- J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 19, No. 5, October 2008, 519-525 생물살수여과법을이용한공기중 VOC 및 H 2 S 제거 김경옥 김용제 원양수 영남대학교환경공학과 (2008 년 7 월 7 일접수, 2008 년 9 월 16 일채택 ) Removal of VOCs and H 2 S from Waste Gas with Biotrickling Filter Kyoung-Ok Kim, Yong-Je Kim, and Yang-Soo Won Department of Environmental Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan 712-749, Korea (Received July 7, 2008; accepted September 16, 2008) 생물살수여과법을이용하여대표적인휘발성유기물질인 toluene, styrene 과악취물질인 H 2S 를운전조건에따른제거특성에대해실험적고찰을중심으로진행하였다. H 2S 제거특성고찰을위한 autotroph 과 mixotroph 조건하에서는 H 2S 부하율이낮은조건 (10 g/m 3 hr) 에서는두조건에서모두제거율이 99% 이상을나타냈다. 부하율이증가하면서제거율이감소하였으며, mixotroph 조건하에서제거율이다소높았다. 방향족휘발성유기화합물질인 toluene 과 styrene 농도변화에따른부하율과제거용량관계에서 toluene 부하율이 40 g/m 3 hr 이하에서는농도에관계없이제거율이거의 99% 를나타내나부하율이증가함에따라서제거율은감소하며부하율이증가해도제거용량이더이상증가하지않는최고제거용량을나타내고있으며 toluene 농도가 0.2, 0.5 과 1.0 g/m 3 일때최고제거용량은각각 40, 45, 60 g/m 3 hr 으로나타내고있다. toluene 으로순응된살수여과탑에 styrene 을주입하여순응시킨후 styrene 제거실험결과는 toluene 실험결과와유사한경향을나타내었으나전체적으로제거효율이낮게나타났다. 순환살수액유량등의적정운전조건은탑내미생물의활성도, 반응기물리 / 화학적특성에따라물질전달, 탑내주입된공기의분배, 살수액통과경로, 미생물분포도, 공극율등에따라제거효율이달라지므로이를고려한적정운전조건이결정되어야한다. Biodegradation of toluene, styrene and hydrogen sulfide as model compounds of volatile organic compounds and odor from waste gas was investigated experimentally in a biotrickling filter. This study focussed on the description of experimental results with regard to operating conditions. The effect of varying H 2S load rate and inlet concentration was investigated under autotropic and mixotropic environmental conditions. The H 2S removal efficiencies of greater than 99% were achieved at H 2S loads below 10 g/m 3 hr for each environment. It was observed that the maximum elimination capacity of mixotrophic filter was achieved a little greater than the one of autotrophic filter. The biofiltration of toluene and styrene in trickling bed was examined under different gas flow rates, load rates, and inlet concentrations. Below 40 g/m 3 hr of toluene loading, the elimination capacity and loading were identical and it was completely destroyed. In high loading of toluene, the biotrickling filter was operated at its maximum elimination capacity. In the inlet concentration of 0.2, 0.5, and 1.0 g/m 3, the maximum elimination capacity of toluene showed 40, 45, and 60 g/m 3 hr, respectively. After a short adaptation period, it was demonstrated that the results of styrene in originally toluene adapted bioreactor was similar with the ones of toluene. However, the performance of filer for styrene is generally a little lower than for toluene. The operating conditions (including liquid flow rate etc.) allowing the highest removal efficiency should be determined experimentally for each specific case. Keywords: biotrickling, biodegradation, H 2S, volatile organic compound (VOC), toluene, styrene, air pollution control 1) 1. 서론 각종산업공정에서발생하는악취및휘발성유기화합물 (Volatile Organic Compound: VOC) 은직접적인대기오염뿐만아니라 2차공해를유발하여인접주변지역의주요민원대상이되고있다. 이에대한문제를해결하기위해엄격한규제를적용하고자하나, 기존에사용되고있는소각, 활성탄흡착, 습식세정과같은대기오염물질제어기술은고유량의배출가스나배출농도가일정하지않은다 교신저자 (e-mail: yswon@yu.ac.kr) 양한오염물질을처리하기에는비용측면에서비효율적이어서이를대체할수있는방안으로생물학적방법에대한관심이높아지고있다. 생물학적방법을이용한대기오염물질처리방법은 2차오염물질이발생되지않는 end of pipe 방법으로에너지소모가낮은친환경적방법으로알려져왔다. 특히악취와 VOC 등다양한종류의저농도대기오염물질을효과적으로처리할수있는장점을가지고있다 [1-3]. 또한생물학적처리방법은소각 ( 촉매소각포함 ) 이나응축법과달리 1 g/m 3 (Toluene 기준 240 ppmv) 정도의저농도 VOC를 10 6 m 3 /h 정도의대용량배출가스를처리할수있는방법이다. 현재 519
520 김경옥ㆍ김용제ㆍ원양수 산업체에서배출되고있는 VOC농도와배출가스유량을감안한다면생물학적처리방법은 VOC와악취제거에기술적으로실용화가능성크며경제성이높은기술이다 [4,5]. 생물학적처리방법에의해처리될수있는대기오염물질은생물학적분해성이어야하며미생물에독성이없어야한다. 생물학적으로처리가능한대부분의대기오염물질은분자량이작고, 화학적구조가간단하고또는물에용해도가큰물질이생물학적방법에서분해도가크다. 반면복잡한결합형태의화합물질은분해되는데더많은에너지가요구되므로미생물로는분해가어렵다. 생물학적분해가쉬운 VOC로는 alcohol, aldehyde, ketone과구조가간단한방향족화합물등이며, 상대적으로생물학적분해가어려운물질로는페놀, 염화탄화수소, 다환방향족화합물, 과염소탄화수소등이이에해당된다. 무기물질의대표적악취물질인황화수소, 암모니아는생물학적으로잘분해되는편이다 [6]. 다양한산업분야에서배출되는대기오염물질은생물여과법으로처리가가능하다. 생물여과법으로처리가가능한대기오염물질배출산업으로는인쇄업, 도장 / 도색업, 가구 / 목제제조업, 주물 / 주조업, 석유및화학물질제조 / 저장시설, 종이 / 펄프제조업, 담배제조, 식품업, 축산업, 퇴비시설, 하수처리시설등이다 [6]. 대기오염물질의생물학적처리방법으로생물여과법 (biofiltration), 생물살수여과법 (biotrickling filtration), 생물세정법 (bioscrubbing) 등이이용되고있으며처리대상물질의물리 화학적특성에따라적용방법이달라진다. 생물여과법은 compost, peat, wood chip과토양등을고정층매체로사용하는반면생물살수여과법은미생물막이부착 ( 접종 ) 된충진제층에미생물의필수영양염이포함된액체가살수된다는점을제외하면두가지방법의원리는동일하다 [7]. 생물살수여과법은생물여과법에비해공정이약간복잡하나, 유지관리 ( 압력강하가적고, 중간생성물로생성되는유기산등에의한 ph 조절용이성, 환경변화에의한운전조건을쉽게변화시키는등 ) 가쉽고오염물질종류및농도등의변화에의한대응력이뛰어난장점을가지고있는반면, 탑내미생물이과도하게생성될경우압력강하, 물질전달불량과미생물활성도저하등으로제거효율이낮아지는단점을가지고있다 [8-11]. 본연구에서는희석제또는용제로널리사용되는 VOC 대표적물질인 toluene과 polystyrene 원료물질이며유기계대표적악취물질인 styrene ( 최저취기감지농도 : 0.05 ppm) 과무기계대표적악취물질인 H 2S ( 최저취기감지농도 : 0.001 ppm)[12] 를생물살수여과법을이용하여운전조건에따른제어실험을통해서각물질의분해특성을고찰하였다. 2. 실험장치및방법 2.1. 실험장치및구성 Figure 1에나타낸바와같이 toluene, styrene과악취물질 H 2S가포함된공기를미생물막이부착된충진탑상부로주입되며, 미생물영양염 (N, P, K 및각종미량미네랄등 ) 가함유된살수영양염액 (nutrient medium: 이하살수액 ) 을탑상부노즐을통해충진탑상부에분무하면충진제표면에부착되어있는미생물막표면에흐르게되는데공기중포함된오염물질이살수액에용해되어미생물에의해분해된다. 이는기존의대기오염제어시설인흡수탑과같은원리이나살수액이탑하부로모여지면탑상부로다시공급되어재순환되는일종의폐쇄계로폐수가발생되지않는공정이이용되었다. Figure 1. Flow diagram of biotrickling filtration system. Table 1. Biotrickling Bed Specification for VOC Control Specification Dimension Effective bed Dimension (cm) D: 10.2, L: 78 Effective bed volume (liter) 6.32 Packing material 2.5 cm Pall Ring Effective surface area (m 2 ) 1.31 Nozzle type Full cone 90 Table 2. Biotrickling Bed Specification for H 2S Control Specification Dimension Effective bed Dimension (cm) D:10.2, L:84 Effective bed volume (liter) 6.81 Packing material 1.5 inch polyurethane form Nozzle type Full cone 90 VOC와악취제어실험에사용된생물살수여과탑재질은투명한 PVC로내경 10.2 cm, 탑유효높이는 78 cm 이다. VOC 제어실험에서는미생물량증가로인한탑내 clogging 현상방지를위해충진제공간비율이큰 polypropylene 1 inch 크기의 pall ring ( 비표면적 : 208 m 2 /m 3, 공극율 : 0.95) 을사용하였다. 탑상부에서공급된살수액은탑하부저장조에모여지면펌프를이용하여탑상부로재순환된다. 미생물에의해소비된영양염의보충은미량펌프를이용하여일정량씩살수액저장조에공급한다. H 2S 제거실험에서실험장치구조는 VOC제어실험장치와유사하나, VOC제어실험에비해 autotroph에의한분해이므로미생물성장속도가늦고미생물막형성이쉽지않아미생물막이용이하게형성될수있는 1.5 inch 정육면체 uncompressed polyurethane form을탑내충진제로사용하였다. VOC와악취제거실험살수액은동일한것을사용하였으며살수액의영양염농도는 Table 3과같으며, H 2S 제거실험의 mixotroph 실험에서는살수액 1 liter당글루코스 (glucose) 0.2 g을주입하였다. 공업화학, 제 19 권제 5 호, 2008
생물살수여과법을이용한공기중 VOC 및 H 2S 제거 521 Table 3. Nutrient and Mineral Concentration in Medium (Unit: mg/l) Compound Conc. Compound Conc. Compound Conc. KH 2PO 4 1000 CaCl 2 2H 2O 26 ZnCl 2 0.07 K 2HPO 4 1000 EDTA Na 4(H 2O) 2 5.2 H 3BO 3 0.06 KNO 3 1000 FeCl 2 4H 2O 1.5 NiCl 2 6H 2O 0.025 NaCl 1000 CoCl 2 6H 2O 0.12 NaMoO 4 2H 2O 0.025 MgSO 4 200 MnCl 2 2H 2O 0.1 CuCl 2 2H 2O 0.015 2.2. 운전방법 VOC 제어실험은탑내에공급되는 toluene의농도는액상의 toluene을 impinger에주입한후공기를통과시켜상온에서포화 toluene 증기압에따라휘발되면, 공기로희석시켜일정농도의 toluene이탑에주입되도록하였으며, 또한공기유량과농도를조절하여 VOC 부하율 (load rate) 이조절되도록하였다. 탑내미생물은소형호기성완전혼합연속반응기 (Chemostat 반응기 ) 에서순응된미생물과젖은토양을채취한후살수액과혼합한후위생거즈로여과한혼합액을탑내에주입하여접종시켰다. H 2S 제어실험은 6.0 M HCl 4 5 liter 정도담겨져있는밀폐된 20 liter 용기내에 60 g/liter 농도의 Na 2S 용액을일정량연속해서주입시키면일정농도의 H 2S가발생된다. 이를희석공기를용기내에주입시켜탑내에주입되는 H 2S 농도를일정하게유지시켰다. 탑내주입되는 H 2S 농도는 Na 2S 용액주입량과희석공기량으로조정하고, 부하율은 Na 2S 용액주입량으로조절하였다. H 2S 제거실험을위해탑내소량의하수처리장슬러지를살수액과혼합한후위생거즈로여과한혼합액을탑내에주입하여미생물을접종시켰다. H 2S 제어실험에서주입농도는 3 98 ppm (1 g of H 2S/m 3 는 720 ppm에해당됨 ), 공탑체류시간 (empty bed reaction time, 이하 EBRT) 은 20 sec 3 min, 부하율 (load rate: 반응기단위부피 / 시간당반응에주입되는오염물질량 ) 은 2 18 g/m 3 hr 범위에서실험을진행하였다. H 2S 제거실험에이용된미생물은하수처리장최종침전조의슬러지를사용하였으며, ph는 7.6이었다. 미생물의 H 2S 분해는공기중 CO 2 를탄소원으로이용하는 autotroph ( 또는 lithotroph) 에의해이루어지므로본연구에서는유입공기내탄소원 (CO 2) 이충분하지않을수있을것으로추정되어살수액에글루코스를 0.2 g/liter 첨가한 mixotroph 실험을 autotroph 실험과동시실시하여결과를비교하였다. 앞으로결과및고찰부분에서사용되는용어를정리하면다음과같다. 2.3. 분석방법탑내에유입및배출되는 VOC는 DC pump (model: TD 4 2, Brail Sford Co.) 를이용하여일정유량으로연속적으로 GC (model: SRI 2580) 에주입하였다. 사용된 GC (Temp.: 50, Air: 250 ml/min, H 2: 20 ml/min) 는 FID로 injector와 detector를빈관으로연결한것으로가스시료는 FID detector에직접유입되어시료중 TOC (Total Organic Carbon) 농도로분석하였다. 배출가스정성분석결과 TOC 의 99% 이상이주입된 VOC (toluene or styrene) 로확인되었다. H 2S 분석은 electrochemical 방법인 H 2S Gas Detector (model: BW Defender) 를이용하여분석하였으며최저감지농도는 0.1 ppm이다. 3. 결과및고찰 3.1. H 2S 제어실험 Figure 2는 autotroph ( ) 과 mixotroph ( ) 실험에서 H 2S 부하율에따른제거용량 (elimination capacity: 반응기단위부피ㆍ시간당반응기에서제거된오염물질량 ) 을비교하여나타었다. 실험결과 H 2S 부하율이낮은조건 (10 g/m 3 hr 이하 ) 에서는 autotroph와 mixotroph 조건에서제거율이 100% 로같은결과를나타내고있으나, 부하율이증가하면제거율이다소감소하는경향은 mixotroph에서제거율이약간높게나타나고있다. 부하량이낮은조건하에서제거율이높게나타나는것은공기중에통상적으로포함된 400 500 ppm 정도의 CO 2 탄소만으로 H 2S 제거를위한미생물활성이유지될수있다는것을의미한다. 특히하 폐수처리장포기시설에서악취 (H 2S 포함 ) 와함께배출되는공기중 CO 2 농도는 1000 1500 Removal Efficiency (RE) = Elimination Capacity (EC) = (g m -3 h -1 ) Empty Bed Retention Time (EBRT) = (sec. or min.) Load Rate (LR) = Q (g m -3 h -1 ) 여기서 C 는농도 (g/m 3 ), V 는반응기부피 (m 3 ), Q 는공기유량 (m 3 /h) 이다. Figure 2. Elimination capacity of H 2S vs. load rate for autotroph and mixotroph. J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 19, No. 5, 2008
522 김경옥ㆍ김용제ㆍ원양수 Figure 3. Removal efficiency vs. empty bed reaction time for autotroph. Figure 5. Elimination capacity of toluene vs. load rate at various feed concentration. Figure 4. Removal efficiency vs. empty bed reaction time for mixotroph. ppm 정도 [1,13] 이므로 autotroph을위한추가로탄소원을공급하지않고도하 폐수처리시설의악취를효과적으로처리할수있을것으로판단된다. H 2S 부하율 ( 주입농도 유량 ) 10 g/m 3 hr 이하에서는두경우모두제거율 100% 를나타내고있으나부하율 10 g/m 3 hr 이상에서부터임계점을보이기시작하여, 부하율이증가해도제거용량은증가하지않고일정하게나타나는최대제거용량을보이고있다. 부하율은주입농도와유량에의해결정되지만주입농도또는유량이극단적으로높거나낮은경우를제외한영역에서부하율에따라제거용량이결정된다. Figure 2는부하율에따른제거용량 ( 단위 : g/m 3 hr) 관계를나타내는전형적인결과이다. 임계점이상의부하율 ( 본실험결과에서는 10 g/m 3 hr) 에서부하율이커짐에따라제거율이낮아지는데이는다음의이유로설명될수있다. 이는주입농도가일정하고유량이커지면체류시간이짧아져오염물질의미생물막 / 공기의물질전달시간이충분하지않아제거효율이떨어지는반면, 공기유량이일정하고주입농도가높아지면한정된미생물막에의한물질전달제한때문에제거효율이낮아진다. 그리고주입농도가극단적으로높거나낮게되면 Michaelis/Menten kinetics에제거효율과제거용량에의해결정된다 [14]. autotroph과 mixotroph에서최고제거용량이각각 10과 12 g/m 3 hr로 mixotroph 에서약간높게나타났는데이는공급되는탄소원차이에따른결 과로판단된다. 실험동안 (6개월) 살수액 ph는임의로조절하지않았으며순환되는살수액 ph는 2 3 정도로유지되었으며제거효율은 95% 이상높게유지되었다. 탑내미생물량은 6개월의실험기간동안크게증가하지않았으며육안으로충진제에미생물이부착된것을확인할수있었으며탄소원이풍부한 VOC 제거시문제가되는미생물과다성장 (clogging) 으로인한제거효율저하는일어나지않았으며, 실제하ㆍ폐수처리공정에서배출되고있는 H 2S 배출농도와부하율을고려하면생물살수여과법을이용한 H 2S제어는효과적으로이루어질수있을것으로판단된다. Figures 3과 4는각각 autotroph와 mixotroph에서부하율과공탑반응시간 (empty bed reaction time, 이하 EBRT) 에따른 H 2S 제거효율을각각나타내고있다. Figures 3, 4에나타나있는바와같이 autotroph와 mixotroph에서유사한분해경향을나타내고있으며두경우모두에서부하량이낮고 EBRT가긴경우분해율이증가하고있다. 낮은부하율 (2.5 g/m 3 hr 이하 ) 에서는 EBRT에관계없이제거율이거의 100% 에달했으며, 높은부하율에서는 EBRT가짧아짐에따라분해율이낮아지는경향을보이고있다. 동일한부하율에서 EBRT가짧아지는반응조건은주입농도가높고체류시간이짧아지는조건이므로고농도오염물질의미생물막 / 공기의물질전달시간이충분하지않아제거효율이낮아진것으로판단된다. 11 g/m 3 hr 이하의부하율에서일반적으로적용되고있는 EBRT(20 초-2분 ) 에서 95% 이상의 H 2S제거율을나타내고있다. 3.2. Toluene 제어실험 Figure 5는대표적인방향족휘발성유기화합물질인 toluene의농도변화에따른부하율과제거용량의관계를나타내고있다. Figure 5에나타난바와같이부하율이 40 g/m 3 hr 이하에서는농도에관계없이제거율이거의 99% 이상을나타내나부하율이증가함에따라서제거율은감소하며부하율이더욱증가해도더이상제거용량이증가하지않는최고제거용량을나타내고있다. toluene 농도가 0.2, 0.5과 1.0 g/m 3 일때최고제거용량은각각 40, 45, 60 g/m 3 hr으로나타내고있다. 이는 H 2S의실험결과 (Figures 3과 4) 와유사한경향으로일정하게 toluene 농도를유지시킨실험조건에서임계부하율이상에서주입농도가낮을수록제거효율이감소하는것 공업화학, 제 19 권제 5 호, 2008
생물살수여과법을이용한공기중 VOC 및 H 2S 제거 523 Figure 6. Elimination capacity of toluene vs. load rate with different superficial velocities of trickling solution. Figure 7. Elimination capacity of toluene vs. load rate with different superficial velocities of trickling solution. 으로나타났다. 이는임계부하율이상에서는주입농도가낮을경우공기유량이커지게되면반응기내오염물질의 EBRT가감소하여제거율이감소하게된다. 탑내분무되는살수액 (N, P, K 및각종미네럴포함 ) 은탑내미생물의수분과영양염을공급하는역할을하므로순환하여재사용되며일부소모되는영양염과증발되는수분을보충하기위해 Figure 1에나타난바와같이소량의살수액이외부에서공급된다. Figures 6과 7은순환살수액의견쾌선속도 (superficial velocity: 유량 / 탑단면적 ) 변화에따른 toluene 부하율과제거용량과의관계를나타내고있다. Figure 6에나타난바와같이부하율에따른제거용량과의관계는 Figure 5의실험결과와유사한경향을나타내고있으나본연구의실험조건에서는순환살수액견쾌선속도변화에따른제거용량차이는거의없는것으로나타내고있다. 순환살수액의공급량은통상적으로견쾌선속도로나타내며살수액 0.5 8 m/hr로공급되는데순환살수액의역할은충진제에부착된미생물에영양염과수분을공급하는역할을하므로, 순환살수액공급량은이론적으로충진제에부착된미생물이필요로하는영양염과수분을공급하면된다. 일반적으로탑내미생물활성을유지하기위한필요영양염량의 2 3배정도를공급한다. 순환살수액유량이증가하면제거용량은증가되나, 적정유량이상증가하면탑내살수액의동적정체량 (dynamic hold-up volume) 은증가되어충진제에부착된미생물표면수막두께가두꺼워져오히려기 / 액간의원활한물질전달을방해할수도있다 [13,15]. 반면살수액의순환유량이적을경우탑내살수액의흐름이편류현상을일으켜부분적으로탑내일부미생물층에살수액이공급되지않아미생물의활성도가저하된다. 또한분해과정에서생성되는부산물, 특히유기산생성으로 ph가낮아져미생물활동에악영향을미치게되므로적정순환살수액유량은탑내미생물의활성도, 반응기물리 / 화학적특성 ( 충진제종류, 탑내미생물분포및충진제에부착형태, 살수액의탑내통과경로, 공극율등 ) 에의해결정되어야한다 [5]. Figure 6의실험조건하에서는견쾌선속도가 2배로증가해도제거효율에는큰영향을미치지않는것으로나타났다. Figure 7의실험결과는 Figure 6과같이순환살수액견쾌선속도변화에따른 toluene 부하율과제거용량과의관계에대한실험을진행하였다. Figures 6과 7의실험일자가달라미생물의활성도와반응기의물리 / 화학적특성이달라진다. Figure 7에서는 Figure 6의결과와는다르게임계점이상에서견쾌선속도가증가함에따라제거용량이약간높게나타났다. 이는앞서설명된바와같이적정순환살수액유량은탑내미생물의활성도, 반응기물리 / 화학적특성에따라물질전달, 탑내주입된공기의분배, 살수액통과경로, 미생물분포도, 공극율등이달라지므로탑의특성을고려하여적정운전조건을결정해야된다. 3.3. Styrene 제거실험 Figure 8은 toluene으로순응된생물살수여과탑에 toluene 대신 styrene을주입하여순응기간 ( 최고제거효율이되었을때 ) 을거친후 4주후동일한부하율에서유입농도변화에따른 styrene 부하율과제거용량과의관계에대한실험을실시하였다. toluene으로순응된살수여과탑에 styrene을주입하면순응초기단계에살수액에거품이생기기시작하였는데이는초기순응기간동안탑내미생물의내생호흡결과로판단된다. 순응이진행되는동안살수액내거품은줄어들고서서히제거용량이증가하여 1주후제거용량이정상상태를도달하였다. Figure 8은동일한부하율에서유입농도변화에따른 styrene 부하율과제거용량과의관계를나타내고있다. 농도에관계없이부하율이 20 g/m 3 hr 정도에서는제거율이거의 90% 를보이나부하율이더욱증가함에따라서제거율은조금씩감소하여일정한제거용량 (35 g/m 3 hr) 즉최고제거용량을나타내고있다. styrene 농도가일정한경우부하율을증가시킬수록제거효율이감소하는것은부하율을높이기위해주입되는공기의유량을증가시키면서반응기내에공기의체류시간감소로인하여 styrene의제거율이감소한것으로보인다. toluene과 styrene 유사한실험조건인 Figure 5의 toluene과 Figure 8의 styrene 결과를비교해보면 toluene의최고제거용량은 styrene보다높은것으로나타났다. 이는각각의물질을분 J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 19, No. 5, 2008
524 김경옥ㆍ김용제ㆍ원양수 Figure 10. Pilot plant test for toluene control. Figure 8. Elimination capacity of styrene vs. load rate with different feed concentration. Figure 9. Elimination capacity of styrene vs. load rate with different superficial velocities of trickling solution. 해하는미생물순응정도와미생물분포에의한결과로판단된다. Figure 9는순환살수액의견쾌선속도변화에따른 styrene 부하율과제거용량과의관계를나타내고있다. 살수액의견쾌선속도는살수액순환량으로결정되며견괘선속도에따라젖어있는정도 ( 젖음정도 : wetting degree) 가결정된다. 살수액견쾌선속도가커지면, 즉살수액순환량이커지면미생물막이젖음정도와미생물막두께가증가하여물질전달과미생물에영양염전달에영향을미치게된다 [11]. 물리적측면에서보면견쾌선속도가증가하면미생물막기 / 액물질전달표면적이증가하며, 수막두께가증가하여물질전달저항이커져제거효율이감소할수있다. 그러나견쾌선속도가증가, 즉순환살수유량이증가하면미생물에영양염을충분히공급할수있어미생물활성도가커져제거효율을증가시킬수있는요인이될수있다. 따라서탑내미생물물리적특성을고려하여미생물영양염최소공급량이상으로유지하면서물질전달저항을최소화할수있는최적견쾌선속도를유지하는것이중요하다. Figure 8에는부하율에따른제거용량과의관계는앞의실 험결과 (Figure 8) 와유사한경향을나타내며살수액견쾌선속도변화에따른제거용량은거의차이를나타내고있지않다. Figure 10은탑내하수슬러지를접종하여실험시작후시간경과에따른탑내미생물량과제거효율및온도를나타내었다. 탑내미생물량측정은운전을중지하고 30 min 간살수액을배출한후반응기무게와실험시작전반응기무게 ( 미생물접종전반응기무게 ) 차이로미생물량을환산하였다. 미생물접종후탑내미생물량은 90일까지증가하기시작하여반응기내미생물부피 ( 미생물은물과비중이같다고가정함 ) 가 30% 를차지하였다. 실험기간동안미생물생성에따른압력강하 (1 cm H 2O/m 이하 ) 는일어나지않았다. 미생물이접종된후탑내미생물이부착된것을육안확인할수있을때제거율이 60% 정도를나타냈으며, 탑내미생물부피 15% 정도를차지할때제거율이 100% 정도를나타내었다. 실험시작후 75일까지실험실기온이 20 이상으로제거효율이 100% 에달했으나, 75일이후실험실기온이낮아져 20 이하로떨어지면서제거율은 60 80 % 로저하되었으며기온이 16 에서제거율이 60% 로저하되었다. 이는탑내미생물이온도에매우민감하게반응하는결과를나타낸것이므로생물살수여과법을이용할경우탑내적정온도를유지할수있도록하는가열장치등의주변장치가필수적이다. 4. 결론 생물살수여과법을이용하여운전조건에따른 VOC와대표적악취물질인 H 2S 제거특성에대해고찰하였다. H 2S 제거특성을고찰하기위해 autotroph과 mixotroph에서 H 2S 부하율에따른제거용량실험결과, H 2S 부하율이낮은조건 (10g/m 3 ㆍhr) 에서는두조건에서모두제거율이 99% 이상을나타냈다. 부하율이증가하면서제거율이감소하였으며, H 2S 최고제거용량은 mixotroph에서 12 g/m 3 hr, autotroph에서 10 g/m 3 hr으로각각나타났는데이는공급되는탄소원의양적차이때문인것으로판단된다. 방향족 VOC인 toluene과 styrene 농도변화에따른부하율과제거용량의관계에서 toluene 부하율이 40 g/m 3 hr 이하에서는농도에관계없이제거율이거의 99% 를나타냈으나부하율이증가함에따라서제거율은감소하며부하율이더증가해도제거용량이증가하지않는최고제거용량을나타내고있으며 toluene 농도가 0.2, 0.5과 1.0 g/m 3 일때최고제거용량은각각 40, 45, 60 g/m 3 hr으로나타났다. toluene으로순응된살수여과탑에 styrene을주입하여순응시킨후 styrene 제거율은 tol- 공업화학, 제 19 권제 5 호, 2008
생물살수여과법을이용한공기중 VOC 및 H 2S 제거 525 uene 과유사한경향을나타내었으나전체적으로제거효율이낮게 나타났다. 순환살수액유량등의적정운전조건은탑내미생물의활 성도, 반응기물리 / 화학적특성에따라물질전달, 탑내주입된공기 의분배, 살수액통과경로, 미생물분포도, 공극율등에따라제거 효율이달라지므로이를고려한적정운전조건이결정되어야한다. 참고문헌 1. C. Kennes and M. C. Veiga, Bioreactors for Waste Gas Treatment, Kluwer Academic Publishers (2001). 2. Y. S. Won and M. A. Deshusses, J. Korean Soc. Atmo. Environ., 19, 101 (2003). 3. J. H. Kim, S. H. Park, C. H. Park, and H. S. Park, J. Korean Soc. Waste Manage., 21, 288 (2004). 4. A. M. Kosteltz, A. Finkelstein, and G. Sears, Air & Waste Manage. Assoc. 89th Annual Conference and Exhibition, Pittsburgh, PA, paper #96-RA87B.02 (1996). 5. Y. S. Won and J. Korean Ind. Eng. Chem., 16, 474 (2005). 6. J. S. Devinny, M. A. Deshusses, and T. S. Webster, Biofiltration for air pollution control, Lewis publisher (1999). 7. Y. S. Won, Clean Technology, 13, 1 (2007). 8. H. H. J. Cox and M. A. Deshusses, Biotechnol. Bioeng., 62, 216 (1999). 9. Y. S. Won, T. J. Lee, Y. P. Wu, and M. A. Deshusses, J. Ind. Eng. Chem., 10, 60 (2004). 10. C. J. Mpanias and B. C. Baltzis, Biotechnol. Bioeng., 59, 328 (1998). 11. C. Kennes and F. Thalasso, J. Chem. Technol. Biotechnol., 72, 303 (1998). 12. J. E. Amoore and E. Hautala, J. Appl. Toxicol. 3, 272 (1983). 13. G. Leson and A. M. Winer, J. Air Waste Manage. Assoc., 41, 1045 (1991). 14. M. A. Deshusses and H. H. J. Cox, Encyclopaedia Environmental Microbiology, McGraw Hill (2001). 15. H. H. J. Cox and M. A. Deshusses, Wat. Res., 33, 2383 (1999). J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 19, No. 5, 2008