KR100490800B1

KR100490800B1 - 퇴비 바이오필터 및 그를 이용한 악취가스의 제거방법

Info

Publication number: KR100490800B1
Application number: KR10-2002-0023715A
Authority: KR
Inventors: 홍지형; 박금주
Original assignee: 순천대학교 산학협력단
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2005-05-19
Also published as: KR20030085328A

Abstract

본 발명은 축분퇴비를 유효성분으로 하는 필터충진재를 포함하는 퇴비 바이오필터 및 그를 이용하여 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치로부터 생성되는 악취가스를 제거하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 퇴비 바이오필터는 가스조절밸브를 통하여 악취가스를 퇴비 바이오필터 내부로 도입시키는 가스유입부; 전기 가스유입부의 상부에 위치하고, 축분퇴비를 유효성분으로 포함하는 필터충진재가 장착된 원통형의 탈취조; 및, 전기 탈취조 상부에 위치하며, 정화된 가스를 외부로 배출시키는 정화가스배출부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 가축분뇨를 이용하여 퇴비화할 때, 발생하는 악취가스를 경제적이고, 효과적으로 제거할 수 있으므로, 축사, 가축분뇨 퇴비화 처리시설, 분뇨처리시설, 액상폐기물과 고형폐기물 처리시설 등의 악취 발생 사업장의 대기환경오염 방지에 널리 활용될 수 있을 것이다.

Description

퇴비 바이오필터 및 그를 이용한 악취가스의 제거방법{Compost Biofilter and Method for Removing Compost Odor Using the Same}

본 발명은 퇴비 바이오필터 및 그를 이용한 악취가스의 제거방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 축분퇴비를 유효성분으로 하는 필터충진재를 포함하는 퇴비 바이오필터 및 그를 이용하여 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치로부터 생성는 악취가스를 제거하는 방법에 관한 것이다.

퇴비를 제조할 때, 가축분뇨로부터 발생되는 악취는 미생물 증식에 의한 영양물 분해로부터 발생하고, 미생물의 종류 및 온도, 수분, 산소 등의 미생물 증식조건에 영향을 받는다. 예를 들어, 호기성 미생물에 의하여 질소와 유황을 함유한 영양물이 분해될 경우에는 초산염과 유산염이 부산물로서 발생되고, 혐기성 미생물에 의하여 동일한 영양물이 분해될 경우에는 메탄가스, 유화수소 등이 부산물로서 발생된다. 이러한 다양한 부산물 중에서 악취를 발생시키는 부산물은 대기오염의 주성분이 되고, 특히 주의하여야 할 부산물은 암모니아와 저급지방산류이다. 암모니아는 가축분뇨 가운데 질소성분에서 일어나며, 가축분뇨와 오줌을 혼합하여 슬러리 상태로 저장하거나, 퇴비화 처리할 때에 다량의 암모니아가 발생된다. 저급지방산류는 미생물 분해작용으로 인한 소화관내의 지방, 탄수화물 및 단백질 등의 분해물질에서 발생되는데, 이것은 호기조건 상태에서 속히 탄산가스와 물로 분해되나, 혐기조건에서는 집적되어 악취가 강하다.

암모니아, 저급지방산류 등에 대한 기존의 탈취처리 방법인 흡착법, 연소법, 공기희석법 또는 수세법 등의 물리적 방법 및, 약액처리 또는 마스킹처리 등의 화학적 방법에서 주요문제는 재생흡착, 악취성분 농도, 연료소비, 촉매재료 가격, 희석공기, 배수처리, 약품비용 등이다. 특히, 일반적으로 오염된 공기에 포함되어 있는 암모니아와 황화수소 등의 악취성분 및 휘발성 지방산(VFAs)을 제거하는 방법에는 다양한 물리·화학적 처리방법을 활용해 왔으나, 시설비와 운전비 그리고 2차 오염물질 처리 문제가 남아있었다.

한편, 탈취매체 미생물의 악취물질 분해와 흡착처리에 의한 생물학적 방법은 이들 물리·화학적 탈취방법보다 탈취효과가 양호하며, 시설비와 유지비가 저렴하다. 생물학적 탈취법은 활성오니를 흡수재료로 이용하는 바이오 스크러버(bioscrubber)법, 악취성분을 흡착하고 미생물 분해 매체인 토양, 수피, 대팻밥, 피트 모스(peat moss), 로크울(rock wool), 퇴비 등을 이용하는 바이오필터(biofilter)법 등이 있다. 바이오필터법은 바이오 스크러버법에 비해서 보다 작은 설비로 다풍량의 악취 처리가 가능하며, 악취성분을 탈취매체의 수분에 용해하거나, 매체에 흡착하여, 매체 내부의 미생물 활동으로 악취물질을 분해시켜서 탈취한다. 바이오필터법을 활용한 기존기술에는 토양탈취법과 탈취매체법이 있는데, 토양탈취법은 미생물이 함유된 토양을 바이오필터에 충진하고, 이를 통하여 악취를 제거하는 방법으로서, 운전비용이 저렴하고, 저농도에서 고농도까지 처리가 가능하다는 장점이 있으나, 고온가스에 부적합하고, 시설면적이 많이 요구된다는 단점이 있고, 탈취매체법은 미생물이 접종된 바이오필터를 이용하여 탈취 처리하는 것으로 시설규모에 제한이 없고, 환경친화적이라는 장점이 있으나, 지속적인 관리가 필요하고, 고온가스를 처리하기에는 부적절하다는 단점을 내포하고 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위한 여러가지 방법이 연구되어, 악취제거 효율을 향상시키고, 시설비와 운영비의 소모를 감소시키는 여러가지 형태의 바이오필터가 지속적으로 개발되고 있는 실정이나, 현재까지 개발된 악취제거용 바이오필터는 고농도의 악취가스를 소규모로 처리하기에 적합하므로, 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에 적용시킬 수 없었다. 즉, 가축분뇨에서 발생되는 악취는 생체에 치명적이지 않은 상대적으로 저농도의 악취가 대량으로 발생되므로, 현재까지 개발된 악취제거용 바이오필터를 적용하기에 부적합하다는 단점이 여전히 해결되고 있지 않다.

따라서, 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에 적용하기에 적합한 바이오필터를 개발하여야 할 필요성이 끊임없이 대두되었다.

이에, 본 발명자들은 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에 적용하기에 적합한 바이오필터를 개발하고자 노력한 결과, 축분퇴비를 유효성분으로 포함하는 퇴비 바이오필터를 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에 적용할 경우, 퇴비화 장치에서 발생되는 악취를 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

결국, 본 발명의 주된 목적은 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에 적용하기에 적합한 퇴비 바이오필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전기 바이오필터를 이용하여 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에서 발생되는 악취를 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 퇴비 바이오필터는 가스조절밸브를 통하여 악취가스를 퇴비 바이오필터 내부로 도입시키는 가스유입부; 전기 가스유입부의 상부에 위치하고, 축분퇴비를 유효성분으로 포함하는 필터충진재가 장착된 원통형의 탈취조; 및, 전기 탈취조 상부에 위치하며, 정화된 가스를 외부로 배출시키는 정화가스배출부를 포함한다. 이때, 필터충진재는 축분퇴비 이외에 대팻밥, 톱밥 또는 이들의 혼합물을 부가성분으로 포함할 수도 있고, 축분퇴비와 부가성분의 혼합비가 특별히 제한되는 것은 아니나, 축분퇴비와 부가성분이 9:1 내지 1:9(w/w)의 비율로 혼합됨이 바람직하다. 또한, 축분퇴비에 포함된 미생물의 효과적인 생장을 위하여, 필터충진재는 25 내지 65%(w/w)의 수분, pH 4.5이상의 산도, 0.03 내지 3.2%(w/w)의 질소를 포함하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30 내지 50%(w/w)의 수분, pH 6.0 내지 8.4, 1.9 내지 3.2%(w/w)의 질소를 포함한다. 아울러, 탈취조 내에 액주계와 온도센서를 추가로 포함할 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 퇴비 바이오필터의 단면도이다. 본 발명의 퇴비 바이오필터는 가스조절밸브(10)를 통하여 악취가스를 퇴비 바이오필터 내부로 도입시키는 가스유입부(11); 전기 가스유입부(11)의 상부에 위치하고, 축분퇴비를 유효성분으로 포함하는 필터충진재(14), 액주계(15) 및 온도센서(16)가 장착된 원통형의 탈취조(12); 및, 전기 탈취조(12) 상부에 위치하며, 정화된 가스를 외부로 배출시키는 정화가스배출부(13)를 포함한다.

본 발명자들은 가축분뇨를 이용하여 퇴비를 제조할 경우, 암모니아를 주성분으로 하는 다량의 악취가 발생하며, 이를 경제적으로 제거하기 위한 바이오필터를 개발하기 위하여 연구를 수행하던 중, 가축분뇨를 퇴비화할 때는 다량의 악취가 발생하지만, 일단 퇴비화된 후에는 암모니아를 포함하는 악취가 발생하지 않음에 주목하게 되었다. 본 발명자들은 이러한 현상이 퇴비화과정 중에는 가축분뇨에 함유된 질소원이 미생물에 의하여 저분자량의 질소화합물로 분해되면서, 발생되는 과도한 질소성분이 암모니아의 형태로 배출되지만, 가축분뇨가 완전히 퇴비화됨에 따라 이용할 수 있는 질소원이 소모된 후에는 과도한 질소성분이 더이상 존재하지 않기 때문이라고 추측하였고, 나아가서는 퇴비화 과정이 종결된 후에 추가로 암모니아가 유입될 경우에는 오히려 암모니아를 질소원으로 이용할 수도 있을 것이라 추측하였다.

이에, 완성된 축분퇴비를 바이오필터의 충진재로서 사용한 바이오필터를 제작하고, 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에서 발생되는 암모니아 가스를 포함하는 악취가스를 전기 바이오필터에 유입시킨 결과, 유입된 악취가스에 함유된 암모니아 성분이 효과적으로 제거됨을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 대팻밥, 톱밥 또는 이들의 혼합물을 완성된 축분퇴비와 혼합하여 필터중진재로서 사용할 경우, 더욱 효과적으로 암모니아 성분을 제거할 수 있음을 알 수 있었다.

본 발명의 퇴비 바이오필터를 이용하여 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에서 발생되는 악취를 제거하는 방법은 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에서 발생되는 악취가스를 퇴비 바이오필터의 가스유입부(11)로 유입시키는 단계; 유입된 악취가스를 필터충진재(14)가 장착된 탈취조(12)를 통과시키며, 악취를 탈취시키는 단계; 및, 탈취된 가스를 정화가스배출부(13)를 통하여 배출시키는 단계를 포함한다. 이때, 악취가스의 유입조건이 특별히 제한되는 것은 아니나, 유입되는 악취가스 부피는 0.8 내지 1.2m³/h, 취기 부하율은 10 내지 25m³/m²·h, 체류시간은 100 내지 200초, 온도는 15 내지 40℃, 수분은 30 내지 60%(w/w), 산도는 5 내지 7, 압력강하는 500Pa 이하를 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 탈취조(12) 내에 장착된 액주계(15)를 통하여 정화된 악취가스의 양을 측정할 수 있고, 탈취조(12) 내에 장착된 온도센서(16)를 통하여, 유입되는 악취가스가 적절한 온도를 유지하도록 조절할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 퇴비 바이오필터를 이용한 암모니아가스의 정화

종래의 가축분뇨를 이용한 퇴비화장치를 이용하여 암모니아 가스를 생성시키고, 본 발명의 퇴비 바이오필터를 이용하여 발생된 암모니아 가스를 제거하며, 제거효율을 측정하였다.

실시예 1-1: 암모니아 가스의 생성

종래의 가축분뇨를 이용한 퇴비화장치인 통기퇴적식 퇴비화 시스템을 사용하여, 수분 65 내지 70%(w/w), 탄질비 20 내지 25가 되도록 퇴비원료 300kg을 배합하여 발효조(605ℓ, 직경 1.08m, 깊이 0.66m)에 투입하고, 통기량 3.36m³/h(56ℓ/min)를 연속적으로 발효조에 3주간 공급하여 미생물에 의해 유기물질이 분해되어 암모니아가스 400ppm을 생성시켰다.

실시예 1-2: 퇴비 바이오필터의 제작

축분퇴비, 축분퇴비와 톱밥 혼합물, 축분퇴비와 대팻밥 혼합물 또는 축분퇴비, 톱밥 및 대팻밥의 혼합물을 필터충진재로 이용한 퇴비 바이오필터를 제작하였다.

실시예 1-2-1: 축분퇴비를 충진재로 사용한 퇴비 바이오필터의 제작

직경 0.3m, 깊이 1m의 원통형 탈취조에 축분퇴비를 각각 0.2. 0.4 또는 0.6m의 길이로 충진하고, 탈취조의 하부에, 가스조절밸브가 장착된 가스유입부를 결합시키며, 탈취조의 상부에 정화가스배출부를 결합시킨 퇴비 바이오필터 A-1, A-2 또는 A-3을 제작하였다.

실시예 1-2-2: 축분퇴비와 톱밥 혼합물을 충진재로 사용한 퇴비 바이오필터의 제작

축분퇴비와 톱밥을 1:1(w/w)로 혼합한 혼합물을 탈취조에 충진하는 것을 제외하고는, 실시예 1-2-1과 동일한 방법으로 퇴비 바이오필터 B-1, B-2 또는 B-3을 제작하였다.

실시예 1-2-3: 축분퇴비와 대팻밥 혼합물을 충진재로 사용한 퇴비 바이오필터의 제작

축분퇴비와 대팻밥을 1:1(w/w)로 혼합한 혼합물을 탈취조에 충진하는 것을 제외하고는, 실시예 1-2-1과 동일한 방법으로 퇴비 바이오필터 C-1, C-2 또는 C-3을 제작하였다.

실시예 1-2-4: 축분퇴비, 톱밥 및 대팻밥 혼합물을 충진재로 사용한 퇴비 바이오필터의 제작

축분퇴비, 톱밥 및 대팻밥을 1:0.5:0.5(w/w/w)로 혼합한 혼합물을 탈취조에 충진하는 것을 제외하고는, 실시예 1-2-1과 동일한 방법으로 퇴비 바이오필터 D-1, D-2 또는 D-3을 제작하였다.

실시예 1-3: 암모니아 가스의 제거

전기 실시예 1-1에서 제조된 암모니아 가스 400ppm을 전기 실시예 1-2에서 제작된 각 퇴비 바이오필터에 0.84㎥/h(14ℓ/min)의 가스 유입량, 11.9m³/m²·h의 취기 부하율(surface loading rate) 및 150초동안 암모니아 가스가 탈취조에 체류하도록 유입시켰다. 이어, 0.67M 붕산용액과 0.7N HCl을 이용하여, 유입 및 배출 암모니아의 농도를 붕산트랩장치(boric acid trap)와 염산적정을 통해 매일 측정하였다.

비교실시예 1: 톱밥 바이오필터를 이용한 암모니아가스의 정화

톱밥을 탈취조에 충진하는 것을 제외하고는, 실시예 1-2-1과 동일한 방법으로 퇴비 바이오필터 E-1, E-2 또는 E-3을 제작하고, 이를 이용하여 실시예 1-3과 동일한 방법으로 암모니아 가스를 제거하였다.

비교실시예 2: 대팻밥 바이오필터를 이용한 암모니아가스의 정화

대팻밥을 탈취조에 충진하는 것을 제외하고는, 실시예 1-2-1과 동일한 방법으로 퇴비 바이오필터 F-1, F-2 또는 F-3을 제작하고, 이를 이용하여 실시예 1-3과 동일한 방법으로 암모니아 가스를 제거하였다.

실시예 2: 각 바이오필터의 성능비교

전기 실시예 1, 비교실시예 1 및 비교실시예 2에서의 암모니아 가스제거 결과를 비교하였다(참조: 표 1).

암모니아 가스의 제거 효율

바이오필터	제거효율(%)	바이오필터	제거효율(%)	바이오필터	제거효율(%)
A-1	68	A-2	87	A-3	94
B-1	70	B-2	90	B-3	99
C-1	71	C-2	91	C-3	98
D-1	71	D-2	90	D-3	99
E-1	66	E-2	71	E-3	80
F-1	62	F-2	70	F-3	81

상기 표 1에서 보듯이, 톱밥(E-1, E-2 또는 E-3) 또는 대팻밥(F-1, F-2 또는 F-3)을 필터충진재로서 이용한 경우보다는 축분퇴비(A-1, A-2 또는 A-3)를 필터충진재로서 이용한 경우에 암모니아 가스의 제거효율이 증가되었고, 이들의 혼합물을 필터충진재로서 사용한 경우(B-1 내지 D-3)에는 더욱 향상됨을 알 수 있었으므로, 퇴비를 필터충진재로 사용한 바이오필터를 이용하여 암모니아 가스를 효과적으로 제거할 수 있음을 알 수 있었다.

또한, 필터충진길이가 짧을 경우에는 암모니아 가스 제거효율이 크게 증가하지 않았으나, 필터충진길이가 증가할 수록 암모니아 가스 제거효율이 명백히 증가함을 알 수 있었다. 이는 각 바이오필터의 필터충진길이가 길수록 바이오필터에 체류하는 시간이 길어지기 때문인 것으로 추측되는데, 이러한 바이오필터의 필터충진길이와 암모니아 가스의 제거효율이 정비례하지는 않는 것으로 보아, 최소한 0.4m이상, 바람직하게는 0.6m이상의 길이로 퇴비 바이오필터를 충진함이 바람직할 것으로 판단된다.

본 발명은 축분퇴비를 유효성분으로 하는 필터충진재를 포함하는 퇴비 바이오필터 및 그를 이용하여 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치로부터 생성는 악취가스를 제거하는 방법을 제공한다. 본 발명의 퇴비 바이오필터는 가스조절밸브를 통하여 악취가스를 퇴비 바이오필터 내부로 도입시키는 가스유입부; 전기 가스유입부의 상부에 위치하고, 축분퇴비를 유효성분으로 포함하는 필터충진재가 장착된 원통형의 탈취조; 및, 전기 탈취조 상부에 위치하며, 정화된 가스를 외부로 배출시키는 정화가스배출부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 가축분뇨를 이용하여 퇴비화할 때, 발생하는 악취가스를 경제적이고, 효과적으로 제거할 수 있으므로, 축사, 가축분뇨 퇴비화 처리시설, 분뇨처리시설, 액상폐기물과 고형폐기물 처리시설 등의 악취 발생 사업장의 대기환경오염 방지에 널리 활용될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 퇴비 바이오필터의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 간단한 부호의 설명>

10: 가스조절밸브 11: 가스유입부

12: 탈취조 13: 정화가스배출부

14: 필터충진재 15: 액주계

16: 온도센서

Claims

(i) 가스조절밸브를 통하여 악취가스를 퇴비 바이오필터 내부로 도입시키는 가스유입부;

(ii) 전기 가스유입부의 상부에 위치하고, 대팻밥과 톱밥의 혼합물 및 축분퇴비를 9:1 내지 1:9(w/w)로 포함하는 필터충진재가 장착된 원통형의 탈취조; 및,

(iii) 전기 탈취조 상부에 위치하며, 정화된 가스를 외부로 배출시키는 정화가스배출부를 포함하는 퇴비 바이오필터.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,

탈취조 내에 액주계와 온도센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로

하는

퇴비 바이오필터.
(ⅰ) 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에서 발생되는 악취가스를 제 1항의 퇴비 바이오필터의 가스유입부로 유입시키는 단계;

(ⅱ) 유입된 악취가스를 필터충진재가 장착된 탈취조를 통과시키며, 악취를 탈취시키는 단계; 및,

(ⅲ) 탈취된 가스를 정화가스배출부를 통하여 배출시키는 단계를 포함하는, 퇴비 바이오필터를 이용하여 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에서 발생되는 악취를 제거하는 방법.
제 5항에 있어서,

유입되는 악취가스 부피는 0.8 내지 1.2m³/h, 취기 부하율은 10 내지

25m³/m²·h, 체류시간은 100 내지 200초, 온도는 15 내지 40℃, 수분은

30 내지 60%(w/w), 산도는 5 내지 7, 압력강하는 500Pa 이하인 것을

특징으로 하는

퇴비 바이오필터를 이용하여 가축분뇨를 이용한 퇴비화 장치에서 발생되는 악취를 제거하는 방법.