KR20010080790A - 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치 - Google Patents

악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석유화학공장, 도장공장, 식품가공 공장, 폐기물 중간처리장, 분뇨하수 처리장, 음식물 쓰레기 처리장 등의 각종 사업장에서 발생하는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠 등의 휘발성 유기화합물질(Volatile Organic Compounds, 이하 VOCs)과 유황계 및 질소계 악취물질을 생물학적으로 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치 {Bio-Trickling-Filter System for Eliminating a Stench and VOCs}
본 발명은 석유화학공장, 도장공장, 식품 가공 공장, 폐기물 중간처리장, 분뇨하수 처리장, 음식물 쓰레기 처리장 등의 각종 사업장에서 발생하는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠 등의 휘발성 유기화합물질(Volatile organic compound, 이하 VOCs)과 유황계 및 질소계 악취물질을 생물학적으로 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
1980년대 중반 이후, 대기중에 방출되는 VOCs 및 악취를 처리하는 다양한 방법 중 생물학적 처리기술이 유럽을 중심으로 본격적인 연구가 수행되었으며, 1990년대 이후 오염된 공기로부터 VOCs나 악취를 제거하는 기술은 대기오염부분에서 주요 문제로 대두되기 시작하였다. 생물학적 처리기술(Biofiltration)은 반응기 내부를 미생물막이 구비된 충전물로 채우고 오염된 공기를 상기 충전물질을 통과시켜 오염물질이 미생물막으로 확산되도록 함으로써 상기 미생물에 의해 산화분해시키는 기작에 의해 오염공기를 정화시키는 기술이다.
생물학적 제거법은 VOCs를 처리하는 기존의 소각법, 활성탄 흡착법 등의 물리화학적처리기술보다 시설비 및 운전비가 저렴하여 보다 경제적이고 적용범위가 넓으며 대용량, 저농도로 발생되는 오염된 공기를 정화시키는데 매우 유용한 기술로 알려져 왔다.
역사적으로 1960년대부터 이용된 초기의 바이오필터로서는 토양층에 오염된 공기를 주입하여 토양 흡착과 토양미생물을 이용하여 제거하는 토양상(soil bed)이 사용되었다. 이러한 방법은 VOCs 및 악취의 제거에 있어 90%이상 제거하는 효과가 인정되었으나, 토양상은 넓은 부지를 필요로 하고 높은 압력손실 및 토양층 내부에 균등한 공기를 공급하는 기술적인 문제점이 있다.
1980년대 이후, 바이오필터의 충전재로 퇴비, 피트(peat), 수피(wood bark), 등의 유기 재료들이 악취 및 VOCs의 처리에 주로 이용되었다. 그러나 이들 유기성 충전재는 높은 물리적 흡착, 양호한 수분 보유력으로 인해 높은 제거효율을 가지고 있으나, 미생물에 의해 충전재 자체가 분해되고 무기화로 압밀되어 충전재층으로 공기흐름이 일정하게 유지되지 않는 단점이 있다.
이와 같은 단점 때문에 유기성 충전재는 1년 정도마다 교환되거나 재배치 해주어야 처리효율을 유지할 수 있다.
최근 이러한 유기성 충전재의 단점을 보완하기 위해서 퇴비, 피트 등의 유기물질과 플라스틱, 펠렛 타입의 활성탄, 세라믹 등의 무기성 물질을 혼합하여 바이오필터의 효율을 개선하고자하는 시도가 진행되고 있다.
VOCs를 유기물을 충전재로 사용하는 기존의 바이오 필터로 처리할 경우 미생물들을 VOCs를 분해하여 탄소원으로 이용하여 미생물이 성장하기 때문에, 충전재로 부착하여 과도하게 성장할 경우 과잉의 미생물(biomass)이 충전재의 공극을 막아 압력손실이 유발되어 처리풍량이 줄어들고 처리효율이 저하되어 전체적인 제거효율이 떨어지게 된다. 세류식 기체 바이오 필터(trickling air biofilter)에서도 이러한 과도하게 성장하는 잉여 미생물 증식에 의한 과다한 압력 손실이 발생하고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 미국의 Soriel 등(1997)은 NaCl을 이용하여 미생물의 성장을 억제하는 방법을 고안했으나 결국 미생물의 생육에 장애가 발생하고 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 유지하는 것이 효율을 높이는 가장 wddy한 방법 중의 하나이다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하여, 과잉으로 자라나는 미생물에 의한 막힘현상을 획기적으로 줄이고, 미생물의 농도를 일정하게 유지시킴으로서 악취 및 VOC 처리효율을 향상시킨 고효율 생물 제거 장치 (bio-trickling filter system)를 제공하는데 있다.
전술한 바와 같이 유기물의 충전재를 분해하는 미생물의 성장속도가 발라서 바이오 필터 충전제의 공극들이 과량의 상기 미생물에 의해 막히게 되어, 압력강하에 의한 동력비 상승 및 처리효율의 감소가 발생하므로 적절한 미생물량을 조절하는 것이 VOCs제거용 바이오필터에 있어서 가장 중요한 요소이다.
본 발명에서는 반응의 활성 및 제거효율을 증대시키기 위하여 섬유상 미생물 접촉재를 사용하며, 미생물 과대 성장에 의한 막힘 현상을 방지하며, 또한 압력강하의 문제점을 해결하게 된다.
또한 반응기의 충전층의 높이를 일정한 수준으로 고정하여 각 충전층을 나누고 그 각각에 층에 사이에 스프레이 노즐을 삽입하여 각 층의 영양분의 삽입을 돕는 한편 하단부 및 상단부로의 분사를 통해 과대성장 미생물의 탈리를 일으키는 것을 특징으로 한다.
또한 이러한 각 층의 분리를 통해 층과 층 사이의 공간은 혼합 챔버(mixing chamber)의 역할을 하도록 하여 하단에서 올라온 가스의 혼합하고 다시 상단으로 보냄으로서, 반응기내 균일한 가스의 농도를 유지하도록 하며, 상단으로의 고른 확산을 할 수 있도록 한다.
이상의 역할을 통해 생물반응기(biofilter)의 고활성 및 제거 효율의 증대를 도모하며 기존 장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있게 된다.
도 1은 장치의 대표도
도 2는 충전방식, 영양분, 공급라인 및 탈리장치
도 3은 충전재
도 4는 충전재 및 미생물 부착재
본 발명은 공기 및 오염가스에 수분을 공급하는 수분 공급 수단, 섬유상, 섬유상 접촉재 사용 및 이의 충진수단, 장치내 각 충진단을 형성하여 충진단 사이에 혼합챔버를 두는 단혼합 챔버 형성 수단, 이렇게 형성된 각 혼합챔버 및 최상층 위에 미생물 및 영양원을 공급하는 공급수단 및 상기의 공급수단에 상·하부로 설치한 스프레이 노즐 등의 분사장치를 통해 탈리를 일으키는 탈리수단 중에서 1가지이상의 수단과 접촉재에 부착된 미생물을 이용하여 오염가스를 제거하는 생물학적 제거 수단이 결합되어 이루어짐을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물제거장치에 관한 기술이다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하면 하기와 같다.
1. 장치의 구성
장치는 오염가스를 공급하는 송풍장치와, 오염가스에 수분을 공급할 수 있는 수분공급장치와, 미생물에 의한 생물학적 제거를 일으키는 반응기와, 오염가스를 배출하는 배출부로 구성된다.
송풍장치는 악취 및 VOCs 가스를 반응기 및 수분공급장치로 이송하는 장치로 후단의 오염가스를 포집 이송하게 된다.
수분공급 장치는 송풍장치로부터 이송된 오염가스에 수분을 공급하여 미생물의 성장 및 오염가스의 제거를 돕는다. 수분공급 수단으로는 오염가스를 물이 채워진 탑의 하단부로 공급하여 상단부로 배출되도록 하여 오염가스가 기포상태로 물과 접촉하여서 상승하면서 수분의 공급 및 포화를 이루도록 한다.
또는 물을 채우는 것 대신에 기화된 물(steam)을 공급하여 수분의 공급 및 조절을 일으킨다. 이 수분 공급장치에서는 채워진 물의 온도나 steam의 주입량 및온도조절을 통해 오염가스가 반응기 내로 유입되기 전에 미생물의 생장 및 오염가스의 제거에 필요한 적당한 온도로 맞추어질 수 있다.
반응기는 미생물이 부착되는 접촉재가 충진된 충진층과 이 층에 수분 및 영양 부분을 공급할 수 있도록 수분 및 영양분을 채운 저장고 및 충진층에 영양분 및 물을 공급하는 순환 및 탈리장치로 구성된다.
수분 및 영양분의 저장고는 반응기의 하단부에 또는 반응기와 별도로 설치될 수 있으며 충진층에 상기의 물질을 공급하는 한편 충진층으로부터 유출되는 여과액을 저장하게 된다.
상기의 저장고에는 물 등의 유입구와 유출구가 설치되어 액상을 유입 및 배출을 원활히 수행할 수 있도록 하며, 영양분의 주입구를 통한 영양분의 유입, 산 및 염기의 유입을 통해 pH의 조절을 가능하도록 하며 저장액에 열을 공급할 수 있는 장치가 설치되어 반응기의 온도 및 pH 등을 조절할 수 있도록 한다.
반응기 내의 충전층은 충진물을 충진할 수 있도록 구성되며 각 충진단은 높이 0.5∼3m로 충진된다. 각 단 사이에는 높이 0.5∼2m의 공간이 형성되며 이 층에서 반응가스의 균일한 혼합이 이루어지며 다음 층으로의 균일한 확산을 돕는다.
순환 및 탈리 장치는 저장고의 물 또는 영양분을 충진층에 공급하는 장치로 충진층의 상단부 및 각층사이의 공간으로 이송되며, 순환 펌프, 유량조절 장치, 차단 장치, 스프레이 노즐 등의 액 분사 장치로 구성된다. 액 분사 장치는 하단부 방향 또는 상단부 방향 또는 상·단부 양단의 방향으로 설치되어 층진층 내로의 수분 및 영양분을 공급하며, 미생물의 과대 성장시 충진재로의 액 분사를 통해 과대성장 미생물의 탈리를 일으켜 미생물 과대 성장에 의한 문제점을 해결하게 된다.
배출부는 충진층에서 정화된 가스를 배출하는 부분으로 입자의 방출을 막기 위해 mist separator가 설치될 수 있으며, 잔여 오염물질의 배출을 막기 위해 활성탄 충진층을 두어 잔여 오염물질의 흡착을 이루게 설치될 수 있다.
2. 충진재의 상세 설명 및 충진방식
충진재는 중심부에 심을 갖고 그 중심부로부터 고리 또는 기타 모양의 섬유가 심을 따라 방사상으로 도출된 끈 형태의 섬유상 접촉재로 끈 및 고리의 재질은 섬유상 및 기타의 재질로 1종 이상의 재질로 이루어질 수 있다.
이 각각의 재질의 표면은 미생물의 부착을 돕도록 거친 표면 및 수분보유력을 지니고 있으며 오염가스의 접촉이 용이하도록 m당 1㎡ 이상의 표면적을 가지고 있다.
이러한 섬유상의 충진은 섬유상접촉재가 길이 방향으로 2∼10cm로 잘라 충진되고, 섬유를 흐름 방향과 평행하게 설치되며 상단부는 고정되고 하단부는 자유로운 유동이 가능하도록 고정되지 않는다. 심간의 간격은 고리의 길이보다 적어 심과 심간이 밀집되어 오염가스의 channeling 현상이 없도록 설치된다.
심간 간격은 고리가 4.5cm일 경우 약 1∼4cm 정도가 된다.
즉, 충진단의 상단부에 섬유를 걸수 있는 체 또는 그와 같은 형태의 망상 판이 놓여지며 상기의 채 또는 망상의 판에 끈형태의 섬유 접촉재의 상단부를 한끝을 걸어 아래로 늘어 뜨리게 된다.
3. 탈리작용 및 mixing chamber
각 단 사이에는 높이 0.5∼2m의 공간이 형성되며 이 층에서 반응가스의 균일한 혼합이 이루어지며 다음 층으로의 균일한 확산을 돕는 mixing chamber의 역할을 하게 된다.
또한 상기의 단 사이의 공간에 스프레이 노즐 등과 같은 액 분사 장치가 달린 배관이 설치되어 물 또는 영양분을 충진층의 각부에 고루 균일하게 보급될 수 있도록 한다.
액 분사 장치는 하단부 방향 또는 상단부 방향 또는 상·단부 양단의 방향으로 설치되어 층진층 내로의 수분 및 영양분을 공급하며, 미생물의 과대 성장시 충진재로의 액 분사를 통해 과대 성장 미생물의 탈리를 일으켜 미생물 과대 성장에 의한 문제점을 해결하게 된다.
상단부 및 하단부 또는 양방향의 공급은 유량 및 밸브의 조절로 이루어지며 탈리 작용시에는 양방향의 고속 주입을 통해 상단 및 하단의 층의 과대 성장 미생물의 탈리를 일으키게 된다.
충진층 사이의 혼합 공간의 확보 및 양방향 분사를 통한 탈리를 통해 미생물의 과대성장 방지 및 균일한 분포를 이루게되며 또한 오염가스를 균일 확산을 통해 궁극적으로는 제거효율이 향상된다.
4. 운전 방식
반응기의 운전은 체류시간 0.1∼3 분, LV 0.001∼0.3 m/sec, S.V. 20∼360 hr-1, 온도 5∼40 ℃, 수분 함량 50∼100 %, pH 2∼9의 조건에서 행하여지며, 미생물의 성장에 필요한 영양원을 공급하게 된다. 체류시간이 0.1분 미만이면 장치규모가 커지므로 비경제적이고, 상기 온도를 벗어났을 때는 미생물의 활성이 저하가 일어난다.
한편 상기 수분 함량 범위밖에서는 생물제거 효율이 현저히 저하되고 pH 2 미만에서는 장치부식이 심해지게 되고 9 이상에서는 반응의 진행 효율적으로 일어나지 않는다.
살수방식은 간헐적으로 행하여지나, 오염가스가 난용성 물질을 함유하고 있는 경우, 난용성물질의 용해 및 미생물로의 mass transfer가 반응의 율속단계이므로 살수량을 증가시키거나 상시 살수방식을 통해 액상 내 난용성 물질의 용해도를 포화수준까지 증가시켜 제거 효율의 향상을 일으킨다.
전술한 바와 같이 악취 및 VOCs의 생물제거 장치의 공정개선과, 충진방식의 개선과, 끈형태의 섬유상 충진재의 사용과, 단 사이공간의 확보 및 단 사이의 살수 및 탈리방식과, 운전방식 및 살수방식 등을 통해 기존 생물학적 제거법 (Biofiltration)의 단점인 미생물의 과대성장에 의한 제거효율의 저하, 압력손실의 증가, 등의 요인을 해결하여 악취 및 VOCs의 생물제거의 고효율화를 도모할 수 있었다.

Claims (19)

  1. 공기 및 오염가스에 수분을 공급하는 수분 공급 수단, 섬유상, 섬유상 접촉재 사용 및 이의 충진수단, 장치내 각 충진단을 형성하여 충진단 사이에 혼합챔버를 두는 단혼합 챔버 형성 수단, 이렇게 형성된 각 혼합챔버 및 최상층 위에 미생물 및 영양원을 공급하는 공급수단 및 상기의 공급수단에 상·하부로 설치한 스프레이 노즐 등의 분사장치를 통해 탈리를 일으키는 탈리수단 중에서 1가지 이상의 수단과 접촉재에 부착된 미생물을 이용하여 오염가스를 제거하는 생물학적 제거 수단이 결합되어 이루어짐을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  2. 제 1항에 있어서, 수분공급 수단은 오염가스를 물이 채워진 탑의 하단부로 공급하여 상단부로 배출되도록 하여 오염가스가 기포상태로 물과 접촉하여서 상승하면서 수분의 공급 및 포화를 이루도록 하고, 기화된 물(steam)을 공급하여 수분의 공급 및 조절을 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  3. 제 2항에 있어서, 수분 공급장치에서는 채워진 물이나 steam의 주입량을 이용하여 온도조절을 함으로써 오염가스가 생물 반응기내로 유입되기 전에 미생물의 성장 및 오염가스의 제거에 필요한 온도로 맞추는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  4. 제 3항에 있어서, 생물 반응기가 미생물이 부착되는 접촉재가 충진된 충진층, 이 층에 수분 및 영양분을 공급할 수 있도록 수분 및 영양분을 채운 저장고, 충진층에 영양분 및 물을 공급하는 순환장치와 탈리장치로 이루어짐을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  5. 제 4항에 있어서, 수분 및 영양분의 저장고가 반응기의 하단부 또는 반응기와 별도로 설치되고, 충진층에 상기의 물질을 공급하고 또한 충진층으로부터 유출되는 여과액을 저장하고, 상기의 저장고에 물 등의 유입구와 유출구가 설치되어 액상을 유입 및 배출을 원활히 수행할 수 있고, 영양분의 주입구를 통한 영양분의 유입, 산 및 염기의 유입을 통해 pH의 조절을 가능하도록 하며 또한 저장액에 열을 공급할 수 있는 장치가 설치되어 반응기의 온도 및 pH 등을 조절할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  6. 제 4항에 있어서, 생물 반응기 내의 충진단은 충진물을 충진할 수 있도록 구성되고, 각 충진단은 높이 0.5∼3m 로 충진되며 각 단사이에는 높이 0.5∼2m의 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  7. 제 1항에 있어서, 순환 및 탈리 장치는 순환 펌프, 유량조절 장치, 차단 장치, 스프레이 노즐 등의 액 분사 장치 등으로 구성되며 저장고의 물 또는 영양분을 충진층에 공급하고 충진층의 상단부 및 각 층사이의 공간으로 이송하는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  8. 제 7항에 있어서, 액 분사 장치는 하단부 방향 또는 상단부 방향 또는 상·단부 양단의 방향으로 설치하여 충진층내로의 수분 및 영양분을 공급하게 하며, 미생물의 과대 성장시 충진재로의 액 분사를 통해 과대 성장 미생물의 탈리를 일으켜는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  9. 배출부는 입자의 방출을 막기 위해 mist separator가 설치되거나, 활성탄 충진층을 두어 잔여 오염물질의 배출을 막도록 설치됨을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  10. 제 4항에 있어서, 충진재는 중심부에 심을 갖고 그 중심부로부터 고리 또는 기타 모양의 섬유가 심을 따라 방사상으로 도출된 끈 형태의 섬유상 접촉재이며 상기 끈 및 고리의 재질은 섬유상 및 기타의 재질등에서 선택된 1종 이상의 재질로 이루어짐을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  11. 제 10항에 있어서, 섬유상 접촉재의 충진은 섬유를 흐름 방향과 평행하게 설치되고, 상단부는 고정되도록 함을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  12. 제 11항에 있어서, 섬유상접촉재를 길이 방향으로 2∼10cm로 잘라 충진층에 충진시킴을 특징으로 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  13. 제 10항에 있어서, 충진재의 심간의 간격은 오염가스의 channeling 현상이 없도록 고리의 길이보다 작게 하고, 심간 간격은 고리가 4.5 cm일 경우 1∼4 cm 가 되도록 함을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  14. 제 11항에 있어서, 충진단의 상단부에 섬유를 걸수 있는 체 또는 그와 같은 형태의 망상 판이 놓여지며, 상기의 체 또는 망상의 판에 끈 형태의 섬유접촉재의 상단부의 한 끝을 걸어 아래로 늘어 뜨림을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  15. 제 14항에 있어서, 각 충진단 사이에는 높이 0.5∼2 m의 공간이 형성되도록함을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  16. 제 14항에 있어서 충진단 사이의 공간에 물 또는 영양분을 충진층의 각부에 고르게 균일하게 보급되도록 스프레이 노즐 등과 같은 액분사 장치가 달린 배관이 설치되어짐을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  17. 제 16항에 있어서, 액 분사 장치는 하단부 방향 또는 상단부 방향 또는 상·단부 양단의 방향으로 설치되고, 미생물의 과대 성장시 충진재로의 액분사를 통해 과대 성장 미생물의 탈리를 일으키는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  18. 제 17항에 있어서, 액분사장치의 상단부 및 하단부 또는 양방향의 공급은 유량 및 밸브의 조절로 이루어지며, 탈리 작용시에는 양방향의 고속 주입을 통해 상단 및 하단층의 과대 성장 미생물의 탈리가 일어나도록 함을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
  19. 반응기의 운전은 체류시간 0.1∼3 분, LV 0.001∼0.3 m/sec, S.V. 20∼360 hr-1, 온도 5∼40 ℃, 수분 함량 50∼100 %, pH 2∼9 의 조건에서 행하여짐을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물 제거장치.
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