KR100953069B1 - 바이오필터를 이용한 오염 공기 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 공기 처리 장치는 오염된 공기를 공급하는 오염 공기 공급부, 상기 오염공기 공급부에서 공급된 오염 공기를 처리하는 반응조를 포함하고, 상기 반응조는 하우징, 상기 하우징에 삽입되고 상기 오염 공기 공급부와 연결되어 오염 공기를 1차적으로 처리하는 바이오필터, 상기 바이오 필터에서 배출된 1차 처리된 오염 공기를 분산시키는 디퓨저, 및 상기 바이오필터가 침지되고 상기 디퓨저에서 분산된 1차 처리된 오염 공기를 2차 처리하는 반응액을 포함한다.

반응조, 중공사막, 바이오필터, 반응액, 미생물, 공기 처리 장치

Description

바이오필터를 이용한 오염 공기 처리 장치{Device and method for treating contanimated air using biofilter}

본 발명은 중공사막(Hollow fiber membrane)을 포함하는 바이오필터(biofilter)에 의하여 공기를 정화하는 공기정화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기성 악취물질이 발생하는 경우에 유기성 악취물질을 포함하는 공기를 중공사막 내부에서 1차적으로 처리하고 중공사막에서 유출된 1차 처리된 공기를 반응조 내부로 재유입하여 부유상태의 미생물에 의하여 2차적으로 처리함으로써 효율적으로 오염물질을 제거할 수 있는 공기 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

산업현장에서 발생하는 유기성 악취물질을 제거하는 방법에는 크게 물리·화학적 방법과 생물학적 방법으로 나누어 볼 수 있다.

일반적인 물리·화학적방법은 흡수법, 흡착법, 직접 연소법 등이 있으나 높은 유지관리비와 반응 후에 2차적인 오염물질이 발생하는 문제점 등이 있다. 따라서 최근 유기화합물 처리기술의 대안으로서 친환경적이며, 경제적 측면에서 유리한 생물학적방법이 활발히 적용되고 있다. 이러한 생물학적 처리방법은 미생물 활동으로 유기성 악취물질을 산화·분해하는 방법이며, 유지비가 저렴하고, 물리화학적 방법 에 비하여 2차 오염물질이 발생하지 않는 장점이 있다.

현재 바이오필터(biofilter)에 사용중인 담체는 재질과 모양이 매우 다양하며, 각 처리장치의 효율을 결정하는 가장 중요한 요인으로 이를 개선하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.

생물학적방법으로 가장 보편적으로 이용되는 바이오필터로서 사용되는 충전재는 콤포스트(compost), 피트(peat), 목재 칩(wood chip), 복합 세라믹 재질로써 오염물질 분해능력이 있는 미생물을 필름형태로 부착시켜 처리하는 방식이다. 미생물을 이용한 바이오필터는 벤젠과 톨루엔 등의 방향족 화합물 뿐만 아니라 알데히드류 유기산류 등의 다양한 휘발성 유기화합물을 제거하기에 효과적인 것으로 알려져 있다. 그러나, 위와 같은 유기물질들을 이용한 바이오필터는 장기운전시 미생물의 과다증식과 충전재의 변형 및 압착현상에 의해서 파울링(fouling) 및 채널링(channeling) 현상이 발생하여 제거효율이 감소하는 경향을 나타내므로 주기적으로 내부 충전재를 교환해주어야 한다.

그러나 주기적인 내부 충전재의 교환은 바이오필터의 유지관리비를 상승시키며, 교환 후 바이오필터가 안정화될 때까지 시간을 필요로 한다. 이에 장기적으로 안정적인 반응조 효율을 나타내는 바이오필터의 내부 충전재에 관한 연구 및 이를 채용한 공기 처리 장치에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 공기 처리 장치는 오염된 공기를 공급하는 오염 공기 공급부, 오염공기 공급부에서 공급된 오염 공기를 처리하는 반응조를 포함하고, 반응조는 하우징, 하우징에 삽입되고 오염 공기 공급부와 연결되어 오염 공기를 1차적으로 처리하는 바이오필터, 바이오 필터에서 배출된 1차 처리된 오염 공기를 분산시키는 디퓨저, 및 바이오필터가 침지되고 디퓨저에서 분산된 1차 처리된 오염 공기를 2차 처리하는 반응액을 포함한다.

바이오 필터는 다수의 중공사막, 및 다수의 중공사막을 지지하는 필터 서포터를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 공기 처리 장치는 오염 공기 공급량을 조절하는 유량 조절 장치를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 공기 처리 장치는 오염 공기의 공급 압력을 측정하는 압력 검출 장치를 더 포함하고, 유량 조절 장치는 상기 압력 검출 장치로부터 검출된 압력 신호를 수신받아 소정의 압력으로 오염 공기를 공급할 수 있다.

반응액은 미생물, 배양 염류 및 물을 포함하고, 반응액의 수소 이온 농도는 5 ~ 8이다.

디퓨저는 재순환 포트에서 배출된 1차 처리된 오염 공기를 반응조내의 반응액에 일정한 크기의 기포로 공급하기 위하여 일정한 크기의 다수의 개구부를 갖는다.

본 발명의 일실시예에 따른 공기 처리 장치는 수소 이온 농도와 반응액을 일정하게 유지하기 위하여 반응액을 공급하는 반응액 공급 포트를 더 포함할 수 있다.

반응조는 오염 공기 공급부에서 공급된 오염 공기를 바이오필터에 주입하는 주입구, 바이오필터에서 1차 처리된 오염된 공기를 배출하여 디퓨저를 통하여 반응액에 재주입하는 재순환 포트 및 반응액에서 2차 처리된 공기를 배출하는 배출구를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 장치는 반응조와 배출구 사이에 위치하여 2차 처리된 오염 공기의 정화 상태를 확인하는 제1 검출 포트를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 장치는 반응조와 상기 재순환 포트 사이에 위치하여 1차 처리된 오염 공기의 정화 상태를 측정하는 제2 검출 포트를 더 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 중공사막 공기 처리 장치는 유기성 악취 오염물질에 적절히 대응할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 본원발명은 단기처리효율이 100%에 육박할 뿐만 아니라 장기유지성능이 85 %에 달할 정도로 오염물질 제거율이 우수한 특성을 지니는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오필터에 의하여 유기 악취물질을 제 거하는 공기 처리 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징, 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 중공사막을 채용한 바이오필터를 포함하는 공기 처리 장치의 개략도이다.

도1에 도시된 바와 같이, 공기 처리 장치(100)는 크게 오염공기를 일정한 압력으로 공급하는 오염 공기 공급부(110)와 오염공기 공급부(110)에서 공급된 오염 공기를 처리하는 반응조(120)를 포함한다.

도1에 도시된 바와 같이, 오염 공기 공급부(110)는 오염된 공기를 생성하는 오염 공기 발생원(111), 오염 공기 발생원(111)에서 공급된 오염된 공기와 일반 공기를 공급하는 일반 공기 공급부(112), 및 오염 공기 발생원(111)과 일반 공기 공급부(112)에서 공급된 공기를 혼합하는 혼합 챔버(113)를 포함한다. 그러나, 도1에 도시된 오염 공기 공급부(110)는 일반 공기 공급부(112)와 혼합 챔버(113)없이 오염 공기 발생원(111)으로 구성될 수 있으며, 오염 공기 발생원(111)은 다양한 화학 약품, 반도체 및 LCD(Liquid Crystal Display) 제조를 위한 공정 챔버가 될 수 있다.

반응조(120)는 하우징(121), 하우징(121)에 삽입되어 오염 공기 공급부(110)의 혼합 챔버(113)와 연결되어 오염 공기를 1차적으로 처리하는 바이오필터(122), 바이오 필터(122)에서 배출된 1차 처리된 오염 공기를 분산시키는 디퓨저(123), 및 바이오필터(122)가 침지되고 디퓨저(123)에서 분산된 1차 처리된 오염 공기를 2차 처리하는 반응액(124)를 포함한다.

또한, 반응조(120)는 상기 혼합 챔버(113)에서 공급된 오염 공기를 바이오필터(122)에 주입하는 주입구(125), 바이오필터(122)에서 1차 처리된 오염된 공기를 배출하여 디퓨저(123)를 통하여 반응액(124)에 재주입하는 재순환 포트(126), 및 반응액(124)에서 2차 처리된 공기를 배출하는 배출구(127)를 더 포함할 수 있다.

오염 공기 공급부(110)와 반응조(120)사이에 오염 공기의 공급 압력을 측정하는 압력 검출 장치(114)를 구비할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 공기 처리 장치는 압력 검출 장치(114)를 더 포함하여, 압력 검출 장치(114)에서 검출된 압력신호에 의하여 유량 조절 장치(115)를 통해서 오염 공기를 적정한 압력의 유량으로 조절되어 반응조(120)의 하우징(121) 내부로 주입된다.

한편, 반응조(120) 상단과 배출구(127) 사이에 설치된 제1 검출 포트(128)에서 2차 처리된 오염 공기의 정화 상태를 확인할 수 있다. 또한, 반응조(120) 하단과 재순환 포트(126) 사이에 설치된 제2 검출 포트(129)에서 유입되는 1차 처리된 오염 공기의 정화 상태를 측정할 수 있다.

반응조(120)의 하우징(121)은 메탈, 탄소 섬유 또는 플라스틱 재질로 구성될 수 있으며, 반응액(124)이 외부로 누출되지 않도록 밀봉되어 있다.

반응액(124)은 주로 액상으로 구성되어 있고 예를 들어 수도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)라는 미생물이 염양 염류와 물에 의하여 배양한다. 미생물을 배양하기 위하여 별도의 반응액 주입 포트(130)를 통하여 미생물과 반응액을 반 응조(124)에 주입한다.

미생물의 종류 또는 오염 물질의 종류에 따라 다르지만 반응액(124) 내에서 종속미생물과 오염 물질 사이에 반응이 일어나는 중에 반응액의 수소 이온 농도(pH)가 5 ~ 8 범위를 벗어날 경우 미생물이 활성을 가지기 어렵기 때문에 새로이 영양 염류를 공급함으로써 상기 반응액의 수소 이온 농도(pH)를 조절할 수 있다.

또한, 반응조(120)의 반응액(124)이 일정한 높이 이하로 내부 액상이 감소할 경우 반응액 주입 포트(130)를 통하여 영양 염류와 물을 보충해줄 수 있다.

본 발명의 일실시예에서 바이오필터(122)는 다수의 중공사막(132)과 다수의 중공사막의 양단을 지지하는 필터 서포터(142)를 포함한다. 바이오필터의 일단을 지지하는 필터 서포터(142)는 주입구(125)과 연결되고 바이오필터의 타단을 지지하는 필터 서포터(142)는 재순환 포트(129)와 연결된다.
도2는 하나의 중공사막의 단면을 나타내는 단면도이다. 도2에 도시된 바와 같이, 중공사막은 중공사막의 양단을 관통하는 중공을 가지며, 외벽과 내벽 사이에서 다수의 공극을 갖는 중공사 조직을 포함한다. 중공사 조직의 공극 크기는 미생물 크기인 3㎛ ~ 10㎛보다 작은 0.5㎛ ~ 1.0㎛인 것이 일반적이다.

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오염된 공기가 중공사막(132)의 일단으로 공급되면, 오염된 공기 중 일부는 중공을 통과하면서 동시에 중공사막의 내벽과 중공사 조직의 공극을 투과하게 되고, 중공사막 외벽에 침착된 미생물이 오염 물질을 처리하게 된다. 오염물질이 제거된 공기는 중공사막의 타단을 통하여 배출된다. 이렇게 배출된 공기는 필터 하우징의 하부로 모아 지게 되어 재순환 포트(126)로 배출된다.

디퓨저(123)는 재순환 포트(126)에서 배출된 1차 처리된 오염 공기를 반응조(120)내의 반응액(124)에 일정한 크기의 기포로 공급하기 위하여 일정한 크기의 다수의 개구부가 형성된 판상으로 하우징(121)내에 설치되어 있다. 이에 따라 1차 처리된 오염 공기는 디퓨저(123)의 다수의 개구부를 통과하는 과정에서 오염 공기가 작은 기포로 분산되어 반응조(120) 내부의 반응액(124)에 주입된다.

하기의 표 1은 혼합오염공기를 반응조 체류시간(EBRT:Empty Bed Residence Time)을 60 초와 30 초로 고정시키고, 유입농도를 변화시키는 과정을 통해서 실험을 수행했다. 표 1의 실험조건을 통해 도출된 결과는 도2를 통해 도시된다.

타입	반응조 체류시간	유입량, 주입 농도
처리 조건 1	60 초	10.8~108 g/m3/hr, 50~500 ppm
처리 조건 2	30 초	21.6~216 g/m3/hr, 50~500 ppm

도3과 도4는 반응조 체류시간이 고정되고 유입되는 오염물질의 농도가 변화되는 상태에서 처리 조건 1과 처리 조건 2의 바이오 필터에 오염물질을 투입하였을 경우 농도에 따른 전체 누적 제거율을 나타내는 그래프이다.

도3과 도4에 도시된 바와 같이, 파란색은 바이오필터(122)에서 오염된 공기에 포함된 오염물질의 1차 제거율이고 빨간색은 반응액(124)에서 오염된 공기에 포함된 오염물질의 2차 제거율을 나타내고 있다.

도3과 도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 공기 처리 장치는 처리 조건 1과 처리 조건 2에서 모두 오염 물질을 80%이상 제거하는 효과를 나타내고 있다. 그러나, 처리 조건 2에서 보는 바와 같이, 오염 물질의 농도가 300ppm이상이고 반응조 체류시간이 30초 이하인 경우, 오염 공기 처리 효율이 80%이하로 떨어질 수 있다. 따라서, 반응조 체류시간을 30초 이상으로 유지하도록 오염 공기 공급부는 오염 공기 유량을 조절하는 것이 바람직하다.

이제까지 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 이 발명이 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 이해되어야 한다. 이 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 이 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 장치를 나타내는 개략도,

도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오필터의 하나의 중공사막의 단면 사진도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 장치의 반응조 체류시간이 60초인 경우의 처리효율을 나타내는 그래프,

도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 공기 정화 장치의 반응조 체류시간이 30초인 경우의 처리효율을 나타내는 그래프를 각각 나타낸다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >

100: 공기 처리 장치 110: 오염 공기 공급부

114: 압력 검출 장치 115: 유량 조절 장치

120: 반응조 122: 바이오필터

123: 디퓨저 124: 반응액

125: 주입구 126: 재순환 포트

132: 중공사막 142: 필터 서포터

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
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7. 공기 처리 장치에 있어서, 오염된 공기를 공급하는 오염 공기 공급부; 상기 오염공기 공급부에서 공급된 오염 공기를 처리하는 반응조를 포함하고,상기 반응조는 하우징, 상기 하우징에 삽입되고 상기 오염 공기 공급부와 연결되어 오염 공기를 1차적으로 처리하는 바이오필터, 상기 바이오 필터에서 배출된 1차 처리된 오염 공기를 분산시키는 디퓨저, 상기 바이오필터가 침지되고 상기 디퓨저에서 분산된 1차 처리된 오염 공기를 2차 처리하는 반응액, 상기 오염 공기 공급부에서 공급된 오염 공기를 상기 바이오필터에 주입하는 주입구, 상기 바이오필터에서 1차 처리된 오염된 공기를 배출하여 상기 디퓨저를 통하여 상기 반응액에 재주입하는 재순환 포트, 및 상기 반응액에서 2차 처리된 공기를 배출하는 배출구를 포함하고,

   상기 바이오 필터는 다수의 중공사막, 및 다수의 중공사막을 지지하는 필터 서포터를 포함하여, 그 일단이 상기 주입구에 연결되고 그 타단이 재순환 포트에 연결되며,

   오염 공기 공급량을 조절하는 유량 조절 장치를 더 포함하고,

   오염 공기의 공급 압력을 측정하는 압력 검출 장치를 더 포함하여,

   상기 유량 조절 장치는 상기 압력 검출 장치로부터 검출된 압력 신호를 수신받아 소정의 압력으로 오염 공기를 공급하며,

   상기 반응액은 미생물, 배양 염류 및 물을 포함하고,

   상기 반응액의 수소 이온 농도는 5 ~ 8이고,

   수소 이온 농도와 반응액을 일정하게 유지하기 위하여 반응액을 공급하는 반응액 공급 포트를 더 포함하며,

   상기 디퓨저는 상기 재순환 포트에서 배출된 1차 처리된 오염 공기를 반응조내의 반응액에 일정한 크기의 기포로 공급하기 위하여 일정한 크기의 다수의 개구부를 갖으며,

   상기 주입구로 주입된 오염된 공기 중 일부는 상기 중공사막에 형성된 중공을 통과하면서 처리된 후에 중공사막의 타단으로 배출되어 상기 재순환 포트에 전달되는 것을 특징으로 하는 공기 처리 장치.
8. 삭제
9. 제7항에 있어서,

   상기 반응조와 배출구 사이에 위치하여 2차 처리된 오염 공기의 정화 상태를 확인하는 제1 검출 포트를 더 포함하는 공기 처리 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 반응조와 상기 재순환 포트 사이에 위치하여 1차 처리된 오염 공기의 정화 상태를 측정하는 제2 검출 포트를 더 포함하는 공기 처리 장치.

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