KR19990075099A - 생물학적 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거방법 - Google Patents

생물학적 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 악취 및 휘발성 유기물질의 제거를 위한 생물학적 필터 및 그를 이용한 전기 물질의 제거방법에 관한 것이다. 본 발명의 악취 및 휘발성 물질의 제거를 위한 생물학적 필터는 전기 물질을 제거할 수 있는 미생물이 전기 미생물이 활성을 나타내며 성장할 수 있고 악취 및 휘발성 물질의 흡착이 용이한 물질에 고착되어 구성된다. 아울러, 본 발명의 전기 생물학적 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거방법은 악취 및 휘발성 물질의 전처리, 공기량의 자동제어, 생물학적 필터 시스템, 필터내의 수분 조절 및 영양 공급을 고려하여 수행된다. 본 발명의 생물학적 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거방법은 폐수처리장, 사업장, 퇴비화 시설, 폐기물 처리 시설, 화학 공장, 소각장 등에서 배출되는 악취(황화 수소, 암모니아 가스)나 휘발성 유기물질(volatile organic components, VOC)의 제거에 효율적으로 사용할 수 있다.

Description

생물학적 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거방법
본 발명은 생물학적 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 악취 및 휘발성 유기물질의 제거를 위한 생물학적 필터 및 그를 이용한 전기 물질의 제거방법에 관한 것이다.
일반적으로, 폐수처리장, 사업장, 퇴비화 시설, 폐기물 처리 시설, 화학 공장, 소각장 등에서는 악취(황화 수소, 암모니아 가스)나 휘발성 유기물질(volatile organic components, VOC)이 배출된다. 특히, 휘발성 물질의 경우는 일부 물질의 발암성과 지구 온난화 문제로 최근 많은 관심이 기울여지고 있으며, 정부에서도 이의 배출에 대해서 규제를 실시할 움직임을 보이고 있다.
악취 및 휘발성 물질의 제거를 위하여 사용되었던 종래 기술로는, 수세식, 활성탄 흡착식, 공기 희석식방법(이상, 물리적 처리방법)과 오존 산화법, 연소 산화법(이상, 화학적 처리 방법)이 알려져 있다. 또한, 필터를 이용한 생물학적인 처리시설이 연구수준에서 몇몇 기업에서 이용되고 있으나, 다음과 같은 제반 문제점이 지적되어 왔다:
첫째, 설치비나 운행비가 많이 든다.
둘째, 일회용으로 지속적인 효과를 기대할 수 없다.
셋째, 미생물의 배양 및 반응 조건, 습도 제어 및 운전관리 기술 부족하다.
(특히, 부하 변동이나 난분해성 물질 유입시 미생물 활성도가 급격히 감소해 처리효과가 떨어진다)
결국, 이러한 종래 기술로는 악취나 휘발성 물질을 제거하는데 비용 문제, 미생물의 관리기술의 부족 등으로 별 처리효과를 보지 못하고 있다. 따라서, 당업계에서는 환경을 깨끗하게 유지하기 위해 악취나 휘발성 유기물질(VOC)을 제거할 수 있는 방법을 개발하여야 할 필요성이 절실히 요구되어 왔다.
이에, 본 발명자들은 이러한 종래기술의 제반 문제점을 해결하고, 악취 및 휘발성 물질의 제거를 위하여 전기물질을 제거할 수 있는 다양한 미생물을 이용하고, 동시에 전기물질을 물리적인 흡착에 의해 제거할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 연구 노력한 결과, 악취 및 취발성 물질을 제거할 수 있는 미생물과 전기 미생물이 활성을 나타내며 성장할 수 있는 담체로 구성된 생물학적 필터(일명, 'biofilter')를 이용하여 전기 악취 및 휘발성 물질을 완벽하게 제거할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 주된 목적은 악취 및 휘발성 물질을 제거할 수 있는 미생물과 전기 미생물이 활성을 나타내며 성장할 수 있는 담체로 구성된 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거방법을 제공하는 것이다.
도 1은 생물학적 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거과정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 생물학적 필터와 종래의 탈취 시스템의 탈취 효과를 비교한 그래프이다.
일반적으로, 악취 및 휘발성 물질을 제거하기 위해서는 다음과 같은 사항이 요구된다: 첫째, 들어오는 공기의 습도를 80 내지 90%로 유지하기 위한 가습장치의 개발; 둘째, 농도가 매우 높은 휘발성 물질의 경우, 휘발성 물질내의 산소량이 10 내지 15%가 안되기 때문에 추가적인 산소의 공급이 필요하며, 또한 높은 농도의 휘발성 물질로 인한 필터내의 미생물군의 파괴를 막기 위한 부하변동에 강한 물질의 선정을 통한 전처리 과정.
이하에서는, 본 발명에 의한 악취와 휘발성 물질의 제거를 위한 필터와 전기 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거방법을 나누어 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명의 악취 및 휘발성 물질의 제거를 위한 생물학적 필터는 미생물과 전기 미생물이 활성을 나타내며 성장할 수 있는 담체로 구성된다. 전기 생물학적 필터에 사용되는 미생물들은 악취의 원인이 되는 유기물의 부패시에 생성되는 암모니아, 아민, 황화수소, 메르캅탄 및 설파이드 등의 기체상 화합물을 비롯한 질소화합물 및 황화합물을 분해하는 능력을 가진 세균으로서, 공시균주나 혹은 다양한 미생물로부터 분뇨 및 양어장, 그리고 각종 난해성 폐수 슬러지로부터 분리해 낸 미생물 중 분해 활성도가 가장 높은 미생물을 선별하여 사용하며, 바람직하게는 니트로 박터(Nitrobacter), 니트로조모나스(Nitrosomonas), 니트로소코커스(Nitro- sococcus), 알칼리게네스(Alcaligenes), 티오바실러스(Thiobacillus), 슈도모나스(Pseudomonas), 바실러스(Bacillus) 및 홍색유황세균(purple sulfur bacteria) 속의 세균을, 더욱 바람직하게는 니트로 박터, 니트로조모나스 및 티오바실러스 속의 세균을 전체 부피의 2 내지 3%가 되도록 혼합하여 접종, 사용한다. 필터내에는 전기 각종 오염원 분해균을 활성화시키고, 일정 미생물과 담체와의 고착 실험을 통해 선별된 각 균이 분해할 수 있는 악취와 휘발성 물질의 성분을 고려하여 그 균이 분해할 수 있는 악취 및 휘발성 물질이 가장 흡착이 잘 될 수 있고, 전기 미생물이 활성을 나타내며 성장할 수 있는 콤포스트(compost)와, 폴리트(polite), 고운 자갈, 비석 등의 인공 담체를 필터 완충물질(bulking material)로 사용하며, 약간의 활성탄도 첨가한다. 이때, 콤포스트는 나뭇잎이나 꽁깍지 등 유기물질을 부숙시킨 것으로, 미생물의 영양원으로 작용한다.
한편, 필터의 교체시에는 내부물질을 전부 교환하면 지금까지 활성화되었던 미생물들이 활성화되기까지 시간이 다소 걸리므로, 20 내지 30%는 다시 재순환시키고, 나머지는 미생물에 의해 잘 부숙된 물질이므로 퇴비로 사용하도록 하였다. 필터 내부에는 한편, 지속적인 수분의 공급시 3개월 이후로 생길 수 있는 압력 손실 및 편류현상(channeling)을 최소화하기 위하여 필터내부를 이단식 구조로 설계하고, 또한 필터시스템 구축시 유입되는 가스의 부하변동에 신속히 대처할 수 있도록 하나의 필터로 구성되는 것이 아니라, 계속적으로 추가적인 필터가 첨가될 수 있도록 설계한다.
한편, 본 발명의 전기 생물학적 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거방법은 후술하는 바와 같이 악취 및 휘발성 물질의 전처리, 공기량의 자동제어, 생물학적 필터 시스템, 수분 조절 및 영양 공급을 고려하여 수행된다(참조: 도 1).
1. 악취 및 휘발성 물질의 전처리
본 발명의 악취 및 휘발성 물질의 제거를 위한 필터는 일차적으로 악취와 전반적인 휘발성 물질을 90% 이상을 처리할 목적으로 제조되었으므로, 처리하여야 할 악취 및 휘발성 물질은 부하변동에 강한 물질, 산소공급, 온도 제어장치, 가습장치를 통하여 전처리된다. 즉, 활성탄과 같은 부하변동에 강한 완충장치로 생물학적 필터내로 들어갈 수 있게 부하를 낮추어 주고, 공기를 희석하기 위하여 산소를 공급하며, 미생물이 활성을 나타낼 수 있는 온도를 유지하기 위해 냉각 시스템 또는 가열 시스템을 사용하고, 습도를 맞추어 주기 위해 가습장치를 이용하여 수분을 공급해 준다.
2. 공기량의 자동제어
악취 및 휘발성 물질의 공급은 간헐적인 방법이 아닌 지속적인 방법으로 공급이 이루어지며, 송풍기에 의한 공급이 아닌 압력차이에 의해 팬으로도 공기를 불어 넣어줄 수 있는 시스템으로 설계되어 운행비의 절감을 꾀하려 하였다. 실질적으로 유입되는 오염원의 양은 일반적으로 10 내지 100g/ m3hr으로 할 때, 생물학적 필터내부의 손상과 미생물군의 파괴를 최소한으로 하기 위하여 비표면적재량(specific surface loading)은 300m3/ m2hr로 하고, 생물학적 필터내부의 휘발성 물질의 체류시간을 30 내지 60초(최대 90 초)로 유지하기 위하여 가스의 유속은 18 내지 96m3/ m2hr로 해 준다.
3. 악취 및 휘발성 물질의 생물학적 필터로의 유입
본 발명의 생물학적 필터는 지속적으로 유입되는 악취나 휘발성 물질을 탄소원 및 에너지원으로 이용할 수 있는 미생물들과 이들 에너지원 및 탄소원에 부수적인 유기물질이 함유되어 있어 미생물들이 지속적으로 활성을 나타낼 수 있고, pH 조절제와 생물학적 필터내의 담체로 같이 사용되어 질 수 있는 물질을 선별하여 제조한다. 필터의 내부 물질은 기본적으로 사용 단가가 비싸지 않은 콤포스트(compost)와 폴리트(polite), 고운 자갈, 비석 등의 인공 담체를 사용하여 최대한으로 압력 손실을 줄였고, 종균의 의미로 접종되는 미생물은 배양 후 전기 인공담체와 약간의 활성탄을 혼합한 후에 필터에 투입한다. 또한, 전기 인공담체는 다공성으로 통기성 및 미생물의 흡착률도 매우 뛰어나므로, 생물학적 필터내의 pH 변화에 있어서 다른 담체에 비해 필터내의 산성화되는 속도를 1/3수준으로 감소시킬 수 있고, 활성탄은 부하변동에 신속히 대처할 수 있도록 매우 소량 사용한다. 생물학적 필터에서 아래로 흐르는 수분은 다시 수분 조절 시스템으로 재순환되도록 한다.
4. 생물학적 필터내의 수분 조절 및 영양 공급
본 발명의 생물학적 필터를 사용하여 악취 및 휘발성 물질을 제거하는 경우, 지속적인 온풍과 미생물들의 발열반응에 의하여 수분함량이 많이 저하하게 되므로 인위적으로 최소 4일 간격으로 수분을 공급할 필요가 있다. 또한, 미생물에 의한 콤포스트의 분해로 먹이원이 많이 고갈되므로 악취 및 휘발성 물질의 제거율이 현저히 떨어진다. 따라서, 이러한 현상을 방지하기 위하여, 생물학적 필터의 위로부터 아래로 노즐을 이용하여 분사시켜, 수분조절 및 영양공급을 조절한다. 필터내의 수분을 수분 함량이 40 내지 80%로 조절하기 위하여 수분은 일반 증류액이 아닌 미생물이 살아가는 데 필요한 질소, 인 성분과 효모 추출액을 1% 가량 첨가하며, pH 조절제로는 초기의 담체 제조시 수분 함량을 맞추기 위하여 사용된 탄산칼슘를 쓰지 않고 내부물질내에 석회석 계열의 물질을 1% 투여하여 pH를 조절한다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 본 발명의 생물학적 필터의 제조
니트로 박터(Nitrobacter), 니트로조모나스(Nitrosomonas) 및 티오바실러스 (Thiobacillus)속의 세균을 배양하여 필터 전체 부피의 2 내지 3%가 되도록, 콤포스트(compost)와, 내부물질의 통기성을 위한 폴리트(polite), 고운 자갈, 비석 등이 3:1(부피비)로 혼합된 담체네 가하고, 약간의 활성탄을 첨가한다. 그런 다음, 전기 혼합물을 지름이 13cm 높이 55cm(용량 8.9L)되는 원형용기에 충진하여, 생물학적 필터를 제조한다.
실시예 2: 본 발명에 의한 악취 및 휘발성 물질의 제거
본 실시예에 사용된 인공 악취는, 황화수소의 경우 황화수소 가스 발생을 위하여 황화나트륨 3%와 염산 5% 용액을 일정 비율로 섞어 주어 발생시켰으며, 암모니아 가스의 경우 암모니아수를 1/20정도로 희석하여 사용하였고, 휘발성 물질은 BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 자일렌) 용액과 비교적 분해가 잘되는 알콜류와 부탄올, 페놀도 사용하였다. 한편, 실시예 1에서 제조된 필터를 이용하여, 전술한 방법에 따라 악취 및 휘발성 물질을 제거하고, 악취의 제거율을 검지관과 가스 크로마토그래피(gas chromatography)로 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 제시하였다. 하기 표 1에서 보듯이, 악취의 제거시에는 종균의 의미가 매우 중요한 요소로 작용하였으며, 황화수소류보다는 암모니아의 제거시 종균의 의미가 더 필요한 것으로 확인되었다. 한편, 제거율에 있어서도 실질적으로 종균이 투여되지 않은 필터에서도 40 내지 50%의 악취 제거율이 확인되었는 바, 이는 필터내부의 물질(활성탄, 비석)에 의한 흡착에 의한 효과로 보여졌다.
악취의 제거율
악취성분 유입 가스의 양(ppm) 제거율( % ) 종균 투여
황화수소류 50 ppm 이하 98 %이상 유
40-50% 무
아민류 100 ppm 이하 88-95 % 유
40 % 무
한편, 휘발성 물질의 경우는 하기 표 2에서 보듯이, 휘발성 물질의 종류에 따라 차이가 다소 있었고, 필터 내부물질 중 콤포스트(compost)의 양에 비교적 활성탄과 같은 물질이 같이 첨가되었을 때 효과가 상승되며, 콤포스트의 양에 종균이나 오염된 폐수에 존재하는 활성 슬러지를 동시에 첨가하여야 효과가 상승하는 것으로 나타났다. 그러나, 이러한 제거효과 중 일부는 활성탄이나 그 밖의 흡착 물질에 의한 제거도 포함되어 있고, 휘발성 물질의 농도가 50ppm이상으로 올라가면 완전한 콤포스트를 이용하는 필터에 있어서는 휘발성 물질의 제거율이 다소 떨어지므로, 이러한 휘발성 물질을 완벽하게 분해할 수 있는 미생물의 개발이 필요할 것으로 분석되었다.
휘발성 물질의 제거율
휘발성 물질 유입 가스의 양 제거율
페놀 1 ppm 이하 60 %
톨루엔 1 ppm 이하 88 %
아세톤 3000 ppb 100 %
부탄올 600 ppb 100 %
비교실시예 1:
본 발명의 생물학적 필터를 이용한 악취의 제거율과 종래의 기술을 이용한 악취의 제거율을 비교하였다. 그 결과, 종래의 활성탄 흡착법, 약액 세정법, 오존 산화법은 특정 악취에 대하여 다소 효율이 떨어짐은 물론, 악취의 제거능에 있어서 고른 악취 제거율을 나타내지 못하였으나, 본 발명의 생물학적 필터를 이용한 경우에는 악취의 분해에 있어서 고른 분포의 제거율을 나타내었다(참조: 도 2). 도 2에서 보듯이, 암모니아, 메틸메르캅탄, 트리메틸아민에 대하여 탈취효과를 종래의 탈취 시스템과 본 발명의 생물학적 필터를 이용한 악취의 제거방법에 대해 악취제거율을 비교하였을 때, 본 발명의 방법에 의하면 고른 분포로 악취가 제거됨을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 생물학적 필터는 내부물질을 콤포스트(compost)와 값이 싼 인공 물질을 사용하기 때문에, 종래의 탈취 시스템과 비교하여 연소(소각)법의 1/16, 오존 산화법의 1/8, 활성탄법의 1/2.5의 비용절감 효과를 얻을 수 있었다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명의 생물학적 필터를 이용한 악취 및 휘발성 물질의 제거방법은 폐수처리장, 사업장, 퇴비화 시설, 폐기물 처리 시설, 화학 공장, 소각장 등에서 배출되는 악취나 휘발성 유기물질의 제거에 효율적으로 사용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 악취 및 휘발성 물질을 분해할 수 있는 미생물을 전기 미생물이 활성을 나타내며 성장할 수 있고 악취 및 휘발성 물질의 흡착이 용이한 콤포스트(compost)와, 폴리트(polite), 고운 자갈, 비석을 3:1(부피비)로 혼합한 인공 담체에 고착시키는 것을 특징으로 하는 필터.
  2. 제 1항에 있어서,
    미생물은 니트로 박터(Nitrobacter), 니트로조모나스(Nitrosomonas), 니트로소코커스(Nitrosococcus), 알칼리게네스(Alcaligenes), 티오바실러스(Thio- bacillus), 슈도모나스(Pseudomonas), 바실러스(Bacillus) 및 홍색유황세균(purple sulfur bacteria) 속의 세균으로 구성된 그룹으로 속해 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는
    생물학적 필터.
  3. 악취 및 휘발성 물질을 전처리하고, 공기량을 제어하면서, 제 1항에 개시된 악취 및 휘발성 물질의 생물학적 필터로 전기 악취 및 휘발성 물질을 유입시키고, 수분 조절 및 영양 공급을 하는 것을 특징으로 하는
    악취 및 휘발성 물질을 제거하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    공기량은 압력차이에 의해 팬으로 악취 및 휘발성 물질을 지속적으로 공급하여 필터내에서 18 내지 96m3/ m2hr의 유속으로 자동제어하는 것을 특징으로 하는
    악취 및 휘발성 물질을 제거하는 방법.
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