KR19990046720A

KR19990046720A - 휘발성유기화합물및악취를제거하기위한쌍방향흐름형생물학적제거장치

Info

Publication number: KR19990046720A
Application number: KR1019990013734A
Authority: KR
Inventors: 박상진; 임재신; 오성근; 서정석; 이태용
Original assignee: 이태용; 박상진; 주식회사 일광지오라인
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 1999-04-19
Publication date: 1999-07-05
Also published as: KR100276156B1

Abstract

본 발명은 석유화학 공장, 도장 공장, 식품 가공공장, 폐기물 중간처리장, 분뇨/하수 처리장 등 각종 사업장에서 발생하는 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸벤젠, 페놀 등의 휘발성 유기화합물질(Volatile Organic Compounds, 이하 VOCs)과 유황계 및 질소계 악취물질을 생물학적으로 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 미생물이 부착된 세라믹 또는 플라스틱 링 등으로 이루어진 필터를 하우징내에 충전시키고 VOCs 및 악취물질이 포함된 폐가스를 하우징 내부의 상기 필터에 통과시켜서 악취 폐가스를 정화시키는데 있어서, 상기 가스가 상기 필터의 양쪽 방향으로부터 선택적으로 교대로 유입될 수 있도록 함으로써, 충전재 표면에 부착된 미생물의 농도/분포 및 미생물 막(biofilm)을 반응기 전체에 일정하게 유지시켜 폐가스중의 VOCs와 악취물질을 효과적으로 제거하는 기술이다.

Description

휘발성 유기화합물 및 악취를 제거하기 위한 쌍방향 흐름형 생물학적 제거장치{Two Way Directional Biological Trickling Air Biofilter system}

본 발명은 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, 이하 VOCs 라 함) 및 악취가 나는 폐가스의 제거방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공성 세라믹 또는 플라스틱 재료의 표면에 미생물이 부착된 재료를 하우징에 충전시킨 후, VOCs 및 악취 폐가스를 양방향에서 상기 생물학적 필터 매질(Biofilter media)층 사이로 통과시켜 상기 미생물에 의해 VOCs 폐가스를 분해시킴으로써 보다 경제적이고 효과적으로 VOCs를 제거할 수 있는 생물학적 제거방법 및 장치(2-Way BTAB System)에 관한 것이다.

VOCs는 대부분 발암성 물질로써 인체에 매우 유독하며 오존층을 파괴하는 물질들로서, 근래에 VOCs의 배출량은 국제적으로 규제되고 있으며, 국내에서도 울산, 여천 등 석유화학 단지에 대해서 특별 대책지역으로 정해놓고 VOCs의 발생량을 규제하고 있는 실정이다. 또한, 유황계 및 질소계 악취물질도 각종 사업장에서 많은 민원을 야기시키고 있어 이에 대한 대책마련이 시급하다.

1980년대 중반 이후, 대기중에 방출되는 VOCs 및 악취를 처리하는 다양한 방법중 생물학적 처리기술은 유럽을 중심으로 본격적인 연구가 수행되었으며(Van Lith 등, 1997), 1990년대 이후 오염된 공기로부터 VOCs나 악취를 제거하는 기술은 대기오염 부분에서 주요 문제로 대두되기 시작하였다(Sorial 등 1997). 생물학적 처리기술(biofiltration)은 반응기 내부를 미생물막이 구비된 충전물질로 채우고 오염된 공기를 상기 충전물질에 통과시켜 오염물질이 미생물막으로 확산되도록 함으로써 상기 미생물에 의해 산화분해시키는 기작에 의해 오염공기를 정화시키는 기술이다(Tang 등 1996).

생물학적 제거법(Biofiltration)은 기존에 VOCs를 처리하는 방법으로 이용된 소각, 활성탄 흡착, 화학적 처리 등의 물리화학적 처리기술 보다 경제적이고 대용량, 저농도로 발생되는 오염된 공기를 정화시키는데 매우 유용한 기술로 알려졌다 (Tang 등, 1996; Sorial 등 1997).

역사적으로 1960년대부터 이용된 초기의 바이오필터로서는 토양층에 오염된 공기를 주입하여 토양 흡착과 토양 미생물을 이용하여 제거하는 토양상(soil bed)이 사용되었다. Prokop와 Bohn(1985)은 상기 토양상을 사용하여 황화수소를 제거하는 연구를 실시하였으며, Campbell 등(1987)의 방법은 실험실 규모에서 휘발성 용매를 90%이상 제거하는 효과가 인정되었으나, 토양상은 넓은 부지를 필요로 하고 높은 압력손실 및 토양층 내부에 균등한 공기를 공급하는 기술적인 문제점이 있다(Van Lith 등 1997; Sorial 등 1997).

1980년대 이후, 바이오필터의 충전재로 퇴비, 피트(peat), 수피(wood bark) 등의 유기 재료들이 악취 및 VOCs의 처리에 주로 이용되었다(Ottengraf 등 1984; Frusawa 등, 1984; Hirai 등 1990; Park 등 1993; Tang 등 1996). 그러나, 이들 유기성 충전재는 높은 물리적 흡착, 양호한 수분 보수력으로 인해 높은 제거효율을 가지고 있으나 미생물에 의해 충전재 자체가 분해되고 무기화로 인한 압밀이 되어 충전재층으로 공기의 흐름이 일정하게 유지되지 않는 단점이 있다(Tang 등 1996; Sorial 등 1997). 이와 같은 단점 때문에 유기성 충전재는 1년 정도마다 교환하거나 재배치해주어야 처리효율을 유지할 수 있다(Van Lith 등 1997).

최근 이러한 유기성 충전재의 단점을 보완하기 위해서 퇴비, 피트 등의 유기물질과 프라스틱, 펠렛 타입의 활성탄, 세라믹 등의 무기성 물질을 혼합하여 바이오필터의 효율을 개선하고자 하는 시도가 진행되고 있다(Deshusses, 1994; Van Lith 등 1997).

VOCs를 유기물을 충전재로 사용하는 기존의 바이오필터로 처리할 경우 미생물들은 VOCs를 분해하여 탄소원으로 이용하여 미생물이 성장하기 때문에, 충전재에 부착된 미생물이 과도하게 성장할 경우 과잉의 미생물(Biomass)이 충전재 공극을 막아 압력손실이 유발되어 처리풍량이 줄어들고 처리효율이 저하되어 전체적인 제거효율이 떨어지게 된다. 세류식 기체 바이오필터(Trickling Air Biofilter)에서도 이러한 과도하게 성장하는 잉여 미생물 증식에 의한 과다한 압력손실이 발생하고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 미국의 Sorial 등(1997)은 NaCl 용액을 이용하여 미생물의 생육을 억제하는 방법을 고안했으나 결국 미생물의 생육 장애가 발생하여 처리효율이 급격히 감소하는 결과를 초래하였다.

또한 무기성 악취물질인 황화수소, 황화메틸, 이황화메틸, 메틸메르캅탄 등의 황유황계와 암모니아 등의 질소계 성분의 경우 과다한 미생물의 증식에 의한 막힘현상은 큰 문제는 없지만 반응기의 상부와 하부에 균질한 미생물농도를 유지하는것이 효율을 높이는 가장 중요한 방법중의 하나이다.

기존의 편방향형 바이오필터로는 위와 같은 문제점을 해결하기가 어렵다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래기술의 문제점을 극복하여, 과잉으로 자라나는 미생물에 의한 막힘현상을 획기적으로 줄이고 미생물의 농도를 일정하게 유지시킴으로써 악취 및 VOCs의 처리효율을 향상시킨 쌍방흐름형 생물학적 제거장치 (Two Way Directional Biological Trickling Air Biofilter system, 이하 2-Way BTAB System)를 제공하는 것이다.

전술한 바와 같이 유기물 충전재를 분해하는 미생물은 성장속도가 빨라서 바이오 필터 충전재의 공극들이 과량의 상기 미생물에 의해 막히게 되어, 압력강하에 의한 동력비 상승 및 처리효율 감소가 발생하므로로 효율적으로 적절한 미생물량을 조절하는 것이 VOCs 제거용 바이오필터에 있어서 가장 중요한 요소이다.

악취 및 VOCs를 제거하는 미생물이 반응기 내부의 상부와 하부에 균일하게 분포되야 하나 기존의 편방향형 반응기는 이와같은 문제점의 해결이 어려운점이 있다. 즉, 장치내에 바이오필터가 충전된 충전탑의 한쪽 단부로부터 일정하게 폐가스가 유입되기 때문에 이 가스중의 탄소원을 영양물질로 하여 생육되는 미생물의 생장 정도는 항상 바이오필터 충전탑의 헤드부에서 가장 왕성하게 되고, 이에 따라 바이오필터의 담체를 이루는 재료의 공극이 상기 헤드부에서 막히게 되는 현상을 피할 수 없었으며, 바이오필터 전체적으로 볼 때 미생물 분포의 편중현상이 필연적이었다. 결과적으로 전체적인 공정의 효율이 저하되는 것은 물론이고, 이러한 현상을 피하기 위해 미생물의 생육을 억제하는 조치를 취할 경우 미생물의 집단적인 폐사 현상이 초래되었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 바이오필터가 탑재된 종래의 편방향형 정화장치를 도시한 개략도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쌍방향형 악취제거장치를 도시한 개략도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 톨루엔을 제거하기 위한 실험실 규모의 실험장치를 도시한 개략도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 혼합악취를 제거하기 위한 실험실 규모의 장치를 도시한 개략도,

도 5는 본 발명의 비교예로서 하향류로만 톨루엔가스를 공급하면서 54일간 실험한 결과 VOCs 및 악취제거율과 압력손실의 변화를 도시한 그래프,

도 6 (A) 및 (B)는 각각 미생물이 부착되지 않은 세라믹의 표면과, 미생물이 과도하게 증식되어 세라믹의 공극이 완전히 막힌 상태를 도시한 사진,

도 7은 본 발명에 따른 쌍방향 흐름형 생물학적 제거장치(2-Way BTAB System)를 이용해서 유입 농도 및 실험 조건을 제 5도와 동일하게 하여 실험한 결과를 도시한 그래프이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 송풍기 2,9,12: 3-웨이 밸브,

3,4: 공기배출구 5,6: 역세척수 배출밸브

7: 바이오필터 8: 히터,

10,13: 펌프 11: 압력계,

14: 순환 펌프 15: 역세척수 유입밸브,

16: 스프레이 노즐 17: 산기관,

18: 에어 콤프레서 19: 영양액 챔버,

20: 수위차 조절기 21: pH 미터,

22: 컨트롤 패널

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 VOCs 및 악취 폐가스 제거방법은, 세라믹 혹은 특별히 고안된 플라스틱 링과 같은 미생물 담체에 농축된 하수 슬러지 반송 오니 또는 특별히 배양 분리된 미생물원을 부착시키는 단계, 미생물이 부착된 담체를 쌍방향 공기흐름이 가능하도록 제작된 하우징에 충전시키는 단계, 및 VOCs와 악취 폐가스를 미생물 담체에 통과시켜 생물학적으로 제거하는 단계로 구성된다.

보다 상세하게는, 공정 폐기물로부터 나오는 휘발성 유기 화합물 (VOCs)이 포함된 악취 폐가스를, 활성 슬러지 미생물이 부착된 다공성 세라믹 및 난분해성 고형 지지체를 충전시킨 바이오필터 장치에 통과시켜서 상기 미생물에 의해 흡수시킴으로써 제거하는 방식의 종래 방법에 있어서,

휘발성 유기화합물이 포함된 상기 악취 폐가스를, 활성 슬러지 미생물을 부착시킨 상기 고형 지지체가 충전된 바이오필터의 어느 한쪽 방향으로부터 송풍시키는 단계; 및

상기 미생물의 증식 및 폐가스의 처리효율 정도에 따라, 상기 방향으로부터의 송풍을 중단하고 반대편 방향으로부터 상기 폐가스의 송풍을 실시하는 단계를 수행하여, 예정 주기에 따라 교대로 상기 악취 폐가스를 상기 필터에 통과시킴으로써 상기 미생물의 증식 및 폐가스의 처리효율을 조절할 수 있는 악취 폐가스의 제거방법이 제공된다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 공정 폐기물로부터 나오는 휘발성 유기 화합물(VOCs)이 포함된 악취 폐가스가 흐를 수 있도록 송풍기가 설치된 유입관 및 유입구; 활성 슬러지 미생물이 부착된 다공성 세라믹 및 난분해성 고형 지지체를 충전시킨 바이오필터 충전탑; 및 상기 미생물에 의해 악취 폐가스로부터 악취 물질이 제거된 정화 기체를 배출시키는 배기구로 이루어지는 악취 폐가스의 제거장치에 있어서,

상기 유입구로부터 유입되는 악취 폐가스를 유입관을 통해 상기 바이오필터 충전탑의 상하 2개 단부중의 한 곳으로 이송시킬 수 있도록 제어하는 3-WAY 밸브가 제공되어 상기 제거장치내의 충전탑에 충전된 바이오필터의 양쪽 단부에 교대로 상기 폐가스를 공급하도록 되어 있고;

상기 바이오필터 충전탑의 상부 및 하부에는 솔레노이드 밸브에 의해 작동되는 공기배출구가 형성되어, 상기 3-WAY 밸브에 의해 폐가스의 흐름이 A 방향으로 이루어질 때 상기 공기배출구가 작동되고 폐가스의 흐름이 B 방향으로 이루어질 때 상기 공기배출구가 작동되어 상기 충전탑내의 공기 흐름이 상기 공기 배출구중 하나의 흡출작용에 의해 쌍방향으로 교대로 이루어지며;

상기 모든 구성부재들의 작동이 상기 충전탑 외부의 컨트롤 패널에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 악취 폐가스의 제거장치가 제공된다.

본 발명의 또다른 일면에 따르면, 상기 악취폐가스 제거장치내 충전탑의 상부에 미생물의 영양물질을 공급하는 스프레이 노즐이 설치되어, 미생물 담체에 부착된 미생물에 외부로부터 영양분을 공급할 수 있도록 되어 있는 악취 폐가스의 제거장치가 제공된다.

본 발명의 제 4의 일면에 따르면, 상기 장치내에 온도조절용 히터, 압력측정 게이지 및 역세척수 배출용 밸브가 설치되고, 상기 구성부의 작동이 외부의 제어패널에 의해 제어되는 악취 폐가스의 제거장치가 제공된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

도 1에는 바이오필터가 탑재된 종래의 편방향 정화장치가 개략적으로 도시되어 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 쌍방향형 악취제거장치를 도시한 개략도로서, 도면의 각 구성부재들의 설명은 다음과 같다:

1: 송풍기, 2,9,12: 3-웨이 밸브, 3,4: 공기배출구, 5,6: 역세척수 배출밸브 7: 바이오필터, 8: 히터, 10,13: 펌프, 11: 압력계, 14: 순환 펌프, 15: 역세척수 유입밸브, 16: 스프레이 노즐, 17: 산기관, 18: 에어 콤프레서, 19: 영양액 챔버, 20: 수위차 조절기, 21: pH 미터, 22: 컨트롤 패널.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 톨루엔을 제거하기 위한 실험실 규모의 실험장치를 도시한 개략도로서, (A) 수조 (B) 톨루엔 용액 (C) 공기유량 조절기 (D) 체크밸브 (E) 공기조절밸브 (F) 압축공기 콤프레서 (G) 혼합 챔버 (H) 유량조절기 (I) 반응기 (J) 유출수 (K) 미량펌프 (L)영양물질을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 혼합악취를 제거하기 위한 실험실 규모의 장치를 도시한 개략도로서, (A),(B),(C) 충전 칼람 (D) 유출수 (E) 분석시료 채취구 (F) 안전밸브 (G) 공기 유량계 (H) 유량조절계 (I) 체크밸브 (J) 혼합챔버 (K)컴프레서 (L) 암모니아 표준가스 (M) 황화수소 봄베 가스를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 비교예로서 하향류로만 톨루엔가스를 공급하면서 54일간 실험한 결과 VOCs 및 악취제거율과 압력손실의 변화를 도시한 그래프이다.

도 6 (A) 및 (B)는 각각 미생물이 부착되지 않은 세라믹의 표면과, 미생물이 과도하게 증식되어 세라믹의 공극이 완전히 막힌 상태를 도시한 사진이다.

도 7은 본 발명에 따른 쌍방향 흐름형 생물학적 제거장치(2-way BTAB system)를 이용하고 유입 농도 및 실험 조건을 제 5도와 동일하게 하여 실험한 결과를 도시한 그래프이다.

본 발명의 방법은, 공정 폐기물로부터 나오는 악취 및 휘발성 유기 화합물(VOCs)이 포함된 폐가스를, 활성 슬러지 미생물이 부착된 다공성 세라믹 및 난분해성 고형 지지체를 충전시킨 바이오필터 장치에 통과시켜서 상기 미생물에 의해 흡수시킴으로써 제거하는 방법으로서,

휘발성 유기화합물이 포함된 상기 악취 폐가스를, 활성 슬러지 미생물을 부착시킨 상기 고형 지지체가 충전된 바이오필터의 어느 한쪽으로부터 반대편 단부로 흡출시켜서(A 방향) 상기 바이오필터를 통과시키는 단계;

상기 미생물의 증식 및 폐가스의 처리효율 정도에 따라, 상기 방향(A)의 폐가스 흐름을 중단시키고 상기 흡출 단부의 반대쪽 단부로부터 흡출을 실시하여 반대 방향(B)으로 상기 폐가스의 흐름이 이루어지도록 하는 단계;

상기 폐가스의 A 방향 및 B 방향 흐름을 교대로 반복 실시하는 단계; 및

상기 단계들을 실시하는 중에 상기 바이오필터 충전탑의 상부로부터 미생물의 영양물질을 보충해주고, 상기 충전탑 내의 pH 및 온도를 조절해주는 단계

를 수행하여, 예정 주기에 따라 교대로 상기 악취 폐가스를 상기 필터에 통과시킴으로써 상기 미생물의 증식 및 폐가스의 처리효율을 조절할 수 있는 악취 폐가스의 제거방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 공정 폐기물로부터 나오는 휘발성 유기 화합물(VOCs)이 포함된 악취 폐가스가 유입관 및 유입구를 통해 흐를 수 있도록 설치된 송풍기(1); 활성 슬러지 미생물이 부착된 다공성 세라믹 및 난분해성 고형 지지체를 충전시킨 바이오필터 충전탑(7); 및 상기 미생물에 의해 악취 폐가스로부터 악취 물질이 제거된 정화 기체를 배출시키는 배기구로 이루어지는 악취 폐가스의 제거장치에 있어서,

상기 송풍기(1)로부터 유입구를 통해 유입되는 악취 폐가스를 유입관을 통해 상기 바이오필터 충전탑의 상하 2개 단부중의 한 곳으로 이송시킬 수 있도록 제어하는 3-WAY 밸브(2)가 제공되어 상기 제거장치내의 충전탑에 충전된 바이오필터(7)의 양쪽 단부에 교대로 상기 폐가스를 공급하도록 되어 있고;

상기 바이오필터 충전탑(7)의 상부 및 하부에는 솔레노이드 밸브에 의해 작동되는 공기배출구(3,4)가 형성되어, 상기 3-WAY 밸브(2)에 의해 폐가스의 흐름이 A 방향으로 이루어질 때 상기 공기배출구(4)가 작동되고 폐가스의 흐름이 B 방향으로 이루어질 때 상기 공기배출구(3)가 작동되어 상기 충전탑내의 공기 흐름이 상기 공기 배출구(3,4)중 하나의 흡출작용에 의해 쌍방향으로 교대로 이루어지며;

상기 모든 구성부재들의 작동이 상기 충전탑 외부의 컨트롤 패널(22)에 의해 제어되도록 되어 있다.

본 발명의 상기 악취폐가스 제거장치에는 충전탑(7)의 상부에 미생물의 영양물질을 공급하는 스프레이 노즐(16)이 설치되어, 미생물 담체에 부착된 미생물에 외부로부터 영양분을 공급할 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 장치내에 온도조절용 히터(8), 압력계(11), 순환펌프(14), 역세척수 유입밸브(15) 및 역세척수 배출용 밸브(5,6)가 설치되고, 상기 구성부들의 작동이 외부의 제어패널에 의해 제어된다.

본 발명의 상기 악취제거장치에 있어서, 세라믹 혹은 플라스틱 링 등 미생물 담체가 충전된 하우징은 원형 혹은 직육면체의 형태로 구성된다. 하우징 내부에 충전된 미생물 담체에는 미생물이 부착되어 있다.

악취 또는 VOCs를 함유하는 폐가스는 3-로(3-way) 밸브에 의해서 A 방향과 B방향으로 1∼3일 간격으로 폐가스의 주입방향을 변경이 가능하도록 구성되었다. 하우징의 상단 부분에 부착된 스프레이 노즐을 이용하여 질소, 인 등의 영양 물질을 스프레이를 이용해서 소량 공급해주며, pH가 저하될 경우 알칼리 수용액을 주입할 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같은 기존의 방법에서는 상향류(B방향) 혹은 하향류(A방향)로만 VOCs 폐가스가 유입되도록 설계되어 있어서, 폐가스가 유입되는 유입구 쪽은 미생물의 성장에 필요한 기질이 과다하게 공급되어 미생물의 증식이 활발하여 과도하게 증식된 미생물에 의해 공극이 막히게 되어 압력손실이 과다하게 걸리고, 반대 방향 출구쪽은 미생물의 기질농도가 낮아 영양결핍 현상이 일어나 미생물의 증식이 억제되게 된다. 이와 같이 하우징 내부에 충전된 미생물 담체의 하단부분 부터 상단부분까지 미생물이 일정하게 분포되지 않아 전체적인 제거용량 및 제거효율이 저하된다.

반면에 본 발명에 의해서 고안된 장치는 일정기간의 간격으로 폐가스의 주입이 변경됨으로 미생물 기질이 균등하게 공급되고 따라서 미생물도 반응기 전체에서 균등하게 증식하게 되어 압력손실을 줄일 수 있고 또한 제거효율도 높일 수 있다.

[실시예 1]

대표적 VOCs인 톨루엔에 대해서 기존 처리 방식 및 본 발명에 의해서 개발된 장치의 성능을 검토하기 위해 아래와 같은 방법으로 실험을 실시하였다.

장치 1:

도 3에 도시된 톨루엔 제거용 실험실 규모의 실험장치에 있어서, 톨루엔 가스는 톨루엔 용액이 담긴 500ml 삼각플라스크를 30℃로 일정하게 유지되는 수욕조에 설치하고 이때 발생되는 톨루엔 가스를 1∼100ml/min의 용량으로 조절이 가능한 공기 유량조절기(Tylan general 사, 미국)를 이용하여 콤프레서 공기와 혼합 챔버에서 정량적으로 혼합하여 실험농도까지 희석된 톨루엔 가스를 칼럼 상부로부터 주입하는 하향류 주입 혹은 칼럼 하부로 부터 주입하는 상향류 주입이 가능하도록 하여 기존의 하향류 주입방식과 정해진 기간을 주기로 상향류 혹은 하향류로 주기적으로 주입이 가능한 쌍방흐름형 생물학적 제거장치(2-Way BTAB System) 실험이 가능하도록 구성되었다.

칼럼은 유리로 제작되었으며 칼럼의 크기는 직경 10cm, 높이 100cm이며 60cm의 높이로 충전재를 충전하였다. 충전층을 15cm 간격으로 나누어 시료 채취구를 장착하였다. 영양물질은 시간조절기(time controller)가 부착된 미량펌프를 이용하여 칼럼 상부로부터 공급하였다. 칼럼의 하단부 출구에는 유출수를 받을 수 있도록 제작하였다.

충전재에 접종한 미생물은 하수처리장 포기조 반송오니를 2일간 공폭시킨 후 4시간 동안 자연 침강된 농축 슬러지를 사용하였다. 이때 농축된 반송오니의 pH는 6.8, MLSS는 17,683mg/L였다. 충전재에 부착된 미생물은 0.023 g MLSS/건조패킹재료-g 이었으며 미생물을 부착한 충전재의 초기 pH는 6.5였다.

영양물질의 공급은 하기 표 1과 같은 조성으로 되어 있으며 반응기 상단에 설치된 스프레이 노즐에 의해서 공급되었다.

반응기에 주입된 영양물질 조성 및 농도

영양물질 조성	농도(g/L)
K₂HPO₄KH₂PO₄KNO₃FeSO₄MgSO₄·7H₂OCaCl₂·2H₂O	4.33.518.10.0010.50.02

톨루엔의 분석은 각 시료채취구에서 가스타이트 실린지(Hamilton 社, 미국)를 이용하여 톨루엔 가스를 채취하였으며 FID가 부착된 GC(Shimadzu GC-14B, 일본)를 사용하였다. 칼럼은 DB-FFAP(0.53mm(I.D) × 30m, film thickness 1㎛)를 사용하였으며, carrier gas(N2) 70ml/min, 산소와 수소는 각각 50kPa, 칼럼온도는 110℃의 조건에서 분석하였다.

[실시예 2]

대표적 악취물질인 유황계(황화수소, H₂S) 가스와 암모니아(NH₃)의 혼합 악취에 대해서 기존 처리 방식 및 본 발명에 의해서 개발된 장치의 성능을 검토하기 위해 아래와 같은 방법으로 실험을 실시하였다.

장치 2:

혼합악취를 제거하기 위한 도 4에 도시된 실험실 규모의 장치를 사용하였고, H₂S와 NH₃가스는 한국표준과학연구소에서 제작한 5000 ppmv 표준 가스 봄베를 사용하였으며 가스 봄베로부터 나오는 H₂S를 콤프레서 공기와 혼합 챔버에서 정량적으로 혼합하여 희석된 H₂S와 NH₃를 하향류와 상향류로 번갈아 주입하였다. 칼럼은 유리로 제작되었으며 칼럼의 크기는 직경 35mm, 높이 300mm이며 230mm의 높이로 충전재를 충전하고 칼럼의 하단부 출구에 유출수를 받을수 있도록 제작되었다.

충전제에 대한 미생물 접종은 D시의 하수처리장 포기조로 유입되는 반송슬러지(MLSS : 0.9∼1 %)를 8시간이상 공폭 시킨후 12시간 농축한 슬러지(MLVSS 1.24 %)를 세라믹 표면에 부착하였다.

미생물 부착후, 공간속도는(Space Velocity) 43h^-1∼ SV 150h^-1, 온도는 상온 (20∼30℃)에서 실시하였다. 칼럼내부의 수분은 1일 2회씩 75ml의 증류수를 살수하였으며 40∼35%의 함수율을 유지하였다.

H₂S의 분석은 각 시료채취구에서 가스타이트 실린지(Hamilton 사)를 이용하여 H₂S가스를 채취하였으며 FPD(Flame Photometric Detector)가 부착된 GC(Shmidzu GC-17A, Japan)로 분석하였다. 칼럼은β,β'-oxidropionitriebo 60∼80 mesh chromosorb w가 충전된 유리 칼럼을 사용하였다. 분석조건은 각각 캐리어 가스 유속(Carrier Gas Flow Rate) 50 ㎖/min, H2 가스압력 60 kpa, 컬럼 온도 70℃, 인젝터(injector) 150℃, 검출기(detector) 150℃의 조건이었다. NH₃의 분석은 붕산용액 흡수방법인 인도페놀법을 사용하여 640 nm에서 UV/Spectrophotometer( Shimadzu UV-1601, Japan)로 분석하였다.

충전재료는 다공성 세라믹 담체이며, 물리적 특성은 표 2와 같다. 미세기공과 거대기공이 동시에 분포하여 미생물의 부착 및 서식이 용이하며 흡수율이 높아 미생물이 생육하기에 양호한 조건을 가지고 있다. 또한 단단하여 압밀에 의해 파쇄되지 않는 특징을 가지고 있다.

본 발명에 사용된 충전재의 물리적 특성

물리적 특성	부피밀도(g/cm3)	겉보기 밀도(g/cm3)	공극률(%)	수분보수력
	0.6-0.75	2.0-3.0	65-85	65-75

[실시예 3]

도 5는 하향류로만 톨루엔가스를 공급하면서 54일간 실험한 결과이다. 도 5에 도시된 바와 같이 약 600ppm의 톨루엔이 공급되는 동안 약 8일 이후부터는 100%에 근접한 제거효율을 나타내고 있다. 압력손실은 지속적으로 증가되어 약 400Pa 이상이 되면 제거율은 급격히 감소하게 된다. 운전 30일째 역세척에 의해서 충전재 표면에 과다하게 부착되었던 과잉의 미생물(biomass)를 제거하면 제거율은 급격히 재상승하는 반면 압력손실은 극격히 감소한다. 그러나 일정한 시간이 지나면 다시 압력손실이 증가하고 제거율이 저하되는 경향을 반복한다. 이와 같이 제거율이 저하되는 결과는 미생물막(biofilm)의 두께가 두꺼워지면서 혐기상태가 되어 제거율이 떨어지는 경우와 채널링(channeling)이 형성되어 톨루엔 가스가 미생물과 접촉되는 시간이 줄어들기 때문인 것으로 추정된다.

도 6의 (A)는 미생물이 부착되지 않은 세라믹의 표면사진을 나타낸 것이고 (B)는 미생물이 과도하게 증식되어 충전제로 사용된 세라믹의 공극을 완전히 막았음을 알 수 있다.

반면, 도 7은 본 발명에서 개발된 쌍방향 흐름형 생물학적 제거장치(2-Way BTAB System)를 이용해서 유입농도 및 실험조건을 동일하게 하여 실험한 결과를 나타낸 것으로서, 실험 후 약 10일 이후부터 거의 100%에 달하는 제거율을 나타내고 있다. 이는 하향류로만 실험한 도 5와 비교해 볼 때 압력손실이 현저히 낮게 나타나고 있고 제거율도 안정적으로 나타나고 있다. 즉 과잉의 미생물을 제거하는 기간이 단일방향에 의한 장치 보다 약 2배정도 길게 나타나고 있다.

결과적으로, 현장에서 운영할 경우 운전비의 절감효과가 있고 효율도 약 2배정도 높일 수 있음을 알 수 있다.

[실시예 4]

표 3은 하향류 만으로 암모니아와 황화수소 혼합가스를 주입한 결과와 쌍방흐름형으로 주입했을 경우의 실험결과를 나타낸 것이다. 본 결과는 실험 개시후 5일이 경과되어 미생물이 안정화 되었다고 판단된 시점의 결과를 나타낸 것이다.

하향류 및 쌍방향 흐름형 제거장치에 의한 암모니아/황화수소 혼합가스의 제거율

	하향류식 주입	쌍방향 주입(pmv)
	유입농도(ppmv)	유출농도(ppmv)	유입농도(ppmv)	유출농도(ppmv)
황화수소	686.1	1.3	712.4	0.02
암모니아	124.5	2.8	123.3	0.04

표 3에 나타낸 바와 같이 본 발명의 쌍방향 흐름형 생물학적 제거장치의 제거효율이 월등히 높음을 알 수 있다.

기존의 하향류 주입 장치와과 쌍방향 흐름형 생물학적 제거장치(2-Way BTAB System)의 상단부와 하단부의 미생물 농도를 조사한 결과, 하향류로만 주입한 반응기의 상단부(가스 유입부)는 미생물 농도가 109 CFU/g 이었으나 하단부(유출구)는 107 CFU/g으로서 미생물 농도가 큰 차이로 분포됨을 알 수 있었다. 그러나 본 발명의 쌍방향 흐름형 생물학적 제거장치(2-Way BTAB System)의 상단부와 하단부의 미생물 농도를 조사한 결과 109 CFU/g으로서 분포가 균일함을 알 수 있었다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의해서 개발된 VOCs 및 악취 폐가스 제거용 쌍방향 흐름형 생물학적 제거장치는 종래의 편방향 흐름식 바이오필터보다 매우 경제적이고 효과적으로 VOCs 및 악취 폐가스를 제거할 수 있게 되었다. 또한 외국의 여러 연구자들도 VOCs를 생물학적으로 제거하는데 가장 큰 문제로 인식하고 있던 과량의 미생물 축적에 의해 처리효율이 떨어지는 단점을 본 발명에 의해서 개발된 VOCs 폐가스 제거용 쌍방향 흐름형 생물학적 제거장치로 해결 할수 있게 되었다.

본 발명에 의해서 개발된 장치는 기존의 방법보다 약 2배 이상의 효율을 높일 수 있게 되었을 뿐만 아니라 우리나라에서는 아직 개발되지 않은 VOCs제거용 생물학적 제거장치를 실용화할 수 있게 되었으며 수입 대체효과 및 국내기술로 개발된 VOCs 및 악취 폐가스 제거장치를 산업현장에 공급할 수 있게 되었다.

Claims

공정 폐기물로부터 나오는 악취 및 휘발성 유기 화합물(VOCs)이 포함된 폐가스를, 활성 슬러지 미생물이 부착된 다공성 세라믹 및 난분해성 고형 지지체를 충전시킨 바이오필터 장치에 통과시켜서 상기 미생물에 의해 흡수시킴으로써 제거하는 방법으로서,

휘발성 유기화합물이 포함된 상기 악취 폐가스를, 활성 슬러지 미생물을 부착시킨 상기 고형 지지체가 충전된 바이오필터의 어느 한쪽으로부터 반대편 단부로 흡출시켜서(A 방향) 상기 바이오필터를 통과시키는 단계;

상기 미생물의 증식 및 폐가스의 처리효율 정도에 따라, 상기 방향(A)의 폐가스 흐름을 중단시키고 상기 흡출 단부의 반대쪽 단부로부터 흡출을 실시하여 반대 방향(B)으로 상기 폐가스의 흐름이 이루어지도록 하는 단계;

상기 폐가스의 A 방향 및 B 방향 흐름을 교대로 반복 실시하는 단계; 및

상기 단계들을 실시하는 중에 상기 바이오필터 충전탑의 상부로부터 미생물의 영양물질을 보충해주고, 상기 충전탑 내의 pH 및 온도를 조절해주는 단계

를 수행하여, 예정 주기에 따라 교대로 상기 악취 폐가스를 상기 필터에 통과시킴으로써 상기 미생물의 증식 및 폐가스의 처리효율을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 악취 폐가스의 제거방법.
공정 폐기물로부터 나오는 휘발성 유기 화합물(VOCs)이 포함된 악취 폐가스가 유입관 및 유입구를 통해 흐를 수 있도록 설치된 송풍기(1); 활성 슬러지 미생물이 부착된 다공성 세라믹 및 난분해성 고형 지지체를 충전시킨 바이오필터 충전탑(7); 및 상기 미생물에 의해 악취 폐가스로부터 악취 물질이 제거된 정화 기체를 배출시키는 배기구로 이루어지는 악취 폐가스의 제거장치에 있어서,

상기 송풍기(1)로부터 유입구를 통해 유입되는 악취 폐가스를 유입관을 통해 상기 바이오필터 충전탑의 상하 2개 단부중의 한 곳으로 이송시킬 수 있도록 제어하는 3-WAY 밸브(2)가 제공되어 상기 제거장치내의 충전탑에 충전된 바이오필터(7)의 양쪽 단부에 교대로 상기 폐가스를 공급하도록 되어 있고;

상기 바이오필터 충전탑(7)의 상부 및 하부에는 솔레노이드 밸브에 의해 작동되는 공기배출구(3,4)가 형성되어, 상기 3-WAY 밸브(2)에 의해 폐가스의 흐름이 A 방향으로 이루어질 때 상기 공기배출구(4)가 작동되고 폐가스의 흐름이 B 방향으로 이루어질 때 상기 공기배출구(3)가 작동되어 상기 충전탑내의 공기 흐름이 상기 공기 배출구(3,4)중 하나의 흡출작용에 의해 쌍방향으로 교대로 이루어지며;

상기 모든 구성부재들의 작동이 상기 충전탑 외부의 컨트롤 패널(22)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 악취 폐가스의 제거장치.
제 2항에 있어서, 상기 악취폐가스 제거장치내 충전탑(7)의 상부에 미생물의 영양물질을 공급하는 스프레이 노즐(16)이 설치되어, 미생물 담체에 부착된 미생물에 외부로부터 영양분을 공급할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 악취 폐가스의 제거장치.
제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 장치내에 온도조절용 히터(8), 압력계(11), 순환펌프(14), 역세척수 유입밸브(15) 및 역세척수 배출용 밸브(5,6)가 설치되고, 상기 구성부들의 작동이 외부의 제어패널(22)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 악취 폐가스의 제거장치.