KR101880351B1

KR101880351B1 - 오염가스 제거용 생물복합섬유

Info

Publication number: KR101880351B1
Application number: KR1020160072657A
Authority: KR
Inventors: 조경숙; 최형주
Original assignee: 이화여자대학교 산학협력단
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2018-07-19
Also published as: KR20170139970A

Abstract

본 발명은 오염가스 제거용 미생물이 섬유소재에 결합된 형태의 오염가스 제거용 생물복합섬유, 상기 생물복합섬유의 제조방법, 상기 생물복합섬유를 사용하여 오염가스를 제거하는 방법, 상기 생물복합섬유를 포함하는 바이오필터, 상기 생물복합섬유를 포함하는 바이오커버 및 상기 바이오필터 또는 바이오커버를 이용하여 오염가스를 제거하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 생물복합섬유를 이용하면, 오염가스 제거용 미생물을 소량으로 사용하면서도 다양한 오염가스를 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 그의 물성으로 인하여 오염가스 제거용 장치를 경제적으로 생산할 수 있으므로, 오염가스의 효과적인 제거에 널리 활용될 수 있을 것이다.

Description

오염가스 제거용 생물복합섬유{Bio-complex textile for removing pollutant gas}

본 발명은 오염가스 제거용 생물복합섬유에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 오염가스 제거용 미생물이 섬유소재에 결합된 형태의 오염가스 제거용 생물복합섬유, 상기 생물복합섬유의 제조방법, 상기 생물복합섬유를 사용하여 오염가스를 제거하는 방법, 상기 생물복합섬유를 포함하는 바이오필터, 상기 생물복합섬유를 포함하는 바이오커버 및 상기 바이오필터 또는 바이오커버를 이용하여 오염가스를 제거하는 방법에 관한 것이다.

혐기성 조건하에서는 유기물은 미생물에 의해 분해되어 메탄과 이산화탄소로 최종분해되며, 이러한 분해과정에서 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸, 암모니아, 아민, 지방산 등의 악취물질이 발생하므로, 매립지, 음식물 쓰레기 처리시설, 혐기성 소화조 등과 같은 유기성 폐기물 처리시설 및 공정, 축사 등은 메탄과 악취가 동시에 배출되는 대표적인 시설로 알려져 있다.

특히, 매립지는 메탄과 악취가 동시에 배출되는 가장 대표적인 시설로, 현재 전국에 227개소(환경부 자원순환국, 2007)가 있으며 총 매립가능 면적과 매립용량은 각각 29,213,000㎡ 및 379,416,000㎥이다. 이들 매립지의 매립가스 처리현황을 살펴보면, 매립가스를 포집하여 고농도 메탄을 자원화할 수 있는 설비를 갖춘 매립지는 전체의 4%(10개소)에 불과하고, 대부분의 매립지(199개소, 89%)에서 매립가스는 대기 중으로 확산되고 있는 실정이다. 우리나라의 경우 매립지의 메탄 발생량은 인위적 메탄발생량의 약 37% 차지하는 것으로 추정되고 있으며, 이들 매립지에서의 메탄 발생 속도는 약 10,000 mg CH4 /㎡/d 정도로 추정되고 있다.

한편, 메탄은 전 지구적 기후변화를 초래하는 온실가스 중의 하나로, 이산화탄소에 이어 그 기여도가 2번째이며, 대기 중 메탄 농도는 산업혁명 이전에는 700ppb이었으나 현재는 1745 ppb로 급격하게 증가하고 있다. 메탄은 적외선 흡수 능력이 이산화탄소보다 25배 강하기 때문에 온실 효과에 대한 영향이 매우 크므로, 메탄은 가장 중요한 비이산화탄소 온실가스이며, 특히, 다른 온실가스와는 달리 메탄의 경우 폐기물 처리분야가 주요 발생원으로 비중을 차지하고 있다.

아울러, 매립지 등과 같은 유기성 폐기물 처리시설(공정)에 대한 악취 관리는 악취 측정과 모니터링 중심으로 수행되고 있는데, 현재로서는 악취제어대책으로는 탈취제 살포 등 소극적인 대응만 이루어지고 있는 실정이지만, 향후 매립지, 분뇨/가축분뇨 처리시설, 기타 유기성 폐기물 처리시설 등과 같은 공공환경시설에 대한 악취배출시설 설치 신고가 의무화될 예정이므로 이들 시설에 대한 보다 근본적인 악취 저감기술을 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있는데, 주로, 악취 저감 효율이 우수한 기능한 복토재 활용, crack이 발생한 부분에 on-site 바이오필터 설치, 매립가스 포집공에 이동식 바이오필터 설치 등의 관점에서 연구가 진행되고 있다.

예를 들어, 한국등록특허 제392185호에는 중간 복토층의 하부에 투수계수 및 공극율이 크고 비표면적이 넓은 재질로 이루어진 미생물 활성 반응층을 전면적으로 형성함으로써 매립가스의 추출 및 공기, 온도, 수분, pH조절물질 및 영양물질 등과 같은 미생물 반응조절물질의 주입을 용이하게 제어하여 매립진행 중인 매립지 내부에서 발생되는 매립가스를 효율적으로 추출하여 재활용 또는 가스소각하거나 매립가스에 포함되어 있는 온실가스, 악취물질 및 휘발성 유기화합물(VOCs) 등을 호기성 토양 미생물을 이용하여 보다 유해성이 적은 물질로 산화처리하는 미생물 활성 반응층을 이용한 매립가스 추출 및 산화처리방법 및 그 장치가 개시되어 있고, 한국등록특허 제858296호에는 매립지의 복토층이나 지표면을 통해서 대기 중으로 표면 발산하는 메탄가스를 매립지의 복토층 위나 지표면 위에 설치되며 호기성 메탄산화미생물이 활성화되고 메탄가스가 자유롭게 유동할 수 있는 비표면적, 공극률, 투수 계수를 갖고 대기의 온도 변화로부터 메탄산화미생물을 보호할 수 있는 열전도도를 갖는 바이오 메디아를 이용하여 바이오 활성층을 설치하고; 상기 매립지의 복토층이나 지표면에서 표면 발산되는 메탄가스가 상기 바이오 활성층을 통과하는 동안에, 대기확산에 의한 산소공급으로 활성화된 호기성 메탄산화미생물의 메탄산화반응에 의해서 메탄가스가 이산화탄소로 전환된 후 대기로 방출되도록 하는 것을 특징으로 하는 폐기물 매립지의 복토층이나 지표면에서 표면 발산되는 메탄가스를 줄이는 방법 및 이를 위한 메탄가스 저감시스템이 개시되고 있다.

이러한 배경하에서, 본 발명자들은 보다 효과적으로 매립지로부터 발생되는 다양한 오염가스를 제거하는 방법을 개발하고자 예의 연구노력한 결과, 섬유소재에 오염가스 제거용 미생물을 결합시킨 형태의 생물복합섬유를 사용할 경우, 보다 적은량의 오염가스 제거용 미생물을 사용하여도 효과적으로 오염가스를 제거할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 하나의 목적은 오염가스 제거용 미생물이 섬유소재에 결합된 형태의 오염가스 제거용 생물복합섬유를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 생물복합섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 생물복합섬유를 사용하여 오염가스를 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 생물복합섬유를 포함하는 바이오필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 생물복합섬유를 포함하는 바이오커버를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 바이오필터 또는 바이오커버를 이용하여 오염가스를 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 보다 효과적으로 매립지로부터 발생되는 다양한 오염가스를 제거하는 방법을 개발하고자 다양한 연구를 수행하던 중, 섬유소재를 오염가스 제거용 미생물의 담체로 사용하는 방법을 개발하였다. 지금까지 오염가스 제거용 미생물을 사용하여 상업적으로 매립지의 오염가스를 제거하기 위하여는, 상기 미생물을 안정적으로 유지할 수 있는 담체를 사용하여 왔는데, 상기 담체에 따라서, 미생물의 생육은 물론 오염가스 제거효율이 변화될 수 있다고 알려져 있다. 아울러, 이러한 담체에 접종된 미생물을 매립지에 고정시키기 위하여 상기 담체를 별도의 기구와 조합하여 사용되고 있다.

본 발명자들은 상기 담체로서 섬유소재를 사용하는 기술을 개발하였다. 상기 섬유소재는 변형이 자유롭고 미생물과의 흡착활성이 우수하기 때문에, 오염가스 제거용 미생물을 효과적으로 이용하기 위한 새로운 담체로서 사용할 수 있을 것으로 가정하고, 상기 섬유소재에 오염가스 제거용 미생물을 결합시킨 형태의 생물복합섬유(Bio-complex textile )를 제작한 다음, 이의 오염가스 제거효율을 비교하였다. 그 결과, 미생물 배양액을 그대로 사용한 것에 비하여 오염가스 제거효율이 저하됨을 확인하였다.

이에, 상기 생물복합섬유를 활용할 수 있는 방안을 개발하기 위하여, 다양한 연구를 수행하던 중, 미생물 배양액을 희석시켜, 미생물의 농도가 저하된 배양액을 사용할 경우에는, 전혀 다른 오염가스 제거효과를 나타냄을 발견하였다. 즉, 미생물 배양액의 원액(100%), 이의 75% 희석액, 50% 희석액, 25% 희석액 또는 10% 희석액을 각각 준비하고, 이들 원액 또는 희석액을 섬유소재에 가하여 각각의 생물복합섬유를 제작한 후, 상기 원액 또는 희석액과 이들을 사용하여 제작된 생물복합섬유의 오염가스 제거효과를 비교한 결과, 원액 또는 75% 희석액의 경우에는 생물복합섬유 보다는 미생물 배양액을 사용할 경우에 더욱 효과적으로 오염가스를 제거할 수 있었으나, 50% 희석액의 경우에는 오염가스의 종류에 따라 상호 동등한 효과를 나타냄을 확인하였고, 25% 및 10% 희석액의 경우에는 미생물 배양액 보다는 생물복합섬유를 사용할 경우에 더욱 효과적으로 오염가스를 제거할 수 있음을 확인하였다. 특히, 오염가스의 일종인 DMS를 대상으로 하여 50% 희석액과 25% 희석액의 효과를 비교한 결과, 미생물 배양액을 사용한 경우에는 25% 희석액의 효과가 50% 희석액의 효과의 약 25%에 불과하였으나, 생물복합섬유를 이용할 경우에는 25% 희석액과 50% 희석액의 효과가 별다른 차이를 나타내지 않음을 확인하였다.

이러한 효과는 종래의 담체에서는 확인되지 않았던 새로운 효과이며, 상기 효과로 인하여, 오염가스 제거용 미생물을 소량으로 사용하면서도 그의 오염가스 제거효과를 극대화 할 수 있으므로, 보다 경제적으로 매립지의 오염가스를 제거할 수 있음을 알 수 있었다.

아울러, 본 발명에서 제공하는 생물복합섬유는 가공이 용이한 섬유소재의 형태를 나타내기 때문에, 미생물 담체를 별도의 기구와 조합하여 바이오필터 또는 바이오커버의 형태로 제품화할 수 밖에 없었던 종래기술과는 달리, 상기 생물복합섬유 자체만으로도 바이오필터 또는 바이오커버 등의 제품으로 제작할 수 있어, 상기 제품의 생산에 소요되는 시간과 비용을 절감하는 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명에서 제공하는 생물복합섬유는 지금까지 전혀 개발되지 않았고, 본 발명자에 의하여 최초로 개발되었다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시양태로서, 본 발명은 (a) 오염가스 제거용 미생물 또는 그의 배양액; 및 (b) 상기 미생물 또는 배양액이 결합된 섬유소재를 포함하는, 오염가스 제거용 생물복합섬유를 제공한다.

본 발명의 용어 "오염가스"란, 매립지, 음식물 쓰레기 처리시설, 혐기성 소화조 등과 같은 유기성 폐기물 처리시설, 공장, 축사 등에서 발생되고, 온실효과를 나타내거나 악취를 발생하는 등의 환경을 오염시키는 효과를 나타내는 가스를 의미한다. 상기 오염가스는 특별히 이에 제한되지 않으나, 일 예로서, 메탄과 같은 비이산화탄소성 온실가스; 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸, 암모니아, 아민, 지방산 등의 악취성 물질; 에틸벤젠, 자일렌 등의 휘발성유기화합물(VOC) 등이 될 수 있다.

본 발명의 용어 "오염가스 제거용 미생물"이란, 상기 오염가스를 분해할 수 있는 미생물을 의미한다. 상기 오염가스 제거용 미생물은 특별히 이에 제한되지 않으나, Methylocystis 속 미생물, Methylosarcina 속 미생물, Methylocaldum 속 미생물, Sphingomonas 속 미생물, Methylocystis 속 미생물, Sphingomonas 속 미생물 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명의 용어 "섬유소재(textile)"란, 직물 또는 옷감이라고도 하는 섬유로 제조된 제품을 의미한다. 상기 섬유소재는 섬유를 사용하여 직조하는 방식에 따라, 다양한 형태로 제조될 수 있는데, 제직물, 편성제품, 펠트, 그물 등이 될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 섬유소재는 오염가스 제거용 미생물의 고정화 담체로서 사용될 수 있는 섬유소재인 것으로 해석될 수 있는데, 상기 섬유소재의 일 예로서, 부드러운 성분으로 구성되고 표면에 보풀이 않으며 느슨한 짜임새의 섬유소재, 뻣뻣한 성분으로 구성되고 표면이 매끄럽게 처리되며 조밀한 짜임새의 섬유소재 등이 될 수 있고, 다른 예로서, 원예용 부직포, 토목섬유 등이 될 수 있다.

본 발명의 용어 "생물복합섬유(Bio-complex textile)"란, 섬유소재에 오염가스 분해용 미생물을 결합시켜서 제조된 형태의 섬유제품을 의미한다. 상기 생물복합섬유는 섬유소재를 미생물의 고정화 담체로서 사용하여 제조된 것으로서, 섬유제품의 전체 또는 일부에 미생물이 결합 또는 코팅된 형태가 될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 생물복합섬유는 낮은 농도의 오염가스 제거용 미생물을 포함하여, 상기 미생물의 오염가스 제거활성을 향상시키는 효과를 나타내는 제품으로 해석될 수 있다.

특히, 상기 생물복합섬유가 미생물 배양액의 25%(v/v) 내지 10%(v/v) 희석액을 포함하는 경우, 상기 생물복합섬유는 상기 희석액 자체 보다도 상대적으로 높은 수준의 메탄 제거활성을 나타낼 수 있다.

아울러, 종래에 사용되었던 미생물 고정화 담체가 그 자체를 가공하기 곤란하기 때문에, 바이오필터 또는 바이오커버와 같은 제품을 제작하기 위하여는 상기 고정화 담체를 다른 장치와 조합하여야만 하는 것과는 달리, 본 발명에서 제공하는 상기 생물복합섬유는 그 자체로서 가공이 용이한 섬유소재의 형태이기 때문에, 상기 생물복합섬유를 직접적으로 가공하여, 바이오필터, 바이오커버 등의 오염가스 제거용 제품으로 제작할 수 있다. 이로 인하여, 본 발명에서 제공하는 생물복합섬유를 사용하면 바이오필터, 바이오커버와 같은 오염가스 제거제품의 제작에 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있어, 보다 경제적으로 오염가스 제거장치를 생산하는데 사용될 수 있다.

예를 들어, 동일한 오염가스 제거용 미생물을 이용하여 매립지용 바이오커버를 제작하는 경우, 종래의 고정화 담체를 사용할 경우에는 상기 미생물이 포함된 고정화 담체를 별도의 용기에 담고, 상기 용기에 매립지로부터 발생되는 오염가스를 유입할 수 있는 도관과 상기 미생물이 포함된 고정화 담체로부터 방출되는 가스를 배출할 수 있는 도관이 구비된 형태의 바이오커버를 제작할 수 있다.

이에 반하여, 본 발명에서 제공하는 생물복합섬유를 사용할 경우, 상기 미생물을 섬유소재에 고정시켜서 생물복합섬유를 제작하고, 상기 제작된 생물복합섬유의 가장자리에 매립지의 상단에 고정시킬 수 있는 고정수단을 결합시켜서, 바이오커버를 제작할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 지렁이분변토로부터 분리한 미생물제제를 원예용 부직포 또는 토목섬유와 같은 섬유소재에 가하여 생물복합섬유(Bio-complex textile)를 제작하고, 상기 미생물제제와 생물복합섬유의 오염가스 제거효과를 비교한 결과, 상기 미생물제제를 일정 수준 이상으로 희석한 경우에는 미생물제제를 그대로 사용하는 것 보다는 생물복합섬유의 형태로 제작하여 사용하는 것이 더욱 효과적으로 오염가스를 제거할 수 있음을 확인하였다(도 2a 내지 2d). 또한, 상기 미생물제제를 펄라이트 또는 토버모라이트와 같은 다양한 담체에 혼합하여 각각의 미생물담체를 수득한 다음, 이를 섬유소재 사이에 도말하여 Biotrap 형태의 생물복합섬유를 제작하고, 제작된 생물복합섬유를 매립지 환경과 유사한 형태의 생물반응기에 적용하여, 이의 오염가스분해효과를 검증하였다. 그 결과, 메탄과 DMS와 같은 오염가스를 효과적으로 분해할 수 있고, 메탄보다는 DMS를 더욱 효과적으로 분해할 수 있음을 알 수 있었다(도 5a 내지 5c).

다른 실시양태로서, 본 발명은 섬유소재에 오염가스 제거용 미생물을 결합시키는 단계를 포함하는 오염가스 제거용 생물복합섬유의 제조방법을 제공한다.

상기 섬유소재에 상기 미생물을 결합시키는 방법은 공지된 방법에 의하여 수행될 수 있는데, 일 예로서, 섬유소재에 상기 미생물의 배양액 또는 상기 배양액의 희석액을 가하고, 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.

아울러, 상기 오염가스 제거용 생물복합섬유를 제조하는 다른 방법으로서, (a) 오염가스 제거용 미생물을 공지된 고정화 담체에 결합시켜서 미생물담체를 수득하는 단계; 및 (b) 상기 미생물담체를 하나의 섬유소재의 일측면 또는 양측면에 도말하고, 상기 도말된 미생물담체 위에 다른 하나의 섬유소재를 각각 적층하여, 상기 섬유소재와 미생물담체를 샌드위치 형태로 고정시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 용어 "고정화 담체"란, 미생물을 이용한 산업에 사용하기 위하여 미생물을 고정화시키는 기질을 의미하는데, 상기 기질은 목적 미생물을 고농도로 고정화할 수 있고, 복수의 공극을 포함하며, 상기 공극들이 서로 연장되어 형성된 망상 구조의 네트웍 유로(reticulated network of flow channels)가 형성될 수 있고, 탄성 및 압축강도 등의 기계적 강도가 충분하여 산업적 사용에 적합한 내구성을 갖는다. 상기 고정화 담체는 특별히 이에 제한되지 않으나, 일 예로서 펄라이트, 토버모라이트 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.

또 다른 실시양태로서, 본 발명은 오염가스 발생원에 상기 생물복합섬유를 가하는 단계를 포함하는 오염가스를 제거하는 방법을 제공한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 생물복합섬유는 이에 포함된 오염가스 제거용 미생물과 섬유소재의 조합으로 인하여, 적은양의 미생물을 사용하여 효과적으로 제거할 수 있으므로, 상기 생물복합섬유를 오염가스 발생원에 가하면 상기 발생원으로부터 발생되는 오염가스를 효과적으로 제거할 수 있다.

본 발명의 용어 "오염가스 발생원"이란, 상기 오염가스가 발생되는 원인지역 또는 시설 등을 의미하는데, 일 예로서, 매립지, 음식물 쓰레기 처리시설, 혐기성 소화조 등과 같은 유기성 폐기물 처리시설, 공장, 축사 등이 될 수 있다.

또 다른 실시양태로서, 본 발명은 상기 생물복합섬유를 포함하는 오염가스 제거용 바이오필터를 제공한다

본 발명에서 제공하는 바이오필터는 바이오필터에 주입되는 오염가스를 제거하기 위해, 상기 생물복합섬유가 구비된 충진부(packing section)를 포함한다. 이때, 상기 충진부는 상기 생물복합섬유 이외의 다른 구성성분을 추가로 포함할 수도 있는데, 예를 들어, 매립지 토양, 지렁이 분변토 등의 구성성분을 추가로 포함할 수 있다.

아울러, 상기 바이오필터의 오염가스 제거효과를 보다 향상시키기 위하여 상기 충진부 이외에, 가스공급부(blower), 살수시스템(watering system), 드레인저장부(drainage container) 등의 구성요소를 추가로 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 가스공급부는 오염가스가 발생되는 장소로부터 오염가스를 흡입하여 바이오필터에 공급하는 장치이고; 순환시스템은 순환용 펌프, 살수장치 등으로 구성되어, 바이오필터를 운전하는 동안 충진부의 건조를 방지하고 생물복합섬유의 활성 유지를 위해, 수분함량을 70% 이상 유지하도록 수분을 공급하는 장치이며; 드레인저장부는 상기 살수 시스템에서 공급되었으나 충진부에서 사용되지 않은 여분의 수분을 저장하고, 상기 살수 시스템으로 수분을 공급하며, 상기 생물복합섬유에 포함된 오염가스 제거용 미생물의 성장에 필요한 각종 영양성분을 상기 수분에 공급할 수 있는 장치가 될 수 있으나, 이들 각 장치의 구성 및 추가적으로 포함되는 장치는 본 발명의 바이오필터가 오염가스 제거효과를 나타내는 한, 특별히 이에 제한되지 않는다.

또 다른 실시양태로서, 본 발명은 상기 오염가스 제거용 바이오필터를 포함하는 오염가스 제거용 바이오커버를 제공한다.

본 발명에서 제공하는 바이오커버는 오염가스가 발생하는 장소에서 실질적으로 오염가스를 제거하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 오염가스의 발생량이 적어 오염가스 포집시설을 설치하기에는 경제적으로 타당성이 맞지 않는 소규모 매립지나 매립 종료 후 어느 정도 시간이 소요되어 자원화하기에는 너무 낮은 농도로 오염가스가 배출되는 매립지의 환기구 또는 가스배출구에 본 발명의 바이오커버를 장착시켜서 상기 매립지로부터 발생되는 오염가스를 제거할 수 있다.

아울러, 상기 바이오커버에는 오염물질 제거효과를 보다 향상시킬 수 있도록 상술한 바이오필터에 포함되는 가스공급부, 살수시스템, 드레인저장부 등을 추가로 포함할 수도 있으나, 이들 추가적인 구성요소는 특별히 이에 제한되지 않는다.

또 다른 실시양태로서, 본 발명은 상기 바이오필터 또는 바이오커버를 오염가스가 발생 또는 존재하는 장소에 설치하는 단계를 포함하는 오염가스의 제거방법을 제공한다.

이때, 상기 오염가스가 발생 또는 존재하는 장소는 특별히 이에 제한되지 않으나 일 예로서, 매립지, 음식물 쓰레기 처리시설, 혐기성 소화조 등과 같은 유기성 폐기물 처리시설, 공장, 축사 등의 오염가스 발생원이 될 수 있다.

본 발명의 생물복합섬유를 이용하면, 오염가스 제거용 미생물을 소량으로 사용하면서도 다양한 오염가스를 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 그의 물성으로 인하여 오염가스 제거용 장치를 경제적으로 생산할 수 있으므로, 오염가스의 효과적인 제거에 널리 활용될 수 있을 것이다.

도 1은 지렁이분변토로부터 수득한 EG 미생물제제의 배양시간의 경과에 따른 메탄과 DMS의 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2a는 섬유소재를 가하지 않은 대조군에서 측정된 배양시간의 경과에 따른 메탄과 DMS의 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2b는 섬유소재 A에 접종된 EG 미생물제제의 배양시간의 경과에 따른 메탄과 DMS의 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2c는 섬유소재 B에 접종된 EG 미생물제제의 배양시간의 경과에 따른 메탄과 DMS의 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2d는 상기 도 2a 내지 2c의 결과를 배양산물의 희석액 기준으로 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 토버모라이트 또는 펄라이트를 포함하는 미생물담체의 보관기간에 따른 메탄과 DMS의 분해속도변화를 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 본 발명에서 제공하는 생물반응기의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 4b는 생물복합섬유가 구비된 생물반응기에 오염가스를 공급하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 5a는 펄라이트(BCT1)를 포함하는 생물복합섬유가 구비된 생물반응기에서 시간의 경과에 따른 메탄 또는 DMS의 농도변화를 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 토버모라이트(BCT2)를 포함하는 생물복합섬유가 구비된 생물반응기에서 시간의 경과에 따른 메탄 또는 DMS의 농도변화를 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5c는 펄라이트와 토버모라이트의 1:1(v/v) 혼합물(BCT3)을 포함하는 생물복합섬유가 구비된 생물반응기에서 시간의 경과에 따른 메탄 또는 DMS의 농도변화를 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 생물복합섬유의 제작 및 효과검증

실시예 1-1: 오염가스 분해용 미생물의 배양

매립지가스 성분 중, 온실기체인 메탄과 악취의 원인가스인 DMS(dimethylsulfide)를 분해하기 위해 지렁이분변토로부터 메탄 및 DMS를 동시에 분해할 수 있는 균주를 수득하고, 이를 배양하였다.

먼저, 지렁이분변토 10 g에 증류수 100㎖를 가하고, 150 rpm으로 20분간 교반한 후, 이를 원심분리하여 얻은 상등액을 EG 미생물제제로 준비하였다.

다음으로, 600 ㎖ 혈청병에 NMS(Nitrate Mineral Slat) 배지(CaCl₂·6H₂O 0.2 g/ℓ, MgSO₄·7H₂O 1.0 g/ℓ, KNO₃ 1.0 g/ℓ, KH₂PO₄ 0.272 g/ℓ, Na₂HPO₄·12H₂O 0.717 g/ℓ 및 Trace element 0.5 ㎖/ℓ) 18 ㎖를 넣고, 여기에 상기 준비된 EG 미생물제제 2 ㎖를 가하였다. 상기 Trace element의 조성은 다음과 같다: FeSO₄·7H₂O 200 mg/ℓ, ZnSO₄·7H₂O 10 mg/ℓ, MnCl₂·4H₂O 3 mg/ℓ, H₃BO₃ 30 mg/ℓ, CoCl₂·6H₂O 20 mg/ℓ, NiCl₂·6H₂O 2 mg/ℓ 및 Na₂MoO₄·2H₂O 3 mg/ℓ.

그런 다음, 상기 혈청병을 고무마개와 파라필름으로 봉한 후 실린지를 이용하여 메탄 50,000 ppm과 DMS 5,000 ppm을 주입하였다. 혈청병을 30℃ 및 150 rpm 조건으로 14일 동안 배양하여, 배양산물을 수득하였다. 메탄과 DMS가 전량 소모되면 혈청병을 개봉하여 30분 이상 공기치환 시킨 후, 상기와 동일한 조건으로 메탄과 DMS를 재주입하였다. 영양원 고갈에 따른 균주의 사멸을 방지하기 위해 공기치환을 세 번 반복할 때마다 질소 농축액과 인 농축액을 각 1.0 ㎖씩 가하였다. 이어, 혈청병 내의 메탄과 DMS의 농도 변화를 측정하였다(도 1).

도 1은 지렁이분변토로부터 수득한 EG 미생물제제의 배양시간의 경과에 따른 메탄과 DMS의 농도 변화를 나타내는 그래프이다. 도 1에서 보듯이, EG 미생물제제를 메탄 및 DMS 조건에서 배양하였을 때 혈청병 내 탄소원의 농도가 감소함을 확인하였다. 특히, 배양초기 메탄이 분해되는 데에는 6일, DMS가 분해되는 데에는 5일이 소요되었으나, 두 번째 배양 시 탄소원이 분해되는 데에 이틀이 소요됨을 확인하였다.

실시예 1-2: 오염가스 분해용 미생물을 포함하는 생물복합섬유의 제작

상기 실시예 1-1에서 수득한 EG 미생물제제 배양산물을 섬유소재에 가하여 생물복합섬유(Bio-complex textile)를 제작하고, 이를 이용한 오염가스 제거효과를 비교하였다.

구체적으로, 원예용 부직포(섬유소재 A: 두께 약 0.30 mm, 색 형광빛 흰색, 부드러운 성분으로 구성되어 있으나 표면에 보풀이 많음, 느슨한 짜임새) 또는 토목섬유(섬유소재 B: 두께 0.25 mm, 색 흰색, 뻣뻣한 성분으로 구성되어 있으나 표면이 매끄럽게 처리되어 있음, 조밀한 짜임새)를 각각 준비하고, 이들을 1 cm × 1 cm 크기로 절단하고, 각각의 절단된 섬유소재를 120 ㎖ 혈청병에 10장씩 넣었다.

한편, 상기 실시예 1-1에서 수득한 EG 미생물제제 배양산물에 멸균수를 가하여 10%, 25%, 50%, 75% 또는 100%(v/v)로 희석된 각각의 시료를 준비하고, 이들 준비된 시료 2 ㎖를 상기 절단된 섬유소재가 담겨진 혈청병에 가한 다음, 2일간 보존하여 수분을 완전히 제거하였다. 이어, 상기 혈청병에 NMS 배지 2 ㎖를 가하고 밀봉한 다음, 실린지를 이용하여 각 혈청병에 오염가스로서 메탄 50,000 ppm과 DMS 5,000 ppm을 주입하였으며, 30℃, 150 rpm 조건에서 14일 동안 배양하면서, 혈청병 내의 메탄과 DMS의 농도 변화를 측정하였다(도 2a 내지 2d). 이때, 대조군으로는 섬유소재를 가하지 않은 것을 사용하였다.

도 2a는 섬유소재를 가하지 않은 대조군에서 측정된 배양시간의 경과에 따른 메탄과 DMS의 농도 변화를 나타내는 그래프이다. 도 2a에서 보듯이, 배양산물의 희석배수가 증가하여, 배양산물의 농도가 감소될 수록 메탄과 DMS를 완전히 제거하기 위한 시간이 증가됨을 확인하였다.

도 2b는 섬유소재 A에 접종된 EG 미생물제제의 배양시간의 경과에 따른 메탄과 DMS의 농도 변화를 나타내는 그래프이다. 도 2b에서 보듯이, 대조군에 비하여, 소요되는 시간이 증가되기는 하였으나, 모든 배양산물 희석액을 사용할 경우, 메탄과 DMS를 완전히 제거할 수 있음을 확인하였다.

도 2c는 섬유소재 B에 접종된 EG 미생물제제의 배양시간의 경과에 따른 메탄과 DMS의 농도 변화를 나타내는 그래프이다. 도 2c에서 보듯이, 가장 낮은 농도로 희석된 배양산물을 사용할 경우, 메탄을 완전히 제거하지 못함을 확인하였다.

도 2d는 상기 도 2a 내지 2c의 결과를 배양산물의 희석액 기준으로 비교한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 2d에서 보듯이, 메탄과 DMS의 제거양상이 각각 서로 상이함을 확인하였다.

구체적으로, 메탄의 경우, 배양산물의 50%, 75% 또는 100% 희석액은 섬유소재를 사용하지 않은 대조군이 섬유소재 A 또는 B에 비하여 현저하게 높은 수준의 제거율을 나타내었으나, 이례적으로 배양산물의 10% 또는 25% 희석액을 사용한 경우에는 섬유소재 B가 대조군 또는 섬유소재 A에 비하여 현저하게 높은 수준의 제거율을 나타내었다.

또한, DMS의 경우, 배양산물의 50%, 75% 또는 100% 희석액은 대조군이 섬유소재 A 또는 B에 비하여 상대적으로 높은 수준의 제거율을 나타내었으나, 배양산물의 10% 또는 25% 희석액은 섬유소재 A가 대조군 또는 섬유소재 B에 비하여 상대적으로 높은 수준의 제거율을 나타내었다.

상기 결과로부터, 미생물 배양액을 50% 이하의 수준으로 희석하여 사용할 경우에는, 미생물 배양액을 그대로 사용하는 것 보다는 섬유소재에 미생물 배양액을 가하여 제조된 형태의 생물복합섬유를 사용하는 것이 바람직하고, 오염가스에 따라 적절한 섬유소재를 선택적으로 사용함이 바람직함을 알 수 있었다.

실시예 2: 담체를 포함하는 생물복합섬유의 제작 및 효과검증

실시예 2-1: 미생물담체를 포함하는 Biotrap 형태의 생물복합섬유의 제작

상기 실시예 1-2에서 제조된 생물복합섬유와는 다른 형태의 생물복합섬유를 제작하고, 이의 활성을 비교하였다.

구체적으로, 토버모라이트(연한갈색, pH 7.0, 겉보기밀도 0.58g/㎖) 또는 펄라이트(흰색, pH 6.0, 겉보기밀도 0.13g/㎖)을 잘게 부수고, 2 mm 체로 걸러 굵은 입자를 제거하여, 담체입자를 수득하였다. 이어, 상기 담체입자 500 ㎖와 실시예 1-1에서 수득한 EG 미생물제제 배양산물 200 ㎖를 혼합하여 미생물담체를 수득하고, 상기 미생물담체 100 ㎖를 10 cm × 10 cm 크기의 부직포 주머니에 담은 후, 일부를 봉인하여 Biotrap 형태의 생물복합섬유를 제작하고, 14주 동안 밀폐용기내에 보관하면서, 시간의 경과에 따른 수분함량의 변화를 측정하였다(표 1).

세균 고정화 담체의 수분함량 변화(%)

보관기간 (주)	토버모라이트	펄라이트
2 3 4 6 8 10 14	51.07±0.76 49.96±1.97 50.95±0.05 50.87±0.16 50.84±0.53 51.37±0.39 43.77±0.24	76.75±0.64 76.31±0.94 75.18±1.33 76.15±1.00 76.25±0.64 76.27±1.17 60.45±0.29

상기 표 1에서 보듯이, 담체로서 토버모라이트를 사용한 경우 보다는, 펄라이트를 사용한 경우에 수분함량이 높은 수준으로 유지됨을 확인하였다. 이는 토버모라이트 보다 펄라이트의 보수력(water holding capacity)이 상대적으로 높은 수준이기 때문인 것으로 분석되었다.

실시예 2-2: 생물복합섬유의 효과검증

상기 실시예 2-1에서 2, 3, 4, 6 또는 10주 동안 보관된 각각의 생물복합섬유로부터 수득한 미생물담체 40 ㎖를 600 ㎖ 혈청병에 담고, 여기에 NMS 배지 2 ㎖를 가한 다음, 밀봉하였으며, 실린지를 이용하여 각 혈청병에 메탄 50,000 ppm과 DMS 5,000 ppm을 주입하였으며, 30℃, 150 rpm 조건에서 14일 동안 배양하면서, 혈청병 내의 메탄과 DMS의 농도 변화를 측정하여 메탄과 DMS의 분해속도를 산출하고, 이를 비교하였다(도 3).

도 3은 토버모라이트 또는 펄라이트를 포함하는 미생물담체의 보관기간에 따른 메탄과 DMS의 분해속도변화를 비교한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 3에서 보듯이, 토버모라이트와 펄라이트 모두 10 주 이상 보관하여도 메탄과 DMS 분해능이 유지됨을 확인하였다.

따라서, 이번 연구결과를 통해 생물복합섬유 시제품을 중온에서 보관할 경우 보관기간에 상관없이 높은 메탄 및 DMS 분해활성을 기대할 수 있다는 결론을 내릴 수 있다.

실시예 3: 생물반응기를 이용한 생물복합섬유의 효과검증

실시예 3-1: 생물반응기의 제작

본 발명에서 제공하는 생물복합섬유를 매립지 현장에서 사용할 수 있는지를 평가하기 위하여, 매립지 환경과 유사한 형태의 아크릴 소재의 생물반응기를 제작하였다(도 4a). 복층의 원통형 반응기(직경 30mm × 높이 60 mm × 두께 10 mm)가 사용되었다. 반응기의 하층은 단일원통(직경 30mm × 높이 20 mm × 두께 10 mm)으로 구성되었고, 상층은 외부원통(직경 30mm × 높이 40 mm × 두께 10 mm) 안에 내부원통(직경 20mm × 높이 20 mm × 두께 10 mm)이 든 이중원통으로 구성되었다. 반응기의 하층으로 매립지 가스가 유입된 후 생물복합섬유가 있는 상층 내부원통을 거쳐 분해되고, 최종적으로 상층 외부원통으로 빠져나가도록 설계하였다. 상층의 내부원통과 하층은 다공판으로 연결되어 있어 가스의 유입과 유출이 자유롭게 일어나도록 하였다.

도 4a는 본 발명에서 제공하는 생물반응기의 구조를 나타내는 개략도이다.

이어, 상기 제작된 생물반응기에 충전할 물질은 다음과 같이 준비하였다:

난석은 직경이 10-15 mm인 것과 20-30 mm인 것을 1:1(v/v)로 섞어 사용하였으며, 반응기를 충전하기 전 수돗물로 한 차례 세척되었다. 모래는 2 mm체로 거른 후 사용되었으며, 수돗물을 첨가하여 수분함량이 20-25%가 되도록 조절되었다. 반응기는 하단부 부터 난석 4.0 L와 모래 0.5 L로 충전되었다.

실시예 3-2: 생물반응기용 생물복합섬유의 제작

상기 실시예 3-1에서 제작된 생물반응기에 적용할 수 있는 생물복합섬유를 다음과 같이 제작하였다:

먼저, 담체로서 펄라이트(BCT1), 토버모라이트(BCT2) 또는 펄라이트와 토버모라이트의 1:1(v/v) 혼합물(BCT3)을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2-1과 동일한 방법을 수행하여 각각의 미생물담체를 수득하였다. 상기 수득한 각각의 미생물담체 160 ㎖를 직경 200 mm인 원형의 원예용 부직포 두 장의 사이에 도말하여, 각각의 생물복합섬유를 제작하였다.

상기 제작된 각각의 생물복합섬유를 실시예 3-1에서 제작된 생물반응기에 충전된 모래위에 구비하였다.

실시예 3-3: 생물반응기를 이용한 오염가스 제거효과 분석

상기 실시예 3-2에 의해 생물복합섬유가 구비된 생물반응기의 하단으로 오염가스인 메탄과 이산화탄소를 40:60(v/v)로 혼합한 혼합가스를 1 ㎖/min의 속도로 28일 동안 주입하고, 그 후에는 상기 혼합가스와 DMS 0.125 ㎖과 콩기름 100 ㎖의 혼합물을 1 ㎖/min의 속도로 함께 22일 동안 추가로 주입하였다. 또한, 상기 생물반응기의 상단부로 공기를 10 ㎖/min의 속도로 유입시켜서 매립지 표층과 유사한 조건을 형성하였다(도 4b). 도 4b는 생물복합섬유가 구비된 생물반응기에 오염가스를 공급하는 방법을 나타내는 개략도이다.

상기 오염가스를 80일 동안 주입하면서, 생물반응기의 상단 공기를 분석하여, 메탄 또는 DMS의 농도변화를 측정하고 비교하였다(도 5a 내지 5c).

도 5a는 펄라이트(BCT1)를 포함하는 생물복합섬유가 구비된 생물반응기에서 시간의 경과에 따른 메탄 또는 DMS의 농도변화를 비교한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 토버모라이트(BCT2)를 포함하는 생물복합섬유가 구비된 생물반응기에서 시간의 경과에 따른 메탄 또는 DMS의 농도변화를 비교한 결과를 나타내는 그래프이며, 도 5c는 펄라이트와 토버모라이트의 1:1(v/v) 혼합물(BCT3)을 포함하는 생물복합섬유가 구비된 생물반응기에서 시간의 경과에 따른 메탄 또는 DMS의 농도변화를 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 5a 내지 5c에서 보듯이, 펄라이트와 토버모라이트로 충전한 반응기(BCT1, BCT2)에서는 유도기 없이 메탄이 즉각적으로 제거되기 시작하였고, 펄라이트와 토버모라이트를 1:1 비율로 섞은 것으로 충전한 반응기(BCT3)에서는 운전 일주일만에 메탄이 제거되기 시작하였다. BCT1, BCT2, BCT3의 평균 메탄제거율(removal efficiency, RE)은 26.23±10.42, 19.95±8.77, 52.34±9.41%로 나타나 펄라이트와 토버모라이트를 섞은 담체가 메탄산화세균의 활성을 높이는 데 가장 크게 기여하는 것을 확인할 수 있었다. 운전 29일차부터 5,000 ppm 이하의 DMS를 추가 유입가스로 공급하였으며 DMS 공급과 동시에 세 반응기 모두에서 DMS가 전량분해 됨을 확인하였다.

이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예 및 실험예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

(a) 오염가스 제거용 미생물 배양액의 25%(v/v) 내지 10%(v/v) 희석액을 고정화 담체에 결합시켜서 미생물담체를 수득하는 단계; 및
(b) 상기 미생물담체를 하나의 섬유소재의 일측면 또는 양측면에 도말하고, 상기 도말된 미생물담체 위에 다른 하나의 섬유소재를 각각 적층하여, 상기 섬유소재와 미생물담체를 샌드위치 형태로 고정시키는 단계를 포함하고,
상기 고정화 담체는 펄라이트, 토버모라이트 또는 이들의 조합이고, 상기 섬유소재는 원예용 부직포 또는 토목섬유이며, 섬유소재로 인해 (a) 단계의 희석액 자체보다 높은 오염가스 제거활성을 나타내는, 오염가스 제거용 생물복합섬유의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 오염가스는 메탄, 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸, 암모니아, 에틸벤젠, 자일렌 또는 이들의 조합인 것인, 오염가스 제거용 생물복합섬유의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 오염가스 제거용 미생물은 Methylocystis 속 미생물, Methylosarcina 속 미생물, Methylocaldum 속 미생물, Sphingomonas 속 미생물 또는 이들의 조합인 것인, 오염가스 제거용 생물복합섬유의 제조방법.
삭제
삭제
삭제
제1항의 오염가스 제거용 생물복합섬유의 제조방법으로 제조된, 오염가스 제거용 생물복합섬유.
삭제
제7항의 오염가스 제거용 생물복합섬유를 오염가스 발생원에 가하는 단계를 포함하는, 오염가스의 제거방법.
제9항에 있어서,
상기 오염가스 발생원은 매립지, 음식물 쓰레기 처리시설, 혐기성 소화조 또는 축사인 것인, 오염가스의 제거방법.
제7항의 오염가스 제거용 생물복합섬유를 포함하는, 오염가스 제거용 바이오필터.
제11항의 오염가스 제거용 바이오필터를 포함하는, 오염가스 제거용 바이오커버.
제7항의 오염가스 제거용 생물복합섬유를 포함하는 오염가스 제거용 바이오필터 또는 상기 바이오필터를 포함하는 오염가스 제거용 바이오커버를 오염가스가 발생 또는 존재하는 장소에 설치하는 단계를 포함하는, 오염가스의 제거방법.