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하이브리드시스템을 이용한 악취폐가스 처리
Treatment of Malodorous Waste Air Using Hybrid System 원문보기

화학공학 = Korean chemical engineering research, v.48 no.3, 2010년, pp.382 - 390  

이은주 (경북대학교 화학공학과) ,  임광희 (대구대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 광촉매반응기/폐가스 가습조(유동상호기 및 무산소조)를 포함한 바이오필터공정으로 이루어진 하이브리드시스템을 구축하여 퇴비공장 또는 공공시설에서 발생되는 황화수소, 암모니아 및 휘발성 유기화합물을 포함한 악취폐가스에 대한 처리효율을 제고하고 종합적인 적정 작업조건을 구축하였다. 악취가스(2 L/min)에 포함된 암모니아(300 ppmv)의 경우 광촉매반응기에서 약 22%가 제거되고, 폐가스 가습조에서 약 55%가 제거되고, 후 공정인 바이오필터에서 나머지인 약 23%가 모두 제거되었다. 악취가스에 포함된 톨루엔(100 ppmv)의 경우 광촉매반응공정에서 약 20%가 제거되고, 폐가스 가습조(유동상 호기 및 무산소조)에서 약 10% 제거되며 마지막 공정인 바이오필터에서 나머지 70% 모두가 제거되었다. 따라서 물에 용해도가 높은 암모니아의 경우에는 폐가스가습조에서 주로 제거되었고, 용해도가 낮은 톨루엔의 경우는 바이오필터에서 주로 제거되었다. 한편 황화수소(10 ppmv)는 광촉매반응공정에서 거의 처리되고 잔류 trace는 폐가스가습조에 용해되어서 바이오필터로 인입되는 가습된 feed에서 황화수소가 검지되지 않았다. 폐가스 가습조(유동상호기 및 무산소조)에서의 nitrate 농도는 무산소조에서 발생하는 탈질반응 때문에 무산소조 경우가 유동상호기조보다 약 3 ppm 정도 낮았다. 또한 폐가스가습조의 용존 암모니아 농도는 실험 시작부터 1,500~2,000 ppm 사이의 높은 값을 유지하였는데, 이는 폐가스 가습조 내부에 있는 용수에 포함된 염화암모늄 및 기타 암모니아성 질소원에 기인한다고 간주된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this research hydrogen sulfide, ammonia and toluene were designated as the representative source of malodor and VOC, respectively, frequently generated at the compost manufacturing factory and publicly owned facilities. The optimum operating condition to treat the waste air(2 L/min) containing ma...

주제어

#Hybrid Process   #Waste-Air   #Biofilter   #Photocatalytic Reactor   #Humidifier   #Fluidized Aerobic Reactor   #Anoxic Reactor  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 악취가스가 함유한 황화수소, 암모니아 및 톨루엔의 분석 방법은 다음과 같匸" Flame photometric detector(FPD)와 silica capillary column(30 mx0.32 mm, 4 pn thickness)을 장착한 가스크로마토■그라피 (Shimazu, GC-2010AF)를 RiGas 에서 구입한 황화수소_(1 ppmv) 및 암모니아 (15.4 ppmv) 각각의 표준가스로 calibration을 수행하였고 injection port, 오븐 및 detector외] 온도는 각각 100 oC, 50~230 oC와 225 oC를 유지하였다. 공기, 헬륨 및 수소의 유량은 82, 4 및 85 ml/ min을 유지하였다.
  • Figs. 2 및 3과 같은 암모니아/황화수소/톨루엔 feeding 시스템을 구축하였다. Fig.
  • Fig. 1과 같은 광촉매반응기와 유동상호기/무산소조로 이루어진 폐가스 가습조를 추가한 바이오필터로 구성된 하이브리드시스템을 , 황화수소, 암모니아 및 톨루엔을 각각 10, 300 및 100 ppm의 feed 농도와 2 L/min의 feed 유량 조건으로 37일 동안 운전하면서 악취 폐가스의 feed 단계, 광촉매반응기 출구, 가습조를 통과한 단계, 바이오 필터의 1단 port 및 exit 각각에서의 암모니아, 황화수소 및 톨루엔의 농도를 관찰하였다. 또한 폐가스 가습조의 유동상 호기조및 혐기조 각각에서의 용존 암모니아성 질소, nitrite 및 nitrate 농도 및 pH 변화를 관찰하였고, 유동상호기/무산소조로 이루어진 폐가스 가습조의 호기조로부터 무산소조로의 반송유량은 10 mL/min 이었다.
  • IW, Bacillus cereus L5 and Burkholderia cepacia G4으로 구성된 미생물 컨소시엄을 Fig. 10 및 11에서와 같이 field emission scanning electron microscope(Hitachi, S-4300) 의 image로서 관찰하였다.
  • 각각의 Petri-dish 안에 있는 Thiobacillus sp. IW, Bacillus cereus L5 및 Burkholderia cepacia G4를 각각 백금이로 긁어서, Tables 1, 2 및 3의 medium 에 각각 떨어뜨려서 shaking incubator에 넣은 후에 26 oC에서 200 rpm의 조건으로 각각 배양하였다. 이때에 optical density를 spectrometer를 사용하여 600 nm의 파장에서 3시간마다 측정하여 흡광도가 0.
  • 측정하였다. 또한 nitrite(NO2) 및 nitrate(NO3)의 측정을 위하여 nitrite와 nitrate의 농도를 standard solution으로 calibration 하여 ion 사iromatography(인성 크로마테 DX-120)를 이용하여 측정하였다. 한편 pH 측정은 pH meter(Jenco, Model 1671)을 사용하였다.
  • 폐타이어 담체의 경우는 진공펌프를 사용하여 물로 채운 후에 측정한 겉보기밀도를 이용하여 내부공극률을 구하였다. 또한 바이오필터담체의 함수율의 측정은, 본 실험 후에 바이오필터담체 20 g을 바이오필터반응기에서 채취하여 비이커에 담고 dry oven(Sam Heung vacuum dry oven) 안에서 24 시간동안 105 oC에서 건조시킨 후, 건조 전의 담체 무게와 건조 후의 담체 무게 차를 건조 전의 무게로 나누어서 함수율을 측정하였다.
  • 1과 같은 광촉매반응기와 유동상호기/무산소조로 이루어진 폐가스 가습조를 추가한 바이오필터로 구성된 하이브리드시스템을 , 황화수소, 암모니아 및 톨루엔을 각각 10, 300 및 100 ppm의 feed 농도와 2 L/min의 feed 유량 조건으로 37일 동안 운전하면서 악취 폐가스의 feed 단계, 광촉매반응기 출구, 가습조를 통과한 단계, 바이오 필터의 1단 port 및 exit 각각에서의 암모니아, 황화수소 및 톨루엔의 농도를 관찰하였다. 또한 폐가스 가습조의 유동상 호기조및 혐기조 각각에서의 용존 암모니아성 질소, nitrite 및 nitrate 농도 및 pH 변화를 관찰하였고, 유동상호기/무산소조로 이루어진 폐가스 가습조의 호기조로부터 무산소조로의 반송유량은 10 mL/min 이었다.
  • 바이오필터 (5 cm(^)x25 cmx2(L); 유효높이 44 cm)는 아크릴을 소재로 한 2개의 관을(지름: 5 cm, 길이 25 cm) 직렬로 연결한 바이오 필터를 downflow방식으로 제작하였다. 바이오필터에는 2개의 sampling port를 설치하였고, 담체를 바이오필터 상부관 및 하 부관에 22 cm의 높이로 각각 채워 넣어서 바이오필터의 총 유효높이는 44 cm로 하였다.
  • 바이오필터담체의 겉보기밀도는 입상 활성탄과 compost의 혼합물담체 또는 폐타이어담체 각각 50 ml의 무게를 재어 각각의 겉보기 밀도를 측정하였다. 폐타이어 담체의 경우는 진공펌프를 사용하여 물로 채운 후에 측정한 겉보기밀도를 이용하여 내부공극률을 구하였다.
  • downflow방식으로 제작하였다. 바이오필터에는 2개의 sampling port를 설치하였고, 담체를 바이오필터 상부관 및 하 부관에 22 cm의 높이로 각각 채워 넣어서 바이오필터의 총 유효높이는 44 cm로 하였다. 두 개의 sampling port 중에서 첫번째 port(1 단) 의위치는 바이오필터의 하부관에 채워진 담체 높이에서 위로부터 4 cm에 위치하고 두번째 port(2단)는 바이오필터에서 처리되어 나가는 바이오필터 배출구에 설정하였다.
  • 본 실험에서 광반응기는 외경, 내경 및 길이가 각각 8, 4 및 47 cm인 환형의 pyrex관을 제작하여 360 nm에서 주파장을 갖는 15 W UV-A 램프(437 mm(L)x28 mm(©), 한성자외선)를 pyrex관의 내경안에 삽입하였다. 그리고 pyrex관의 내경 및 외경 사이에는 지름이 1 cm 인 glass bead를 중진시켰다.
  • 오염원을 함유한 폐가스가 전 처리로서 광촉매반응기를 통과하고 바이오필터로 후 처리되었을 때의 바이오필터의 처리용량이 배 이상 증가하는 유기오염원에 대한 시너지효과[20]를 활용하여, 광촉매 반응기, 폐가스 가습조 시스템과 바이오필터로 이루어진 Fig. 1 과 같은 하이브리드시스템을 구축하였다.
  • IW, Bacillus cereus L5 및 Burkholderia cepacia G4를 각각 백금이로 긁어서, Tables 1, 2 및 3의 medium 에 각각 떨어뜨려서 shaking incubator에 넣은 후에 26 oC에서 200 rpm의 조건으로 각각 배양하였다. 이때에 optical density를 spectrometer를 사용하여 600 nm의 파장에서 3시간마다 측정하여 흡광도가 0.8 이상일 때에 폐가스처리용 바이오필터 담체와 폐가스 가습조 담체에 각각 3가지 동량의 배양 medium을 혼합한 미생물 consortium 과 Bacillus cereus L5를 접종하였다.
  • 3과 같이 syringe pump를 이용하여 톨루엔을 syringe pump(KD Scientific, Model: KDS200)를 이용하여 약 140 oC 정도로 가열된 관에 주사하여 약 100 ppm 톨루엔 가스를 발생시켰다. 이와 같은 황화수소/암모니아 feeding system과 톨루엔 feeding 시스템을 결합하여 암모니아황화수소/톨루엔 feeding 시스템을 구축하였다.
  • 활용하였다. 이와 같이 가습조(유동상 호기/무산소조)를 포함한 바이오 필터 시스템을 후 공정으로 하고 광촉매반응을 전 공정으로 통합한 하 이브리드 시스템을 퇴비공장 또는 공공시설에서 발생하는 악취 폐가스처리에 활용하였다. 퇴비공장 또는 공공시설에서 발생되는 악취폐가스의 대표적인 제거대상 오염원으로서는, 악취오염원으로서 황화수소 및 암모니아를, 휘발성유기화합물로서 가장 흔하게 발생하는 톨루엔을 각각 선정하고, 광촉매반응기/폐가스 가습조(유동 상호기 및 무산소조)를 포함한 바이오필터공정으로 이루어진 하이브리드시스템을 구축하여 악취폐가스에 대한 처리효율을 제고하고 종합적인 적정 작업조건을 구축하였다.
  • 501883)로 calibration을 수행하였다. 톨루엔을 함유한 폐가스가 들어가는 바이오필터의 인입구, 처리되어 나오는 배출구 및 각 sampling por에서 톨루엔가스를 250 pL gas-tight-syringe로(Hamilton, USA) 100 皿를 뽑아내어서 가스크로마토그라피의 injector에 주사하여 톨루엔 peak가 용출될 때까지의 retention time에서의 톨루엔의 농도를 측정하였다. Carrier gas는 질소(99.
  • 이와 같이 가습조(유동상 호기/무산소조)를 포함한 바이오 필터 시스템을 후 공정으로 하고 광촉매반응을 전 공정으로 통합한 하 이브리드 시스템을 퇴비공장 또는 공공시설에서 발생하는 악취 폐가스처리에 활용하였다. 퇴비공장 또는 공공시설에서 발생되는 악취폐가스의 대표적인 제거대상 오염원으로서는, 악취오염원으로서 황화수소 및 암모니아를, 휘발성유기화합물로서 가장 흔하게 발생하는 톨루엔을 각각 선정하고, 광촉매반응기/폐가스 가습조(유동 상호기 및 무산소조)를 포함한 바이오필터공정으로 이루어진 하이브리드시스템을 구축하여 악취폐가스에 대한 처리효율을 제고하고 종합적인 적정 작업조건을 구축하였다.
  • 폐가스 가습조(유동상 호기조) 내의 유동상의 폐타이어 담체에는 암모니아 분해미생물인 Bacillus cereus L5를 Table 2와 같은 미생물 medium과 함께 10일간 반송시켜서 폐타이어담체에 고정화시켰다.
  • 그리고 pyrex관의 내경 및 외경 사이에는 지름이 1 cm 인 glass bead를 중진시켰다. 폐가스가 pyrex관에 들어와서 접촉하는 pyrex관의 내부면과 임ass bead의 표면은 나노팩에서 구입한 광촉매졸(이산화타이타늄졸)에 dip-coating하여 상온에서 10분간 건조 후에 句rnace에서 450 oC의 조건으로 30분 이상 소성시키고 이러한 dip-coating 및 소성공정을 3회 반복 시행하였다.
  • 측정하였다. 폐타이어 담체의 경우는 진공펌프를 사용하여 물로 채운 후에 측정한 겉보기밀도를 이용하여 내부공극률을 구하였다. 또한 바이오필터담체의 함수율의 측정은, 본 실험 후에 바이오필터담체 20 g을 바이오필터반응기에서 채취하여 비이커에 담고 dry oven(Sam Heung vacuum dry oven) 안에서 24 시간동안 105 oC에서 건조시킨 후, 건조 전의 담체 무게와 건조 후의 담체 무게 차를 건조 전의 무게로 나누어서 함수율을 측정하였다.
  • 2에서와 같이 황화수소 가스는 염화수소와 zinc sulfide와 반응하여 발생시키고, lead acetate로서 잔류염화수소를 제거하였다. 한편 암모니아 가스는 암모니아 수용액으로 공기를 통과시켜서 발생시키고 blower(Young Nam Yasunnaga, 토줄압력; 0.12 kgf/cm2, 최대유량; 43 L/mim)에서 적당량의 공기를 주입하고 mixing chamber에서 혼합하여 황화수소와 암모니아를 각각 10 ppm및 300 ppm으로 제조하였다. 한편 Fig.
  • 황화수소 또는 암모니아를 각각 함유한 폐가스가 들어가는 바이오필터의 인입구, 처리되어 나오는 배출구 및 각 sampling port에서 용량이 1L 인 테드라 백 (1L)을 연결시켜서 황화수소 및 암모니아용 검지관 (Gastec, 4LK4LT 및 4L-4LL(황화수소), 3L-3La 및 3M(암모니아))을 사용하여 각각의 가스내의 황화수소 및 암모니아의 농도를 측정하였다. 한편 톨루엔 분석을 위하여 Flame ionization detector(FID)와 Supelco에서 구입한 SUPELCO WAXTM-10 fused silica capillary column(30mx0.53 mmx2.0 μm)을 장착한 가스크로마토그라피 (Shimazu, GC-17AAFw Ver.3)를 Scott Specialty Gas 에서 주문하여 구입 한 aromatic 표준가스 (Supelco, scotty IV Cat. No. 501883)로 calibration을 수행하였다. 톨루엔을 함유한 폐가스가 들어가는 바이오필터의 인입구, 처리되어 나오는 배출구 및 각 sampling por에서 톨루엔가스를 250 pL gas-tight-syringe로(Hamilton, USA) 100 皿를 뽑아내어서 가스크로마토그라피의 injector에 주사하여 톨루엔 peak가 용출될 때까지의 retention time에서의 톨루엔의 농도를 측정하였다.
  • 공기, 헬륨 및 수소의 유량은 82, 4 및 85 ml/ min을 유지하였다. 황화수소 또는 암모니아를 각각 함유한 폐가스가 들어가는 바이오필터의 인입구, 처리되어 나오는 배출구 및 각 sampling port에서 용량이 1L 인 테드라 백 (1L)을 연결시켜서 황화수소 및 암모니아용 검지관 (Gastec, 4LK4LT 및 4L-4LL(황화수소), 3L-3La 및 3M(암모니아))을 사용하여 각각의 가스내의 황화수소 및 암모니아의 농도를 측정하였다. 한편 톨루엔 분석을 위하여 Flame ionization detector(FID)와 Supelco에서 구입한 SUPELCO WAXTM-10 fused silica capillary column(30mx0.

대상 데이터

  • 톨루엔을 함유한 폐가스가 들어가는 바이오필터의 인입구, 처리되어 나오는 배출구 및 각 sampling por에서 톨루엔가스를 250 pL gas-tight-syringe로(Hamilton, USA) 100 皿를 뽑아내어서 가스크로마토그라피의 injector에 주사하여 톨루엔 peak가 용출될 때까지의 retention time에서의 톨루엔의 농도를 측정하였다. Carrier gas는 질소(99.999%)를 사용하였고 적용한 유량은 4 ml/min이었다. injector, oven(column) 및 detector의 운전온도는 각각 200 oC, 90 oC, 250 oC이었다.
  • 0 이었다. 바이오 필터 담체로서 삼천리탄소에서 구입한 평균지름(D》이 2.5 mm인 입상 활성탄(GAC)(BET 비표면적, 1, 100 m2/g; micro-pore 용적, 0.4~0.6 cc/g; 평균세공반경, 13~20 A, 0.6 mm 인 compost 및 폐타이어 담체 [3이 각각을 같은 부피로 혼합한 담체를 바이오필터에 충전하였다. 바이오필터 운전을 위하여 담체의 일부분을 유기담체 (compost)로 하여 미생물에 필요한 영양소를 자체 공급하였고 바이오 필터의 윗부분에서 peristaltic pump(Masterflex)를 이용하여 바이오 필터 내의 담체의 pH와 수분 유지를 위하여 buffer solution을 바이오 필터 위에서 밑으로 약 2 ml/hr로 공급되게 하였다.
  • 4와 같은 가습조의 상부인 유동상 호기조를 거쳐서 가습시키고 동시에 유동상 호기조의 용수가 악취오염원 중에서 수용성인 암모니아를 많이 흡수하여 흡수된 암모니아는 유동상 미생물담체인 폐타이어담체 [3이에 의하여 질산이온으로 산화되고 유동상 호기조의 하부인 무산소조에 반송되어 질소로 환원되며, 특히 암모니아 부하량이 적어진 가습된 악취 폐가스는 바이오 필터로 이송된다. 폐가스로부터 물에 흡수된 암모니아를 미생물이 활용하게 하기 위하여, 폐가스 가습조 용수로서 Table 1과 같은 암모니아 산화균주인 Bacillus cereus L5의 성장 medium을 사용하였다.

이론/모형

  • 한편 폐타이어 담체를 충전한 폐가스 가습조 유동상 및 무산소 (혐기) 반응조의 질산화율을 측정하기 위하여 각각 용수의 암모니아성 질소(자유암모니아 및 암모늄 이온) 농도를 수질환경오염 공정시험빙법에 의하여 spectrophotometer(Shimadzu, UV-1601 PC)를 사용하여 측정하였다. 또한 nitrite(NO2) 및 nitrate(NO3)의 측정을 위하여 nitrite와 nitrate의 농도를 standard solution으로 calibration 하여 ion 사iromatography(인성 크로마테 DX-120)를 이용하여 측정하였다.
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