KR100971512B1 - 바이오필터, 이를 이용한 유해물질 제거장치 및 제거방법 - Google Patents

바이오필터, 이를 이용한 유해물질 제거장치 및 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오필터, 이를 이용한 유해물질 제거장치 및 유해물질 제거방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 바이오필터를 다단계로 배치하여 악취물질, 휘발성 유기 물질 등의 유해물질을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유해물질 제거장치는 피처리물질이 통과될 수 있도록 세척수를 저장하는 세척수 담수부, 세척수 담수부와 이격설치되고 피처리 물질이 통과되어 용해성 유해성분을 제거하는 제1 필터부, 제1 필터부와 이격설치되고 피처리 물질이 통과되어 불용해성 유해성분을 제거하는 제2 필터부, 제2 필터부와 이격설치되고, 피처리 물질이 통과되어 수분 및 잔여 유해물질을 제거하는 제3 필터부를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 바이오필터 조립체는 피처리 물질이 통과되는 필터 매트릭스, 필터 매트릭스에 부착되는 흡착제 및 나노금속 함유물질을 포함하는 바이오필터를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 유해물질 제거방법은 세척수에 의해 피처리 물질을 용해 및 흡수하는 단계, 피처리 물질을 제1 필터부에 통과시켜 용해성 유해성분을 제거하는 단계, 피처리 물질을 제2 필터부에 통과시켜 불용해성 유해성분을 제거하는 단계, 피처리 물질을 제3 필터부에 통과시켜 수분 및 잔여 유해물질을 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명은 다단계 바이오필터를 이용함으로써 바이오필터의 부하율을 줄이 고, 바이오필터 미생물의 과도한 성장을 억제하여 미생물이 효율적으로 유해물질을 제거할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 유해물질 제거장치 및 제거방법은 다단계 바이오필터를 하나의 설비 내에 설치하여 이용함으로써 제거장치를 소형화 할 수 있으며, 설치 및 운용에 따른 비용을 줄일 수 있다.
유해물질, 바이오필터

Description

바이오필터, 이를 이용한 유해물질 제거장치 및 제거방법{BIOFILTER, APPARATUS AND METHOD FOR REMOVING HARMFUL MATERIAL USING THE SAME}
본 발명은 바이오필터, 이를 이용한 유해물질 제거장치 및 유해물질 제거방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 바이오필터를 다단계로 배치하여 악취물질, 휘발성 유기 물질 등의 유해물질을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
인체 건강이나 환경에 악영향을 미치는 유해물질들은 오,폐수 처리시설, 분뇨처리시설, 음식물 폐기물 처리시설, 식품가공공장, 퇴비화공장, 석유화학공장, 타이어 공장, 도료제조공장, 도장공장 등 대다수의 산업현장 및 환경처리시설에서 발생한다.
일반적인 유해물질로는 암모니아(NH3), 메틸메르캅탄(MM), 황화수소(H2S), 황화메틸(DMS), 이황화메틸(DMDS), 트리메틸아민(TMA), 아세트알데히드, 스틸렌 등의 악취를 발생시키는 물질과, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 디클로로벤젠, 디클로로메탄 등 대기 중의 오존층을 파괴하거나 인체에 유해한 휘발성 유기물질(VOCs)을 들 수 있다. 이러한 유해물질들은 국가적 차원에서 배출이 강력히 규제되고 있으며, 규제 대상 물질도 점차 확대되고 있다.
종래에는 유해물질을 제거하기 위한 방법으로서 습식세정탑(Wet Scrubber), 활성탄 흡착탑(Activated Carbon Adsorption Tower), 소각법(Incineration) 등 물리화학적 방법이 주로 사용되어 왔으나, 높은 운전비용, 제거효율 저하, 충진제 교체 및 2차 오염원 배출 등의 문제점이 발생하였다.
최근에는 친환경적이고 고효율의 처리기술이 요구되어 2000년대부터 미생물을 이용한 생물학적 처리기술이 대체 기술로서 국내외적으로 개발되기 시작하였다. 그러나 생물학적 처리기술 중 담체 충전형 기술이나 스크러버 부착형 기술은 반응기의 거대한 부피, 담체의 빈번한 교체, 과다한 설치비, 미생물 과잉성장 등의 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 나노금속을 함유하는 바이오필터를 이용하여 바이오필터 미생물의 과도한 성장을 억제하고, 유해물질 제거 효율이 높으며, 설치비용 및 운전비용이 낮은 유해물질 제거장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 유해물질 제거장치는 피처리물질이 통과될 수 있도록 세척수를 저장하는 세척수 담수부, 세척수 담수부와 이격설치되고 피처리 물질이 통과되어 용해성 유해성분을 제거하는 제1 필터부, 제1 필터부와 이격설치되고 피처리 물질이 통과되어 불용해성 유해성분을 제거하는 제2 필터부, 제2 필터부와 이격설치되고, 피처리 물질이 통과되어 수분 및 잔여 유해물질을 제거하는 제3 필터부를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 바이오필터 조립체는 피처리 물질이 통과되는 필터 매트릭스, 필터 매트릭스에 부착되는 흡착제 및 나노금속 함유물질을 포함하는 바이오필터를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 유해물질 제거방법은 세척수에 의해 피처리 물질을 용 해 및 흡수하는 단계, 피처리 물질을 제1 필터부에 통과시켜 용해성 유해성분을 제거하는 단계, 피처리 물질을 제2 필터부에 통과시켜 불용해성 유해성분을 제거하는 단계, 피처리 물질을 제3 필터부에 통과시켜 수분 및 잔여 유해물질을 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 다단계 바이오필터를 이용함으로써 바이오필터의 부하율을 줄이고, 바이오필터 미생물의 과도한 성장을 억제하여 미생물이 효율적으로 유해물질을 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유해물질 제거장치 및 제거방법은 다단계 바이오필터를 하나의 설비 내에 설치하여 이용함으로써 제거장치를 소형화 할 수 있으며, 설치 및 운용에 따른 비용을 줄일 수 있다.
또한 본 발명의 실시예들에 따른 유해물질 제거장치 및 제거방법은 바이오필터의 흡착제에 나노금속을 첨착함으로써, 흡착력을 향상시키고 유해물질의 제거효율 및 살균능력을 높일 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 유해물질 제거장치에 관하여 구체적으로 설명하겠다.
도 1은 본 발명에 따른 유해물질 제거장치의 개략도이다. 도 1에 도시된 화살표(a, b, c, d, e, f)는 피처리물질의 흐름을 나타낸다. 또한 도 3 내지 6은 각 단계의 바이오필터 및 바이오담체를 나타내는 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유해물질 제거장치는 세척수 담수부(3), 제1 필터부(10 : 10a, 10b), 제2 필터부(20), 제3 필터부(30)를 포함하여 구성된다.
제1 내지 3 필터부(10, 20, 30)는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 하우징(2) 내에서 소정 간격으로 이격설치되는 것이 바람직하다. 각 필터부들이 하나의 하우징(2)에 일체형으로 설치되면, 유해물질 제거장치의 소형화가 이루어지므로, 공간활용이 용이해진다.
유해물질 제거장치는 세척수 저장조(50)를 구비할 수 있는데, 세척수 담수부(3), 제1 필터부(10) 및 제2 필터부(20)를 순환하는 세척수를 저장한다. 세척수 저장조(50)는 세척수 담수부(3)와 필터부들이 설치된 하우징(2)과 이송파이프(53a, 53b, 53c)들을 통해 연결된다. 세척수는 이송파이프(53b, 53c)를 통해 하우징 내로 공급되어 제2 필터부(20), 제1 필터부(10) 및 세척수 담수부(3)를 거쳐 다시 이송파이프(53a)를 통해 다시 세척수 저장조(50)로 돌아온다.
세척수의 순환량은 세척수 저장조(50)에 부착된 레벨스위치(51)와, 그와 연결된 세척수 유입 조절밸브(52)로 조절하는 것이 바람직하다. 세척수 저장조(50)에 부착된 레벨 스위치(51)가 세척수 저장조(50)의 세척수 잔여량을 감지하여 세척수 순환량을 결정하고, 레벨 스위치(51)가 세척수 유입 조절밸브(52)를 제어하여 적정량의 세척수를 세척수 저장조(50)로 유입시킨다.
유해물질 제거장치를 장시간 작동하여 세척수가 상당 시간 동안 순환한 경우에는 유해물질의 분해산물에 의해 pH가 산성으로 변하며 pH가 3 이하로 저하되기도 한다. 이 경우 세척수 저장조(50) 내부에 부착된 pH 미터(미도시)로 pH를 감지하여 알칼리용액 저장조(60)와 연결된 알칼리용액 유입 조절밸브(61)를 조정하여 세척수 저장조 내의 세척수 pH를 7 내지 8로 조절할 수 있다.
유해물질이 포함된 피처리 물질은 도 1에 도시된 바와 같이 유입 파이프(4)를 통해 유입되며(a 경로), 외부공기 유입부(5)에서 흘러나오는 외부공기와 혼합되어 유해물질 제거장치의 하우징(2) 내부로 유입된다. 피처리 물질이 배출되는 배출파이프(71)에는 송풍기(72)가 배치되어 있어, 하우징 내부로 유입된 피처리 물질은 송풍기(72)에 의해 배출파이프(71) 방향으로 흘러 나가게 되며, 이 때 세척수 및 각 필터부를 거치면서 유해물질이 제거된다.
세척수 담수부(3)는 하우징(2)의 일측에 배치되어 있으며, 세척수를 담수하여 유해물질 제거장치 하우징(2) 내부로 유입된 피처리 물질에 포함된 용해성 유해성분을 흡수하는 세척수(40)에 흡수되도록 한다. 이와 같이 피처리물질 내에 존재하는 용해성 유해성분은 1차적으로 세척수(40)에 흡수되어 제거된다.
피처리물질은 세척수 담수부(3)와 이격설치된 제1 필터부(10)로 이송되어(b 경로) 제1 필터부(10)를 통과한다.
제1 필터부(10)는 세척수 담수부(3)와 이격설치되어 통과하는 피처리 물질의 용해성 유해성분을 제거하는 필터로서, 도 1에 도시된 바와 같이 친수성의 제1 바이오필터(10a) 및 바이오담체(10b)로 구성될 수 있다. 제1 바이오필터(10a)와 바이오담체(10b)는 피처리물질 및 세척수의 원활한 흐름을 위하여 소정의 간격으로 이격되어 있는 것이 바람직하다.
세척수(40)에 의해 미처 제거되지 못한 용해성 유해성분들은 제1 바이오필터(10a)에 흡착되거나, 이격배치된 바이오담체(10b)에 흡착된다. 제1 바이오필터(10a) 또는 바이오담체(10b)에 흡착된 용해성 유해성분들은 제1 바이오필터 또는 바이오담체에 존재하는 미생물에 의해 분해된다.
제1 바이오필터(10a)는 용해성 유해성분을 흡착하여 미생물로 분해하는 필터로서, 공기저항이 적고 다공성 구조를 갖는 필터 매트릭스(matrix)와 매트릭스에 부착된 흡착 성질이 우수한 흡착제 및 나노금속 함유물질로 구성되며, 친수성 흡착제를 더 포함할 수 있다.
제1 바이오필터(10a)의 필터 매트릭스(matrix)는 폴리프로필렌(poly propylene), 폴리에틸렌(poly ethylene), PVC(poly vinyl chloride) 등 다공성 구조를 갖는 물질 중 1 또는 2 이상 포함된 다공성 매트릭스층으로 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 바이오필터에 사용되는 흡착제는 유해물질을 흡착시켜 필터 매트릭스에 고정시켜 미생물이 유해물질을 분해할 수 있도록 한다. 흡착제로는 대나무활성탄, 소나무 활성탄, 참나무 활성탄, 가문비나무 활성탄, 야자각 활성탄, 살구씨 활성탄, 복숭아씨 활성탄 등을 포함하는 목재 활성탄을 사용할 수 있다. 목재 활성탄은 비표면적 800m2/g 이상, 입도 100 mesh 이하인 것이 바람직하다.
제1 바이오 필터에 사용되는 나노금속 함유물질은 목재 활성탄에 나노 물질 이 첨착되며, 목재 활성탄의 흡착력을 더욱 향상시켜 유해물질의 제거효율을 증가시키고, 흡착제의 광촉매성 또한 향상시킨다.
나노금속 함유물질은 Fe, Cu, Mg, Ca 등의 금속이나 SiO2, Al2O3, MgO, CaO 등 금속산화물 중 어느 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 나노금속의 직경은 30nm 이하, 더 바람직하게는 10nm 이하가 적당하며, 함유량은 활성탄 질량 대비 300 ~ 20000 ppm을 포함하는 것이 바람직하다.
제1 바이오필터에 사용되는 친수성 흡착제는 제1 바이오필터에서 용해성 물질을 우선적로 흡착시키기 위해 첨가하는 물질로서, 제올라이트, 카올린, 벤토나이트 등을 사용할 수 있다.
제1 바이오필터(10a)는 코팅 슬러리를 제조하고, 다공성 매트릭스층에 코팅 슬러리를 코팅시킨 후 열처리하여 제조하는데, 코팅 슬러리는 목재 활성탄 10 ~ 20 wt%, 친수성 흡착제 10 ~ 20 wt%, 수분산성 폴리머 수지 5 ~15 wt%, 그리고 나머지는 물로 이루어진 물질에 활성탄 질량 대비 300 ~ 20000 ppm의 나노금속 함유물질을 첨가하여 사용할 수 있다. 수분산성 폴리머 수지는 수분산성 폴리우레탄 수지 및 수분산성 아크릴 수지에서 1종 이상을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
제1 바이오필터는 도 3에 도시된 바와 같이, 수 개의 다공성 매트릭스층(11a)을 적층하여 하는 것이 바람직한데, 여러 겹을 이용하는 경우 보다 효율적으로 피처리물질 내 용해성 유해성분을 제거할 수 있다.
바이오담체(10b) 또한 용해성 유해성분을 흡착하여 미생물로 분해하는 기능 을 하며, 제1 바이오필터(10a)와 마찬가지로 필터 매트릭스(matrix)와 매트릭스에 부착된 흡착 성질이 우수한 흡착제 및 나노금속 함유물질로 구성되며, 친수성 흡착제를 더 포함할 수 있다.
바이오담체(10b)의 매트릭스는 제1 바이오필터(10b)의 매트릭스보다 신축성 있는 물질을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 보다 많은 미생물이 증식하고 용해성 유해성분이 분해되는데에 필요한 공간을 제공하기 때문이다. 바이오담체(10b)의 매트릭스로 폴리우레탄 등과 같은 물질을 사용할 수 있다.
바이오담체(10b)에 사용되는 흡착제 및 친수성 흡착제는 제1 바이오필터와 동일하며, 그 제조방법 및 코팅 슬러리의 성분 역시 제1 바이오필터에서와 동일하다.
앞서 설명한 바와 같이 용해성 물질을 세척수(40), 제1 바이오필터(10a) 및 바이오담체(10b)에 의해 단계별로 흡수, 흡착시키는 경우에는 용해성 유해성분이 급격히 증가하더라도 바이오필터 및 바이오담체에 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있게 되어, 미생물의 성장환경을 일정하게 유지하고 미생물의 과도한 증식을 방지할 수 있다. 따라서 용해성 유해성분의 농도 또는 처리량에 상관없이 용해성 유기물질을 효과적으로 제거할 수 있다.
제1 바이오필터(10a)에서 필요한 수분은 세척수 이송파이프(53b)를 통해 세척수 저장조(50)로부터 공급되어 살수 노즐(55)을 통해 제1 바이오필터(10a)로 분사된다. 분사된 세척수는 세척수 이송파이프(53a)를 통해 세척수 저장조(50)로 다시 유입된다. 세척수는 세척수 저장조(50) 내부에 부착된 항온히터(미도시)에 의해 일정온도로 유지되며, 위와 같은 순환을 반복한다. 이 때 세척수는 반복된 순환에 의해 정제되고 일정한 농도의 유기 및 무기화합물을 유지함으로써, 미생물의 개체수를 제어할 수 있어 장기간 운전하여도 미생물의 과도한 증식을 방지할 수 있다.
제1 바이오필터(10a) 및 바이오담체(10b)를 거친 피처리 물질은 제2 필터부(20)로 이송된다(d 경로). 유해물질 내에 존재하는 불용해성 유해성분은 제2 필터부(20)를 통과하면서 흡착된다. 제2 필터부(20)는 소수성의 제2 바이오필터를 포함하여 구성된다.
제2 필터부(20)에서 필요한 세척수는 제1 필터부(10)에서와 같이 세척수 저장조(50)로부터 공급되거나 세척수 유입 파이프(53c)를 통해 공급되어, 살수 노즐(55)을 통해 제2 필터부(20)로 분사될 수 있다.
제2 필터부(20)를 구성하는 제2 바이오필터는 불용해성 유해물질을 흡착하여 미생물로 분해하는 필터로서, 공기저항이 적고 다공성을 갖는 필터 매트릭스와 필터 매트릭스에 코팅된 흡착과 흡수 성질이 우수한 흡착제 및 나노금속 함유물질로 구성된다.
제2 바이오필터의 필터 매트릭스(matrix)는 폴리프로필렌(poly propylene), 폴리에틸렌(poly ethylene), PVC(poly vinyl chloride) 등에서 선택된 1종 이상의 다공성 매트릭스층과, 폴리우레탄 매트릭스층으로 구성된다.
제2 바이오필터의 필터 매트릭스는 다공성 매트릭스층(21)과 폴리우레탄 매트릭스층(22)이 적층결합될 수 있다(도 5 참조). 적층결합되는 경우에 필터형태의 변형을 방지할 수 있고, 적층된 필터 매트릭스층 간의 서로 다른 구조로 인하여 보 다 효율적으로 유해성분을 제거할 수 있다.
제2 바이오필터에 사용되는 흡착제 및 나노금속 함유물질은 제1 바이오필터(10a)에서 서술한 바와 같다.
제2 바이오필터는 코팅 슬러리를 제조하고, 필터 매트릭스에 코팅 슬러리를 코팅시킨 후 건조하고, 그 위에 다시 입상 활성탄을 코팅시켜 제조한다. 코팅 슬러리는 목재 활성탄 분말(100 mesh 이하) 10 ~ 20 wt%, 수분산성 폴리머 수지 5 ~ 10 wt%, 나머지는 물로 구성된 물질에 활성탄 질량대비 300 ~ 20000 ppm 나노금속 함유물질을 첨가하여 사용하는 것이 바람직하며, 입상 활성탄은 30 ~ 80 mesh 이하인 것이 바람직하다. 또한 수분산성 폴리머 수지는 수분산성 폴리우레탄 수지 및 수분산성 아크릴 수지에서 1종 이상을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
제2 필터부(20)를 거친 피처리 물질은 제3 필터부(30)로 이송된다(e 경로). 피처리물질은 제3 필터부(30)에서 수분 및 잔여 유해물질이 제거되고, 수분 및 잔여 유해물질이 제거된 피처리 물질은 배출 송풍기(72)에 의해 배출 파이프(71)를 통하여 대기 중으로 배출된다(f 경로).
제3 필터부(30)는 피처리 물질에 포함된 과량의 수분을 제거하고 제1, 2 필터부에서 처리되는 않은 미량의 유해물질을 최종적으로 제거하는 필터로서, 피처리 물질을 항균 및 살균처리하는 제3 바이오필터를 포함하여 구성된다.
제3 필터부(30)를 구성하는 제3 바이오필터는 필터 매트릭스와 필터 매트릭스에 부착된 흡착제 및 나노금속 함유물질로 구성되어 있으며, 필터 매트릭스에 흡착 충진제를 더 충진하여 구성될 수 있다.
제3 바이오필터의 필터 매트릭스로는 제2 바이오필터에서와 같이 폴리프로필렌(poly propylene), 폴리에틸렌(poly ethylene), PVC(poly vinyl chloride) 등에서 선택된 1종 이상의 다공성 매트릭스층과, 폴리우레탄 매트릭스층으로 구성된다.
제3 바이오필터의 필터 매트릭스는 다공성 매트릭스층(32)과 폴리우레탄 매트릭스층(31)이 적층결합될 수 있다(도 6 참조). 적층결합되는 경우에 필터형태의 변형을 방지할 수 있고, 적층된 매트릭스층 간의 서로 다른 구조로 인하여 보다 효율적으로 유해물질을 제거할 수 있다.
제3 바이오필터에 사용되는 흡착제는 제2 바이오필터까지 거치면서 유해성분이 대부분 제거된 피처리 물질에서 수분 및 미량의 잔여 유해물질을 제거하고, 미생물로 항균 및 살균처리를 한다. 흡착제로는 제1 바이오필터(10a)에서와 같은 목재 활성탄이 사용될 수 있다. 제3 바이오필터에서의 목재 활성탄은 비표면적 1200m2/g 이상인 것이 바람직하다.
제3 바이오 필터에 사용되는 나노금속 함유물질은 이러한 목재 활성탄에 나노물질을 첨착시켜 사용할 수 있는데, 목재 활성탄에 첨착되는 나노금속 함유물질은 목재 활성탄의 흡착력을 더욱 향상시켜 유해성분의 제거효율과 살균 및 항균 능력을 증가시킨다.
나노금속 함유물질은 살균 및 항균 능력이 우수한 은(Ag), 철(Fe), 아연(Zn) 등을 포함하는 것이 바람직하다. 나노금속의 직경은 30nm 이하, 더욱 바람직하게는 10nm 이하가 적당하다.
제3 바이오필터의 흡착 충진제는 보다 효과적으로 살균 및 항균을 하기 위한 물질로서, 흡착제와 나노금속 함유물질로 이루어진다. 흡착제는 제1 바이오필터에서와 동일한 목재 활성탄으로 구성되며, 나노금속 함유물질은 은(Ag), 철(Fe), 아연(Zn) 등을 포함하여 구성된다.
제3 바이오필터는 코팅 슬러리를 제조하고 필터 매트릭스에 코팅슬러리를 코팅시키고 건조한 후, 필터 매트릭스에 흡착 충진제를 충진시켜 제조한다.
제3 바이오필터의 코팅 슬러리는 첨착활성탄 분말 20 ~ 30 wt%(100 mesh 이하), 수분산성 폴리머 수지 5 ~ 10 wt%, 나노금속 함유물질 0.05 ~ 1.0 wt% 그리고 나머지는 물로 구성된 물질로 구성될 수 있다. 그리고 수분산성 폴리머 수지는 수분산성 폴리우레탄 수지 및 수분산성 아크릴 수지에서 1종 이상을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
흡착 충진제는 활성탄(8 ~ 20 mesh)에 나노금속 함유물질 0.05 ~ 1.0 wt%를 첨가하여 제조하고, 제조한 흡착 충진제를 다공성 매트릭스층에 충진한다.
미생물이 과다하게 증식되는 경우 바이오필터 또는 바이오담체에 존재하는 공극이 미생물로 막히게 되어 유해물질이 원활히 통과하지 못하게 되기 때문에 유해물질을 효율적으로 제거하기 어렵다. 그런데 본 발명에서와 같이 여러 단계의 바이오필터를 이용하여 유해물질을 제거하는 경우에는 각 단계의 바이오필터에 과부하가 걸리는 것을 방지하여 미생물 성장환경이 일정하게 유지된다.
따라서 미생물의 과도한 증식을 억제하게 되며, 다단계 바이오필터에 의해 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한 유해물질 내의 용해성 물질과 비용해 성 물질을 단계별로 제거하기 때문에 효율적인 제거가 가능하다.
이하에서는 본 발명에 따른 유해물질 제거장치를 이용한 유해물질 제거방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 유해물질 제거방법의 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유해물질 제거방법은 세척수에 의한 피처리 물질을 용해 및 흡수하는 단계(S1), 제1 필터부에 의한 용해성 유해성분 제거단계(S2), 제2 필터부에 의한 불용해성 유해성분 제거단계(S3), 그리고 제3 필터부에 의한 수분 제거단계(S4)를 포함하여 구성된다.
도 1에 도시된 S1 단계는 유해물질 제거장치의 내부로 유입된 유해물질을 세척수에 통과시키는 단계로서, 세척수로 피처리 물질에 포함된 용해성 유해성분을 흡수하여 제거시킨다.
도 1에 도시된 S2 단계는 세척수를 통과한 상기 유해물질을 제1 필터부에 통과시켜 피처리 물질 내 용해성 유해성분을 흡착시키고 미생물로 분해하는 단계로서, S1 단계에서 제거되지 않은 피처리 물질 내 용해성 성분을 제1 바이오필터 및 바이오담체에 흡착시키고, 바이오필터 및 바이오담체에 존재하는 미생물을 이용하여 분해제거한다. 제1 바이오필터 및 바이오담체에 관해서는 앞서 유해물질 제조장치에서 설명한 바와 동일하다.
도 1에 도시된 S3 단계는 제1 필터부를 통과한 유해물질을 제2 필터부에 통과시켜 피처리 물질 내 불용해성 유해성분을 흡착시키고, 미생물로 분해하는 단계이다. 제2 바이오필터에 관해서는 앞서 유해물질 제조장치에서 설명한 바와 동일하 다.
도 1에 도시된 S4 단계는 제2 필터부를 통과한 유해물질을 제3 필터부에 통과시켜 수분 및 잔여 유해물질을 제거하고, 항균 및 살균처리하는 단계이다. 제3 필터부에 관해서는 앞서 유해물질 제조장치에서 설명한 바와 동일하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명에 의한 현저한 효과를 더욱 구체적으로 설명하기로 한다. 단, 이 실시예는 본 발명의 실시예일 뿐, 본 발명의 범위가 이것으로 한정되는 것은 아니다.
(1) 제1 바이오필터 및 바이오담체의 제조
교반기가 부착된 100L 혼합탱크에 45 wt% 수분산성 폴리우레탄 수지용액 30.5 L와 증류수 66.1 L를 투입시키고 약 30분간 교반한 다음, 5 nm Al2O3 나노용액(2 wt%) 4 L와 20 nm 철(Fe) 나노용액(2 wt%) 2 L를 순차적으로 투입하고 교반하였다. 그리고 합성제올라이트 5kg, 벤토라이트 5kg, 목탄 활성탄 분말 10 kg을 순차적으로 투입하고 슬러리화시켰다. 투입 후 상온에서 6시간 동안 교반하여 제1 바이오필터 및 바이오담체의 코팅 슬러리를 제조하였다.
상기 코팅 슬러리에 각각 폴리프로필렌 매트릭스와 폴리우레탄 매트릭스를 담지하여 코팅한 다음, 과잉의 슬러리를 제거하고 80℃의 공기로 12시간 건조시키고 120℃에서 30분간 열처리한 후 냉각하였다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기에서 제조한 폴리프로필렌 매트릭스(11a, 620mm(L)×1090mm(W)×20mm(H) 3장을 적층하고 폴리프로필렌 열접착기로 접착하여 제1 바이오필터를 제조하였다. 또한 도 4에 도시된 바와 같이, 폴리우레탄 매트릭스(10b, 25 ppi)를 30mm(L)×30mm(W)×30mm(H)(정육면체)의 크기로 절단하여 바이오담체를 제작하였다.
(2) 제2 바이오필터의 제조
교반기가 부착된 100L 혼합탱크에 45 wt% 수분산성 폴리 우레탄 수지용액 30.5 L와 증류수 66.1 L를 투입시키고 약 30분간 교반한 다음, 5 nm Al2O3 나노용액(2 wt%) 4L와 20 nm 철(Fe) 나노용액(2 wt%) 2L를 순차적으로 투입하고 교반하였다. 그리고 목탄활성탄 분말 20 kg을 투입하고 슬러리화시켰다. 투입 후 상온에서 6시간 동안 교반하여 제2 바이오필터 매트릭스의 코팅 슬러리를 제조하였다.
상기 코팅 슬러리에 폴리프로필렌 매트릭스층을 담지하여 코팅한 다음 과잉의 슬러리를 제거하고 80 ℃의 공기로 12시간 건조시키고 120 ℃에서 30분간 열처리 한 다음 냉각하였다.
그 후, 상기와 같이 처리한 폴리우레탄 매트릭스층은 압축롤러에 통과시켜 여분의 슬러리를 제거하고, 진동 하에서 입상 활성탄(30 ~ 80 mesh)을 폴리우레탄 매트릭스층 표면에 코팅시킨 후 80℃의 공기로 12시간 건조시키고 120℃에서 30분간 열처리 한 다음 냉각하였다.
상기에서 제조한 폴리프로필렌 매트릭스층 및 폴리우레탄 매트릭스층을 620mm(L)×1090mm(W)×20mm(H)의 크기로 절단하고, 도 5에 도시된 바와 같이 안쪽 에 폴리우레탄 매트릭스층(22) 2장이 위치하고 그 바깥쪽에 폴리프로필렌 매트릭스층(21)이 오도록 적층한 후, PP 열접착기로 접착하여 제2 바이오필터를 제작하였다.
(3) 제3 바이오필터의 제조
교반기가 부착된 100L 혼합탱크에 45 wt% 수분산성 폴리 우레탄 수지용액 30.5 L과 증류수 66.1L를 투입한 다음 약 30분간 교반하고 5 nm Al2O3 나노용액(2 wt%) 4 L와 3 nm 은(Ag) 나노용액(2 wt%) 10 L를 순차적으로 투입하고 교반하였다. 그리고 활성탄 분말 20kg을 투입하고 슬러리화시켰다. 투입 후 상온에서 6시간 동안 교반하여 제3 바이오필터 매트릭스의 코팅 슬러리를 제조하였다.
상기 코팅 슬러리에 폴리프로필렌 매트릭스층를 담지하여 코팅한 다음, 과잉의 슬러리를 제거하고 80℃의 공기로 12시간 건조시키고 120℃에서 30분간 열처리 한 다음 냉각하였다.
그리고 폴리우레탄 매트릭스층(25ppi)는 상기 코팅 슬러리에 담지하고 압축롤러를 통과시켜 여분의 슬러리를 제거한 후 80℃의 공기로 12시간 건조시키고 120℃에서 30분간 열처리 한 다음 냉각하였다.
그리고, 3nm 은(Ag) 나노용액(2 wt%) 10L, 8 ~ 20 mesh의 입상 활성탄 100 kg을 혼합하고 80℃의 공기로 12시간 건조시켜 폴리프로필렌 매트릭스 충진용 흡착제를 제조하였다.
상기에서 코팅된 폴리프로필렌 매트릭스 및 폴리우레탄 매트릭스(25ppi)를 620mm(L)×1090mm(W)×20mm(H)의 크기로 절단한 다음, 도 6에 도시된 바와 같이 열접착기로 3 장의 폴리우레탄 매트릭스층(31)과 2 장의 폴리프로필렌 매트릭스층(32)을 교대로 적층시키고, 폴리프로필렌 매트릭스층(31)에 상기 제조한 매트릭스 충진용 흡착제를 충진시켜 제3 바이오필터를 제작하였다.
(4) 바이오필터를 이용한 유해물질 제거장치 제작
내경 3m(L)×3m(W)×4m(H)의 사각형 하우징(36㎥)에 상기에서 제조한 제1 바이오필터 및 바이오담체, 제2 바이오필터, 제3 바이오필터를 도 1에 도시된 바와 같이 순차적으로 설치하였다.
또한 유해물질은 120㎥/min의 속도로 구경 350mm 2개 파이프로부터 유입되고 배출구는 500mm 구경의 파이프로 배출되며 송풍기와와 연결된다. 또한 살수시스템은 살수저장조(1m(L)×1m(W)×1m(H))와 알칼리용액 저장조(100L), 그리고 살수노즐, pH조절기 등을 도 1에 도시된 바와 같이 구비하였다.
미생물 부착은 현장의 생물학 처리한 처리수를 이용하여 바이오필터에 생물막을 형성시켰으며, 운전조건은 온도 10 ~ 40℃, 상대습도 90% 이상, 풍량 120 ㎥/min, 차압 25 mmH2O 이하의 조건으로 운전하였다.
다단계 바이오필터를 이용한 유해물질 제거장치를 설치하고 일정기간 동안 유해물질을 제거하면서, 경과시간에 따른 유해물질 투입구와 배출구에서의 NH3, H2S 및 (CH3)3N의 농도를 측정하여 도 7 내지 9에 그 결과를 나타내었다.
도 7 내지 9에서 x축은 경과시간(일), y축은 농도(ppm)를 나타낸다. 측정일 에 따라 투입구의 유해물질(NH3, H2S, (CH3)3N)의 농도가 다르지만, 그 농도에 상관없이 유해물질이 대부분 제거됐음을 알 수 있다. 즉 유해물질의 농도가 높아 과부하가 걸리더라도 다단계 필터에 의해 효율적으로 유해물질이 제거되는 것이다.
또한 유해물질 제거장치 설치된 시점과 300일 이상 경과한 시점에서의 유해물질 제거율이 차이가 없는 것을 볼 때, 장기간 사용하더라도 미생물이 과도한 증식이 억제되고 미생물 성장환경이 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다. 따라서 필터의 교체에 따른 비용발생을 줄일 수 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 유해물질 제거장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유해물질 제거방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 바이오필터의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이오담체의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제2 바이오필터의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제3 바이오필터의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유해물질 제거장치의 유해물질 투입구와 배출구에서 NH3의 농도를 경과시간에 따라 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유해물질 제거장치의 유해물질 투입구와 배출구에서 H2S의 농도를 경과시간에 따라 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유해물질 제거장치의 유해물질 투입구와 배출구에서 (CH3)3N의 농도를 경과시간에 따라 측정한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
3 : 세척수 담수부 4 : 유입 파이프
5 : 외부공기 유입부 10 : 제1 필터부
10a : 제1 바이오필터 10b : 바이오 담체
20 : 제2 필터부 30 : 제3 필터부
40 : 세척수 50 : 세척수 저장조
51 : 레벨 스위치 52 : 세척수 유입 조절밸브
60 : 알칼리용액 저장조 61 : 알칼리용액 유입 조절밸브
71 : 배출 파이프 72 : 송풍기

Claims (29)

  1. 피처리물질이 통과될 수 있도록 세척수를 저장하는 세척수 담수부;
    상기 세척수 담수부와 이격설치되고, 상기 피처리 물질이 통과되어 용해성 유해성분을 제거하는 친수성의 제1 바이오 필터 및 바이오 담체;
    상기 제1 바이오 필터 및 바이오 담체와 이격설치되고, 상기 피처리 물질이 통과되어 불용해성 유해성분을 제거하는 소수성의 제2 바이오 필터;
    상기 제2 바이오 필터와 이격설치되고, 상기 피처리 물질이 통과되어 수분 및 잔여 유해물질을 제거하고 항균 및 살균처리하는 제3 바이오 필터;
    를 포함하며,
    상기 제1 내지 3 바이오필터 및 바이오담체는 필터 매트릭스, 흡착제 및 나노금속 함유물질을 포함하고,
    상기 제1 바이오 필터의 필터 매트릭스는
    복수개의 다공성 매트릭스층이 적층결합되며,
    상기 제2 및 제3 바이오 필터의 필터 매트릭스는
    다공성의 매트릭스층과 폴리우레탄층이 적층결합되는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 3 바이오 필터 및 바이오 담체는 하나의 하우징 내에서 이격설치되는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 내지 3 바이오 필터 및 바이오 담체는 수직방향으로 이격설치되는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세척수 담수부, 제1 바이오 필터 및 제2 바이오 필터를 순환하는 세척수를 공급하도록 설치된 세척수 저장조를 구비한 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 세척수 저장조는
    세척수 저장조에 부착되어 세척수 잔여량을 감지하는 레벨 스위치와, 상기 레벨 스위치와 연결되어 레벨 스위치의 제어에 의해 세척수를 유입시키는 세척수 유입 조절밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 세척수 저장조는
    세척수 저장조 내부에 배치되어 세척수의 pH를 감지하는 pH 미터;
    세척수의 pH를 조절하는 알칼리용액을 저장하고, 알칼리용액이 세척수 저장조에 유입되도록 연결된 알칼리용액 저장조; 및
    상기 알칼리용액 저장조에 부착되어 상기 pH 미터의 제어에 의해 알칼리용액을 세척수 저장조에 유입시키는 알칼리용액 유입 조절밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 내지 3 바이오필터 및 바이오담체의 흡착제는
    대나무 활성탄, 소나무 활성탄, 참나무 활성탄, 가문비나무 활성탄, 야자각활성탄, 살구씨 활성탄, 복숭아씨 활성탄 중에 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 목재 활성탄인 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 바이오필터, 바이오담체 및 제2 바이오필터의 나노금속 함유물질은
    나노 크기의 Fe, Cu, Mg, Ca, SiO2, Al2O3, MgO 또는 CaO 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바이오필터 및 바이오담체는 친수성 흡착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 친수성 흡착제는 제올라이트, 카올린, 벤토나이트 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바이오필터의 필터 매트릭스는
    폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 PVC 중 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 다공성 매트릭스층으로 이루어지고,
    상기 바이오담체의 필터 매트릭스는 폴리우레탄으로 된 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 바이오필터의 필터 매트릭스는
    폴리프로필렌, 폴리에틸렌, PVC 중 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 다공성 매트릭스층과, 폴리우레탄 매트릭스층이 적층결합되는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제3 바이오필터의 필터 매트릭스는
    폴리프로필렌, 폴리에틸렌, PVC 중 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 다공성 매트릭스층과, 폴리우레탄 매트릭스층이 적층결합되며,
    상기 다공성 매트릭스층은 흡착 충진제로 충진되는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 흡착 충진제는 목재 활성탄과, 목재활성탄에 첨착된 나노금속 함유물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 목재 활성탄은 대나무 활성탄, 소나무 활성탄, 참나무 활성탄, 가문비나무 활성탄, 야자각활성탄, 살구씨 활성탄, 복숭아씨 활성탄 중에 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하며,
    상기 나노금속 함유물질은 나노 크기의 Ag, Fe 또는 Zn 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거장치.
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  25. 세척수에 의해 피처리 물질을 용해 및 흡수하는 단계;
    상기 피처리 물질을 친수성의 제1 바이오 필터 및 바이오 담체에 통과시켜 용해성 유해성분을 제거하는 단계;
    상기 피처리 물질을 제2 바이오 필터에 통과시켜 불용해성 유해성분을 제거하는 단계;
    상기 피처리 물질을 제3 바이오 필터에 통과시켜 수분 및 잔여 유해물질을 제거하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 제1 내지 3 바이오필터 및 바이오담체는 필터 매트릭스, 흡착제 및 나노금속 함유물질을 포함하고,
    상기 제1 바이오필터의 필터 매트릭스는
    복수개의 다공성 매트릭스층이 적층결합되며,
    상기 제2 및 제3 바이오필터의 필터 매트릭스는
    다공성의 매트릭스층과 폴리우레탄층이 적층결합되는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거방법.
  26. 제25항에 있어서,
    세척수에 의해 피처리 물질을 용해 및 흡수하기 전에, 피처리 물질을 외부 공기와 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유해물질 제거방법.
  27. 삭제
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