 바이오필터의 결과를 나타낸 것이다. 초기 암모니아가스농도는 19ppm_v였다. 초기의 유입량은 바이오필터 A(rock wool; 암면 담체)는 0.7528g-NH₃/m³/hr였고 바이오필터 B(본 발명의 복합담체)는 0.7887 g-NH₃/m³/hr였다. 8일 후 암모니아의 농도를 150-160ppm_v로 증가시켰다.

도 8의 결과에 따르면 복합담체가 포함된 바이오필터 B가 바이오필터 A보다 좋은 제거능을 보이고 있음을 알 수 있다. 유입농도가 155 ppm_v이었던 46일까지는 98 - 100%의 제거능을 보였지만 농도를 다음 단계로 상승시키면서 부터는 제거율이 조금 감소된 경향(~90%)을 보였다. 반면에 암면을 담체로 사용한 바이오필터 A는 암모니아 가스의 제거율이 11일에서 46일까지 10 - 50%로 저조함을 나타내었다. 초기에 7일 동안의 비교적 좋은 제거율은 흡착에 의한 것으로 사료된다.

바이오필터 B의 제거율이 암모니아가스 유입농도가 155 - 165 ppm_v로 증가시키고 8일후에는 67 %까지 떨어져서 53일째에는 유입공기의 유속을 1.5 L/min에서 0.75 L/min로 감소시켰다. 따라서 EBRT가 바이오필터A가 62.8초에서 125.6초로 바이오필터B는 65.9초가 131.9초로 두 배씩 증가되었다. 바이오필터 B의 제거율은 다시 상승하여 98 %의 제거율을 보였고 바이오필터 A의 제거율은 60 %정도에 머물렀다. 그림 9는 두 바이오필터의 제거율들을 비교한 그림이다.

다른 인자의 변화

바이오필터 반응기내의 담체샘플들을 취하여 14일마다 수분량과 pH, 암모니아이온농도와 균주수를 분석하였다. 도 10은 실험기간동안의 담체의 높이와 압력 강하(pressure drop)의 결과를 나타내었다. 암면을 담체로 사용한 바이오필터 A의 담체높이가 감소하는 것을 알 수 있었는데 그것은 암면이 다공성이 좋고 수분보유량이 좋아서 젖었을 때 쉽게 압축되는 섬유상(fibrous) 구조를 가지고 있기 때문이다. 59일동안 운전한 후 5.20cm의 담체높이의 감소가 있었다. 반면에 복합담체를 사용한 바이오필터B의 경우는 59일동안 1.0cm정도의 감소만을 나타내었다. 이 결과는 기대대로 새롭게 제조된 복합담체가 물질 분해(material decomposition)나 층상 압밀화(bed compaction)나 수분 농축(water condensation)과 같은 기계적인 강도가 좋기 때문으로 보인다. 또한 이 복합담체는 가볍고 반응기바닥에서의 압축도 최소화될 것으로 기대된다.

따라서 압력강하도 암면을 사용한 바이오필터A가 복합담체를 사용한 바이오필터B보다 더 증가하였다. 52일째에 바이오필터A의 압력강하는 26.78 mmH₂O/m bed인 반면에 바이오필터 B의 압력강하는 10.00 mmH₂O/m bed였다. 이렇게 낮은 압력강하는 공모양의 담체이어서 쉽게 압착되지 않고 공기가 잘 흐를 수 있는 공간들을 제공했기 때문으로 사료된다. 압력강하는 공기의 유속에 정비례하기 때문에 53일째 유속을 1.5에서 0.75 L/min으로 감소시키므로 인해서 압력강하의 감소가 일어났다.

반응기내의 수분함유율은 도 11에 나타내었고 균주의 수(CFU/g media)의 결과는 정기적으로 담체샘플을 채취하여 분석하여 얻은 균주수와 각 담체샘플들의 pH를 표 6와 표 7에 나타내었다.

Microbial count in media samples from NH₃ columns

Days Elapsed	CFU/g media
	Rock wool only	Rock wool-Compost Media
1	4.76E+06	2.98E+06
8	8.00E+06	4.05E+06
16	1.01E+07	2.01E+07
24	5.97E+07	1.50E+08
45	1.47E+08	1.83E+08
59	5.87E+08	5.78E+08

Variation of media pH in NH₃ columns

Days Elapsed	Media pH
	Rock wool only	Rock wool-Compost Media
16	8.10	7.38
24	7.72	7.66
45	8.18	7.88
59	8.60	7.92

복합담체의 pH는 pH 7에서 8사이였는데 바이오필터에 가장 적합한 pH이었다. 두 바이오필터의 배수된 유출수에 대한 분석 결과들도 도 12에 나타내었다. 암모늄이온의 농도의 증가는 암모니아가스의 용해에 의해서 제거되는 효과를 보여 주고 있다. 유출수의 pH는 7에서 8.5로 적당하였고 (도 12) 반응기의 온도도 도 12에 나타내었다.

제거능

도 13는 바이오필터 A와 B의 암모니아유입량에 따른 제거능(elimination capacity)의 결과를 나타내었다. 바이오필터 B가 바이오필터 A보다 우수함을 알 수 있었다. 바이오필터 A의 최대 제거능은 3.55 g-NH_3,removed/m³ _bed/hr (2.92 g-N/m³ _bed/hr)였고 바이오필터 B의 최대 제거능은 6.44 g-NH_3,removed/m³ _bed/hr (5.30g-N/m³ _bed/hr)였다.

② 황화수소 가스의 제거실험

황화수소 가스의 제거

도 14는 황화수소가스의 농도들과 제거효율을 나타내고 있다. 바이오필터 C는 암면담체 시스템이고 바이오 필터 D는 복합담체 시스템이다. 초기 유입가스 농도는 20ppmv였다. 바이오 필터 C는 첫 몇 일동안은 제거율이 95-100%로 높았으나 유입가스농도를 60-70ppmv로 증가시켰을 때 제거율이 불안정하기 시작하였고 농도를 90-100ppmv로 증가시켰을 때는 더욱 불안정된 제거율을 보였다. 그러나 공기의 유속을 감소시켰을 때는 100%의 제거율이 관찰되었다. 바이오필터 D는 유입가스농도가 150ppmv까지 증가시켜도 40일째까지는 90%이상의 높은 제거율을 보이다가 pH의 저하와 수분함량의 저하로 인하여 제거율이 60%까지 저하하였다가 pH와 수분의 조절로 약 80%의 제거율을 보였다.

유출수에 대한 분석

도 15는 유출수의 pH와 설페이트 이온의 농도를 나타내고 있다. 황화수소의 산화로 인한 산성조건을 발견할 수 있었고 산성환경으로 인한 미생물의 활성저하와 제거효율의 저하를 초래하기 때문에 0.33N NaOH을 첨가함으로써 두 반응기의 pH를 조절하였다. 복합담체를 사용하고 있는 바이오필터 D는 황화수소를 더욱 효과적으로 산화시켜 설페이트 이온의 농도가 높게 나타났고 pH의 결과에서 보듯이 완충능(buffering capacity)도 더 우수하게 나타났다.

담체에 대한 분석

도 16은 담체의 수분함량을 나타내었다. 암모니아 제거실험과 유사하게 45일째에 수분함량이 감소하는 것을 발견하여 수분을 추가로 공급하였다. 황화수소 분해시스템에 수분을 공급하는 것은 미생물을 위한 수분공급뿐 아니라 설페이트 이온의 희석효과도 있어서 pH의 저하를 최소화해 주는 효과가 있다. 수분함량의 감소는 제거율의 감소에 영향이 있음을 관찰할 수 있었다.

도 17은 압력강하와 층상 압밀화를 나타내고 있다. 암면 담체는 59일 째에 층상 압밀화가 3.6 cm이었으나 본 발명의 복합담체는 거의 변하지 않았다. 암면 담체 시스템은 최고 14.37 mmH₂O/m의 압력강하를 보인 반면에 복합담체는 6.31 mmH₂O/m 만의 압력강하를 보였다.

도 18은 실험기간 동안의 각 반응기의 온도분포를 나타내었고 표 8과 표 9에서는 담체들 내의 균주수와 pH를 나타내었다. 복합담체는 더욱 많은 영양분으로 인하여 균주수가 시간이 지남에 따라 더 많아짐을 확인할 수 있었다. 담체의 pH는 NaOH 용액으로 첨가하여 pH를 조절한 다음 측정하였기 때문에 높은 편이었다.

Microbial count in media samples from H₂S columns

Days Elapsed	CFU/g media
	Rock wool only	Rock wool-Compost Media
1	3.46E+06	2.30E+06
8	7.45E+06	4.04E+06
16	2.80E+07	1.29E+07
24	3.20E+07	9.93E+07
45	3.62E+07	4.94E+08
59	7.00E+08	2.25E+10

Variation of media pH in H₂S columns

Days Elapsed	Media pH
	Rock wool only	Rock wool-Compost Media
16	7.8800	8.0900
24	5.3900	9.5100
45	10.6200	8.4900
59	7.3400	6.4600

③ 톨루엔 가스의 제거실험

톨루엔 가스의 제거

도 19는 암면을 담체로 사용한 바이오필터 E와 본 발명의 복합담체를 사용한 바이오필터 F에 의한 57일 동안의 톨루엔 제거실험의 결과이다. 초기 유입가스농도가 바이오 필터 E와 F 각각 12.73ppmv와 10.46ppmv를 사용하였다. 초기의 제거효율은 거의 100%에 가까웠으나 유입가스의 농도를 100에서 200ppmv으로 증가하였을 때 바이오필터 E의 제거율이 90%에서 40%로 감소하였다. 반면에 바이오필터 F는 유입가스농도가 260ppmv이었던 30일째까지 100%의 제거율을 보였다. 그러나 바이오필터 F도 시간이 지남에 따라 제거율이 75%로 감소하였다. 감소된 제거율은 유입가스의 농도를 100ppmv로 다시 감소시키로 적당량의 수분을 추가하고 가스의 잔류시간(residence time)을 131.88초로 연장함으로써 다시 상승하였다. 복함담체를 사용한 바이오필터 F는 담체내에 포함되어 있는 활성탄으로 인하여 높은 유입가스의 농도에서도 높은 제거율을 나타내었고 소수성 가스의 흡착에 의한 제거효과도 얻을 수 있었다.

유출수에 대한 분석

도 20는 유출수의 pH를 나타내고 있다. pH의 범위는 6에서 7.4의 범위였고 이것은 톨루엔의 분해되어 유기산을 생산하므로써 pH가 저하됨을 예상할 수 있었던 것이었다. 하지만 발견된 pH의 저하의 정도는 미생물의 활성에 크게 방해하는 정도가 아니었다.

담체에 대한 분석

담체의 압밀화에 관해서는 본 발명의 복합담체는 거의 압밀화가 일어나지 않았고 암면 담체도 낮은 압력강하를 보였다 (도 21 참고). 하기 표 10에서와 같이 균주수는 바이오필터 F내에서 6주 동안은 감소하였는데 이것은 고농도의 톨루엔의 유입과 담체들의 건조현상 때문인 것으로 판단된다. 수분함량은 38일째에 감소하는 현상을 도 22에서 볼 수 있다. 이것은 제거율의 저하와 관련이 있는 것으로 보인다. 톨루엔은 물에 대한 용해력이 떨어짐으로 수분함량의 감소가 gas/biofilm 계면에서의 총 이전(mass transfer)이 증진될 수 있겠지만 결과적으로 볼 때는 수분함량의 감소가 담체내의 미생물들의 수의 저하와 활성저하를 초래하였고 바이오필터의 제거용량에 영향을 미쳤다.

Microbial count in media samples from toluene columns

Days Elapsed	CFU/g media
	Rock wool only	Rock wool-Compost Media
1	9.60E+06	4.00E+06
9	5.03E+07	1.51E+07
17	4.71E+08	7.52E+08
38	9.00E+08	3.57E+08
53	1.69E+10	9.71E+09

하기 표 11에는 담체의 pH를 나타내었다. 반응기의 온도는 22C에서 30C 범위였다(도 23 참고). 미생물의 활성을 위해서는 22℃에서 35℃까지가 최적온도이며 소수성 가스의 분해는 40C이상에서는 방해를 받을 수 있는데 반응기의 온도가 미생물과 가스의 분해에 적합한 온도임을 확인할 수 있었다.

Variation of media pH in toluene columns

Days Elapsed	Media pH
	Rock wool only	Rock wool-Compost Media
17	7.27	7.83
38	7.66	8.49
45	7.18	8.19
52	7.37	8.26

④ Spike 테스트

Spike 테스트는 유입가스농도를 갑자기 상승함에 따른 바이오필터의 반응을 관찰하는 실험이다. 도 24에서 암모니아, 황화수소, 그리고 톨루엔 제거 반응기들 (바이오필터 A-F)에 대한 spike 테스트 결과를 보여주고 있다. 먼저 암모니아 제거 바이오필터의 경우는 80 ppmv에서 160 ppmv로 유입 암모니아 가스의 농도를 상승시켰을 때의 결과와 황화수소의 경우는 75 ppmv에서 150 ppmv로 상승시켰을 때, 그리고 톨루엔의 경우는 100 ppmv에서 200 ppmv로 상승시켰을 때의 결과를 나타내고 있다. 모든 가스들에 있어서 복합담체 시스템의 성능이 우수했고 특히 암모니아와 톨루엔의 경우가 더욱 두드러진 성능의 우수성을 보였다. 암면의 경우는 황화수소의 경우에 테스트한 농도범위에서 좋은 제거율을 보였다.

⑤ 제거능

도 25는 암모니아와 황화수소와 톨루엔제거 바이오필터들의 제거용량을 나타내고 있다. 아래 표 12에는 각 가스들에 대한 제거용량을 계산하여 보여주고 있다.

Elimination Capacities of the columns for NH₃, H₂S and Toluene

Biofilter Material	NH₃ Removal Rate g-NH_3Removed/m³ _bed/hr	H₂S Removal Rate g-H₂S_Removed/m³ _bed/hr	Toluene Removal Rate g-tol_Removed/m³ _bed/hr
Rock wool	3.5480	14.8375	35.0661
Novel Rock wool-compost	6.4428	12.0486	57.6466

암모니아와 황화수소의 경우 복합담체의 제거용량이 나쁘지는 않았지만 다소 낮은 값을 보였다. 제거율이 정상적이었으므로 이 결과는 바이오필터반응기의 부피의 제한성 때문인 것 같다. 반응기 컬럼의 직경은 0.1 m이었던 반면에 층 높이는 0.22 m이었다. 이러한 반응기의 차원(dimension)에서는 담체표면에서의 가스 상과 액체 상 간의 접촉시간이 다소 짧으며, 높은 가스농도에서는 총 이송 메카니즘(mass transfer mechanism)이 효과적이지 않게 된다. 결과적으로 제거율도 제한받게 된다.

톨루엔 제거 바이오필터시스템에서는 좋은 제거율을 얻었다. 활성탄의 첨가로 인한 영향인 것인 것을 판단된다.

⑥ 복합담체표면의 전자현미경(ESEM) 분석

실험을 행한 후의 복합담체표면과 내부의 전자현미경 (ESEM)사진을 도 26에 나타내었다. 예상대로 본 발명의 복합담체의 표면과 내부에 암면 섬유 표면에 두꺼운 바이오필름(biofilm)을 확인할 수 있었다. 암모니아처리 담체에서는 다소 적은 바이오필름이 관찰되었다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 복합 악취가스처리를 위한 바이오필터용 양수성 충진담체는 공모양으로 가볍고 구조적으로 단단하며 다공성과 수분함유량이 우수할 뿐 아니라, 부가적으로 영양분과 미생물을 함유할 수 있다. 또한, 본 발명의 양수성 복합 충진담체는 우수한 물리적 성질과 균주의 성장과 활동에 필요한 영양분과 수분의 공급과 서식환경이 우수하고 압력손실과 압밀화와 같은 바이오필터의 운전을 위한 성질도 우수하며 친수성과 소수성 복합 악취제거에 뛰어난 효과가 있는 유용한 발명이다.

Claims

지렁이 분변토로 된 유기성 담체와 암면으로 된 무기성 담체를 65 ~ 75 : 35 ~ 25의 비율로 혼합하고, 여기에 활성탄과 유기 접착제로 폴리비닐 알콜(Polyvinyl alcohol; PVA), 글루타르알데하이드(glutaraldehyde) 또는 TEOS 중 어느 하나를, 무기 접착제로 벤토나이트를 부가하여 비드(bead)로 성형하여 건조한 다음, 상기 비드 내에 악취 분해 균주와 영양분을 같이 고정화하여 구성되는 복합 악취가스처리를 위한 바이오필터용 양수성 충진담체.
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