KR20050043490A

KR20050043490A - 악취 및 휘발성유기화합물 제거를 위한 바이오필터

Info

Publication number: KR20050043490A
Application number: KR1020030078402A
Authority: KR
Inventors: 이수철; 김동진; 장규진
Original assignee: 주식회사 에코비젼; 주식회사 에취켓
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2005-05-11
Also published as: KR100528358B1

Abstract

본 발명은 각종 환경기초시설 및 산업시설에서 배출되는 악취물질과 휘발성 유기화합물(VOCs)을 생물학적인 방법으로 제거하기 위한 바이오필터 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전처리장치인 바이오트리클링필터, 유량조절 이송부, 활성탄분말, 제올라이트분말이 포함된 다공성 발포 고분자 담체를 충진한 바이오필터, 산, 알카리 자동제어 공급장치 및 영양제 공급장치로 구성된 바이오 필터 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 악취물질과 휘발성 유기화합물(VOCs) 등을 효과적이고 안정적으로 제거할 수 있을 뿐 아니라 2차 오염물질이 거의 발생하지 않는 효과가 있다.

Description

악취 및 휘발성유기화합물 제거를 위한 바이오필터 {Biofilter System for Removal of Odor Gases and Volatile Organic Compounds}

발명의 분야

본 발명은 각종 환경기초시설 및 산업시설에서 배출되는 악취물질과 휘발성 유기화합물(VOCs)을 생물학적인 방법으로 제거하기 위한 바이오필터 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 오염된 가스중에 포함된 입자성오염물질을 제거하고 수용성물질을 세정하며 바이오필터 담체에 부착된 미생물의 생육에 필요한 수분을 공급하기 위한 바이오트리클링필터 형태의 전처리장치, 일차 처리된 오염가스를 병렬로 구성된 바이오필터 하부에 균등한 양으로 유입시키는 유량조절 이송부, 활성탄분말, 제올라이트분말이 포함된 다공성 발포 고분자 담체를 충진한 바이오필터, pH 조정을 위한 산과 알카리 자동제어 공급장치 및 영양제 공급장치로 구성된 바이오 필터 장치에 관한 것이다.

발명의 배경

현재의 탈취기술로는 활성탄흡착법, 약액세정법, 오존산화법, 연소탈취(소각)법 등의 물리·화학적인 처리방법과 바이오필터(biofilter), 토양미생물처리법, 포기조탈취법 등의 생물학적처리방법이 이용되고 있다. 하지만 활성탄흡착법은 정기적으로 고가의 활성탄을 교체하여야 하기 때문에 비경제적이며 약액세정법은 과다한 약품소모로 인해 운전비가 과다하게 소요되고 2차 오염물질이 발생한다. 오존산화법은 오존에 의한 산화작용을 이용하여 악취성분을 산화분해시키는 것이지만 오존 자체에 의한 은폐효과를 병용하는 탈취법으로 잔류오존의 문제를 가지고 있다.

연소탈취법은 2차 대기오염을 발생시킨다. 또한 생물학적처리방법 중 토양미생물처리법과 포기조탈취법은 전체 시스템의 압력손실이 높고 장치의 단위 면적 당 처리 가능한 폐가스의 양이 매우 적기 때문에 동력비가 많이 소요되고 넓은 부지가 필요한 단점이 있다. 따라서 초기투자비 및 운전비가 저렴하여 타 탈취방법에 비하여 매우 경제적이며 비선택적으로 다양한 악취 및 휘발성유기화합물의 처리가 용이하고, 처리 후 2차 오염물질이 거의 발생하지 않는 바이오필터 기술이 널리 이용되게 되었다.

초기 바이오필터는 주로 피트, 나무껍질, 퇴비 등의 자연물질을 담체로 사용하였으며 이들은 대부분이 초기에는 높은 물리적 흡착 및 양호한 수분 보유력으로 높은 제거율을 보이나 담체자체의 분해가 쉽게 일어나고 압밀에 의해 압력손실이 빠르게 증가하며 공기의 흐름이 담체층으로 일정하게 유입되지 않는 편류현상이 발생하고 담체의 보수 및 교체 주기가 짧은 단점이 있다.

다음으로 세라믹과 같은 무기성재료의 담체는 주로 biotrickling filter system에서 이용되는데 이는 높은 오염물질의 부하 및 입자성 오염물질의 처리 등은 용이하나 오염물질의 물에 대한 용해도가 높은 경우에 적합하며 다량의 용수 및 생물막 형성에 필요한 질소, 인, 무기염류 등의 유입이 필요로 하고 이에 따라 다량의 폐수가 발생하여 운전비가 많이 소요되고 담체의 흡착능력이 없어 빈부하시에는 미생물 활성유지에 유의하여야 하며 비중이 높아 바이오필터 설계시 하중에 신중해야 하는 단점이 있다. 따라서 단위무게당 미생물의 활성이 높고 유지관리가 용이하며 수분함유율이 높은 바이오필터용 담체의 개발을 위해 합성물질을 미생물의 특성에 맞게 물리, 화학적으로 가공한 다공성 발포 고분자 담체가 많이 이용되게 되었다.

바이오필터 기술은 담체에 부착된 미생물에 의한 분해작용을 이용하는 생물학적 탈취방법으로써 안정된 운전효율을 얻기 위해서는 우수한 담체의 선정과 함께 다음의 제어인자를 충족시키는 장치가 필요하다.

첫째, 반응기내로 유입되는 오염물질의 부하이다. 생물학적 처리공법은 미생물의 산화, 환원, biomass로의 전환 등에 의해 이루어지며 높은 오염물의 부하에서 제거율이 낮아지는 이유는 생분해에 의한 산소의 결핍과 영양원의 부족 및 pH 저하가 그 주된 이유이다. 산소의 결핍은 생물막내의 산소가 완전히 소진된 것이 아니라 생분해 속도에 비해 낮은 산소전달율을 의미하는 것이며 이는 일반적으로 바이오필터가 호기성 미생물에 의해 오염물질이 생분해되기 때문이다.

둘째, 수분함량의 조절이다. 수분함량의 조절은 바이오필터 운전제어 인자 중 가장 중요한 부분이며 실패의 가장 큰 원인이다. 바이오필터의 미생물들은 성장 및 활성에 필수적인 물을 필요로 하고 담체내의 수분함량은 기상에서 흡수되는 오염물질의 양에도 영향을 미친다. 대개의 경우는 담체표면에 물을 직접 살수하지만 이보다는 오염된 공기에 95% 이상의 상대습도를 포함할 수 있도록 장치 및 시스템을 구축하는 것이 바람직하며, 또한 많은 양의 수분을 보유할 수 있도록 함수율이 높고 쉽게 건조되지 않으며 수분에 의해 쉽게 분해되지 않고 물리, 화학, 생물학적으로 안정된 담체의 선정이 중요하다.

셋째, pH의 조절이다. 바이오필터 내에서 오염물질을 분해하는 미생물들은 고유의 최적 pH 범위를 가지고 있으며 이 범위를 벗어나면 활성이 떨어지거나 성장하지 못한다. 따라서 대부분의 바이오필터는 중성에서 운전하도록 설계되는데 이는 대부분의 미생물들이 중성의 pH에서 높은 활성과 성장속도를 나타내기 때문이다. pH를 조절하는 방법으로는 pH 조절용 완충액을 직법 담체층에 살수하는 방법과 담체층에 석회석과 같은 고형물의 완충물질을 혼합하여 충진하는 방법 등이 있는데 전자의 경우는 유지관리비가 많이 소요되고 장치가 복잡해지는 단점이 있고 후자의 경우는 완충물질(carbonate 등)의 용출에 의해 고형물이 부서짐으로써 담체층의 변형이 발생할 수도 있고 이로 인해 압력손실이 과도하게 높아지거나 담체층 자체의 보수 및 교체가 필요한 단점이 있다.

넷째, 적절한 온도의 유지이다. 미생물의 활성은 온도의 영향을 많이 받는다. 온도의 경우 5℃ 이하에서는 거의 대부분의 미생물은 성장하지 않는다. 또한 일정온도 이상에서는 효소가 단백질로 구성되어있기 때문에 변성이 일어나 deactivation되기 쉬우며 세포 구성성분 중 세포막을 구성하는 지질은 고온에서 분해되어 미생물의 활성뿐 아니라 존립에도 큰 영향을 미친다. 따라서 오염물질의 처리 시 최적의 활성을 나타내기 위한 온도의 조절은 필수적이다.

다섯째, 영양원의 공급이다. 미생물은 악취나 VOCs물질을 스스로의 에너지원이나 탄소원으로 이용하기 위해 분해한다. 하지만 질소, 인, 칼슘, 나트륨, 철 등 수많은 미량성분도 필요로 한다. 일반적으로 담체에 포함된 미량성분을 이용하기도하나 성공적인 바이오필터의 운전을 위해서는 이런 성분이 결핍되지 않도록 주기적으로 영양원을 공급해 주어야 한다. 반면 풍부한 영양원의 공급은 과도한 미생물의 성장을 유도하여 충진층의 공극을 막아 clogging을 유발할 수 있으므로 적당량의 영양원 공급이 중요하다.

마지막으로 가스의 전처리이다. 바이오필터는 미생물의 활성에 의해 효율이 좌우되므로 유입되는 오염된 가스에 독성물질을 함유하고 있거나 오염물질을 과다하게 함유한 경우에는 전처리 과정에서 제거하여야 한다. 또한 과다한 분진 등의 입자성 오염물질은 짧은 시간에도 담체가 충진된 부분에 쌓여 압력손실을 증가시키고 담체층 내부를 무산소 혹은 혐기 상태로 만들 수 있으며 미생물의 활성을 낮추는 원인이 되므로 이럴 경우 담체의 보수 및 교체가 필요하게 된다. 따라서 입자성 오염물질을 함유하는 오염물질의 경우 이를 제거하는 전처리 설비를 설치하는 것이 바람직하다.

이에 본 발명자들은 상기의 바이오필터 제어기술을 개선하기 위해 예의 노력한 결과, 오염된 가스 중에 포함된 입자성 오염물질을 제거하고 수용성물질을 세정하며 동시에 바이오필터 담체에 부착된 미생물의 생육에 필요한 수분을 공급하기 위한 바이오트리클링 필터와 활성탄분말, 제올라이트분말이 포함된 다공성 발포 고분자 담체를 충진한 바이오필터를 포함하도록 구성한 경우, 오염물의 부하변동이 크거나 입자성 오염물질 및 독성물질이 다량 유입되는 악취물질 및 휘발성 유기화합물(VOCs)을 효과적이고 안정적으로 제거할 수 있을 뿐만아니라 일반 수세정 방식이나 바이오트리클링 필터방식에서 다량으로 발생하는 폐수가 원천적으로 발생되지 않아 운전비가 적게 소요되고, 환경친화적으로 악취물질 및 휘발성 유기화합물을 제거할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

결국 본 발명의 주된 목적은 오염된 혼합가스 중에 포함된 입자성 오염물질을 제거하고 수용성물질을 세정하며 바이오필터 담체에 부착된 미생물의 생육에 필요한 수분을 공급하기 위한 바이오트리클링필터 형태의 전처리장치, 일차 처리된 오염가스를 병렬로 구성된 바이오필터 하부에 균등한 양으로 유입시키는 유량조절 이송부, 다공성 발포 고분자 담체를 충진한 바이오필터, pH 조정을 위한 산과 알카리 자동제어 공급장치 및 영양제 공급장치로 구성된 바이오필터 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 바이오필터 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성유기화합물의 제거방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 오염된 혼합가스를 바이오필터 장치 내부로 유입시키는 송풍기(1)와 이를 통해 유입되는 가스 중에 포함된 입자성 오염물질을 제거하고 수용성물질을 세정하며 바이오필터 담체에 부착된 미생물의 생육에 필요한 수분을 공급하기 위한 바이오트리클링필터(2)와 일차 처리된 오염가스를 바이오필터의 하부에 균등한 양으로 유입시키는 유량조절 이송부와 미생물이 부착된 활성탄분말, 제올라이트분말이 포함된 다공성 발포고분자 담체로 충진된 바이오필터(4)와 pH 조정을 위한 산, 알카리 및 영양제 공급탱크(6)를 함유하는 것을 특징으로 하는 바이오필터 장치를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 바이오트리클링필터(2)는 지름 10mm~100mm 정도의 폴링(pall ring)이 충진되어 있으며, 상부에는 용수 분사노즐이 설치되어 있고, 상기 분사노즐에 의해 분사되는 용수는 충진물을 따라 내려오는 과정에서 오염된 가스와 접촉하게 되어 유입되는 오염된 가스 중에 포함된 입자성 오염물질은 제거되고 수용성물질은 세정되며, 오염된 가스는 95% 이상의 상대습도를 유지하게 되고, 증발되지 않은 세정수는 계속 재순환되도록 구성되며, 증발된 양만큼의 용수는 수위조절장치(10)에 의해 보충되고, 제거된 입자성 오염물질은 하부에 위치한 경사판에 의해 침전되어 정기적으로 입자슬러지 인출밸브(12)를 통해 폐기되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바이오필터 장치는 두개 이상의 바이오필터(4)가 병렬로 장착되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 다공성 발포고분자 담체는 (a) 발포성 고분자, 알데히드계 화합물 및 물을 혼합한 다음, 활성탄분말 및/또는 제올라이트분말을 혼합하여 제1혼합물을 얻는 단계; (b) 상기 제1혼합물에 가용성 물질인 전분 및/또는 덱스트린을 혼합하여 제2혼합물을 수득하는 단계; (c) 상기 제2혼합물을 60~80℃ 로 가열하여 용융시키는 단계; (d) 상기 용융된 혼합물에 발포제와 산을 첨가하여 제3혼합물을 수득하는 단계; (e) 상기 제3혼합물을 금형에 투입하고 50~80℃ 에서 반응시켜 스폰지 폼 또는 부직포 형태의 담체를 수득하는 단계; 및 (f) 상기 수득된 스폰지 폼 또는 부직포 형태의 담체를 세척하여 전분 및/또는 덱스트린을 용출·제거하는 단계를 통해 제조된 것임을 특징으로 할 수 있고, 상기 고분자는 폴리비닐아세탈, 폴리우레탄, 폴리스틸렌 또는 폴리에틸렌인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 바이오필터 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성유기화합물의 제거방법을 제공한다.

본 발명에 따른 악취 및 휘발성유기화합물의 제거방법에 있어서, 상기 바이오필터 장치의 바이오필터(4)에 미생물 슬러지 농축액이 접종되어 있는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 바이오필터(4)를 통과하여 생성되는 산성 생성물은 바이오트리클링필터(2)의 세정수와 혼합하여 처리하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서는 실험실 규모의 검증과 함께 분뇨처리장 소화조에서 발생되는 실제 오염가스의 처리를 위한 pilot 규모의 바이오필터 장치의 운전결과를 통하여 본 바이오필터 장치의 우수성과 실용성을 검증하였다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 악취 및 휘발성유기화합물 제거를 위한 바이오필터에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1과 같이 본 발명의 구성은 크게 송풍기(1)와 이를 통해 유입되는 오염된 혼합가스중에 포함된 입자성오염물질을 제거하고 수용성물질을 세정하며 바이오필터 담체에 부착된 미생물의 생육에 필요한 수분을 공급하기 위한 바이오트리클링필터(2)와 일차 처리된 오염가스를 병렬로 구성된 바이오필터의 하부에 균등한 양으로 유입시키는 유량조절 이송부와 활성탄분말, 제올라이트분말이 포함된 다공성 발포 고분자 담체를 충진한 바이오필터(4)와 pH 조정을 위한 산과 알카리 공급탱크, 영양제 공급탱크(6) 및 관련 설비로 구성된다.

이들을 세부적으로 설명하면 다음과 같다. 강제적으로 유입된 악취, 휘발성유기화합물(VOCs), 입자성오염물질 등이 포함된 오염된 가스는 바이오트리클링필터(2)로 유입되는데 이곳에는 지름 50mm 정도의 플라스틱류, 세라믹류 등의 폴링(pall ring)이 충진되어 있고 상부에서는 노즐에 의해 용수가 분사된다. 이때 분사되는 용수는 충진물을 따라 내려오는 과정에서 오염된 가스와 접촉하게 되어 유입되는 오염된 가스중에 포함된 입자성오염물질은 제거되고 수용성물질은 세정되며 오염된 가스는 95% 이상의 상대습도를 유지하게 된다. 결국 바이오필터(4) 내부의 담체에 부착된 미생물의 생육에 필요한 수분을 공급할 뿐 아니라 담체층의 내부 공극을 막는 입자성오염물질을 제거하고 수세정을 통해 과도한 유입부하나 독성물질의 유입으로부터 미생물의 활성저해를 막을 수 있다.

용수는 온도측정장치 및 히터(9)를 통해 동계에도 15℃ 이상을 유지시킬 수 있도록 하여 동파방지 및 가습된 오염공기가 미생물에 의해 잘 분해될 수 있도록 하였다. 또한 이 과정에서 바이오필터층으로 증발되지 않은 세정수는 계속 재순환되고 수위조절장치(10)에 의해 증발된 양의 용수는 채워져서 항상 일정량을 유지하게되며 제거된 입자성오염물질은 바이오트리클링필터 하부에 위치한 경사판에 의해 침전되어 정기적으로 입자슬러지 인출밸브(12)를 통해 폐기된다.

통상적으로 바이오필터(4)로 유입되는 입자성오염물질은 담체의 막힘현상 및 편류현상을 유발하고 바이오필터 내부의 압력손실을 증가시키는 가장 큰 원인이 되며 담체의 유지보수 및 교체주기를 짧게 한다. 또한 담체 표면에 축적된 입자성오염물질은 담체 내부를 혐기성상태로 만들어 부착된 미생물의 생분해를 떨어뜨리는 주요한 요인으로 작용하기 때문에 일차적으로 입자성오염물질을 제거하는 것은 안정된 바이오필터의 운전에 있어서 필수적이다.

가습된 오염가스는 바이오필터(4) 내부에 충진된 담체(5)층을 통과하게 되는데 상기 바이오필터에 사용되는 담체(5)는 다공성의 발포 고분자로써 폴리비닐아세탈, 폴리우레탄, 폴리스틸렌 또는 폴리에틸렌 등의 스폰지폼 형태이고 발포제와 함께 활성탄분말, 제올라이트분말, 가용성물질 등을 투입하고 발포시킴으로써 활성탄분말, 제올라이트분말 등이 담체에 혼합되고 탈리현상이 발생하지 않으며 발포제에 의해 형성된 0.5mm 이상의 큰 셀, 가용성 물질에 의해 형성된 0.5mm 미만의 중간 셀, 활성탄분말, 제올라이트분말 등에 의한 미세세공이 고르게 분포하고 있으며 내부 공극율이 95%에 이르는 등 미생물이 부착할 수 있는 충분한 공간 및 비표면적을 형성한다. 따라서 담체 내부로의 물질전달율이 높아 호기성 미생물에 의한 악취 및 휘발성유기화합물의 뛰어난 생분해가 일어나는 특징이 있다.

또한 담체가 친수성을 갖고 각각의 셀이 상호 연결되어 있으며 활성탄분말, 제올라이트분말에 의한 물리적 흡착이 일어나기 때문에 외부의 급격한 반응(오염물의 충격부하)에 있어서도 미생물의 보호막 역할을 하고 내마모성 및 물리적 강도를 향상시켜 기계적 강도와 내구성이 우수하다. 이는 기존의 일반 발포성 고분자 담체가 비표면적이 작고 흡착능력이 없어 초기 미생물의 부착 및 안정화 기간이 매우 길고 빈부하, 충격부하 등에 의한 완충능력이 없으며 미생물의 활성 저하 시 정상화 기간이 길고 물리/화학적으로 불안정하며 특히, 암모니아, 황화수소 등을 제거하는 것으로 알려진 성장속도가 느린 독립영양미생물의 부착 및 생장이 용이하지 않은 단점을 크게 개선한 것이다.

상기 바이오필터(4) 장치는 부식 방지를 위하여 스테인레스강재 또는 S.M.C (SHEET MOLDING COMPOUND) 판넬 조립식 구조로써 제작되며 담체(5)층에 차압계(8)를 설치하여 바이오필터(4) 내부의 압력손실을 체크하며 일정한 압력 이상에서는 자동으로 장치를 정지하게 하여 시스템 전체를 보호할 수 있게 하였다.

또한 온도조절장치 및 히터(9)를 설치하여 동파방지 및 일정한 수온을 유지할 수 있게 하였으며 바이오필터 내부점검창(13)을 설치하여 바이오필터 내부 담체층을 육안으로 확인할 수 있도록 하여 항상 안정된 운전을 유지할 수 있도록 하였다. 또한 미생물 분석을 위한 담체채취구를 설치하고 장치의 유입구, 유출구 및 각 주요부분에 악취가스 시료측정구를 설치하여 바이오필터 장치의 운전상태를 측정할 수 있게 하였으며 바이오필터 장치를 병렬로 만들어 장치의 보수 및 담체층의 교체 등에 의해 장치 전체가 중지되는 일이 없도록 하였다.

또한 바이오트리클링필터(2) 및 바이오필터(4)에 설치된 pH 측정장치(11)를 통해 담체내 상주하는 미생물에게 적정 pH를 유지하게 하였다. 일반적으로 악취 및 휘발성유기화합물의 생물학적제거과정에서는 낮은 pH의 생성물이 생기는 경우가 많다. 예를 들자면 악취의 주요성분인 암모니아를 제거하는 과정에서 질산이 생성되고 황화수소를 제거하는 과정에서 황산이 생성된다.

따라서 기존의 바이오필터에서는 이렇게 생성된 폐수를 폐기하거나 pH 중화제를 통해 중성의 pH를 만든 후 재 사용하기 때문에 운전비용이 많이 든다. 하지만 본 발명에 의한 바이오필터(4)에서는 생물대사과정에서 발생하는 낮은 pH의 폐수를 전단인 바이오트리클링필터(2)로 이송하게 된다.

이럴 경우 생물학적 기작이 발생하지 않는 전단의 바이오트리클링필터(4)에서는 낮은 pH의 용수는 오히려 알카리성가스의 흡수를 높이게 될 뿐 아니라 바이오필터 담체층에서 생성되는 낮은 pH의 폐수를 별도의 약품 없이 중화할 수 있어 운전비용을 낮추는 장점이 있다. 물론 이 과정은 복잡한 화학반응에 의해 일어나며 악취의 종류나 농도에 따라 다양한 반응경로가 나타나지만 좋은 예로써 다음과 같은 반응이 쉽게 나타날 수 있다. 유입되는 황화수소는 황산화균에 의해 제거되는 과정에서 다음과 같이 황산을 생성한다.

H₂S + 2O₂ → H₂SO₄ ΔG^o = -188.7 kcal/mol

2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

이렇게 생성된 황산(H₂SO₄)은 암모니아와 반응하며 미생물에 의해 쉽게 제거될 수 있는 황산암모늄((NH₄)₂SO₄) 형태로 바뀌게 되며 pH는 중성으로 바뀌게 된다.

따라서 본 발명의 활성탄분말 및/또는 제올라이트분말이 포함된 다공성 발포 고분자 담체 및 바이오트리클링필터와 바이오필터가 결합된 바이오필터 시스템은 오염물의 부하변동이 크거나 입자성 오염물질이 다량 유입되는 각종 환경기초시설 및 산업시설에서 배출되는 악취물질과 휘발성 유기화합물(VOCs) 등을 효과적이고 안정적으로 제거할 수 있을 뿐 아니라 장치가 매우 compact 하고 운전비가 적게 소요되며 2차 오염물질이 거의 발생하지 않는 경제적이고 환경친화적인 바이오필터 장치이다.

본 발명에서 이용되는 활성탄분말 및/또는 제올라이트분말이 포함된 다공성 발포 고분자담체의 제조방법은 본 출원인에 의한 선행특허인 한국특허출원 10-2003-0068128에 자세히 기술되어 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1. 바이오필터를 이용한 암모니아 제거

본 발명에 의한 발포 고분자 담체를 충진한 바이오필터를 이용하여 악취가스(암모니아 가스)의 제거실험을 실시하였다.

활성탄분말과 제올라이트분말이 포함되지 않은 다공성의 폴리비닐아세탈 고분자 발포 담체와 활성탄분말 및 제올라이트분말이 각각 5%씩 접착제에 의해 코팅된 폴리비닐아세탈 고분자 발포 담체, 그리고 활성탄분말 및 제올라이트분말을 각각 5%씩 같이 혼합하여 발포한 폴리비닐아세탈 고분자 담체를 이용하였다.

활성탄분말 및 제올라이트분말을 각각 5%씩 같이 혼합하여 발포한 폴리비닐아세탈 고분자 담체는 폴리비닐아세탈, 폴리우레탄, 폴리스틸렌 또는 폴리에틸렌인등의 발포성 고분자, 알데히드계 화합물 및 물을 혼합한 다음, 활성탄분말 및/또는 제올라이트분말을 혼합한 혼합물에 가용성 물질인 전분 및/또는 덱스트린을 혼합한 후 60~80℃ 로 가열하여 용융시켜 용융된 혼합물에 발포제와 산을 첨가하여 금형에 투입하고 50~80℃ 에서 반응시켜 스폰지 폼 또는 부직포 형태의 담체를 얻은 다음 세척하여 전분 및/또는 덱스트린을 용출·제거하여 사용하였다.

춘천시 하수처리장에서 채취한 MLSS 4,500mg/L의 활성슬러지에 24시간 담지시켜 폭기시킨 후 각각 유효부피(working volume) 5L의 바이오필터에 충진하고 3일 동안 암모니아 30 ppmv를 넣어주며 미생물의 안정화 기간을 거친 후 50일 동안 암모니아 50~200ppmv을 각각 넣어 악취가스의 제거율을 관찰하였다.

반응기내 공탑체류시간은 5초로 조정하였으며 아크릴 재질의 반응기 유입구와 유출구의 시료채취구에서 각각 암모니아가스의 농도를 측정하였다. 측정방법은 검지관법으로 가스텍(GASTEC, Japan)을 이용하여 매일 측정하였다. 표 1에 상기 기간 동안 실시한 암모니아 제거율을 나타냈다.

활성탄분말 및 제올라이트분말의 첨가형태에 따른 평균 암모니아 제거율

암모니아 농도	일반 PVA 담체 (국내등록특허 346915호)	활성탄 5% 및 제올라이트 5% 코팅 PVA 담체	활성탄 5% 및 제올라이트 5% 혼합 PVA 담체(본 발명)
50 ppmv	62%	94%	100%
100 ppmv	70%	88%	99%
150 ppmv	88%	83%	99%
200 ppmv	79%	89%	98%

본 발명에 따른 활성탄분말과 제올라이트분말을 혼합하여 발포한 다공성의 폴리비닐아세탈 고분자 담체가 충진된 암모니아가스 제거용 바이오필터에서는 같은 기간 다른 담체를 이용한 바이오필터에 비해 가동 초기부터 평균 98% 이상으로 월등히 우수한 암모니아가스 제거율을 나타냈다. 또한 일반 폴리비닐아세탈 담체가 초기에 50~100 ppmv의 비교적 낮은 농도 구간에서 저조한 제거율을 나타내고 나머지 활성탄분말 및 제올라이트분말이 첨가된 폴리비닐아세탈 고분자가 충진된 바이오필터에서 높은 제거율을 나타낸 것은 초기 물리적인 흡착과 미생물의 빠른 부착에 기인된 것으로 보인다.

실시예 2. 바이오필터를 이용한 휘발성유기화합물(BTEX류)의 제거

본 발명에 의한 발포 고분자 담체를 충진한 바이오필터를 이용하여 휘발성유기화합물(BTEX류)의 제거실험을 실시하였다. 실험을 위해 담체에 접종된 미생물은 선택적으로 배양된 3종류의 Pseudomonas sp.으로써, 미생물동정분류시스템(MIDI)에 의해 분류되었으며, 표 2와 같은 BTEX 화합물에 대하여 40시간 배양 후에 미생물의 저항성과 toluene, ethyl-benzene 등의 기질 이용활성을 나타냈다.

BTEX 화합물의 저항성과 toluene, ethyl-benzene의 기질이용 활성

미생물	저항성				기질이용활성
미생물	Benzene	Toluene	Ethyl-Benzene	Xylene	Toluene100 ppm	Toluene1000 ppm	Ethyl-Benzene100 ppm	Ethyl-Benzene1000 ppm
Pseudomonassp. T4	-	++	++	++	<1	<35	<1	<35
Pseudomonas putidatype A1. V6	-	+	+	++	<1	<35	<1	<35
Pseudomonas putidatype A1. V16	-	+	+	++	<1	<35	<1	<35

+: Positive growth; ++: Positive high growth; -: Negative growth.

실험은 활성탄분말과 제올라이트분말이 포함되지 않은 다공성의 폴리비닐아세탈 고분자 발포 담체와 활성탄분말 및 제올라이트분말이 각각 5%씩이 접착제에 의해 코팅된 폴리비닐아세탈 고분자 발포 담체, 그리고 활성탄분말 및 제올라이트분말을 각각 5%씩 같이 혼합하여 발포한 폴리비닐아세탈 고분자 담체를 각각 유효부피(working volume) 5L의 바이오필터에 충진하고 선택적으로 발효조에서 배양된 3종류의 Pseudomonas sp. 배양액을 500mL씩 각각 접종하였다.

상기 실험에서는 휘발성유기화합물로 toluene을 이용하였고, 반응기에 일정한 속도로 toluene을 공급하기 위하여 syringe pump와 air pump를 이용하였으며, 바이오필터에는 상향류식으로 공급하였다. 톨루엔(toluene)과 함께 주입되는 공기는 조절밸브를 통하여 반응기내의 체류시간을 조절하였다. 바이오필터에 toluene을 200~1,000ppmv의 농도로 공급하였고, 공탑체류시간은 10초로 유지하였다.

바이오필터의 유입구와 유출구에 가스 포집관을 설치하여 toluene의 분해율을 GC(HP6890 series; Flame Ionization Detector)를 이용하여 측정하였다. 또한 미생물의 호흡과 toluene 분해에 의한 반응기내의 pH를 저하를 막기 위해 영양배지에 1N NaOH용액과 K₂HPO₄ 및 KH₂PO₄를 투여하여 pH 저하를 막았다.

표 3은 톨루엔의 농도에 따른 제거율을 나타낸 것으로 각 결과는 초기 10일간의 미생물 안정화 기간을 거친 후 농도별로 20일간의 운전결과의 평균값이다. 본 발명에 의한 활성탄분말 및 제올라이트분말을 각각 5%씩 같이 혼합하여 발포한 폴리비닐아세탈 고분자 담체가 충진된 바이오필터에서 가장 우수한 톨루엔 제거율을 나타냈다.

활성탄과 제올라이트 분말의 첨가형태에 따른 평균 톨루엔 제거율

톨루엔 농도	일반 PVA 담체(국내등록특허 346915호)	활성탄 5% 및 제올라이트 5% 코팅 PVA 담체	활성탄 5% 및 제올라이트 5% 혼합 PVA 담체 (본 발명)
200 ppmv	76%	95%	100%
500 ppmv	85%	92%	100%
800 ppmv	80%	88%	98%
1,000 ppmv	76%	82%	95%

실시예 3. 파일로트 스케일의 바이오필터를 이용한 악취제거

도 2에 도시한 것과 같이, 본 발명에 의해 개발된 pilot scale(처리량 : 20m³/min)의 바이오필터를 경기도 포천에 위치한 위생처리장(분뇨처리장)에 설치하여 소화조 3기에서 발생되는 악취가스의 일부를 처리하게 하였다. 충진된 바이오필터 담체는 활성탄분말과 제올라이트분말을 각각 5%씩 같이 혼합하여 발포한 폴리비닐아세탈 고분자 담체를 사용하였으며 미생물로는 현장에서 직접 채취한 슬러지 농축액을 접종하였다.

본 발명에 따른 pilot scale 바이오필터 장치의 구성은 도 1에 도시한 개략도와 같이 병렬로 구성되었고 발생하는 악취가스는 유량조절장치를 통해 양쪽으로 균등하게 배분되었다. 내부 담체층은 단층으로 구성되었으며 초기 약 130일 가량은 공탑체류시간을 7초, 공기의 공간속도(Space Velocity)를 520 hr^-1으로 유지하였고 130일이 경과 후 전체 오염된 가스를 한쪽의 바이오필터로만 유입시켜 공탑체류시간을 3.5초, 공기의 공간속도(SV)를 1,040 hr^-1으로 유지하여 실험하였다.

운전기간 내 미량원소 및 pH 조정제의 투입은 없었으며 유입되는 가스는 온도조절센서를 통해 동계에도 15℃ 이상으로 공급되었다. 분석은 현장에서 직접 할 수 있는 검지관법으로 가스텍(GASTEC, Japan)을 이용하여 3~4일 간격으로 이루어졌으며 현행 대기환경보전법에서 규제하는 암모니아, 메틸멀캅탄, 황화수소, 황화메틸(DMS), 이황화메틸(DMDS), 트리메틸아민, 아세트알데히드, 스틸렌 등 8종 모두가 분석 대상이 되었다. 하지만 운전기간 중 대부분의 악취는 암모니아와 황화수소로써 본 실시예에서의 결과는 주로 상기 두 가지 항목의 악취에 대하여 나타냈다.

도 3은 실험기간 내 암모니아 제거율을 나타낸 그래프이고, 도 4는 같은 기간 내 황화수소의 제거율을 나타낸 그래프이다. 암모니아는 전 기간에 걸쳐 100%의 평균 제거율을 나타냈으며 황화수소는 99% 이상의 평균 제거율을 나타냈다. 따라서 본 발명에 의해 제공되는 활성탄분말과 제올라이트 분말 등이 같이 혼합되어 발포된 다공성의 고분자 담체가 충진되어 있는 바이오필터가 장착된 바이오필터 장치는 현장에서 발생하는 악취에 대해서도 매우 뛰어난 제거효율을 나타내었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

본 발명의 따른 바이오필터 장치는 오염물의 부하변동이 크거나 입자성 오염물질이 다량 유입되는 각종 환경기초시설 및 산업시설에서 배출되는 악취물질과 휘발성 유기화합물(VOCs) 등을 효과적이고 안정적으로 제거할 수 있을 뿐 아니라 장치가 매우 compact 하고 운전비가 적게 소요되며 2차 오염물질이 거의 발생하지 않는 등 경제성과 환경친화성을 갖추고 있어 실용화 가능성이 매우 높다.

도 1은 본 발명에 따른 악취 및 휘발성유기화합물(VOCs) 처리용 바이오필터 장치의 개략도이다.

도 2는 분뇨처리장에 설치된 pilot-plant 규모의 바이오필터 장치의 사진이다.

도 3은 본 발명에 따른 pilot 규모의 바이오필터 장치에서 암모니아 제거를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 pilot 규모의 바이오필터 장치에서 황화수소 제거를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 따른 부호의 설명>

1. 송풍기 2. 바이오트리클링필터

3. 바이오트리클링필터용 충진물 4. 바이오필터

5. 바이오필터용 담체 6. 산, 알카리 및 영양제 공급 탱크

7. 현장제어판 8. 차압계

Claims

오염된 혼합가스를 바이오필터 장치 내부로 유입시키는 송풍기(1)와; 이를 통해 유입되는 가스 중에 포함된 입자성 오염물질을 제거하고 수용성물질을 세정하며 바이오필터 담체에 부착된 미생물의 생육에 필요한 수분을 공급하기 위한 바이오트리클링필터(2)와; 일차 처리된 오염가스를 바이오필터의 하부에 균등한 양으로 유입시키는 유량조절 이송부와 미생물이 부착된 활성탄분말 및/또는 제올라이트분말이 포함된 다공성 발포고분자 담체로 충진되어 있는 바이오필터(4)와; 산, 알카리 및 영양제 공급탱크(6)를 함유하는 것을 특징으로 하는 악취물질 및 휘발성유기화합물 제거용 바이오필터 장치.
제1항에 있어서, 바이오트리클링필터(2)는 지름 10mm~100mm 정도의 폴링(pall ring)이 충진되어 있으며, 상부에는 용수 분사노즐이 설치되어 있고, 상기 분사노즐에 의해 분사되는 용수는 충진물을 따라 내려오는 과정에서 오염된 가스와 접촉하게 되어 유입되는 오염된 가스 중에 포함된 입자성 오염물질은 제거되고 수용성물질은 세정되며, 오염된 가스는 95% 이상의 상대습도를 유지하게 되고, 증발되지 않은 세정수는 계속 재순환되도록 구성되며, 증발된 양만큼의 용수는 수위조절장치(10)에 의해 보충되고, 제거된 입자성 오염물질은 하부에 위치한 경사판에 의해 침전되어 정기적으로 입자슬러지 인출밸브(12)를 통해 폐기되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오필터 장치.
제1항에 있어서, 상기 바이오필터 장치는 두개 이상의 바이오필터(4)가 병렬로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오필터 장치.
제1항에 있어서, 상기 다공성 발포고분자 담체는 다음의 단계를 통해 제조된 것임을 특징으로 하는 바이오필터 장치:

(a) 발포성 고분자, 알데히드계 화합물 및 물을 혼합한 다음, 활성탄분말 및/또는 제올라이트분말을 혼합하여 제1혼합물을 얻는 단계;

(b) 상기 제1혼합물에 가용성 물질인 전분 및/또는 덱스트린을 혼합하여 제2혼합물을 수득하는 단계;

(c) 상기 제2혼합물을 60~80℃ 로 가열하여 용융시키는 단계;

(d) 상기 용융된 혼합물에 발포제와 산을 첨가하여 제3혼합물을 수득하는 단계;

(e) 상기 제3혼합물을 금형에 투입하고 50~80℃ 에서 반응시켜 스폰지 폼 또는 부직포 형태의 담체를 수득하는 단계; 및

(f) 상기 수득된 스폰지 폼 또는 부직포 형태의 담체를 세척하여 전분 및/또는 덱스트린을 용출·제거하는 단계.
제4항에 있어서, 상기 고분자는 폴리비닐아세탈, 폴리우레탄, 폴리스틸렌 또는 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 바이오필터 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 바이오필터 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성유기화합물의 제거방법.
제6항에 있어서, 상기 바이오필터 장치의 바이오필터(4)에 미생물 슬러지 농축액이 접종되어 있는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성유기화합물의 제거방법.
제6항에 있어서, 바이오필터(4)를 통과하여 생성되는 산성 생성물을 바이오트리클링필터(2)의 세정수와 혼합하여 처리하는 것을 특징으로 하는 악취 및 휘발성유기화합물의 제거방법.