[논문]바이오필터의 공학적 해석

김인호; 최호석

바이오필터의 공학적 해석
Engineering Analysis of Biofilter 원문보기

Biofiltration is a bioprocess treating volatile organic compounds (VOCs) in order to convert the VOCs to harmless products. This review on biofiltration is intended to provide an engineering concept such as removal efficiency, maximum load, elimination capacity and so on. Besides, modeling concept of biofilter is also supplied for designing biofilter system. Quantitative data generated in our research group is shown to explain the engineering concept as well as the modeling idea.

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문제 정의

이러한 목적을 달성하기 위해서는 분해미생물의 배양 최적화, 외부환경변화를 완충해줄 수 있는 새로운 바이오필터 담체의 개발, 그리고 압력손실이 적고 단위면적 당 처리 가스 량을 극대화할 수 있는 새로운 개념의 바이오필터 시스템 개발이 필요하다. 따라서 본 총설에서는 바이오필터 연구에서 고려할 공학적 문제를 토의하고자 한다.

가설 설정

(V) 생물막의 두께는 일정하다.
(ii) 공기흐름의 반경방향 분산은 무시하고 축방향 분산만 고려하였다.
(ii) 생물막 두께를 담체의 직경에 비해 아주 작다고 가정하였다. 바이오 필터 길이 변화에 무관하게 막두께를 일정하다고 정의하였다.
(iii) 기상과 액상사이에서 VOC는 Hanry의 법칙에 따라 분배 된다.
(iv) VOC와 산소는 생물막 안에서 확산에 의해 이동된다.
(vi) 생물막의 두께는 담체의 크기에 비해 아주 얇다
1990년대에 몇 연구진에서 모델링 연구가 발표되었는데 이 중 주목할 만한 것은 Shareefdem(18)의 연구이다. 정상상태와 비정상상태에서 탄소원과 산소의 농도에 대해 1차 반응식을 가정하여 모델을 수립하였다. 그리고 Hodge와 Devinny(19)는 linear driving force (LDF)를 계면에서 물질전달을 설명하기 위해 사용하였다.

제안 방법

(12)와 (13)의 형태로 표시되는 여러 편미분 방정식들을 적당한 초기조건과 경계조건들과 함께 수치해석 하였다. 편미분방정식들을 상미분방정식으로 전환하기 위하여 Orthogonal collocation법을 도입하였다 정상상태의 수치해석 결과와 실험치를 비교한 결과를 Figure 6에 보이고 있다.
편미분방정식들을 상미분방정식으로 전환하기 위하여 Orthogonal collocation법을 도입하였다 정상상태의 수치해석 결과와 실험치를 비교한 결과를 Figure 6에 보이고 있다. 톨루엔 농도를 100 - 300 ppm으로 biofilter에 공급했을 때 길이에 따라 톨루엔 농도의 감소를 수치모사한 결과와 biofilter의 비교하여 모델의 타당성을 검토하였다.

대상 데이터

실험에 사용할 여러 가지 담체(peat+calstone, synthesized media, barks, wood chips)를 바이오필터에 충진하기 전에 각 담체를 oven에서 완전히 건조시킨다. 건조된 담체들은 Autoclave에서 121 ℃, latm 하에서 25분간 멸균하는 방식으로 기존 담체에 존재하는 미생물을 제거한다.
요업기술원, 국립환경연구원, 한국건설기술연구원에서 폐수처리장에서 배출되는 악취가스를 제거하기 위해 바이오필터 연구가 수행되었다.여러 가지 media에 대한 기초연구가 수행되었고 연구된 media로 다공성돌, 부식토, 규조토, 갈탄,소나무 껍질 등의 유기, 무기 재료들이 사용되었다. 1990년대 후반에 들어 휘발 유기성분 VOCs에 대한 규제가 예고되어 BTEX(Benzene, Toluene, Etylbenzne, Xylene)를 Pseudomonas 균에 의하여 분해하는 바이오필터의 연구가 활발해지고 있다.

이론/모형

본 연구팀의 모델링 연구로 Shareefdem의 모델에 기초하여 정상상태의 문제를 풀었다(22). 모델수립에 필요한 가정은 다음과 같다.

성능/효과

바이오필터의 필터층의 수분 함량이 낮았기 때문이다. 따라서 바이오필터에 수분을 첨가한 후 제거율을 즉정한 결과 제거율이 상승하였다.

후속연구

따라서 운전과정에서 발생되는 문제를 최소화하고, 장치를 보다 소형화하거나 설치면적을 줄이는 방면으로의 기술개발이 요구된다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 분해미생물의 배양 최적화, 외부환경변화를 완충해줄 수 있는 새로운 바이오필터 담체의 개발, 그리고 압력손실이 적고 단위면적 당 처리 가스 량을 극대화할 수 있는 새로운 개념의 바이오필터 시스템 개발이 필요하다. 따라서 본 총설에서는 바이오필터 연구에서 고려할 공학적 문제를 토의하고자 한다.

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