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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 지렁이 분변토와 주정슬러지를 혼합 배양한 액을 실규모 바이오필터에 적용하여 고농도 악취 물질 제거효과에 대한 조사·분석을 하고자 한다.
- 이러한 점을 착안하여 본 연구에서는 지렁이 분변토(earthworm cast)와 주정슬러지(distillery sludge)를 혼합 배양한 고농도의 미생물 배양액을 제조하여 미생물 탈취탑에 공급하므로써 탈취 성능이 뛰어난 미생물의 성장을 촉진토록 하였다. 지렁이 분변토는 질소, 인산, 칼륨 등의 함량이 매우 높고 미생물량도 108CPU 이상으로 풍부하다.
제안 방법
- 수중펌프는 타이머를 이용하여 배양액의 공급주기와 공급량을 설정함으로써 탈취탑 내의 미생물이 필요로 하는 영양분을 공급하며 또한 배양조에서 배양된 미생물을 연속적으로 공급한다. 교반장치로 배양액내 고형물질의 과다 침전되는 것을 방지 하였고, 배양조와 마찬가지로 외부에 전기열선 등을 설치하여, 동절기에도 20℃ 이상이 유지되도록 하였다
- 매체에 부착된 미생물량의 측정은 Park 등14)이 제시한 측정방법에 의해 각각의 매체가 충전된 탈취탑 내부의 중간지점에서 pall ring을 10개씩 3차례 채취하여 부착된 미생물의 젖은 무게와 건조무게를 측정한 후, 생물막두께, 생물막 건조밀도, 매체 단위 면적당 부착된 미생물량을 산정하였다.
- 동시에 용해되는 암모니아는 pH 가 낮아지는 것을 완충하는 역할을 한다. 배양순환액의 pH와 SCOD의 감소에 따른 악취 제거효율의 저하를 방지하기 위해, 배양순환액에 배양액을 정기적으로 투입하고, 과량의 배양순환액은 월류되어 악취발생 원수조로 이송처리 되도록 하였다. 이로써 탈취탑 하단의 배양순환액의 양도 항상 일정하게 유지 된다.
- 또한 배양순환액의 SCOD 농도는 335~735(평균 480) mg/L로 종속영양계 탈취미생물의 영양분 공급이 가능하였다.배양순환액의 pH의 과다한 저하와 SCOD 농도의 급격한 저하를 막기 위하여 1일 2~4회 주기적인 배양액 공급과 NaOH를 투입하였다.
- 배양조는 분배조와 동일하게 전기열선(heating coil)을 조의 외벽에감은 후, 단열기구로 감싸, 동절기에도 20℃이상으로 온도가 유지되도록 하였다. 배양액 제조방법은 실험실 규모에서 규명된 조건을 토대로 지렁이 분변토와 주정슬러지 혼합물(5:1)을 1.5% 첨가하여 20℃에서 48 hr 동안 가축분뇨와 1.5% 글로코스용액(4:1)에 98.5%의 비율로 혼합하여 배양하였다.11)
- 교반기는 분배조로 배양액을 이송하기 전에 배양액 내에 존재하는 토사 등을 침강분리 하기 위해 약 2시간 정도 정지하는 것을 제외하고는 상시 가동하여 지렁이 분변토 입자를 배양액과 충분히 접촉되게 하고, 분변토에 존재하는 미생물이 배양액과 혼합이 잘 될 수 있도록 하였다. 배양조는 분배조와 동일하게 전기열선(heating coil)을 조의 외벽에감은 후, 단열기구로 감싸, 동절기에도 20℃이상으로 온도가 유지되도록 하였다. 배양액 제조방법은 실험실 규모에서 규명된 조건을 토대로 지렁이 분변토와 주정슬러지 혼합물(5:1)을 1.
- 본 바이오필터 탈취 설비는 Fig. 1에서 보듯이 탈취탑 하단에 위치한 배양순환액을 펌프를 이용하여 탈취탑 상부로 이송 후 분사하여 유입된 악취물질을 포집하고 매체(pall ring)에 수분, 미생물과 영양분 (SCOD) 등을 공급한다. 이때 대표적인 악취물질이며 물에 대한 용해도가 높은 황화수소(H2S)와 암모니아(NH3)는 순환액에 상당량이 용해되며, 일부는 매체에 부착된 미생물에 의해서 제거된다.
- 본 실험에 사용된 바이오필터 탈취탑내의 중간지 점에서 pall ring을 10개씩 3차례 채취하여 부착된 미생물이 젖은 무게와 건조무게를 측정한 후, 박 등14)이 제시한 다음식을 이용하여 부착된 미생물의 물리적 특성을 조사한 결과를 Table 3에 요약·정리 하였다.
- 시료채취는 탈취탑의 계절별 온도변화에 따른 처리 특성을 파악하기 위해서 겨울철(1월)부터 여름철(8월)까지 매월 20일경에 1회씩 유입구와 유출구에서 8회 채취하였다. 악취가스분석은 암모니아, 트라이메틸아민, 황화수소, 메틸머캅탄 및 설파이드류(다이메틸, 다이메틸다이: 2종), 알데하이드류(아세트, 프로피온, 부티르, n-발레르, i-발레르 : 5종), 스타이렌 등 총 12개 항목에 대하여 측정하였다. 악취성분에 대한 시험방법은 국립환경과학원 고시 제2005-4호(악취공정시험방법 제4장 기기분석법)에 의하여 측정하였다.
- 겨울철의 외부 기온의 강하는 탈취탑내 미생물 담체층에서 일어나는 미생물 활성도에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이러한 점을 감안하여 바이오 필터 탈취탑 설비는 배양순환액의 온도가 너무 낮아지지 않게 하기 위해, 단열 재료로 탈취탑 외벽과내벽 사이를 채웠으며, 탈취탑 하단의 배양순환액이 위치하는 곳에는 보일러 설비를 하여 가온할 수 있도록 하였다. 탈취탑 배기가스의 월별 온도변화를 Fig.
- 지렁이 분변토와 주정슬러지를 혼합 배양한 액을실규모 바이오필터에 적용하여 고농도 악취물질 제거효과에 대해 조사·분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 탈취탑 하부에서 순환되는 배양액의 성상을 조사 하기 위해 가스채취와 동시에 배양액 저장조내의 시료를 채취하여 pH, 온도, 탈취미생물의 먹이 지표로서 생물화학적 산소요구량 대신 용존성 화학적산소 요구량(Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD)를 분석하였다. 본 연구의 수질분석방법은 Standard Methods13)에 의해 분석하였다.
- 탈취탑의 유량 측정은 풍속계(Wind Boy ISA 80)로 유출구의 풍속(V)을 측정한 후, 단면적(A)을 곱하여 가스유량(Q)을 산출하였다.
- 이로써 탈취탑 하단의 배양순환액의 양도 항상 일정하게 유지 된다. 특히 가축분뇨 및 분뇨에서 발생하는 악취물 질의 농도가 높아지는 여름철의 경우 황화수소와 암모니아의 발생량과 반응생성물의 양이 증가하여 pH의 변화 속도에도 영향을 미치기 때문에, 투입되는 배양액의 양을 조절하고, pH의 변동이 심할 경우 NaOH 등을 투입하여 조절하였다.
대상 데이터
- Biofilter 탈취탑은 전체 높이(H) 4 m, 길이(L) 4.8 m와 폭(W) 1.6 m의 직사각형 철재구조물로 제작되었다. 전체 길이 4.
- 미생물의 고정화를 통한 악취 제거 효율의 향상을 위해 사용된 충전 담체는 기존에 상용화되고 있는 Φ 50mm(1,2단)와 Φ 35mm(3단) pall ring을 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 실험장치는 처리용량이 90 m3/ min으로서 경상북도 G시 가축분뇨 및 분뇨처리장에 설치하였으며, Fig. 1과 같이 배양조, 분배조, 바이오필터 탈취탑으로 구성되어 있다
- 본 연구에 사용된 지렁이 분변토는 경기도 여주군에 위치한 C지렁이 사육농장에서 구입하였으며, 주정슬러지의 경우는 대구광역시에 소재하고 있는 P주정회사의 탈수케이크를 풍건하여 사용하였다.
- 시료채취는 탈취탑의 계절별 온도변화에 따른 처리 특성을 파악하기 위해서 겨울철(1월)부터 여름철(8월)까지 매월 20일경에 1회씩 유입구와 유출구에서 8회 채취하였다. 악취가스분석은 암모니아, 트라이메틸아민, 황화수소, 메틸머캅탄 및 설파이드류(다이메틸, 다이메틸다이: 2종), 알데하이드류(아세트, 프로피온, 부티르, n-발레르, i-발레르 : 5종), 스타이렌 등 총 12개 항목에 대하여 측정하였다.
이론/모형
- 탈취탑 하부에서 순환되는 배양액의 성상을 조사 하기 위해 가스채취와 동시에 배양액 저장조내의 시료를 채취하여 pH, 온도, 탈취미생물의 먹이 지표로서 생물화학적 산소요구량 대신 용존성 화학적산소 요구량(Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD)를 분석하였다. 본 연구의 수질분석방법은 Standard Methods13)에 의해 분석하였다.
- 악취가스분석은 암모니아, 트라이메틸아민, 황화수소, 메틸머캅탄 및 설파이드류(다이메틸, 다이메틸다이: 2종), 알데하이드류(아세트, 프로피온, 부티르, n-발레르, i-발레르 : 5종), 스타이렌 등 총 12개 항목에 대하여 측정하였다. 악취성분에 대한 시험방법은 국립환경과학원 고시 제2005-4호(악취공정시험방법 제4장 기기분석법)에 의하여 측정하였다.12)
성능/효과
- 1. 배양순환액의 pH와 SCOD농도는 NaOH의 pH 조정과 배양액의 주기적인 투입으로 pH 5.2~7.5(평균 6.3)와 SCOD농도 335~735(평균 480)mg/L로 탈취미생물의 적정환경조건을 유지할 수 있었다.
- 2. 탈취탑의 배기가스 온도는 10.5~27.2℃(평균 20)이었으며 풍량은 54~67(평균 60) m3/min로 약간씩 감소는 하였으나 배양순환액의 공급으로 급격한 압력강하 현상은 발생되지 않았다.
- 3. 가축분뇨 및 분뇨처리시설의 주요 악취물질인 암모니아, 황화수소, 메틸머캅탄의 유입농도는 계절과 기온의 영향으로 각각 12배, 4배, 83배의 차이를 보였으며, 특히 외기 기온이 높은 여름철이 가장 높게 나타났다.
- 4. 바이오필터 탈취탑의 암모니아, 황화수소, 메틸 머캅탄의 제거효율은 각각 96.7%, 93.7%, 81.9%이었으며, 트라이메틸아민, 아세트알데하이드는 각각 50%, 46.4% 이었고, 다이메틸설파이드, 다이메틸다이설파이드, 프로피온알데하이드, 부티르알데하이드, n-발데르알데하이드, i-발데르알데하이드, 스타이렌 등은 유출가스에서 거의 검출이 되지 않았다.
- 5. 탈취탑 내부의 매체에 부착된 미생물의 생물막 두께, 생물막 건조밀도는 각각 630 μm, 55.2 mg/cm3이었고, 매체단위면적당 부착미생물량은 2.6 mg/cm2이었다.
- 고농도 악취성분 가스의 높은 제거효율로 인한 미생물의 성장이 활발하여 풍량의 감소가 클 수 있으나, 배양순환액의 공급을 통한 세정작용과 공극이 큰 담체의 사용으로 과도한 미생물 증식에 따른 공극폐쇄 현상을 방지할 수 있었다.
- 6 m씩 3개의 실로 나누어져 있고, 하부에 배양순환액 7 m3을 저장할 수 있도록 되어 있으며, 총 4대(예비 1대)의 배양액 순환펌프가 설치되어 있다. 또한 동절기 기온저하에 따른 미생물 활성도 저하 등으로 인한 탈취 효율의 감소를 방지하기 위해 바이오필터 탈취탑은 2중벽으로 제작되었으며, 내벽과 외벽사이에 단열재를 장착하여, 외부기온 하강에 따른 효율 저하를 최대한 억제하였다.
- 2까지 감소하였다. 또한 배양순환액의 SCOD 농도는 335~735(평균 480) mg/L로 종속영양계 탈취미생물의 영양분 공급이 가능하였다.배양순환액의 pH의 과다한 저하와 SCOD 농도의 급격한 저하를 막기 위하여 1일 2~4회 주기적인 배양액 공급과 NaOH를 투입하였다.
- 76 ppm을 나타내었다. 암모니아의 탈취탑 유입 및 유출 평균농도는 각각 17.67 ppm과 0.59 ppm이 었으며, 처리효율은 96.7%이 었다. 한편 트라이메틸아민은 유입 및 유출농도가 각각 0.
- 이상과 같은 결과를 토대로 볼 때, 가축분뇨 및 분뇨처리시설의 주요 악취물질인 암모니아, 황화수소, 메틸머캅탄의 유입농도는 계절과 기온의 영향으로 각각 12배, 4배, 83배의 차이를 보였으나, Table 2에서 보듯이 암모니아와 황화수소는 심한 부하변동과 고농도 유입에도 불구하고 96.7%와 93.7%의 높은 제거효율을 보였으며, 메틸머캅탄 역시 81.9%의 높은 처리성능을 유지하였다.
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