P.putida strain DK1을 이용한 Biofilter에서의 VOC 처리특성 연구

김 빈·김승수·김소영*·함승주·김응빈*·김우식

연세대학교 화학공학과, *연세대학교 생물학과

Characteristics of VOC Treatment with Biofilter

by P.putida strain DK1

Binn Kim·Seung-Su Kim·So-Young Kim*

Seung-Joo Haam·Eungbin Kim*·Woo-Sik Kim

Department of Chemical Engineering, and *Department of Biology, Yonsei University, Seoul 120-749, Korea

1. 서 론

유해 대기 오염물질(hazardous air pollutants) 중에 상당 종류가 포함된 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds: VOCs)은 탄화수소 화합물의 총칭으로 오존 등 광화학 스모그 원인 물질일 뿐만 아니라 발암성 등의 유해 물질, 지구 온난화와 성층권 파괴의 원인물질, 대기 중 악취 물질로서 환경 및 건강에 영향을 초래하는 물질을 말한다. 현재는 미량 존재하여 단기간에는 영향이 나타나지 않아도 낮은 농도일지라도 장기적 영향을 초래할 수 있는 유해 대기 오염물질에 대한 새로운 대응이 요구되는 것이다. 여러 나라에서 법적으로 공기오염을 규제하게 되었다.

생물학적인 처리방법은 촉매산화, 소각, 그리고 흡착과 같은 다른 제어기술에 비해 좀 더 경제적이고 능률적이다. 오염물질이 또 다른 단계로 가는 것이 아니라 해가 되지 않는 산화물로 전환된다. 그래서 생물학적인 시스템은 더 이상 환경문제를 일으키지 않기 때문에 환경에 더 적합하다. 또한, 생물학적인 방법은 낮은 투자비와 운전비용 때문에 상대적으로 싸고 좋은 운전의 안정성을 보여준다. 생물학적인 기술이 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고 지금까지 배출공기 처리에 이러한 방법을 사용하는데 별로 주의를 기울이지 않았다는 것은 실로 놀랍다. 생물학적인 방법 중 하나인  biofiltration은 가장 큰 관심을 일으켰다.

Biofilter란 나무껍질이나 퇴비 등에 자연적으로 존재하는 미생물들을 이용하여 악취 및 솔벤트류 등의 휘발성 유기물질(VOC)을 제거하는 기술이며 미생물들이 부착된 필터층에 악취나 VOC등의 가스를 통과시키면 유해 유기물질들이 미생물에 의해 분해되어 CO2 , 물, 무기염류로 변한다. 유럽에서 지난 몇 십 년 동안 탈취 및 VOC제거에 널리 이용되어온 가장 경제적인 시스템이다.

일반적으로 biofilter는 유량이 많고 저농도인 폐가스에 주로 쓰이는데,본 연구에서는 Media에서 직접 Pseudomonas putida strain DK1을 배양시켜서 고농도 VOC처리효과를 알아 보았다. 또한 Bed-Length 차이에 따른 효율 변화도 연구해 보았다.

2. 실 험

실험장치는 Fig.1에서와 같다. Biofilter의 media로 쓰이는 나무껍질은 크기가 2-3 cm이고, 그 안에 기생하는 미생물을 죽이지 않기 위해 충분한 공기를 공급해 주었다.  Pilot-scale biofilter는 양쪽 6단씩으로 구성되어 있고, 한 단의 크기는 가로 38 cm, 세로 58 cm, 높이 21 cm로 되어 있다. 수분은 습도가 98∼99% 유지하도록 공급되었고, 공기-VOC 혼합유량은 0.398 m3/min.이다. 실험기간 동안 의 Biofilter내의 온도는 20∼24 ℃였다. Bench-scale biofilter는 지름 5 cm, 길이 30 cm로 된 컬럼으로, media는 Pseudomonas putida strain DK1로 접종시켜 각각 6 cm, 12cm로 채워져 있다. 유량은 각각 40ml/min., 80ml/min. 이다. 컬럼은 열선을 감아 30 ℃로 유지했다.

균배양

우수한 benzene, toluene 분해세균을 분리하기 위해서 BTX로 오염된 지역을 선정하여 초기 토양 시료를 준비했다. 이들 토양 시료로부터 benzene, toluene을 이용하여 enrichment culture를 수행하였고 이를 유일한 탄소 및 에너지원으로 이용하여 성장할 수 있는 세 종류의 세균을 일차적으로 분리하였다. 모두 Gram 음성균으로 밝혀진 이들 3종의 세균은 고체배지에서 자라는 colony의 색깔 및 모양 그리고 광학 현미경으로 관찰되는 형태학적 특성으로 볼 때 각기 상이한 세균인 것으로 생각된다. 예비실험 결과, 가장 분해능력이 뛰어난 P. putida 세균을 선택하여 biofilter 실험에 이용하였다.

Benzene, toluene을 각각 유일한 탄소원으로 이용하는 세균의 성장 여부는 고체 mineral salts basal (MSB) 배지를 이용하여 결정하였다[4].  채취한 배출액을 멸균수에 적당한 농도로 희석하여 20 mM succinate가 들어있는 고체 MSB 배지와 탄소원이 배제된 고체 MSB 배지에 각각 도말하였다.  후자의 경우에는 benzene, toluene을 각각 증기 상태로 공급하였다.  세균의 배양은 30℃에서 실시하였고 24시간 경과 후 형성된 colony 숫자를 계상하였다

Fig. 1. Schematic diagram of pilot and bench-scale biofilter

실험 방법

<Pilot-scale biofilter>

Benzene은 VOC generator로부터 질소로 bubbling시켜 기상으로 biofilter로 공급되었다. VOC 농도를 되도록 균일하게 하기 위해 VOC generator를 열선으로 온도를 일정하게 유지시켰다. 실험을 시작해서 미생물이 적응하는 시간을 가지도록 1주일 지난 후부터 일정한 시간마다 도입과 배출 농도를 sampling하여 G.C.로 확인했다. 각 단의 농도도 체크해 보았다. 1주일씩 농도를 높여 가며 실험을 계속했다. 농도(50∼200 ppm)를 바꿀 때마다 균의 적응시간을 줄이기 위해 실험을 연속적으로 수행했다. P. putida  균을 투입했을 때도 똑같은 방법으로 시행했다.

<Bench-scale biofilter>

Pilot-scale biofilter에서와 마찬가지로 benzene, toluene을 bubbling시켰고, bed length를 6 cm, 12 cm로 달리 했을 때 VOC처리 효과를 알아보았다. 농도는 1000 ppm∼3500 ppm 로 변화시켜가며 실험을 수행했다.

3. 결과 및 토론

Pilot-scale biofilter 실험에서, Fig. 2에서 보는 바와 같이 특별한 균을 접종하지 않았을 때 50 ppm에서 약 85 %, 100 ppm에서 약 70 % 그리고 200 ppm에서는 약 68 %의 효율을 보였다. P. putida  배양액 1L를 media에 투입했을 때 50 ppm에서 100 %, 100 ppm에서 약 88 % 그리고 200 ppm에서는 약 82 %의 효율을 보였다.  Biofilter 내의 미생물 군집 변화를 측정하기 위한 한 가지 방법으로 biofilter 배출액을 주기적으로 분석한 결과, 시간이 경과함에 따라서 benzene 분해 세균의 수가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 benzene 분해 세균의 증가가 biofilter의 효율 증가의 직접적인 원인으로 작용했다고 사료된다. 실험이 연속적으로 이루어지기 때문에 균의 적응 시간이 길어짐에 따라 100 ppm과 200 ppm에서 효율변화가 적었음을 알 수 있었다. Fig.3에 나타나듯이 각 단의 효율을 측정해 보았을 때, 대부분 2단을 거치면서 많은 처리효율을 보였다. 수분공급이 1단에서는 골고루 되지 않고 2단부터 전체적으로 잘 이루어져 미생물이 1단에서는 증식하기에 부적합하다. 따라서 2단에서 미생물 증식이 이루어진 것으로 생각된다. 균을 투입했을 때는 1단과 2단에서 대부분 처리가 되었다. 균을 맨 위에서 투입하고 물을 계속 공급해 전체적으로 골고루 퍼지게 했으나, 균이 대부분 1단에 머무르는 것 같다. 효율이 점점 향상되면서 특히 2단에서 급격한 효율향상을 보였다.

이상을 종합해 보면, 20∼24 ℃에서 P. putida 투입 효과를 확실히 알 수 있었다. 배양액을 더욱 늘리고 온도를 P. putida가 적응하기에 적합한 30 ℃로 유지한다면 더욱 좋은 결과를 얻으리라 사료된다.

Bench-scale biofilter에서는, 먼저 benzene에서  제거효율이 100 %에 이르는 데는 bed-length가 각각 6 cm·12 cm일 때, 1500 ppm에서 80·78시간, 2000 ppm에서 105· 96시간, 2500 ppm에서 126·104시간이 걸렸다. 그리고 3000 ppm에서는 최종효율이 각각 84, 95 %에 이르렀다. Toluene에서는 100 %에 다다르는 시간이 bed-length가 각각 6 cm·12 cm일 때, 2000 ppm에서 82·74, 2500 ppm에서 100·82, 3000 ppm에서 120·98시간이 걸리고 3500 ppm에서는 88, 96 %에 이르렀다. 실험초기 흡착량이 12 cm에서 6 cm에 비해 상당히 많음을 알 수 있었다. 벤젠 분해균 수도 6 cm일 때 1500 ppm에서 2.2*105에서 3000 ppm일 때는 13.6*106로 12 cm일 때는 8.98*105에서 35.0*106로 상당히 증가했다. Toluene 분해균 수는 6 cm일 때 2000 ppm에서 1.84*107에서 3500 ppm일 때는 9.10*107로 12 cm일 때는 1.96*107에서 16.83*107로 상당히 증가했다. 또한 농도가 점점 높아질수록 toxic해지기 때문에 균들이 서로를 보호하기 위해 어떤 물질을 내놓아 균들이 엉겨붙는 현상을 볼 수 있었다.

이 실험을 통해 고농도에서도 biofilter가 효과적으로 VOC를 처리할 수 있다는 결과를 얻었다. 또한 Bed-length가 12 cm일 때가 6 cm일 때보다 훨씬 유리함을 알 수 있었다.

4. 참고문헌

1. 김인환, □환경법해설□, 188, 서울(1996)

2. S.M. Zarook, A.A. Shaikh, Z. Ansar and B.C. Baltzis, Chemical Engineering Science, 52, 4135-4136(1997)

3. Karim Kiared, Bruno Fundenberger, Ryazard Brzezinski, Guy Viel, and Michele Heitz, Ind. Eng. Chem. Res., 36, 4179(1997)

4. Stanier, R. Y., N. J. Palleroni, and M. Duodoroff, The aerobic pseudomonads: a taxonomic study. J. Gen. Microbiol. 43, 159-271(1966)

5. M. Zilli, A. Converti, A. Lo야, M. Del Borghi, and G. Ferraiolo, Biotech.       and Bioeng., 41, 693-699(1993)

6. Maria Elena Acuna, Fermin Perez, Richard Auria, Sergio Revah, Biotech.       and Bioeng., 63, 175-184(1999)