Toluene 처리를 위한 혼합 Biofilter의 Performance분석

임 현 정 □ 김 경 호 □ 신 평 균 □ 임 종 주*

한국과학기술연구원, 동국대학교 화학공학과*

Performance Analysis of a Hybrid Biofilter Degrading Toluene

Hyun Jung Lim□Kyeoung Ho Kim□Jong Choo Lim□Pyong kyun Shin

Korea Institute of Science and Technology, Seoul, Korea

Department of Chemical Engineering, Dongguk University, Seoul 100-715 Korea*

서론

지난 과거 몇 십년동안 대기 오염문제는 우리의 사회에 많은 문제점을 야기 시키고 지금까지도 해결하기 어려운 문제로 남아있다. 특히 휘발성 유기화합물(VOC)은 성층권의 오존층 파괴와 우리 인체에 암을 유발시키는 유해한 것으로 알려져 있다. VOC처리에 많은 연구가 이루어지고 있는데 그 중에서도  biofiltration은 현재 사용되고 있는 VOC의 처리방법중 생물학적 방법으로 많이 행해지고 있다. 경제적으로나 환경적으로 유용하고 또 저농도 대용량의 VOC처리에 적합한 방법이다. biofilter의 성능은 여러 가지 영향을 미치는 요소 즉,

biological activity, media surface area, biofilter thickness등에 많이 좌우되고 특히 filter media와 미생물의 능력에 의해 많은 영향을 받는다고 볼 수 있다. (1.2.3.4)여기서는 톱밥과 퇴비 나무조각을 사용한 biofilter의 성능과 미생물의 toluene 분해능에 대해 살펴보았다.

실험 방법

미생물의 consortium과 선정 및 toluene 생분해능 평가

미생믈의 선정은 울산·온산 등의  공업단지의 오염 토양으로부터 분리한 균주들 중 toluene의 분해능이 우수한 17개의 균주들을 선별하여 각각 단일 배양 후 혼합하여 consortium을 만들었다.

Biofilter에 사용할 미생물 consortium의 toluene 분해능을 평가하기 위해 최소배지 10ml을 25ml pressure tube에 넣어 멸균한 다음, toluene 500mg/liter와 미생물 consortium을 접종해 주었다.  실험은 30℃, 150 rpm의 shaking incubator에서 수행하였다.  Toluene의 농도변화는 tube headspace를 24시간 간격으로 GC로 분석하여 측정하였으며, cell growth를 보기 위해 660nm에서 UV spectrometer로 optical density를 측정하였다.  미생물의 수와 종류의 변화를 분석하기 위해 실험전후의 liquid media를 100□씩 채취, saline으로 10-6, 10-7, 10-8, 10-9으로 희석하여 PCA 배지에 100□ 씩 duplicate plating하여 30℃ incubator에서 48시간 배양후 미생물 consortium의 변화를 측정하였다.

Biofilter 구성

사용한 미생물은 toluene 분해능이 우수한 선별된 미생물을 사용하였다. 반응기는 water jactket이 있는 원통형 반응기이다 (내경 3.5□, 높이 30□, 전체부피 290□3) 재질로는 유리를 사용하였으며 처리할 VOC의 model compound로는 toluene을 선정하였다. Filter media로는 톱밥(50%), 퇴비(30%, 난지도 하수처리장)를 사용하였으며 구조의 지지를 위해 나무조각(20%)을 첨가하였다. Filter media를 만든후 5회 멸균한 뒤 미생물을 접종해 주었다. 또한 Filter media의 pH를 중성으로 만들기 위해 1M potassium phosphate buffer (pH 7.0)를 이용하였다. Filter media의 함수율은 60%로 맞추었고 함수율을 유지시키기 위해 침출수를 recycle시키고 최소배지를 사용하였다. 함수율은 각각의 filter media를 채취하여 측정한 중량과 105℃ oven에서 24시간 건조한 후에 측정한 중량과의 비로 구하였다.  pH는 침출수의 pH를 이용하여 간접적으로 측정하였으며, 압력손실의 측정은 manometer(Dwyer, Mark II, USA)를 이용하였다.

Biofilter  operation

Figure 1과 같이 air pump에서 발생된 공기는 humidifier를 통과시킨 후 toluene vapor와 혼합시켜 biofilter 에 공급해 주었다. Biofilter를 통과하여 정화된 공기는 toluene의 생분해로 인한 이산화탄소 발생량을 측정하기 위해 0.1N Ba(OH)2 용액을 이용한 이산화탄소 trap을 통과시켜 방출시켰다. Biofilter의 체류시간은 boifilter의 성능에따라 단축시켜 mass loading을 증가시켜 주었다

Toluene의 공급농도는 4000ppmv의 고농도부터 100ppmv의 저농도로 변화시켰다.

toluene의 농도 분석

Gas chromatograph를 사용하였다.

Toluene의 농도를 측정하기 위해서 0.33□ * 25m * 0.2mm HP-1 column과 FID가 장착된 GC(영린 M600D)를 사용하였다. G.C의 분석조건은 Table1과 같다. 시료의 채취는 250□ gas tight syringe(Hamilton, USA)를 사용, 반응기로부터 gas 시료를 채취하여 2∼3회 washing한 뒤 GC에 50□를 injection하였다.

결과 및 고찰

미생물 consortium의 toluene 분해능 평가

선정된 미생물 consortium의 toluene 분해능을 측정하기 위해 최소배지 10ml에

consortium을 접종하고 toluene을 500mg/liter의 농도로 주입한후, 30℃, 150rpm의 incubator에서 배양하였다. Figure 2 에서 볼수 있듯이 약 125시간이 지난후 주입해준 toluene이 모두 제거 되었으며 세포 성장도 정지기에 도달하였다. 이때 배지 10ml에서 consortium의 분해능은 9.68g/□/hr이며, biofilter 부피 290□에서는 최대 280.72g/□/hr(1258 ppmv/min)으로 예상할 수 있지만, batch 실험 결과와 연속적으로 toluene이 공급되는 biofilter의 분해능과는 다소 차이가 있을것이라 생각된다. 미생물 consortium의 population의 변화는 초기 17종을 1012CFU/ml로 접종해 주어 반응후에 plating한 결과 2종류만이 우점종을 이루었으며 108 CFU/ml로 미생물수도 감소하였다. 여기서 우점종을 이룬 2종류를 분리, 배양하여 biofilter실험의 2차 접종에 사용하였다. 한편 blank의 경우에는 세포 성장도 거의 없었으며 접종해준 미생물들이 골고루 존재하고 있었으며 미생물수는 107 CFU/ml 정도였다.

biofilter의 성능변화

Figure 3 에서 볼 수 있듯이 초기 3000-4000ppmv/min(=700-900g/□/hr)의 고농도 toluene 공급시에 35% 정도의 제거율을 보였으며 이 기간동안 이산화탄소는 평균 25.48 □/hr로 운전시간 전체 발생량의 22% 인 5580□ 이 발생하여 접종된 미생물 consortium이 매우 빨리 적응하였음을 알 수 있었다. 미생물의 수는 1012CFU/g에서 1010CFU/g 으로 감소하면서 고농도에서의 분해능이 우수한 균주 1종이 우점을 차지하였다. 고농도 toluene 공급이후 toluene의 공급을 중단하고

aeration만 해주면서 toluene 분해능 평가 실험에서 우점을 차지한 두 개의 균주를 접종해 주었다. 이 단계에서는 toluene 이 공급되지 않아 평균 7.89 □/hr로 1100 □의 적은 양의 이산화탄소가 발생함으로써 앞 단계에서의 이산화탄소가 toluene 분해결과임을 확인할 수 있었다.

100-200 ppmv/min정도의 저농도 단계는 100%의 제거율을 보임과 동시에 이산화탄소 발생율도 증가하여 평균 12.72 □/hr 로 약 4000 mg 의 이산화탄소가 발생하였다.

300-700 ppmv/min의 단계적 shock loading 단계에서도 100%의 제거율은 물론 이산화탄소 발생율도 증가하여 평균 19 □/hr 로 전체 발생량의 25%인 6300 □m이 많은 이산화탄소가 포집되었다.

800 ppmv/min 이상의 연속적 고농도 toluene vapor 공급 단계에서는 24시간 동안은 toluene이 모두 제거되었으나 그 이후부터 분해능이 저하되어 뒤이은 800 ppmv/min 정도의 shock loading 에서도 제거율이 16%로 크게 감소하였다. 이것으로 연속적인 고농도 공급으로 인해 접종한 미생물 consortium이 입은 damage가 매우 컸음을 알 수 있었다.

연속적 고농도 toluene 공급이후 분해능을 회복시키기 위해 100-200 ppmv/min 의 농도로 공급함과 동시에 EBRT를 1분, 45초, 36초 등으로 단축한 결과, 이산화탄소의 발생량이 급격히 증가함으로써 toluene의 생분해도가 증가함을 알 수 있었다. 또 EBRT를 15sec까지 단축후에도 mass loading증가로 이산화탄소의 발생은 증가하였으나 제거율은 저하되었고 125일에 filter를 open하여 교반한 뒤 performance가 일시적으로 향상되었다. 100-200 ppmv 정도의 toluene vapor에서 EBRT를 1.5분에서 3.6초까지 단축한 결과 제거 용량은 29 g/□/hr에서 70 g/□/hr로 약 2.3배 증가 하였다.

또한 우점을 이룬 균주들의 비율에 따라 biofilter의 제거성능에 어느정도 비례하여 biofilter의 성능 향상을 위해서는 우점균주의 활성을 높이는 것이 중요함을 알 수 있었다. 실험 결과로 보아 기존의 toluene 처리 biofilter 보다 높은 제거능을 가질 수 있었으며, 이것은 실험에 사용된 미생물 consortium의 toluene 분해능이 우수하였으며 여러 장점을 가진 혼합된 filter media를 사용하였기 때문이라고 판단된다.

참고 문헌

1. Joseph S. Devinny, Marc A. Deshusses, Todd S. Webster,                "Biofiltration for Pollution Control", CRC Press LLC, Florida,            1999.

2. S. P. P. Ottengraf et al., "Kinetics of Organic Compound Removal       From Waste Gases with a Biological Filter", Biotech. Bioengineer.       24, 3089-3102,1983.

3. 권성현, 권대용, □ VOC 및 악취제거를 위한 Biofilter 기술□, 환경기술특      집, 한국화학공학회 에너지□환경부문 위원회, 1999.

4. Warren J. Swanson et al., "Biofiltration: Fundamentals, Design and      Operations, Principles, And Applications", J. Environ. Engineer.,         123(6), June, 1997.

Figure3. 다양한 운전 조건에서의 biofilter                            의 성능 변화

Figure2. 미생물 Consortium의

toluene분해

Table1. G□C분석조건

구 분	GC-FID (영린 M600D)
Column Injector temperature Detector temperature Oven temperature Carrier gas Injection volume Split ratio	HP -1 250 。C 250 。C 60 ~ 100。C : 5。C/min 100 ~ 180。C : 20。C/min N2, 1ml/min 50 ul, gas phase 20:1