KR20010035671A - 악취가스 제거용 담체 충전형 미생물 탈취 시스템 - Google Patents
악취가스 제거용 담체 충전형 미생물 탈취 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 악취가스 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취시스템(1)은, 혼합악취가스를 포집하는 가스포집장치(2); 혼합악취가스중의 분진 및 수용성 화합물 성분을 물로 세정하는 제 1 살수장치(11) 및 1차 세정된 혼합가스를 배출시키는 배기구(13)가 형성되어 있는 혼합악취가스 전처리장치(10); 혼합가스를 도입하여, 담체 및 상기 담체에 부착된 미생물을 포함하는 바이오필터 충전탑(22)에 통과시키면서 혼합악취가스중의 질소계 화합물과 황화합물을 흡수 또는 흡착하여 탈취된 가스를 상부의 배기구(25)를 통해 외부로 방출시키는 1개 이상의 미생물 탈취장치(20); 상기 미생물 탈취장치(20)의 제 2 살수장치(21)에 외부로부터 신선한 물을 공급하는 공급수 탱크(30); 및 상기 전처리장치(10)와 미생물 탈취장치(20)에서 배출되는 배출수를 수용하여 필터(41) 및 격막에 의한 침전으로 여과시킨 물을 다시 상기 전처리장치(10)의 제 1 살수장치(11)에 공급하는 전처리 필터조(40); 바이오필터의 성능 유지 및 일정농도의 미생물을 보충하기 위해 배양된 미생물을 저장하는 미생물 저장 탱크(50)로 이루어진다.
Description
본 발명은 각종 현장에서 발생되는 혼합 기체로부터 악취를 효과적으로 제거하기 위한 바이오필터 시스템(Biofilter system)에 관한 것으로서, 상세하게는 퇴비공장, 축사 등의 농업분야 및 피혁, 제지 등의 산업분야, 하수처리장 및 분뇨처리장 등의 기초 환경시설에 이르기까지 유황계 악취물질 및 질소계 악취물질 등의 혼합악취가스를 제거하기 위한 바이오필터 시스템에 관한 것이다.
근대 산업기술의 발달에 따른 부산물로 많은 오염물질들이 배출되어 수질, 대기 등의 환경에 심각한 문제가 야기된 것은 이미 세계적인 추세이다 예컨대 국내에서 1994년 1년동안 환경부에 접수된 환경민원 가운데 악취가 59건(20%)으로 폐수무단방류(62건) 및 차량매연(55건) 등과 함께 가장 빈발하는 주요 민원으로 지적되었으며, 환경측면에서 최근 심각한 사회문제로 대두되고 있다. 더구나 산업시설 단지와 주거단지가 인접해있는 경우에는, 거주민들의 생활환경을 직접적으로 악화시킴으로써, 이로 인한 갈등으로 산업 생산설비의 가동자체가 문제시되는 등, 산업전반에 걸쳐 악취에 의한 피해가 점점 심각해지고 있다.
악취문제는 예컨대 여천공단, 대구염색공단, 한국레이온수지, 울산석유화학공단 등 신문지상에서 알려진 대표적인 발생지역 이외에도 제지공장, 수산물가공공장, 유기질비료공장, 특히 공공시설로서 각종 하수·폐수처리장, 분뇨처리장 등 각종 환경기초시설 등 산업전반에 걸쳐 발생되고 있으며, 황화수소 등의 유황계 화합물과 암모니아 등의 질소계 화합물들이 대표적인 악취가스로 밝혀졌다.
이에 따라 정부에서는 '90년대 들어 대기환경보전법에서 악취를 대기오염물질로 지정하여 배출허용기준을 설정하였으며, '95년 서울 노량진 시장 등 전국 426개 업소를 중점관리업소로 지정하여 지속적인 행정지도를 펴기도 하였다. '99년도부터는 오염물질 배출사업장 관리를 강화하여 시설개선을 강력히 추진키로 하였다. 참고로 '98년도에는 대기 및 악취 배출사업장에 대해 총 89,070회의 지도점검을 실시하여 2,827개 사업장을 적발하였으며, 이들 사업장에 대해서는 개선명령(530), 조업정지(213) 등의 행정처분을 내렸다.
이러한 배경 하에서 탈취기술에 대한 국내의 기술 개발은 대부분 실험실 규모로서 연구차원에서만 진행되어 악취공해문제의 해결을 위한 적절한 탈취대책을 제공하지 못하고 있으며, 방지시설업자 역시 탈취문제에 대해서는 별다른 기술개발 없이 기존의 사례나 외국의 문헌을 답습하고 있는 실정이어서, 악취 발생으로 인한 집단 민원이 야기되는 경우 이에 대한 사회적인 문제점과 민원인 보상 및 탈취시설의 추가설치 등으로 인한 경제적인 손실이 점차 커지고 있다.
탈취기술은 크게 물리적 탈취법와 화학적 탈취법 및 생물학적 탈취법으로 구분되며, 국내에서는 1980년대까지 주로 활성탄 흡착이나 약액세정 등 주로 물리·화학적 탈취기술이 사용되어 왔으나 약품·재료비 등의 소비가 많기 때문에, 비용측면에서 효과적이지 못한 것으로 나타났다. 한국건설기술연구원에서 조사한 바에 의하면, 생물학적 탈취 방법은 1988년 이후 토양 미생물을 이용하는 토양 탈취법, 포기조 내의 활성슬러지를 이용하여 악취 물질을 제거하는 포기조 탈취법 등 몇가지 방법들이 보급된 것으로 나타났으나, 압력손실이 높고 동력비가 많이 소요되며 넓은 부지 면적을 필요로 하는 문제점들이 발생되었다. 최근 들어 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 방법으로 담체 충전형 미생물 탈취법이 대두되었으며, 이 방법은 특정의 탈취 미생물을 고집적화 하여 다량의 악취가스를 단시간에 처리할 수 있는 기술로 경제성과 성능측면에서 유리하기 때문에 일본의 경우 기존 탈취장치의 교체 시점인 1992년을 전후하여 담체 충전형 미생물 탈취 장치의 보급이 증가하는 추세를 보였다.
이러한 담체 충전형 미생물 탈취방법의 개발에 있어서, 미생물 담체와 탈취 미생물 균주의 개발, 악취 제거기술의 개발 등 3개 분야에 대한 연구 결과를 종합한 설비(plant)의 현장 적용이 중요한 연구분야이다. 미생물 균주에 대한 연구개발은 최근까지 지속적으로 이루어져 상당한 성과를 얻는데 반해, 미생물 담체와 악취 제거기술의 개발은 아직 이에 미치지 못하고 있다.
국내에서는 아직 담체 충전형 탈취법에 대한 큰 관심이 나타나고 있지 않으나. 최근 10여개 업체들이 외국의 업체와 제휴 및 기술협력을 통해 국내시장에 뛰어들고 있으나, 산업현장에 적용하기에 아직 성능면이나, 투자비면에서 어려운 것으로 보여진다. 특히 일부 업체에서는 일본 및 유럽 선진국들의 기술을 도입할 경우 기술적 난이도 및 제작비 등과 주변 여건을 고려하여 높은 기술도입료를 요구할 것이며 세부 기술습득은 거의 불가능할 것으로 보여진다. 연구차원에서 여러 연구기관에서 자체적인 기술개발이 진행되었으며, 예로서 국내 특허공고 95-11089의 경우 미생물 반응층과 중화반응층 및 미생물 여과장치를 설치하여 미생물의 재사용을 검토한 경우도 있었으나, 현장적용에 이르지는 못한 것으로 보고되고 있다. 또한 공개특허 97-32976의 경우 악취가스를 여러개의 미생물 반응층에 통과시키는 방법이 제시되었으나, 기본적인 생물탈취탑의 초기투자비가 많이 소요된다는 문제점이 있다.
일본 특개평3-245815의 경우 대량의 악취성분을 제거하기 어려우며, 고농도이며, 그 농도변화폭이 큰 악취일 경우 미생물의 활성이 저하되어 제거율이 저하되며, 또한 악취성분의 제거율 변화가 크다는 문제점이 제기되었다. 또한 일본특개평 1-345314의 경우 충진층의 미생물 농도를 높이기 위해 미생물 반응조와 중화반응조를 탈취탑내에 설치하였으나, 세정수 공급으로 인한 미생물 자체의 이탈에 의해 탈취효과가 저하된다는 문제가 있다.
민원의 대상이 되고 있는, 악취 발생지역의 혼합악취 가스를 효과적으로 제거하기 위한 방법으로 경제성, 내구성 및 탈취성능이 우수한 담체 충전형 미생물 탈취 시스템을 적용함에 있어서 시스템의 설계 및 설치에 관한 중요사항들을 제시하는 것이다. 또한 사회 전반에 걸쳐 발생되는 여러 가지 혼합 악취가스를 제거하기 위한 담체 충전형 미생물 탈취장치를 제공하고자 하는 것이다. 따라서 본 발명에서 제조된 탈취시스템을 축산폐기물의 퇴비 공장 및 여러 악취 발생시설에 적용함으로써, 악취를 계획성 있고 효율적으로 처리하여 주변환경을 개선함과 동시에 정부의 환경보전 정책에 동참하고, 환경오염을 극소화하며, 인근 주민의 보건위생 향상에 기여하고자 하였다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 악취가스 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취시스템을 개략적으로 도시한 개략도,
도 2a는 상기 도 1의 시스템을 설치한 실례를 나타내는 사진, 도 2b는 상기 도 2a의 중앙에 위치한 전처리장치를 도시한 사진, 도 2c는 상기 도 2a의 좌우에 위치한 미생물 탈취장치를 도시한 사진, 도 2d는 전처리 필터장치를 도시한 사진,
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 바이오필터내에 담체에 부착된 미생물들이 유황계 및 질소계 화합물과 반응하여 발휘하는 탈취작용의 기작을 모식적으로 나타낸 도면,
도 4a 및 도 4b는 각각 장기간에 걸쳐 본 발명에 따른 탈취시스템의 바이오필터를 질소계 화합물로서의 암모니아와 황화합물로서의 황화수소에 대한 탈취작용의 결과를 나타낸 그래프,
도 5a와 도 5b는 본 발명의 시스템에 사용되는 미생물 담체를 전자현미경(SEM) 및 입체현미경(Stereozoom microscope)으로 촬영하여 도시한 사진이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 악취가스 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취시스템
2 : 가스 포집장치 10 : 혼합 악취가스 전처리장치
20 : 미생물 탈취장치 30 : 공급수 탱크
40 : 전처리 필터조 50 : 미생물 저장 탱크
60 : 외장형 자동화 장치
본 발명에 따르면, 본원에 첨부된 도면을 참조로, 다음과 같은 요소들로 구성되는 악취가스 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취시스템(1)이 제공된다;
질소계 화합물이 함유된 악취가스와 황화합물이 함유된 악취가스를 포함하는 혼합악취가스를 포집하는 가스 포집장치(2);
상기 가스 포집장치(2)로부터 도관, 팬(fan)(3) 및 유입구(12)를 통해 도입되는 혼합 악취가스중의 분진 및 수용성 화합물 성분을 물로 세정하기 위해 내측 상부에 제 1 살수장치(11)가 설치되어 있고 살수장치 아래에 비표면적이 큰 고분자 여재를 충진하여 수세에 혼합악취가스의 전처리 탈취효과를 극대화하기 위한 여재충전층(14) 및 상기 살수장치(11) 위로 1차 세정된 혼합가스를 배출시키는 배기구(13)가 형성되어 있는 혼합 악취가스 전처리장치(10);
상기 혼합 악취가스 전처리장치(10)의 배기구(13)로부터 제공되는 혼합가스를 도입하여, 다공성 미생물 담체 및 담체에 부착된 미생물을 포함하는 바이오필터 충전탑(22)에 통과시키면서, 상기 충전탑(22) 상부에 설치된 제 2 살수장치(21)로부터 신선한 물을 살포하여 2차 세정작용과 동시에 미생물들의 생장을 위해 수분을 공급함으로써, 상기 미생물들이 상기 혼합 악취가스 중의 질소계 화합물과 황화합물을 흡수 또는 흡착하여 탈취작용이 이루어지도록 하고, 상기 탈취된 가스를 상부의 배기구(25)를 통해 외부에 방출시키는 1개 이상의 미생물 탈취장치(20);
상기 1개 이상의 미생물 탈취장치(20)의 제 2 살수장치(21)에 외부로부터 도관(31,32,34)을 통해 신선한 물을 공급하고, 전처리장치(10)의 제 1 살수장치(11)의 물 공급원인 전처리조 필터의 물을 일정하게 유지, 보급해주는 공급수 탱크(30);
상기 혼합악취가스 전처리장치(10)의 바닥 및 미생물 탈취장치(20)의 바닥에서 수집된 배출수를 수용하여 매우 미세한 망상의 필터(41)에 의해 여과시킨 다음, 필터조의 격막(43)을 통해 분리, 침전시켜 통과한 물을 공급수 탱크(30)에서 유입된 신선한 물과 혼합되어 제 1 살수장치의 살수량을 일정하게 유지시켜주는 전처리 필터조(40);
미생물들의 미생물 탈취장치내 부착 및 탈취효능의 원활한 유지를 위해 일정량의 미생물들을 보충할 수 있도록, 제 1 살수장치에 이용되는 공급수 탱크와 병렬로 물펌프(33)에 연결한 미생물 저장 탱크(50); 및
시스템의 자동화를 위해 적용된 가스농도 측정 장치 및 제 2 살수장치의 일정량 살수를 위해 일정한 시간마다 작동하게 설정된 타이머가 구비된 외장형 자동화 장치(60)로 이루어 진다.
본 발명에 따른 상기 미생물 탈취장치(20)내에 미생물을 담지하기 위해 충전될 미생물 담체는 다공성 세라믹 담체로서, 가공성이 좋은 플라이애쉬와 흡수율 및 기공율인 높은 규조토를 기지로 발포제, 결합제 및 분산제 등의 첨가물들을 혼합하여 페이스트상의 혼합물을 형성한 후 100∼200℃의 온도범위에서 발포량 및 발포 속도를 조절하여 균일하고 미세한 기공을 형성시킴으로써 건조 및 발포법(foaming method)으로 제조된 높은 흡수율과 기공율 및 비표면적의 담체이다. 또한 상기의 세라믹 소재에 유리분말을 발포매체로 혼합하여 이용한 상기 여러 혼합물들과 혼합하여, 600∼800℃ 범위의 온도에서 유리-발포법(glass- foaming)을 이용하여 제조된 글라스-세라믹 담체 등이 이용될 수 있으며, 이들 담체들은 경제성과 탈취성능을 좌우하는 흡수, 흡착능이 우수한 다공성 세라믹 미생물 담체이다.
상기 장치는 바람직하게는 하수 또는 분료처리장, 축산폐기물 퇴비공장, 피혁 또는 제지공장에서 발생되는 악취가스의 탈취공정에 적용할 수 있으며, 상기 미생물로서는 다양한 균주를 이용할 수 있으나, 본 발명의 악취 탈취작용을 고려할 때, 황화세균 또는 질화세균을 포함하는 세균들의 혼합물이 바람직하다.
본 발명의 상기목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 일례로 민원이 심한 거창의 축산폐기물 퇴비화 공장에서 발생되는 취기의 성분 및 농도에 대해 분석하였으며, 그 결과는 아래 표와 같이 나타났다.
| 종 류 | 황화수소(H2S) | 메틸메르캅탄 (CH3SH) | 암모니아(NH3) | 아민류(R·NH2) | 기타 |
| 가스 농도 | 1∼20 ppm | 1∼5 ppm | 30∼100 ppm | 20 ppm 이상 | - |
상기 결과에서 퇴비장에서 발생되는 가스는 주로 암모니아, 아민류의 질소화합물계통의 악취였으며, 일부 황화수소나 메틸메르캅탄 등 유황계화합물 계통의 악취가 혼합되어 있음을 알 수 있었다. 또한 퇴비장에서 발생되는 혼합악취 이외에도 축산폐기물에 포함되었던 가축의 털 등으로 구성된 분진 등이 다량 포함되어 있었다.
따라서 담체 충전형 미생물 탈취장치에서는, 수용성이 대부분인 질소화합물 계통의 악취가스를 제거하기 위한 전처리 시설이 필수적이며, 이와 동시에 축산폐기물 분진을 제거하기 위한 시설이 우선적으로 보충되어야 함을 알 수 있었다.
축산폐기물을 이용한 퇴비장에서 발생되는 악취가스의 발생은 날씨 및 퇴비 혼련장치의 가동상황에 따라 다소 차이를 나타내었으며, 암모니아의 경우 30∼100ppm 범위 내에서 악취 농도변화를 보였다. 안정화 기간동안 바이오필터에 유입될 혼합 악취가스는 대체적으로 유사한 발생경향을 나타내었다.
따라서 탈취 시스템의 효과를 극대화하여 유입량 및 유입농도가 변화되는 혼합 악취가스를 일정하게 탈취하기 위해서는 다음과 같은 미생물 탈취시설, 즉 바이오필터의 설계에 있어서 우선 몇 가지 고려되어야 한다. 미생물 탈취탑을 설계하기 위한 근거로서 다음과 같은 가스 배출 풍량 산출과정을 거쳐 설계하였다.
(a) 밀폐형 부스 후드(booth hood)
Q = 60 × A × V = 60 × (60 × 0.05 × 2) × 1 = 360
[Q : 배출풍량(㎥/min), A : 개구면적 (㎡), V : 제어속도(m/sec)
(b) 건물 부스 후드(booth hood)
Q = 60 × A × V = 60 × (60 × 2.9 × 2) × 1 = 20880
[Q : 배출풍량(㎥/min), A : 개구면적 (㎡), V : 제어속도(m/sec)
(c) 환기횟수
Q = A×환기횟수(회/시간)=1555×3회/시간=4665.77㎥/hr (= 77.7㎥/min)
따라서 환기횟수에서 얻어진 풍량에서 수증기의 발생량을 감안해서 100㎥/min으로 산정하게 되었다. 상기의 계산근거를 감안할 때 완전밀폐형 부스를 설치 후 환기횟수로 산정(算定)한 풍량으로 결정하였다.
또한 담체 충전형 미생물 탈취장치에 충전될 다공성 세라믹 담체의 제조에 있어서, 본 발명에서는 다양한 재료들의 조합을 사용하여 연구한 결과, 주로 silica 성분의 유리질로 구성된 소재가 세라믹소재 중에서 가장 발포가 용이한 것으로 나타났으며, 비표면적이 큰 다공성 미생물 담체를 제조할 수 있었다. 따라서 silica를 주성분으로 한 플라이애쉬(fly ash)와 규조토 및 유리분말(글라스비드)를 원료로 하여 우수한 물성의 담체를 제조할 수 있었다. 특히 플라이애쉬는 화력 발전소 등에서 발생되는 미립상의 폐기물로서 높은 비표면적을 가진 구상의 silica계통의 소재로 작업성이 우수하나, 현재 인공경량골재(특허 제 96-22344호)등 건축자재나 시멘트의 원료로 일부 이용되고, 상당부분이 매립방식으로 처리되고 있는 실정을 감안하면 탈취용 미생물담체를 포함한 환경산업에 대한 재활용 측면에서 원가절감의 경제적 효과와 큰 비표면적을 활용한 발포성을 응용할 수 있어 그 응용가치가 크다고 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 악취가스 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취시스템을 개략적으로 도시한 개략도이고, 도 2a는 상기 도 1의 시스템을 설치한 실례를 나타내는 사진이고, 도 2b는 상기 도 2a의 중앙에 위치한 전처리장치를 도시한 사진이고, 도 2c는 상기 도 2a의 좌우에 위치한 미생물 탈취장치를 도시한 사진이고, 도 2d는 전처리 필터장치를 도시한 사진이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 바이오필터내에 담체에 부착된 미생물들이 유황계 및 질소계 화합물과 반응하여 발휘하는 탈취작용의 기작을 모식적으로 나타낸 도면이고, 도 4a 및 도 4b는 각각 장기간에 걸쳐 본 발명에 따른 탈취시스템의 바이오필터를 질소계 화합물로서의 암모니아와 황화합물로서의 황화수소에 대한 탈취작용의 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5a와 도 5b는 본 발명의 시스템에 사용되는 미생물 담체를 전자현미경(SEM) 및 입체현미경(Stereozoom microscope)으로 촬영하여 도시한 사진이다.
1. 시스템의 구성
본 발명에서는 악취가 다량 발생되어 주변 지역민들의 민원이 심각히 대두된 농업 공공시설 중 특히 축산폐기물의 발효화에 의해 퇴비를 생산하는 유기질 비료화 공장(퇴비공장)에서 발생되는 혼합악취 문제를 해결하기 위해 경제성과 성능측면에서 유리한 담체 충전형 미생물 탈취법을 적용하였다. 악취처리 시스템을 설계하기 위해 원취가스의 분석 및 취기 발생장소의 구조 등에 대해 검토하였다.
그 결과 기본설계 사양에서 악취처리시설을 크게 네 가지, 가스 포집시설과 가스 전처리 시설, 미생물 탈취 시설 및 기타 부가적인 시설들(물탱크, 전처리 필터조, 미생물 저장 탱크 및 자동제어 시스템)로 설계하였으며, 처리 풍량은 약 100㎥/min으로 설정하였다.
가스 포집장치(2)에는 축산 폐기물의 퇴비화가 주로 이루어지는 퇴비장치에서 교반기에 의해 정기적으로 섞어줄 때 발생되는 수증기 및 악취 가스, 그리고 여러 가지 분진들을 적은 비용으로 효과적으로 포집하여 탈취탑까지 이송하기 위한 장치로서, 가스를 흡입, 이송하는 도관 및 흡입용 팬(3)으로 이루어져 있다.
가스 이송관은 2개 라인의 가지관으로 구성되며, 각 라인은 THP관을 각각 양쪽으로 2단으로 기존의 철골구조에 맞추어 설치하였으며, 포집된 가스를 이송하기 위한 주이송관으로는 THP관을 이용하여 외부와 연결할 수 있게 설치하였다.
퇴비장 외부에서는 퇴비장 내부에서 흡입된 악취 및 분진들이 THP 주이송관 및 와선관(Spiral duct pipe)을 통해 흡입팬(3)으로 전달된다. 도관의 주관의 크기에 따라 흡입되는 가스의 용량이 크게 변할 수 있으며, 본 발명에서는 도관 2개 라인의 가운데 위치에 흡입팬(3)을 설치하여, 편류나 한쪽 도관에서의 과다한 부하가 걸리지 않도록 하였다.
혼합악취가스 전처리 장치(10)는 세정집진 시설로서, 포집된 악취가스에 수세(water scrubbing)에 의한 수용성 악취가스의 우선적인 제거와 함께, 분진의 미생물탈취장치(20)내 유입을 방지하며, 악취가스의 일정한 습도를 유지시켜 미생물들의 탈취효율을 높이는 역할을 하도록 설치하였다.
그리고 제 1 살수장치(11), 전처리조 필터장치(40), 전처리장치내 비표면적을 극대화하기 위해 고분자 여재를 충진한 여재충전층(14) 등을 설치하여 미생물의 활동을 활성화하기 위해 적정량의 살수 및 포집시설을 통해 유입된 분진들의 제거를 유도하였다.
또한 시스템의 자동화를 위해 타이머를 부착하여 규칙적인 작동을 유도함으로서 악취가스의 전처리 제거효율을 증가시켰다. 살수 후 배출되는 물은 전처리조 필터장치(40)에 이송되어 여과시킨 후 순환펌프(42)를 통해 재사용하게 된다.
전처리 장치는 2단의 외벽과 내벽으로 구성된 FRP로 제작하였으며, 외벽과 내벽 사이에 보온재를 장입하여 동절기 전처리장치의 결빙을 방지하였다. 여재 충전층(14)은 PE소재의 여재를 바닥에서 약 70㎝ 높이의 철망(SUS)과 지지대 위로 약 1m이상의 높이로 충전하였다.
또한 세정공정을 위한 제 1 살수장치(11), 및 포집시설(2)을 통해 유입되는 분진(퇴비 분진 및 축산폐기물 잔해)의 여과 및 침전 효과와 살수량을 일정하게 유지하기 위한 수위조절 효과를 동시에 얻기 위해 도 3의 (c)와 같이 전처리조 필터장치(40)를 설치하였다.
전처리조 필터장치(40)에 유입되는 전처리조 배출수는 질소계 화합물의 대표적 악취가스인 암모니아의 용해로 인해 pH가 약 9∼10 범위인 다소 약알카리성을 나타내었다.
NH3+ H2O → NH4OH --- (1)
미생물 탈취장치(20)는 처리하고자 하는 악취가스를 담체에 부착된 미생물에 흡수 및 흡착시켜 미생물에 의한 악취가스의 산화반응을 유도함으로써 악취가스를 제거하였다.
미생물 탈취장치(20)내에는 탈취를 위해 미생물 및 미생물들이 서식하는 다공성 세라믹 담체(22)가 내장되어 있으며, 부착된 미생물들은 담체 충전층 상부의 제 2 살수장치를 통한 살수에 의해 일정량의 물을 주기적으로 공급함으로써 미생물의 성장을 유지함과 동시에, 미생물과 악취가스의 반응에 의한 질화물이나 황화물 등의 생성물 세정효과를 얻을 수 있었다.
미생물 탈취장치(20)내에 담지할 미생물로는 이천 환경사업소 내 분뇨처리장 및 하수처리장의 반송조에서 채취한 활성오니 중 유황계 화합물과 질소계 화합물을 제거할 수 있는 미생물들을 각각 추출, 배양하였으며, 담체에 부착시키기 전에 이들을 혼합하였다.
일반적으로 분뇨처리장에서 채취된 활성오니의 경우 질소계 화합물을 분해하는 질화세균과, 하수처리장에서 채취된 활성오니에서는 유황계 화합물을 분해하는 황화세균들이 다량 서식하는 것으로 보고되고 있으며, 최근 이들에 대한 탈취 미생물로서의 활용방안을 위해 많은 연구가 이루어지고 있는 것으로 보고되고 있다.
따라서 본 발명에서는 질화세균과 황화세균이 혼합된 미생물 배양액을 통해 암모니아 등의 질소계 화합물 계통의 악취와 황화수소 등의 유황계 화합물 계통의 악취를 동시에 제거할 수 있도록 하였다.
미생물 탈취장치(20)는 전처리장치(10)와 동일하게 2중벽의 FRP소재를 이용하여 제작하였으며, 내부에 다공성 세라믹 미생물 담체를 채우기 위해 바닥에서 약 50㎝높이로 다공판(도시되지 않음)을 설치하였으며, 미생물이 담지되어 있는 다공성 담체 충전층(22)의 함수율을 일정하게 유지하기 위해 담체 충전층 상부에 제 2 살수시설(21)을 설치하였다.
주기적으로 살수되는 물은 담체 충전층에서 세정에 의해 여러 생성물들을 포함하여 아래의 배출구(24)로 배출되어, 전처리장치(10)에서 전처리 필터장치(40)로 유입되는 배관과 연결되어 전처리조 필터장치(40)로 이송되며, 미생물 탈취장치(20)에서 배출되는 배출수는 대체로 유황계 화합물의 미생물에 의한 산화 분해로 생성되는 황산염이 용해되어 있어, 이로 인해 pH가 약 4.5∼5.5 범위인 다소 약산성을 나타내었다.
H2S + 황화세균 → SO4 2---- (2)
SO4 2-+ H2O → H2SO4HNO3 -+ H2O → HNO3--- (3)
따라서 전처리장치(10)에서 유입된 배출수는 전처리장치에서 유입된 약알카리성의 질소화합물 (1)과 미생물탈취장치에서 유입된 약산성의 질소 및 황화합물 (2), (3)의 혼합으로 인해 약 7∼8의 중성을 나타내었다.
미생물 저장탱크(50)는 미생물 탈취장치내(20)에 미생물들을 부착 및 보충하기 위한 장치로서, 질소화합물과 황화합물을 분해하는 혼합세균들이 배양된 후 임시로 저장된 후 미생물 탈취장치(20) 상부의 제 2 살수장치(21)를 통해 살수되어, 다공성 세라믹 미생물 담체(22)에 부착된다.
약 1∼30분동안의 살수를 반복적으로 실시하여 담체 1㎥당 50∼200ℓ의 미생물 배양액을 살수하였으며, 6∼24시간 이후 탈취시스템을 가동하여 미생물의 악취가스 흡착 및 흡수에 의한 산화분해를 시작하였다.
또한 악취 배출원인의 변화에 따른 악취 농도 변화 및 악취 성분 변화에 대해 즉각적인 적응을 위해 탈취 성능의 저하시 미생물의 보충 및 저장을 편리하도록 하였다.
자동 제어 장치(60)는 악취가스 농도측정기, 온도 측정기, 압력계, 타이머(Timer) 등의 장치들로 구성되어 있다. 농도측정기의 주요 기능은 가스의 입·출구 농도를 측정하여 원활한 탈취가 지속적으로 이루어질 수 있도록 제 1 살수장치(11)의 살수량을 조정하며, 온도측정기는 온도를 부위별로 측정하여 이상현상을 사전에 예방할 수 있도록 하였다.
또한 동절기 물탱크 내부의 결빙을 방지하기 위해 히터를 부착하여 일정한 온도의 신선한 물을 전처리 장치(10)와 미생물 탈취장치(20)에 살수할 수 있도록 하였다.
2. 시스템의 작용
본 발명의 바이오필터(1)는 가스포집장치(2), 혼합악취가스 전처리장치(10), 미생물 탈취장치(20), 전처리 필터장치(40), 미생물 저장탱크(50), 물탱크(30) 및 기타 장치들로 구성되어 있다.
가스 포집장치(2)를 통해 유입된 혼합악취가스는 전처리장치(10)에서 수용성 악취가스를 세정하게 되며, 일부 분진 및 이물질들을 전처리 필터장치(40)를 통해 여과시키게 된다. 전처리 장치(10)를 통과한 혼합악취가스는 일정량의 충전재(microbial media)가 충전된 미생물 탈취장치(20)에 유입되며, 충전된 담체에 부착된 질화세균 및 황화세균 등의 탈취 미생물들에 의해 흡수·흡착되어 산화·분해된다.
이때, 미생물들은 악취가스의 산화·분해에 의해 발생되는 에너지를 이용하여 증식과 활성을 유지하게 되며, 주기적으로 일정량의 살수를 통해 생장에 필요한 수분을 공급받아서, 악취가스의 산화·분해로 생겨난 생성물들이 세정된다.
미생물과 악취가스의 반응은 도 3과 같이 악취성분(황화수소, 암모니아 메틸메르캅탄 등)이 미생물 표면에 부착된 물에 흡수·흡착되고, 미생물(황화세균, 질화세균 등)과 반응하여 산화·분해되어 제거되며, 생성물로 질산 및 황산등을 배출하게 된다.
이와 같은 탈취기구를 최대한 활용하기 위해서 살수시설(11,21)과 자동제어시설(60)의 조절에 의해 일정 간격의 살수를 주기적으로 행함으로써 탈취효율을 안정화시킬 수 있었다. 이를 위해 살수 시간은 2∼10회/일 실시하도록 하였으며, 살수량은 70ℓ/분으로 설정하였다. 또한 전처리시설(10)의 살수는 바이오필터 시스템의 가동 시간과 동일하게 설정하였다.
3. 담체의 제조
본 발명에 따르면, 퇴비장에서 발생되는 혼합악취가스를 제거하기 위한 미생물 탈취장치(20)에 충전될 다공성 세라믹 담체는 다음 방법으로 제조되었다:
원소재로 일정량의 플라이 애쉬와 규조토에 발포제와 결합제 및 분산제 등의 첨가제를 첨가하여 혼합하고 물을 첨가하여 페이스트상을 만든 후 100∼200℃에서 발포 및 건조를 통해 제조된 성형체를 800∼1000℃의 온도에서 소성하여 얻어지는 높은 함수율과 기공율을 가진 구형의 다공성 세라믹 담체이다.
또는 플라이애쉬와 규조토 및 글라스 비드에 일정량의 발포제 및 분산제 등을 첨가한 후 500∼800℃의 온도에서 고온 발포, 소성하여 얻어지는, 생산비가 저렴한 경제적인 구형의 다공성 세라믹 담체이다.
실시예
본 발명에서는 농업 공공시설에서 발생되는, 특히 축산폐기물의 발효에 의해 퇴비화하는 과정에서 발생되는 악취를 제거하기 위해 경남 거창 북부농협의 유기질 퇴비화 공장에 담체 충전형 미생물 탈취 시스템을 적용하였다. 탈취 시스템은 크게 가스 포집장치, 가스 전처리장치, 미생물 탈취장치 및 부가적 장치들로 구성하였다.
가스 포집장치는 닥트장치 및 흡입팬으로 구성된다. 퇴비장 내부의 닥트장치에서 가스 이송을 위한 이송관은 크게 2개 라인으로 설치하였으며, 각 라인은 주관(Φ400, THP관)에 2단의 가지관(Φ250, THP관)을 각각 양쪽으로 12m씩 기존의 철골구조에 맞추어설치하여 외부와 연결할 수 있게 하였다.
퇴비장 외부의 가스이송관은 와선관(Spiral duct관, Φ400)을 THP 주관(Φ400)에 연결하여 2개 라인(line)을 하나로 통합한 후 흡입팬(풍량 100㎥/min×350㎜Aq., 모터 : 11.25kw×4P×380/220V×60Hz, 재질 : SUS304 -316)으로 연결, 설치하였으며, 흡입팬은 2개 line의 가운데 위치에 설치하였다.
혼합악취가스 전처리장치는 FRP소재의 탱크(H:2.2m, A:2.4m)를 개량하여 장치를 제작하였다. 내부에는 바닥에서 0.7m 높이에 SUS망을 설치하고, 1.2m의 높이로 다공성 충전재(PE소재, Φ50∼120)를 채워 악취가스의 통과시 제 1 살수장치에서 분사된 세정수와 최대한의 면적에서 접촉하도록 하였다.
또한 수세용 살수장치를 전처리 장치로서 상단에 10개의 노즐을 설치하였으며, 담체 충전형 미생물 탈취시스템의 가동시 계속적으로 가동되도록 하였다.
전처리장치와 미생물 탈취장치의 가스 이송을 위해 도 1과 같이 배관(PVC, Φ300)을 연결하였다.
미생물 탈취장치는 FRP소재의 탱크(H:2.7m, A:2.4m) 2기를 개량하여 장치를 제작하였다. 바닥에서 약 50㎝높이에 다공판(PE)을 설치하여 약 1.2m 높이(약 5.4㎥ 부피)로 다공성 세라믹 담체를 충전하였다. 상단에는 전처리장치와 동일하게 제 2 살수장치로서 노즐을 설치하였으며, 살수는 타이머를 부착하여 하루에 100ℓ씩 살수할 수 있도록 설정하였다.
전처리장치와 미생물 탈취장치의 살수를 위해 물탱크와 펌프(0.07㎥/min×0.7㎾ ×6mH)를 도 1과 같이 배관하여 설치하였다.
또한 전처리장치에의 제 1 살수장치와 미생물 탈취장치의 제 2 살수장치에서 살수되어 세정된 배출수들은 전처리장치의 필터장치에 이송되어 일부 중화반응의 효과를 얻도록 하였으며, 필터에 의한 이물질의 여과와 격막(43)에 의한 부유물질의 침전·분리작용을 유도하도록 하였다.
또한 상기 물탱크를 통해 부족한 물을 수시로 보충할 수 있도록 물탱크와 필터장치간의 연결배관을 설치하였다. 상기의 필터장치에서 여과, 분리·침전된 물은 신선한 물과 혼합되어 재차 제 1 살수장치로 살수될 수 있도록 펌프를 연결하여 혼합악취가스의 전처리조 살수시스템을 재순환 시스템으로 설계·설치하였다.
미생물 저장 탱크는 미생물 탈취 시스템의 미생물 탈취장치 내에 미생물을 부착하고, 미생물 탈취장치의 성능 저하시 미생물의 보충 및 재부착을 유도하기 위해 물탱크와 제 2 살수장치를 연결하는 펌프에 연결하여 밸브를 달아 설치하였다.
부가적인 설비로서는 자동제어 설비로서 전처리조의 제 1 살수는 탈취시스템의 가동에 따라 작동하게 설정하였으며, 탈취조에서의 살수는 타이머를 부착하여 하루에 일정량 살수할 수 있도록 설정하였다. 또한 동절기 물탱크의 결빙을 방지하기 위해 히터와 온도센서를 부착하여 일정한 온도의 물이 전처리장치와 미생물 탈취장치에 공급되도록 설치하였다.
본 발명에서 미생물 탈취시설에 충전할 다공성 세라믹 담체는 다음과 같은 공정을 통해 제조하였다. 플라이 애쉬와 규조토 및 글라스 비드를 주원료로 하여 볼밀에 장입하고, 무기발포제와 발색제, 소결조제 및 미량의 물 등을 각각 일정량 첨가하여 건식 혼합하여 혼합분말을 제조하였다.
혼합분말을 일정한 몰드에 채운 후 연속로에 장입하여 일정한 온도범위에서 유지하여 발포, 소성함으로써 다공성 세라믹 담체를 제조할 수 있었다. 제조된 세라믹 담체의 물성을 분석한 결과 아래와 같이 나타났다.
| 평균기공 크기 | 기공율 | 흡수율 | 부피밀도 | 담체 충전율 | 비표면적 | 압축강도 |
| 약 45∼60㎛ | 80∼85% | 130% 이상 | 0.65∼0.75(g/cm2) | 0.24 | 0.1m2/g | 35kg/cm2이상 |
본 발명에서는 상기 설비들을 이용하여 축산폐기물의 퇴비공장에서 발생되는 혼합악취를 제거하기 위해 담체 충전형 미생물 탈취시스템을 약 100일간 운전하였으며, 안정화기간의 설정 및 안정화 이후의 탈취성능에 대해 조사한 결과 다음과 같이 나타났다.
담체 충전형 미생물 탈취시스템에서 이용한 탈취 미생물로는 이천 환경사업소의 분뇨오니와 하수오니에서 채취한 질화세균과 황화세균을 추출·배양하여 혼합된 활성오니를 이용하였으며, 각 악취가스, 특히 퇴비공장의 주요한 악취원인 암모니아에 대한 바이오필터의 순치 기간은 약 4주정도로 나타났다. 황화수소의 검지는 퇴비 상태에 따라 영향을 받았으나, 전반적으로 호기성 발효상태를 유지함으로써 암모니아에 비해서는 상대적으로 그 변화가 크지 않았다.
바이오필터 가동한지 약 30일이 지난 후 일시적으로 매우 다습한 퇴비원료의 투입과 우천으로 인한 퇴비장내 물의 유입으로 수용성을 띤 암모니아 가스의 배출량이 급격히 감소하기는 하였으나, 30일 이후 큰 변화 없이 바이오필터의 탈취능은 안정화되었다. 바이오필터의 암모니아에 대한 장기간의 안정성 실험에 대한 결과를 도 4a에, 황화수소에 대한 실험결과를 도 4b에 나타내었다.
도 4a에서 초기 25일까지는 원취와 유사한 변화경향을 나타내었으며, 서서히 안정화가 진행되어 30일 이후 바이오필터의 안정화가 이루어졌으며, 원취의 농도에 상관없이 암모니아에 대한 미생물 탈취성능은 95%이상 유지할 수 있었다. 도 4b에서 초기 15일 이후 점차 황화수소에 대한 탈취능이 안정화되어 약 30일 이후에는 황화수소에 대한 바이오필터 탈취성능이 약 97%이상 유지할 수 있었다.
일반적인 바이오필터의 황화수소에 대한 미생물 순치기간은 대체로 10일 내외인 것으로 보고되었으나, 본 발명에서는 현장의 상황에 대해 원취의 변화 폭이 크고, 암모니아에 의한 미생물탈취조의 환경이 상당한 영향을 받기 때문에 황화수소를 제거하기 위한 미생물들의 서식이 지연되었을 것으로 보여진다.
전술한 본 발명의 바이오필터 시스템, 즉 담체 충전형 미생물 탈취 시스템은 퇴비, 축사 등의 농업분야 및 피혁, 제지 등의 산업분야, 하수처리장 및 분뇨처리장 등의 기초환경시설에 이르기까지 유황계 악취물질 및 질소계 악취물질 등의 혼합악취가스를 효과적으로 제거할 수 있으므로, 본 발명의 시스템을 사용함으로써 악취의 발생으로 인해 초래되는 제반 문제점들이 무난히 해소될 수 있을 것으로 기대된다.
Claims (4)
- 악취가스 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취 시스템(1)에 있어서,질소계화합물이 함유된 악취가스와 유황계 황합물이 함유된 악취가스를 포함하는 혼합악취가스를 포집하는 가스 포집장치(2); 상기 가스 포집장치(2)로부터 도관 및 유입구(12)를 통해 도입되는 혼합 악취가스 중의 분진 및 수용성 화합물 성분을 물로 세정하기 위해 내측 상단에 제 1 살수장치(11)가 설치되어 있고, 살수장치 하단에 악취가스와 세정수의 접촉을 최대화하기 위해 고분자 여재가 충전된 여재충전층(14) 및 상기 살수장치(11) 위로 1차 세정된 혼합가스를 배출시키는 배기구(13)가 형성되어 있는 혼합 악취가스 전처리장치(10); 상기 혼합 악취가스 전처리장치(10)의 배기구(13)로부터 제공되는 혼합악취가스를 도입하여, 담체 및 상기 담체에 부착된 미생물을 포함하는 바이오필터 충전탑(22)에 통과시키면서, 상기 충전탑(22) 상부에 설치된 제 2 살수장치(21)로부터 신선한 물을 살수하여 2차 세정작용과 동시에 미생물의 생장을 위해 수분을 공급함으로써, 상기 미생물이 상기 혼합 악취가스 중의 질소계 화합물과 황화합물을 흡수 또는 흡착하여 탈취작용이 이루어지고, 상기 탈취된 가스를 상부의 배기구(25)를 통해 외부로 방출시키는 1개 이상의 미생물 탈취장치(20); 상기 1개 이상의 미생물 탈취장치(20)의 제 2 살수장치(21)에, 그리고 전처리 필터장치(40)의 수위조절을 위해 외부로부터 신선한 물을 공급하는 공급수 탱크(30); 상기 혼합악취가스 전처리장치(10)의 하부에서 수집된 배출수를 수용하여 필터(41)에 의해 여과시킨 다음, 격막에 의해 분리·침전시켜 여과된 물을 다시 상기 혼합악취가스 전처리장치(10)의 제 1 살수장치(11)에 공급하며, 상기 전처리 장치(10) 하부에서 배출된 배출수를 수집하여 전처리장치(10)의 살수량을 일정하게 유지하기 위한 수위조절의 역할을 하는 전처리 필터조(40); 상기 혼합악취가스의 미생물 탈취장치(20)의 담체 충전탑에 충전된 담체에 담지할 질화세균과 황화세균이 포함된, 배양된 혼합미생물을 미생물 탈취장치(20)에 살수하고, 저장하기 위한 미생물 저장 탱크(50); 그리고 시스템(1)의 자동화를 위해 적용된 가스농도 측정 장치 및 제 2 살수장치(21)의 일정량 살수를 위해 일정한 시간마다 작동하게 설정된 타이머가 구비된 외장형 자동화 장치(60)로 이루어지는 악취 가스 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취 시스템(1).
- 제 1항에 있어서, 상기 미생물 담체가 다공성 세라믹 담체인 것을 특징으로 하는 악취가스 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취시스템(1).
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 미생물 담체가, 플라이애쉬, 규조토 및 글라스 비드를 주원료로 제작된 다공성 세라믹 담체인 것을 특징으로 하는 악취가스 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취 시스템(1).
- 제 1항에 있어서, 상기 미생물이 황화세균 또는 질화세균을 포함하는 세균들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 악취가스 탈취용 담체 충전형 미생물 탈취 시스템(1).
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Legal Events
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| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20020227 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20011031 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |