미생물을 이용하여 생물분해 가능한 휘발성유기물질과 악취물질을 처리하는 생물학적 대기오염처리 기술은 기존의 일반적으로 사용되고 있는 방법에 비해 상대적으로 최근에 개발된 방법이다. 생물학적 방법에 의한 대기오염물질 처리는 기존의 처리방법을 대체할 수 있는 방법으로 각광을 받고 있다. 생물학적 처리방법은 유기화합물 또는 악취가 포함된 저농도 고유량의 공기를 처리하는데 효과적이다. 생물학적 처리방법은 기존의 소각 또는 흡착 방법에 비해 여러 장점을 가지고 있다. 주요 장점으로 처리비용이 저렴하고, 2차 오염물질이 발생되지 않으며, 화학물질이 사용되지 않고, 에너지 사용이 적으며, 상온에서의 운전 등이다. 생물학적 방법중 생물여과법, 생물살수여과법, 생물세정법 세가지 방법이 널리 이용되고 있다. 이들 방법중 생물여과법이 가장 많이 이용되고 있으나 실제 적용에 있어 여러 제약이 있어 이를 해결하기 위한 생물학적 방법들에 대한 연구가 수년 전부터 수행되어 왔다. 생물살수여과법은 생물여과법에 비해 다소 복잡하나 난분해성 물질이나 분해과정에서 산이 생성되는 경우 효과적으로 이용될 수 있다. 본 연구에서는 대기오염제어를 위한 생물여과법, 생물살수여과법, 생물세정법의 기본원리와 이론 및 실용적 내용을 다루었다. 특히 생물학적 방법들의 운전 인자와 성능에 미치는 영향인자 및 비용평가 등에 대해 조사 분석하였으며, 생물살수여과법에 대해서는 좀 더 집중적으로 고찰하였다.
미생물을 이용하여 생물분해 가능한 휘발성유기물질과 악취물질을 처리하는 생물학적 대기오염처리 기술은 기존의 일반적으로 사용되고 있는 방법에 비해 상대적으로 최근에 개발된 방법이다. 생물학적 방법에 의한 대기오염물질 처리는 기존의 처리방법을 대체할 수 있는 방법으로 각광을 받고 있다. 생물학적 처리방법은 유기화합물 또는 악취가 포함된 저농도 고유량의 공기를 처리하는데 효과적이다. 생물학적 처리방법은 기존의 소각 또는 흡착 방법에 비해 여러 장점을 가지고 있다. 주요 장점으로 처리비용이 저렴하고, 2차 오염물질이 발생되지 않으며, 화학물질이 사용되지 않고, 에너지 사용이 적으며, 상온에서의 운전 등이다. 생물학적 방법중 생물여과법, 생물살수여과법, 생물세정법 세가지 방법이 널리 이용되고 있다. 이들 방법중 생물여과법이 가장 많이 이용되고 있으나 실제 적용에 있어 여러 제약이 있어 이를 해결하기 위한 생물학적 방법들에 대한 연구가 수년 전부터 수행되어 왔다. 생물살수여과법은 생물여과법에 비해 다소 복잡하나 난분해성 물질이나 분해과정에서 산이 생성되는 경우 효과적으로 이용될 수 있다. 본 연구에서는 대기오염제어를 위한 생물여과법, 생물살수여과법, 생물세정법의 기본원리와 이론 및 실용적 내용을 다루었다. 특히 생물학적 방법들의 운전 인자와 성능에 미치는 영향인자 및 비용평가 등에 대해 조사 분석하였으며, 생물살수여과법에 대해서는 좀 더 집중적으로 고찰하였다.
Biological treatment is a relatively recent air pollution control technology in which off-gases containing biodegradable odors and volatile organic compounds(VOCs) are vented through microbes. It is a promising alternative to conventional air pollution control methods. Bioreactors for air pollution ...
Biological treatment is a relatively recent air pollution control technology in which off-gases containing biodegradable odors and volatile organic compounds(VOCs) are vented through microbes. It is a promising alternative to conventional air pollution control methods. Bioreactors for air pollution control have found most of their success in the treatment of dilute and high flow waste air streams containing VOCs and odor compounds. They offer several advantages over traditional technologies such as incineration or adsorption. These include lower treatment costs, absence of formation of secondary pollutants, no spent chemicals, low energy demand and low temperature treatment. The three most widely used technologies are described, namely biofiltration, biotrickling filtration, bioscrubbing. The most widely used bioreactor for air pollution control is biofilter, but it has several limitations. In the past years major progress has been accomplished in the development of vapor phase bioreaction systems, for solving problems of biofilter. Biotrickling filters are more complex than biofilters, but are usually more effective, especially for the treatment of compounds which are difficult to degrade or compounds that generate acidic by-products. This, paper reviews fundamental and theoretical/practical aspect of air pollution control in biofilter, biotrickling filter and bioscrubber, focusing more extensively on biotrickling filtration. Special emphasis is given to the operating parameters and the factors influencing performance for air pollution control, and cost estimation in biotreatment technologies.
Biological treatment is a relatively recent air pollution control technology in which off-gases containing biodegradable odors and volatile organic compounds(VOCs) are vented through microbes. It is a promising alternative to conventional air pollution control methods. Bioreactors for air pollution control have found most of their success in the treatment of dilute and high flow waste air streams containing VOCs and odor compounds. They offer several advantages over traditional technologies such as incineration or adsorption. These include lower treatment costs, absence of formation of secondary pollutants, no spent chemicals, low energy demand and low temperature treatment. The three most widely used technologies are described, namely biofiltration, biotrickling filtration, bioscrubbing. The most widely used bioreactor for air pollution control is biofilter, but it has several limitations. In the past years major progress has been accomplished in the development of vapor phase bioreaction systems, for solving problems of biofilter. Biotrickling filters are more complex than biofilters, but are usually more effective, especially for the treatment of compounds which are difficult to degrade or compounds that generate acidic by-products. This, paper reviews fundamental and theoretical/practical aspect of air pollution control in biofilter, biotrickling filter and bioscrubber, focusing more extensively on biotrickling filtration. Special emphasis is given to the operating parameters and the factors influencing performance for air pollution control, and cost estimation in biotreatment technologies.
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문제 정의
반면 생물학적 방법은 기존 처리방법의단점을 보완할 수 있는 친환경적이며 경제성이 높은 처리기술로 평가되고 있다. 본 논문에서는 공기 중 VOCs 및 악취등 기존 처리방법을 보완할 수 있는 대안으로 시도되고 있는 생물학적 방법 중 실제 적용성과 경제성이 큰 생물여과법, 생물살수여과법, 생물세정법의 기본원리와 이론 및 실용적 내용을 다루었다. 특히 생물학적 방법들의 운전인자와 성능에 미치는 영향인자 및 비용 등에 대해 분석 고찰하였다.
본 논문에서는 대기오염물질 처리를 위한 생물학적처리 방법 중 실제 공정에 적용성이 높은 생물여과법, 생물살수여과법, 생물세정법에 대해 기본 원리를 소개하고 효율적 처리를 위한 운전인자와 성능에 미치는 영향 인자 및 비용평가에 대해 분석 고찰하고 실제 공정에 이용되는 사례를 소개하였다.
생물학적 대기오염처리시설의 운전비용은 생물반응기 - 종류에 따라 일부 세부적인 운전비용이 달라지므로 본 논문에서는 포괄적인 내용에 대하여 다루고자 한다. 처리시설의 운전 비용은 송풍동력비, 살수액/용수（가습）/흡수액 공급 동력비, 영양염/담체비용, 시설유지비, 감가상각액 및 금융비용 등이 있다.
본 논문에서는 공기 중 VOCs 및 악취등 기존 처리방법을 보완할 수 있는 대안으로 시도되고 있는 생물학적 방법 중 실제 적용성과 경제성이 큰 생물여과법, 생물살수여과법, 생물세정법의 기본원리와 이론 및 실용적 내용을 다루었다. 특히 생물학적 방법들의 운전인자와 성능에 미치는 영향인자 및 비용 등에 대해 분석 고찰하였다.
가설 설정
1) 부하율이 작을 경우 1차 반응영역으로 유입농도에 관계없이 제거용량과 부하율이 같다. 즉 제거효율 100%로서, 최고제거용량 이하의 부하량에서는 부하량이 증가하면 제거 용량도 함께 증가한다.
대기오염배출시설에서 배출된 폐가스를 흡수탑 등의 기체/액체 접촉방법으로 대기오염물질과 산소를 물에 용해시킨 후 생물반응조에서 용해된 대기오염물질을 분해시키는 방법으로 생물반응조 배출수는 흡수탑에 흡수액으로 재사용되는 end of pipe 방식의 친환경적 인 방법이다. 생물세정법을 생물학적 방법의 대표적인 생물여과법과 비교한 장점은 i) 장치의 크기가 작고, ii) 반응환경이 액상이므로 pH 조절이 용이하며 생성부산물에 의한 방해/독성작용을 최소화하며, iii) 미생물 과잉성장에 의한 clogging 문제가 없고, iv) 처리성능을 안정적으로 유지할 수 있다. 단점으로 i) 적용대상물질이 수용성이 큰 물질로 한정적이며, ii) 고효율 제거 성능을 얻기가 어렵고, iii) 시가동 과정이 복잡하고, iv) 운전 비용이 높고, v) 생물반응조에서 슬러지가 발생한다[9,43].
제안 방법
Table 2에는 대기오염물질 처리를 위한 생물학적 처리방법 중 실제 상업용 공정에 널리 적용되고 있는 생물여과법, 생물살수여과법, 생물세정법에 대하여 장•단점을 비교하였으며, Table 3에는 생물학적 방법으로 대기오염처리 기술에 이용되고 있는 각 방법에 대해 일반적으로 적용되고 있는 특성에 대해 비교하여 나타냈다.
유기성 담체를 불활성 담체와 팽윤제（bulking agent）로 혼합하여 사용하면 압력손실을 감소시킬수 있고 담체 압밀속도를 늦추게 한다[1,9]. 압력강하의 문제를 해결하기 담체의 압밀 방지와 적정 공극을 유지하기 위해 비활성 담체를 적정 비율로 혼합하여 사용하고 미생물 성장 억제, 적정 여과탑 깊이, 적정 수분함량을 유지시킨다.
공정에서 배출되는 가스의 냉각과 흡수를 위해 venturi scrubber를 이용하였다. 페인트 부스에서 발생되는 VOCs（MEK, toluene, buthyl acetate, 2-propanol 등） 처리를 위해 생물여과법과 생물세정법에 대하여 성능비교를 위해 분해특성을 검토하였다. 생물여과법의 경우 VOCs 전체 제거율은 90%, toluene 분해율은 51%로 나타났으며, 생물세정법의 경우 VOCs 전체 제거율은 80%, toluene 분해 율은 거의 0 %로 나타났다[46].
대상 데이터
생물세정시설을 법랑(발생오염물질: alcohol, glycol, ketone, aromatic, resine), 도료, 주물공정(발생오염물질: amine, phenol, formaldehyde, ammonia) 등에서 발생되는 대기오염물질 처리에 적용되고 있다. 실제 적용사례로는 페인트 부스에서 희석제 VOCs는 30〜45 kg/hr, 합성수지 aerosol은 2 kg/h 발생되며, 공기 배기량 35,000〜60,000 m3/h의 배출시설로 온도는 160℃이다. 공정에서 배출되는 가스의 냉각과 흡수를 위해 venturi scrubber를 이용하였다.
처리 대상물질인 VOCs 탄소와 수소는 미생물체를 구성하는 원소와 활동에 필요한 에너지원으로 이용되며 이 외의 영양염과 수분, 산소는 살수액과 공기로 공급된다. 이론적으로 살수액 영양염 농도는 미생물체 구성 원소 농도와 같게 유지 시키면 된다.
성능/효과
1） 생물살수여과탑의 경우 탑 내 미생물의 활성을 유지하기 위한 영양염 및 필수 미네랄과 pH 조절에 필요한 비용으로 총운전비용의 10〜30%를 차지한다. 하수처리장 등에서 배출되는 배출수에는 영양염과 미네랄 등이 포함되어 있어 이를 이용할 경우 영양염에 대한 추가비용이 필요 없다[35].
2) 공기량이 증가하거나, 농도가 높아져 부하량이 증가되면 파과점(breakthrough)이 일어나며 즉 부하량이 증가하는 만큼 제거용량은 증가되지 않으며 제거효율은 감소된다.
2） 전기비용은 운전비용에서 가장 큰 비중을 차지하며 살수액 순환/용수（가습）/흡수액 펌프, 송풍기, 전 • 후처리시설 가동 등의 동력비용으로 이중 송풍기 동력비용이 제일 큰 비중을 차지한다. 따라서 탑 내 압력강하를 최소화시킴으로 운전비용을 절감할 수 있다[11,16].
3) 공기량을 일정하게 유지시키고 농도를 높혀 부하량이 증가 되도 제거용량은 증가하지 않고 일정하게 나타나게 되는 0차 반응영역으로 최고제거용량이라 한다. 이는 한정된 공간내 미생물 분해능은 일정하므로 부하량이 증가해도 제거 용량은 증가하지 않는다.
4） 생물살수여과탑을 이용할 경우 VOCs를 처리할 경우 미생물 과잉 성장제어와 활성을 유지시키기 위한 비용으로 경우에 따라 총운전비용에 큰 비중을 차지하기도 한다. 그러나 아직까지 이에 대한 충분한 연구나 운전자료가 부족한 실정이나 운전비용에 반영되어야 한다.
5） 생물학적 방법을 이용한 대기오염시설 운전비용이 다른 방법에 비해 저렴하기 때문에 감가상각비용이 운전비용에 차지하는 비중이 기존의 대기오염처리 방법에 비해 높은 편이다. 시설수명을 10〜20여년으로 가정할 때 감가상각비는 전체 운전비용에 20〜30%를 차지한다[11,16]
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