바이오필터를 이용한 황화수소 제거 특성

빈정인*, 이병헌*, 김중균**, 최혁***, 이민규

부경대학교 화학공학부, 환경시스템공학부*, 식품생명공학부**, JOY 엔텍***

Removal Characteristics of Hydrogen Sulfide by Biofilter

Jung-In Bin*, Byung-Hun Lee*, Joong Kyun Kim **, Hyuk Choi***, Min-Gyu Lee

Division of Chemical Engineering, Pukyong National University,              Division of Environmental System Engineering, Pukyong National University*,  Division of Food and Life Engineering, Pukyong National University**,         JOY ENTECH***

서론

하·폐수처리장, 분뇨처리장, 쓰레기처리시설 등과 같은 환경기초시설 및 각종 산업시설에서 발생하는 악취로 인한 감각공해 문제가 제기되고 있는 추세이며, 특히 산업발전과 인구밀집에 의해 악취 관련 민원이 급증하고 있어 이에 대한 적절한 대책이 요구되고 있는 실정이다. 악취물질들은 작업장 내의 근로자뿐만 아니라 인근 지역주민들에게 정신적인 불쾌감을 주는 동시에 인체에 매우 유해한 물질이다[3].

악취 발생의 주요 물질은 일반적으로 휘발성유기물질(VOCs)과 황·질소함유화합물인 것으로 알려져 있다. 이러한 다양한 악취물질의 제거방법으로는 연소법, 활성탄흡착법, 산화법, 습식세정법, 소·탈취제법 그리고 생물탈취법 등 다양하게 이용되고 있지만, 여러 가지 현장 조건에 따라 경제적이면서도 효과적으로 처리하는데에는 많은 문제점들이 나타나고 있다. 그 중에서도 물리·화학적인 악취 제거법은 그 적용면에서 제약이 따르며, 특히 외국기술 도입 및 충진재와 화학약품 소요에 의한 비용 증가, 처리효율의 불안정 그리고 2차 오염물질의 발생 등의 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 극복할 수 있는 방안으로 최근에는 생물학적인 탈취법이 세계적으로 채택되고 많은 연구가 수행되고 있다[1,4].

생물학적인 탈취법은 미생물의 대사작용에 의해 악취물질을 제거하거나 다른 무취의 물질로 전환시키는 방법이다. 생물탈취의 기본적인 메카니즘은 악취성분이 생물막(Biofilm)에 용해되고 직접 또는 가수분해단계를 거쳐 저분자 상태로 미생물의 세포막을 통과함으로써 미생물 세포내 흡수되어 최종적으로 무취 혹은 저취기 물질로 변환된다[1]. 다음은 황화수소의 산화반응식을 표시하였다.

H2S + 2O2  →  SO4 + 2H+

2H2S + O2  →  2S + 2H2O

2S + 2H2O + 3O2  →  2SO4 + 4H+

생물학적인 탈취법에서 효과적인 제거효율을 얻기 위해서는 탈취 미생물이 최대의 활성을 유지하도록 해야 한다. 먼저 담체는 용이한 배수, 다공성 유지, 낮은 압력손실의 물리적 구조와 더불어 영양소 등 적정한 미생물 생장 환경을 조성할 수 있어야 하며, 수분과 산소는 미생물 대사의 필수적인 성분으로 충분히 공급되어야 하는데 일반적으로 유입 가스의 높은 상대습도를 유지시켜 필터층이 60%정도의 상대습도를 유지하도록 하고, 미생물의 생육에 적절한 범위의 온도와 pH 등이 유지되어야 한다. 또한 미생물에 해로운 유해성분 즉, 중금속을 함유하는 분진, 세포호흡이나 대사에 독성으로 작용하는 물질을 포함하는 경우 장기적으로 필터의 성능이 떨어진다[1,2].

본 연구는 최근 주목받고 있는 생물탈취법 중의 하나인 바이오필터를 이용한 악취제거에 관한 실험을 수행하였다. 제주도 화산석을 담체로 충진하였으며, 악취물질로써 환경기초시설 등에서 대표적으로 발생되는 유황화합물인 황화수소를 이용하여 유입농도 및 유량의 변화에 따른 바이오필터의 수행특성을 파악하고 최대제거용량을 산정하였다.

실험

본 연구에 사용된 바이오필터는 반응기, 증습기, 혼합기로 구성되어 있으며, 재질은 아크릴수지를 이용하였다. 먼저 반응기는 내경 9 cm, 높이 150 cm의 원형아크릴관으로 제작되었고, 담체로 이용된 화산석은 6.1 kg의 중량을 높이 120 cm로 충진하였다. 상부의 유입부에는 nutrient 공급을 위한 분무기가 설치되어 있으며, 하부에는 드레인수의 저장 및 배출이 가능한 구조로 되어 있다. 또한 가스 시료 채취구 5개와 담체 시료 채취구 3개를 설치하였다. 전체적으로 가스는 상부로 유입되어 하부로 배출되는 하향식으로 운전하였다. 증습기는 플라스틱 담체를 충진하고 상부에서 물을 분무하여 air-pump에 의해 유입되는 실내공기의 상대습도를 포화시켜 혼합기로 유입되게 하였으며, 혼합기는 원형아크릴관을 다단으로 제작하여 증습된 실내공기와 황화수소 가스가 완전 혼합되도록 하였다. 전체 반응기의 유입유량은 유량계로 조절하였으며 혼합기로 유입되는 소량의 황화수소는 needle-valve로 조절하여 원하는 유입농도로 공급하였다.

황화수소 제거를 위해 사용된 미생물은 일반적으로 황산화에 대표적으로 이용되고 있는 Thiobacillus sp. 배양액을 3일 동안 nutrient 공급라인을 이용하여 순환시켜 담체에 접종하였다.

황화수소의 분석은 가스 검지관(GASTEC, Japan)을 이용하여 각 반응기에 부착되어 있는 시료 채취구로부터 직접 분석하였으며, 대기오염공정시험법의 흡광광도계를 이용한 메틸렌블루법으로 상호 검증하였다. 시료 채취시 온도, 습도 및 압력손실을 주기적으로 측정하였다. 드레인수의 pH는 pH-meter(ORION, model 420A)를 이용하여 측정하였으며, 음이온분석은 Ion Chromatography(DIONEX, DX-120)로 하였다.

결과 및 토의

1. 유입농도 증가에 따른 황화수소 제거 특성

황화수소의 유입농도를 30∼280 ppmv로 단계적으로 증가시킨 결과 유입 및 유출농도를 그림 1에 나타내었다. 최종적으로 280 ppmv에서도 유출가스 내의 황화수소는 검출되지 않았으며, 일반적으로 나타나는 미생물의 순응기간이 1주일 정도인 것에 비해 본 실험에서는 대체적으로 농도 증가에 상관없이 1∼2일 내에 순응이 되는 결과를 나타내었다.

약 30일간의 연속운전 결과 초기 접종된 소량의 미생물만으로 일반적으로 환경기초시설에서 발생되는 황화수소보다 약 3배 이상의 농도조건에서도 완전 제거될 수 있는 것으로 나타났다. 또한 미생물의 과다성장 등으로 인한 압력손실의 증가는 거의 없었으며, 최종적으로 충진층 단위 깊이(1 m)당 약 5 mmH2O의 압력손실이 측정되었다. 이는 기존의 콤포스트나 피트를 담체로 이용한 경우와 고농도의 활성슬러지를 주입한 경우 과다한 압력손실의 증가로 인해 단회로현상을 유발하여 제거효율을 저감하거나 역세척을 해야 하는 등의 부가적인 문제를 야기할 가능성은 적은 것으로 판단된다.

그림 2에는 가스상의 황화수소의 제거량과 드레인수의 황산이온 농도 그리고 드레인수의 pH 변화를 나타내었다. 일반적으로 Thiobacillus sp.는 여러 형태의

그림 1. 운전기간에 따른 유입 및 유출 농도 변화.

황을 이용하여 성장할 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한 그 최종 생성물은 황산이온이며, 이렇게 생성된 황산이온에 의해 바이오필터 내부의 pH가 저하되어 제거효율이 떨어지는 것을 방지하기 위해 이를 적절한 방법으로 제거해야만 한다. 본 실험에서는 nutrient 공급장치를 바이오필터에 설치하였으며 이를 이용하여 미생물의 성장에 필요한 적절한 양의 nutrient를 공급하면서 동시에 기상의 황화수소를 제거하면서 미생물의 산화반응에 의해 생성된 황산이온을 세척하여 바이오필터 내에 축적되는 것을 방지하였다.

그림 2에 나타난 결과에 의해 초기에 저농도 조건에서는 pH 4정도로 유지되었지만 황화수소 유입농도의 증가에 따라 pH는 점차 감소하였으며 최종적으로 유입농도 280 ppmv에서 pH는 약 2까지 떨어짐을 알 수 있다. 또한 제거되는 기상의 황화수소의 량과 드레인수로 유출되는 액상의 황산이온의 량이 거의 유사함을 알 수 있는데 이는 바이오필터 내의 미생물의 작용에 의해 황화수소가 제거됨을 입증하는 것이다. 황화수소 유입농도를 280 ppmv으로 증가시켰을 때 유출되는 황산이온의 양이 상대적으로 적었으나 26일째에 공급되는 nutrient액의 부피만을 증가시킨 결과 황산이온의 양이 점차 증가함을 알 수 있다. 따라서 바이오필터내의 최종생성물을 세척하기 위해 공급되는 물의 양이 적절하게 산정되어야 함을 알 수 있다.

그림 2. pH 변화 및 황화수소 제거량과 생성되는 황산이온 농도.

2. 유입유량 증가에 따른 황화수소 제거 특성

바이오필터의 설계 및 운전에 있어서 요구되는 제거효율을 얻기 위해서는 반드시 최대 제거용량이 산정되고 그에 따른 적절한 유입부하로 운전되어야만 한다. 이러한 제거용량 및 유입부하는 유입농도와 유량에 의해 결정되며 담체의 특성, 미생물의 종류, 그리고 운전조건에 따라 그 값은 달라질 수 있다. 또한 유입유량의 증가는 가스체류시간를 감소시키며 본 실험에서는 바이오필터의 공극율과 무관하게 반응기의 체적만을 고려하는 공탑접촉시간(EBCT)을 계산하였다.

그림 3은 250 ppmv의 황화수소 유입농도 조건에서 EBCT의 감소에 따른 바이오필터의 유입, 중간, 그리고 유출 농도 변화로써 그 제거 특성을 나타내었다. 유입유량을 점차로 증가시켜가면서 실험을 수행한 결과 EBCT 약 8초(SV 440/hr)까지는 순응기간 없이 100%의 제거효율을 나타내었으며, EBCT 약 5초(SV 660/hr)에서 88%의 제거효율을 나타내었다. 따라서 본 실험에서의 적정 EBCT는 약 8초라 할 수 있으며, 이 때의 유입부하는 185 g-H2S/m3/hr였다. 또한 EBCT 약 5초에서 얻어진 최대 제거용량은 247 g-H2S/m3/hr였다.

그림 3. EBCT 변화에 따른 황화수소 제거 특성.

참고문헌

1. 유영석, □생물학적 악취처리시스템의 설계 및 운전, 건설기술정보□, 176, 16∼19 (1997).

2. 남궁환, 박준석, 이노섭, □바이오필터 기술의 원리와 적용에 관한 고찰□, 폐기물자원화, 8(1), 60∼68 (2000).

3. Yonghua Yang, Eric R. Allen, □Biofiltration Control of Hydrogen Sulfide 1. Design and Operational parameters□, J. Air & Waste Manage. Assoc., 44, 863∼868 (1994).

4. Ying-Chien Chung, Chihpin Huang, and Chin-Fung Li, □Removal Charateristics of H2S by Thiobacillus novellus CH3 Biofilter in Autotrophic and Mixotrothic Environments□, J. Environ. Sci. Health, A32(5), 1435∼1450 (1997).