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가설 설정
- 3. Both Cgo and Q denote feed concentration (ppmv) and air flow rate, respectively.
제안 방법
- Fig. 1(a)-(b)와 Fig. 2와 같은 개선된 설계조건의 바이오필터[이하 R반응기]와 같은 유효부피의 전통적 바이오필터[이하 L반응기]를 Table 3의 실험조건으로 30 ℃에서 100일 동안 운전하여 압력강하 및 미생물 population 분포를 구축하고 상호 비교 및 평가하였다. 바이오필터 운전 1~7단계에서 Fig.
- 1. The direction of waste air-supply to a biofilter system with improved design has been reversed at the 8th stage of each improved biofilter (R-reactor) run (The directions of bottom-up and top-down were reversed to those of top-down and bottom-up, respectively).
- 따라서 바이오필터담체의 겉보기밀도는 1) 평균지름이 2.5 mm인 메스실린더 50 ml 부피의 입상 활성탄 2) 평균지름이 0.6 mm인 메스실린더 50 ml 부피의 compost 및 3) 평균지름이 5 mm인 메스실린더 50 ml 부피의 폐타이어담체의 무게를 재어 입상 활성탄, compost 및 폐타이어담체의 겉보기밀도를 각각 측정하였다. 한편 젖은 바이오필터담체(입상 활성탄 및 compost) 각각의 50 ml를 각각 용기에 담고 물을 채웠을 때와 안 채웠을 때에 무게차이를 3회 측정하여, 그 평균값으로서 공극율(ε, wet porosity)을 산출하였다.
- L반응기(4단)와 R반응기(2단×2)의 각 단에서 바이오필터의 미생물담체 중 폐타이어담체와 활성탄형태로 구분하여 각각 1 g을 취하여, 10배 희석법에 따라 10, 102, 103, 104및 105배로 희석하였다.
- [17]이 제시한 “압력강하가 미생물의 과도한 성장에 의한 바이오필터의 void 부분의 폐색으로 야기되기 때문에, 압력강하가 정해진 값보다 커질 경우에 수분공급을 금하고 영양분을 제한하는 건조기간을 설정하고 압력강하가 작아지면 수분공급을 재개하는 바이오필터 운전방법”에 따라서 2일 동안 buffer solution 공급을 중단하였다.
- 각각의 petri-dish를 incubator (30 ℃)에 넣고 정치배양을 하였고, 12시간 후 배양된 콜로니수를 관찰 계수하였다.
- 한편 폐타이어담체의 총공극율은 1 L 폐타이어 담체의 총 공극을 물로 채웠을 때의 총 질량에서 담체 내부공극이 비었을 때의 겉보기밀도를 빼서 구하였고, 폐타이어담체의 외부공극율은 1 L 폐타이어 담체의 총 공극을 물로 채웠을 때의 총 질량에서 담체 내부공극이 물로 채워졌을 때의 겉보기밀도를 빼서 구하였다. 또한 폐타이어담체의 내부공극율은 총공극율에서 외부공극율을 빼서 구하였다. 바이오필터담체 각각의 비표면적은 Eqs.
- 미생물담체에 고정하는 미생물 혼합물의 분포특성을 확인하기 위하여 바이오필터 실험이 끝난 후에 적용된 활성탄과 compost의 표면 및 폐타이어담체 내부 및 표면에 부착된 미생물에 대한 SEM image (Field Emission Scanning Electron Microscope. Hitachi, S-4300)를 관찰하였다. 한편 바이오필터담체의 moisture 양의 측정은, 바이오필터담체를 ambient 조건 또는 담체 50 ml를 증류수로 젖게 하고 밀폐한 100 ml 비이커에 10일간 유지하였다가, 바이오필터담체 20 g을 채취하여 비이커에 담고 dry oven (Sam Heung vacuum dry oven) 안에서 24시간 동안 105 ℃에서 건조시킨 후 무게를 재어, 건조 전의 담체 무게와 건조 후의 담체 무게 차를 건조 전의 무게로 나누어서 함수율을 측정하였다.
- 한편 바이오필터담체의 moisture 양의 측정은, 바이오필터담체를 ambient 조건 또는 담체 50 ml를 증류수로 젖게 하고 밀폐한 100 ml 비이커에 10일간 유지하였다가, 바이오필터담체 20 g을 채취하여 비이커에 담고 dry oven (Sam Heung vacuum dry oven) 안에서 24시간 동안 105 ℃에서 건조시킨 후 무게를 재어, 건조 전의 담체 무게와 건조 후의 담체 무게 차를 건조 전의 무게로 나누어서 함수율을 측정하였다. 미생물담체의 pH는 각각의 sampling port에서 샘플을 20 g 씩 채취해서 비이커에 담고 3차 증류수 50 ml로 교반 후 상등액 부분을 pH meter (Istek 720P)로 측정하였다.
- 바이오필터의 개선된 설계 및 운전조건에 따른 바이오필터에 고정된 미생물 population 분포에 대한 영향을 바이오필터 각단에서 미생물담체 sample을 채취하여 고체배지에 접종한 후에 일정시간 후에 생성된 콜로니 개체 수(CFU counts)를 분석하여 미생물 population 및 분포에 대한 영향을 평가하였다.
- 바이오필터의 개선된 설계 및 운전조건에 따른, 바이오필터에 고정된 미생물 population 및 분포에 대한 영향을, 바이오필터 각단에서 미생물담체 sample을 채취하여 고체배지에 접종한 후에 일정시간 후에 생성된 콜로니 개체 수를 분석하여 미생물 population 및 분포에 대한 영향을 평가하였다. 황화수소와 에탄올을 함유한 악취가스가 top→down으로공급되는 4단으로 구성된 L반응기에서의 미생물 population 분포는 Fig.
- 본 연구에서는 바이오필터를 상하로 구분하여 처리할 오염원의 부하를 약 반씩 나누어서 독립적으로 처리하여서 바이오필터를 나누지 않을 때와 같은 체류시간을 유지하면서, 바이오필터를 나누지 않을 때보다 미생물의 분포가 바이오필터 상하로 더욱 균등하게 분포하게 되어 압력강하가 감소하게 하였다. 부연하면 지금까지의 바이오필터 연구에서 시도된 적이 없는 방법으로서 바이오필터를 상하로 나누고 처리할 폐가스 공급유량을 각각 반으로 나누어서 위 바이오필터는 bottom-up으로, 아래 바이오필터는 top-down으로 공급하고, 주기적으로 각각 top-down 및 bottom-up으로 폐가스 공급 방향을 바꾸는 개선된 바이오필터설계를 가지는 바이오필터의 압력강하 및 미생물 population 분포 등을 관찰하고, 같은 유효부피를 갖고 unidirectional flow (UF)를 갖는 전통적 바이오필터의 경우의 압력강하 및 미생물 population 분포 등과 비교하였다.
- 블러워(Young Nam Yasunnaga, 토출압력; 0.12 kgf /cm2, 최대유량; 43 L/min)로 공기를 공급하여서 에탄올 공급장치에 공급된 공기가 heating band에 의하여 약 140℃ 정도로 가열된 관을 통과할 때에 에탄올을 syringe pump(KD Scientific, Model: KDS200)를 이용하여 조절된 양을 이 관에 주입하여 에탄올이 함유된 공기를 mixing chamber에 공급하였다. 또한 0.
- 그리고 mixing chamber에서 에탄올과 황화수소가 함유한 공기들을 혼합하였다. 블로워에서 공기를 이송하는 관은 tygon 관을 사용하였고 mixing chamber에서 에탄올과 황화수소가 동시 함유된 공기를 개선된 바이오필터시스템 및 전통적 바이오필터로 각각 top-down과 bottom-up 및 top-down으로 공급하기 위하여 내산성이 있는 viton관을 사용하여 배관하였다. 에탄올 및 황화수소 공급 장치를 포함한 개선된 바이오필터시스템과 전통적 바이오필터의 구성은 각각 Figs.
- 1153을 도말하여 생성된 콜로니를 백금이로 긁어서 조제한 medium에 접종하여 shaking incubator에서 30 ℃, 200 rpm의 조건으로 진탕 배양하였다. 이때에 optical density를 spectrometer를 사용하여 660 nm의 파장에서 3시간마다 측정하여 흡광도가 0.8 이상일 때에 바이오필터의 담체에 접종하였다. 바이오필터 담체에 미생물접종은 진탕배양된 Burkholderia cepacia G4와 Enterobacter sp.
- 입상 활성탄 및 compost의 구형도(Φs)를 각각 round sand와 같은 0.83 및 1로 간주하였다.
- Hitachi, S-4300)를 관찰하였다. 한편 바이오필터담체의 moisture 양의 측정은, 바이오필터담체를 ambient 조건 또는 담체 50 ml를 증류수로 젖게 하고 밀폐한 100 ml 비이커에 10일간 유지하였다가, 바이오필터담체 20 g을 채취하여 비이커에 담고 dry oven (Sam Heung vacuum dry oven) 안에서 24시간 동안 105 ℃에서 건조시킨 후 무게를 재어, 건조 전의 담체 무게와 건조 후의 담체 무게 차를 건조 전의 무게로 나누어서 함수율을 측정하였다. 미생물담체의 pH는 각각의 sampling port에서 샘플을 20 g 씩 채취해서 비이커에 담고 3차 증류수 50 ml로 교반 후 상등액 부분을 pH meter (Istek 720P)로 측정하였다.
- 한편 젖은 바이오필터담체(입상 활성탄 및 compost) 각각의 50 ml를 각각 용기에 담고 물을 채웠을 때와 안 채웠을 때에 무게차이를 3회 측정하여, 그 평균값으로서 공극율(ε, wet porosity)을 산출하였다.
- 한편 젖은 바이오필터담체(입상 활성탄 및 compost) 각각의 50 ml를 각각 용기에 담고 물을 채웠을 때와 안 채웠을 때에 무게차이를 3회 측정하여, 그 평균값으로서 공극율(ε, wet porosity)을 산출하였다. 한편 폐타이어담체의 총공극율은 1 L 폐타이어 담체의 총 공극을 물로 채웠을 때의 총 질량에서 담체 내부공극이 비었을 때의 겉보기밀도를 빼서 구하였고, 폐타이어담체의 외부공극율은 1 L 폐타이어 담체의 총 공극을 물로 채웠을 때의 총 질량에서 담체 내부공극이 물로 채워졌을 때의 겉보기밀도를 빼서 구하였다. 또한 폐타이어담체의 내부공극율은 총공극율에서 외부공극율을 빼서 구하였다.
대상 데이터
- 바이오필터담체로서 (주)삼천리탄소에서 구입한 입상 활성탄(BET 비표면적, 1,100 m2/g; micro-pore 용적, 0.4~0.6 cc/g; 평균세공반경, 13~20Å), compost 및 (주)삼광수기에서 구입한, 입도평균(median)이 25 mesh인 폐타이어 분말과 EVA (ethyl vinyl acetate)의 혼합물을 압출하고 코코넛유래 활성탄 분말(150 mesh, BET 비표면적 1,107 m2/m3)을 도포한 폐타이어담체(유효지름 5 mm, 비표면적 1,500 m2/m3)로 구성된 동부피의 혼합물을 사용하였다.
성능/효과
- R반응기에서 악취가스가 bottom→up (Rup1→Rup2)으로 공급되는 경우에 악취가스가 top→down (Rdn3→Rdn4)으로 공급되는 경우보다 미생물 population 성장이 더욱 컸으며, 입상활성탄담체보다 폐타이어담체에서 이 현상이 더욱 두드러졌다. L반응기와 R반응기 각각의 미생물 population 분포도를 비교하였을 때에, R반응기의 미생물 population은 L반응기보다 입상 활성탄 담체와 폐타이어담체의 경우에 각각 약 15배 및 2.5배 만큼 더 고르게 분포되었다. 이러한 R반응기의 고른 미생물 population 분포도는 미생물이 주로 미생물담체의 내부공극에 존재하는 폐타이어담체보다 미생물이 주로 담체 외부표면에 부착되어 성장하는 입상 활성탄 담체 경우에 훨씬 더 효과적으로 작용하는 것으로 관찰되었다.
- R반응기에서 악취가스가 bottom→up (Rup1→Rup2)으로 공급되는 경우에 악취가스가 top→down (Rdn3→Rdn4)으로 공급되는 경우보다 미생물 population 성장이 더욱 컸으며, 입상활성탄담체보다 폐타이어담체에서 이 현상이 더욱 두드러졌다.
- 그 결과 R반응기에서 악취가스가 bottom→up (Rup1→Rup2)으로 공급되는 경우에 악취가스가 top→down (Rdn3→Rdn4)으로 공급되는 경우보다 미생물 population 성장이 더욱 컸으며, Fig. 7과 같이 입상활성탄 담체보다 폐타이어담체에서 이 현상이 더욱 두드러졌다.
- 미생물 population 분포는 폐타이어담체와 입상 활성탄의 두 경우 모두 바이오필터 top 단(L1)에서 가장 낮았고 바이오필터 밑으로 내려갈수록 미생물 population이 커졌다. 따라서 바이오필터의 bottom 단에서 미생물 population이 가장 크게 나타났다. 이 현상은 다음과 같이 해석되어진다.
- 또한 바이오필터 처리할 폐가스가 바이오필터의 top→down 방향으로 공급되므로 바이오필터의 top 단의 미생물담체는 밑의 단의 미생물담체보다 수분을 더 많이 빼앗겨서 건조해지기 쉽다. 따라서 바이오필터의 아래 단으로 갈수록, 미생물 population 성장에 적합한 담체 환경이 되므로 미생물 population이 증가하는 분포를 보인다고 사료된다. 바이오필터의 같은 단 높이에서 폐타이어담체는 입상활성탄 담체보다 월등히 큰 미생물 population을 나타내는 미생물 콜로니 개체수(CFU counts)를 보였다.
- 2 mm H2O/m 평균 압력강하 값이 보고되었다[19,20]. 따라서 본 연구에서 제시한 개선된 바이오필터(R반응기)의 압력강하 실험값은 같은 조건의 전통적인 바이오필터(L반응기)의 압력강하 실험값에 대한 비가 운전 초기에는 약 30~60%이었고 정상상태의 장기 운전에서는 약 20~40% 이하로 관찰되었고 그에 따라서 개선된 바이오필터(R반응기)는 전통적인 바이오필터(L반응기) 압력강하의 약 40~80% 이상을 감소시켰다.
- 이러한 R반응기의 고른 미생물 population 분포도는 미생물이 주로 미생물담체의 내부공극에 존재하는 폐타이어담체보다 미생물이 주로 담체 외부표면에 부착되어 성장하는 입상 활성탄 담체 경우에 훨씬 더 효과적으로 작용하는 것으로 관찰되었다. 따라서 폐타이어담체가 미생물 population 분포의 고름 정도의 견지에서 입상활성탄보다 바이오필터 type에 덜 민감하였음이 또한 관찰되었다.
- 전통적 바이오필터의 각 미생물담체(입상활성탄, compost 및 폐타이어담체) 함수율의 4개의 단에 대한 평균값은 각각 45, 62 및 54%이었다. 또한 개선된 바이오필터시스템의 미생물담체(활성탄+compost+폐타이어담체)의 pH 값은 top-down 방식으로 폐가스가 공급될 때에 바이오필터 위단과 아랫단이 각각 4.62 및 6.25로 단수가 증가할수록 증가하였다. 한편 각 미생물담체(입상활성탄, compost 및 폐타이어담체)에 고정된 미생물에 대한 SEM 분석결과는 Figs.
- 따라서 바이오필터의 bottom 단에서 미생물 population이 가장 크게 나타났다. 또한 바이오필터의 같은 유효높이에서 폐타이어담체는 입상활성탄 담체보다 월등히 큰 미생물 population을 나타내는 미생물 콜로니 개체수(CFU counts)를 보였다. 이것은 미생물 성장에 있어서 폐타이어담체가 입상활성탄 담체보다 미생물에 대하여 더욱 적합한 생육환경을 제공한다는 것을 보여준다.
- 6과 같이 나타났다. 미생물 population 분포는 폐타이어담체와 입상 활성탄의 두 경우 모두 바이오필터 top 단(L1)에서 가장 낮았고 바이오필터 밑으로 내려갈수록 미생물 population이 커졌다. 따라서 바이오필터의 bottom 단에서 미생물 population이 가장 크게 나타났다.
- 따라서 바이오필터의 아래 단으로 갈수록, 미생물 population 성장에 적합한 담체 환경이 되므로 미생물 population이 증가하는 분포를 보인다고 사료된다. 바이오필터의 같은 단 높이에서 폐타이어담체는 입상활성탄 담체보다 월등히 큰 미생물 population을 나타내는 미생물 콜로니 개체수(CFU counts)를 보였다. 이것은 미생물 성장에 있어서 폐타이어담체가 입상활성탄 담체보다 미생물에 대하여 더욱 적합한 생육환경을 제공한다는 것을 보여준다.
- 2 mm H2O/m 정도로 더욱 증가함이 관찰되었다. 반대로 운전 1~7단계에서 유체 흐름이 top-down인 Rdn 반응기는 압력강하실험값이 0.6 mm H2O/m를 유지하다가 유량이 커짐에 따라서 1.2 mm H2O/m 정도로 증가하고, 8단계에서 유체흐름이 bottom-up으로 변경되어서 0.6 mm H2O/m 정도로 감소함이 관찰되었다. 따라서 R반응기 중에서유체흐름이 bottom-up 방식이 top-down 방식보다 압력강하가 적었다.
- 5와 같다. 본 연구에서 제시한 개선된 바이오필터시스템으로서, 상부 및 하부로 분리되고 폐가스 공급유량이 각각 bottom-up 및 top-down 방식으로 반반씩 분리되어 공급되는 R반응기들 중에서 운전 1~7단계에서 유체흐름이 bottom-up인 Rup 반응기는 압력강하실험값이 0.3 mm H2O/m를 유지하다가 유량이 커짐에 따라서 0.6 mm H2O/m 정도로 증가하고, 8단계에서 유체흐름이 top-down으로 변경되어서 1.2 mm H2O/m 정도로 더욱 증가함이 관찰되었다. 반대로 운전 1~7단계에서 유체 흐름이 top-down인 Rdn 반응기는 압력강하실험값이 0.
- 본 연구에서는 바이오필터를 상하로 구분하여 처리할 오염원의 부하를 약 반씩 나누어서 독립적으로 처리하여서 바이오필터를 나누지 않을 때와 같은 체류시간을 유지하면서, 바이오필터를 나누지 않을 때보다 미생물의 분포가 바이오필터 상하로 더욱 균등하게 분포하게 되어 압력강하가 감소하게 하였다. 부연하면 지금까지의 바이오필터 연구에서 시도된 적이 없는 방법으로서 바이오필터를 상하로 나누고 처리할 폐가스 공급유량을 각각 반으로 나누어서 위 바이오필터는 bottom-up으로, 아래 바이오필터는 top-down으로 공급하고, 주기적으로 각각 top-down 및 bottom-up으로 폐가스 공급 방향을 바꾸는 개선된 바이오필터설계를 가지는 바이오필터의 압력강하 및 미생물 population 분포 등을 관찰하고, 같은 유효부피를 갖고 unidirectional flow (UF)를 갖는 전통적 바이오필터의 경우의 압력강하 및 미생물 population 분포 등과 비교하였다.
- 7과 같이 나타내었다. 악취가스가 공급되는 방향에 상관없이 미생물 population 분포는 전통 바이어필터인 L반응기의 경우와 마찬가지로 폐타이어담체와 입상 활성탄의 두 경우 모두 바이오필터 상단에서 더 낮았고 바이오필터 하단에서 미생물 population이 더 커졌다. 이 현상에 대하여 악취가스가 top→down으로 공급되는 경우는 L반응기의 경우에서 전술하였고, 악취가스가 bottom→up으로 공급되는 경우는 다음과 같이 해석되어진다.
- 5배 만큼 더 고르게 분포되었다. 이러한 R반응기의 고른 미생물 population 분포도는 미생물이 주로 미생물담체의 내부공극에 존재하는 폐타이어담체보다 미생물이 주로 담체 외부표면에 부착되어 성장하는 입상 활성탄 담체 경우에 훨씬 더 효과적으로 작용하는 것으로 관찰되었다. 따라서 폐타이어담체가 미생물 population 분포의 고름 정도의 견지에서 입상활성탄보다 바이오필터 type에 덜 민감하였음이 또한 관찰되었다.
- 각 바이오필터의 미생물 population 분포도를 각 바이오필터의 최하단의 콜로니 개체 수(colony forming unit (CFU)) 값을 최상단 값으로 나눈 값을 사용하여 Table 6과 같이 나타내었다. 전통적 바이오필터인 L반응기와 개선된 바이오필터시스템인 R반응기 각각의 미생물 population 분포도를 Table 6에서와 같이 비교하였을 때에, R반응기의 미생물 population은 L반응기보다 입상 활성탄담체와 폐타이어담체의 경우에 각각 약 15배 및 2.5배 만큼 더 고르게 분포되었다.
- 황화수소와 에탄올을 함유한 악취가스가 top→down으로 공급되는 4단으로 구성된 L반응기에서의 미생물 population 분포는 폐타이어담체와 입상 활성탄의 두 경우 모두 L1에서 가장 낮았고 바이오필터 밑으로 내려갈수록 미생물 population이 커졌다.
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