화산석을 담체로한 Biofilter에 의한 Benzene, Toluene 제거 특성 연구

박홍기, 이회근, 주창식, 감상규*, 이민규

부경대학교 화학공학부, 제주대학교 환경공학과*

A study on benzene and toluene removal characteristics of benzene and toluene by biofilter with scoria

Hong-Gi Park, Hwae-Geon Lee, Chang-Sik Ju, Sang-Kyu Kam*, Min-Gyu Lee

Division of Chemical Engineering, Pukyong National University

Department of Environmental Engineering Cheju, National University*

서론

Biofiltration은 담체 사이로 오염된 공기가 통과하면서 담체에 생성된 미생물막으로 확산되어 미생물이 오염물을 산화 분해하는 기작을 이용하여 공기를 정화하는 기술이다.[1] Biofilter는 기존에 VOCs를 처리하는 방법으로 이용된 물리화학적 처리 기술보다 경제적이고 2차 오염물질 배출이 적은 장점이 있으며 주로 대용량, 저농도로 발생되는 오염공기를 정화하는데 매우 유용한 기술로 알려졌다.[2] 이러한 biofilter의 미생물 담체로서는 퇴비, peat 등이 많이 이용되었다.[3] 토양 탈취상 (soil bed)은 대표적인 생물탈취기술로서 널리 사용되어 왔으나 충진재료로서 토양을 사용하고 있어 낮은 통과유속으로 인해 넓은 부지가 필요하고 압밀에 의한 압력손실의 증가와 함께 pin holes, air channel 형성 등의 문제점이 많이 지적되어 왔다.[4] 또한 이러한 충진재는 높은 물리적 흡착, 양호한 수분 보수력으로 인해 높은 제거효율을 가지고 있으나 미생물에 의해 충진재 자체가 분해되고 압밀되어 충진재층으로 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 발생하는 것으로 알려져있다. 이와 같은 단점을 해결하기 위해 최근에는 미생물 담체를 내화학성과 강도가 우수하고 미생물을 부착할 수 있는 표면적이 큰 재료들을 이용하는 경향이 있다. 이러한 담체는 수명이 반영구적일 뿐만 아니라 과잉미생물에 의해 압력손실이 발생하더라도 역세척에 의해서 과잉 미생물만을 제거하여 압력손실을 회복할 수 있는 장점이 있다.[4] 제주도 화산석은 화산이 폭발할 때 분출되는 여러 물질 가운데 다공질의 화산암, 화산모래, 기타 화산회 등이 포함되어있어 무게가 가볍고 쉽게 파괴되지 않을 정도의 강도를 지니고 있을 뿐 아니라 미생물이 부착될 수 있는 충분한 표면적을 갖추고 있어서 biofilter의 담체로 적합할 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 제주도 화산석을 담체로 하고, 본교 생물공학과에서 분리배양한 bacillus 혼합 균주를 이용하여 산업현장에서 주로 발생하는 대표적인 VOC인 톨루엔과 벤젠에 대해서 biofilter를 이용하여 압력손실, EBCT (Empty Bed Contact Time), 영양물질 공급, 최대제거용량 등에 대한 연구를 수행하였다.

실험

1. 미생물 담체

미생물 담체는 제주산 화산석을 입경 12-17 mm로 선별하여 각 반응기에 120 cm 높이로 충진하였다.

2. 실험장치

본 실험에서 사용한 반응장치는 증습기 (ID : 160×1500 mm), 기화기 (ID : 50×300 mm), 혼합기 (400×200×80 mm), 반응기 (ID : 100×2000 mm, 4조) 등의 네부분으로 구성되어졌다. 증습기와 영양물질의 공급은 time controller를 이용하여 일정 시간 간격으로 작동되도록 하였다. Benzene, toluene (BT) 가스는 BT용액이 담긴 기화기를 30 ℃로 일정하게 유지되는 water bath에 설치하고 이때 발생되는 BT 가스를 air펌프의 공기와 mixing chamber에서 정량적으로 혼합하여 실험농도까지 희석하여  칼럼 상부로부터 주입하였다.

3. 미생물 부착

충진재에 접종한 미생물은 본교 생물공학과에서 분리배양한 bacillus 혼합 균주를 벤젠, 톨루엔, 자일렌을 혼합 공급하여 세가지 물질에 순응시킨 미생물을 biofilter에 식종하였다.

4. 분석방법

BTX의 분석은 FID가 부착된 GC (Donam, DS 6200)를 사용하였으며 칼럼은 BP20 (0.32 mm(I.D) × 30 m, film thickness 0.25 □)를 사용하였다. 유출수의 pH는 pH-meter (ORION model 420A)를 이용하여 측정하였다. 압력 손실은 Durablock Manometer (DWYER, USA)로 측정하였다.

결과 및 토의

1. 입자별 유속에 따른 압력강하

Biofilter에 사용할 담체의 입자 크기를 선정하기 위하여 담체의 입경별 가스의 유속에 따른 압력강하 실험을 수행하였다. 입자는 표준체를 사용하여 입경 크기별로 4개 그룹으로 나누어 직경(ID) 5 cm, 높이 70 cm의 원형아크릴관에 55 cm의 높이로 충진하여 실험하였다. 유속 변화는 0.02-0.25 m/sec(EBCT 60-2 sec)로 변화시켜 실험하였다. Fig. 1에서 보면 입자의 크기가 작아질수록, 유속이 증가할수록 압력 강하도 크게 측정되었다. 입자의 직경이 10 mm이상인 A 그룹의 경우에 유속이 0.25 m/sec (EBCT 2 sec)로 증가하더라도 압력 강하는 매우 낮게 나타났다. 이러한 결과로 본실험에 사용되어진 입자의 크기는 12-17 mm의 입자를 체분리하여 사용하였다.

Fig.. Pressure drop with particle size for different gas velocities.

2. 회분식 실험

Fig. 2에서 toluene에 대한 회분식 실험을 2 L 삼각플라스크에서 배지 300 mL를 채우고 1700 mL는 O2를 채워 toluene의 농도를 500-12000 ppmv로 달리하여 미생물의 분해 특성을 실험하였다. Toluene의 경우 초기 4시간에 빠르게 분해가 되었으며 1000 ppmv까지는 20시간에 완전히 분해되었다. 동일한 조건에서 benzene에 대한 실험으로 1000 ppmv를 기준으로 보면 toluene이 완전히 제거되는데 반하여 benzene은 약 75 % 정도가 제거되었다.

Fig 2. Comparing the degradation rates of single substrate.

3. 연속 운전

Fig. 3은 연속 운전시 결과를 나타낸 것이다. 운전은 유입농도를 40-1200 ppmv로 변화시켜 유출 농도 변화를 살펴보았다. 그림에서 보면 toluene 40ppmv에서 EBCT을 1 min로 운전헌 경우 3일경과뒤에 제거율 100 %를 보임으로써 미생물이 빠른 시간안에 순응하였으며, 그이후에 1200ppmv 까지 2-4일만에 순응하였다. 영양물질의 영향을 살펴보기 위하여 영양물질의 공급을 일정기간 중지하여 영양물질의 영향을 살펴보았다. 실험 결과 영양분의 공급을 중지한 경우에 제거율은 급격히 감소하여 21.4 %까지 감소하였으나, 영양분 공급을 재개한 운전 시 제거효율이 다시 95 % 이상을 유지하였다. Biofilter에서 체류시간이 짧아지면 제거율이 급격히 낮아져 실제 공정적용에 있어서 많은 제약이 따르는 것으로 알려져 있다. EBCT를 1 min-5 sec로 변화시켜 운전한 결과 적응 시간은 2-3일로 빠르게 나타났다. EBCT의 변화에 따른 제거용량의 변화는 toluene의 경우는 600 ppmv에서 운전한 결과로 EBCT 10 sec까지는 제거율이 97 % 이상 유지되었으며, 5 sec에서도 유입 농도의 50 %가 제거되었다. 체류시간이 5 sec일 경우에 유입 toluene의 농도가 300 ppmv일때는 100 % 제거되었다.

Fig. 3.Degradation of toluene and benzene vapour in a biofilter.

Benzene을 동일한 조건에서 운전한 결과 toluene과 유사한 결과를 얻을 수 있었다. EBCT 10sec 까지는 95 % 이상 제거되었다. 또한 biofilter의 최대 제거 용량은 toluene의 경우 760 g/m3·hr이며 benzene은 720 g/m3·hr였다.

4. 연속 운전시 압력강하와 pH

Biofilter를 연속 운전하는 경우에 biomass의 증식으로 인하여 압력손실이 커진다고 알려 져있으며, 미생물의 분해과정중에 산생성으로 인하여 pH가 낮아진다고 알려져있다. 따라서 본 연구에서도 연속 운전시에 압력 강하와 pH의 변화를 살펴보았다. 압력 강하의 경우에는 5 mmH2O로 낮게 유지 되었으며 pH는 6-7로 일정하였다.

Fig. 4.pH & head loss profiles.

참고문헌

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

2. Sorial, G. A., Smith, F. L., Suidan, M. T., Pandit, A., Biswas, P., Brenner, R. C., □Evaluation of trickle bed air biofilter performance for BTEX removal□, J. Environmental Engineering, 123(6), 530∼537 (1997).

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

4. Warren J. Swanson and Raymond C. Loehr., □Biofiltration : Fundamentals, Design and Operations Principles□, and Applications, J. of Environmental Engineering,123(6), 538-546 (1997).