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은혜 봉
7 years ago
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1 2단 구조 바이오필터에 의한 악취 및 VOCs 제거 기술 (Removal characteristics of odor and VOCs by a biofilter of two-stage structure) 1. 기술 현황 - 기술명 : 2단 구조 바이오필터에 의한 악취 및 VOCs 제거 기술 - 기술분야 : 대기 - 처리대상물 : 악취 및 VOCs - 기술적용분야 : 각종 악취 및 VOCs 유발시설 - 업체명 : 경기지역환경기술개발센터 2. 기술의 개요 및 원리 지구규모의 환경문제 중에서도 감각적 공해( 感覺的公害 ) 라고 할 수 있는 악취( 惡臭 ) 는 민원건수도 많으며, 발생 원이 되는 시설 등에서는 주변과의 대응에 고충을 겪고 있는 것이 현실이다. 현재 국내의 악취규제물질은 8종으로 암모니아(NH 3 ), 메틸메르캅탄(MM), 황화수소(H 2 S), 황화메틸(DMS), 이황화메틸(DMDS), 트리메틸아민(TMA), 아세트알데히드, 스틸렌이 있으며, 일본에서는 국내규제물질인 8종이 포함된 22종을 규제하고 있다. 악취물질의 탈취방법은, 크게 물리화학적 탈취와 생물학적탈취로 구분된다. 물리화학적 탈취로는, 산이나 알칼리 세정, 활성탄 흡착, 촉매 탈취 등이 있으며, 생물탈취로는, 생물필터 탈취, 충진식 생물탈취, 활성슬러지 폭기 탈취, 활성슬러지 스크러버 탈취 등이 있다. 이외에도 토양탈취, 연소 소각탈취 등이 있다. 이 중 현재 가장 많이 사용되고 있는 방법은 물리화학적 탈취법과 토양탈취법이다. 그러나, 물리화학적 탈취법은 운전비가 비싸거나 일정한 사용기간이 지나면 새로운 물질로 대체해야 하며, 세척수나 세정에 사용된 산 및 알칼리의 처리가 요구되며, 이에 따른 2차 환경오염을 유발하기도 한다. 또한 토양탈취법은 가장 경제적인 방법이지만 넓은 부지를 요구하며 시간이 경과할수록 탈취효율이 저하되는 단점이 있다. 최근, 이러한 단점을 보완한 탈취법으로 각광을 받고 있는 것이 충진식생물탈취법, 즉 바이오필터이다. 바이오필터는 미생물의 분해능을 최대한 이용한 것으로 미생물은 산화 과정에 의해 유기물을 분해하면서 이때 얻어진 에너지를 증식에 사용한다. 그러므로 미생물의 에너지원이나 영양소가 될 수 있는 물질이어야 만이 바이오필터를 사용하여 처리할 수 있다. 그러나 충진식생물탈취법은 안정적인 기술확보에 대한 문제, 실험실에서 실험한 결과를 Scale-Up 하여 현장에 적용할 때 어려움, 영양분 주입으로 인한 미생물의 과잉성장이나 분진으로 인한 막힘현상의 발생 등의 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 상기 기술한 바이오필터의 장점을 최대한 이용하면서, 보다 효율적인 악취 및 VOCs 제거를 위해서는 바이오필터의 구조적인 개선과 새로운 개념의 담체가 필요하다고 판단되어 새로운 2단 구조의 바이오필터와 담체를 개발하였다. 또한 악취 및 VOCs를 선택적으로 분해 제거하는 미생물들을 분리하여 대량배양기술을 확립하였으며, 각 균들이 혼합된 상태에서 장기간 보존 및 사용이 가능한 기술도 개발하였다. 1

기술의 개요 및 원리 지구규모의 환경문제 중에서도 감각적 공해( 感覺的公害 ) 라고 할 수 있는 악취( 惡臭 ) 는 민원건수도 많으며, 발생 원이 되는 시설 등에서는 주변과의 대응에 고충을 겪고 있는 것이 현실이다.

2 3. 기술의 개발된 내용 본 연구에서는 앞에서 언급한 바이오필터의 단점을 극복하기 위해 먼저 바이오필터의 구조적인 면을 검토하였다. 대개의 바이오필터는 몇 개의 단으로 이루어져 있으며, 담체가 충진된 단과 단 사이를 빈 공간으로 두어 1단에서 빠져 나온 유체가 다음 단에 유입되기 전 유체가 균일하게 유입되도록 유도한다. 이 때 단 내에서는 유체의 난류가 형성되어져야 하며 이는 담체에 형성된 미생물막에 악취를 함유한 공기가 충돌되면서 기체와 액체사이의 물질전달이 빠르게 일어나게 하기 위함이다. 또한 바이오필터 단내에 사각지역(Dead Zone)의 형성을 가능한 적게 함으로써 악취의 역 발생을 감소화시킬 수 있다. 바이오필터의 운전 시 1단에서의 악취제거효율이 절대적으로 높은데, 이는 악취를 함유한 공기가 1단에서 흡수(Sorption)되는 확률이 가장 높기 때문이다. 그리고 공기중에 존재하는 미세입자의 먼지들이 1단에서 제거되어지기 때문에 1단은 여과장치의 역할도 한다. 따라서 1단은 미생물이 살기에 적합한 조건이 형성됨으로 악취를 처리하는 미생물 외에 여러 가지의 다양한 미생물이 급속적으로 성장하여 두꺼운 미생물막(Biofilm)을 형성하여 단의 막힘현상이 발생되며 이 현상으로 인해 바이오필터의 운전이 어려지고 처리시간이 길어지게 된다. 본 연구에서는 앞에서 언급한 단점을 극복하기 위해 바이오필터의 1단에서는 악취를 함유한 공기중의 입자형 이물질을 여과하고 유체에 함유된 공기가 여재에 많은 수분을 상실하지 않고 그 기능을 유도하기 위해 가능한 공극율을 높여 주었다. 즉 막힘현상과 압력손실을 최소화할 수 있도록 유기담체를 1단에 충진하였다. 2단에서는 가능한 가스형 악취만을 제거하기 위해서 비표면적이 높은 친수성 무기담체와 영양분의 자체공급을 위해 유기물인 분변토를 혼합하여 복합담체를 제조하여 충진하였다. 또한 친수성 무기담체 자체가 수분 함유력이 뛰어나 일정한 습도를 유지할 수 있는 특징을 살려 1단에만 살수해주는 방식을 채택하였다. 이에 1단에서는 미생물의 급속 성장에 의해 형성되는 두꺼운 미생물막(Biofilm)을 살수에 의해 어느정도 씻어주어 1단의 막힘현상을 방지하였으며, 2단에서는 살수하지 않음에 의해 비표면적이 넓고 공극이 작은 경우 발생 가능한 압밀현상을 억제시켰다. 본 연구에서 분리하여 바이오필터의 담체에 고정화한 균들 중에서 암모니아산화균인 Nitrosomonas sp., 아질산산화균인 Nitrobacter sp.와 Nitrococcus sp.는 암모니아를 분해하여 제거하였고, Thiobacillus sp.와 Beggiatoa sp.은 황화수소를 비롯하여 황 화합물인 메틸메르캅탄, 황화메틸, 이황화메틸도 분해하였다. 이외에 단백질분해효소인 아밀라제를 생산하는 Bacillus sp., 지방분해효소인 리파제를 생성하는 Pseudomonas sp. 2종류, 퇴비에서 분리한 단백질, 전분, 섬유질을 분해하는 Bacillus sp. 3종류도 담체에 고정시켰다. 본 연구의 바이오필터는 유입되는 악취공기를 3도로 유지하게 하는 heat box를 설치하였으며 제 1단과 2단 사이에 살수장치를 부착하여 바이오필터 담체에 일정한 수분을 공급하였다. 4. 처리 공정 가. 처리량 : 5-1 m /min 나. 처리시설 구성도(흐름도) 2

바이오필터의 운전 시 1단에서의 악취제거효율이 절대적으로 높은데, 이는 악취를 함유한 공기가 1단에서 흡수(Sorption)되는 확률이 가장 높기 때문이다. 그리고 공기중에 존재하는 미세입자의 먼지들이 1단에서 제거되어지기 때문에 1단은 여과장치의 역할도 한다.

3 Dust seprator Heating box First media Second media 5. 처리성능 및 경제성 가. 운전조건 음식물 쓰레기 퇴비화 과정에서 발생하는 악취발생에 큰 영향을 미치는 암모니아(검지관법:Gastec) 제거효율과 바이오필터 운전시 발생하는 압력손실은 디지털 차압계(Dwyer : series 477)를 이용하였으며 유입되는 악취는 Heater box를 이용하여 3도를 유지하였다. 또한 음식물쓰레기 퇴비화 현장에서 발생하는 악취에 대한 정성분석은 GC/MSD(HP 689)를 이용하였으며 샘플 채취는 Canister를 이용하였으며 악취처리를 위한 바이오필터 현장 실험조건은 Table 1과 같이 제 1단의 유기담체(지름:1cm, 길이:1 3cm)는 ph가 5.1, 복합담체는 ph가 7.4를 보였으며 초기 식종 미생물량은 MLSS(mg/L)로 795이었다. Table 1 Odor removal test condition in field by Biofilter Experimental conditions Wood media Complex media Initial ph Water content(%) Ignition loss(%) Bulk density 5 49 (kg-dry packing material/m 3 ) Initial seeding MLSS(mg/L) 795 Flow rate(m 3 /min) 3-1 Inlet Temperature(도) 나. 처리성능 본 연구에서는 외부에서 별도로 영양물질을 공급하지 않으면서 높은 악취가스의 제거효율을 얻을 수 있는 미생물 담체로서 미생물이 서식할 수 있도록 비표면적이 넓은 친수성 무기담체와 자체에서 영양물질을 공급할 수 있는 유기성 분변토를 이용하여 제조한 복합담체와 막힘현상과 압력손실을 최소화할 수 있는 유기담체를 충진하여 실험실에서 분리한 암모니아 및 황화합물을 비롯한 악취 제거능이 뛰어난 미생물들을 집적 배양하여 담체에 식종한 Pilot규모의 바이오필터를 음식물 쓰레기 퇴비화 현장에 설치하였다. 1) 현장 발생악취의 제거 S시 음식물쓰레기 퇴비화 공정중 발생하는 악취유발 물질은 단일물질이 아닌 복합물질로써 Fig. 1의 GC-MSD에 분석결과에 나타낸 바와 같이 수많은 Peak가 발생하고 있다. 국내 8대 악취물질로 규정된 물질중 음식물쓰레기 퇴비화 발효공정에서 발생하는 악취는 미생물의 활동에 의해 발생되는 악취성분으로 암모니아, 트리메틸아민, 황화메틸, 이황화메틸, 아세트알데히드 등 3

또한 음식물쓰레기 퇴비화 현장에서 발생하는 악취에 대한 정성분석은 GC/MSD(HP 689)를 이용하였으며 샘플 채취는 Canister를 이용하였으며 악취처리를 위한 바이오필터 현장 실험조건은 Table 1과 같이 제 1단의 유기담체(지름:1cm, 길이:1 3cm)는 ph가 5.1, 복합담체는 ph가 7.

4 대단히 다양한 성분이 검출되었다. 특히 음식물쓰레기 발효공정에서 리모넨과 피넨이 다량으로 검출되었는데 이는 퇴비화 발효공정시 음식물과 함께 수분조절제로 투입하는 톱밥에 의해 발생되는 것으로 사료된다. 이러한 악취물질은 대부분 수용성이기 때문에 물에 잘 녹는 성질이 있다. 입자상 또는 기체상의 악취물질은 바이오필터내에 유입되어 충진 담체 표면에 형성된 액상 생물막에 도달하여 담체의 높은 흡착성에 의해 악취물질이 담체에 흡착된다. 다음으로, 미생물들로 구성된 생물막 속으로 악취물질이 확산하게 되면, 미생물들이 분산된 악취물질을 체내에 흡수하여 산화ㆍ분해한다. 즉, 악취물질을 구성하는 탄소, 수소, 질소, 황 등을 산화하여 에너지를 얻어 자기 생존이나 증식을 위해 사용하고, 증식에 필요한 물질의 합성에도 악취물질을 이용한다. 이 과정에서 악취물질은 CO 2, H 2 O, 무기염(황산이온, 질산이온 등), Biomass등으로 변환되면서 냄새가 제거되게 된다. 바이오필터에서 처리한 후의 GC/MSD분석 결과는 Fig. 2에 나타내었다. I-buthyl aldehyde Limonene Acetaldehyde Pinene Trimethylamine Dimethyl disulfide Fig. 1 GC-MSD chromatogram of odors occurring from food waste composting process Silane I-buthyl aldehyde Dimethyl disulfide Dimethyl sulfide Fig. 2 GC-MSD chromatogram of outlet odors discharging from biofilter 4

즉, 악취물질을 구성하는 탄소, 수소, 질소, 황 등을 산화하여 에너지를 얻어 자기 생존이나 증식을 위해 사용하고, 증식에 필요한 물질의 합성에도 악취물질을 이용한다. 이 과정에서 악취물질은 CO 2, H 2 O, 무기염(황산이온, 질산이온 등), Biomass등으로 변환되면서 냄새가 제거되게 된다.

5 2) 압력손실 바이오필터의 압력손실의 증가는 전체 처리용량을 감소시키며 송풍에 필요한 동력비의 증가를 초래하므로 바이오필터의 성능평가에 매우 중요한 요소가 되므로 기존 문헌에 의하면 공극율을 4% 8%로 유지할 것을 권고하고 있다. 본 연구에서 사용된 자연여재는 공극율이 약 6%로 적당한 수치를 보이고 있었다. Fig. 3는 시간 진행에 따른 바이오필터의 압력손실을 나타낸 것으로 공간적 체류시간이 24초인 경우 18mmAq였으며, 16초인 경우에는 29mmAq로 시간진행에 따라 큰 변화가 없었다. Pressure drop(mmaq) EBCT(sec) Time(day) Pressure drop(mmaq) EBCT(sec) Fig. 3 Change of pressure drop as a time course 3) 암모니아 제거특성 Fig. 4는 음식물 쓰레기 퇴비화시 발생하는 악취중 취기에 가장 큰 영향을 미치는 암모니아농도에 대한 처리효율을 나타낸 것으로 유입 암모니아 농도는 평균 58ppm 으로 조사되었으나 현장상황에 따라 최고 암모니아 농도가 196ppm, 최저 ppm으로 많은 변화를 보였다. 유출 암모니아 농도는 초기에는 ppm이상으로 배출되었으나 일 이후에는 3ppm으로 평균제거율이 96%이상을 보였다. 기존 바이오필터가 초기 안정화기간이 약 1개월임을 고려할 때 본 연구에서는 약 1일정도 안정화가 빨리 일어났다. 이는 암모니아에 대하여 순양된 미생물을 사용하였기 때문이다. 안정화가 이루어진 후 공간적 체류시간을 16초로 변화하여 암모니아 제거특성을 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 93%의 평균 제거효율을 보였으며 약 4일이 경과한 후부터는 유입되는 암모니아 농도에 상관없이 평균 제거율이 98%이상, 암모니아 농도가 1ppm미만으로 일정하게 배출되었다. 단위체적당 암모니아 유입부하량의 범위는 3 31g/m 3 ㆍhr으로 평균 9.89g/m 3 ㆍhr이었으며 현장상황에 따라 부하량의 변화가 많았다. 운전 초기에는 유입부하량이 높은 직후에 암모니아 제거효율에 있어서 정상으로 회복하는 시간이 약간 필요하였으나, 시간이 경과함에 따라 부하량 변동이 있어도 암모니아 제거효율은 큰 변화 없이 안정된 값을 보였으며, 담체, 미생물 수 및 종류 등을 조사한 결과 1단에서는 3.66 * 1 7 /g, 5

Pressure drop(mmaq) 35 3 25 15 1 5 3 25 15 1 5 EBCT(sec) 4 6 8 1 Time(day) Pressure drop(mmaq) EBCT(sec) Fig. 3 Change of pressure drop as a time course 3) 암모니아 제거특성 Fig.

6 2단에서는 1.24 * 1 9 /g으로 Bacillus sp.와 Rhodococcus가 우점종으로 발견되었으며 시간의 진행에 따라 별다른 변화가 없는 것으로 볼 때 부하량에 의한 충격을 더 받지 않음이 확인되었다. 그러나 공간적 체류시간을 12초로 낮추어 운전했을 때는 제거효율이 급격히 떨어져 약 8%의 제거효율을 보였는데 이는 암모니아 유입부하량보다는 담체에 접촉하는 시간이 짧아져 체류시간에 더 큰 영향을 받는 것으로 사료된다. EBCT : 24sec EBCT : 16sec Ammonia Conc. (ppm) Time(day) Inf. Conc.(ppm) Eff. Conc.(ppm) Ammonia Removal % 1 Ammonia Removal (%) Fig. 4 Removal rate of ammonia as a EBCT Table 2. Removal efficiency in the biofilter of two-stage structure Item Influent conc.(ppm) Effluent conc.(ppm) Removal Efficiency(%) NH H 2 S Acetaldehyde Dimethyl disulfide Pressure 29mmAq mmaq - 다. 경제성 - 설치비 : 1,,원/(1m 3 /min) - 운영비 : 6,393,6원/년 - 처리단가 : 1m 3 당 54원이 소요됨 1 감가상각비 : 1년동안 이자율이 8%/년일 경우 1년에 22,,이 소요됨 6

(ppm) 18 16 14 1 1 8 6 4 1-11-5 1-11-25 1-12-15 2-1-4 2-1-24 2-2-13 2-3-5 2-3-25 9 8 7 6 5 4 3 1 Time(day) Inf. Conc.(ppm) Eff. Conc.(ppm) Ammonia Removal % 1 Ammonia Removal (%) Fig.

7 2 전력사용량 : 6,2,8원/년 3 용수사용량 : 172,원/년 4 총 비용 : 28,393,6원/년 5 총 처리용량 : 52,56,m 3 /년 구 분 적 요 비고 용 량 144, m 3 /일 설치비 1,, 원 부지구입비 별도 운영비 전력사용량 8,64 kwh/월 산업용 전력비 : 6원/kwh 용수사용량 24m 3 /월 6원/m 3 다. 적용가능분야 및 사용상 제약요건 국내외 적용가능분야는 다음과 같다. 1) 하수처리장, 분뇨처리장, 폐기물매립장 및 침출수 처리장, 마을하수도시설 등 각종 환경기초시설 및 화장터 등 공공시설 2) 정유공장, 제지공장, 피혁공장, 크라프트 펄프공장, 생선내장처리공장, 도축시설 등 각종 산업시설 3) 돈사, 계사, 우사 등 각종 축사시설 및 유기성 폐기물 퇴비화 시설 사용상 제약요건으로서 유입되는 상대습도가 6%이하일 경우 별도의 가습장치를 설치해야 하며 유입온도가 4도 이상일 경우 냉방장치가 필요할 경우가 있다. 6. 적용 실적 소재지 및 시설명 용 량 발주처 설치년도 경기도 S시 음식물퇴비화 현장 바이오필터 6m 3 /hr 경기지역환경 기술개발센터 년 경기도 S2시 폐기물처리 사업소 바이오필터 6m 3 /hr 경기지역환경 기술개발센터 1년 경기도 S2시 음식물쓰레기 퇴비화시설 바이오필터 3,m 3 /hr S2시 2년 7

1) 하수처리장, 분뇨처리장, 폐기물매립장 및 침출수 처리장, 마을하수도시설 등 각종 환경기초시설 및 화장터 등 공공시설 2) 정유공장, 제지공장, 피혁공장, 크라프트 펄프공장, 생선내장처리공장, 도축시설 등 각종 산업시설 3) 돈사, 계사, 우사 등 각종 축사시설 및 유기성 폐기물 퇴비화

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- 1 - - 1 - - 2 - - 3 - - 4 - 장비구성 : - 5 - - 6 - 치 - 7 - μ - 8 - - 9 - 고체흡착관의안정화방법및기기 (Tube conditioner) - 10 - - 11 - - 12 - - 13 - - 14 - - 15 - - 16 - - 17 - 전기냉각저온농축장치 (TD) GC/FPD - 18 - GC/FID Headspace