KR101343474B1

KR101343474B1 - 바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치

Info

Publication number: KR101343474B1
Application number: KR1020130105596A
Authority: KR
Inventors: 김규열
Original assignee: 주식회사 두현이엔씨
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2033-09-03

Abstract

본 발명은 바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치에 관한 것으로서, 바이오필터를 이용한 생물학적 처리방식과 정수 수초를 이용한 자연정화방식을 결합함으로써 악취제거 미생물과 정수 수초와의 상호 작용에 의해 저비용으로 악취 제거 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여 본 발명은, 침사지(10)에 저장되어 있는 하수(11)에서 발생하는 악취를 흡입하여 이를 바이오필터(30)로 유입시키는 송풍팬(20)과, 악취 유입관(21)을 통해 유입되는 악취를 바이오필터(30)에 의해 저감시키는 하수처리시설의 악취 저감장치에 있어서, 상기 바이오필터(30)는, 본체(31)의 하부에 구비되어 상기 악취 유입관(21)을 통해 유입되는 악취를 본체의 상부로 토출시키는 제1 다공판(32a)과, 상기 제1 다공판(32a)과 일정 거리 이격되어 구비되는 굵은 자갈층(33)과, 상기 제1 다공판(32a)과 굵은 자갈층(33) 사이에 구비되어 굵은 자갈층(33)의 하부를 지지하는 제2 다공판(32b)과, 상기 굵은 자갈층(33)의 상부에 구비되는 세라믹 담체층(34)과, 상기 세라믹 담체층(34)의 상부에 구비되는 잔 자갈층(35)과, 상기 잔 자갈층(35)의 상부에 구비되는 모래층(36)과, 상기 모래층(36)에 식재되는 정수 수초(40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치{Malodor Reduction Apparatus in Sewage Treatment Facility Using Biofilter with Purification Waterweed}

본 발명은 바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 바이오필터를 이용한 생물학적 여과방식과 정수 수초를 이용한 자연 정화방식을 결합함으로써, 바이오필터에 서식하는 악취 제거 미생물과 정수 수초와의 상호 작용에 의해 하수처리시설에서 발생하는 악취를 효율적으로 저감시킬 수 있는 악취 저감장치에 관한 것이다.

최근 생활수준의 향상으로 주변 환경에 대한 관심이 점차 높아지면서 환경 관련 민원도 증가하는 추세에 있다. 이 중에서 악취는 사람의 후각을 직접 자극하기 때문에 일반인들이 가장 민감하게 반응을 하게 된다.

정부에서는 2005년부터 별도의 악취방지법을 제정하여 악취를 관리하고 있고, 악취 저감기술에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

악취방지법에 의하면, 악취는 "황화수소, 메르캅탄류, 아민류 기타 자극성 있는 기체상의 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새" 로 정의되어 있다.

악취는 그 배출원이 매우 다양하고 복합적으로 작용한다는 특성이 있다.

즉, 주변환경과 같은 지역적인 특성, 개인의 생활수준, 개인의 취향 및 특성에 따라 서로 다르게 나타나며, 동일물질에 대해서도 개인별 후각능력과 악취 감지빈도에 따라 큰 차이가 있다.

따라서 악취를 단순히 오염 농도로만 나타내기에는 어려운 점이 있고, 악취발생원 관리와 악취 저감대책을 수립하는 데도 어려움이 따른다.

악취 유발물질의 종류는 매우 다양하며, 대표적인 물질로는 황화수소, 메틸머캅탄 등과 같은 황화합물, 암모니아, 아민계열의 질소화합물, 그 외 알데하이드류, 지방산류, 탄화수소류 등이 있다.

악취유발물질은, 대체로 분자량이 작고 휘발성이 강한 특성이 있으며, 분자구조 및 작용기에 따라 물질특성이 각기 다르게 나타난다.

한편, 악취를 발생시키는 악취발생원은, 크게 자연적 발생원과 인위적 발생원으로 구분할 수 있다.

상기한 자연적 발생원으로는, 물질자체에서 유발하는 취기와 자연계에 존재하는 미생물의 분해작용으로 발생하는 암모니아, 황화수소, 메탄 등이 있다.

상기한 인위적 발생원은, 사업장에서의 생산활동으로 발생하는 악취와 분뇨 및 하수처리장 등 환경기초시설에서 발생하게 된다.

이 중에서 공공하수처리시설에서 악취가 많이 발생하게 되는데, "공공하수처리시설" 이라 함은, 하수를 처리하여 하천·바다 또는 그 밖의 공유수면에 방류하기 위하여 지방자치단체가 설치 또는 관리하는 처리시설을 총칭한다.

또한, "하수"라 함은 사람의 생명이나 경제활동으로 인하여 액체성 또는 고체성의 물질이 섞이어 오염된 물(오수)과 건물·도로 및 그 밖의 시설물의 부지로부터 하수도로 유입되는 빗물·지하수를 의미한다.

또한 하수의 관거는 합류식과 분류식으로 크게 구분되는데, "합류식하수관거"라 함은 오수와 하수도로 유입되는 빗물·지하수가 함께 흐르도록 하기 위한 하수관거를 말하며, "분류식하수관거"라 함은, 오수와 하수도로 유입되는 빗물·지하수가 각각 구분되어 흐르도록 하기 위한 하수관거를 말한다.

공공하수처리시설에서 배출되는 악취물질은, 주로 하수관거를 통해 하수가 유입되는 과정과 하수처리과정에서 발생한다.

하수처리시설에서의 취기발생원은, 하수가 처리장으로 유입되어 협잡물과 침사물이 제거되는 공정인 침사지 및 최초 침전지와 하수 찌꺼기가 최종적으로 처리되는 농축·탈수공정에서 주로 발생된다.

상기 하수처리시설에서의 주요 악취성분으로는 질소화합물인 암모니아(NH₃)와 황화합물인 황화수소(H₂S)가 있다.

상기한 암모니아는, 하수도에서 하수가 체류하는 시간이 길고 온도가 상승함에 따라 유기질소 화합물의 가수분해에 의해 생성된다.

상기 황화수소는, 하수관거내 협잡물 및 하수찌꺼기의 침적으로 하수에 존재하는 황산염이 황산염 환원균에 의해 H₂S로 환원되어 발생한다.

하수처리시설에서 발생하는 취기는, 유입 하수의 성상과 처리공정에 따라 악취의 종류와 취기 정도가 상이하며, 현재까지 알려진 취기성분은 약 50 여종에 이르고 있다.

이처럼 악취는 발생원에 따라 그 성분이 다양하여 악취유발물질에 적합한 처리가 필요한데, 이러한 악취를 처리하는 방법으로는 물리·화학적 처리방법, 생물학적 처리방법, 고도산화방법 등이 있다.

상기한 물리·화학적 처리방법으로는, 냉각응축, 고온산화, 촉매산화, 흡착, 약액세정법, 오존산화법 등이 있다.

상기한 물리·화학적 처리방법에서 냉각응축 방식은, 냉각에 의해 비응축성 가스로부터 고농도의 악취물질인 휘발성 유기화합물(VOCs)을 분리하는 것으로, 일정한 압력에서 온도를 낮추거나 또는 일정한 온도에서 압력을 높여주는 방식이다.

상기한 냉각응축 방식은 주로 다른 처리기술과 병합하여 사용되며, 고농도의 악취물질에 대한 유용성과 연속냉각 및 가압에 의한 오염물질 회수가 가능한 장점을 가지고 있다.

상기한 냉각응축 방식은, 유류저장탱크, 이송터미널에서 발생하는 휘발성 유기화합물의 제거에 많이 사용되며, 회수율은 90-99%까지 가능한 것으로 알려져 있다.

다음으로 고온산화 또는 열소각 방식은, 배출가스 중 악취 물질을 함유한 공기를 고온에서 연소시켜 제거하는 방식으로, 650~900℃의 연소온도를 유지하기 위한 천연가스나 기름 등의 보조연료가 필요하다.

연소과정에서 악취물질이 완전히 산화되는데 필요한 시간은 보통 0.5~1초 정도이나, 배출 가스 중에 염소와 불소 등 할로겐 화합물이 존재하면 보다 긴 체류시간이 필요하다.

상기한 열소각 방식은, 폐열 이용이 가능하고 대부분의 유기 악취물질 처리에 적용가능하지만 시설비와 운영비가 높은 단점이 있다.

다음으로 촉매산화 또는 촉매소각 방식은, 고온산화와 유사한 방식으로 악취가스를 포집하여 촉매가 충전된 연소실에서 고온으로 연소시켜 제거하는 방식이다.

촉매산화는 200~700℃의 온도에서 촉매제인 Pt, Pb, Rh, CuO₂/MnO₂ 등을 이용하며, 납, 비소, 황, 안티몬, 수은, 철산화물, 아연 등의 촉매유도체를 포함하는 배출가스는 촉매의 활성을 급격히 저하시키는 문제가 있기 때문에 전처리를 하여 야 한다.

상기 촉매산화 방식은, 낮은 농도의 악취제거에 주로 사용되며 촉매의 수명 연장을 위해 주기적으로 불활성 물질이나 미세입자들을 제거해 주어야 한다. 이에 따라 시설비와 운영비가 고가인 단점이 있다.

다음으로 흡착 방식은, 기체상태의 악취물질이 흡착제와 분자 간의 인력에 의해 결합하여 분리·제거되도록 하는 방식으로, 제거효율은 높으나 흡착제의 최종처리 및 교체로 인해 비경제적이라는 단점이 있다.

상기한 흡착제로는, 활성탄, 실리카겔, 알루미나, 제오라이트 등이 있으며, 이 중에서 활성탄이 널리 사용되고 있다.

상기한 활성탄으로는, 분말활성탄, 입상활성탄, 섬유상 활성탄 등이 있으며, 이 중에서 입상활성탄이 비표면적이 크고 압력손실이 적어 가장 널리 사용되고 있다.

상기한 제오라이트는, 비가연성이며 흡착된 용제 간의 발열반응으로 인한 핫 스폿(Hot Spot) 현상이 없고, 흡착력이 높아 높은 유속에서도 성능이 우수한 특징을 갖고 있다.

그러나 상기 제오라이트는 악취물질의 흡착성능을 높이기 위해서 친수성에서 소수성으로 변형시켜 주어야 하는 단점이 있다.

다음으로 약액 세정법은, 화학반응과 물리적 흡수를 이용하여 악취가스를 제거하는 방법이다.

상기한 화학반응은, 악취가스와 약액의 접촉을 통해 중화반응과 산화반응을 유도하여 제거하는 것으로, 염기성 악취가스인 암모니아나 아민류는 산성약품과 산성가스인 황화수소, 메르캅탄류는 염기성 약품과 중화반응시켜 염화합물 상태로 제거하고, 산화반응은 NaOCl, HClO, H₂O₂, KMnO₄ 등의 산화제를 사용하여 산화분해시켜 제거한다.

상기한 약액 세정법에 사용되는 장치로는, 충전탑(Packed Tower), 분무탑(Spray Tower), 벤튜리 스크러버(Venturi Scrubber), 제트 스크러버(Jet Scrubber), 싸이클론 스크러버(Cyclone Scrubber)등이 있으며, 단독 또는 두 종류 이상을 복합으로 설치하는 경우도 있다.

상기한 약액 세정법의 경우에는 화학반응에 따른 2차 오염의 문제점이 있어 이에 대한 대책이 필요하다.

마지막으로 오존산화법은, 오존의 산화작용을 통해 악취물질을 산화분해시키는 방법으로, 황화합물의 악취물질제거에는 비교적 효과가 있으나, 암모니아나 저급 아민류에 대한 효과는 다소 떨어지는 단점이 있다.

또한 오존산화법은, 건조공기에 고전압을 걸어 오존을 발생시키는 오존발생장치와 오존공급량 제어장치 등의 부대설비가 필요하고, 처리 후 인체에 유해한 오존이 잔존하게 되는 단점이 있다.

다음으로 악취의 생물학적 처리방식으로는, 활성슬러지 탈취법, 토양탈취법, 생물여과법 등이 있다.

먼저 활성슬러지 탈취법은, 기액 접촉방식에 의한 악취물질 제거방식으로, 악취물질을 포기조로 송기하여 포기조 내의 미생물을 이용하여 제거하는 방법이다.

상기한 활성슬러지 탈취법은, 기존 구조물을 이용하므로 비교적 설치비용이 적게 든다는 장점이 있으나, 후속처리가 필요하며 압력손실이 커서 처리용량에 제약이 따른다는 단점이 있다.

또한 반응탑 내에서 살수되는 활성슬러지와 악취 물질을 접촉시키는 방식의 활성슬러지 스크러버 방식은, 처리용량이 포기조 탈취방식에 비해 크다는 장점이 있는 반면, 기액 접촉시간이 짧아 난용성 악취물질의 제거율이 낮고, 악취성분의 변동에 대한 대응력이 낮다는 단점이 있다.

다음으로 토양탈취법은, 악취물질이 토양층을 통과하면서 공극에서의 흡수작용과 토양입자에의 흡착작용을 통해, 토양층에 서식하는 토양 미생물에 의한 분해작용 및 토양성분과의 화학반응으로 악취를 제거하는 방법이다.

상기 토양탈취법은, 토양의 건조방지를 위해 살수 장치가 필요하며, 운전비가 저렴하고 유지관리가 용이하여 적용 폭이 크다는 장점이 있는 반면, 높은 통기저항에 대한 압력손실의 감소를 위해 넓은 부지면적이 필요하고 토양 공극의 폐쇄현상, 강우시 단락류 발생, 동절기 동결방지 등에 대한 대책이 필요하다는 단점이 있다.

마지막으로 생물여과법은, 악취 및 VOCs 성분이 담체층을 통과하면서 충진 담체에 부착된 미생물에 의해 분해하는 방법으로서, 대부분의 생활악취 및 VOCs 처리가 가능하고, 유기성 악취발생원인 일반 하수처리장, 폐수처리장 등에 적용이 가능하다.

상기한 생물여과법의 처리 메카니즘은, 오염원에서 포집된 악취 성분이 충진담체 표면에 형성된 생물막을 통과함으로써 물리적 흡수작용과 흡착이 이루어지고, 흡착된 악취물질이 충분한 체류시간을 거치면서 미생물에 의해 산화·분해되는 것이다.

상기한 생물여과법의 하나로서 다양한 재질의 다공성 충진담체를 이용한 바이오필터(Biofilter) 방식이 있다.

상기 바이오필터 방식에서는, 악취가 담체층을 통과하면서 담체내에 부착된 미생물에 의해 산화·분해되어 처리된다.

상기 바이오필터 장치는, 본체, Load Equalizer, 분진제거장치, 가습기, 영양분 공급장치 등으로 구성되며, 형태에 따라서 폐쇄형(Closed Type)과 개방형(Open Type)으로 구분된다.

도 1은 상기한 폐쇄형 바이오필터를, 도 2는 개방형 바이오필터 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

상기한 바이오필터 방식은, 설치비용과 운전비용이 타 방식에 비해 경제적이고, 충진담체에 부착된 미생물 산화에 의해 악취성분이 이산화탄소와 물로 분해되어 완전 무취화되는 환경 친화적 방법으로 각광받고 있다.

상기 바이오필터를 이용한 방식으로는, 반응기 내 미생물 부착유무와 살수방식에 따라 바이오트리클링 필터(Biotrickling Filter), 바이오 스크러버(Bioscrubber) 등이 있다.

상기한 바이오 트리클링 필터는, 도 3에 개략적으로 도시한 바와 같이, 처리원리는 상기한 바이오필터와 유사하나, 미생물 성장에 필요한 영양분을 순환수를 통해 공급해 줌으로써 충진담체 표면에 형성된 생물막(Biofilm)에 의해 악취를 처리한다.

다음으로 바이오 스크러버는, 도 4에 개략적으로 도시한 바와 같이, 크게 흡수장치(Absorber)와 바이오리액터(Bioreactor)로 구성되며, 흡수장치가 순환수를 반응기 내부 충진층에 분사하여 악취가스와 순환수의 접촉을 통해 악취를 흡수한다. 여기서 흡수된 악취가스는, 바이오리액터로 이송되어 반응기 내의 미생물에 의해 분해가 일어나게 된다.

상기한 바이오 스크러버는, 흡수를 위해 큰 접촉면적과 다량의 순환수를 필요로 하므로 규모가 커지는 단점이 있다.

상기한 생물학적 악취 제거기술에서는, 여러 종류의 악취 물질를 제거하기 위해 처리목적에 맞는 적정한 탈취 미생물의 개체수 유지가 중요하며, 적정 미생물 개체확보와 효과적인 악취제거를 위해서는 최적의 담체를 선정하여야 한다.

상기 미생물 담체는, 미생물 부착이 용이하고 적정 미생물을 유지할 수 있으며, 악취물질과 미생물 상호 간의 접촉율이 높도록 넓은 비표면적을 가져야 하고 구조 및 화학적으로 안정되어야 할 것이 요구된다.

또한 미생물 담체는, 공극율이 높고 보수성이 좋아야 하며 시간경과에 따른 압력손실이 적어야 하는 등의 요건을 갖추어야 한다.

현재 다양한 형태의 담체 들이 생물학적 처리방식에 적용되고 있는데, 그 종류로는 토양 및 퇴비 등의 유기성 담체와, 인공물질로 이루어진 무기성 담체로 구분할 수 있다.

일반적인 미생물 담체의 재질로는, 생물학적 잔류물(토양, 완숙퇴비, 피트(Peat) 등)과 벌킹 에이전트(Bulking Agent)(나무조각, 활성탄, 입상 폴리우레탄 , 폴리스티렌 비드 등), 다공성 세라믹 등이 사용되고 있으며, 급격한 pH 변동을 방지하기 위한 완충제로서 조개껍데기, 석회석 등이 사용되기도 한다.

상기한 미생물 담체의 재질 중에서 토양은, 미생물의 서식분포가 높고 경제적이어서 미생물 담체로 널리 이용되고 있고, 친수성으로서 완숙퇴비나 피트에 비해 수화되기 쉬운 장점을 가지고 있다.

그러나 상기한 토양은, 시간이 경과함에 따라 압력손실의 증가로 공기공급이 원활하지 않아 제거효율이 저하되는 단점이 있다.

또한 상기 토양은, 다양한 종류의 미생물을 함유하고 있는 반면, 자체 영양분이 상대적으로 낮아 처리용량에 한계가 있고, 가스 체류시간을 길게 주어야 하며 넓은 부지면적이 필요하다는 단점이 있다.

담체의 재질 중에서 완숙퇴비(Compost)는, 다양한 종류의 미생물을 포함하고 있고 보습력이 뛰어나며, pH가 중성이고 적절한 유기물을 함유하고 있다는 장점이 있다.

그러나 압력손실이 상대적으로 많아, 주로 나무조각, 펄라이트 등의 벌킹 에이전트(Bulking Agent)와 혼합하여 사용한다.

또한, 미완숙퇴비를 담체로 사용할 경우, 반응기 내부에서 퇴비화의 진행으로 암모니아, 황화수소와 같은 악취가 발생할 수도 있다.

상기한 퇴비는, 미생물의 성장에 필요한 영양원을 자체적으로 함유하고 있어 미생물의 서식조건이 양호하다는 장점이 있으나, 수분이 과다하게 공급될 경우에는 혐기성화 되어 악취가 발생하거나, 호기성 악취제거 미생물의 생육을 저해하는 문제점이 있다.

담체의 재질 중에서 피트(Peat)는, 자체적으로 다량의 미생물을 함유하고 있지 않기 때문에, 담체로 사용시 미생물 추가 식종이 필요하며, 영양원도 적어 별도의 영양공급이 필요하다는 단점이 있다.

또한 상기 피트는, 비드(Bead)의 물질 특성이 산성을 띠며 소수성인 관계로 비드 내에 수분을 내재시키기가 어렵다는 문제가 있다.

담체의 재질 중에서 나무조각(Wood Chip) 및 수피(Wood Bark)는, 벌킹 에이전트로 주로 사용되나 최근에는 미생물 담체로 사용되기도 한다.

상기 나무조각이나 수피를 담체로 사용할 경우, 비교적 압력손실이 적고 공기의 흐름을 원활하게 유지시켜 주는 장점이 있으나, 별도의 영양원 공급이 필요하고 미생물 부착성이 좋지 않다는 단점이 있다.

담체의 재질 중에서 펄라이트(Perlite)는, 비중이 가볍고 직경이 3~15mm 정도의 다공성 물질로 비표면적이 크고 저렴하다는 장점이 있으나, 별도의 영양원이나 미생물을 함유하고 있지 않고 강도가 약해 잘 부서지는 단점이 있다. 따라서 담체보다 주로 공극형성제의 용도로 사용되고 있다.

담체의 재질 중에서 활성탄(Activated Carbon)은 입상활성탄(GAC)이 미생물 담체로 주로 사용되고 있다.

상기한 입상활성탄의 주원료는 코코넛 껍질로서, 지름이 0.3㎝, 길이가 0.5㎝ 인 것이 주로 많이 사용되며, 입자가 균일하고 외부의 압력에 대한 내성이 있으며, 보습능력이 좋고 미생물 부착이 용이한 표면구조로 되어 있다.

또한 악취에 대한 흡수력이 다른 담체들에 비해 비교적 높은 편이어서, 탄화수소류, 에탄올 등을 생물학적으로 제거할 경우 효과가 좋다는 장점이 있다. 다만 주기적으로 영양분과 미생물 공급이 필요하여 유지비용이 높다는 단점이 있다.

마지막으로 합성물질(Synthetic Media)로는 다양한 형태의 것이 담체로 적용되고 있는데, 합성물질 자체가 영양원이나 미생물을 함유하고 있지 않기 때문에 주기적으로 미생물을 공급해 주어야 하는 단점이 있다.

상기한 합성담체의 물질로는, 질석, 실리카, 활성탄으로 코팅된 세라믹 단일체, 다공성 세라믹, 성형 규조토, 입상형 합성물질(Pelletized Synthetics), 글래스 울(Glass Wool) 등이 사용되고 있다.

상기한 악취 제거방식들은 각각 장단점이 있기 때문에, 특정 현장의 조건에 맞는 적합한 방식을 채택하는 것이 중요하다.

예컨대 소각 방식의 경우에는, 고유량 고농도의 VOCs처리 및 다양한 성분에 대한 적응성이 좋은 장점이 있는 반면, 저농도의 VOCs에 대해서는 연소온도의 유지를 위해 많은 양의 보조연료가 필요하고 소각 후 2차 오염물질을 발생시키는 문제점이 있다.

또한 흡착 방식의 경우에는, 높은 제거효율과 낮은 시설비의 장점이 있으나, 주기적인 활성탄 교체와 교체된 활성탄의 처분문과 같은 운전비 증가의 문제점이 있다.

또한, 생물학적 처리방식은 낮은 설치비 및 운전비의 장점이 있지만, 고농도 및 생물학적으로 분해가 어려운 물질에 대해서는 제한이 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 바이오필터를 이용한 생물학적 처리방식과 정수 수초를 이용한 자연정화방식을 결합함으로써 하수처리시설에 적합한 구조의 악취 저감장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 악취제거 미생물과 정수 수초와의 상호 작용에 의해 저비용으로도 악취 제거 효율을 향상시킬 수 있는 악취 저감장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 보조 연료가 필요치 않고 2차 오염의 우려가 없으며 시설비와 운영비가 저렴한 악취 저감장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 장치가 간단하여 제조가 용이하고 넓은 부지 면적을 필요로 하지 않는 악취 저감장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 하수처리장의 취기 시설에 적합하게 적용할 수 있고 주변환경과 조화를 이룰 수 있는 친환경적인 악취 저감장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 침사지에 저장되어 있는 하수에서 발생하는 악취를 흡입하여 이를 바이오필터로 유입시키는 송풍팬과, 악취 유입관을 통해 유입되는 악취를 바이오필터에 의해 저감시키는 하수처리시설의 악취 저감장치에 있어서, 상기 바이오필터는, 본체의 하부에 구비되어 상기 악취 유입관을 통해 유입되는 악취를 본체의 상부로 토출시키는 제1 다공판과, 상기 제1 다공판과 일정 거리 이격되어 구비되는 굵은 자갈층과, 상기 제1 다공판과 굵은 자갈층 사이에 구비되어 굵은 자갈층의 하부를 지지하는 제2 다공판과, 상기 굵은 자갈층의 상부에 구비되는 세라믹 담체층과, 상기 세라믹 담체층의 상부에 구비되는 잔 자갈층과, 상기 잔 자갈층의 상부에 구비되는 모래층과, 상기 모래층에 식재되는 정수 수초를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 바이오필터 본체의 하부에 구비되는 순환수 유출관과, 순환수를 보충하기 위한 순환수 공급부와, 상기 순환수를 펌핑하기 위한 순환수 펌프와, 상기 정수 수초의 상부에 구비되어 순환수를 분사하는 살수 장치와 상기 순환수 펌프와 살수장치를 연결하는 순환수 공급관을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 세라믹 담체층에는 다공성 유·무기 복합 세라믹 담체가 충진되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 정수 수초는 다년생 정수 식물로서, 갈대, 달뿌리풀, 부들, 노랑꽃창포, 큰고랭이, 세모고랭, 줄, 삿갓사초, 골풀 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 상기 송풍팬과 바이오필터의 사이에 풍량을 조절하기 위한 댐퍼가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 순환수 유출관에 볼 밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 살수 장치에 다수의 스프레이 노즐이 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 바이오필터를 이용한 생물학적 처리방식과 정수 수초를 이용한 자연 정화방식을 결합함으로써, 악취 물질의 소각이나 흡착제 없이 하수처리시설에 적합한 악취 제거장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 악취제거 미생물과 정수 수초와의 상호 작용에 의해 저비용으로도 악취 제거 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 보조 연료가 필요치 않고 2차 오염의 우려가 없으며 시설비와 운영비가 저렴한 효과가 있다.

또한, 구조가 간단하여 제조가 용이하고 넓은 부지 면적을 필요로 하지 않는 효과가 있다.

또한, 하수처리장의 취기 시설에 적합하게 적용할 수 있고 주변환경과 조화를 이룰 수 있어 친 환경적인 악취 저감장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 폐쇄형 바이오필터의 일례를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 종래의 개방형 바이오필터의 일례를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 종래의 바이오 트리클링 필터의 일례를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 종래의 바이오 스크러버의 일례를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 악취저감장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 악취저감장치의 실험에 사용된 다공성 세라믹 담체의 사진.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 악취저감장치의 실험에 사용된 정수 수초(갈대)의 미생물 검경 사진.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 악취저감장치의 파일럿 플랜트 사진.
도 9는 본 발명에 따른 악취저감장치의 순환수 수온을 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 파일럿(Pilot) 플랜트와 대조(Control)장치의 암모니아(NH₃) 제거 효율을 비교한 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 파일럿(Pilot) 플랜트와 대조(Control)장치의 황화수소(H₂S) 제거 효율을 비교한 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 악취저감장치에서의 pH 범위를 나타낸 그래프.
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 악취저감장치에서의 갈대뿌리의 광학 현미경 사진.
도 14a는 본 발명에 따른 파일럿(Pilot) 플랜트의 황화수소(H₂S) 제거효율, 도 14b는 대조(Control)장치의 암모니아(NH₃) 제거 효율을 나타낸 그래프.
도 15a는 본 발명에 따른 파일럿(Pilot) 플랜트의 황화수소(H₂S) 제거효율, 도 15b는 대조(Control)장치의 황화수소(H₂S) 제거 효율을 나타낸 그래프.
도 16a은 본 발명에 따른 파일럿(Pilot) 플랜트와 대조(Control)장치의 암모니아(NH₃) 제거효율, 도 16b는 황화수소(H₂S)의 제거 효율을 비교한 그래프.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 악취 저감장치는, 도 5에 도시된 바와 같이, 침사지(10)에 저장되어 있는 하수(11)에서 발생하는 악취를 흡입하여 이를 바이오필터(30)로 유입시키는 송풍팬(20)과, 악취 유입관(21)을 통해 유입되는 악취를 저감시키는 바이오필터(30)를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 바이오필터(30)는, 본체(31)의 하부에 구비되어 상기 악취 유입관(21)을 통해 유입되는 악취를 본체의 상부로 토출시키는 제1 다공판(32a)과, 상기 제1 다공판(32a)과 일정 거리 이격되어 구비되는 굵은 자갈층(33)과, 상기 제1 다공판(32a)과 굵은 자갈층(33) 사이에 구비되어 굵은 자갈층(33)의 하부를 지지하는 제2 다공판(32b)과, 상기 굵은 자갈층(33)의 상부에 구비되는 세라믹 담체층(34)과, 상기 세라믹 담체층(34)의 상부에 구비되는 잔 자갈층(35)과, 상기 잔 자갈층(35)의 상부에 구비되는 모래층(36)과, 상기 모래층(36)에 식재되는 정수 수초(40)를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 생물학적 정화방식인 바이오필터(30)와 자연 정화방식인 정수 수초(40)를 결합함으로써, 바이오필터의 충진담체에 부착된 미생물과 정수 수초의 상호 작용에 의해 악취를 저감시킨다는 데 그 특징이 있다.

또한, 본 발명의 악취 저감장치는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 바이오필터 본체(31)의 하부에 구비되는 순환수 유출관(51)과, 순환수(51)를 보충하기 위한 순환수 공급부(50)와, 상기 순환수(51)를 펌핑하기 위한 순환수 펌프(53)와, 상기 정수 수초(40)의 상부에 구비되어 순환수(51)를 분사하는 살수 장치(55)와, 상기 순환수 펌프(53)와 살수 장치(55)를 연결하는 순환수 공급관(54)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기한 구성에 의해 바이오필터 충진 담체에 부착된 미생물에 적절한 습도를 공급하고, 정수 수초(40)의 생장에 필요한 수분을 공급할 수가 있다.

또한, 상기 세라믹 담체층(34)에는 다공성 유·무기 복합 세라믹 담체가 충진되고, 상기 바이오필터(30)에는 악취 물질을 분해하기 위한 미생물이 공급된다.

한편, 상기 바이오필터 본체(31)의 하부에 구비된 제1 다공판(32a)과 상기 굵은 자갈층(33) 사이에는, 굵은 자갈층(33)의 하부를 지지하기 위한 제2 다공판(32b)이 더 구비된다.
상기 제2 다공판(32b)은 바이오필터 본체(31) 내부에 용접되거나 지지부재(도시생략)에 의해 굵은 자갈층(33)의 하부를 지지한다.

또한, 상기 송풍팬(20)과 바이오필터(30)의 사이에 풍량을 조절하기 위한 댐퍼(22)가 더 구비된다.

또한, 상기 순환수 유출관(51)에 볼 밸브(52)가 더 구비되며, 살수 장치(55)에는 정수 수초(40)에 순환수를 분사하기 위한 다수의 스프레이 노즐(56)이 구비된다.

한편, 상기 정수 수초(40)는 갈대인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 다년생 정수식물인 달뿌리풀, 부들, 노랑꽃창포, 큰고랭이, 세모고랭, 줄, 삿갓사초, 골풀이 사용될 수도 있다.

상기 정수 수초(40)의 역할은 매우 중요하며, 투수를 원활하게 하여 처리기능을 지속적으로 유지하도록 하고, 미생물 서식에 필요한 보온 및 차양 역할을 하며, 뿌리공간에서 영양소와 미생물의 상호작용을 돕는 역할을 수행한다.

상기한 정수 수초(40) 중에서 갈대는, 염분에 대한 적응력이 뛰어나 어느 정도의 염분이 함유된 물에서도 서식이 가능하다. 자연에서 관찰해보면 담수와 해수의 접경지역에서 갈대가 잘 서식하는 것도 염분토양에 대한 적응력이 높기 때문이다.

상기한 갈대의 서식밀도는 보통 150본/㎡ 정도이고, 질소가 풍부한 곳에서는 200~250cm 까지 자라고, 줄기와 뿌리의 비율은 대개 1:1~1:3 정도이다.

다년생 정수 수초의 가장 큰 기능은, 뿌리공간에서의 탄소 동화작용을 유지시키는 일이다. 여름철에는 왕성한 성장과 함께 뿌리공간에서의 탄소 동화작용이 다른 때보다 활발하게 진행되며, 겨울철에 잎이 고사하여도 뿌리는 계속해서 호흡을 하고 있어야 한다.

이러한 서식과정으로 인해, 갈대의 뿌리공간 주변에는 산소가 충분히 공급되어 호기성 미생물의 서식조건을 제공해 준다.

또한, 갈대의 뿌리는 오염된 물의 지속적인 투수를 유지시켜 골재표면에 미생물막이 형성될 수 있도록 하며, 이렇게 형성된 미생물막의 미생물에 의해 수처리가 진행된다.

또한 골재층 표면에 오염물질이 여과되어 부유물질이 축적하게 되면, 투수속도는 낮아지는 반면 축적된 부유물질은 갈대의 성장을 촉진시키게 되고, 바람에 의한 줄기의 흔들림 현상을 초래하여 표면층의 유동효과로 인해 투수가 용이하도록 하는 반작용을 하게 된다.

또한 성장한 갈대의 굵은 뿌리는 표층을 부풀게 하고, 잔뿌리는 골재의 공극사이에서의 탄소 동화작용을 촉진하여 투수가 원활이 이루어지도록 한다.

일반적으로 하수처리장은 혐오시설로 인식되고 있어 하수처리장의 설치 및 운영관리에 많은 어려움을 겪고 있다.

그러나 하수 처리장에 정수 수초를 식재하게 되면, 그 자체로 주변환경과의 조화를 이룰 뿐만 아니라, 조류, 파충류, 양서류, 곤충 등이 서식할 수 있는 생태조건을 제공하는 역할도 하게 된다.

본 발명자는 본 발명에 따른 악취 저감장치의 파일럿 플랜트(Pilot Plant)를제작하여, 실제 하수처리시설에서 6개월 여에 걸쳐 실험을 수행하였다.

또한 정수 수초의 역할 및 기능을 분석하기 위해, 정수 수초를 식재하지 않은 대조(Control)장치를 별도로 제작하여 이를 정수 수초가 식재된 파일럿 플랜트와 비교하였다.

상기 파일럿 플랜트와 대조(Control)장치는 동일한 운전 조건을 유지하여 실험하였다.

이하 본 발명에 따른 파일럿 플랜트 및 대조(Control)장치에 의한 실험 과정 및 그 결과에 대하여 설명한다.

본 실험을 수행한 하수처리시설은, 산화구법 수처리방식을 적용하고 있으며, 처리용량이 17,000㎥/day이고, 하수 외에 분뇨 50~70㎥/day와 쓰레기매립장 침출수 70~120㎥/day를 연계하여 처리하고 있는 시설이다.

상기 하수처리시설에서의 수처리 공정은, 합류식 차집관거를 통해 유입된 하수는 침사지를 거쳐 협잡물과 침사가 걸러지고, 유입 펌프장에 저류된 하수는 펌프를 이용하여 산화구로 이송되어, 산화구내의 활성미생물에 의해 유기물질 및 영양염류 등의 오염물질이 생물분해과정을 거쳐 제거되고, 최종적으로 최종 침전지에서 처리수와 고형물로 고액분리된 후 방류되도록 구성되어 있다.

또한 최종 침전지에서 분리된 고형물의 일부는 산화구내로 반송되며, 남은 잉여슬러지는 저류조로 이송되어 농축·탈수과정을 거친 후 폐기물로 처리되고 있다.

상기 하수처리시설에서의 주요 악취발생원은, 관거를 통해 최초로 하수가 유입되고 있는 침사지와, 최종침전지의 잉여슬러지를 처리하는 공정인 농축·탈수과정에서 주로 발생하는 것으로 조사되었다.

본 발명에 따른 실험장치인 파일럿 플랜트는, 토양미생물과 정수 식물인 갈대를 이용한 생물학적 악취제거에 주안점을 두었으며, 다음과 같은 운전변수 및 제어인자를 분석하였다.

일반적으로 미생물을 이용한 생물학적 탈취의 운전변수로는, 미생물과 정수식물의 생육조건에 필요한 인자로 구분되며, 수분, 온도, pH(수소이온농도), 영양원, 산소 유무, 악취유발물질의 체류시간, 질량부하, 제거용량, 제거효율, 체류시간, 미생물의 활성도 등을 들 수 있다.

이하 본 발명에 따른 파일럿 플랜트의 상기 인자에 대하여 순서대로 설명한다.

먼저 수분함량은, 생물학적 탈취의 제어 인자 중 가장 중요하며 조절 또한 어려운 인자 중의 하나이다. 상기 수분은 악취가스의 흡수 정도와 악취제거 미생물의 생육조건에 필수적인 요소이기 때문이다.

또한 수분의 존재는, 기상에서 흡수되는 오염물질의 양에 영향을 주며 담체의 물리적 특성과도 상관관계가 있다.

즉, 함수율은 담체로의 물질 전달 및 미생물 활성유지에 있어 중요한 운전인자이며, 적정 함수율을 유지하기 위해 가습이나 간헐적인 살수방법이 사용된다.

본 발명에서는 정수 수초(40)의 상부에서 스프레이 노즐(56)에 의해 순환수를 살수하는 방법을 사용하였다.

만일 함수율이 너무 낮으면, 담체가 건조해지고 담체의 성상을 변화시켜 편류현상과 우회흐름을 야기할 수 있고, 미생물 생육을 저해시키는 요인으로 작용할 수 있다.

반면에 함수율이 너무 높으면, 물이 공극을 막아 기상 흐름의 방해와 산소 전달의 방해를 초래하고, 혐기성 조건을 형성하여 반응속도를 저해하고 악취발생과 압력강하를 초래하여 수두 손실을 유발하게 된다.

다음으로 온도 인자와 관련하여, 생물학적 악취제거에 있어 미생물의 활성도는 악취제거율과 직접적인 연관이 있기 때문에 온도에 의한 영향을 많이 받는다.

대부분의 생물분해 반응속도는 온도가 상승할수록 빠르게 진행되나, 온도 상승에는 한계가 있으므로 생물분해에 있어 최적의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.

다음으로 pH(수소이온농도) 인자와 관련하여, 일정 범위의 pH 조건에서는 미생물의 활성도가 좋으나 이 범위를 벗어나는 경우에는 활성도가 감소하거나 미생물이 사멸하게 된다.

최적의 pH는 서식하는 미생물 종류에 따라 상이할 수 있는데, 대부분의 미생물은 중성범위의 pH에서 활성이 좋게 나타난다.

미생물 생육에 있어 급격한 pH 변화는 미생물에 손상을 주기 때문에, 생물학적 탈취에 있어서는 담체에 서식하는 미생물의 최적 pH를 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해 충진담체에 완충제를 첨가하거나 순환수의 교체를 통해 pH를 조절할 필요가 있다.

본 발명에서는 별도의 순환수 공급부(50)를 구비하여 필요시 순환수를 교체할 수 있도록 구성하였다.

다음으로 영양원 인자와 관련하여, 미생물의 생육은 에너지와 탄소원을 얻기 위해 오염물질을 분해하나, 질소, 인, 칼륨, 황, 칼슘, 나트륨, 철 등 미량원소들도 필요로 한다.

생물학적 탈취는 악취제거 미생물의 서식조건을 필요로 하기 때문에, 미생물의 활성도를 유지하기 위해서는 영양원의 공급이 필요하다.

다만 영양분의 공급이 과다할 경우, 미생물의 과잉증식으로 인한 바이오매스 클로깅(Biomass Clogging) 현상이 발생하여 악취제거 효율을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.

다음으로 산소 인자와 관련하여, 생물학적 악취제거는 충진된 담체에 서식하는 미생물의 생물막(Biofilm)에 접촉되는 악취물질의 생분해에 의해 이루어지는데, 이 과정에서 산소가 필요하다.

악취 제거시 필요한 산소의 양보다 용해되는 산소의 양이 적을 경우에는 산소 부족현상이 발생할 수 있으므로, 악취 제거효율을 높이기 위해서는 외부로부터 충분한 산소공급이 이루어져야 한다.

다음으로 표면부하(Surface Loading) 인자와 관련하여, 표면부하는 바이오필터의 부피 부하율(Volumetric Gas Loading)로 나타내며, 단위는 ㎥/㎥/h로 표시한다.

표면부하율이 높으면 유속이 빠르고 체류시간(EBRT)이 짧아져 대체적으로 제거효율이 감소하게 된다.

또한 표면부하는 충진 담체내의 건조율과 상관관계가 있어, 충분한 함수율을 유지하기 위해서는 표면부하를 최대한 낮게 유지시키는 것이 바람직하고, 200㎥/㎥/h 이하로 유지하는 것이 좋다.

다음으로 질량부하(Mass Loading) 인자와 관련하여, 질량부하는 단위시간당 바이오필터의 충진 담체 단위부피에 대한 오염물질의 질량(Mass Loading Rate Per Unit Bed Volume)으로 정의되며, 단위는 g/㎥/h로 표시한다.

바이오필터 내의 질량부하는 대부분 유입구에서의 질량부하가 유출구보다 높게 나타나고, 유속과 오염물질의 농도에 따라 부하량이 변하게 되어 바이오필터 제거효율에도 영향을 준다. 대체적으로 질량부하가 높으면 제거효율은 감소하게 된다.

다음으로 제거용량(Elimination Capacity) 인자와 관련하여, 제거용량은 단위시간에 충진 담체 단위부피당 제거되는 오염물질의 질량(Chemical Mass Removal Rate Per Unit Bed Volume)을 의미하며, 단위는 g/㎥/h로 나타낸다.

상기 제거용량은, 바이오필터 내에서의 체류시간, 표면부하, 오염물질의 농도부하에 따라 달라질 수 있으며, 운전조건에도 직간접적으로 영향을 받는다.

일반적으로 주어진 일정한 농도부하에서는 체류시간이 감소할수록 제거용량이 감소하는 경향을 나타낸다.

다음으로 제거효율(Removal Efficiency) 인자는 바이오필터의 전반적인 제거능력을 판단하는 지표로서, 바이오필터에 의해 제거된 오염물질의 분율(%)로 표시한다.

바이오필터의 제거효율은, 오염물질의 농도, 유량, 체류시간, 충진담체, 함수율, 공극률 외에 운전조건(온도,습도, pH 등)등 복합적인 요인과의 상호작용에 따라 달라질 수 있다.

다음으로 체류시간(Empty Bed Contact Time; EBCT) 인자와 관련하여, EBCT는 반응기내에서의 기체 체류시간을 의미하는 것으로, EBRT(Empty Bed Retention Time)로도 표현한다.

상기 EBCT는 실제 기체의 체류시간보다 길게 나타나며, 이는 담체충진으로 인해 기체가 통과할 수 있는 용적이 감소하여 기체의 접촉시간이 짧아지기 때문이다.

마지막으로 미생물 활성도 인자와 관련하여, 생물학적 악취제거에 관여하는 미생물로는 세균류(Bacteria)가 주종을 이루고 있고, 대부분 종속영양세균(Chemoheterotrophs)로 구성되어 있다.

상기 바이오필터에서의 미생물 식종은, 운전 초기와 운전 중 제거효율이 떨어질 경우에 실시하며, 악취물질이 미생물의 생분해가 용이한 물질일 경우에는 하수처리장의 활성 슬러지나 분변토, 토양, 퇴비 등을 접종원으로 이용한다.

다만 악취물질이 생분해가 불가능 하거나, 생분해가 가능하지만 특정 악취물질이 많이 발생할 경우에는, 미생물을 선택적으로 분리/동정하여 접종하기도 한다. 이 경우 악취에 대한 미생물의 적응시간을 단축시켜 조기에 안정화시킬수 있는 장점이 있다.

한편, 바이오필터에 사용하는 담체는, 바이오필터의 최대효율을 발휘할 수 있도록 미생물의 활동과 유입 악취에 안정적으로 사용이 가능하고 통기저항이 적으며 악취와의 접촉빈도를 높일 수 있는 공극률을 확보하도록 하는 것이 중요하다.

또한 바이오필터에 사용하는 담체는, 악취제거 미생물 서식에 최적의 조건을 제공할 수 있고 정수 수초의 뿌리를 지지할 수 있어야 한다.

본 발명에서는 바이오필터(30)의 상층부에 정수 수초가 뿌리를 내려 생장할 수 있고 투수율이 좋은 모래와 자갈을 포설하였고, 중층부에 악취의 접촉 빈도를 높일 수 있는 비표면적 확보와 악취제거 미생물의 서식공간 제공을 고려하여 다공성 유·무기 복합 세라믹 담체를 설치하였다.

또한 바이오필터(30)의 하층부에는 기체상태의 악취물질이 물에 충분히 용해될 수 있도록 하고 상층부로부터 순환수의 흐름을 고려하여 굵은 자갈을 포설하였다.

악취제거 미생물의 서식공간인 미생물 담체는, 미생물의 안정적인 성장과 개체확보를 통해 제거효율을 유지시키는 것이 중요하다. 이를 위해서는 압밀에 대한 저항성과 낮은 압력손실을 갖고 적절한 보습능력을 유지하는 것이 요구된다.

본 발명에서는, 미생물의 성장유지에 필요한 영양분을 제공하고, 미생물의 서식밀도를 높이기 위해 비표면적이 큰 다공성 세라믹 담체를 사용하였다.

도 6은 본 발명의 파일럿 플랜트 실험에 사용된 다공성 유·무기 복합 세라믹 담체를 나타낸 것이다.

한편, 본 발명에 따라 제조된 실험용 파일럿 플랜트는 도 5에 도시된 바와 같이, 상층부에 모래와 잔자갈을 포설하여 정수 식물인 갈대를 식재하였으며, 중층부는 미생물 담체인 다공성 유·무기 복합 세라믹 담체를 충진하였고, 하층부는 굵은 자갈을 포설하여 기체상태의 악취의 흡수 및 유체 흐름의 폐색을 방지할 수 있도록 다층구조로 구성하였다.

또한 바이오필터로 악취를 유입시키는 송풍팬(20)과, 풍량 조절용 댐퍼(Damper, 22), 기체 상태의 악취 용해와 미생물의 생장을 유지하기 위한 습도 조절용 살수장치(55)를 설치하여 순환수를 공급할 수 있도록 하였다.

또한 바이오필터 실험장치는, 처리 용량이 6㎥/hr로 하수에서 발생되는 악취를 유입 처리할 수 있도록 하였고, 층간에 다공판을 설치하여 충진담체의 지지대 역할과 악취 확산의 편중을 방지하도록 하였다.

바이오필터 실험장치의 조기 안정화를 위하여, 악취제거 미생물은 설치장소인 하수처리장의 활성슬러지를 이용하여 식종하였고, 주기적인 순환수 살수를 통해 세라믹 담체 표면에 생물막(Biofilm)이 생성될 수 있도록 하였다

또한, 활성 슬러지내의 악취제거 미생물의 생장을 선택적으로 유도하기 위하여, 악취유입과 미생물 공급을 병행하여 실시하였다.

악취제거 효율 분석은, 미생물이 적응기와 성장기를 거쳐 최종적으로 생물막형성이 이루어진 시점인 안정기에 도달한 이후에 실시하였다.

정수 수초로는, 서식 환경조건이 비교적 까다롭지 않고 토양에 대한 적응력이 좋으며, 뿌리가 견고하여 뿌리공간에서의 미생물과 정수 수초간 상호작용이 원활히 이루어질 수 있는 다년생 갈대를 선정하여 식재하였다.

또한 악취제거 미생물의 서식공간을 위하여 다공성 유·무기복합 세라믹 담체층을 형성하였고, 유입된 악취의 원활한 흐름과 투수 및 폐색 방지를 위한 공극률 확보를 위하여 담체의 재질을 입자경에 따라 순차적으로 충진, 포설하였다.

본 실험에서는 정수 식물에 의한 악취제거 효율을 비교 분석하기 위하여, 정수 수초를 식재한 파일럿(Pilot) 플랜트와, 정수 수초를 식재하지 않고 바이오필터만 사용한 대조(Control)장치를 제작하여 실험하였다.

상기 대조(Control)장치는, 정수 수초의 유무를 비교 분석하기 위한 것으로서 정수 수초를 식재한 파일럿 플랜트와 모든 실험조건을 동일하게 부여하였다.

아래의 [표 1]은 본 실험에 사용된 파일럿 플랜트의 운전조건을 나타낸 것이다.

본 실험에 사용된 파일럿 플랜트의 운전 조건

변수(단위)	침사지용 바이오필터
바이오필터 크기(mm)	1,000^W×1,000^L×1,800^H
충진담체 크기(mm)	1,000^W×1,000^L×200^H
공기 유량(㎥/h)	6
공기 유속(m/s)	0.002
체류시간(s)	120
순환수 살포율	1분/매 1시간

본 발명에서의 시료채취 방법은, 실험장치가 설치되어 있는 침사지에서 발생하는 악취성분 및 취기강도를 분석하기 위하여, 침사지에 채취관을 설치하고 시료채취용 펌프를 이용하여 공기를 흡인, 채취하는 직접채취방법을 사용하였다.

또한 바이오필터의 제거효율 분석을 위한 시료채취는, 침사지로부터 송풍기에 의해 바이오필터로 유입되는 지점과, 바이오필터를 거쳐 처리된 악취가 최종적으로 배출되는 지점을 선정하여 실행하였다.

다만 실험장치인 바이오필터 상층부에 정수 수초인인 갈대가 식재되어 있어, 최종 처리 악취가스를 포집할 수 있는 별도의 포집장치를 제작하여 시료 채취시에만 사용하였다.

시료채취는, 채취관을 각각의 시료 채취지점에 설치하고 채취용 펌프를 이용하여 초기 가동시에는 샘플 코크를 닫아 바이패스시켜 외부공기가 샘플 백(Sample Bag)에 들어가지 않도록 하였으며, 초기 안정화 이후 시료를 채취하는 방식을 채택하였다.

복합악취 및 황화합물 분석을 위한 시료채취는 20ℓ 샘플 백을 사용하였고, 시료가스 유속은 황화합물은 2ℓ/min, 암모니아는 붕산용액이 담긴 임핀저(Impinger)에 10ℓ/min로 통과시켜 채취하였다.

또한, 채취시료에 대한 악취분석은 악취공정법에 준하여 수행하였고, 암모니아 측정은 UV-VIS 흡광광도측정법을 사용하였고, 황화수소 분석은 저온농축GC(PFPD)법으로 분석하였다.

악취분석은, 바이오필터의 유입구 및 최종 배출구에서의 시료를 채취한 후, 암모니아 분석은, 분석용 시료용액에 페놀-니트로프루시드 나트륨용액과 차아염소산나트륨 용액을 가하고 암모늄이온과 반응시켜 생성되는 인도페놀류의 청색 발색액을 파장 640nm에서의 흡광도를 측정하여 암모니아를 정량하는 방법으로 수행하였다.

또한 황화수소 분석은, 기기분석법으로 저농도 측정에 사용하는 저온농축 기체크로마토그래피(GC)법으로 수행하였다.

시료채취 샘플 백에 채취된 시료를 글래스 비드(Glass Bead)가 채워진 농축 전단계 부분에 연결하고, 액상의 N₂를 이용하여 GC에 내장된 흡착 트랩(Trap)을 -160℃로 냉각시킨 후, 냉각된 트랩에 MFC(Mass Flow Controller)와 진공펌프를 이용하여 일정량을 농축시켰다.

상기 트랩에 농축된 황화합물은 200℃에서 순간가열시켜 탈착시킨 후, 인젝터(Injector)에 도입하여 GC로 분석하였다. 검출기는 PFPD(펄스형 불꽃염광 광도검출기)를 사용하였다.

본 발명의 바이오필터 파일럿 플랜트의 악취제거효율은, 정수 수초가 없는 대조(ontrol)장치와 비교해 볼 때 약 10% 이상의 탈취 효능이 있는 것으로 나타났다.

또한 미생물 검경을 통해 악취 제거시 정수 수초에서 서식하는 미생물군의 종류와 악취제거 효율과의 상관관계를 알아보기 위하여, 정수 수초의 뿌리부를 광학현미경으로 관찰하였다.

검경시료는 바이오필터가 정상적인 운전 조건하에서 제거효율이 안정화되는 시점을 선택하여, 바이오필터의 표층부에 식재한 갈대를 뿌리를 포함하여 표면에서 20㎝ 깊이의 모래자갈층을 채취하였다.

이렇게 채취한 갈대 뿌리와 모래 자갈 시료를, 도 7에 나타낸 바와 같이, 1ℓ 비이커에 500㎖의 시료를 넣어 멸균증류수 300㎖를 채운 후 2분간 혼합하고 3분 동안 방치하여 고액을 분리하였다. 분리된 상등액을 스포이드를 이용해 미량 채취한 후, 검경시료로 사용하여 현미경으로 관찰하였다.

한편 본 발명의 파일럿 플랜트에 사용된 충진담체층은, 상층부에는 입자경이 작은 모래와 잔자갈을 포설하여, 이식한 갈대가 뿌리를 내리고 자랄 수 있는 서식공간 및 지지대 역할을 하며, 다양한 악취제거 미생물군의 서식공간을 마련함과 동시에 정수 수초인 갈대와 상호작용이 일어날 수 있도록 하였다.

또한, 다공성 세라믹 담체층은, 주요 악취 미생물의 서식공간으로 비표면적이 넓고 미생물의 생육에 필요한 미량의 유기물과 무기물이 함유되어 있는 복합체로 구성하였다.

또한, 하부의 굵은 자갈층은 악취와 순환수의 접촉으로 인한 흡수를 촉진하고 상부로부터의 투수가 잘 이루어지도록 하였다.

본 발명에 따른 파일럿 플랜트에 적용된 담체의 특성을 아래의 [표 2]에 나타내었다.

본 발명에 따른 바이오필터 파일럿 플랜트에 충진된 담체의 특성

구 분	성 분	특 성
모래층	모래	유효직경:2.5mm, 공극율: 0.35
잔 자갈층	모래 및 잔 자갈	유효직경:13mm, 공극율: 0.37
세라믹 담체층	세라믹	다공성 세라믹, 공극크기: 100~1,00㎛
굵은 자갈층	굵은 자갈	유효직경:25mm, 공극율: 0.39

도 8은 본 발명의 실험에 사용된 바이오필터 파일럿 플랜트의 사진을 나타낸 것이다.

파일럿 플랜트 운전에서 악취제거 효율에 영향을 줄 수 있는 주요 인자는, 수분, 온도, pH, 악취성분의 용해도를 들 수 있으며, 이는 악취제거 미생물의 생육과 대사활동과 상관관계가 있는 것으로 분석되었다.

본 실험을 수행함에 있어 바이오필터 순환수의 수온은, 도 9에 나타낸 바와 같이, 10~30℃ 범위 내에서 운전되었다.

도 9에서 수온과 악취 제거효율의 상관관계를 살펴보면, 평균수온이 15~18℃인 3월~4월의 경우 암모니아의 평균 제거효율이 87.3%로, 수온이 22~26℃인 5월~9월의 97.2%보다 감소하는 경향을 보였으며, 황화수소의 제거효율도 3월~4월이 92.5%, 5월~9월이 97.6%로 다소 차이가 있음을 알 수 있다.

따라서, 수온이 악취제거 미생물의 활성도와 밀접한 관계가 있으며, 제거효율에 있어 중요한 인자로 작용하는 것을 알 수 있다.

또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 수온이 상승하는 시점인 5월~9월에의 제거효율은, 미생물 담체만을 충진하고 정수 수초가 없는 대조(Control)장치의 경우 다소 변동 폭이 있는 반면, 정수 수초를 식재한 파일럿 플랜트의 제거효율은 어느 정도 안정된 경향을 보이고 있다.

이는 파일럿 플랜트가, 정수 수초를 식재함으로써 정수 수초와 담체부착 미생물과의 상호작용으로 인해 외부 영향인자에 대한 완충(Buffer)능력이 증대된 것에 기인하는 것으로 보여진다.

또한 본 실험에서는 순환수를 주기적으로 순환시켜 상대습도가 90%이상 유지되도록 운전하였기 때문에, 수분 공급이 악취 제거효율 면에서는 큰 영향을 주지 않은 것으로 판단된다.

실험기간 동안의 pH조절은, 별도로 중화제를 투입하지 않고 일정주기로 순환수를 교체해 주는 방식으로, 도 12에 나타내 바와 같이, 운전 pH 범위가 6~8을 유지토록 하였다.

이어서 정수 수초인 갈대에서의 출현 미생물 관찰 및 악취분석 결과에 대하여 설명한다.

정수 수초인 갈대뿌리에서 서식하는 미생물군을 조사하기 위하여, 갈대뿌리와 뿌리공간 사이의 모래,자갈 샘플을 채취하여 광학현미경으로 관찰하였다(도 13 참조).

분석 결과, 갈대의 뿌리공간에서 서식하는 미생물은, 세균류를 비롯하여 조류, 원생동물, 후생동물 등의 미생물이 출현하고 있는 것으로 관찰되었다.

종래에는 주로 악취제거에 관여하는 미생물군은 세균류가 주종을 이루는 것으로 보고된 바 있으나, 갈대뿌리 공간에서는 이들 세균류 외에 조류, 원생동물, 후생동물류 등의 미생물군이 공생하고 있는 것으로 확인되었다.

이로써, 악취제거 메카니즘에 있어서, 특정 미생물군에 의한 생리학적 분해기능 외에, 갈대뿌리 공간에서 서식하는 다종의 미생물군과 정수식물의 상호작용도 악취제거에 영향을 주는 것으로 판단할 수 있다.

이는 동일한 조건에서 정수 수초를 식재하지 않고 미생물 담체만을 충진한 대조(Control)장치와의 악취 제거효율을 분석해 본 결과로도 유추할 수 있다.

본 발명에 따른 파일럿 플랜트의 악취 제거효율을 정수 수초가 없는 대조(Control)장치와 비교하여 볼 때, 암모니아의 경우 12.2%, 황화수소의 경우 9.3%가 증가함을 알 수 있었다.

또한 본 실험장소인 침사지 시설에서 발생되는 악취물질을 측정해 본 결과, 복합 악취정도는, 하절기의 경우 1,442ppb로, 취기정도가 악취배출 허용기준(배출구의 악취배출 허용기준 500ppb이하)을 초과한 수준으로 분석되었고, 동절기에는 30ppb으로 배출 허용기준 이내인 것으로 밝혀졌다.

위와 같은 결과는, 실험장소의 하수 차집관로가 대구경의 합류식(우수와 하수를 동일관거로 배제하는 방식)으로 설치되어 있어, 하수량이 비교적 적은 동절기에 관거내에 적체된 하수찌꺼기 및 협잡물 등이 수온이 상승하는 하절기에 부패하게 되어, 취기발생 빈도가 높아진 결과로 판단된다.

본 실험장소인 침사지 시설에서 취기 발생정도가 가장 심한 하절기를 대상으로 분석해 본 결과, 암모니아는 6,800ppb, 황화수소는 1,240ppb가 검출되었고, 그 외 메틸메르캅탄 및 황화메틸이 각각 22ppb와 35ppb로 소량 검출되었다.

본 실험결과는 다른 국내 하수 처리시설에서의 악취 농도보다 다소 높게 나타났는데, 이는 실험장소인 하수처리장의 경우 하수 차집관거 형태가 합류식이고, 차집관거를 통해 하수 외에 분뇨처리장의 분뇨와 쓰레기 매립장의 침출수를 연계처리하고 있기 때문인 것으로 판단된다.

바이오필터의 악취 제거효율를 알아보기 위한 악취분석은, 바이오필터의 미생물 담체에 생물막(Biofilm)이 형성되어 안정화된 이후부터 시료를 채취하여 3월에서 9월까지(2회/월) 기기측정법으로 분석하였고, 그 평균 제거효율을 [표 3]에 나타내었다.

침사지에서의 계절별 농도 및 악취 제거효율

장소	악취성분	월	농도(ppb)			제거효율(%)
			입구측 (평균)	출구측(평균)		제거효율(%)
			입구측 (평균)	대조	파일럿	대조	파일럿
침사지	암모니아	3	1,400	320	175	77.1	87.5
		4	1,550	380	200	75.5	87.1
		5	2,650	325	190	87.7	92.8
		6	5,150	920	125	82.1	97.6
		7	6,650	980	110	85.3	98.3
		8	7,600	1,520	70	80.0	99.1
		9	5,900	730	98	87.6	98.3
	황화수소	3	685	85	59	87.6	91.4
		4	755	114	49	84.9	93.5
		5	1,190	156	25	86.9	97.9
		6	1,040	172	34	83.5	96.8
		7	905	58	15	93.6	98.3
		8	650	71	13	89.1	98.1
		9	1,115	201	32	82.6	97.1

악취물질 분석은, 하수처리시설의 침사지 내에서 주 취기원인 암모니아(Ammonia, NH₃)와 황화수소(Hydrogen sulfide, H₂S)를 대상으로 측정 및 분석을 실시하였다.

조사결과 바이오필터로 유입되는 악취는 계절에 따라 변동 폭이 크게 나타났으며, 특히 하절기인 6월에서 8월 사이에 최대치를 나타내었고, 월평균 5,150~7,600ppb로 조사되었다.

황화수소의 경우에는 다소 차이는 있었으나 계절의 영향은 그리 크지 않았으며, 월평균 최소 650ppb에서 최대 1,190ppb로 나타났다.

처리 후 농도는, 암모니아가 평균 70~200ppb, 황화수소는 평균 15~59ppb로, 평균 97.7%와 98.3%의 제거효과를 얻을 수 있었다.

위 분석결과를 보면, 수온이 낮은 3월~5월경의 제거효율(암모니아 89.1%, 황화수소 94.3%)보다 수온이 높은 6월~8월경의 제거효율(암모니아 98.3%, 황화수소 97.7%)이 유입농도 대비 높게 나타났다.

이에 의해, 악취 제거효율은 온도 변화의 영향을 받으며, 악취분해 미생물과 정수 수초의 최대 활성도를 유지하는 하절기에 처리효율이 높아진다는 것을 알 수 있다.

또한 도 14에 나타낸 바와 같이, 정수 수초를 식재한 파일럿 플랜트와 정수 수초를 식재하지 않은 대조(Control)장치를 비교하여 보면, 동일한 실험조건에서 파일럿 플랜트의 악취 제거효율이 대조(Control)장치에 비해, 암모니아의 경우 평균 12.2%(Control:82.2%, Pilot:94.4%), 황화수소의 경우 9.3%(Control:86.9%, Pilot: 96.1%) 증가하는 것으로 나타났다.

정수 수초가 없는 대조(Control)장치의 경우 악취 제거효율이 유입농도에 따라 변동폭이 크게 나타난 반면, 정수 수초를 이용한 파일럿 플랜트에서는 보다 안정적인 제거 효율을 보이고 있음을 알 수 있다.

이러한 제거효율의 차이는, 정수 수초가 악취제거와 밀접한 상관관계가 있고, 성수 수초와 정수 수초의 뿌리공간에 서식하고 있는 미생물 간의 상호작용으로 인한 결과로 판단된다.

본 실험을 통해 도출된 결과를 분석해 볼 때, 생물학적 탈취시설인 바이오필터에서 담체층 외에 정수 식물층을 추가함으로써, 악취제거에 영향을 미치는 외부인자(수온, pH, 영양원 등)에 대한 적응성 확보로, 보다 안정적이고 효과적으로 악취 제거효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

이는 정수 수초의 생장과정에서 악취 유발물질의 일부 또는 부산물을 부수적인 영양원으로 이용함과 동시에, 생장과정에서 뿌리공간을 형성함으로써, 자연적으로 악취제거에 관여하는 미생물의 생태공간을 제공하여, 정수식물과 미생물 간의 상호작용을 통해 악취 제거효율을 향상시키고, 외부 영향인자에 대한 대응성을 확보하였기 때문인 것으로 판단된다.

본 파일럿 플랜트의 실험결과에 의하면, 식재된 정수 수초와 미생물이 안정화되어 활성도가 가장 좋은 시점에서, 암모니아 98.3%, 황화수소는 97.7% 이상의 제거효율을 얻을 수 있었다.

이는 정수 수초가 식재되지 않은 종래의 바이오필터 방식인 대조(Control)장치와 비교해 볼 때, 제거효율이 10~15% 상승한 것이다.

또한 정수 수초 뿌리공간에서의 미생물을 관찰한 결과, 세균류 외에 출현빈도는 높지 않으나 원생동물과 후생동물류도 출현하는 것으로 보아, 갈대 수초의 악취제거능에 대한 생태학적 역할분담을 가늠할 수 있고, 바이오매스 클로깅 현상에 의한 담체의 공극폐쇄율도 개선됨을 알 수 있다.

또한, 갈대가 기후변화 및 온실가스 저감에 미치는 영향을 파악하기 위해서 2006 IPCC G/L과 지자체 온실가스 산정 방법론(2012, Ver. 3.0)을 활용하여 배출량을 산정한 결과, 연간 소량의 온실가스를 흡수하는 것으로 나타났다.

이는 갈대가 악취 제거에 효과적임과 동시에 온실가스 저감에 있어서도 일부 기여하고 있다는 것을 보여주는 것이다.

본 발명은, 악취저감기술 중 생물학적 처리방식인 토양탈취상과 미생물 담체 충진방식인 바이오필터(Biofilter)방식을 접목하고, 수처리 방식인 자연정화법에서 이용되는 정수 수초의 결합에 의해 악취를 저감시킨다는 데 그 특징이 있다.

즉, 본 발명은, 수처리 과정에서 미생물의 활성에 의해 수처리 뿐만 아니라 악취유발 물질도 제거할 수 있다는 점과, 친환경적인 수초를 이용하여 오염물질을 제거하는 자연정화법과 토양을 매질로 한 토양여과방식을 결합시켜, 미생물과 매질 그리고 정수 식물의 상호작용을 이용한 것이다.

이에 따라 미생물과 담체만을 이용한 기존의 바이오필터 방식보다 더욱 안정적이고 효과적으로 악취 제거효율을 향상시킬 수가 있다.

또한, 혐오시설로 인식이 되고 있는 하수처리시설에 정수 수초를 식재함으로써, 주변 환경과 조화를 이루는 친환경 시설로 변환시킬 수 있는 효과도 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명의 범위는 상기한 특정 실시 예에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 침사지 11: 하수
20 : 송풍팬 21: 악취 유입관 22 : 댐퍼(Damper) 30: 바이오필터(Biofilter) 31 : 바이오필터 본체 32a: 제1 다공판
32b : 제2 다공판 33 : 굵은 자갈층
34 : 세라믹 담체층 35 : 잔 자갈층
36: 모래층 40 : 정수 수초
50: 순환수 공급부 51 : 순환수 유출관
52: 볼 밸브(Ball Valve) 53 : 순환수 펌프
54: 순환수 공급관 55 : 살수 장치 56: 스프레이 노즐(Spray Nozzle) 57: 순환수

Claims

침사지(10)에 저장되어 있는 하수(11)에서 발생하는 악취를 흡입하여 이를 바이오필터(30)로 유입시키는 송풍팬(20)과, 악취 유입관(21)을 통해 유입되는 악취를 바이오필터(30)에 의해 저감시키는 하수처리시설의 악취 저감장치에 있어서,
상기 바이오필터(30)는,
본체(31)의 하부에 구비되어 상기 악취 유입관(21)을 통해 유입되는 악취를 본체의 상부로 토출시키는 제1 다공판(32a)과,
상기 제1 다공판(32a)과 일정 거리 이격되어 구비되는 굵은 자갈층(33)과,
상기 제1 다공판(32a)과 상기 굵은 자갈층(33) 사이에 구비되어 굵은 자갈층(33)의 하부를 지지하는 제2 다공판(32b)과,
상기 굵은 자갈층(33)의 상부에 구비되는 세라믹 담체층(34)과,
상기 세라믹 담체층(34)의 상부에 구비되는 잔 자갈층(35)과,
상기 잔 자갈층(35)의 상부에 구비되는 모래층(36)과,
상기 모래층(36)에 식재되는 정수 수초(40)를 포함하고,
상기 바이오필터 본체(31)의 하부에 구비되는 순환수 유출관(51)과,
순환수(51)를 보충하기 위한 순환수 공급부(50)와,
상기 순환수(51)를 펌핑하기 위한 순환수 펌프(53)와,
상기 정수 수초(40)의 상부에 구비되어 순환수(51)를 분사하는 살수 장치(55)와,
상기 순환수 펌프(53)와 살수 장치(55)를 연결하는 순환수 공급관(54)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 담체층(34)에는 다공성 유·무기 복합 세라믹 담체가 충진되는 것을 특징으로 하는 바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치.
제 1 항에 있어서,
상기 정수 수초(40)는 다년생 정수 식물로서, 갈대, 달뿌리풀, 부들, 노랑꽃창포, 큰고랭이, 세모고랭, 줄, 삿갓사초, 골풀 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 송풍팬(20)과 바이오필터(30)의 사이에 풍량을 조절하기 위한 댐퍼(22)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치.
제 1 항에 있어서,
상기 순환수 유출관(51)에 볼 밸브(52)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치.
제 1 항에 있어서,
상기 살수 장치(55)에 다수의 스프레이 노즐(56)이 구비되는 것을 특징으로 하는 바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치.