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문제 정의
- 본 연구는 악취 흡착 특성이 우수하면서 경제적으로 우수한 충전재를 선정하고, 혼합재료의 악취 제거 특성을 구명하기 위하여 이루어졌으며, 그 구체적인 목적은 다음과 같다.
- 본 연구에서 혼합재료에 사용된 재료들에 대한 악취 제거 미생물 균주의 정착 특성을 구명하였다. 혼합재료로 사용될 코코넛, 소나무 수피, 펄라이트의 3종의 충전재에서는 악취 제거 미생물 균주가 정착 여부를 Fig.
- 본 연구에서는 충전재료의 악취흡착성능을 구명하기 위하여 흡착성능실험용 칼럼을 설계하고 제작하였으며, 제작되어진 칼럼으로 단일충전재와 혼합충전재에 대하여 악취흡착성능 실험을 수행하였다. 그리고 선발된 충 전재의 악취 제거 미생물 균주를 접종하여 악취 제거성능 실험을 수행하였다.
가설 설정
- 3) 천연충전재의 악취 제거 미생물 균주의 정착 특성을 구명한다.
제안 방법
- 1) 악취흡착 특성 구명을 위한 실험용 바이오 필터 시스템을 설계, 제작하고 작동 특성 구명한다.
- 예비실험을 통하여 칼럼의 작동 특성과 안정성, 기밀성을 실험하였다. 실험용 바이오 필터 시스템을 이용하여 1) 단일충전재의 악취흡착성능실험을 수행하였으며, 그 결과에서 악취흡착성능이 다른 재료에 비하여 우수한 단일충전재를 선발하였고, 2) 또 일정 비율로 혼합하여 혼합충전재의 악취흡착성능실험을 수행하였다. 그리고, 3) 혼합충전재의 악취흡착성능실험을 통해 선발된 혼합충전재에 악취 제거 미생물 균주를 접종하여 악취제 거성능실험을 수행하였다.
- 1) 번과 2) 번 실험의 경우 검지관(detection tube)를 이용하여 1분 간격으로 악취 가스의 농도, 압력을 측정하였고, 3) 번 실험의 경우 30분 간격으로 악취 가스의 농도, 압력을 측정하였다.
- 실험용 바이오 필터 시스템을 이용하여 1) 단일충전재의 악취흡착성능실험을 수행하였으며, 그 결과에서 악취흡착성능이 다른 재료에 비하여 우수한 단일충전재를 선발하였고, 2) 또 일정 비율로 혼합하여 혼합충전재의 악취흡착성능실험을 수행하였다. 그리고, 3) 혼합충전재의 악취흡착성능실험을 통해 선발된 혼합충전재에 악취 제거 미생물 균주를 접종하여 악취제 거성능실험을 수행하였다.
- 4) 악취 제거 미생물 균주를 접종한 혼합충전재의 악취 제거성능을 평가한다.
- Table 1에서 보는 각 재료의 특성 측정방법으 로는 산물밀도는 비이커와 전자저울을 이용하여 측정하였으며, 함수율은 시료를 무작위로 추출하여 3개의 샘플을 건조 오븐 법을 이용하여 건량 기준으로 나타내었다. 공극률은 매스실린더를 이용하여 3회 반복하여 측정하였으며, 압축강도는 UTM을 이용하여 측정하였다. 입자의 크기는 표본 샘플 100개씩 3회를 무작위로 추출하여 전체입자의 평균값으로 표시하였다.
- 본 연구에서는 충전재료의 악취흡착성능을 구명하기 위하여 흡착성능실험용 칼럼을 설계하고 제작하였으며, 제작되어진 칼럼으로 단일충전재와 혼합충전재에 대하여 악취흡착성능 실험을 수행하였다. 그리고 선발된 충 전재의 악취 제거 미생물 균주를 접종하여 악취 제거성능 실험을 수행하였다. 그 연구 결과는 다음과 같다.
- 본 악취흡착실험용 실험용 바이오 필터 시스템은 운전 시 내압에 대한 안전율을 고려하여 4 kgf/cm2에서 견딜 수 있도록 두께 8mm 아크릴로 설계하였으며, 접합부는 고 온 용해 용접을 이용하여 접합되었다. 기밀실험은 제작되 어진 칼럼과 plenum chamber에 물을 담고 48시간 동안 관찰하여 누수의 여부로 판단하였으며, 압력시험은 공 기압축기로부터 공급되는 공기의 압력을 2kg#cm3로 고정하고 충진칼럼 상부와 하부에 설치된 니쁠형 압력게 이지로 압력실험을 하였다.
- 또한 각 실험은 동일 조건 하의 3회 반복실험을 실시하였고, 혼합충전재 1, 2, 3의 경우 코코넛과 펄라이트의 혼합비율을 독립변수로 두고, 4가지의 물성 또는 제 거시간을 종속변수로 두어 유의성 검증을 실시하였고, 혼합충전재 4, 5, 6의 경우 소나무 수피와 펄라이트의 혼합비율을 독립변수로 두고, 4가지 물성 또는 제거 시간을 종속변수로 두어 유의성 검증을 실시하였다.
- 실험용 바이오 필터의 설계의 기준은 충전칼럼 길이의 경우 악취 제거 미생물 균주의 악취 제거 효용 시간이 8~10초가량으로 판명되어 일정 유속으로 악취 가스와 혼합된 공기를 공급하였을 경우 통과시간을 고려하여 설계하였다. 또한 충전용량의 경우 미생물의 생육 조건 중의 하나인 함수율이 60~80%인 것을 고려, 충전재와 미생물균주간의 양을 계산하여 결정하였다. Fig.
- 먼저 문헌 연구를 통하여 실험용 바이오 필터 시스템의 기초적인 형상과 치수를 설계하였다. 다음으로는 바 이오 필터에 사용될 충전재료로서 국내조달이 용이하며, 경제성이 우수한 재료인 수피, 펄라이트, 코코넛, 왕겨, 볏짚, 하이로드 볼을 선택하였다.
- 3과 같다. 본 악취흡착실험용 실험용 바이오 필터 시스템은 운전 시 내압에 대한 안전율을 고려하여 4 kgf/cm2에서 견딜 수 있도록 두께 8mm 아크릴로 설계하였으며, 접합부는 고 온 용해 용접을 이용하여 접합되었다. 기밀실험은 제작되 어진 칼럼과 plenum chamber에 물을 담고 48시간 동안 관찰하여 누수의 여부로 판단하였으며, 압력시험은 공 기압축기로부터 공급되는 공기의 압력을 2kg#cm3로 고정하고 충진칼럼 상부와 하부에 설치된 니쁠형 압력게 이지로 압력실험을 하였다.
- 실험용 바이오 필터의 설계의 기준은 충전칼럼 길이의 경우 악취 제거 미생물 균주의 악취 제거 효용 시간이 8~10초가량으로 판명되어 일정 유속으로 악취 가스와 혼합된 공기를 공급하였을 경우 통과시간을 고려하여 설계하였다. 또한 충전용량의 경우 미생물의 생육 조건 중의 하나인 함수율이 60~80%인 것을 고려, 충전재와 미생물균주간의 양을 계산하여 결정하였다.
- 악취흡착성능이 우수한 혼합충전재료에 암모니아 저 감균 A4-2와 유황 산화균 S5-5.2를 접종하여 28℃의 항온에서 순치한 후 충전재료에 접종 시켜 악취 제거실험을 수행하였다. 미 생물 균주의 초기 생균 수는 암모니아 산화 균과 황화수소 산화균이 각각 ml당 2.
- 6 X 109이었다. 암모니아 가스는 NH3 9.99%(base gas : N, 를, 황화 수소가스는 H2S l%(base gas : N, 를 air compressor에서 나온 공기와 혼합하여 충전칼럼으로 plenum chamber 을 통해 오염 공기를 공급하는데, Classen 등(2000)과 Martnec 등(2001)의 하향류보다는 이민규 등(2002)의 상 향류가 더 좋은 방식으로 사료되어 상향류로 공급하였고, 칼럼의 상하부의 sampling port에서 검지 관을 이용하여 각 실험 별로 일정 시간마다 악취 가스의 농도를 측정하였고, 풍속의 경우 2점 이상의 풍속을 동시에 측정 할 수 있는 다점 풍속계를 이용하여 계측하였다.
- 압력의 경우도 각 실험 별로 일정 시간마다 칼럼의 상 하부에 설치한 니쁠형 압력거이지(최대압력 2 kgfiSnf까 지 계측 가능)를 이용하여 계측하였다. 하부에서 측정한 암모니아 가스의 농도는 단일충전재의 경우 180 ppm, 혼합충전재의 경우 200 ppm, 황화 수소가스의 농도는 두 충전재 모두 20 ppm으로 측정되었다.
- 예비실험을 통하여 칼럼의 작동 특성과 안정성, 기밀성을 실험하였다. 실험용 바이오 필터 시스템을 이용하여 1) 단일충전재의 악취흡착성능실험을 수행하였으며, 그 결과에서 악취흡착성능이 다른 재료에 비하여 우수한 단일충전재를 선발하였고, 2) 또 일정 비율로 혼합하여 혼합충전재의 악취흡착성능실험을 수행하였다.
- 공극률은 매스실린더를 이용하여 3회 반복하여 측정하였으며, 압축강도는 UTM을 이용하여 측정하였다. 입자의 크기는 표본 샘플 100개씩 3회를 무작위로 추출하여 전체입자의 평균값으로 표시하였다. 흡수율은 수 분의 최대 흡수 시 수분의 중량과 시료의 건조중량의 무게비에 담체의 겉보기 밀도를 곱하여 부피 비 흡수율로 표시하였다.
- 누수 현상은 발견할 수 없었으며, 충전칼럼 상부와 하 부의 압력 차이가 없는 것으로 나타나 그 결과, 기밀 여부와 내압 성능에는 문제점이 없는 것으로 판단되었다. 제작되어진 충전칼럼으로 단일재료 6종과 혼합재료 6종에 대하여 악취흡착실험을 수행하였으며. 혼합재료로 사용된 단일재료에 대하여 악취 제거 미생물의 정착 성 실험을 수행하였다.
- 따라서 황화수소에 대한 흡착성능이 우수한 펄라이트를 혼합충전재의 재료로 선택하였다. 혼합 비율의 결정은 전량 수입에 의존하고 있는 코코넛과 이와 다르게 국내에서 쉽게 구입할 수 있는 소나무 수 피를 기준으로 하여, 혼합충전재 1은 코코넛과 펄라이트의 혼합비율을 3:7로 결정하였고, 혼합충전재 2는 코코넛과 펄라이트의 혼합비율을 5:5로 결정하였고, 혼합충전재 3은 코코넛과 펄라이트의 혼합비율을 7:3으로 결정하였고, 혼합충전재 4는 소나무 수피와 펄라이트의 혼합비율을 3:7로 결정하였고, 혼합충전재 5는 소나무 수피와 펄라이트의 혼합비율을 5:5로 결정하였고, 혼합충전재 6은 소나무 수피와 펄라이트의 혼합비율을 7:3으로 결정하였다. 충전재료의 충전법은 단일충전재료의 충전법과 동일하다.
- 제작되어진 충전칼럼으로 단일재료 6종과 혼합재료 6종에 대하여 악취흡착실험을 수행하였으며. 혼합재료로 사용된 단일재료에 대하여 악취 제거 미생물의 정착 성 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 단일충전재 재료는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 국내에서 구입이 용이하고 현재까지 개발되어 사용되는 충전재료에 비하여 경제성이 유리한 (a) 왕겨(rice hull), (b) 볏짚(rice straw), (c) 펄라이트 (perilte), (d) 소나무 수피 (chaff of pine), (e) 코코넛 (coconut), (f) 하이로드볼(highroad ball)을 충전재료들로 선정하였으며, 선정된 바이오 필터 충전재료들의 산물밀 도(bulk density) 등 물리적 특성은 Table 1에서 보는 바와 같다. Table 1에서 보는 각 재료의 특성 측정방법으 로는 산물밀도는 비이커와 전자저울을 이용하여 측정하였으며, 함수율은 시료를 무작위로 추출하여 3개의 샘플을 건조 오븐 법을 이용하여 건량 기준으로 나타내었다.
- 먼저 문헌 연구를 통하여 실험용 바이오 필터 시스템의 기초적인 형상과 치수를 설계하였다. 다음으로는 바 이오 필터에 사용될 충전재료로서 국내조달이 용이하며, 경제성이 우수한 재료인 수피, 펄라이트, 코코넛, 왕겨, 볏짚, 하이로드 볼을 선택하였다. 왕겨의 경우 도정 작업 후에 적재된 시료를 채취하였고, 볏짚의 경우 노지에 적재된 시료를 채취하였으며, 펄라이트, 수피, 하이로드 볼, 코코넛의 경우 2001년 12월경에 충남대학교 농화학과 실험실에서 구입한 재료를 제공받았으며, 각 재료들 은 3개월간 상온에서 방치하여 전처리를 실시하여 실험을 실시하였고, 그 재료를 이용하여 6개월 동안 실험을 실시하였다.
- 왕겨의 경우 암모니아와 황화수소에 대한 흡착성능이 다른 재료에 비해 우수하였지만 매회 충전 방법에 따라 압력강하, 흡착성능 등이 크게 변화가 일어나 실질적인 현장 적용에 어려울 것으로 판단되었다. 따라서 황화수소에 대한 흡착성능이 우수한 펄라이트를 혼합충전재의 재료로 선택하였다. 혼합 비율의 결정은 전량 수입에 의존하고 있는 코코넛과 이와 다르게 국내에서 쉽게 구입할 수 있는 소나무 수 피를 기준으로 하여, 혼합충전재 1은 코코넛과 펄라이트의 혼합비율을 3:7로 결정하였고, 혼합충전재 2는 코코넛과 펄라이트의 혼합비율을 5:5로 결정하였고, 혼합충전재 3은 코코넛과 펄라이트의 혼합비율을 7:3으로 결정하였고, 혼합충전재 4는 소나무 수피와 펄라이트의 혼합비율을 3:7로 결정하였고, 혼합충전재 5는 소나무 수피와 펄라이트의 혼합비율을 5:5로 결정하였고, 혼합충전재 6은 소나무 수피와 펄라이트의 혼합비율을 7:3으로 결정하였다.
- 다음으로는 바 이오 필터에 사용될 충전재료로서 국내조달이 용이하며, 경제성이 우수한 재료인 수피, 펄라이트, 코코넛, 왕겨, 볏짚, 하이로드 볼을 선택하였다. 왕겨의 경우 도정 작업 후에 적재된 시료를 채취하였고, 볏짚의 경우 노지에 적재된 시료를 채취하였으며, 펄라이트, 수피, 하이로드 볼, 코코넛의 경우 2001년 12월경에 충남대학교 농화학과 실험실에서 구입한 재료를 제공받았으며, 각 재료들 은 3개월간 상온에서 방치하여 전처리를 실시하여 실험을 실시하였고, 그 재료를 이용하여 6개월 동안 실험을 실시하였다.
- 혼합충전재료는 악취흡착 특성 실험 결과를 고려하여 다른 재료에 비하여 암모니아와 황화수소에 대한 흡착 성능이 상대적으로 뛰어난 코코넛, 소나무 수피와 펄라이트로 선정하였다. 왕겨의 경우 암모니아와 황화수소에 대한 흡착성능이 다른 재료에 비해 우수하였지만 매회 충전 방법에 따라 압력강하, 흡착성능 등이 크게 변화가 일어나 실질적인 현장 적용에 어려울 것으로 판단되었다.
이론/모형
- 1에서 보는 바와 같이 국내에서 구입이 용이하고 현재까지 개발되어 사용되는 충전재료에 비하여 경제성이 유리한 (a) 왕겨(rice hull), (b) 볏짚(rice straw), (c) 펄라이트 (perilte), (d) 소나무 수피 (chaff of pine), (e) 코코넛 (coconut), (f) 하이로드볼(highroad ball)을 충전재료들로 선정하였으며, 선정된 바이오 필터 충전재료들의 산물밀 도(bulk density) 등 물리적 특성은 Table 1에서 보는 바와 같다. Table 1에서 보는 각 재료의 특성 측정방법으 로는 산물밀도는 비이커와 전자저울을 이용하여 측정하였으며, 함수율은 시료를 무작위로 추출하여 3개의 샘플을 건조 오븐 법을 이용하여 건량 기준으로 나타내었다. 공극률은 매스실린더를 이용하여 3회 반복하여 측정하였으며, 압축강도는 UTM을 이용하여 측정하였다.
- 흡수율은 수 분의 최대 흡수 시 수분의 중량과 시료의 건조중량의 무게비에 담체의 겉보기 밀도를 곱하여 부피 비 흡수율로 표시하였다. 이 재료들의 충전작업 시 발생할 수 있는 충전재의 압밀과 형상 변화를 최소화하기 위하여 갈대기를 이용하여 자유낙하 시켜 충전하는 무진동 충전법 을 이용하였다.
성능/효과
- 1) 악취흡착, 제거실험용 실험용 바이오 필터 시스템을 설계, 제작하였으며, 충진 칼럼은 설계 시의 조건에 합당하게 내부압력과 기밀성에 문제점이 없는 것으로 나타났다.
- 2) 단일충전재는 암모니아 180 ppm과 황화수소 20 ppm의 악취 가스에 대하여 단위 체적당 악취 가스 제거량은 왕겨의 경우 0.054 ucm3 과 0.016 Hem, 볏짚의 경우 0.010 ucm3과 0.004ucm3, 코코넛의 경우 0.158 Hen? 과 0.010 Ucra, 펄라이트의 경우 0.
- 61%로 제거효율이 매우 높은 것으로 나타났다. 24시간 동안 6시간 간격으로 충전재 샘플을 채취, 미생물 생균 수를 분석하였고, 초기 미생물 생균 수보다 증가하는 추세를 보였다. 24시간으로 정한 이유는 혼합충전재에 악 취제거 미생물 균주를 접종하여 실험한 목적이 악취 제거 성능을 측정하기 위하여 정한 시간이고, 차후 실험을 통해 장기간 측정할 예정이다.
- 3) 단일재료의 악취흡착성능 실험 결과 암모니아는 코코넛, 소나무 수피, 왕겨에서 흡착능력이 우수하게 나타났으며, 황화수소는 펄라이트, 왕겨, 소나무 수피에서 상대적으로 우수한 것으로 나타났으며, 혼합충전재는 암모니아의 경우 코코넛과 펄라이트의 비율이 70:30인 혼합재료 3번과 소나무 수피와 펄라이트의 비율이 70: 30인 혼합재료 6번에서 다른 혼합재료에 비하여 우수한 것으로 나타났디..
- 4) 코코넛과 소나무 수피의 경우 암모니아에 대한 흡착성능은 거의 비슷한 것으로 사료되며, 코코넛의 경우 전량을 수입에 의존하고 있다는 점에서 국내 조달이 용이하며, 구입비용도 적게 소요되는 소나무 수피를 사용하는 것이 경제 적이라 판단되 었 다.
- 5) 마지막으로 악취 제거 미생물 균주를 접종한 소나무 수피 70%와 펄라이트 30%의 혼합재료를 24시간 동안 장기간 운전실험을 수행한 결과 암모니아 99.06%, 황화수소 96.61%의 제거효율을 보였다.
- 누수 현상은 발견할 수 없었으며, 충전칼럼 상부와 하 부의 압력 차이가 없는 것으로 나타나 그 결과, 기밀 여부와 내압 성능에는 문제점이 없는 것으로 판단되었다. 제작되어진 충전칼럼으로 단일재료 6종과 혼합재료 6종에 대하여 악취흡착실험을 수행하였으며.
- 112 l/cm] 0.054 〃cn? 로 나타나 다른 재료에 비하여 흡착성능이 우수한 것으로 나타났고, 황화수소는 펄라이트와 왕겨에서 흡착성능이 각각 0.020 Vcm, 0.016 gem, 로 다른 재료에 비하여 우수한 것으로 나타났다.
- 본 실험에서는 혼합재료의 물리적인 악취흡착성능은 코코넛과 펄라이트, 소나무 수피와 펄라이트의 혼합비율이 각각 70:30인 혼합재료 3번과 혼합재료 6번에서 가장 우수한 것으로 나타났으며, 전량 수입에 의존하고 있는 코코넛보다는 국내조달이 용이한 소 나무수피를 이용하는 것이 바람직하다고 판단되었으며, 선정된 혼합재료 6번을 이용하여 악취 제거 실험을 24시간 동안 수행하였다. 악취 제거실험을 진행하는 24시간 동안 30분 간격으로 칼럼의 상하부의 Sampling Port에서 검지 관을 이용하여 악취 가스의 농도를 측정하였고, 악취 제거효율은 Fig.
- 020 〃cm3의 범위에서 거의 일정하게 분포하는 것으로 나타났다. 실험 결과 풍속과 압력강하는 코코넛과 소나무 수피의 비율이 높아지는 혼합 재료의 경우 압력손실이 높은 것으로 나타났다.
- 본 실험에서는 혼합재료의 물리적인 악취흡착성능은 코코넛과 펄라이트, 소나무 수피와 펄라이트의 혼합비율이 각각 70:30인 혼합재료 3번과 혼합재료 6번에서 가장 우수한 것으로 나타났으며, 전량 수입에 의존하고 있는 코코넛보다는 국내조달이 용이한 소 나무수피를 이용하는 것이 바람직하다고 판단되었으며, 선정된 혼합재료 6번을 이용하여 악취 제거 실험을 24시간 동안 수행하였다. 악취 제거실험을 진행하는 24시간 동안 30분 간격으로 칼럼의 상하부의 Sampling Port에서 검지 관을 이용하여 악취 가스의 농도를 측정하였고, 악취 제거효율은 Fig. 8과 같이 암모니아의 경우 99.06%를 보였으며, 황화수소의 경우 96.61%로 제거효율이 매우 높은 것으로 나타났다. 24시간 동안 6시간 간격으로 충전재 샘플을 채취, 미생물 생균 수를 분석하였고, 초기 미생물 생균 수보다 증가하는 추세를 보였다.
- 혼합충전재료의 악취흡착성능실험의 결과는 Table 5 에서 보는 바와 같다. 혼합충전재의 암모니아 가스에 대한 흡착성능은 코코넛 70%와 펄라이트 30%의 혼합재료 3번과 소나무 수피 70%와 펄라이트 30%의 혼합재료 6번에서 다른 혼합재료에 비하여 우수한 것으로 나타났으며, 흡착량은 각각 0.123 l/cm, 0.111 ucm3로 나타났다. 황화 수소가스는 0.
후속연구
- 24시간 동안 6시간 간격으로 충전재 샘플을 채취, 미생물 생균 수를 분석하였고, 초기 미생물 생균 수보다 증가하는 추세를 보였다. 24시간으로 정한 이유는 혼합충전재에 악 취제거 미생물 균주를 접종하여 실험한 목적이 악취 제거 성능을 측정하기 위하여 정한 시간이고, 차후 실험을 통해 장기간 측정할 예정이다. 황화 수소가스의 제거율의 경우 15시간 이후에 제거율이 일시적으로 약간 감소하였지만 배출농도를 2ppm 이하로 유지하였다.
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