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문제 정의
- 주요 연구목표 및 실험내용으로는, (1) 자외선 고도산화 공정을 적용하여 난분해성 VOCs를 생분해 가능한 물질로 전환할 수 있는 시스템을 구성하며, 광산화(photo-oxidation) 과정의 효율을 확인하였다. (2) 기존 바이오필터에 쓰이고 있는 담체들의 문제점을 개선 보완하기 위해 새롭게 제시되고 있는 복합 고분자물질 담체를 개발 적용하였다. (3) 최종적으로 개발된 자외선 고도산화 공정과 차세대 고분자 담체를 결합한 복합 시스템을 구성하고 toluene과 TCE를 대상 VOCs로 선정하여 복합시스템의 운전효율과 적절한 운전 방법 등을 확인하였다.
- 결과적으로 혼합 VOCs의 전체 처리효율을 효과적으로 향상시키기 위해서는 물리화학적 방법과 미생물 기술을 결합한 하이브리드 시스템의 적용이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 toluene과 TCE 혼합 VOCs의 분해효율을 극대화시키기 위하여, 자외선(UV) 고도 산화방법과 고분자 담체 바이오필터법를 결합시킨 통합시스템을 구성하고 적용타당성을 검토하였다. 즉, 전처리 장치로 UV 고도산화법을 적용하여 난분해성 VOCs을 1차 처리하고, 고분자 미생물 담체로 충진한 비이오필터를 후처리로 적용하여 생분해성이 향상된 오염물질을 최종 처리하였다.
- 본 연구는 산업현장에서 발생되는 다양한 휘발성유기화합물을 보다 효과적으로 저감하기 위하여, 난분해성 VOCs를 전처리하는 자외선(UV) 고도산화(advanced oxidation) 기술과 차세대 담체가 적용된 바이오필터 기술을 통합적으로 결합한 복합형 신기술을 개발 검토하기 위하여 수행되었다. 주요 연구목표 및 실험내용으로는, (1) 자외선 고도산화 공정을 적용하여 난분해성 VOCs를 생분해 가능한 물질로 전환할 수 있는 시스템을 구성하며, 광산화(photo-oxidation) 과정의 효율을 확인하였다.
제안 방법
- 반응기 운전을 시작한 직후에는 포괄고정화 담체 바이오필터의 미생물 활성도를 향상시키기 위해 자외선을 조사하지 않은 상태에서 12일 동안 toluene만 유입시켰다(toluene loading rate 30 g/m3/h). 12일부터는 toluene과 TCE를 3:1비율로 전체 chemical loading rate가 40 g/m3/h가 되도록 하여 운전하였으며, 자외선을 조사하지 않은 경우와 자외선을 조사한 경우로 나누어 실험을 수행하였다.
- 3.1 UV 단독 광산화에 의한 VOCs 분해 (Task I) 기체상 toluene과 TCE를 다양한 농도 조건으로 UV 반응기에 유입시키면서 자외선 단독 광산화(photo-oxidation)에 의한 각 VOC의 분해 효율과 수용성 부산물의 생성량을 측정하였다. 또한 자외선을 조사하지 않은 상태에서 VOCs의 흡착 및 흡수에 의한 변화를 측정하여 광산화 반응 결과와 비교하였다.
- 3.4 최대 분해능(Maximum elimination capacity test) 위에서 제시한 Task II와 III 조건에서 통합시스템의 분해능(elimination capacity, EC)을 측정하였다. 통합시스템의 VOCs 분해능은 각 운전 조건에서 유입 VOCs 농도를 약 2시간 간격으로 증가(transient loading)시키면서 시스템의 오염물질 제거효율을 측정하는 방식으로 확인하였다.
- Task III에서는 Task II와 동일한 운전조건에서 유입 toluene과 TCE 농도를 변화시켜 통합시스템의 특성을 비교 평가하였다(Fig. 3). 본 실험에서는 새로 제조한 포괄고정화고분자 담체를 바이오필터에 충진한 후, 초기 12일 동안 Task II 운전과정과 동일하게 toluene만 유입시키면서 미생물담체를 시스템에 적응시켰다.
- 기체 체류시간 36초(공기유량 1 L/min) 조건에서 각 VOC 농도를 0~60 ppm 수준으로 변화시키면서 기체상 농도 변화를 측정하였다. 광산화 반응에 의해 생성된 부산물 양은 배출가스를 증류수가 채워진 impinger에 통과시킨 후 증류수의 total organic carbon(TOC) 농도로 측정하였다.
- 첫 번째 단계(Task I)에는 다양한 농도 조건으로 기체상 toluene과 TCE를 UV 반응기에 통과시키면서 자외선 단독 광산화의 분해 효율과 수용성 부산물의 생성량을 측정하였다. 기체 체류시간 36초(공기유량 1 L/min) 조건에서 각 VOC 농도를 0~60 ppm 수준으로 변화시키면서 기체상 농도 변화를 측정하였다. 광산화 반응에 의해 생성된 부산물 양은 배출가스를 증류수가 채워진 impinger에 통과시킨 후 증류수의 total organic carbon(TOC) 농도로 측정하였다.
- 두 번째 단계(Task II)에서는 UV 고도산화법과 포괄고정화 담체 바이오필터를 결합한 통합시스템을 구성하고, Toluene과 TCE 농도를 변화시키면서 25일간 장기운전 실험을 수행하였으며, 유입가스 유량은 1 L/min으로 고정하였다. 반응기 운전을 시작한 직후에는 포괄고정화 담체 바이오필터의 미생물 활성도를 향상시키기 위해 자외선을 조사하지 않은 상태에서 12일 동안 toluene만 유입시켰다(toluene loading rate 30 g/m3/h).
- 1 UV 단독 광산화에 의한 VOCs 분해 (Task I) 기체상 toluene과 TCE를 다양한 농도 조건으로 UV 반응기에 유입시키면서 자외선 단독 광산화(photo-oxidation)에 의한 각 VOC의 분해 효율과 수용성 부산물의 생성량을 측정하였다. 또한 자외선을 조사하지 않은 상태에서 VOCs의 흡착 및 흡수에 의한 변화를 측정하여 광산화 반응 결과와 비교하였다. 다음 표는 자외선 광산화 실험 결과를 요약 정리한 것이다.
- 바이오필터는 1.3 L 크기의 아크릴 컬럼으로 제작하였으며, 복합고분자 담체를 1.0 L 충진시키고 오염기체를 하부에서 상향류 방향으로 공급하면서 운전하였다. 복합고분자 담체의건조와 필수 영양염류 고갈을 방지하기 위해 1일 1회씩 바이오필터 상부에서 nutrient solution을 200 mL 공급해 주었다.
- 0 L 충진시키고 오염기체를 하부에서 상향류 방향으로 공급하면서 운전하였다. 복합고분자 담체의건조와 필수 영양염류 고갈을 방지하기 위해 1일 1회씩 바이오필터 상부에서 nutrient solution을 200 mL 공급해 주었다.
- 2). 본 실험 시작 후 초기 12일간은 자외선을 조사하지 않은 상태로 toluene 만을 유입시키면서 고정화 담체의 미생물 활성도 변화를 조사하였다. 순수 미생물 (Pseudomonas putida) 배양액으로 제조한 포괄고정화 담체는 제작과정에서 부유 미생물이 여러 화학물질에 노출된 상태에서 고분자 구조체에 포괄 고정화되므로, 담체 제조 후 미생물의 활성도가 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.
- , 2004). 본 실험에 미생물을 고정화 시킬 때에는 Pseudomonas putida 미생물 배양액에 PVA 20%(W/V), sodium alginate 1%(W/V)과 활성탄 1%(W/V)을 투입하여 완전히 혼합한 후, 포화붕산과 CaCl2 1%(W/V)로 구성된 응결용액에 점적하였다. 응결 용액의 pH가 낮아 포괄 고정 과정에서 미생물들의 활성도가 감고될 수 있으므로 Ca(OH)2를 이용하여 응결용액의 pH를 6.
- 3). 본 실험에서는 새로 제조한 포괄고정화고분자 담체를 바이오필터에 충진한 후, 초기 12일 동안 Task II 운전과정과 동일하게 toluene만 유입시키면서 미생물담체를 시스템에 적응시켰다. 이 기간(phase I, Fig.
- 즉, 전처리 장치로 UV 고도산화법을 적용하여 난분해성 VOCs을 1차 처리하고, 고분자 미생물 담체로 충진한 비이오필터를 후처리로 적용하여 생분해성이 향상된 오염물질을 최종 처리하였다. 본 실험에서는 실험실 규모 하이브리드 시스템을 제작하고 toluene과 TCE (3:1비율과 1:4비율) 혼합 VOCs를 유입시키면서, UV 고도산화를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우를 비교 실험하였다.
- 실험 19일째에 동일한 혼합 VOCs 유입농도 조건에서 자외선 조사를 시작하여 통합시스템의 운전특성을 실험하였다. 자외선 조사 후 TCE 분해율은 50~70% 수준으로 증가하였으나, toluene 제거효율은 예상과 다르게 10~20% 감소하였으며 불안정한 양상을 띠었다.
- 실험 시작 후 18일이 경과한 후에 자외선 반응기 운전을 시작하여 통합시스템의 혼합 VOCs 제거효율을 확인하였다. 자외선 조사를 시작하면서 TCE 제거효율이 25% 수준으로 증가하였으며, toluene 제거 효율도 98%로 상승하였다.
- 실험시작 후 12일째부터 toluene과 TCE를 평균 40 ppm 과 170 ppm 농도로 유입시키면서 포괄고정화 담체 바이오 필터의 VOCs 분해 효율을 확인하였다. 바이오필터의 TCE 분해 효율은 50% 수준으로 상승하여 상대적으로 높은 제거 효율을 나타내었으나, toluene 분해효율은 약 80%로 낮아져 높은 TCE 농도에 의해 미생물의 toluene 분해 작용이 상당한 저해를 받고 있다고 판단되었다.
- 초기 12일 동안은 자외선을 조사하지 않은 상태에서 toluene만 유입시켜, 포괄고정화 담체의 미생물 활성도를 향상시켰다. 운전시작 후 12일부터는 toluene과 TCE 혼합 VOCs를 유입시켰으며, Task II와 다르게 toluene과 TCE 비율이 1:4가 되도록 하였다.
- 자외선 광산화 반응기와 포괄고정화 담체로 충진한 바이오 필터를 직렬로 연결한 통합시스템을 구성하고, 각 요소 기술의 역할과 통합시스템에 의한 VOCs 분해 반응을 실험적으로 고찰하였다(Fig. 2). 본 실험 시작 후 초기 12일간은 자외선을 조사하지 않은 상태로 toluene 만을 유입시키면서 고정화 담체의 미생물 활성도 변화를 조사하였다.
- 본 연구는 산업현장에서 발생되는 다양한 휘발성유기화합물을 보다 효과적으로 저감하기 위하여, 난분해성 VOCs를 전처리하는 자외선(UV) 고도산화(advanced oxidation) 기술과 차세대 담체가 적용된 바이오필터 기술을 통합적으로 결합한 복합형 신기술을 개발 검토하기 위하여 수행되었다. 주요 연구목표 및 실험내용으로는, (1) 자외선 고도산화 공정을 적용하여 난분해성 VOCs를 생분해 가능한 물질로 전환할 수 있는 시스템을 구성하며, 광산화(photo-oxidation) 과정의 효율을 확인하였다. (2) 기존 바이오필터에 쓰이고 있는 담체들의 문제점을 개선 보완하기 위해 새롭게 제시되고 있는 복합 고분자물질 담체를 개발 적용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 toluene과 TCE 혼합 VOCs의 분해효율을 극대화시키기 위하여, 자외선(UV) 고도 산화방법과 고분자 담체 바이오필터법를 결합시킨 통합시스템을 구성하고 적용타당성을 검토하였다. 즉, 전처리 장치로 UV 고도산화법을 적용하여 난분해성 VOCs을 1차 처리하고, 고분자 미생물 담체로 충진한 비이오필터를 후처리로 적용하여 생분해성이 향상된 오염물질을 최종 처리하였다. 본 실험에서는 실험실 규모 하이브리드 시스템을 제작하고 toluene과 TCE (3:1비율과 1:4비율) 혼합 VOCs를 유입시키면서, UV 고도산화를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우를 비교 실험하였다.
- 5 mL gas-tight syringe (Hamilton 1750, USA)를 이용하여 기체시료를 채취하였다. 채취한 기체 시료는 곧바로 FID가 장착된 GC(Agilent 6890N, USA)에 주입하여 측정하였다. GC/FID의 운반기체로는 헬륨을 사용하였고, GC column은 HP-5 capillary column(30 m×0.
- 전체 실험은 크게 세단계로 나누어 수행되었다. 첫 번째 단계(Task I)에는 다양한 농도 조건으로 기체상 toluene과 TCE를 UV 반응기에 통과시키면서 자외선 단독 광산화의 분해 효율과 수용성 부산물의 생성량을 측정하였다. 기체 체류시간 36초(공기유량 1 L/min) 조건에서 각 VOC 농도를 0~60 ppm 수준으로 변화시키면서 기체상 농도 변화를 측정하였다.
- 4 최대 분해능(Maximum elimination capacity test) 위에서 제시한 Task II와 III 조건에서 통합시스템의 분해능(elimination capacity, EC)을 측정하였다. 통합시스템의 VOCs 분해능은 각 운전 조건에서 유입 VOCs 농도를 약 2시간 간격으로 증가(transient loading)시키면서 시스템의 오염물질 제거효율을 측정하는 방식으로 확인하였다. 유입 VOCs 농도를 변화시킨 경우 측정된 분해능은 다음 식으로 계산된다.
- 포괄 고정화된 미생물 담체가 toluene에 충분히 적응하였다고 판단된 후에 자외선을 조사하지 않은 상태에서 유입 공기에 toluene과 TCE를 혼합하여(toluene과 TCE 농도 120과 40 ppm) 공급하였다(Phase 2, Fig. 2). Fig.
대상 데이터
- GC/FID의 운반기체로는 헬륨을 사용하였고, GC column은 HP-5 capillary column(30 m×0.32 mm)을 사용하였다.
- VOCs 제거효율을 확인하기 위해 통합시스템 세 곳에 설치된 sampling port(오염가스 유입부, UV 반응기 후단, 바이오필터 유출부)에서 0.5 mL gas-tight syringe (Hamilton 1750, USA)를 이용하여 기체시료를 채취하였다. 채취한 기체 시료는 곧바로 FID가 장착된 GC(Agilent 6890N, USA)에 주입하여 측정하였다.
- 본 실험에 사용한 미생물은 toluene 분해 능력이 있는 Pseudomonas putida이었으며, 순수 미생물 배양은 3 L 크기 삼각 flask에 미생물 inoculum과 nutrient solution를 첨가하고 1000 ppm 농도의 toluene을 기상으로 공급하면서 일주일 간격으로 계대 배양하였다. 사용한 nutrient solution의 조성은 Na2HPO4 0.
- 본 실험에 사용한 반응기 장치는 VOCs로 오염된 공기 발생부, UV 고도산화 반응기, 미생물 포괄고정화 담체로 충진한 바이오필터로 구성되며, 전체 시스템 개략도는 Fig. 1과 같다. 실내 온도에서 air compressor로 가압된 공기는 유량계를 통해 조절된 후 syringe pump(KD Scientific, USA)로 주입된 오염물질과 mixing chamber에서 혼합된다.
- 본 연구의 바이오필터에 충진한 담체는 천연고분자 물질인 alginate와 인공고분자 물질인 polyvinyl alcohol(PVA) 중합체에 미생물을 포괄 고정화하여 사용하였다. 기존 실험 결과에 의하면 alginate와 PVA를 혼합한 고분자 담체는 탁월한 화학적, 기계적 물성과 미생물 적용성이 우수하기 때문에 다양한 환경공학 분야에서 이용되고 있다(Jen et al.
- 실험에 사용한 UV 램프 (GHP357T5L/4C, First Light Technologies, USA)는 길이 281 mm 직경 15 mm 크기로, 소비전력: 16W, 평균 UV출력 56 μW/cm2@ 1 m, UVC 5.7W로 185/254 nm 파장의 자외선을 방출한다.
이론/모형
- 32 mm)을 사용하였다. UV 반응기와 바이오필터에서 발생한 CO2의 농도는 NDIR 방식의 CO2 gas analyzer(LI820, LI-COR, USA)를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- (2) 기존 바이오필터에 쓰이고 있는 담체들의 문제점을 개선 보완하기 위해 새롭게 제시되고 있는 복합 고분자물질 담체를 개발 적용하였다. (3) 최종적으로 개발된 자외선 고도산화 공정과 차세대 고분자 담체를 결합한 복합 시스템을 구성하고 toluene과 TCE를 대상 VOCs로 선정하여 복합시스템의 운전효율과 적절한 운전 방법 등을 확인하였다. 이상의 연구 목표와 실험을 통해 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 1. 자외선 단독 광산화 실험 결과, 본 연구에서 적용한 에너지 수준에서는 toluene이 거의 분해되지 않았다. 반면 TCE의 경우에는 자외선 광산화에 의해 99% 이상의 제거 효율을 나타내었으며 수용성 중간생성물 발생량도 크게 증가하였다.
- 2. 미생물 고정화 복합고분자 담체로 충진한 바이오필터 실험에서 높은 toluene 제거효율을 얻을 수 있었다. UV 전처리를 사용한 후 통합시스템은 toluene과 TCE 유입 비율에 따라 다른 결과를 나타내었는데, TCE 상대 비율이 높은 경우 통합시스템의 VOC 처리효율이 증가하는 것을 확인하였다.
- 3. 자외선 광산화 반응은 toluene이 상대적으로 적게 존재하는 상황에서 TCE 제거효율을 효과적으로 향상시킬 수 있었으며, 본 실험에서 확인한 TCE 최대 분해능은 18.2 g//hr이었다. 그러나 toluene 유입농도가 높았던 조건에서는 toluene의 저해작용으로 인해 TCE 분해능 변화가 적었다.
- TCE를 단독으로 자외선 반응기에 유입시킨 경우 99.6%의 분해효율을 나타내었으며, 배출가스에 포함된 수용성 유기탄소 농도도 가장 높았다. 즉 TCE 자체는 자외선 광산화 반응에 의해 쉽게 분해되며, 본 실험에서는 TCE가 산화 최종 산물인 CO2로 완전 전환되기 보다는 다른 수용성 유기물질로 부분 산화되었다는 것을 확인하였다.
- Toluene과 TCE를 혼합한 경우에는, 혼합가스의 TCE 농도가 증가하여도 전체 VOCs 분해효율 변화는 매우 미미하여, toluene이 TCE의 광산화 반응까지도 저해할 수 있음을 확인하였다. 본 실험연구에서 발견한 흥미로운 내용은 TCE만 공급한 경우와 약간량의 toluene이 함유된 경우(Mixture 3, Table 1)의 실험 결과가 큰 차이를 보인다는 점이다.
- 자외선 광산화와 고정화 담체 바이오필터 통합시스템의 각 운전조건에서 toluene의 분해능 곡선은 다음 Fig 4와 같다. Toluene을 단독으로 유입시킨 초기 적응기간에 측정한 분해능 결과에 의하면 최대 분해능은 약 57 g/m3/hr이었으며 계속 증가하는 양상을 나타내었다. 본 연구에서 측정한 최대분해능은 문헌에 제시된 일반적인 담체로 충진한 바이오필터에 비해 높은 수준이다(김종오, 이우범 2003; 손현석 등, 2005).
- 미생물 고정화 복합고분자 담체로 충진한 바이오필터 실험에서 높은 toluene 제거효율을 얻을 수 있었다. UV 전처리를 사용한 후 통합시스템은 toluene과 TCE 유입 비율에 따라 다른 결과를 나타내었는데, TCE 상대 비율이 높은 경우 통합시스템의 VOC 처리효율이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 UV 광산화에 의해 toluene과 TCE 일부가 수용성 중간생성물로 전환된 후, 바이오필터에서 미생물에 의해 보다 효과적으로 분해될 수 있음을 보여준다.
- 그러나 toluene 유입농도가 높았던 Task II에서는 TCE 분해능 변화가 적었다. 결과적으로 UV 고도 산화를 사용한 경우에서는 TCE의 최대 분해능도 증가되었다.
- 특히 자외선 조사와 미생물 반응의 통합시스템에서 평균 1180 ppm의 CO2가 발생하여, toluene 저해가 없었던 초기 적응단계의 CO2 발생량과 유사한 수준을 회복하였다. 결과적으로 본 연구에서 적용한 자외선 에너지 수준에서는 광산화 반응만으로는 전체 VOCs 제거효율을 크게 증가시키지는 못하였으나, 난분해성 물질에 의한 미생물 저해를 최소화 할 수 있어 전체 시스템의 안정성을 유지하는데 크게 기여할 수 있음을 확인하였다.
- 그러나 증류수가 채워진 impinger에 배출가스를 통과시킨 후 수용액의 총유기탄소(TOC)를 측정한 결과, 자외선을 조사한 경우 용해물질 농도가 약간 증가한 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 자외선 조사에 의해 약간 양의 toluene 이 부분 산화될 수 있으나, 본 연구에서 사용한 자외선 에너지 양으로는 방향족 화합물인 toluene을 완전히 광산화 시키지 못하는 것으로 나타났다.
- Toluene을 단독으로 자외선 반응기에 유입시키면서 광산화 반응을 유도한 경우 매우 낮은 수준의 분해효율을 나타내었다. 그러나 증류수가 채워진 impinger에 배출가스를 통과시킨 후 수용액의 총유기탄소(TOC)를 측정한 결과, 자외선을 조사한 경우 용해물질 농도가 약간 증가한 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 자외선 조사에 의해 약간 양의 toluene 이 부분 산화될 수 있으나, 본 연구에서 사용한 자외선 에너지 양으로는 방향족 화합물인 toluene을 완전히 광산화 시키지 못하는 것으로 나타났다.
- 2)에 비해 약 20% 감소하였다. 따라서 TCE 유입에 따라 포괄고정화된 활성미생물의 toluene 분해 반응도 저해를 받아, 전체 VOC 처리효율이 낮아지고 CO2로 완전 전환되는 양도 감소하였다.
- 2 g/m3/hr를 나타내었다. 따라서 자외선 광산화 반응은 toluene이 상대적으로 적게 존재하는 상황에서 TCE 제거효율을 효과적으로 향상시킬 수 있었다. 그러나 toluene 유입농도가 높았던 Task II에서는 TCE 분해능 변화가 적었다.
- 바이오필터의 TCE 분해 효율은 50% 수준으로 상승하여 상대적으로 높은 제거 효율을 나타내었으나, toluene 분해효율은 약 80%로 낮아져 높은 TCE 농도에 의해 미생물의 toluene 분해 작용이 상당한 저해를 받고 있다고 판단되었다. 또한 CO2 발생량도 평균 340 ppm으로 크게 낮아져 미생물의 생분해가 전체적으로 저해되고 있음을 확인하였다.
- 2에 제시된 것과 같이 TCE 제거율은 15% 수준을 나타내어 미생물에 의한 제거가 거의 일어나지 않았다. 또한 혼합 VOCs 가 유입되면서 toluene 제거효율도 급격히 감소되었다가 서서히 증가하는 추세를 나타내었으며, 처리효율이 안정화된 후에도 최대 93% 수준을 나타내었다. 이 기간 동안 CO2도 900 ppm 발생하여 toluene만 유입된 전단계(phase I, Fig.
- 실험시작 후 12일째부터 toluene과 TCE를 평균 40 ppm 과 170 ppm 농도로 유입시키면서 포괄고정화 담체 바이오 필터의 VOCs 분해 효율을 확인하였다. 바이오필터의 TCE 분해 효율은 50% 수준으로 상승하여 상대적으로 높은 제거 효율을 나타내었으나, toluene 분해효율은 약 80%로 낮아져 높은 TCE 농도에 의해 미생물의 toluene 분해 작용이 상당한 저해를 받고 있다고 판단되었다. 또한 CO2 발생량도 평균 340 ppm으로 크게 낮아져 미생물의 생분해가 전체적으로 저해되고 있음을 확인하였다.
- Toluene과 TCE를 혼합한 경우에는, 혼합가스의 TCE 농도가 증가하여도 전체 VOCs 분해효율 변화는 매우 미미하여, toluene이 TCE의 광산화 반응까지도 저해할 수 있음을 확인하였다. 본 실험연구에서 발견한 흥미로운 내용은 TCE만 공급한 경우와 약간량의 toluene이 함유된 경우(Mixture 3, Table 1)의 실험 결과가 큰 차이를 보인다는 점이다. 즉, TCE만을 유입시켰을 때 TCE 65 ppm 수준에서 대부분의 TCE가 광산화되었으나, 여기에 toluene이 약 9 ppm 정도 포함된 경우에는 TCE 분해율이 크게 낮아졌다.
- 반면 TCE의 경우에는 자외선 광산화에 의해 99% 이상의 제거 효율을 나타내었으며 수용성 중간생성물 발생량도 크게 증가하였다. 자외선 단독 광산화 실험에서 toluene과 TCE를 혼합하여 유입시킨 결과, TCE 분율이 낮은 경우 toluene 의 영향을 받아 낮은 제거율을 나타내었으며 TCE 비율이 높아질수록 제거율이 상승하였다.
- 실험 19일째에 동일한 혼합 VOCs 유입농도 조건에서 자외선 조사를 시작하여 통합시스템의 운전특성을 실험하였다. 자외선 조사 후 TCE 분해율은 50~70% 수준으로 증가하였으나, toluene 제거효율은 예상과 다르게 10~20% 감소하였으며 불안정한 양상을 띠었다. 바이오필터 유출수의 pH를 조사한 결과 자외선 조사 전에는 6.
- 실험 시작 후 18일이 경과한 후에 자외선 반응기 운전을 시작하여 통합시스템의 혼합 VOCs 제거효율을 확인하였다. 자외선 조사를 시작하면서 TCE 제거효율이 25% 수준으로 증가하였으며, toluene 제거 효율도 98%로 상승하였다. 비록 자외선 반응에 의해 전체 제거효율은 크게 증가하지는 않았으나 TCE 유입에 의해 저해를 받았던 toluene 분해가 초기 운전단계(phase I, Fig.
- 6%의 분해효율을 나타내었으며, 배출가스에 포함된 수용성 유기탄소 농도도 가장 높았다. 즉 TCE 자체는 자외선 광산화 반응에 의해 쉽게 분해되며, 본 실험에서는 TCE가 산화 최종 산물인 CO2로 완전 전환되기 보다는 다른 수용성 유기물질로 부분 산화되었다는 것을 확인하였다.
- 즉 자외선 조사에 의해 TCE 분해율이 증가하면 Cl−이온 농도가 증가하게 되어 바이오필터의 pH가 낮아지고, 이에 따라 미생물의 생분해 반응이 영향을 받은 결과가 관측되었다.
- 본 실험연구에서 발견한 흥미로운 내용은 TCE만 공급한 경우와 약간량의 toluene이 함유된 경우(Mixture 3, Table 1)의 실험 결과가 큰 차이를 보인다는 점이다. 즉, TCE만을 유입시켰을 때 TCE 65 ppm 수준에서 대부분의 TCE가 광산화되었으나, 여기에 toluene이 약 9 ppm 정도 포함된 경우에는 TCE 분해율이 크게 낮아졌다. 그러나 배출가스에 포함된 가스상 물질들의 용해도는 TCE 농도에 따라 증가하는 추세를 나타내었다.
- 2) 수준으로 회복되었다. 특히 자외선 조사와 미생물 반응의 통합시스템에서 평균 1180 ppm의 CO2가 발생하여, toluene 저해가 없었던 초기 적응단계의 CO2 발생량과 유사한 수준을 회복하였다. 결과적으로 본 연구에서 적용한 자외선 에너지 수준에서는 광산화 반응만으로는 전체 VOCs 제거효율을 크게 증가시키지는 못하였으나, 난분해성 물질에 의한 미생물 저해를 최소화 할 수 있어 전체 시스템의 안정성을 유지하는데 크게 기여할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 4. 다양한 운전조건에서 통합시스템의 반응효율과 운전 안정성을 향상시키기 위해서는 각 난분해성 물질 사이의 상호 저해작용이나 기타 운전변수(예, pH 변화)에 대한 추가 연구가 필요하며, 단일 반응기 운전과 비교한 통합시스템의 경제성 분석과 체류시간 조건에 대한 검토가 요구된다.
- 따라서 TCE 분율이 증가하면 VOCs의 부분 산화율이 증가하여 수용성 부산물 생성량도 증가하였다. 결과적으로 본 연구에서 제안한 UV 광산화 미생물 통합 시스템을 적용하기 위해서는 유입가스의 조성도 면밀히 검토되어야 함을 알 수 있었다.
- 결과적으로 혼합 VOCs의 전체 처리효율을 효과적으로 향상시키기 위해서는 물리화학적 방법과 미생물 기술을 결합한 하이브리드 시스템의 적용이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 toluene과 TCE 혼합 VOCs의 분해효율을 극대화시키기 위하여, 자외선(UV) 고도 산화방법과 고분자 담체 바이오필터법를 결합시킨 통합시스템을 구성하고 적용타당성을 검토하였다.
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