KR20020082428A - 유입부하 완충장치가 장착된 휘발성 유기화합물 제거용바이오 필터 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유입부하 완충장치가 장착된 휘발성 유기화합물 제거용 바이오 필터 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 석유화학공장, 정유공장, 도장공장 등 각종 산업시설 현장과 하수 종말처리장 같은 환경 기초시설로부터 발생하는 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 장치 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이오 필터 시스템은 VOC 부하 완충장치부, VOC 함유 오염공기의 이송부, 바이오 필터부, 및 상기 바이오 필터부에 pH와 영향분을 조절하기 위한 저장부를 포함한다. 본 발명에 따른 장치 시스템에 의해 각종 산업시설 현장과 환경기초시설로부터 발생하는 악취 및 VOC를 효과적으로 제어할 수 있으며, 고농도의 VOC 규제물질이 불연속적으로 배출되는 저장시설 및 생산공정에서도 효과적으로 VOC를 제거할 수 있다.
Description
본 발명은 유입부하 완충장치가 장착된 휘발성 유기화합물 제거용 바이오 필터 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 석유화학공장, 정유공장, 도장공장 등 각종 산업시설 현장과 하수 종말처리장 같은 환경 기초시설로부터 발생되는 고농도의 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자이렌, 스티렌 등의 휘발성 유기화합물을 생물학적으로 제거하기 위한 장치 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, 이하 VOC)은 석유화학공장, 정유공장, 도료공장 등 다양한 산업현장에서 발생되며, 증기압이 높아 대기중으로 쉽게 증발되고 대기중에서 질소산화물들과 광화학 반응을 일으켜 광화학 스모그를 유발시키는 물질로서, 대기중의 오존층을 파괴하고 인체에 매우 유해한 물질이다. 이러한 VOC에 대한 규제는 미국에서 1963년 대기 정화법이 발효되면서 세계 최초로 시작되어 주로 미국, 일본, 유럽 등 선진국을 중심으로 실시되어 왔으며, 국내의 경우도 1995년 악취물질과 VOC 배출시설 규제를 시작으로 하여 현재는 VOC 규제물질을 선정하여 더욱 배출규제를 강화하고 있는 추세이다.
악취 및 VOC를 제거하기 위해 다양한 방법들이 연구 및 실시되어 왔다. 종래에는 활성탄 흡착, 냉각응축, 촉매연소, 직연소, 약액세정법 등 다양한 종류의 물리·화학적 방법이 주로 사용되어 왔으나 과도한 운전비용, 화재 등의 위험성 및 2차 오염물질의 발생우려 등의 단점을 갖고 있다. 따라서 최근에는 이러한 단점들을 해결하기 위한 수단으로 환경친화적 기술인 바이오 필터 기술이 개발되어 보급되고있으며 점차 기술의 적용처가 넓어지고 있다.
예를 들면, 미국특허 제5,869,323호에는 오염된 공기가 통과하는 하나 이상의 바이오 반응기층(bioreactor bed)을 포함하는 공기정화용 바이오 필터장치가 개시되어 있고, 미국특허 제5,891,711호에는 각층에 생물학적으로 활성인 매체를 고정시킨 다층 바이오 필터를 포함하며 상기 바이오 필터는 복수개의 홀(hole)을 갖는 다공성 지지판을 두어 상기 매체는 통과시키지 않으면서 오염 유체를 다층 바이오 필터를 통해 정화시키는 VOC 제거용 미생물 장치가 기재되어 있다.
또한, 국내특허번호 제267632호에는 일차적으로 악취와 전반적인 휘발성 물질을 90% 이상 처리할 목적으로 활성탄과 같은 완충장치로 농도를 낮추고 냉각 또는 가열시스템, 가습장치에 의하여 악취 및 휘발성 물질을 전처리하고, 전처리된 악취 및 휘발성 물질을 지속적으로 공급하기 위해 압력차를 이용한 팬을 이용하며, 미생물 담체를 포함하는 생물학적 필터내를 통과시켜 악취 및 휘발성 물질을 제거하는 방법이 기재되어 있으나, 장치에 대한 언급이 없다.
또한, 국내특허공개번호 제98-82118호에는 워터-재킷이 형성된 반응기와 소정량의 미생물이 막을 형성하면서 부착된 폴-링들을 포함하는 휘발성 유기화합물 제거장치가 기재되어 있고, 국내특허공개번호 제2000-60699호에는 분해탱크 내에 망, 다공성 물질, 카본필터 및 미생물이 배양된 용액을 하방으로 분사하는 노즐을 포함하는 악취 및 VOC 제거장치가 기재되어 있으며, 이와 같이 미생물 배양액을 담체층위에서 하방으로 분사하는 노즐을 포함하는 바이오 필터 장치가 국내특허공개번호 제2000-12740호에도 기재되어 있다.
그러나 상기 종래의 바이오 필터 기술은 다음과 같은 문제로 인하여 그 적용에 아직 많은 제약을 갖고 있는 실정이다.
첫째로, 미생물은 유입되는 VOC를 탄소원으로 사용하여 호흡 및 세포증식을 하는데, 시간이 지나면서 미생물의 과성장으로 인한 담체와 담체 사이의 공기 흐름통로를 제한하여 압력손실 및 공기의 편류현상을 유발시켜 VOC 처리효율을 저하시킨다. 두번째로, 종래 대부분의 바이오 필터는 유입공기의 흐름이 일정하고 유입되는 VOC의 농도가 어느 수준이하에서 일정하게 유지되는 상황하에서만 적용이 가능하기 때문에, VOC 규제물질의 저장시설 운전시와 같이 저장시설 내용물의 입고와 출하가 반복되어 불연속적으로 고농도의 VOC가 배출되는 상황하에서는 바이오 필터의 적용이 불가능한 경우가 많았다. 미생물에 의해 VOC가 처리되기 위해서는 유입 VOC의 농도에 따라 10초에서 수분까지의 시간이 필요한데, 저장시설 내용물 입고시에 발생되는 고농도의 VOC를 처리하기 위해서는 그에 상응하는 만큼의 큰 규모로 바이오 필터가 제작되어야 하며, 반대로 저장탱크의 내용물이 충진된 후 다음번 입고시까지의 시간까지는 VOC의 배출이 상대적으로 매우 적은 양 발생하여 이 때는 필요 이상으로 크게 제작된 바이오 필터에 빈부하현상을 초래하여 미생물의 생리적 활성도를 저하시킨다. 이러한 이유로 고부하시를 고려하여 대규모로 바이오 필터를 제작할 경우 투자비용 문제, 공장의 설치부지 문제 등이 발생하고, 빈부하시를 고려해서 작은 규모로 바이오 필터를 제작할 경우 입고시의 고부하 VOC를 처리하지 못하고 배출해야 하는 문제에 부딪히게 된다. 이를 보완하기 위해 VOC를 전처리시키는 단계를 거치는 방법도 발견되었으나 그 효과가 미비한 문제가 있다.
따라서, 각종 산업현장에서 바이오 필터의 적용범위를 넓히기 위해서는 상기의 2가지의 문제를 해결하는 것이 시급하다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 본 발명자들은 불연속적으로 고농도의 VOC가 배출되는 상황하에서도 용이하게 적용할 수 있고, 미생물 성장을 위한 표면적을 최대화하고 공기의 흐름을 원활할 수 있도록 특별한 구조를 갖는 다공성의 담체 및 물리적으로 담체를 유동시킬 수 있는 장치를 이용하여 미생물 성장의 공간적 불균형에 의한 유입 오염공기의 편류현상을 방지함으로써 VOC의 처리효율을 극대화시키는 방법을 개발하였으며, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 불연속적으로 고농도의 VOC가 배출되는 상황하에서도 용이하게 적용할 수 있고, 또한 미생물의 과성장으로 인한 압력손실 및 공기의 편류현상에 따른 VOC 처리효율의 저하를 방지하고 장기간의 운전에서도 안정적인 처리효율을 얻을 수 있는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물(VOC) 제거용 바이오 필터 시스템은 a) 다공성 담체층의 하부에 설치된 고농도의 VOC 함유 오염공기의 유입구, 완충용매의 저장조, 상기 완충용매의 저장조와 연결되고 담체층 상부로 상기 완충용액을 분사시키기 위한 스프레이 노즐이 설치된 순환장치, 하부로 유입된 상기 오염공기와 상부로부터 분사된 상기 완충용매를 접촉시켜 VOC를 물리적으로 이동시킴으로써 바이오 필터부에서 처리할 수 있는 농도범위로 상기 유입공기를 완충시키기 위한 다공성 담체층, 상기 완충된 오염공기를 후단 공정으로 배출시키기 위한 완충된 오염공기의 배출구를 포함하는 VOC 부하 완충장치부; b) VOC 발생원으로부터 오염공기를 상기 완충장치부로 유입시키고 상기 완충된 오염공기를 후단의 바이오 필터부로 이송시키기 위한 오염공기의 이송부; c) 다공성 미생물 담체층의 하부에 설치된 상기 이송된 완충 오염공기의 유입구, 배지액 저장조, 상기 배지액 저장조와 연결되어 순환펌프에 의하여 상기 배지액을 2 방향으로 공급하되, 한 방향은 담체층 상부에 설치된 스프레이 노즐을 통하여 바이오 필터에 공급되고 다른 한 방향은 담체층 하부에 설치된 스프레이 노즐을 통하여 상기 배지액 상으로 공급되어 순환되도록 구성된 배지액 순환장치, 및 유입된 완충 오염공기의 편류현상 및 압력손실을 방지하기 위하여 가압공기 및 가압수 분사장치가 설치된, 상기 VOC 제거용 미생물이 서식하고 있는 다공성 미생물 담체층을 포함하는 바이오 필터부; 및 d) 상기 배지액 저장조와 연결되어 상기 배지액의 pH를 조절하고 영양분을 제공하기 위한 저장부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 VOC 부하 완충장치 및 바이오 필터부를 포함하는 바이오 필터 시스템의 개략도이며,
도 2a는 본 발명에 따른 1단의 VOC 부하 완충장치의 개략도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 2단의 VOC 부하 완충장치의 개략도이며,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 가압공기/가압수 분사장치와 배지액 순환장치를 포함하는 바이오 필터부의 개략도이고,
도 4는 본 발명에 따른 바이오 필터 시스템에 의해 스티렌모노머 저장탱크로부터 불연속적으로 발생하는 스티렌모노머의 완충 및 제거효율을 나타낸 그래프이며,
도 5는 본 발명에 따른 바이오 필터 시스템에 의해 톨루엔 저장탱크로부터 불연속적으로 발생하는 톨루엔의 완충 및 제거효율을 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명에 따른 바이오 필터 시스템에 의해 파라자일렌 저장탱크로부터 불연속적으로 발생하는 자일렌의 완충 및 제거효율을 나타낸 그래프이며,
도 7은 본 발명에 따른 바이오 필터 시스템에 의해 메틸에틸케톤 저장탱크로부터 불연속적으로 발생하는 메틸에틸케톤의 완충 및 제거효율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 바이오 필터 시스템에 의해 벤젠 저장탱크로부터 불연속적으로 발생하는 벤젠의 완충 및 제거효율을 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1: VOC 함유 오염공기 유입구,2: VOC 부하 완충장치 본체
3: 접촉담체,4: 완충용매 저장조
5: 완충용매 순환펌프,6: 완충용매 스프레이 노즐
7: 송풍기,8: 바이오 필터 본체
9: 배지액 저장조,10: 하부 배지액 스프레이 노즐
11: 배지액 순환펌프,12: 미생물 담체
13: 상부 배지액 스프레이 노즐,14: 정화된 공기의 배출구
15: 정량펌프,16: 고농도 영양분 저장조
17: pH 조절용액 저장조,18: 송풍기
19: 온도조절장치(temperature indicator controller, TIC),
20: 스팀,21: 컨트롤 밸브(control valve)
22: 컴프레셔(compressor),23: 가압공기 및 가압수 분사장치
24: 타이머(timer) 및 솔레노이드 밸브(solenoid valve)
25: 가압공기 및 가압수 분사노즐,26: 패킹층(packing layer)
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 설명한다.
도 1은 불연속적으로 발생하는 고농도 VOC를 낮은 농도로 연속 발생시키는 VOC 부하 완충장치가 전단에 설치된 본 발명의 바이오 필터 시스템의 일 구체예를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 상기 VOC 부하 완충장치의 구체예를 도시한 도면이다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바이오 필터 시스템에서 VOC 부하 완충장치부(2)는 다공성 담체층의 하부에 설치된 고농도의 VOC 함유 오염공기유입구(1), 다공성 담체층(3), 완충용매 저장조(4), 순환펌프(5)와 완충용매의 스프레이 노즐(6)이 설치된 완충용액 순환장치 및 상부에 설치된 오염공기의 배출구를 포함한다.
일반적으로, VOC 저장탱크와 같은 저장시설은 VOC의 입고와 출하에 따라 VOC가 불연속적으로 발생하게 되며, 또한 VOC 발생량도 입고시와 출하시에 극단적으로 달라지게 된다. 상기 VOC 부하 완충장치는, 입고시 저장탱크 상부로부터 고농도로 배출되는 VOC를 특수 개발된 고비점 완충용매를 이용해 흡수해 두었다가 VOC 발생량이 적은, 차후의 입고시까지 바이오 필터에 의하여 처리 가능한 일정 농도 범위인 1000ppm 미만으로 유지하여 보내는 역할을 한다. 저장조의 완충용매는 순환펌프(5)에 의하여 순환되는데, 상기 완충용매에 흡수된 VOC는 상부 노즐을 통해 분사된 완충용매가 담체층을 통과하는 동안 유입공기와 접촉하면서 다시 기체화되어 유입공기와 함께 바이오 필터로 유입된다. 즉, 다공성 담체층에서 VOC를 포함하는 유입공기와 순환장치에 의해 순환되는 완충용매가 접촉하면서 유입공기 중의 VOC 농도에 따라 유입공기에서 완충용매로 또는 완충용매에서 유입공기로 VOC의 물리적 이동이 발생하도록 하는 것이다.
상기 VOC 부하 완충장치부의 담체층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘이상의 물질로 제조된 다공성 구조를 갖는다. 또한, 유입공기와 접촉하는 담체층의 크기는 완충용매의 용적량의 10∼50% 범위의 크기를 갖는다. 상기 용적량의 10% 미만인 경우에는 액가스비(L/㎥)가 너무 작아 흡수효율이 저하되는 문제가 있으며, 50%를 초과하면 적정액가스비 이상으로 담체층의 크기가 커지는 문제가 있다.
또한, 본 발명에서 완충용매는 유입되는 VOC의 특성에 따라 지용성 VOC 완충용매 및 수용성 VOC 완충용매를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 지용성 완충용매는 무색, 무취의 액체이고, 오존층을 파괴하는 성분이 없으며, 0.8∼0.9g/㎤의 비중, 270∼320℃의 끓는점, 110∼140℃의 발화점 및 방향족 성분의 함량이 0.5% 미만인 탈방향족 용매로 탄소수 14∼15의 파라핀(paraffin)계 및 납센(Naphthene)계 탄화수소로 구성되거나, 0.76∼1.00g/㎤의 비중, 0.65∼10,000cSt(25℃)의 점도, -75∼-40℃의 유동점, 20.0∼25.5dyne/cm의 표면장력을 갖는 실리콘 오일로 구성되어 있다. 또한 상기 파라핀계 및 납센계 탄화수소는 파라핀계 60∼70% 및 납센계 30∼40%로 되어 있다. 또한, 완충용매는 VOC의 종류에 따라 특정범위의 완충능력 상수 k값을 가지며, 이러한 완충용매의 완충능력을 보여주는 상수 k값은, 밀폐된 용기에서 완충용매에 VOC를 흡수시킨 후 상온에서 평형상태에 도달하였을 때 완충용매중 VOC의 액상농도와 헤드스페이스에서의 VOC 기상농도의 비로 측정되며, 즉 k값은 「기상농도(mg/Nm3)/액상농도(mg/L)」이다. VOC 물질에 따라 완충용매의 완충능력은 달라지며, k값이 작을수록 상기 완충용매에 의한 완충효과가 뛰어남을 의미한다. 예를 들어 구체적으로 살펴보면, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠 및 스티렌모노머 등의 단일 벤젠고리 화합물에 대하여 지용성 완충용매의 완충능력 상수(k)는 0.005∼0.6 범위의 값을 갖는다.
또한, 수용성 완충용매는 물을 주성분으로 하며, 물에 프로필렌글리콜, 점도증강제 및 동결방지제 등이 추가로 첨가될 수 있다. 구체적으로 수용성 VOC인 메탄올 및 메틸에틸케톤에 대한 수용성 완충용매의 완충능력 상수(k)는 0.001∼0.1 범위의 값을 갖는다.
또한 도 2a 및 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 완충장치는 유입공기중의 VOC 농도 및 발생주기에 따라 바이오 필터로 유입시키기 위한 적정 농도를 유지하기 위하여 2단 또는 그 이상의 다단으로 설계될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 다공성 담체층 내에 설치된 가압공기/가압수 분사장치 및 배지액 순환장치를 포함하는 본 발명의 바이오 필터부의 구체예를 도시한 개략도이다. 도 1 및 도 3a를 참조하면, 본 발명에 따른 담체가 충전된 바이오 필터 시스템에는 전단에 폐가스 중 VOC 농도를 일정하게 유지시켜 주는 VOC 부하 완충장치가 설치되어 있으며 VOC 발생원으로부터 오염공기를 상기 바이오 필터부로 이송시키기 위한 송풍기(7)를 포함하는 이송부, VOC 제거용 미생물이 서식하고 있는 다공성의 미생물 담체층(12), 상기 미생물 담체층에 영양분과 수분을 공급하기 위한 배지액 저장조(9)와 순환장치, 및 바이오 필터의 미생물 담체층에 과도하게 성정한 미생물을 탈리시키고 미생물의 공간적 균등한 성장을 유도하여 유입공기의 편류현상을 막기 위한 가압공기/가압수 분사장치(25), 상기 바이오 필터의 배지액 저장조에 고농도의 영양분을 일정량씩 공급하기 위한 영양분 저장조(16), 산도를 조정하기 위해 산·알카리 영양분을 저장하는 pH 조절용액 저장조(17) 등으로 구성되어 있다.
한편, 동절기에 적정온도를 유지하기 위한 온도조절장치(19), 상기 바이오 필터의 배지액 저장조의 수위를 일정하기 유지하기 위한 수위조절장치(도시되지 않음) 및 상기 바이오 필터를 통해 정화된 배기가스 중의 습기를 제거하기 위해 배출구 전에 설치된 데미스터(도시되지 않음) 등을 선택적으로 추가할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 필터부의 본체(8)는 스테인레스 스틸 또는 FRP로 제작될 수 있으며, 하부의 배지액 저장조(9)의 크기는 미생물 담체층(12) 체적의 10∼30% 범위에서 결정된다. 배지액 저장조의 배지액은 순환펌프(11)를 이용하여 두 방향으로 순환되는데, 한 방향은 하부 배지액 스프레이 노즐(10)을 통하여 배지액 저장조의 배지액 상으로 공급되어 순환되도록 구성되며, 배지액이 분사되는 면적은 저장조의 전체 수면 면적과 동일하며, 상시적으로 순환된다. 배지액을 순환시키는 목적은 유입되는 오염공기와 배지액을 접촉시킴으로써 일차로 배지액에 용해된 오염물질을 배지액 저장조에서 미생물에 의해 직접 분해되도록 하기 위함이며, 이때 오염공기와 배지액의 원활한 접촉을 위하여 도 3b와 같이, 하부 배지액 스프레이 노즐(10) 하부에 직경 및 높이가 각각 0.5∼2.0인치인 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 재질로 제조된 다공성 구조의 원기둥형 폴링(pall ring)으로 채워진 패킹층(26)을 설치할 수 있다.
다른 한 방향은 상부 배지액 스프레이 노즐(13)을 통해 담체층에 분사된다. 상부 노즐을 통한 분사는 담체층에 서식하는 VOC 제거 미생물에 질소와 인의 영양분 및 수분을 공급하기 위해서이다. 상기 배지액 순환장치 내의 스프레이 노즐은 솔레노이드 밸브(solenoid valve)(24)를 이용하여 조절가능한 시간간격에 따라 작동된다.
또한, 배지액 저장조(9)에는 온도계, pH 미터와 pH 조절기 등이 장착될 수있는데, pH 조절용액 저장조(17) 및 고농도 영양배지 저장조(16)로부터 정량펌프(15)에 의해 pH 조절을 위한 산·알칼리 및 영양분을 공급받는다.
상기 바이오 필터부의 미생물 담체층은 유입된 VOC를 효과적으로 제거할 수 있는 미생물이 서식하는 곳으로서, 바이오 필터부의 미생물 담체층은 폴리에테르, 폴리에스테르 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 재질의 다공성 담체에 슈도모나스, 에어로박터, 바실러스, 마이크로박테르움, 및 아스로박터 속으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택된 미생물을 상기 담체층에 고착시켜 제조된다. 상기 미생물 담체층은 한 층의 높이가 0.5∼2m의 범위이며, VOC 유입 부하량에 따라 2층 또는 그 이상의 층으로 설치될 수 있다.
또한 상기 미생물 담체층 내부에 설치된 가압공기 및 가압수 분사장치(23)는 담체층의 하부에 설치되어 상방향을 향하는 분사노즐(25)에 의해 상부로 가압공기와 가압수를 분사함으로써 미생물 담체층을 흔들어 재배열하여 과도하게 성장한 미생물의 성장에 의한 유입공기의 편류현상 및 압력손실을 방지할 수 있다. 상기 바이오필터부는 이러한 분사장치를 제어하기 위한 제어기, 컴프레서(22)를 포함할 수 있는데, 유입공기 도입부의 압력손실이 설정된 값, 예를 들면 200mmH2O에 도달하였을 때 자동으로 가압공기 및 가압수를 분사하도록 조절된다.
한편, 상기 바이오 필터부의 적절한 미생물 활성을 유지하기 위하여 미생물 생육에 최적인 온도를 유지해 줄 필요가 있는데, 이를 위해 동절기에도 담체층의 온도를 20℃ 이상으로 유지하기 위한 온도조절장치(19)가 배지액 저장조 하부에 위치되며, 열원으로 스팀 및 전기를 이용할 수 있다.
또한 배지액 저장조에 존재하는 미생물에 의한 유기물 분해를 돕기 위해 송풍기(ring blower)(18)를 통하여 배지액 저장조 하부에 공기를 공급하는데, 이것은 배지액 저장조가 폭기조로 작용하도록 설계한 것이다.
하기 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 이는 오직 본 발명을 보다 자세히 설명하기 위한 것을 목적으로 하며 이에 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
- 스티렌모노머 저장탱크로부터 불연속적으로 발생하는 스티렌모노머의 완충 및 제거효과
본 발명에 따른 VOC 부하 완충장치부 및 바이오 필터부를 포함하는 바이오 필터 시스템을 하기 표 1과 같은 운전조건하에서 운전하여 스티렌모노머의 완충 및 처리효과를 분석한 결과를 도 4에 나타내었다.
| 항목 | 수치 | 단위 |
| 용량 | 6,615 | ㎥ |
| 월 물동량 | 30,000 | ㎥/월 |
| SM 입고횟수 | 11 | 회/월 |
| SM 입고주기 | 2.73 | 일 |
| 1회 입고시 물량 | 2,800 | ㎥ |
| 입고시간 | 11.2 | hr |
| 입고속도 | 5.0 | ㎥/min |
| SM 입고시 배출농도 | 6,580 | ppm |
상기 표 1과 같은 운전조건하에서 송풍기를 이용해 10㎥/min의 속도로 흡입할 경우, 스티렌모노머 입고시 VOC 부하 완충장치로 유입되는 스티렌모노머의 농도는 약 3,290ppm(18℃ 기준)이며 차후의 입고시까지는 0 ppm이었다. 상기와 같이 불연속적으로 유입되는 고농도의 스티렌모노머는 각각 2㎥의 완충용매(지용성 완충용매 Qvesol-O(큐바이오텍(주) 제품)) 용량의 2단 완충장치에 의해 700ppm 미만의 농도로 전환되었으며, 외부공기와 희석되어 500ppm의 농도로 바이오 필터에 유입되었다. 이와 같은 완충장치에 의해 충격부하를 완충시켜 줌으로써, 작은 규모의 바이오 필터로도 95% 이상의 안정적인 처리효율을 얻을 수 있었다. 또한, 상기 완충장치로 인해 상기 조건의 스티렌모노머를 처리하기 위해서는 미생물 담체층의 크기가 14㎥인 바이오 필터로 처리가 가능하였다.
비교예 1
완충장치를 포함하지 않은 바이오 필터 시스템을 이용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 실시한 결과, 스티렌모노머 입고시의 VOC를 처리하기 위해 상기 실시예 1의 약 5배 크기인 미생물 담체층 70㎥ 규모의 바이오 필터가 필요하게 되었다.
실시예 2
- 톨루엔 저장탱크로부터 불연속적으로 발생하는 톨루엔의 완충 및 제거효과
본 발명에 따른 VOC 부하 완충장치부 및 바이오 필터부를 포함하는 바이오 필터 시스템을 하기 표 2와 같은 운전조건하에서 운전하여 톨루엔의 완충 및 처리효과를 분석한 결과를 도 5에 나타내었다.
| 항목 | 수치 | 단위 |
| 용량 | 2,000 | ㎥ |
| 일 물동량 | 1,600 | ㎥/일 |
| 톨루엔 입고횟수 | 2 | 회/주 |
| 톨루엔 입고주기 | 3.5 | 일 |
| 1회 입고시 물량 | 1,600 | ㎥ |
| 입고시간 | 6.4 | hr |
| 입고속도 | 4.2 | ㎥/min |
| 톨루엔 입고시 배출농도 | 28,060 | ppm |
상기 표 2와 같은 운전조건하에서 송풍기를 이용해 4.5㎥/min의 속도로 흡입할 경우, 톨루엔 입고시 VOC 부하 완충장치로 유입되는 톨루엔의 농도는 약 26,190ppm(19.3℃ 기준)이며 다음의 입고시까지는 0 ppm이다. 상기와 같이 불연속적으로 유입되는 고농도의 톨루엔은 각각 2㎥의 완충용매(지용성 완충용매 Qvesol-O(큐바이오텍(주) 제품)) 용량의 2단 완충장치에 의해 2,400ppm 미만의 농도로 전환되었으며, 외부공기와 희석되어 500ppm의 농도로 바이오 필터에 유입되었다. 이러한 완충장치에 의해 충격부하를 완충시켜 작은 규모의 바이오 필터로도 95% 이상의 안정적인 처리효율을 얻을 수 있다. 또한 미생물 담체층의 크기는 11㎥인 바이오 필터로 처리되었다.
비교예 2
완충장치를 포함하지 않은 바이오 필터 시스템을 이용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 실시한 결과, 톨루엔 입고시의 VOC를 처리하기 위해 상기 실시예 2의 약 10배 이상의 크기인 미생물 담체층 120㎥ 규모의 바이오 필터가 필요하게 되었다.
실시예 3
- 파라자일렌 저장탱크로부터 불연속적으로 발생하는 파라자일렌의 완충 및 제거효과
본 발명에 따른 VOC 부하 완충장치부 및 바이오 필터부를 포함하는 바이오 필터 시스템을 하기 표 3과 같은 운전조건하에서 운전하여 파라자일렌의 완충 및 처리효과를 분석한 결과를 도 6에 나타내었다.
| 항목 | 수치 | 단위 |
| 용량 | 1,800 | ㎥ |
| 일 물동량 | 1,000 | ㎥/일 |
| p-X 입고횟수 | 1 | 회/일 |
| p-X 입고주기 | 1 | 일 |
| 1회 입고시 물량 | 1,000 | ㎥ |
| 입고시간 | 6.7 | hr |
| 입고속도 | 2.5 | ㎥/min |
| p-X 입고시 배출농도 | 7,890 | ppm |
상기 표 3과 같은 운전조건하에서 송풍기를 이용해 3㎥/min의 속도로 흡입할 경우 파라자일렌 입고시 VOC 부하 완충장치로 유입되는 파라자일렌의 농도는 약 6,580ppm(17.8℃ 기준)이며 다음의 입고시까지는 0 ppm이다. 상기와 같이 불연속적으로 유입되는 고농도의 파라자일렌은 각각 2㎥의 완충용매(지용성 완충용매 Qvesol-O(큐바이오텍(주) 제품)) 용량의 2단 완충장치에 의해 1,800ppm 미만의 농도로 전환되었으며, 외부공기와 희석되어 500ppm의 농도로 바이오 필터에 유입되었다. 이러한 완충장치에 의해 충격부하를 완충시켜 작은 규모의 바이오필터로도 95% 이상의 안정적인 처리효율을 얻을 수 있었다. 또한, 미생물 담체층의 크기는 6㎥인바이오 필터로 처리가 가능하였다.
비교예 3
완충장치를 포함하지 않은 바이오 필터 시스템을 이용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 실시한 결과, 파라자일렌 입고시의 VOC를 처리하기 위해 상기 실시예 3의 약 6배 이상의 크기인 미생물 담체층 20㎥ 규모의 바이오 필터가 필요하게 되었다.
실시예 4
- 메틸에틸케톤 저장탱크로부터 불연속적으로 발생하는 메틸에틸케톤의 완충 및 제거효과
본 발명에 따른 VOC 부하 완충장치부 및 바이오 필터부를 포함하는 바이오 필터 시스템을 하기 표 4와 같은 운전조건하에서 운전하여 메틸에틸케톤의 완충 및 처리효과를 분석한 결과를 도 7에 나타내었다.
| 항목 | 수치 | 단위 |
| 용량 | 500 | ㎥ |
| 메틸에틸케톤 입고횟수 | 2 | 회/주 |
| 메틸에틸케톤 입고주기 | 3.5 | 일 |
| 1회 입고시 물량 | 400 | ㎥ |
| 입고시간 | 2.0 | hr |
| 입고속도 | 3.3 | ㎥/min |
| 메틸에틸케톤 입고시 배출농도 | 83,700 | ppm |
상기 표 4와 같은 운전조건하에서 송풍기를 이용해 3.5㎥/min의 속도로 흡입할 경우 메틸에틸케톤 입고시 VOC 부하 완충장치로 유입되는 메틸에틸케톤의 농도는 약 78,920ppm(15℃ 기준)이며 다음의 입고시까지는 0 ppm이다. 상기와 같이 불연속적으로 유입되는 고농도의 메틸에틸케톤은 각각 2㎥의 완충용매(수용성 완충용매 Qvesol-W(큐바이오텍(주) 제품)) 용량의 2단 완충장치에 의해 2,500ppm 미만의 농도로 전환되었으며, 외부공기와 희석되어 500ppm의 농도로 바이오 필터에 유입되었다. 이러한 완충장치에 의해 충격부하를 완충시켜 작은 규모의 바이오필터로도 95% 이상의 안정적인 처리효율을 얻을 수 있었다. 또한, 미생물 담체층의 크기는 15㎥인 바이오 필터로 처리가 가능하였다.
비교예 4
완충장치를 포함하지 않은 바이오 필터 시스템을 이용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 실시한 결과, 메틸에틸케톤 입고시의 VOC를 처리하기 위해 상기 실시예 4의 약 10배 이상의 크기인 미생물 담체층 150㎥ 규모의 바이오 필터가 필요하게 되었다.
실시예 5
- 벤젠 저장탱크로부터 불연속적으로 발생하는 벤젠의 완충 및 제거효과
본 발명에 따른 VOC 부하 완충장치부 및 바이오 필터부를 포함하는 바이오 필터 시스템을 하기 표 5와 같은 운전조건하에서 운전하여 벤젠의 완충 및 처리효과를 분석한 결과를 도 8에 나타내었다.
| 항목 | 수치 | 단위 |
| 용량 | 2,700 | ㎥ |
| 벤젠 입고횟수 | 0.5 | 회/일 |
| 벤젠 입고주기 | 2 | 일 |
| 1회 입고시 물량 | 480 | ㎥ |
| 입고시간 | 2.4 | hr |
| 입고속도 | 3.5 | ㎥/min |
| 벤젠 입고시 배출농도 | 26,320 | ppm |
상기 표 5와 같은 운전조건하에서 송풍기를 이용해 10㎥/min의 속도로 흡입할 경우 벤젠 입고시 VOC 부하 완충장치로 유입되는 벤젠의 농도는 약 9,210ppm (32℃ 기준, 벤젠 탱크는 내부 부상형 지붕탱크(IFRT: Internal floating roof tank))이며 다음의 입고시까지는 0 ppm이다. 상기와 같이 불연속적으로 유입되는 고농도의 벤젠은 각각 15㎥의 완충용매(지용성 완충용매 Qvesol-O(큐바이오텍(주) 제품)) 용량의 2단 완충장치에 의해 700ppm 미만의 농도로 전환되었으며, 외부공기와 희석되어 500ppm의 농도로 바이오 필터에 유입되었다. 이러한 완충장치에 의해 충격부하를 완충시켜 작은 규모의 바이오필터로도 95% 이상의 안정적인 처리효율을 얻을 수 있었다. 또한, 미생물 담체층의 크기는 20㎥인 바이오 필터로 처리가 가능하였다.
비교예 5
완충장치를 포함하지 않은 바이오 필터 시스템을 이용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 실시한 결과, 벤젠 입고시의 VOC를 처리하기 위해 상기 실시예 5의 약 7배 이상의 크기인 미생물 담체층 150㎥ 규모의 바이오 필터가 필요하게 되었다.
상기 실시예 및 비교예를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 VOC부하 완충장치가 장착된 바이오 필터 시스템에 의해, VOC의 발생이 불연속적으로 일어나고 발생농도의 변화가 매우 심한 환경에서도 작은 규모의 바이오 필터로 안정적인 VOC 처리가 가능함이 확인되었다. 종래의 바이오 필터는 1000ppm 이하의 일정한 농도범위에서 VOC의 발생이 연속적으로 일어나는 비교적 안정적인 환경하에서만 적용이 가능하거나 유효한 효과를 나타내는 반면, 본 발명에 따른 바이오 필터 시스템은 VOC 부하 완충장치로 인해 VOC의 농도를 일정한 농도범위로 효율적으로 맞추어 주기 때문에 열악한 배출 환경하에서도 미생물의 안정적인 활성도 유지 및 작은 규모로의 설계가 가능하다. 또한 본 바이오 필터는 담체하부에 설치된 가압공기 및 가압수 분사장치에 의해 장기간의 운전에도 안정적인 처리효율을 얻을 수 있다.
Claims (19)
- a) 다공성 담체층의 하부에 설치된 고농도의 VOC 함유 오염공기의 유입구, 완충용매의 저장조, 상기 완충용매의 저장조와 연결되고 담체층 상부로 상기 완충용액을 분사시키기 위한 스프레이 노즐이 설치된 순환장치, 하부로 유입된 상기 오염공기와 상부로부터 분사된 상기 완충용매를 접촉시켜 VOC를 물리적으로 이동시킴으로써 바이오 필터부에서 처리할 수 있는 농도범위로 상기 유입공기를 완충시키기 위한 다공성 담체층, 상기 완충된 오염공기를 후단 공정으로 배출시키기 위한 완충된 오염공기의 배출구를 포함하는 VOC 부하 완충장치부;b) VOC 발생원으로부터 오염공기를 상기 완충장치부로 유입시키고 상기 완충된 오염공기를 후단의 바이오 필터부로 이송시키기 위한 오염공기의 이송부;c) 다공성 미생물 담체층의 하부에 설치된 상기 이송된 완충 오염공기의 유입구, 배지액 저장조, 상기 배지액 저장조와 연결되어 순환펌프에 의하여 상기 배지액을 2 방향으로 공급하되, 한 방향은 담체층 상부에 설치된 스프레이 노즐을 통하여 바이오 필터에 공급되고 다른 한 방향은 담체층 하부에 설치된 스프레이 노즐을 통하여 상기 배지액 상으로 공급되어 순환되도록 구성된 배지액 순환장치, 및 유입된 완충 오염공기의 편류현상 및 압력손실을 방지하기 위하여 가압공기 및 가압수 분사장치가 설치된, 상기 VOC 제거용 미생물이 서식하고 있는 다공성 미생물 담체층을 포함하는 바이오 필터부; 및d) 상기 배지액 저장조와 연결되어 상기 배지액의 pH를 조절하고 영양분을제공하기 위한 저장부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 동절기에 상기 미생물 담체층의 온도를 미생물의 생육에 적합하도록 유지시키기 위하여 상기 배지액 저장조의 온도를 조절하는 온도조절장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 온도조절장치의 열원이 스팀 또는 전기인 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배지액 저장조에 존재하는 미생물에 의한 VOC 분해를 돕기 위해 배지액 저장조 하부에 공기를 공급하여, 배지액 저장조가 폭기조로 작용하도록 하는 송풍기를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 VOC 부하 완충장치부의 담체층이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질로 제조된 것임을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배지액 순환장치 중 담체층 하부 배지액 스프레이 노즐에 의해 분사되는 배지액의 분사범위는 저장조 표면의 모든 영역이며, 유입된 오염공기와 분사되는 배지액의 접촉면적을 최대로 하기 위해 노즐 하부에 별도의 패킹층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 패킹층이 0.5∼2.0인치의 직경 및 높이를 갖는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 재질의 원기둥형 폴-링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 VOC 부하 완충장치부의 담체층이 2단 또는 그 이상의 다단구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 VOC 부하 완충장치부의 담체층이 상기 완충용매의 용적량의 10∼50%에 해당되는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 VOC 부하 완충장치부의 완충용매는 무색, 무취의 액체이고 오존층을 파괴하는 성분이 없고, 0.8∼0.9g/㎤의 비중, 270∼320℃의 끓는점, 110∼140℃의 발화점 및 방향족 성분의 함량이 0.5% 미만인 탄소수 14∼15의 파라핀계 및 납센계 탄화수소로 제조된 지용성 용매, 0.76∼1.00g/㎤의 비중, 0.65∼10,000cSt(25℃)의 점도, -75∼-40℃의 유동점, 20.0∼25.5dyne/cm의 표면장력을 갖는 실리콘 오일로 제조된 지용성 용매, 또는 물을 포함하는 수용성 용매를단독 또는 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 VOC 부하 완충장치부의 완충용매 중 지용성 완충용매는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠 및 스티렌모노모의 단일 벤젠고리 화합물에 대하여 0.005∼0.6의 완충능력 상수 k값을 가지며, 수용성 완충용매는 메탄올 및 메틸에틸케톤에 대하여 0.001∼0.1의 완충능력 상수 k값을 갖는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 바이오 필터부의 미생물 담체층은 폴리에테르, 폴리에스테르 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군으로부터 하나 또는 둘 이상 선택된 물질로 제조된 것임을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 바이오 필터부의 미생물 담체층에 사용된 미생물은 슈도모나스, 에어로박터, 바실러스, 마이크로박테리움, 및 아스로박터 속으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 바이오 필터부 중의 가압공기 및 가압수 분사장치는 상기 완충된 오염공기가 상기 미생물 담체의 도입부의 압력손실이 설정된 값에 도달시 자동으로 가압공기 및 가압수를 분사하도록 조절하는 제어기를 더 포함하는것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배지액 순환장치 내의 순환펌프에 의하여 배지액 상으로 순환되는 흐름이 상기 순환펌프 유입구의 반대편 배지액 상으로 공급되는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배지액 저장조가 상기 완충 오염공기 유입구의 하부에 설치되고, 상기 다공성 미생물 담체층의 체적의 10∼30%에 해당되는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배지액 순환장치 내의 스프레이 노즐이 솔레노이드 밸브에 의하여 조절가능한 시간간격에 따라 작동되는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 가압공기 및 가압수 분사장치는 상기 다공성 미생물 담체층의 하부에 위치하여 상부 방향으로 가압공기 및 가압수를 분사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 저장부는 상기 배지액 저장조 내의 배지액의 pH를 조절하기 위한 pH 조절용액 저장조 및 영양분을 제공하기 위한 고농도 영양 배지 저장조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 VOC 제거용 바이오 필터 시스템.
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