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문제 정의
- , 분변토추출액 미생물을 포괄고정하여 파일럿 스케일의 바이오 필터에 적용하였다. 복합악취 중 유기악취물질로 벤젠, 톨루에 자일렌을 선정하였고, 무기악취물질로 황화수소를 선택하여 체류시간과 살수량 조절에 따른 복합악취 제거효율의 변화를 확인하고자 하였다.
- 본 연구에서는 yeast 및 SOB, 분변토 미생물 포괄 고정스펀지형 담체를 적용한 pilot scale의 바이오필터를 이용하여 현장에서 발생하는 복합악취 제거에 관한 성능평가 실험을 실시하였다. 체류시간 변화와 스크러버단의 살수량 변화에 따른 바이오필터의 유/무기 악취제거 특성을 확인한 결과들은 다음과 같이 요약될 수 있다.
- 않고, 유입농도 또한 일정하지 않았다. 이에 본 연구에서는 벤젠, 톨루엔 자일렌, 황화수소를 대상으로 특정 시간에 발생하는 유입부하량에 따른 처리율을 이용해 최대 분해능을 산출하여 바이오필터의 성능을 평가하였다. Fig.
- 악취물질이 스크러 버단에서 제거될 경우 1단과 2단에 빈영양 환경이 조성되어 미생물의 성장에 저해를 받을 수 있다. 이에 스크러버단의 살수량을 초기 2 min-on/10 min-off에서 1 min-on/60 min-off 로 줄여 1단과 2단의 미생물 활성을 유지해주고자 하였다. 또한 스크러버단의 살수량이 줄어들면 물 사용량도 줄어들기 때문에 경제적일 것이라 판단되며, 본 연구에서는 황화수소가 95% 이상 제거된 체류시간 18초에서 스크러버 단의 살수량을 변경하여 효율을 평가하였다.
제안 방법
- SOB)인 Acidithiobacillus caldus sp., 분변토추출액 미생물을 포괄고정하여 파일럿 스케일의 바이오 필터에 적용하였다. 복합악취 중 유기악취물질로 벤젠, 톨루에 자일렌을 선정하였고, 무기악취물질로 황화수소를 선택하여 체류시간과 살수량 조절에 따른 복합악취 제거효율의 변화를 확인하고자 하였다.
- 이에 스크러버단의 살수량을 초기 2 min-on/10 min-off에서 1 min-on/60 min-off 로 줄여 1단과 2단의 미생물 활성을 유지해주고자 하였다. 또한 스크러버단의 살수량이 줄어들면 물 사용량도 줄어들기 때문에 경제적일 것이라 판단되며, 본 연구에서는 황화수소가 95% 이상 제거된 체류시간 18초에서 스크러버 단의 살수량을 변경하여 효율을 평가하였다.
- 또한, 스크러버단의 살수량을 변경하여, 전처리 단계의 살수량 변화가 시스템 전체 제거효율에 미치는 영향을 평가하였다. 각 단계별 운전조건을 Table 1에 나타내었다.
- 무기악취 중 황화수소의 농도는 FPD가 장착된 가스크로마토그래피 (GC 2010, Dong-il Shimadzu)를 이용하여 분석하였다(Table 3). 황화수소 가스의 검량선은 100 ppm 황화수소 표준가스(순도 99.
- 바이오필터 4곳에 설치된 기체 시료 채취구를 통해 lung sampler를 이용하여 tedlar bag에 5 L씩 시료를 채취하였으며, 채취한 즉시 FID가 장착된 가스크로마토그래피 (Acme 6000M GC, Young Lin Korea)를 사용하여 벤젠, 톨루엔 자일렌을 분석하였다(Table 2). 벤젠, 톨루엔 자일렌의 검량선은 vapor pressure 방법을 이용하여 0~ 300ppm 범위에서 작성하였다.
- 유량은 체류 시간(empty bed contact time, EBCT)과 밀접한 관계가 있는데 체류시간에 따라 물질전달 속도가 달라지기 때문에 대상 기질의 제거량이 달라진다. 본 연구에서는 현장 특성상 악취성분의 유입농도를 임의로 조절할 수 없었기 때문에, 체류시간 조절을 통해 부하변동을 주어 그에 따른 제거효율을 분석하였다.
- 4 m3이었다. 스크러버단의 급수펌프는 10분에 2분씩 가동하게 설정하였고, 바이오필터의 급수펌프는 60분에 1분씩 가동하게 설정하였다.
- 이송시켜 주었다. 시스템 내 기체흐름의 방향은 Fig. 1에서와 같이 스크러버단 하향류, 1단 상향류, 2단 하향류로 하였다. 처리효율 및 각 단별 제거량을 파악하기 위해 유입부와 1단 유입부, 2단 유입부, 유출부 등의 네 곳에서 시료를 채취하였고, 바이오필터 내부의 습도 유지 및 미생물에 무기염류를 공급해주기 위해 영양염류용액을 순환시켜 주었다.
- 유/무기 악취를 동시에 제거하기 위해 초기 EBCT를 36 초로 설정하여 한 달간의 안정화 기간을 가진 후 30초, 24 초 18초로 줄여가며 150일간 운전하였다.
- 파일럿 스케일 바이오 필터는 총 용량이 10 m3로 전처리 스크러버단과 1단의 유기악취 처리부, 2단의 무기악취 처리부로 구성되었으며, 압력에 의한 담체파손을 방지하기 위해 1단과 2단은 각각 4층의 서랍형태로 제작되었다. 이때 스크러버단은 pall ring을 충전하였고, 1단은 yeast 포괄고정 담체, 2단은 SOB, 분변토 미생물 포괄고정 담체를 충전하였다. 충전된 담체 용량은 각 층마다 0.
- 1에서와 같이 스크러버단 하향류, 1단 상향류, 2단 하향류로 하였다. 처리효율 및 각 단별 제거량을 파악하기 위해 유입부와 1단 유입부, 2단 유입부, 유출부 등의 네 곳에서 시료를 채취하였고, 바이오필터 내부의 습도 유지 및 미생물에 무기염류를 공급해주기 위해 영양염류용액을 순환시켜 주었다.
- 탈취팬을 이용하여 발생된 악취를 기체 상태로 포집하여 바이오 필터로 이송시켜 주었다. 시스템 내 기체흐름의 방향은 Fig.
대상 데이터
- 무기악취 제거를 위해 하수처리장 슬러지에서 채취한 SOB인 Acidithiobacillus caldus sp를 적용하였고, 분변토 미생물과 SOB를 100 L 용량의 미생물 대량 배양기에서 배양하였다. A.
- 본 연구에서 사용된 파일럿 스케일 바이오필터 모식도와 현장 사진을 Fig. 1에 나타내었다. 파일럿 스케일 바이오 필터는 총 용량이 10 m3로 전처리 스크러버단과 1단의 유기악취 처리부, 2단의 무기악취 처리부로 구성되었으며, 압력에 의한 담체파손을 방지하기 위해 1단과 2단은 각각 4층의 서랍형태로 제작되었다.
- 본 연구에서 사용한 포괄고정 담체는 PEGDA(Polyethylene glycol diacrylate) 10%, sodium alginate 1%, potassium persulfate 1%, TMEDA 0.02%와 약 1.5 OD 의 미생물 농축액 50%를 증류수에 혼합한 후, 큐빅-스펀지 형태(12X12X12)의 담체에 흡수시켜 상온에서 경화하여 제조하였다. 제조된 포괄고정화 담체는 C tropicalis 포괄고정 담체와 SOB, 분변토 미생물 포괄고정 담체로 파일럿 스케일 바이오필터의 1단과 2단에 각각 충전되었다.
- 본 연구에서는 파일럿 플랜트에 복합적으로 유입되는 유/무기 악취를 효율적으로 분해하기 위해 특성이 다른 두 종류의 미생물을 사용하였다. 유기악취 제거를 위해 한국 미생물 보존센터(Korean Culture Center of Microorganisms, KCCM)에서 분양받아 배양한 효모인 Candida tropicals를 사용하였다.
- 미생물을 사용하였다. 유기악취 제거를 위해 한국 미생물 보존센터(Korean Culture Center of Microorganisms, KCCM)에서 분양받아 배양한 효모인 Candida tropicals를 사용하였다. 효모 균주는 100 L 용량의 미생물 대량 배양기에 YM medium (yeast extract 3 g, malt extract 3 g, peptone 5 g, dextrose 10 g, agar 20 g, distilled water 1 L)에 접종하고, 톨루엔을 기상으로 공급하여 30℃에서 배양하였다.
- 변한다. 이에 본 연구에서는 바이오필터로 유입되는 악취성상을 분석한 후, 유기악취는 벤젠, 톨루엔], 자일렌을 무기악취는 황화수소를 대상물질로 선정하였다.
- 5 OD 의 미생물 농축액 50%를 증류수에 혼합한 후, 큐빅-스펀지 형태(12X12X12)의 담체에 흡수시켜 상온에서 경화하여 제조하였다. 제조된 포괄고정화 담체는 C tropicalis 포괄고정 담체와 SOB, 분변토 미생물 포괄고정 담체로 파일럿 스케일 바이오필터의 1단과 2단에 각각 충전되었다.
- 1에 나타내었다. 파일럿 스케일 바이오 필터는 총 용량이 10 m3로 전처리 스크러버단과 1단의 유기악취 처리부, 2단의 무기악취 처리부로 구성되었으며, 압력에 의한 담체파손을 방지하기 위해 1단과 2단은 각각 4층의 서랍형태로 제작되었다. 이때 스크러버단은 pall ring을 충전하였고, 1단은 yeast 포괄고정 담체, 2단은 SOB, 분변토 미생물 포괄고정 담체를 충전하였다.
- 분석하였다(Table 3). 황화수소 가스의 검량선은 100 ppm 황화수소 표준가스(순도 99.999%)를 사용하여 작성하였다.
이론/모형
- 자일렌을 분석하였다(Table 2). 벤젠, 톨루엔 자일렌의 검량선은 vapor pressure 방법을 이용하여 0~ 300ppm 범위에서 작성하였다.
성능/효과
- 1) 본 연구에서 체류시간에 따른 각 물질별 제거효율을 평가한 결과, 체류시간이 36초에서 18초로 짧아짐에 따라 톨루엔, 벤젠, 자일렌, 황화수소 제거율이 다소 감소했지만, 수일 내로 100% 제거율을 나타내었다. 이에 따라 유/무기악취 제거를 위한 미생물이 각각 적용된 바이오필터가 유입 부하에 따른 적용성이 우수하다고 판단된다.
- 2) 바이오필터의 살수량을 줄인 후 벤젠, 톨루엔 자일렌, 황화수소 제거율이 다소 감소했지만, 10일 이내에 안정화되어 제거율을 회복하는 것으로 나타났다.
- 3) 본 시스템의 벤젠, 톨루엔 자일렌 최대 분해능은 파일럿 현장의 낮은 유입부하로 인하여 다소 낮게 나타났지만, 황화수소의 경우 기존 바이오필터에 비해 높은 분해능을 나타내었다. 이는 스크러버단이 결합된 이단 바이오필터를 사용하였기 때문이라 사료되며, 이 시스템은 고농도의 악취 제거에 많은 장점을 가질 수 있을 것으로 판단된다.
- EBCT 따른 각 단별 제거율을 살펴본 결과, 저농도의 황화수소는 95% 이상, 벤젠 톨루엔 자일렌은 50% 이상이 스크러 버단에서 제거되었다. 악취물질이 스크러 버단에서 제거될 경우 1단과 2단에 빈영양 환경이 조성되어 미생물의 성장에 저해를 받을 수 있다.
- 5 에 나타냈다. 각 단별 제거량을 살펴보면 스크러버 단에서 가장 높은 황화수소 제거량을 나타냈고, 1단, 2단 순으로 제거되었다. 이는 황화수소의 용해도가 2.
- 운전기간 동안 최대 273 ppmv이 유입되었고, EBCT 24~36초에서 거의 100%의 황화수소가 제거되었다. 그러나 EBCT 18초에서 123 ppmv의 높은 농도의 황화수소가 유입되었을 일시적으로 90% 수준으로 제거효율이 감소하였다. 그러나 수 일 이내에 97% 이상의 높은 제거효율을 회복하였다.
- 그러나 고농도(50 ppmv 이상)의 황화수소가 유입되었을 때는 모든 단에서 황화수소가 제거되는 것으로 나타나, 고농도의 황화수소가 유입되어도 효과적으로 황화수소를 제거할 수 있음을 파악할 수 있었다.
- 8 g/m3/hr로 나타났다. 또한, 톨루엔의 경우 최대 유입부하 31.7 g/m3/hr에서 톨루엔이 100% 제거되었고, 자일렌 역시 최대 유입부하 7.8 g/m3/hr에서 100% 제거된 것으로 보아, 더 높은 유입부하에서도 안정적으로 제거할 수 있을 것이라 판단된다. 시스템의 운전기간 중 황화수소 최대 제거량은 Fig.
- 본 연구에서는 파일럿 현장의 낮은 유입부하로 인해 톨루엔과 벤젠, 자일렌은 다소 낮은 최대분해능을 나타냈지만, 황화수소의 경우 기존 바이오필터에 비해 10배 이상의 높은 최대분해능을 나타냈다. 이 결과는 물리/화학적 방법이 결합된 하이브리드 형태의 시스템과 악취물질에 따라 각각 다른 미생물을 포괄고정한 담체를 이단 바이오필터에 적용했기 때문이라고 판단된다.
- 스크러버단의 살수액을 현미경으로 관찰한 결과, 미생물이 성장한 것을 확인하였다. 이를 통해 스크러버단이 바이오 스크러버로서의 역할을 수행했고, 스크러버단에서 미처리된 가스를 1단에서 yeast가 분해한 것으로 사료된다.
- 3에 나타내었다. 운전기간 동안 최대 273 ppmv이 유입되었고, EBCT 24~36초에서 거의 100%의 황화수소가 제거되었다. 그러나 EBCT 18초에서 123 ppmv의 높은 농도의 황화수소가 유입되었을 일시적으로 90% 수준으로 제거효율이 감소하였다.
- 내로 100% 제거율을 나타내었다. 이에 따라 유/무기악취 제거를 위한 미생물이 각각 적용된 바이오필터가 유입 부하에 따른 적용성이 우수하다고 판단된다.
- 자일렌의 경우에서는 0~6 ppmv의 농도로 유입되었고, EBCT 변화에 관계없이 100%의 제거효율을 나타내 유입된 농도범위에 한해서는 EBCT의 감소가 자일렌의 제거율에 영향을 미치지 않은 것으로 확인되었다.
- 6 에 나타냈다. 톨루엔과 벤젠의 경우 스크러버단의 살수량을 변경했을 때 제거율이 40%까지 감소하였다가, 안정화되면서 전량 제거되었고, 자일렌은 스크러버단의 살수량에 상관없이 100% 제거되었다.
- 2에 나타내었다. 톨루엔은 0 ppmv에서 최대 25 ppmv까지 유입되었고, EBCT가 변화될 때마다 80%까지 제거효율이 감소되었다가 안정화되면서 100%에 가까운 제거효율을 나타내었다. 벤젠의 경우는 0~7 ppmv 의 농도로 유입되었고, EBCT 24초까지는 100% 제거효율을 나타내었지만, EBCT 18초로 변경 후, 60%까지 제거효율이 감소하였다.
후속연구
- 이 결과는 물리/화학적 방법이 결합된 하이브리드 형태의 시스템과 악취물질에 따라 각각 다른 미생물을 포괄고정한 담체를 이단 바이오필터에 적용했기 때문이라고 판단된다. 따라서 단일 바이오필터 보다는 스크러버 단과 목적 미생물이 포괄고정된 담체를 적용한 이단 바이오필터의 결합이 고농도 복합악취를 제거하는데 있어 새로운 대안으로 적용될 수 있을 것이라 보인다.
- 높아진 것으로 보인다. 따라서 유입농도에 따른 살수조절 시스템을 적용한다면 미생물의 활성을 유지시켜주면서, 경제적인 바이오필터 운전이 가능할 것으로 판단된다.
- 이 결과를 통해 유입농도에 따른 살수량 조절 시스템을 적용한다면 보다 경제적이고, 처리효율이 높은 바이오 필터가 가능할 것으로 보인다.
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