Biofilter를 이용한 휘발성유기화합물 및 무기악취 제거

박상진, 임재신*

우송대학교 토목환경공학과, KAIST 토목공학과

Removal of VOCs and Odor Using Biofilter

Sang-Jin Park, Jae-Shin Lim*

Dept. of Civil & Environmental Engineering, Woosong Univ., Dept. of Vivil Engineering, KAIST

서론

생물학적처리(biofiltration)는 미생물막이 형성된 충전물질 사이로 오염된 공기가 통과하면서 오염물질이 미생물막으로 확산되면서 미생물에 의해 산화분해되는 기작에 의해서 오염공기를 정화하는 기술이다[1]. Biofilter는 기존에 VOCs 및 악취를 처리하는 방법으로 이용된 물리화학적 처리 기술보다 경제적이고 2차 오염물질 배출이 적은 장점이 있으며 주로 대용량, 저농도로 발생되는 오염공기를 정화하는데 매우 유용한 기술로 알려졌다[2].

역사적으로 biofilter는 1960년대 토양층에 오염된 공기를 주입하여 토양흡착과 토양미생물을 이용하여 제거하는 개방형(Open type) soil bed를 시작으로 발전하였으며 1980년대 부터 폐쇄형(closed type) biofilter가 개발되었고 미생물 담체로서 퇴비, peat 등 유기성 재료들이 이용되었다[3,4] 그러나 soil bed는 넓은 부지가 필요하고 균등한 공기공급이 어려우며 pin hole이 형성되어 제거율이 저하되는 등의 문제점이 있다[5]. 또한 유기성 충전재는 높은 물리적 흡착, 양호한 수분 보수력으로 인해 높은 제거효율을 가지고 있으나 미생물에 의해 충전재 자체가 분해되고 무기화로 압밀되어 충전재층으로 공기의 흐름이 일정하게 유지되지 않는 단점이 있다[2]. 특히 VOCs를 제거하는 미생물은 유기탄소를 이용하는 종속영양세균으로써 biofilter 내부에서 급격히 증가하여 과잉 미생물이 공극을 막아 압력손실이 급격히 증가하여 동력비가 상승하고 처리효율이 낮아지는 문제점이 발생한다. 이와 같은 단점 때문에 유기성 충전재는 1년정도 마다 교환하거나 재배치해 주어야 처리효율을 유지할 수 있다[5]. 이와 같은 단점을 해결하기 위해 최근에는 미생물 담체를 내화학성과 강도가 우수하고 미생물을 부착할 수 있는 표면적이 큰 세라믹 담체를 이용하는 경향이 있다. 세라믹과 같은 무기성 담체는 수명이 반영구적일 뿐만 아니라 과잉미생물에 의해 압력손실이 발생하더라도 역세척에 의해서 과잉 미생물만을 제거하여 압력손실을 회복할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 산업현장에 발생하는 주로 발생하는 대표적인 VOC와 악취물질인 톨루엔과 황화수소에 대해서 플라이애쉬와 규조토를 혼합하여 제조한 다공성 세라믹을 미생물 담체로 한 biofilter를 이용하여  압력손실, 체류시간, 영양물질 공급, 최대제거용량 등에 대한 연구를 수행하였다.

실험

1. 미생물 담체 제조

세라믹 미생물담체는 플라이애쉬 95%와 규조토 5%를 혼합하여 포밍법에 의해서 비중 0.65g/cm3, 공극 75.54%, 수분흡수력 71.07%, 강도 45.94kg/cm2이며 평균 기공크기가 14.26□인 다공성 세라믹을 제조하였다.

2. 실험장치

실험장치는 톨루엔 제거용 biofilter와 황화수소 제거용 biofilter를 각각 1기씩 제작하였다.

톨루엔 제거용 biofilter 장치 칼럼은 유리로 제작되었으며 칼럼의 크기는 직경 4.8cm, 높이 85cm이며 60cm의 높이로 충전재를 충전하였다. 충전층을 15cm 간격으로 나누어 sampling port를 장착하였다. 영양물질은 time controller가 부착된 master flux pump를 이용하여 칼럼 상부로부터 공급하였다. 칼럼의 하단부 출구에는 유출수를 받을수 있도록 제작하였다.

Toluene 가스는 toluene 용액이 담긴 500ml 삼각플라스크를 30℃로 일정하게 유지되는 water bath에 설치하고 이때 발생되는 toluene 가스를 1∼100ml/min의 용량을 가지고 있는 air mass flow controller(Tylan general Co. USA)를 이용하여 콤프레서 공기와 mixing chamber에서 정량적으로 혼합하여 실험농도까지 희석된 Toluene 가스를 칼럼 상부로부터 주입하였다.

H2S 제거용 biofilter 장치는 toluene 제거용 biofilter와 같은 장치를 이용하였다. H2S 가스는 한국표준과학연구소에서 제작한 표준 가스를 사용하였으며 가스봄베로부터 나오는 H2S를 콤프레서 공기와 mixing chamber에서 정량적으로 혼합하여 희석된 H2S를 칼럼 상부로부터 주입하였다.

3. 미생물 부착

충전재에 접종한 미생물은 하수처리장 포기조 반송오니를 2일간 공폭시킨 후 4시간 동안 자연 침강된 농축 슬러지를 사용하였다. 이때 농축된 반송오니의 pH는 6.8, MLSS는 17,683mg/L였다. 충전재에 부착된 미생물은 0.023 g MLSS/g-dry packing material이었으며 미생물을 부착한 충전재의 초기 pH는 6.5였다.

4. 분석방법

Toluene의 분석은 FID가 부착된 GC(Shmidzu GC-14B, Japan)를 사용하였다. 칼럼은 DB-FFAP(0.53mm(I.D) × 30m, film thickness 1□)를 사용하였다. H2S의 분석은 FPD(Flame Photometric Detector)가 부착된 GC(Shmidzu GC-17A, Japan)로 분석하였다. 칼럼은□,□`-oxidropionitriebo 60∼80 mesh chromosorb w가 충진된 glass column을 사용하였다. 유출수의 SO42- 분석은 Dionex 2000I AS4A Column이 부착된 Ion Chromatography(Dionex Co.)를 이용하였다.

결과 및 토의

1. 톨루엔 연속제거실험

그림 1에서와 같이 운전 4일째 spike test를 실시하였을 때 제거율 100%를 보임으로써 미생물의 순응이 완료되었으며, 정상상태에서 미생물이 toluene에 의해 저해를 받지 않고 제거할 수 있는 농도는 2,413ppmv 까지이며, 이때 유입부하량은 444.85g/m3·hr 였다. 고농도의 VOC가 장기적으로 biofilter에 유입될 경우 과량의 biomass가 축적되어 압력손실이 발생되고 channeling 현상으로 전체적인 운전효율 및 제거효율이 저하되는 결과가 발생되었다. 미생물량의 증식과 함께 99% 이상을 보이던 제거율은 점차 감소되어 운전 25일차에는 제거율이 65% 까지  급격히 감소되었으며 이때의 압력손실은 SV 100h-1에서 460.6Pa로 매우 높았다. 역세척에 의해 미생물량을 조정한 운전 26일차에는 제거율이 다시 99% 이상으로회복되었다. 미생물 담체가 무기성 재료인 경우 영양물질의 공급은 전체 biofilter의 제거효율을 좌우할 수 있는 매우 중요한 요소로 나타났는데 실험 31일차부터 37일차까지 영양분이 없는 수돗물만을 공급하였을 때에 제거율은 급격히 감소하기 시작하여 31.7%까지 감소하였으나, 영양분 공급을 재개한 운전 38일차 부터는 제거효율이 다시 95% 이상을 유지함으로써 영양분의 공급여부는 biofilter의 성능에 민감하게 작용하는 것으로 나타났다

그림 1. Biofilter 운전기간중 유입부하량 증가에 따른 toluene의 제거율

□,유입부하량 ; □,제거율

2.H2S 연속제거실험

다공성 세라믹 biofilter는 H2S 유입농도가 500ppm 이하인 경우 별도의 순치기간이 필요없이 99% 이상의 높은 제거효율을 나타냈으며, 유입부하량 50 g-S/kg-dry packing material/day 이하에서는 95%이상의 높은 제거효율을 유지하였다. 실험장치에 유입된 H2S는 황산화분해균주에 의해 최종적으로 SO42-형태로 산화됨으로 인해 pH 저하와 함께 제거율의 감소를 나타내는데, 본 실험에서도 칼럼충전재의 pH는 초기 6.5에서 최저 pH 2까지 저하되었으나 pH 2.5까지는 제거능의 감소 없이 95%이상의 높은 제거효율을 나타내어, peat나 퇴비 등의 타 유기성 미생물담체보다 낮은 pH에서도 높은 제거효율을 나타내는 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다.  무기악취 처리시 biofilter내 압력손실의 변화는 유입풍량의 증가에 따라 거의 비례하여 증가되었으나 SV 500 h-1에서도 압력손실치는 39.2 Pa로써 매우 낮게 나타나 역세척이 필요했던 VOCs의 경우와는 달리 압력손실의 문제는 그다지 크지 않은 것으로 나타났다.

그림 2. Biofilter 운전기간중 유입부하량 증가에 따른 H2S의 제거율

□,유입부하량; □,제거율

참고문헌

1. Tang, H. M. and Hwang, S. J(1996) Waste gas treatment in biofilters, J. Air & Waste Manage. Assoc., 46, 349∼354

2.Sorial, G. A., Smith, F. L., Suidan, M. T., Pandit, A., Biswas, P., Brenner, R. C(1997) Evaluation of trickle bed air biofilter performance for BTEX removal, J. Environmental Engineering, 6, 530∼537.

3.Ottengraf, S. P. P., Van den Oever, A. H. C(1983) Kinetics of organic removal from waste gases with a biological filter, Biotechnology and Bioengineering, 25, 3089∼3102.

4. Park, S. J., Cho, K. S., Hirai, M., and Shoda, M(1993) Removability of malodorous gases  from a night soil treatment plant by a pilot-scale peat biofilter inoculated with Thiobacillus thioparus DW 44, J. Fermentation and Bioengineering, 76(1), 55∼59.

5. Van Lith, C., Leson, G., and Michelsen, R(1997) Evaluation design operation for biofilters,  J. Air & Waste Manage. Assoc., 47, 37∼48