KR20020054304A - 휘발성유기화합물 및 악취제거용 바이오필터 담체의수분함유량을 지속적으로 유지케하는 조성물 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휘발성유기화합물 및 악취제거용 바이오필터 담체의 수분함유량을 지속적으로 유지케하는 조성물 및 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 악취 및 휘발성유기화합물(이하 VOCs라고 함)을 제거하는 바이오 필터의 담체로 사용되는 생물 미디어의 수분함유율을 증대하여 바이오 필터의 사용을 효율적으로 하는 담체 미디어의 조성물 및 제조방법을 제공하고자 함이다.

토탄, 나무껍질, 소나무톱밥을 무게비로 1:1:1:로 균일하게 섞는 혼합물(A)과; 8mm지름의 펄라이트(B)와; 1인치 Berl Saddles(세라믹 미디어), 1/2인치 Reaching ring(세라믹 미디어), 지름 1cm로 균일하게 자른 폐타이어 고무를 부피비로 1:1:1로 균일하게 섞은 혼합물(C)과; 특수 미생물 액체 제재로 접종된 활성탄(D)과; 하수 슬러지의 호기성 미생물로 활성화된 제올라이트(E)와; 황화수소 가스 제거용 바이오 필터 미디어로부터 추출한 Thiobacillus 미생물 액체 제재로 접종된 폴리우레탄 스폰지(F)로 A;B;C;D;E;F의 부피비가 3:2:2:1:1:1:로 균일하게 섞은 혼합물로 담체 미디어를 구성한다.

Description

휘발성유기화합물 및 악취제거용 바이오필터 담체의 수분함유량을 지속적으로 유지케하는 조성물 및 제조방법{The composition and process that bio-filter'carrier maintain the moisture contents continuously for removing stink and volatile organic components}

본 발명은 휘발성유기화합물 및 악취제거용 바이오필터 담체의 수분함유량을 지속적으로 유지케하는 조성물 및 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 악취 및 휘발성유기화합물(volatile organic components; 이하 VOCs라고 함)을 제거하는 바이오 필터의 담체로 사용되는 생물 미디어의 수분함유율을 증대하여 바이오 필터의 사용을 효율적으로 하는 담체 미디어의 조성물 및 제조방법을 제공하고자 함이다.

일반적으로 오염된 공기에 포함되어 있는 악취 및 VOCs를 제거하는 방법에는 약액세정, 촉매산화 등의 물리화학적 방법과 바이오 필터(Biofilter), 바이오와셔(Biowasher), 에어리프트(Air lift), 트리클 에어 바이오 필터(Trickle air biofilter) 등의 생물화학적 방법이 있다. 그러나 물리화학적인 처리방법을 이용하면 2차 오염물질이 배출되고 시설비용과 운전비용이 소요되는 등의 문제점이 발생하여 최근에는 미생물을 이용한 생물화학적 방법이 폐가스정화기술로 악취 및 VOCs를 제거하는 방법으로 많이 사용되고 있다. 바이오 필터는 주로 오염물질의 용해도가 낮은 경우에 적합하여 공정이 매우 단순하고 설치비, 운전비가 적게 든다는 장점이 있다. 그러나 미생물의 적절한 성장을 위하여 pH, 온도, 수분, 영양분이 추가공급하여야 하는 등의 공정제어가 어렵고, 장기간 운전시에는 담체의 수측, 영양성분의 고갈로 인하여 담체의 교환이 필요하다. 이러한 상기의 바이오 필터의 효율을 극대화하기 위해서 바이오 필터의 담체의 요건은 첫째, 미생물의 부착 생장을 위한 영역확보 및 미생물과 처리 목표물질이 흡착효율 향상을 위해 큰 비표면적을 가질 것, 둘째, 압력손실 및 기체의 체류시간 감소방지를 위해 수측팽창율이 적고 공극률이 높을 것, 셋째, 미생물의 조건이며 활성유지에 필수요소인 수분의 보유력을 높일 것, 넷째, 미생물의 생장으로 인한 중량 증가를 지지할 수 있는 강도를 가지면서 동시에 가벼울 것의 요건이 충족되어야 하며 마지막으로 미생물의 생장활동에 필요한 영양염류 등이 담체 자체 내부 혹은 외부에서 공급될 수 있는 조건이 되어야 한다.

이에 이러한 바이오 필터는 다양하게 사용되어지고 공지된 바가 많으나 담체의 미디어 내부의 미생물 성장에 필수요소인 수분조절이 어려워 함수율을 적당하게 조절하지 못하여 바이오 필터 내부가 막히는 문제점이 있었고, 수분을 장시간 보유할 수 있게 하는 미디어가 없어서 미디어를 거의 1년을 주기로 교환해 주어야 하는 등의 번거러움과 더불어 자원을 낭비할 뿐만 아니라 운영상의 비용도 지속적으로지출되는 등의 효율적인 측면에서 부족한 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 악취 및 VOCs의 제거에 사용되는 바이오 필터의 담체내부의 미디어의 물질의 성분과 조성을 조절하여 적절한 함수율을 가지게 하여 필터내부가 막히는 것을 예방하고 수분함유력을 높여 바이오 필터 담체의 미디어의 사용 기간을 증대하고, 운영을 간편하게 하여 효율적으로 사용하게하는 천연자연소재의 휘발성유기화합물 및 악취제거용 바이오필터 담체의 수분함유량을 지속적으로 유지케하는 조성물 및 제조방법을 제공하고자 함이다.

토탄, 나무껍질, 소나무톱밥을 무게비로 1:1:1:로 균일하게 섞는 혼합물(A)과; 8mm지름의 펄라이트(B)와; 1인치 Berl Saddles(세라믹 미디어), 1/2인치 Reaching ring(세라믹 미디어), 지름 1cm로 균일하게 자른 폐타이어 고무를 부피비로 1:1:1로 균일하게 섞은 혼합물(C)과; 특수 미생물 액체 제재로 접종된 활성탄(D)과; 하수 슬러지의 호기성 미생물로 활성화된 제올라이트(E)와; 황화수소 가스 제거용 바이오 필터 미디어로부터 추출한 Thiobacillus 미생물 액체 제재로 접종된 폴리우레탄 스폰지(F)로 A;B;C;D;E;F의 부피비가 3:2:2:1:1:1:로 균일하게 섞은 혼합물로 담체 미디어를 구성한다.

상기의 실시예로서 10㎏의 활성탄에 대하여 1리터 가량으로 주입하여 5일간40℃ 의 온도를 유지하며 미생물을 활성탄에 접종시키고, 상기 제올라이트(E)는 호기성 하수 슬러지를 부피비로 5;1 정도로 혼합하여 5일동안 40℃ 의 온도를 유지하며 미생물을 제올라이트에 접종시키며 상기 폴리우레탄 스폰지(F)는 아황산가스 제거용 바이오필터 미디어로부터 추출한 Thiobacillus 미생물 액체 제재를 1㎥의 폴리우레탄 스폰지에 대하여 1리터 가량으로 주입하고 5일간 40℃의 온도를 유지하며 미생물을 접종시킨다.

관련 데이터에 따른 결과치는 다음과 같다.

[데이터 1]

상기 데이터에서 바이오필터의 위치에 따라 수분 함유량이 각각 다른 측정치를 가지고 있음을 나타내고 초기단계, 중간단계, 마지막 단계를 나타내는 전형적인 바이오필터의 외관이다.

[데이터 2]

일반적으로 알려진 초기상태의 미디어내 함유량 및 일정기간 가동후 미디오 내 높이에 따른 함유량 변화를 나타낸다.

[데이터 3]

바이오필터 미디어 내 수분함유량이 지속적으로 유지됨으로서 초기적응기간이후 약 56일간(24~80일 기간) 에틸벤젠 COD부하율(kg COD/㎥)이 현저히 낮게 유지됨을 알 수 있다.

[데이터 4]

데이터 4는 바이오필터 미디어 내 수분함유량이 지속적으로 유지됨으로서 초기 적응기간이후 약 56일간(24일~80일 기간) 제거 효율이 약 95%이상을 유지하고 있다.

[데이터 5]

일정기간 가동시 바이오필터 미디어 내 함유량 변화를 나타낸다. 초기적응기간 (1~17일) 이후의 약 80일간의 평균함유량이 80~100%를 유지하고 있다. 상기의 실험결과에 따른 함수율량의 환산방법은 물의량(kg)/ 미디어량(kg)으로 환산된다.

상기와 같은 방법으로 제조된 바이오 필터는 지속적으로 물을 제공하지 않아도 되므로 추가적인 노력을 불필요하게 되므로 운영비용이 상당량 감소하고, 에틸벤젠, 헥산, 펜탄과 같은 휘발성 지방족 화합물을 포함한 광범한 종류의 유기물질들과 함께 할로겐 탄화수소와 같은 난분해성 오염물질들까지도 효과적으로 분해 할 수 있다.

이와같은 본 발명의 각 물질에 대한 세부적인 작용을 살펴보면 다음과 같다.

상기의 통상의 토탄은 이끼류 ·갈대 ·사초 등의 화본과식물, 때로는 소나무 ·자작나무 등의 수목질의 유체(遺體)가 분지에 두껍게 퇴적하여 물의 존재하에서 균류 등의 생물화학적인 변화를 받아 분해 ·변질된 것으로 넓은 뜻으로는 석탄의 한 종류에 포함되지만 일반적으로 석탄과는 구별된다. 토탄은 석탄처럼 지하에 매몰된 수목질이 오랜 세월 동안에 지압과 지열작용(石炭化作用이라고 한다)을 받아 생성된 것과는 달리 앞에서 말한 식물질의 주성분인 리그닌 ·셀룰로오스 등이 주로 지표에서 분해작용(泥炭化作用이라고 한다)을 받은 것이다. 토탄은 원식물질의 종류, 분해의 정도 등의 차이에 따라, 툰드라이탄 ·초탄 ·목질이탄 ·이질이탄(泥質泥炭) 등으로 분류된다. 이들 중에서 이용가치가 가장 높은 것은 초탄이다. 초탄은 갈대 ·사초 등의 화본과식물이 주가 되며, 한랭지 ·고소한랭습지대에서 산출된다.

강의 조직에서 페라이트와 시멘타이트가 층을 이루는 조직을 펄라이트라고하며 탄소 0.76%의 강을 약 750℃ 이상의 고온에서 서서히 냉각하면, 650~600℃에서 변태를 일으켜(이 변태를 A1 변태라고 한다) 펄라이트 조직이 나타난다. 사광선(斜光線)을 이용하여 현미경으로 검사하면, 진주와 같은 광택이 나타나 펄라이트라 한다. 이것은 α철(페라이트라고 한다)과 탄화철 Fe₃C(시멘타이트라고 한다)가 서로 번갈아 층을 이루는 것이다. 즉 A1 변태의 내용은

이다. 고온으로부터의 냉각속도가 커짐에 따라서 Ar1 점(냉각 때의 A1)은 내려가 펄라이트층은 미세해진다. 탄소가 0.76% 이하의 강에서 그 상온의 조직은 펄라이트와 페라이트, 탄소 0.76% 이상의 강 또는 주철에서는 펄라이트와 시멘타이트로 된다.

일반적인 활성탄의 제조방법은 목재 ·갈탄 ·이탄(泥炭) 등을 활성화제인 염화아연이나 인산과 같은 약품으로 처리하여, 건조시키거나 목탄을 수증기로 활성화시켜 만든다. 일반적으로 활성탄은 가루상태나 입자상태로 제조되는데, 가루인 것은 입자상태로 만들어 사용하기도 한다. 용도는 주로 흡착제로서 기체나 습기를 흡수시키는 데 사용되며, 그 밖에 용제(溶劑)의 회수제와 가스의 정제용 또는 탈색제로 쓰이는 등 용도가 다양하다. 원래 활성화란 복사(輻射)의 흡수나 고속입자선의 충격 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 되어 화학반응이나 결정격자(結晶格子)를 일으키기 쉬운 상태로 변하는 것을 말한다. 또 촉매작용으로 그 표면상태의 변화나 다른 물질의 첨가로 그 기능이 훨씬 높아지는 것을 뜻하는 것이므로, 활성탄도 이와 같은 활성화제를 첨가하여 탄소질의 기능이 향상된 것을 뜻한다.

알칼리 및 알칼리토금속의 규산알루미늄 수화물(水化物)인 광물의 총칭하는 제올라이트에 호기성 하수처리 또는 정수과정에서 생긴 침전물인 하수 슬러지를 부피비로 5:1 정도로 혼합하여 5일동안 40℃ 의 온도를 유지하며 미생물을 제올라이트에 접종시킨다.

탄성이 있는 해면상의 다공질물질도 스펀지라고 한다. 이런 것에는 천연고무의 원액을 발포(發泡)시켜 만든 라버형, 폴리우레탄의 합성수지로 만든 우레탄형이 있는데 폴리우레탄 스펀지에 황 또는 무기화합물을 산화함으로써 발육에 필요한 에너지를 얻는 세균인 황세균을 1리터 가량으로 주입하고 5일간 40℃ 의 온도를 유지하며 미생물을 접종시킨다. 상기의 황세균은 황천(黃泉) ·오수 ·토양 중에 생육한다. 황 ·황화수소 및 다른 황화물 ·아황산염류 ·티오황산염 등을 산화하고, 또는 수소이탈을 행하거나 탄산무수물을 동화하여 증식하며, 그 영양에 유기탄소화합물을 필요로 하지 않는 세균이다. 황세균에는 무색황세균(Leucothiobacteria)과 유색황세균(chromothiobacteria)이 있다. 무색황세균에는 베기아토아속(Beggiatoa) ·티오스릭스속(Thiothrix) 등이 있고, 황화합물이나 황을 산화하여 탄소동화작용을 하는 것으로 체내에 황을 품는 것, 알칼리성을 좋아하는 것과 산성을 좋아하는 것 등이 있다. 유색황세균에는 티오바실루스속(Thiobacillus)이 있으며, 체내에 박테리오푸르푸린이라는 홍색 또는 녹색 색소를 품고 태양광선을 이용하여 광합성을 행하여 황립(黃粒)을 생성한다. 복잡하고 여러 가지 양상을 나타내는 세균의 한 무리이며, 토양 속 황의 순환에 관여한다.

상기의 성분물질의 일정비율로 이루어진 미디어에 대한 물의 공급은 바이오 필터의 적절한 운영에 가장 중요한 항목으로 미디어 내부의 적절한 함수비를 유지하는 것이 중요하다. 수많은 연구자들에 의해 연구된 결과는 바이오 필터와 관련된 75% 의 문제가 적절치 못한 수분조절 때문이라고 하였다.

바이오 필터 내부의 지나치게 높거나 낮은 함수비는 운영에 있어서 아주 다양한 종류의 문제들을 발생시킬 수 있다.

높은 함수비는 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있다.

① 수분이 미디어 사이의 공간을 공기 대신 찾하게 됨에 압력손실이 증가하게 되고 따라서 공기의 흐름을 제한하게 된다.

② 바이오 필터 미디어가 뭉쳐져서 추가적인 압력손실을 일으키게 된다.

③ 낮은 용해성을 가진 오염물질의 경우 미디어 내부에서의 확산에 제한을 일으킨다.

④ 단위 바이오 필터 용적당 수분과 공기의 접촉면적이 줄어 들게 됨에 따라 원활한 산소 공급에 문제가 발생할 가능성이 있다.

⑤ 악취 발생과 함께 저하된 분해율을 가진 무산소 지역이 발생할 수 있다.

⑥ 바이오 필터 미디어로부터의 영양분을 제거할 수 있다.

⑦ 추가적인 처리를 요구하는 고농도의 낮은 pH를 가진 침출수 발생 가능성이 있다.

낮은 함수비는 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있다.

① 바이오 필터 내에서의 미생물의 분해속도 저하 가능성이 있다.

② 바이오 필터 미디어 내부의 균열 발생 가능성이 있다. 이러한 경우 공기의 흐름이 발생한 균열 틈으로 진행하게 되어 바이오 필터의 활동 저하를 초래할 수 있다.

바이오 필터의 미디어에 대한 최적 함수비는 명확히 드러나지 않으나 여러학자들의 통설로 보건데 바이오필터의 최적 함수비의 범위는 40~60%라고도 하고, 무게비의 최적치 범위가 45~60%라고도 한다. 또한 이러한 바이오 필터의 미디어 함수비는 에탄올 등의 제거에 중요한 영향을 미친다. 함수비가 49%이하일때 제거능이 급격히 떨어짐을 나타낸다. 이러한 결과치의 환산은 수분/미디어+수분으로 산정한 것으로 여겨진다. 상기의 데이터에 따른 함수율 환산방법은 함수율량(%)= 물의량(kg)/ 미디어량(kg)으로 측정되어진 데이터이다.

이러한 상기의 각 물질을 소정의 일정비율로 혼합하여 바이오 필터의 미디어를 제작하면 물을 잘 흡수하는 특징이 있어 지속적으로 물을 제공해야 하는 추가적인 노력을 절감할 수 있고, 본 발명을 미디어로 사용하는 경우 바이오 필터가 보다 효율적이고 안정적인 운영이 가능하다.

또한 본 발명을 사용하여 운영되는 바이오 필터 장치의 간략한 작동상태를 살펴보면, 통상의 휘발성유기화합물 및 악취제거를 위한 장치에서 각 담체층에 함수비측정기와 온도계가 장착된 것을 사용함으로서 지속적인 함수율의 변화와 일정한 수준의 함수율을 유지하는데 부가적인 효율성이 있다.

이와같이 본 발명은 바이오 필터의 담체내부의 미디어의 물질의 성분과 조성을 조절하여 수분함유력을 지속적으로 유지하게 함으로써 적절한 함수율을 유지케하여 미생물이 부착하여 성장할 수 있는 최적의 생장조건을 제공하여 악취 및 VOCs를 효과적으로 제거하고, 담체 미디어의 교환시기를 지연함으로서 자원을 장기간 사용하여 자원의 활용도를 높이고 자연자원의 활용과 더불어 친환경적인 조건을 제공하는데 그 효과가 있다.

Claims (2)

1. 토탄, 나무껍질, 소나무톱밥을 무게비로 1:1:1:로 균일하게 섞는 혼합물(A)과; 8mm지름의 펄라이트(B)와; 1인치 Berl Saddles(세라믹 미디어), 1/2인치 Reaching ring(세라믹 미디어), 지름 1cm로 균일하게 자른 폐타이어 고무를 부피비로 1:1:1로 균일하게 섞은 혼합물(C)과; 특수 미생물 액체 제재로 접종된 활성탄(D)과; 하수 슬러지의 호기성 미생물로 활성화된 제올라이트(E)와; 황화수소 가스 제거용 바이오 필터 미디어로부터 추출한 Thiobacillus 미생물 액체 제재로 접종된 폴리우레탄 스폰지(F)로 A;B;C;D;E;F의 부피비가 3:2:2:1:1:1:로 균일하게 섞은 혼합물로 담체 미디어를 구성됨을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 및 악취제거용 바이오필터 담체의 수분함유량을 지속적으로 유지케하는 조성물 및 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 10㎏의 활성탄에 대하여 1리터 가량으로 주입하여 5일간 40℃ 의 온도를 유지하며 미생물을 활성탄에 접종시키고, 상기 제올라이트(E)는 호기성 하수 슬러지를 부피비로 5;1 정도로 혼합하여 5일동안 40℃ 의 온도를 유지하며 미생물을 제올라이트에 접종시키며 상기 폴리우레탄 스폰지(F)는 아황산가스 제거용 바이오필터 미디어로부터 추출한 Thiobacillus 미생물 액체 제재를 1㎥의 폴리우레탄 스폰지에 대하여 1리터 가량으로 주입하고 5일간 40℃의 온도를 유지하며 미생물을 접종시킨 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 및 악취제거용 바이오필터 담체의 수분함유량을 지속적으로 유지케하는 조성물 및 제조방법.