KR20010018396A - 가스 정화에 사용되는 바이오필터용 담체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오필터를 이용한 가스 정화에 사용되는 담체에 관한 것으로서, 점토성 물질 및 활성탄의 혼합물을 접착제를 이용하여 다공성 지지체의 표면에 코팅시킨 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 담체는 고분자 스폰지 또는 폼과 같은 인공물에 자연물인 점토성 물질을 코팅시킴으로써 인공물과 자연물의 장점을 모두 갖춘 것을 특징으로 한다.

Description

가스 정화에 사용되는 바이오필터용 담체 및 그 제조방법{Carrier of biofilter system for gas purifying and a preparing method thereof}

본 발명은 가스 정화에 사용되는 바이오 필터용 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 악취를 풍기거나 독성을 갖는 가스중의 유해성분을 미생물을 이용하여 제거하는 바이오 필터 시스템에 있어서 미생물이 부착성장할 수 있는 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

산업체로 부터 배출되거나 폐기물 등으로부터 발생하는 악취 가스, 독성 가스 또는 휘발성 유기 화합물은 일반적으로, 흡착 또는 흡수 방법에 의해 처리되거나 고온에서 실시되는 화학적 분해 또는 연소 등의 방법에 의해 처리되어 왔다.

그러나, 최근에는 환경문제에 대한 사회적 관심이 고조되면서 화학물질 대신 미생물을 이용하여 유해물을 처리하려는 노력이 확대되고 있다. 이러한 생물학적 처리방법으로는 구체적으로 바이오필터(biofilter), 바이오트리클링 필터 (biotrickling filter) 또는 바이오스크러버(bioscrubber)를 예로 들 수 있으며, 이들은 폐수처리 방법으로도 널리 알려져 있다.

바이오필터는 주로 오염물질의 용해도가 낮은 경우에 적합하며, 공정이 매우 단순하고 설치비, 운전비가 적게 든다는 장점이 있다. 그러나, 미생물의 적절한 성장을 위하여 pH, 온도, 수분, 영양분이 추가공급 등 공정제어가 어렵고, 장기간 운전시에는 담체의 수축 또는 영양성분의 고갈로 인하여 담체의 교환이 필요하다는 장점이 있다.

바이오트리클링 필터는 생물막 형성에 필요한 질소, 인, 무기염류 등을 포함하는 용액을 공급하면서 운전되며, 담체의 성능에 따라 일시적인 농도 상승에 의한 미생물 충격에 대하여 효과적으로 대응할 수 있고, pH, 온도, 수분 등의 조절이 용이하다는 장점이 있다.

바이오스크러버는 오염물질을 물리적으로 분리한 다음 생물학적인 처리를 위한 활성슬러지를 독립적으로 운전할 수 있어 공정을 최적화하기 용이하다는 장점이 있다. 하지만, 대부분의 휘발성 유기화합물과 황화합물은 용해도가 낮아 접촉면적이 커야 하며, 스크러빙 부분의 크기가 상대적으로 크기 때문에 소요부지 면적이 크다는 단점이 있다.

이상과 같은 생물학적인 방법을 이용한 반응기들의 성능을 최대화하기 위해서는 반응기 설계 뿐만 아니라 반응기내 충진물의 선택이 중요하다. 즉, 상기 충진물은 미생물이 부착 성장할 수 있도록 미생물을 고정화시키는 담체이기 때문에, 이러한 충진물의 선택에 따라 반응기의 크기, 반응기내의 수분함량, 오염원의 흡수 흡착성능이 결정되며, 따라서 이러한 충진물은 반응기의 성능을 결정하는 중요한 변수이다.

오페수를 생물학적으로 처리하는 분야에 있어서 미생물을 고정화시키려는 기존의 노력은 계속되고 있다. 구체적으로 예를 들면, 대한민국 특허공개 제98-703094호, 제98-702595호, 제98-054797호 등에는 섬유질을 이용하여 표면적을 최대화함으로써 미생물의 성장이 용이하도록 한 담체가 개시되어 있고, 제98-069947호, 제98-074499호, 제98-074500호 등에는 고분자를 이용한 담체가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 특허공개 제 98-001968호, 제98-009185호에는 세라믹을 이용한 담체가 개시되어 있는데, 상기 담체는 900℃ 이상의 고온 소결과정을 거쳐야만 한다. 그러나, 이상과 같은 연구는 모두 폐수처리에 국한되어 이루어진 것이며, 악취가스와 같은 가스 정화를 위한 생물학적 반응기에 사용된 예는 없다.

담체는 일반적으로 자연물을 이용한 것과 인공물을 이용한 것으로 구분할 수 있다. 담체에 이용되는 자연물로는 토탄(peat), 벽토(compost), 토양(soil), 나무껍질(wood bark) 등을 예로 들 수 있으며, 인공물로는 고분자를 사용하는 경우가 대부분이다. 상기 고분자의 예로는 알긴산 칼슘염, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리우레탄 폼 등이 있다.

자연물을 이용한 담체는 영양분의 공급, 수분함유능력, 기타 오염원의 흡수흡착 능력 면에 있어서, 유리하며, 인공물을 이용한 담체는 넓은 표면적, 구조적 안전성 및 지지체로서의 강도 및 공급율에 있어서 유리하다.

따라서, 인공물을 이용하는 경우에는 자연물을 이용하는 경우와 달리, 반응기내에 추가적인 영양분의 공급을 필수적으로 필요로 한다는 문제점이 있다. 이와 같은 영양분의 공급은 영양분 공급원, 공급수단, 공급 시기 등 공정상 고려해야 할 사항을 증가시키므로 공정이 복잡해지며 운전비용도 증가된다.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 폐수처리공정이 아닌 악취 및 독성 가스의 정화를 위한 바이오필터 공정에 사용되는 담체로서, 상기한 바와 같은 자연물과 인공물의 장점을 모두 갖춘 담체를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 담체의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는 상기 담체를 이용하여 악취가스 또는 유독성 가스를 정화하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 점토성 물질 및 활성탄의 혼합물을 접착제를 이용하여 다공성 지지체의 표면에 코팅시킨 것을 특징으로 하는, 바이오필터를 이용한 가스 정화에 사용되는 담체를 제공한다.

상기 점토성 물질은 제올라이트, 옹기토, 차지토, 고령토, 규조토, 활석, 화산재, 제철소의 폐슬레그 또는 연소 및 소각재, 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.

상기 점토성 물질과 활성탄의 혼합 중량비는 1 : 1∼1.5 인 것이 바람직하다.

상기 다공성 지지체는 고분자 수지로 이루어진 스폰지 또는 폼인 것이 바람직하다.

상기 접착제는 합성수지 접착제, 무기성 접착제 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여,

a) 고분자 수지로 이루어진 다공성 지지체를 적당한 크기로 절단하는 단계;

b) 활성탄과 점토성 물질을 1 : 1∼1.5의 중량비로 혼합하는 단계;

c) 상기 b)단계의 혼합물에 접착제를 부가하여 교반하는 단계;

d) 상기 c)단계의 혼합물을 상기 절단된 다공성 지지체에 코팅하는 단계; 및

e) 상기 d)단계의 결과물을 건조하는 단계를 포함하는 담체 제조방법을 제공한다.

접착제의 종류에 따라서는, 상기 코팅 작업를 용이하게 하기 위해 상기 d)의 코팅단계 전에 희석액을 사용하여 상기 접착제의 점도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한, 상기 또다른 기술적 과제를 달성하기 위하여,

담체를 컬럼형 반응기에 충진하는 단계;

처리하고자 가스에 포함된 성분에 따라 적절한 미생물을 상기 담체에 접종시키는 단계; 및

처리하고자 하는 가스를 상기 반응기에 상향류식으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법을 제공한다.

이하에서는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

본 발명에 의한 담체는 자연물로서 제올라이트를 주성분으로 하는 옹기토, 차지토, 고령토, 규조토, 활석 등의 점토성 물질로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 활성탄과 혼합한 물질을 사용한다.

본 발명에 의한 담체는 상기 자연물을 에폭시 수지, 아크릴 수지, 페놀 수지 등과 같은 접착성 합성수지 또는 물유리, 실리카겔졸 등과 같은 무기성 접착제를 이용하여 다공성 지지체 상에 코팅시킨 것이다.

상기 다공성 지지체의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니나, 구체적으로 예를 들면 폴리우레탄 스폰지, 폴리비닐알콜 폼 등 각종 고분자수지로 이루어진 스폰지 또는 폼이 바람직하다.

그 제조 방법을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 임의로 선택된 점토성 물질과 활성탄을 1: 1 내지 1.5의 비율로 혼합한다.

상기 혼합물에 접착제를 부가하여 충분히 교반한다. 이 때 부가되는 접착제의 양은 상기 혼합물의 중량을 기준으로 하여 1 내지 60중량가 바람직하다. 그 이유는 접착제의 사용량이 1중량미만이면 접착력이 부족하여 쉽게 접착되지 않으며, 60중량를 초과하면 과량의 접착제가 표면에 노출되어 활성이 감소하는 원인이 된다.

상기 접착제의 종류에 따라 점도가 높은 경우에는 코팅이 용이하도록 희석액을 더 부가할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 폴리우레탄 접착제인 경우 희석액으로 톨루엔을 사용하는 것이 바람직하다.

점도가 조절된 코팅 용액을 워시 코팅(wash coating) 방법에 의하여 다공성 지지체의 표면에 코팅한다.

코팅단계가 완료된 담체는 접착제의 종류에 따라 약 100 내지 150℃의 온도에서 건조시킨다. 즉, 본 발명에 의한 담체는 900℃이상의 소결과 같은 고온 과정을 거치지 않고도 제조할 수 있다.

담체의 표면 조도나 표면적은 사용하는 점토성 물질의 입자크기를 조절함으로서 가능하다. 또한, 담체의 표면적은 다공성 지지체의 기공 크기를 조절함으로써도 가능한데, 다공성 지지체의 기공크기는 상기 표면적 뿐만 아니라 수분함량, 접착제의 사용량과도 관련된다.

따라서, 정화하고자 하는 성분, 함량 또는 정화된 가스의 배출 기준, 기타 공정 조건을 고려하여 점토성 물질의 입자크기나 다공성 지지체의 기공 크기를 적절하게 조절할 수 있다.

이하에서는 실시예를 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 제공된 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

〈실시예 1〉

활성탄과 제올라이트(clinoptilolite 1:1 중량비로 혼합한 후, 혼합물 총중량을 기준으로 30중량의 에폭시 접착제를 상기 혼합물에 부가하여 균일한 혼합물이 되도록 충분히 교반하였다.

교반 결과 얻은 혼합물을 한변의 길이가 1.0cm인 정육면체 형태의 폴리우레탄 스폰지에 워시코팅 방법으로 코팅한 후, 100℃에서 24시간 이상 건조시켜 담체를 제조하였다.

아크릴로 만든 직경 10cm, 길이 100cm의 칼럼에 상기 담체를 60cm 높이로 충진한 후 호기성 하수 슬러지를 접종하였다.

50ppmrk 100ppm의 암머니아를 함유하는 가스를 상기 칼럼에 상향류식으로 공급하여 250일간 처리한 결과가 하기 표 1에 나타나 있다. 체류시간은 25초로 하였다.

암모니아 농도	제거율( )	pH
50 ppm	98 - 99	7.3 - 8.3
100 ppm	95 - 98	8.3 - 8.5

〈실시예 2〉

티오바실루스(Thiobacillus) 균을 포함하는 배양용액을 담체에 접종하였으며. 20 ppm의 황화수소를 포함하는 가스를 70초의 체류시간으로 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실험하였다. 정상상태에 도달하기 까지는 약 10일이 걸렸으며, 99이상의 제거율을 보였다.

〈실시예 3〉

점토성 물질로는 제올라이트 X, 제철소 폐슬레그, 고령토를 60:30:10의 중량비로 혼합하여 사용하였으며, 활성탄과 상기 점토성 물질이 혼합 중량비는 1: 1.5로 하였다.

접착제로는 폴리우레탄접착제를 사용하고, 톨루엔으로 점도를 조절하였다.

다공성 지지체는 1×1.5×1.5 cm의 직육면체 형태로 절단한 폴리우레탄 스폰지를 사용하였다. 코팅후 150℃에서 2시간 동안 건조시켰다.

직경 5cm, 높이 60 cm의 칼럼에 상기 담체를 50cm 높이로 충진한 후 호기성 하수 슬러지로 접종하였다.

하기 표 2에 기재된 바와 같은 성분을 함유하는 공기를 공급하였다. 체류시간은 25초로 하였고, 60일간 운전한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

악취 성분	농도(ppm)	제거율()
트리메틸아민	50	95
벤젠	100	99
n-헥산	80	99

실시예 1 내지 3을 통한 실험에 있어서, 적응기간은 15일 미만이었고, 반응이 진행됨에 따라 전화율과 pH는 정상상태로 되었다.

상기 결과로 부터 알 수 있는 바와 같이, 가스중 유독 화합물 도는 악취성분의 종류와 관계없이 95이상의 제거율을 보였으며, pH 변화도 거의 일어나지 않았다. 또한, 250일간의 장기 운전에도 불구하고 부패나 슬러지 집적에 의한 압력손실이 전혀 나타나지 않았고, 담체내의 바이오필름은 감지가 불가능할 정도로 얇게 유지되었다.

본 발명에 의한 담체는 고분자 스폰지 또는 폼과 같은 인공물에 자연물인 점토성 물질을 코팅시킴으로써 인공물과 자연물의 장점을 모두 갖춘 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 의한 담체는 암모니아, 황화수소, BTX와 같은 휘발성 유기화합물을 함유하는 가스를 정화하기 위한 바이오필터 반응기에 사용하는 경우, 수분 함유율이 높아 미생물의 성장에 최적인 조건을 제공하며, 장기운전시에도 부패나 슬러지 집적에 의한 반응기내 압력손실이 거의 나타나지 않아 높은 제거효율을 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 바이오필터를 이용한 가스 정화에 사용되는 담체에 있어서, 점토성 물질 및 활성탄의 혼합물을 접착제를 이용하여 다공성 지지체의 표면에 코팅시킨 것을 특징으로 하는 담체.
2. 제1항에 있어서, 상기 점토성 물질은 제올라이트, 옹기토, 차지토, 고령토, 규조토, 활석, 화산재, 제철소의 폐슬레그 또는 연소 및 소각재인 것을 특징으로 하는 담체.
3. 제1항에 있어서, 상기 점토성 물질과 활성탄의 혼합 중량비는 1 : 1∼1.5 인 것을 특징으로 하는 담체.
4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 지지체는 고분자 수지로 이루어진 스폰지 또는 폼인 것을 특징으로 하는 담체.
5. 제1항에 있어서, 상기 접착제는 합성수지 접착제, 무기성 접착제 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 담체.
6. a) 고분자 수지로 이루어진 다공성 지지체를 적당한 크기로 절단하는 단계;

   b) 활성탄과 점토성 물질을 1 : 1∼1.5의 중량비로 혼합하는 단계;

   c) 상기 b)단계의 혼합물에 접착제를 부가하여 교반하는 단계;

   d) 상기 c)단계의 혼합물을 상기 절단된 다공성 지지체에 코팅하는 단계; 및

   e) 상기 d)단계의 결과물을 건조하는 단계를 포함하는 제1항의 담체 제조방법.
7. 재6항에 있어서, 상기 d)의 코팅단계 전에 희석액을 사용하여 상기 접착제의 점도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항의 담체를 컬럼형 반응기에 충진하는 단계;

   처리하고자 가스에 포함된 성분에 따라 적절한 미생물을 상기 담체에 접종시키는 단계; 및

   처리하고자 하는 가스를 상기 반응기에 상향류식으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 정화 방법.