유류로 오염된 토양의 생물학적 복원에서 휘발성 유기화합물(VOCs)을 제거하기 위한 biofilter의 적용 가능성에 대하여 알아보았다 대표 오염물질로 diesel을 선정한 후 총 86일 동안 ceramic과 polymer,이 두 종류의 담체를 사용하여 SV(공간속도)와 유량, 입구농도 등을 조사하여 최적의 운전조건을 찾고자하였다. 운전초기 30일간 SV를 $153\;h^{-1}$ 고정하여 입구농도를 증가시키며 ceramic 및 polymer biofilter의 제거효율 변화에 대하여 알아보았다. Ceramic 및 polymer 담체에서는 총 VOCs의 입구농도가 10 ppmv 이하일 때 각각 평균 $67\%$ 및 $15\%$의 제거효율을 보였으나, 입구농도를 30 ppmv까지 증가시켰을 때 ceramic 담체는 제거 효율이 $60\%$까지 저하되었고, polymer 담체의 경우 $80\%$의 제거효율을 보였다. 또한, Diesel VOCs의 입구농도와 공간 속도의 증가에 따른 총 VOCs의 제거효율에 미치는 영향을 알아보았다. 공간속도가 $153\;h^{-1}$에서 $204\;h^{-1}$와 $306\;h^{-1}$로 증가함에 따라 총 VOCs의 제거 효율은 점차적으로 감소하여 polymer 담체의 경우 평균 제거효율이 $82\%$에서 $80\%,\;77\%$로 약 $5\%$ 감소함을 관찰하였다. Polymer 담체에서는 공간속도의 증가에도 불구하고 benzene과 toluene모두 약 $81\~86\%$의 영역에서 일정한 제거효율을 보이는 것으로 나타났다. 반면, ceramic 담체에서 benzene의 경우 공간속도 $153\;h^{-1}$에서 평균 $87\%$의 제거효율을 보였고, 공간속도가 $204\;h^{-1}$에서 $306\;h^{-1}$로 증가함에 따라 $79\%$에서 $74\%$로 약 $5\%$가 감소하였다. Toluene의 제거효율은 공간속도의 증가에 따라 $80\%$에서 $76\%$로 $4\%$ 감소하였다.
유류로 오염된 토양의 생물학적 복원에서 휘발성 유기화합물(VOCs)을 제거하기 위한 biofilter의 적용 가능성에 대하여 알아보았다 대표 오염물질로 diesel을 선정한 후 총 86일 동안 ceramic과 polymer,이 두 종류의 담체를 사용하여 SV(공간속도)와 유량, 입구농도 등을 조사하여 최적의 운전조건을 찾고자하였다. 운전초기 30일간 SV를 $153\;h^{-1}$ 고정하여 입구농도를 증가시키며 ceramic 및 polymer biofilter의 제거효율 변화에 대하여 알아보았다. Ceramic 및 polymer 담체에서는 총 VOCs의 입구농도가 10 ppmv 이하일 때 각각 평균 $67\%$ 및 $15\%$의 제거효율을 보였으나, 입구농도를 30 ppmv까지 증가시켰을 때 ceramic 담체는 제거 효율이 $60\%$까지 저하되었고, polymer 담체의 경우 $80\%$의 제거효율을 보였다. 또한, Diesel VOCs의 입구농도와 공간 속도의 증가에 따른 총 VOCs의 제거효율에 미치는 영향을 알아보았다. 공간속도가 $153\;h^{-1}$에서 $204\;h^{-1}$와 $306\;h^{-1}$로 증가함에 따라 총 VOCs의 제거 효율은 점차적으로 감소하여 polymer 담체의 경우 평균 제거효율이 $82\%$에서 $80\%,\;77\%$로 약 $5\%$ 감소함을 관찰하였다. Polymer 담체에서는 공간속도의 증가에도 불구하고 benzene과 toluene모두 약 $81\~86\%$의 영역에서 일정한 제거효율을 보이는 것으로 나타났다. 반면, ceramic 담체에서 benzene의 경우 공간속도 $153\;h^{-1}$에서 평균 $87\%$의 제거효율을 보였고, 공간속도가 $204\;h^{-1}$에서 $306\;h^{-1}$로 증가함에 따라 $79\%$에서 $74\%$로 약 $5\%$가 감소하였다. Toluene의 제거효율은 공간속도의 증가에 따라 $80\%$에서 $76\%$로 $4\%$ 감소하였다.
This research was investigated the applicability of the biofiltration technology for the removal of volatile organic carbons (VOCs) produced from the bioremediation of oil contaminated soil. Diesel was used as surrogate for oil and, two types of biofilter systems made of ceramic and polymer media we...
This research was investigated the applicability of the biofiltration technology for the removal of volatile organic carbons (VOCs) produced from the bioremediation of oil contaminated soil. Diesel was used as surrogate for oil and, two types of biofilter systems made of ceramic and polymer media were compared for the removal efficiencies of diesel VOCs at different inlet concentrations and space velocity (SV) conditions. During the first 30-d operation, the removal efficiencies of the biofilter packed with polymer and the biofilter packed with ceramic were investigated at constant SV of $153\;h^{-1}$ When inlet concentrations of diesel VOCs were below 10 ppmv, the average removal efficiencies of the polymer biofilter and the ceramic biofilter were average $67\%\;and\;75\%$, respectively. When the inlet concentration increased to 30 ppmv, the VOC removal efficiency in the polymer biofilter was $80\%$, while the average removal efficiency in the ceramic biofilter was $60\%. Effect of the inlet concentration and SV on the removal efficiency of total diesel VOCs was investigated. As SV increased from $153\;h^{-1}$ to $204\;h^{-1}$ and $306\;h^{-1}$, the removal efficiency of total diesel VOCs was decreased gradually. The average removal efficiency of the biofilter packed with polymer carrier was decreased from $82\%\;to\;80\%\;and\;77\%$. The biofilter packed with polymer carrier showed that the removal efficiency of benzene and toluene were maintained within the range of $81\%\~86\%$. In contrast, for the biofilter packed with ceramic carrier, when SV increased from $153\;h^{-1}$ to $204\;h^{-1}$ and $306\;h^{-1}$, the removal efficiency of benzene decreased from $87\%\;to79\%\;and\;74\% . respectively. The removal efficiency of toluene decreased from $80\%\;to\;77\%\;and\;76\%$ at SV of $153\;h^{-1},\;204\;h^{-1}\;and\;306\;h^{-1}$, and $306\;h^{-1}$, respectively.
This research was investigated the applicability of the biofiltration technology for the removal of volatile organic carbons (VOCs) produced from the bioremediation of oil contaminated soil. Diesel was used as surrogate for oil and, two types of biofilter systems made of ceramic and polymer media were compared for the removal efficiencies of diesel VOCs at different inlet concentrations and space velocity (SV) conditions. During the first 30-d operation, the removal efficiencies of the biofilter packed with polymer and the biofilter packed with ceramic were investigated at constant SV of $153\;h^{-1}$ When inlet concentrations of diesel VOCs were below 10 ppmv, the average removal efficiencies of the polymer biofilter and the ceramic biofilter were average $67\%\;and\;75\%$, respectively. When the inlet concentration increased to 30 ppmv, the VOC removal efficiency in the polymer biofilter was $80\%$, while the average removal efficiency in the ceramic biofilter was $60\%. Effect of the inlet concentration and SV on the removal efficiency of total diesel VOCs was investigated. As SV increased from $153\;h^{-1}$ to $204\;h^{-1}$ and $306\;h^{-1}$, the removal efficiency of total diesel VOCs was decreased gradually. The average removal efficiency of the biofilter packed with polymer carrier was decreased from $82\%\;to\;80\%\;and\;77\%$. The biofilter packed with polymer carrier showed that the removal efficiency of benzene and toluene were maintained within the range of $81\%\~86\%$. In contrast, for the biofilter packed with ceramic carrier, when SV increased from $153\;h^{-1}$ to $204\;h^{-1}$ and $306\;h^{-1}$, the removal efficiency of benzene decreased from $87\%\;to79\%\;and\;74\% . respectively. The removal efficiency of toluene decreased from $80\%\;to\;77\%\;and\;76\%$ at SV of $153\;h^{-1},\;204\;h^{-1}\;and\;306\;h^{-1}$, and $306\;h^{-1}$, respectively.
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문제 정의
Diesel VOCs에 함유된 대표적인 VOC인 benzene과 toluene의 제거효율을 살펴보았다. Polymer 담체에서는 공간속도의 증가에도 불구하고 benzene과 toluene 모두 약 81~86%의 영역에서 일정한 제거효율을 보이는 것으로 나타났다(Fig.
유류에 의한 토양오염은 지하유류저장조(underground storage tanks)에서나 운송과정 및 사용과정에서 유류가 누출되어 발생된다(이민효, 2003). 그 중 diesel은 200~300 여종의 탄화수소로 이루어진 복잡한 물질이며, semi volatile물질을 많이 포함하고 있기 때문에 토양 잔류성이 높아 지속적으로 토양 • 지하수오염을 유발하고 있다 (Boopathy, 2004) 현재까지는 diesel VOCs 처리에 bifiltration 공법이 적용된 예가 없었기 때문에 본 연구에서는 토양오염 복원과정 중 발생되는 diesel VOCsS 제거하는데 biofilter의 적용 가능성을 알아보았다.
이러한 많은 종류의 탄화수소계 물질 을 모두 정량화하기란 현실적으로 쉽지 않은 일이다. 따라서 본 연구에서는 benzene과 toluene을 이용하여 diesel 에서 발생하는 총 VOCs의 양을 측정하였다. 즉, benzene과 toluene을 먼저 정량한 후 response factor를 이용하여 많은 종류의 TPH(Total Petroleum Hydrocarbons)를 총량으로 정량화 하였다(Edward et al.
본 연구에서 사용한 담체는 무기성의 ceramic과 유기성의 polymer 담체로서 첫 번째로 이 두 담체의 제거효율을 비교하였고, 두 번째로 두 담체를 이용하여 column내 SV(공간속도)를 조절하여 체류시간에 따른 제거효율의 변화를 관찰하였으며, diesel VOCs의 입구농도를 조절하叫 VOCs 농도에 따른 미생물의 분해 능력을 비교하였다. 또한 VOCs의 대표적 물질인 benzene과 toluene을 diesel VOCs 중 개별 정량하여 제거효율 변화를 관찰하였고, benzene • toluene의 제거효율과 diesel VOCs의 제거효율과의 관계를 설명하고자 하였다.
또한, 현장에서 발생될 수 있는 조업정지와 같은 상황을 주어 biofilter가 얼마나 빨리 적응될 수 있는지 알아 보았다. 약 8일간 diesel VOCs는 공급하지 않은 채 air만 공급한 후 다시 VOCs를 공급하여 조업 전후의 VOCs 제거 효율을 비교하여 보았다.
지금까지 연구된 VOCs 제거기술은 BTEX오+ gasoline과 같이 비교적 생물학적분해가 용이하며 휘발성이 높은 물질에 적용된 경우가 대부분이었다(이민희 등, 2004; Chungsying et al., 2002; Wan et al., 2003; Wan etal., In Press) 그러나 본 연구에서는 비교적 휘발성이 낮고, 난분해성을 물질을 포함하고 있는 diesel에 대해서 biofiltratiorr을 적용하고자 하였다.
제안 방법
VOCs 제거 특성과 함께 VOCs의 대표적 물질인 benzene과 toluene을 각각 따로 정량하여 diesel VOCs중의 제거효율을 관찰하였다. Benzen과 toluene의 각각 물질별 제거특성을 규명하고 생물학적 분해가능성을 조사하였다. 모든 실험 조건에서 출구의 농도는 일정한 값에 도달할 때까지 약 3~5회 측정하였다.
Biofilter 입구와 출구의 diesel VOCs의 농도를 측정 하기 위해 Flame Ionization Detector와 HP-1 column (Methyl Siloxane Capillary, 60 m length x 0.32 mm x 1(im thickness, Hewlett-Packard, USA)이 장착된 GC로 분석하였다. 시료의 채취는 gas tight syringe를 이용하였으며 주입기와 검출기의 온도는 각각 300°C, 25UC로 설정하였다.
1은 실험실 규모의 biofilter 장치를 나타낸 것이다. Biofilter는 높이와 직경이 각각 30 cm와 10 cm인 원통형의 유리칼럼을 이용하였으며, 두 종류의 담체 모두 충진 부피가 1.177 L가 되도록 하였다. 충진컬럼을 담체로 채 우는 방법은 다음과 같이 수행하였다.
Biofilter를 운전함에 따른 담체에 부착된 미생물상의 변화를 알아보기 위하여 일정량의 담체를 채취한 후 미생물의 CFU(Colony Forming Units)를 측정하였다. Biofilter 운전 시작 전의 담체에 고정화된 미생물의 평균 CFU는 1 X 107이었고, biofilter 운전시작 2주 후의 담체에 고정화 된 미생물의 평균 CFU는 2 X 105 이었다.
Diesel VOCs의 성상을 알아보기 위해 SPB-1 column (60 m x 0.25 mm x 1 |im, Supelco Co., USA)과 Mass Selective Detector(Agilent 5973, USA)가 장착된 GC/ MSD(Agilent 6890, USA)로 분석하였다. 분석은 수원대학교 환경청정기술연구센터 중앙분석실에 의뢰하였다.
집식배양액 100 mL 를 원심분리(3, 000 rpm, 60 min)로 회수한 후 회수된 균체를 20mL의 무기염에 현탁한 후 각각 670 g과 210 g의 ceramic compost와 polymer를 혼합하여 컬럼의 15 cm까지 충진하였다. VOCs 발생장치는 IL bottle에 diesel 500 mL를 채우고 silicon 마개로 막고 관으로 compressor와 연결하여 일정량의 VOCs가 발생되도록 하였다. VOCs의 발생량을 증가시키기 위해서 발생장치에 heating band를 설치하여 온도를 50℃로 유지하였다.
담체에 고정화된 diesel 분해균주를 공급되는 diesel에 순치한 후, diesel VOCs의 제거효율을 알아보기 위하여 biofilter로 공급되는 diesel의 농도(0~35 ppmv)와 공간 속 도(153~306h-1)를 변화시켜주며 실험하였다. VOCs 제거 특성과 함께 VOCs의 대표적 물질인 benzene과 toluene을 각각 따로 정량하여 diesel VOCs중의 제거효율을 관찰하였다. Benzen과 toluene의 각각 물질별 제거특성을 규명하고 생물학적 분해가능성을 조사하였다.
의 공간속도로 컬럼 에 공급하면서 입구와 출구의 농도를 주기적으로 GC로 분석하였고, 출구의 농도가 거의 검출이 되지 않을 때에 는 입구의 농도를 올려주었다. 가스의 공급이 시작된 후 매일 50mL의 멸균수를 biofilter의 상단에 공급하여 70% 이상의 함수율을 유지하였으며, 일주일에 한 번 100mL의 멸균된 무기염배지를 공급하여 무기염을 공급하였다. 담체에 고정화된 diesel 분해균주를 공급되는 diesel에 순치한 후, diesel VOCs의 제거효율을 알아보기 위하여 biofilter로 공급되는 diesel의 농도(0~35 ppmv)와 공간 속 도(153~306h-1)를 변화시켜주며 실험하였다.
현탁액을 단계별로 10-2~10-10까지 희석하였다. 그리고 nutrient 배지 (Bacto Beef Extract 3 g/L, Bacto Peptone 5 g/L, Bacto Agar 15g/L)에 10-2~~10-10까지 희석수를 100uL씩 도말하고, 30°C 배양기에 2일 동안 배양하고 형성된 colony수를 계수하였다.
그리고 보통 현장에서의 작업조건과 같이 조업시간을 조절하여 biofilter를 가동하叫 보았다. 연속적인 조업시의 제거효율과 조업을 정지하였다가 재가동 하였을 때의 제거효율을 비교하여 본 것이다.
VOCs의 발생량을 증가시키기 위해서 발생장치에 heating band를 설치하여 온도를 50℃로 유지하였다. 그리고 실험을 진행하면서 diesel의 성상이 변화하므로 45일 이후에 diesel을 완전히 교체하여 진행하였다.
이러한 결과를 얻기 위하여 지속적으로 멸균된 무기염 배지 50mL를 주기적으로 공급해주어 담체의 건조를 막는 동 시에 영양분을 공급하였다. 그리고 지속적인 미생물의 집식 배양을 통하여 미생물 수를 증가시키고자 하였고, 담체 내에서 diesel VOCs를 분해할 수 있는 균주가 우점종을 차지할 수 있는 환경을 조성하여 주었다.
가스의 공급이 시작된 후 매일 50mL의 멸균수를 biofilter의 상단에 공급하여 70% 이상의 함수율을 유지하였으며, 일주일에 한 번 100mL의 멸균된 무기염배지를 공급하여 무기염을 공급하였다. 담체에 고정화된 diesel 분해균주를 공급되는 diesel에 순치한 후, diesel VOCs의 제거효율을 알아보기 위하여 biofilter로 공급되는 diesel의 농도(0~35 ppmv)와 공간 속 도(153~306h-1)를 변화시켜주며 실험하였다. VOCs 제거 특성과 함께 VOCs의 대표적 물질인 benzene과 toluene을 각각 따로 정량하여 diesel VOCs중의 제거효율을 관찰하였다.
담체에 고정화된 미생물상은 적절한 전처리 후 주사전자현미경 (JEOL 5600, J叩an)으로 관찰한 후 Fig. 2에 나 타내었다. 담체를 biofilter로부터 채취한 후 아래의 과정에 따라 미생물을 전처리하였다: 일정량의 담체 1g을 glutaraldehyde가 3~5%(V/V)인 완충용액 (phosphate buffer, pH 7.
, 1991). 미리 질소로 purge한 1224 mL의 혈청병에 benzene과 toluene을 각각 0.5 mL 씩 주입하여 일정 농도로 기화시킨 후 시료 주입량을 1~5mL로 하여 단계적으로 GC/HD 분석 후, benzene과 toluene의 standard curve를 작성하였다.
본 연구에서 사용한 담체는 무기성의 ceramic과 유기성의 polymer 담체로서 첫 번째로 이 두 담체의 제거효율을 비교하였고, 두 번째로 두 담체를 이용하여 column내 SV(공간속도)를 조절하여 체류시간에 따른 제거효율의 변화를 관찰하였으며, diesel VOCs의 입구농도를 조절하叫 VOCs 농도에 따른 미생물의 분해 능력을 비교하였다. 또한 VOCs의 대표적 물질인 benzene과 toluene을 diesel VOCs 중 개별 정량하여 제거효율 변화를 관찰하였고, benzene • toluene의 제거효율과 diesel VOCs의 제거효율과의 관계를 설명하고자 하였다.
실험을 진행하면서 바이오필터에 충진된 담체를 한번 교체하였다. 시간이 지날수록 담체에 흡착되는 diesel의 양이 점점 늘어나 미생물에 독성을 미친다고 판단하여 이러한 실험을 수행하였다. 위의 실험은 SV 153 h-1(체류시간 20sec)을 기준으로 8일간 조업정지 전 • 후를 비교였다.
실험을 진행하면서 바이오필터에 충진된 담체를 한번 교체하였다. 시간이 지날수록 담체에 흡착되는 diesel의 양이 점점 늘어나 미생물에 독성을 미친다고 판단하여 이러한 실험을 수행하였다.
약 5~20 ppmv의 diesel을 153 h-1의 공간속도로 컬럼 에 공급하면서 입구와 출구의 농도를 주기적으로 GC로 분석하였고, 출구의 농도가 거의 검출이 되지 않을 때에 는 입구의 농도를 올려주었다. 가스의 공급이 시작된 후 매일 50mL의 멸균수를 biofilter의 상단에 공급하여 70% 이상의 함수율을 유지하였으며, 일주일에 한 번 100mL의 멸균된 무기염배지를 공급하여 무기염을 공급하였다.
또한, 현장에서 발생될 수 있는 조업정지와 같은 상황을 주어 biofilter가 얼마나 빨리 적응될 수 있는지 알아 보았다. 약 8일간 diesel VOCs는 공급하지 않은 채 air만 공급한 후 다시 VOCs를 공급하여 조업 전후의 VOCs 제거 효율을 비교하여 보았다.
그리고 보통 현장에서의 작업조건과 같이 조업시간을 조절하여 biofilter를 가동하叫 보았다. 연속적인 조업시의 제거효율과 조업을 정지하였다가 재가동 하였을 때의 제거효율을 비교하여 본 것이다. 조업을 연속적으로 계속할 때는 50%의 제거효율을 보이다가 8일간 air를 불어 넣어 주면서 diesel VOCs 유입을 정지한 후 재가동 하였을 때는 65%로 제거효율이 좋아졌다.
위의 배양액을 30°C, 180 rpm으로 약 4주간 진탕배양하 여 원심분리(3000 rpm, 15 min)하여 회수된 균체를 다시 100 mL새로운 배지에 옮겨주었다. 위와 같은 방법으로 3회간 옮기며 diesel 분해 미생물을 집식배양한 후 담 체 내에 존재하는 VOCs 분해 미생물을 증식시키기 위해 담체에 접종하였다.
즉, 이는 biofilter의 제거효율이 증가하였다는 뜻이고 실험이 진행됨에 따라 담체 내에 존재하는 미생물의 적응성과 활성이 증가하였다는 것을 의미하기도 한다. 이러한 결과를 얻기 위하여 지속적으로 멸균된 무기염 배지 50mL를 주기적으로 공급해주어 담체의 건조를 막는 동 시에 영양분을 공급하였다. 그리고 지속적인 미생물의 집식 배양을 통하여 미생물 수를 증가시키고자 하였고, 담체 내에서 diesel VOCs를 분해할 수 있는 균주가 우점종을 차지할 수 있는 환경을 조성하여 주었다.
분석은 수원대학교 환경청정기술연구센터 중앙분석실에 의뢰하였다. 주입기 (injector) 및 검출기 (detector)의 온도는 각각 150°C, 230°C이고 oven의 온도는 40°C~200°C까지 5°C/min으로 승온하였다. 농축장비는 micro scale purge & trap mode (Entech Preconcentrator 7] 00)을 사용하였다.
충진컬럼을 담체로 채 우는 방법은 다음과 같이 수행하였다. 집식배양액 100 mL 를 원심분리(3, 000 rpm, 60 min)로 회수한 후 회수된 균체를 20mL의 무기염에 현탁한 후 각각 670 g과 210 g의 ceramic compost와 polymer를 혼합하여 컬럼의 15 cm까지 충진하였다. VOCs 발생장치는 IL bottle에 diesel 500 mL를 채우고 silicon 마개로 막고 관으로 compressor와 연결하여 일정량의 VOCs가 발생되도록 하였다.
대상 데이터
본 연구에서 이용한 담체는 ceramic과 polymer 담체로 Ceramic 담체는 다공성 ceramic(10 mm, Oikos, Korea) 에 접종원으로 compost를 혼합하여 만들었다. Polymer 담체 (신우, Korea)는 가로• 세로 • 높이가 각각 15 mm가 되도록 절단한 정육면체의 것을 사용하였다.
본 연구에서 이용한 담체는 ceramic과 polymer 담체로 Ceramic 담체는 다공성 ceramic(10 mm, Oikos, Korea) 에 접종원으로 compost를 혼합하여 만들었다. Polymer 담체 (신우, Korea)는 가로• 세로 • 높이가 각각 15 mm가 되도록 절단한 정육면체의 것을 사용하였다.
32 mm x 1(im thickness, Hewlett-Packard, USA)이 장착된 GC로 분석하였다. 시료의 채취는 gas tight syringe를 이용하였으며 주입기와 검출기의 온도는 각각 300°C, 25UC로 설정하였다. 오븐온도는 100。(2에서 1분간 정체 후 분당 3。(2씩 승온하여 280。(2까지 올려준 후 5분간 정체하여 총 66분의 분석시간이 소요되었다.
데이터처리
모든 실험 조건에서 출구의 농도는 일정한 값에 도달할 때까지 약 3~5회 측정하였다. 각각의 조건에서 3번 반복 실험을 수행하였고 평균값을 산출하였다.
성능/효과
그러나, 운전시작 4주 경과 후 감소되었던 미생물의 수가 104 배로 늘어나 ceramic 담체 및 polymer 담체의 CFU가 각각 4 x 109, 1 x 109으로 증가되었다. 8주 후엔 4주째에 비하여 거의 증가를 보이지 않는 것으로 나타났지만 12주 후에는 ceramic 담체 및 polymer 담체의 CFU는 각각 4x 1010, 3x1010로 증가한 것을 관찰 할 수 있었다 (Fig. 3). 즉, 이는 biofilter의 제거효율이 증가하였다는 뜻이고 실험이 진행됨에 따라 담체 내에 존재하는 미생물의 적응성과 활성이 증가하였다는 것을 의미하기도 한다.
Biofilter를 운전함에 따른 담체에 부착된 미생물상의 변화를 알아보기 위하여 일정량의 담체를 채취한 후 미생물의 CFU(Colony Forming Units)를 측정하였다. Biofilter 운전 시작 전의 담체에 고정화된 미생물의 평균 CFU는 1 X 107이었고, biofilter 운전시작 2주 후의 담체에 고정화 된 미생물의 평균 CFU는 2 X 105 이었다. 즉, biofilter 운전 후 2주 경과됨에 따라 미생물의 수가 1/100로 감소 되었음을 볼 수 있었고, 이는 고농도의 diesel이 유입되어 미생물의 생장이 저해받고 있음을 뜻한다.
6(a)). Ceramic 담체에서 benzene의 경우 공간속도 153 h-1에서 평균 87%의 제거효율을 보였고, 공간속도가 204 h-1에서 306 h-1로 증가함에 따라 79%에서 74%로 감소하였다 Toluene의 제거효율은 공간속도의 증가에 따라 80%에서 각각 77% 및 76%로 감소하였다(Fig. 6(b)).
Diesel VOCs 경우는 입구농도에 따라서 제거효율의 변동이 심하지만 benzene과 toluene은 diesel VOCs에 비해 제거효율이 균일하게 나타나는 것을 알 수 있었다. 대부분의 diesel VOCs는 생물학적으로 분해 가능하지만 일부 난분해성 물질이 포함되어 있기 때문에 이러한 결과가 나타난 것이라고 사료된다.
Diesel VOCs에 함유된 대표적인 VOC인 benzene과 toluene의 제거효율을 살펴보았다. Polymer 담체에서는 공간속도의 증가에도 불구하고 benzene과 toluene 모두 약 81~86%의 영역에서 일정한 제거효율을 보이는 것으로 나타났다(Fig. 6(a)).
입구농도 10-20 ppmv에서 대부분 80% 이상의 제거효율을 보였다. 공간속도가 153 h-1에서 306h-1로 증가할수록 제거효율은 82%에서 77%로 저하되었다. 또한 동일한 입구농도 20 ppmv 부근에서 공간속도가 153 h-1에서 204 h-1, 306 h-1로 증가함에 따라 각각 제거효율이 85, 82, 76%로 저하됨을 관찰할 수 있었다.
이때 부하량을 결정하는 두 인자인, 입구 농도와 SV의 증가는 제거효율을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 두 종류의 담체를 이용한 본 연구에선 polymer 담체의 제거 효율이 ceramic 담체의 것에 비해 상대적으로 성능이 우수한 것으로 나타났다. 그것은 ceramic 담체에 비해 polymer 담체의 비표면적이 상대적으로 크기 때문인 것으로 사료된다.
공간속도가 153 h-1에서 306h-1로 증가할수록 제거효율은 82%에서 77%로 저하되었다. 또한 동일한 입구농도 20 ppmv 부근에서 공간속도가 153 h-1에서 204 h-1, 306 h-1로 증가함에 따라 각각 제거효율이 85, 82, 76%로 저하됨을 관찰할 수 있었다.
반면, polymer 담체의 경우10 ppmv 이하의 입구농도에선 평균 75%의 제거효율을 보였으며, 약 10일 운전 후 입구 농도 13 ppmv에서도 제거효율이 최대로 88%가 되었다. 입구 농도 30 ppmv 이하에서의 제거 효율은 평균 79%였다.
본 연구는 약 86일간에 걸쳐 수행되었으며, 운전 초기 미생물이 diesel VOCs의 독성으로 낮은 제거 효율을 보이다가 이후 점차적으로 높은 제거 효율을 얻을 수 있었다.
대부분의 diesel VOCs는 생물학적으로 분해 가능하지만 일부 난분해성 물질이 포함되어 있기 때문에 이러한 결과가 나타난 것이라고 사료된다. 실험에 나타난 결과를 보면 낮은 농도에서 제거효율이 낮게 나타나는 경향을 보이지만 이것은 일시적인 현상으로서 담체가 곧 제거능력을 회복하는 것을 볼 수 있다. 일시적으로 담체 내 미생물의 활성이 떨어지나 시간이 지남에 따라 이러한 현상은 자체적으로 회복 가능한 것으로 나타났다.
2는 ceramic 및 polymer 담체에 고정화된 미생물의 주사전자현미경 사진이다. 운전 4주 후 채취한 담체를 관찰한 결과, 주로 길이 1~1.5um의 단간형의 세균으로 이루어져 있음을 알 수 있었다. 그림 (a)와 (c)는 ceramic 담체이며, 각각 X10,000, X15,000로 관찰한 것이다.
위의 결과를 종합해 보았을 때, 본 실험에서 사용한 두 개의 담체는 VOCs, 특히 benzene과 toluene의 제거에 효과적이며 산업적 용도로 이용 가능하다고 판단된다.
그래서 담체를 교체하여 약 8일간 air 만 공급하고, VOCs의 공급을 중단하였다. 이후 1140시간에 VOCs의 공급을 재개한 결과 초기엔 입구 농도가 26 ppmv으로 높게 공급되어 제거효율이 23%로 나 왔으나, 약 이틀 후엔 입구 농도가 34 ppmv로 증가되어 도 제거효율을 65%까지 올려줄 수 있었다. 이 결과 또한 미생물이 적응하여 활성을 갖고 분해를 할 때에는 적응기 간이 필요하다는 것을 나타내는 것이다.
입구 농도 30 ppmv 이하에서의 제거 효율은 평균 79%였다. 이후 입구 농도를 30 ppmv로 증가시켰을 경우에 초기 제거 효율이 43%로 급격히 하락하였으나, 이후 꾸준히 회복되어 약 80%의 높은 제거효율을 보였다. 따라서, polymer 담체는 입구 농도 30 ppmv 이상의 고농 도에서도 VOCs에 대한 높은 제거효율을 보이는 우수한 담체로 사료된다.
Ceramic 담체의 경우 VOCs의 입구농도가 10 ppmv 이하일 때 평균 67%의 제거효율을 보였으나, 약 12일 운전 후 입구 농도가 12 ppmv가 되었을 때 담 체의 제거 효율이 88%까지 향상되었다. 입구 농도를 20 ppmv 로 증가시키자 다시 제거효율이 73%로 저하되었으며, 그 후 입구농도가 30 ppmv 가 되었을 때는 미생물이 활성을 점점 되찾게 되어 떨어졌던 제거효율이 다시 안정되어 60%끼지 제거효율이 증가되었다. 입구 농도 평균 10 ppmv 일 때까지의 평균 제거효율은 약 65%였으며, 그 이후 입구농도가 30 ppmv일때 평균 제거효율이 60%였다.
연속적인 조업시의 제거효율과 조업을 정지하였다가 재가동 하였을 때의 제거효율을 비교하여 본 것이다. 조업을 연속적으로 계속할 때는 50%의 제거효율을 보이다가 8일간 air를 불어 넣어 주면서 diesel VOCs 유입을 정지한 후 재가동 하였을 때는 65%로 제거효율이 좋아졌다.
Biofilter 운전 시작 전의 담체에 고정화된 미생물의 평균 CFU는 1 X 107이었고, biofilter 운전시작 2주 후의 담체에 고정화 된 미생물의 평균 CFU는 2 X 105 이었다. 즉, biofilter 운전 후 2주 경과됨에 따라 미생물의 수가 1/100로 감소 되었음을 볼 수 있었고, 이는 고농도의 diesel이 유입되어 미생물의 생장이 저해받고 있음을 뜻한다. 그러나, 운전시작 4주 경과 후 감소되었던 미생물의 수가 104 배로 늘어나 ceramic 담체 및 polymer 담체의 CFU가 각각 4 x 109, 1 x 109으로 증가되었다.
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