KR20020043830A - 교반장치와 고형영양제 주입장치가 부착된 바이오필터장치 및 그를 이용한 오염가스 제거방법 - Google Patents

교반장치와 고형영양제 주입장치가 부착된 바이오필터장치 및 그를 이용한 오염가스 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각종 산업시설이나 환경 위생시설 등에서 배출되는 폐가스 중에 함유되어 있는 악취물질과 휘발성 유기화합물질을 미생물을 이용하여 물, 미생물, 이산화탄소 등의 무해한 물질로 분해하여 제거할 수 있는 바이오필터 장치와 그 장치를 이용한 오염가스 제거방법에 관한 것으로, 오염가스 주입구, 처리가스 배기구가 설치된 하우징; 상기 하우징 내부하면에 위치하는 미생물 고정화 담체 지지선반; 상기 지지선반 위에 적재된 미생물 담체가 충전된 바이오필터층(또는 담체층); 상기 바이오필터 층 상면과 상기 하우징 내부상면 사이의 빈 공간에 설치되어 담체층 상부로 수분과 영양분을 분사하는 스프레이 관; 상기 바이오필터 층에서 미생물 생장으로 인한 압력손실의 증가와 막힘현상을 해결해 줄 수 있는 교반축과 교반기로 구성된 담체의 교반장치를 포함하는 바이오필터 모듈; 상기 바이오필터층의 스프레이관과 살수장치에 공급되는 물과 영양분을 공급하는 저장조; 상기 교반장치를 구동하기 위한 교반모터; 및 미생물 생육을 위한 고체영양제 주입장치;로 구성되어 있으며 특히, 미생물 담체의 교반장치는 미생물 고정화 담체를 교반시켜 생물막을 탈리시킴으로써 미생물의 생장에 의한 막힘 현상과 이로 인한 압력손실 증가와 악취 및 휘발성 유기화합물의 제거성능의 저하를 근본적으로 해결할 수 있도록 고안된 장치이다.

Description

교반장치와 고형영양제 주입장치가 부착된 바이오필터 장치 및 그를 이용한 오염가스 제거방법{Biofilter Equipped with a Stirrer and Injector of Solid Feed and Method for Removing Odor and Volatile Organic Compounds from Waste Gases Using the Same}
본 발명은 각종 산업시설에서 대기 중으로 배출되는 악취 및 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Chemicals; VOC)의 대기오염 물질을 미생물의 분해작용을 활용하여 제거하는 장치로 오염물질의 분해과정에서 미생물의 과다 생장에 의한 막힘을 방지할 수 있는 교반장치와 고형영양제 주입장치가 부착된 바이오필터 장치및 그를 이용한 오염가스의 제거방법에 관한 것이다.
각종 산업시설과 환경 기초시설로부터 악취와 VOC로 오염된 폐가스가 대량 대기 중으로 배출되어 대기오염을 유발하고 있다. VOC의 주요 성분은 유기산, 알데히드류, 케톤류, 방향족 화합물 등이고, 대표적인 악취물질로는 황화수소, 메틸메르캅탄과 같은 황화계 악취물질과, 암모니아와 아민류와 같은 질소계 악취물질이다. 그러나, 폐가스의 성상은 사업장 등 폐가스 배출원의 특성에 따라 매우 다양하다.
지금까지 공기 속에 함유되어 있는 VOC와 악취를 제거하기 위한 노력으로 다양한 종류의 물리적·화학적·생물학적 방법들이 사용되어 왔는 바, 냉각 응축법, 촉매식 연소법, 물리적 흡착법 및 세정법 등이 그것이다. 그러나, 이러한 방법들 중에서 물리·화학적 방법은 오염가스의 제거효율은 높지만 시설비, 재료비, 약품비 등과 같은 조업비가 많이 소요되고, 저농도의 폐가스를 배출 허용기준까지 저감시키는데 비경제적이고, 2차 오염물질(SOx, CO, NOx)이 발생되는 단점이 있었다. 이에 따라 보다 환경친화적이면서 고효율 저비용의 청정기술을 개발하려는 노력이 계속되었으며, 그 결과로 미생물을 이용해 VOC와 악취물질을 이산화탄소, 무취 혹은 취기가 적은 물질로 전환시키는 방법인 생물여과법(Biofiltration)이 대두되었다.
다른 악취 및 VOC 저감방법들과 비교하여 생물여과법은 낮은 투자비와 조업비, 낮은 에너지 소비율, 낮은 화학물질과 연료 사용량, 저렴한 유지 관리비와 함께 2차 오염물질의 발생이 거의 없는 청정기술이다. 그러나, 종래 바이오필터를 이용한 악취 및 VOC의 제거장치는 (ⅰ) 바이오필터의 조업시간이 증가함에 따라 미생물이 증식하여 담체와 담체 사이의 빈공간이 미생물막으로 막히는 현상이 발생하며, 따라서 (ⅱ) 바이오필터의 조업 초기에는 제거성능이 우수하나, 미생물의 과대증식에 의한 담체 기공이 막힘에 따라 공기의 편류현상에 의한 바이오필터 성능의 급격한 저하가 있게 되고, 높은 압력손실에 의한 많은 동력 소비가 증가하고, (ⅲ) 형성된 미생물막을 탈리시키기 위한 주기적인 담체의 교반/세정 및 교환작업이 필요하며, (ⅳ) 오염가스 처리를 위해 30초 내지 3분의 긴 체류시간을 요구하기 때문에, 장치 규모가 크고 넓은 설치 부지를 필요로 하는 등 많은 문제점을 내포하고 있어, 효율적이며 안정적으로 악취 및 VOC을 처리하지 못하고 있는 실정이다. 특히, 상기한 종래 바이오필터를 사용함으로써 발생되는 문제점들은 유기화합물의 농도가 높은 폐가스 처리시 더욱더 심각하게 대두되고 있다.
아울러, 종래기술에 의한 바이오필터를 이용한 오염가스 제거방법의 또 다른 문제점 중의 하나는 미생물 생육에 필요한 영양분 공급이다. 종래 바이오필터 사용시 영양분은 액상상태로 공급되기 때문에, 동절기 동결방지와 영양분의 석출 방지를 위한 온도조절, 침전방지를 위한 교반장치의 필요성, 장기 방치시 오염균에 의한 배지오염 문제 등이 발생되었다.
따라서, 장기간 조업시에도 상기의 문제점들이 발생되지 않는 오염가스 제거방법을 확립하여야 할 필요성이 대두되고 있다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하여 장기간 조업시에도 높은 제거효율과 조업 안정성으로 폐가스 중에 함유되어 있는 악취와 VOC을 제거할 수 있는 기술을 확립하고자 예의 연구노력한 결과, 미생물의 생장에 의한 막힘현상과 이로 인한 제거효율 저하를 방지하기 위하여 담체 교반과 살수를 통한 담체표면에 형성된 미생물막을 제거하는 원리를 이용하여, 대한민국 공개특허 제 2000-12740호에서 사용된 악취 및 VOC 분해미생물의 고정화량과 보습율이 높은 발포 고분자물질(폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리스틸렌 등)을 미생물의 고정화 담체로 충전한 바이오필터 모듈과 고정화 담체를 교반할 수 있는 장치가 부착된 바이오필터 장치를 고안함으로써, 미생물의 증식에 의한 바이오필터의 막힘현상을 근본적으로 해결하여 조업 안정성을 제공할 뿐만 아니라, 악취물질 및 VOC을 효율적으로 제거할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 첫 번째 목적은 미생물의 생장에 의한 악취 및 휘발성 유기화합물 제거장치의 막힘현상을 미생물 고정화 담체의 교반과 살수과정을 통해 담체표면의 생물막을 효과적으로 제거하는 방법을 이용하여 오염가스 속에 함유되어 있는 악취 및 휘발성 유기화합물을 효율적으로 제거할 수 있는 교반장치와 고형영양제 주입장치가 부착된 바이오필터 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은 전기 바이오필터 장치를 이용한 악취 및 VOC의 제거방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 세 번째 목적은 미생물의 생육에 필요한 영양소를 고형 형태로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 네 번째 목적은 전기 방법으로 제조된 고형영양제의 주입장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 바이오필터 장치의 부분 파단도이다.
도 2는 본 발명에 의한 고정화 담체 교반장치의 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명에 의한 고형영양제의 주입장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 교반장치와 고형영양제 주입장치가 장착된 바이오필터 장치의 개략 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 교반장치와 고형영양제 주입장치가 장착된 바이오필터 장치를 이용한 악취가스의 탈취능을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 교반장치가 장착된 바이오필터 장치를 이용한 톨루엔의 분해능을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 조업일수 변화에 따른 바이오필터 모듈의 압력손실 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 조업일수 변화에 따른 바이오필터 모듈의고정화 미생물 량 변화를 나타낸 그래프이다.
[도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명]
1 ; 바이오필터 모듈2 ; 오염가스 주입구3 ; 처리가스 배기구
4 ; 담체지지선반5 ; 플랜지7 ; 교반기
8 ; 스프레이 관9 ; 교반장치 모터 10 ; 배양액 저장조
11 ; 맨홀12 ; 스크린13 ; 상부지지대
14 ; 교반봉15 ; 하부지지대16 ; 조임장치
17 ; 기어모터18 ; 고정막대 스크류19 ; 밀대 스크류
20 ; 고형영양제 저장통21 ; 저장통 뚜껑22 ; 고형영양제
23 ; 영양제 받침대24 ; 투입구 판막25 ; 판막지지스프링
27 ; 고형영양제주입장치28 ; 송풍기29 ; 산 저장조
30 ; 알칼리 저장조32 ; 순환펌프33 ; 제어시스템
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 오염가스 주입구, 처리가스 배기구가 설치된 하우징; 상기 하우징 내부하면에 설치된 미생물 고정화 담체 지지선반; 상기 지지선반 위에 적재된 미생물 담체가 충전된 바이오필터 층(또는 담체층); 바이오필터 층 상면과 상기 하우징 내부상면의 빈 공간에 설치되어 담체층 상부에 수분과 영양분을 분사하는 스프레이 관; 바이오필터 층에서 미생물 생장으로 인한 압력손실의 증가와 막힘현상을 해결해 줄 수 있는 교반축과 교반기로 구성된 담체의 교반장치를 포함하는 바이오필터 모듈; 상기 바이오필터 층의 스프레이관과 살수장치에 공급되는 물과 영양분을 공급하는 저장조; 교반장치를 구동하기 위한 교반모터를 포함하는 것으로서, 상기 오염가스 주입구로 주입된 공기는 상기 바이오필터 층을 통해서만 상기 처리가스 배기구로 배출되고, 바이오필터 층의 담체를 교반할 수 있는 교반장치가 부착된 것 혹은 교반장치와 고형영양제 주입장치가 부착된 것을 특징으로 하는 악취 및 VOC 제거장치(이하 "바이오필터 장치"라 함)를 제공한다.
상기의 두 번째 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, (ⅰ) 악취 및 VOC 물질을 분해할 수 있는 미생물을 상기 바이오필터 층과 상기 저장조에 접종하고 배양하여 분해 미생물을 담체에 고정화시키며 미생물을 증식시키는 공정; (ⅱ) 오염가스 배출원으로부터 포집한 오염가스를 바이오필터 장치의 오염가스 주입구를 거쳐 바이오필터 층을 통과시킴으로써 담체에 고정된 미생물에 의해 오염물질을 분해시키는 공정; (ⅲ) 상기 바이오필터 모듈에 고정된 미생물에 영양분과 수분을 공급하기 위해 저장조의 배양액을 간헐적으로 담체층에 살포하는 공정; (ⅳ) 배양액을 정기적으로 새 영양배지로 교환해주는 공정; 및 (v) 악취 및 VOC을 제거하는 바이오필터 층에서 미생물 생장으로 인해 담체층이 막힐 때(압력손실이 증가하고, 악취 및 VOC 물질 제거효율의 감소할 때) 담체의 교반장치를 작동시켜 고정화 담체에 부착된 미생물 막을 제거하고 저장조의 배양액을 살수하여 탈리된 생물막을 세척하는 공정;을 포함하는 악취 및 VOC 물질 제거방법을 제공한다.
상기의 세 번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 고형 형태의 영양제를 제조하기 위한 다양한 방법을 제공한다. 첫 번째 방법으로는 (ⅰ) 미생물의 생육에 필요한 영양소(N, P, S, 및 Mg 등)들을 적정 비율로 혼합하는 공정; (ⅱ) 전분 또는 미분 등에 적정량의 물을 첨가한 다음, 교반하여 슬러리를 수득하는 공정; (ⅲ) 혼합 영양소를 상기 슬러리에 첨가하고 교반하여 혼합물을 제조하는 공정; 및 (ⅳ) 다양한 모양의 틀(원형, 사각형)에 혼합물을 가하여 건조시키는 공정;을 포함하는 고형영양제의 제조방법을 제공한다. 또 다른 방법으로는 (ⅰ) 미생물의 생육에 필요한 영양소(N, P, S, 및 Mg 등)들을 적정 비율로 혼합하여 준비하는 공정; (ⅱ) 당류(포도당, 슈크로스 등) 또는 첨가하는 영양소 중 녹는점이 가장 낮은 물질에 소량의 물을 첨가하고 가열하여 용융액을 준비하는 공정; (ⅲ) 용용액에 혼합 영양소를 첨가하고 교반하여 슬러리 액을 제조하는 공정; 및 (ⅳ) 슬러리 액을 다양한 모양의 틀(원형, 사각형)에 주입하여 고체화시키는 공정;을 포함하는 고형영양제의 제조방법을 제공한다. 이때, 미생물의 생육에 필요한 영양소는 FeSO4,K2HPO4, MgSO4,NaH2PO4및 (NH4)2SO4이 각각 전체중량의 1 내지 4%, 2 내지 5%, 5 내지 10%, 7 내지 11% 및 70 내지 85%로 함유되어 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제조방법들에 의한 고형영양제는 다양한 영양제의 성상과 형태 등으로 제조가 가능하다.
상기의 네 번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고형영양제를 바이오필터 장치에 투입할 수 있는 고형영양제 저장통, 기어모터, 고정막대 스크류 등을 포함한 구동기 및 투입구 판막 등 으로 구성되어 있는 고형영양제 주입장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 교반장치 및 고형영양제 주입장치가 부착된 바이오필터 장치 및 그를 이용한 악취 및 VOC 물질의 제거방법을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 교반장치가 부착된 바이오필터 장치의 부분 파단도이며, 도 2는 본 발명에 의한 담체 교반장치의 측면도이며, 도 3은 고형영양제 주입장치의 단면도이며, 도 4는 본 발명에 의한 바이오필터 장치의 일 예의 개략 구성도이다.
본 발명에서 교반장치가 부착된 악취 및 VOC 물질의 제거장치인 바이오필터 장치는 오염가스의 유입구(2)와 처리가스 배기구(3), 담체의 지지선반(4), 맨홀(11), 바이오필터 모듈(1)들을 연결할 수 있는 플랜지(5), 바이오필터 담체층(6); 담체교반기(7); 영양분과 수분 공급용 스프레이 관(8)으로 구성된 바이오필터 모듈(1)과; 교반장치의 교반모터(9); 영양분과 배양액 저장조(10); 및 스크린(12)으로 구성되어 있다.
상기 본 발명의 바이오필터 모듈(1)과 저장조(10)는 사각형이나 원통형 등 다양한 형태를 사용할 수 있으며, 내산성의 다양한 플라스틱(FRP, PVC, 폴리에틸렌); 스테인레스 스틸 재질; 및 에폭시 또는 카본 등으로 도포된 금속재질로 제작할 수 있다. 바이오필터 모듈(1)의 크기(길이와 폭 또는 반경과 높이)는 오염가스의 처리용량에 따라 자유롭게 조절이 가능하다. 바이오필터 장치는 악취와 VOC 물질을 함유한 오염가스의 처리용량에 따라 바이오필터 모듈(1)의 단수를 조절하여 사용할 수 있으며, 바이오필터 모듈의 수는 2∼10 단까지 설치하여 사용할 수 있으며, 오염가스는 각 바이오필터 모듈(1)로 주입된다.
상기 본 발명의 바이오필터 모듈(1)내의 지지선반(4)은 고정화 담체를 지지하는 역할을 하며, 경우에 따라서 오염된 공기는 지지선반의 아래를 통해 담체층으로 이동하거나 또는 담체층 상부를 통해 담체층으로 이동할 수도 있고, 담체층의 상부에서 살포된 영양배지를 배출하는 역할을 한다. 상기 지지선반(4) 위의 바이오필터 담체층(6)은 고정화 담체가 일정한 높이(배기구의 높이보다 낮음)로 충전되어 있다. 상기 담체는 고분자 물질로 제작된 망상구조의 고정화 담체(폴리스틸렌, 폴리에틸렌 등) 또는 발포성 고분자물질(폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 등)로 제조된 1 내지 10cm 크기의 고정화 담체가 사용될 수 있으며, 공극률은 60 내지 95%, 공극크기는 0.5 내지 5mm 까지 사용이 가능하다. 이들 고정화 담체는 높은 보습율과 미생물 고정화능이 우수한 특징을 가지고 있으며, 특히 가볍기 때문에 상기 교반장치를 통해 바이오필터 담체층(6)에 충전된 담체를 용이하게 저어줄 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 악취 및 VOC을 포함한 오염가스로부터 교반장치가 장착한 바이오필터, 또는 교반장치와 고형영양제 주입기가 부착된 바이오필터를 이용한 악취와 VOC 물질들의 제거방법을 제공하는바, 이는 악취 및 VOC을 분해할 수 있는 미생물을 바이오필터 모듈(1)과 저장조(10)에 접종한 후 바이오필터 담체층에 살수하여 분해미생물을 담체에 고정화시키고, 오염가스 배출원으로부터 포집한 오염가스를 바이오필터 장치의 오염가스 유입구에 주입하여 바이오필터 담체층을 통과시킴으로써 담체에 고정화된 미생물에 의해 오염물질을 물, 미생물, 이산화탄소 등의 무해·무취한 물질로 분해시켜 제거한다.
바이오필터 장치에서 고정화 미생물에 의한 악취 및 VOC의 분해기작은 다음과 같다.
악취물질(황화수소, 암모니아, 메르캅탄, 아민류) + 미생물
→ CO2+ H2O + 미생물 + 무기염류 (황산염, 질산염)(1)
휘발성 유기물질 + 미생물 → CO2+ H2O + 미생물(2)
바이오필터 모듈의 미생물에 영양분과 수분을 공급하기 위하여, 저장조의 배양액을 간헐적으로 각 모듈에 충전된 담체에 살포하고 배양액을 정기적으로 새 영양배지로 교환해준다. 저장조(10)의 스크린(12)은 이물질이 순환펌프(32)에 유입되지 않도록 제거해 주는 기능을 제공한다. 장기간 조업과정에서 악취 및 VOC 물질을 제거하는 바이오필터 층에서 미생물 생장으로 인해 담체층이 막혀 압력손실이 30 내지 50mmH2O로 증가할 때 담체의 교반장치를 작동시켜 담체와 담체 사이에 형성된 생물막을 제거시키고, 살수장치를 작동시켜 교반과정에서 담체표면에서 탈리된 생물막이 저장조(10)로 유입되게 하여 제거함으로써, 미생물의 생장에 의한 압력손실 증가의 방지와 악취 및 VOC 제거효율의 감소를 억제시킬 뿐만 아니라, 장기간 조업과정에서도 고정화 담체의 세포중량을 일정하게 유지할 수 있어 악취 및 VOC 물질의 제거효율을 유지하는 것이 가능하게 되는 방법 및 장치를 제공한다.
상술한 바이오필터 장치는 도 4에 도시한 개략도에서 보듯이, 악취 및 VOC을 함유하는 오염가스를 포집하는 송풍기(28), 공기가열기(도시생략), 미생물의 생장에 필요한 무기영양염류를 공급하기 위한 영양제 공급장치(27), 배양액의 pH 조절을 위한 산(29)과 알칼리 저장조(30), 산·알칼리 공급을 위한 화학펌프(31), 바이오필터 담체층(6)에 미생물 배양액을 이동시키기 위한 순환펌프(32), 및 제어 시스템(33) 등이 추가될 수 있다. 이때, 본 발명에서 순환펌프(32)는 내산성의 화학펌프(chemical pump)를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바이오필터 장치는 바이오필터 층에 충전되어 있는 미생물 고정화 담체를 교반 할 수 있는 독특한 기능을 제공한다. 원통형 바이오필터 반응조에 사용되는 담체 교반장치는 교반 모터(9), 교반축, 및 교반기(7)로 구성되어 있다. 교반기(7)는 상부지지대(13)와 하부지지대(15)에 교반봉(14)이 수직으로 교반축을 중심으로 좌우대칭 또는 비대칭으로 장착되어 있어, 교반기가 교반모터(9)에 의해 회전되면서 담체들을 저어주는 기능을 한다. 아울러, 교반성능을 높이기 위하여 교반봉(14)의 위치는 교반축을 중심으로 좌우로 비대칭이 되도록 설치하는 것이 바람직하며, 하부지지대(15)는 약 15 내지 30도의 경사가 있도록 제작하여 교반봉(14)의 지지대 역할 뿐만 아니라, 교반기가 회전하면서 바이오필터 층의 하부(지지선반 바로위)에 있는 고정화 담체를 위로 조금 올려줘서 혼합하여주는 기능을 한다. 하부지지대(15)는 경우에 따라 사용되지 않을 수 있다. 본 발명에서 교반장치는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 한 예로서 본 발명의 기술적 사상이나 발명의 범위가 영향받는 것은 아니며, 바이오필터 장치의 형태와 크기에 따라 다양한 형태의 교반 방식 및 장치를 사용할 수 있으며 담체를 교반하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고형영양제 주입장치는 외부케이스(15), 조임장치(16), 기어모터(17), 고정막대 스크류(18), 밀대 스크류(19), 고형 영양제 저장통(20), 저장통 뚜껑(21), 고형영양제(22), 영양제 받침대(23), 투입구 판막(24), 및 투입판막지지 스프링(25) 등으로 구성되어 있다. 고형영양제 주입장치의 작동 원리는, 기어모터(17)에 의해 회전력이 발생하면 조임장치(16)에 의해 연결된 숫나사인 고정막대 스크류(18)가 제자리에서 회전하면서 암나사인 밀대 스크류(19)를 전진시키고, 이 때 밀대 스크류(19)는 영양제 받침대(23)의 하부에 있는 영양제 한 개를 밀어내어 투입구 판막(24)으로 떨어지는 영양제의 하중에 의해 투입 판막지지 스프링(25)이 늘어나 투임구 판막(24)이 열리면서 바이오필터 장치에 주입되도록 하고, 밀어낸 밀대(19)는 일정거리를 이동한 후 역회전하는 기어모터(17)에 의해 다시 후진하여 원상태로 복귀한다. 또한, 고형영양제를 안전하게 공급하기 위해 떨어지는 부분에 경사를 가진 슬로프형태의 구조로 제작, 고형영양제가 바이오필터 장치에 미끌어져 들어가도록 고안하였다. 본 발명에서 기어모터(17)를 포함한 구동부는 그 기능상 피스톤식 구동장치 등 다양한 장치들로 대체할 수 있다. 고형영양제 주입장치는 다양한 종류의 제어장치를 이용하여 일정한 시간 간격으로 작동 시간 및 구동 횟수 등을 조절하여 영양제의 투입량을 자동 또는 수동으로 조절이 가능하다.
상술한 바이오필터 장치를 이용하여 오염가스에 함유된 악취 및 VOC의 제거를 수행할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 장치를 이용하여 오염가스에 함유된 악취 및 VOC을 제거하는 방법은, 악취 및 VOC을 분해할 수 있는 미생물을 바이오필터 층(6)과 배양액 저장조(10)에 접종한 다음, 배양하여 분해 미생물을 담체에 고정화시키며 미생물을 증식시키는 공정; 오염가스 배출원으로부터 포집한 오염가스를 바이오필터 장치의 오염가스 유입구를 거쳐 바이오필터 담체층(6)을 통과시킴으로써 담체에 고정화된 미생물에 의해 오염물질을 분해시키는 공정; 상기 바이오필터 모듈에 고정된 미생물에 영양분과 수분을 공급하기 위해 저장조의 배양액을 간헐적으로 각 모듈에 충전된 담체층(6)에 살포하는 공정; 배양액을 정기적으로 일정량 제거하고, 새 영양배지와 물을 공급해주는 공정; 및 악취 및 VOC을 제거하는 바이오필터 담체층(6)에서 미생물 생장으로 인하여 담체층이 막힐 때(압력손실이 증가하고, 악취 및 VOC의 제거효율이 감소할 때) 담체의 교반장치(7, 9)를 작동시켜 고정화 담체와 담체 사이에 형성된 미생물막을 제거하고 저장조의 배양액을 살수하여 탈리된 미생물막을 세척하는 공정;을 포함한다.
분해미생물의 담체에 대한 고정화는 종균을 배양액 저장조(10)에 접종한 후 배양액을 고정화 담체(6)에 살수시킴으로써, 미생물이 부착되게 하여 고정화시킨다. 상기 바이오필터 장치 및 그를 이용한 오염가스의 제거방법에서 악취 및 VOC을 분해할 수 있는 미생물들은 악취 및 VOC 물질의 성상에 따라 티오바실러스 속(Thiobacillussp.), 슈도모나스 속(Pseudomonassp.), 바실러스 속(Bacillussp.) 등 다양한 종류의 미생물 혼합균을 사용할 수 있다.
분해 미생물의 고정화가 완료된 후에는 오염가스의 배출원으로부터 포집한 오염가스를 미생물 고정화 담체층(6)에 통과시킴으로써 미생물의 분해작용에 의해 물, 이산화탄소, 미생물 및 무기염류로 분해되며, 바이오필터 모듈(1)을 통과한 처리가스는 대기중으로 배출되게 된다. 바이오필터 장치에서 포집한 오염가스의 주입은 바이오필터 담체층(6)의 위에서 아래로의 흐르는 하향식과 지지대(4)에서 바이오필터 층을 통과하는 상향식 조업이 모두 가능하다.
바이오필터 담체층(6)에서 미생물의 오염물질 분해활성을 높게 유지하기 위하여, 오염가스는 15 내지35 ℃ 범위의 공기로 주입되도록 하는 것이 바람직하므로, 기온이 낮은 동절기에는 공기가열기(도시 생략)를 사용하여 오염가스의 온도를 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 오염물질의 분해효능을 유지하기 위해서는 담체의 습도를 95 내지 100%로 일정하게 조절하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 순환펌프(32)를 작용시켜 바이오필터 담체층(6)의 상부에 설치된 스프레이관(8)을 통하여 1일 3 내지 4회 정도 순환수를 바이오필터 담체층(6)에 살포시킬 수 있다. 이때, 순환수는 미생물의 생장과 분해활성을 유지시키기 위하여, K, P, N, S, Mg 및 Fe을 함유한 무기염배지 또는 본 발명의 고형영양제를 순환수에 간헐적으로 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 순환수의 증발손실을 보충하기 위하여 보충수를 공급해주고, 주기적으로 순환수를 일부를 배출시키는 것이 미생물의 활성을 높게 유지시킬 수 있게 된다.
상술한 본 발명의 미생물을 이용한 악취 및 VOC 물질 함유 오염가스의 정화장치를 이용한 제거방법에 의하면, 바이오필터 모듈(1)에 주입되는 오염물질의 체류시간 3 내지 10초 일 때, 톨루엔, 벤젠, 자일렌 등 악취물질의 높은 제거율을 나타내며, 100 내지 150일 정도의 장기간 조업과정에서도 안정적인 제거효율을 제공한다.
또한, 본 발명에 의해서 제공되는 바이오필터는 담체의 교반장치를 제공함으로써 악취 및 VOC 물질의 제거과정 중, 미생물의 증식에 의해 야기되는 고정화 담체의 막힘현상과 그로 인한 편류현상, 압력손실의 증가 또는 오염물질 분해성능의저하, 짧은 미생물 담체의 교환과 세척주기로 인한 유지관리의 어려움 등의 문제점 없이 안정적인 장기간 조업이 가능해진다. 구체적으로는, 본 발명에 의해서 제공되는 바이오필터 반응조는 장기간 조업과정에서도, 3 내지 10초의 짧은 체류시간으로 압력손실을 30 내지 50mmH2O 이하로 유지할 수 있으며, 항상 90 내지 99%의 오염물질 제거성능을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시 예를 통하여 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 본 발명의 기술적 사상이나 발명의 범위가 영향받는 것은 아니다.
실시예 1: 고형영양제의 제조
고형 형태의 영양제를 제조하기 위한 대표적인 실시예로 미생물의 생육에 필요한 영양소인 N, P, S 및 Mg 등을 포함하도록, K2HPO4-50g, NaH2PO4-120g, (NH4)2SO4-1000g, MgSO4-100g, FeSO4-30g을 혼합하여 혼합 영양분을 준비하고, 전분 500g에 물 400g을 첨가한 다음, 교반하여 슬러리 상태로 수득하였다. 전기 슬러리에 혼합 영양분을 첨가하여 3분 동안 혼합한 다음, 원형금형으로 제작한 틀(직경 10cm, 높이 1.5cm)에 각각 120g씩을 가하고, 80℃의 오븐에서 수분을 증발시켜 고형영양제를 제조하였다.
실시예 2: 교반장치가 장착된 바이오필터 장치를 이용한 오염가스의 탈취능
발포 폴리우레탄으로 제작한 담체(2cm×2cm, 공극크기 1 내지 3mm, 공극율 90%)를 도 1에 개시한 바와 같이 바이오필터 장치는 2기의 바이오필터 모듈(높이 1.7m, 내경 1.8m, 담체지지선반 2, 담체 충전층 2, 각 담체층 높이 0.5m)에는 고정화 담체 약 5.0m3을 충전시킨 후 티오바실러스 속(Thiobacillussp.), 슈도모나스 속(Pseudomonassp.), 바실러스 속(Bacillussp.) 등 다양한 종류의 혼합균 배양액을 배양액 저장조(10)에 접종하였다. 담체의 교반장치는 도 1 및 도 2에 개시한 바와 같이, 교반기는 직경 1.6m, 교반봉 높이 0.5m, 간격 0.2m이며, 바이오필터 모듈 당 2기가 설치되었다. 교반장치는 담체층의 압력손실이 4.0cm 이상일 때 교반속도 1rpm으로 10분 동안 가동시킨 후 순환펌프(32)를 5분 동안 작동시켜 100ℓ/min으로 순환수를 살수하여 생물막을 탈리시켰다. 미생물의 생장과 분해활성을 유지시키기 위하여, K, P, N, S, Mg 및 Fe을 함유한 순환수(배양액)를 순환펌프를 사용하여 각 바이오필터 모듈(1)의 담체층(6)에 약 3시간 동안 살수함으로써 종균을 담체에 고정화시켜 바이오필터 모듈을 준비하였다. 대표적인 오염가스 원으로 하수 중계펌프장의 악취를 사용하였다. 미생물 생육에 필요한 영양소의 공급은 고형영양제 주입기를 이용하여 매 10일 마다 고형영양제(직경 15cm × 두께 1.5cm; 주요성분: S, P, N, Mg, Fe, Ca 등) 1개를 투입하였다. 가스 크로마토그래피를 이용한 질량분석기(GC/MS)를 사용하여 분석한 중계펌프장 악취가스의 주요 성분은 암모니아, 황화수소, 알데히드류 및 VOC 물질들로 구성되어 있었고, 중계 펌프장 악취물질은 암모니아 1 내지 10ppm, 황화수소 0.2 내지 2.0 ppm, 알데히드류 0.1ppm 이하이며, 그 외에 다양한 종류의 VOC들이 혼합되어 있는 복합악취 가스이었다. 주요 VOC 악취 물질로는 메탄(methane), 헥산(hexane), 씨클로펜탄)(cyclopentane), 벤젠(benzene), 스티렌(styrene), 자일렌 등의 다양한 VOC 성분들로 구성되어 있었다. 바이오필터 모듈에 오염가스의 체류시간을 2 내지 4초로 변화시키면서 탈취효율을 조사하였고, 조업은 상온에서 수행하였다. 각 장치에서의 탈취 효율은, 악취를 깨끗한 공기와 희석하여 냄새가 발생되지 않을 때까지의 희석배수를 측정하는 대기오염 공정시험법인 공기희석법에 의한 악취농도(OU·m-3)를 측정하여 산출하였다. 악취농도(OU·m-3)는 냄새감지 최대희석배수로 악취가스를 무취공기로 희석하였을 때 악취를 감지할 수 있는 최대희석배수이다. 바이오필터 장치의 조업시간 변화에 따른 악취가스의 제거효율과 농도변화를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 보듯이, 바이오필터에 탈취세균을 접종한 후 필터시스템의 가동초기에는 약 10%의 낮은 탈취율을 제공하였으나, 가동 1일 경과 후부터 탈취율이 급격하게 상승하였고, 약 5일 가동 후에는 90% 이상의 탈취효율을 보였다. 탈취세균들이 고정화 담체에 안정적으로 고정화되기 시작한 약 10일 경과 후에 바이오필터의 탈취효율은 약 98-99%로 매우 높은 탈취율을 제공하였다. 조업초기에는 발생장치로부터 발생되는 악취농도가 3,000 내지 5,000 OU·m-3내외로 유지되었고, 30일 경과 후부터는 악취농도가 5,000 내지 6,000 OU·m-3으로 일정하게 유지되었다.이러한 고농도 악취가스를 바이오필터에 처리할 경우, 배기구의 악취농도는 100 OU·m-3이하로 유지되었으며, 관능법에 의한 바이오필터 배기구에서의 악취농도는 약 1도 이하로 낮게 유지되는 우수한 탈취능을 보였다. 바이오필터에 악취가 약 2,500 OU/min 까지 주입되어도 대부분의 악취 제거능이 98% 이상 유지되는 우수한 탈취성능을 보였고, 임계 악취제거능은 약 2,500 OU/min 이었다. 150일 조업하는 동안 압력손실이 40mmH2O/m 이상으로 2회 상승하였고, 교반장치의 작동과 살수과정을 통해 미생물막을 탈리시킴으로서 압력손실을 40mmH2O 이하로 유지할 수 있었으며, 안정적인 탈취 효율을 제공할 수 있음을 확인하였다.
실시예 3: 교반장치가 장착된 바이오필터 장치를 이용한 VOC 물질의 분해능
대표적인 VOC 물질 중 하나인 톨루엔을 가스 혼합기에서 공기로 희석하여 기화시켜, 실시예 2의 바이오필터 모듈(1)에 주입한 다음, 바이오필터 장치의 교반장치를 가동할 때와 가동하지 않을 때 두 경우에 대하여 휘발성 유기화합물의 분해 성능을 평가하였다. 주입된 오염가스는 바이오필터 모듈(1)의 분해 미생물들이 고정화되어 있는 고정화 담체층(6)을 통과함으로써, 톨루엔이 제거되도록 하였다. 일 예로써 바이오필터 모듈(1)에 충전된 담체층에서 오염가스의 체류시간은 4초가 되도록 오염가스의 주입량을 조절하였다. 순환수를 담체층에 6 내지 8시간 간격을 두고 간헐적으로 살수하여 미생물의 생장에 필요로 하는 수분을 공급하였다. 상술한 방법에 의해서 오염가스 중의 톨루엔을 제거시켰는 바, 제거과정 중의 기체속톨루엔의 농도는, 바이오필터 모듈의 유입구와 배기구의 공기를 포집한 다음, 분석컬럼 HP-1과 불꽃이온화 검출기(FID)가 장착된 가스 크로마토그래피(HP5890 plus II, Hewlett Packard, U.S.A.)로 분석하였다. 교반장치를 가동하였을 때 오염가스의 체류시간 변화에 따른 톨루엔의 농도 및 제거효율과 톨루엔 농도 변화에 따른 제거효율을 도 6에 나타내었다. 도 6에서 보듯이, 본 발명에 의해서 제공되는 악취 및 VOC을 함유한 오염가스의 정화장치인 바이오필터 장치를 사용하여, 오염가스의 체류시간을 약 4초로 하였을 경우에도 약 150일 동안 톨루엔 제거효율을 90 내지 95% 얻을 수 있었던 반면에, 교반장치를 가동하지 않은 경우에는 조업 40일경까지 90 내지 95%의 제거효율을 제공하였으나, 그 이상의 조업기간에서는 제거효율이 급격하게 감소하는 것을 확인하였다. 결과적으로, 본 발명에 의해서 제공되는 교반장치가 장착된 악취 및 휘발성 유기화합물 분해용 바이오필터 장치는 조업 안정성과 제거효율이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.
실시예 4: 장기조업에 따른 압력손실 변화와 미생물 고정화량
실시예 3에서 상술한 장치와 방법을 사용하여, 톨루엔을 함유한 가스를 정화하는 과정에서 바이오필터 모듈에 충전된 고정화 담체층에서의 압력손실은, 물이 채워져 있는 U자 마노메타(monometor)를 주입구와 배기구에 설치하여 측정하였고, 담체에 고정화되어 있는 세포의 농도를 측정하였다. 고정화 담체에 고정화된 세포의 농도는 바이오필터 모듈로부터 고정화 담체를 채취한 후 100℃ 오븐에서 24시간 동안 건조시킨 후, 전자저울을 이용하여 중량을 측정하고, 건조된 담체를 0.1NNaOH 용액에 가하고, 100℃에서 30분 동안 중탕시켜 세포를 제거한 후 담체를 재건조시켜 중량을 측정하여 산출하였다. 교반장치를 가동하지 않은 경우에는 약 40일 경과 후에 압력손실이 4.5 cmH2O/m 이상으로 급격하게 증가하는 것을 확인하였다(도 7). 반면에, 본 발명에 의해서 제공되는 장치를 150일 동안 조업하는 동안에 담체층 1m의 높이 당 압력손실은 교반장치의 작동과 세정작용에 의해 4cmH2O 이하로 유지할 수 있었음을 확인하였다(도 7). 또한, 담체에 고정화되어 있는 미생물의 양은 단위 g의 담체당 0.5 내지 3.0g-건조세포중량으로 일정하게 제공됨을 확인하였다(도 8).
이러한 결과는 본 발명에 의해서 제공되는 교반장치가 부착된 바이오필터 장치가 악취와 VOC 물질의 높은 분해성능을 제공할 뿐만 아니라, 미생물의 과대생장에 의한 막힘현상을 담체층의 교반과 살수과정을 통해 방지할 수 있어 제거장치의 성능 안정성을 제공한다고 할 수 있다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 오염가스 중에 함유되어 악취 및 VOC 물질의 분해효율을 높이기 위하여, 악취 및 VOC 물질 분해 미생물의 고정화량과 보습율이 높은 발포 고분자물질 및 망상구조의 고분자 물질을 미생물 고정화담체로 사용한 바이오필터를 사용하였고, 고정화 담체의 교반장치를 사용하여 고정화 담체에 형성되는 미생물막을 제거하도록 함으로써, 고정화 담체당 미생물량을 일정하게 유지할 수 있어, 장기간 조업과정에서도 미생물의 과대증식에 의한 압력손실의 증가와 악취와 휘발성 유기물질의 제거효율의 감소 등의 문제점을 극복하였고, 또한 고형 영양제의 제조방법과 주입장치를 개발함으로써, 조업 및 유지관리의 편이성을 제공하므로, 각종 산업시설이나 환경기초시설에서 발생되는 악취와 휘발성 유기물질을 함유한 오염가스의 처리에 널리 활용될 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 공기 중에 포함되어 있는 악취 및 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 바이오필터 모듈에 있어서,
    하기 구성요소를 내포하며, 오염가스의 주입구, 처리가스의 배기구가 설치된하우징;
    상기 하우징 내부하면에 위치하는 지지선반;
    상기 지지선반위에 적재된 미생물 담체층;
    상기 담체층 상면과 상기 하우징 내부상면 사이의 빈 공간에 설치되어 담체층 상부로 미생물 배양액을 분사하는 스프레이 관; 및
    상기 담체층의 미생물 고정화 담체를 교반하여 담체표면에 형성된 미생물막을 제거할 수 있는 교반장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물 분해용 바이오필터 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미생물 담체층의 담체는 폴리스틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 것으로 제조된 망상구조 또는 발포성 구조인 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물 분해용 바이오필터 모듈.
  3. 공기 중에 포함되어 있는 악취 및 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 장치에 있어서,
    제 1 항과 제 2 항의 바이오필터 모듈; 및
    상기 바이오필터 모듈에 충전된 고정화 담체에 수분과 영양분을 공급하기 위한 배양액 저장조;를 포함하는 것으로서,
    상기 오염가스 주입구로 주입된 오염공기는 상기 바이오필터의 미생물 담체층을 통해서만 상기 처리가스 배기구로 배출되도록 하는 것을 특징으로 악취 및 휘발성 유기화합물 제거장치.
  4. 제 3 항 있어서,
    상기 영양배지의 pH를 조절하는 pH 제어기와, 영양배지에 고형영양제를 공급하는 고형영양제 주입장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성 유기화합물 제거장치.
  5. (ⅰ) 미생물의 생육에 필요한 영양소들을 혼합하여 혼합 영양소를 수득하는 공정;
    (ⅱ) 전분 또는 미분 등에 적정량의 물을 첨가한 다음, 교반하여 슬러리를 제조하는 공정;
    (ⅲ) 전기 수득된 혼합 영양소를 상기 슬러리에 첨가한 다음, 교반하여 혼합물을 제조하는 공정; 및
    (ⅳ) 다양한 모양의 틀(원형, 사각형)에 전기 혼합물을 가하여 건조시키는 공정;을 포함하는
    제 4 항 기재의 고형영양제 제조방법.
  6. (ⅰ) 미생물의 생육에 필요한 영양소들을 혼합하여 혼합 영양소를 수득하는 공정;
    (ⅱ) 당류(포도당 또는 슈크로스) 또는 첨가하는 영양소 중 녹는점이 가장 낮은 물질에 소량의 물을 첨가하고 가열하여 용융액을 수득하는 공정;
    (ⅲ) 용용액에 혼합 영양소를 첨가하고 교반하여 슬러리 액을 제조하는 공정; 및
    (ⅳ) 다양한 모양의 틀(원형, 사각형)에 슬러리 액을 부어 슬러리 액을 고체화시키는 공정;을 포함하는
    제 4 항 기재의 고형영양제 제조방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    미생물의 생육에 필요한 영양소들은 N, P, S 및 Mg를 포함하도록, FeSO4,K2HPO4, MgSO4,NaH2PO4및 (NH4)2SO4이 각각 전체중량의 1 내지 4%, 2 내지 5%, 5 내지 10%, 7 내지 11% 및 70 내지 85%로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는
    고형영양제의 제조방법.
  8. 제 5 항 내지 제 6 항에 의한 고형영양제 제조방법을 통하여 제조된 원형, 막대형, 사각형 등 다양한 형태와 성분의 고형영양제.
  9. 제 8 항 기재의 고형영양제를 악취 및 휘발성 유기화합물 제거장치나 생물학적 처리장치에 투입할 수 있는 고형영양제 저장통, 기어모터, 고정막대 스크류 등을 포함한 구동장치 및 투입구 판막 등으로 구성되어 있는 고형영양제 주입장치.
  10. 제 9 항에 있어서 구동 장치는 스크류 형태 또는 실런더 형태를 사용하는 것을 특징으로 하는 고형영양제 주입장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항 기재의 고형영양제 주입장치가 적용된 제 3 항 기재의 악취 및 휘발성 유기화합물 제거장치.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항에 의한 악취 및 휘발성 유기화합물 제거장치를 이용한 악취 및 휘발성 유기화합물 제거방법에 있어서,
    (ⅰ) 악취 및 휘발성 유기화합물을 분해할 수 있는 미생물을 상기 미생물 담체층과 상기 배지저장조에 접종하고 배양하여 분해미생물을 담체에 고정화시키며, 미생물을 증식시키는 공정;
    (ⅱ) 오염가스 배출원으로부터 포집한 오염가스를 상기 오염가스 주입구로주입하여 바이오필터 층을 거처 담체층을 통과시킴으로써 담체에 고정된 미생물에 의해 오염물질을 분해시키는 공정;
    (ⅲ) 상기 담체에 고정된 미생물에 영양분과 수분을 공급하기 위해 배지 저장조의 배양액을 간헐적으로 담체증에 살포하는 공정;
    (ⅳ) 배양액을 정기적으로 새 영양배지로 교환해주는 공정; 및
    (ⅴ) 악취 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 담체층에서 미생물 생장할 때 담체의 교반장치를 작동시켜 담체를 교반해주고, 살수장치를 작동시켜 담체표면에 부착된 생물막을 씻어내는 공정;을 포함하는 악취 및 휘발성 유기화합물 제거방법.
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