[논문]대기오염제어를 위한 생물살수여과법에서 물질전달계수 실험평가방법에 관한 연구

원양수; 조완근

doi:10.9713/kcer.2015.53.4.482

대기오염제어를 위한 생물살수여과법에서 물질전달계수 실험평가방법에 관한 연구
Experimental Evaluation Method of Mass Transfer Coefficient on Biotrickling Filtration for Air Pollution Control 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.53 no.4, 2015년, pp.482 - 488

초록
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생물학적 방법에 의한 대기오염물질 처리는 기존의 처리방법을 대체할 수 있는 방법으로 각광을 받고 있다. 생물학적 처리방법은 유기화합물 또는 악취가 포함된 저농도 고유량의 공기를 처리하는데 효과적이다. 생물살수여과법을 이용한 대기오염물질 제거에서 물질전달 연구는 공정 최적화를 위해 매우 중요한 부분이다. 본 연구에서는 3상의 물질전달이 이루어지는 생물살수여과법에서 기체/액체(살수액), 기체/고체(미생물), 액체/고체 물질전달 실험방법 개발과 물질전달 현상을 고찰하였다. 또한 본 연구에서는 각 상간에서 물질전달에 영향을 미치는 인자로 동적적체량, 기/액 유량비, 반응기내 미생물량, 살수액 순환량 등에 대해 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Biological treatment is promising alternative to conventional air pollution control method. Bioreactors for air pollution control have found most of their success in the treatment of dilute and high flow waste air streams containing volatile organic compounds and odor. The studies of mass transfer in biotrickling filters for air pollution control were of importance in order to control and optimize the purification process. The objectives of this study were to develop the experimental methodologies to evaluate the mass transfer coefficients of gas/liquid(trickling liquid), gas/solid(biomass) and liquid/solid in three phase biotrickling filtration. Also, this study characterized the influence factors on mass transfer such as dynamic holdup volume, gas/liquid flow rate ratio, biomass weight in reactor and recirculation rate of trickling medium for each phase of biotrickling filter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기/액 물질전달에서는 주요운전 인자중에 하나인 L/G 유량비에 따른 물질전달계수(K_L1a) 값은 미생물량에 관계가 없었으며 L/G유량비가 낮은 영역에서는 L/G 유량비가 증가함에 따라 K_L1a값이 선형적으로 증가하였으며, L/G 유량비가 일정값 이상 영역에서는 L/G 유량비가 더 증가해도 K_L1a값은 일정하게 나타났다. 본 연구에서는 각 상간에서 물질전달에 영향을 미치는 동적적체량, 기/액유량비, 반응기내 미생물량, 살수액 순환량 등에 대해 고찰하였다.
본 연구에서는 생물살수여과탑의 물질전달현상 고찰을 위해 물질전달 기체/액체/고체 각 상간의 물질전달계수를 산정하는 실험방법을 개발하고, toluene 분해순응 생물살수여과탑에서 생물학적 난분해성 물질인 MTBE(methyl t-butyl ether)[16,17]를 추적자로 실험결과를 통해 기/액, 기/고, 액/고 물질전달현상을 고찰하였다.
생물살수여과법을 이용한 대기오염물질 제어는생물여과법 단점을 보완할 수 있는 대체 방법으로 평가받고 있어 일부 악취물질 처리에는 실용화 단계에 있으며, VOC 처리 실용화를 위해서는 물질전달현상 고찰이 필요하다. 본 연구에서는 생물살수여과탑의 물질전달현상을 고찰하기 위해 toluene 분해 생물살수여과탑에 생물학적 난분해성 물질로 알려진 MTBE(methyl t-butyl ether)를 추적자로 사용하여 3상 탑내에서 기체/액체(살수액), 기체/고체(미생물), 액체/고체 물질전달 실험방법 개발과 물질전달 실험결과에 대해 고찰하였다. 기/액 물질전달에서는 주요운전 인자중에 하나인 L/G 유량비에 따른 물질전달계수(K_L1a) 값은 미생물량에 관계가 없었으며 L/G유량비가 낮은 영역에서는 L/G 유량비가 증가함에 따라 K_L1a값이 선형적으로 증가하였으며, L/G 유량비가 일정값 이상 영역에서는 L/G 유량비가 더 증가해도 K_L1a값은 일정하게 나타났다.

제안 방법

(127 liter/(m3 of reactor·min)), 동적적체량(DHV) 0.965 liter(52 liter/m3 of reactor)이며, 순환살수액 초기 MTBE 농도 0.83 g/m3이며 액/고 흡착실험을 60분간 수행하였다.
기/고 물질전달 실험에서는 탑내 살수액을 배수시키고 깨끗한 공기를 주입하여 미생물층에 함유된 VOC를 탈기시킨후, 일정농도 MTBE가 포함된 기체를 탑상부에 주입하고 배출되는 기체 중 MTBE 농도를 on-line으로 연속측정하였다. 시간에 따른 MTBE 기/고 동적흡착 실험결과와 dynamic model[18,19]을 통해 얻어진 계산값과 비교하여 최적물질전달계수(K_L2a)가 결정된다.
기/고 물질전달 현상을 고찰하기 위해 탑내 살수액을 완전히 배수시킨 후 MTBE가 포함된 공기를 생물살수여과탑에 일회 통과(single pass)시켜 배출 가스 중 MTBE 농도를 연속 분석하여 MTBE 동적 기/고 흡착실험을 수행하였으며 실험결과를 Fig. 5에 나타내었다. 실험은 탑내 살수액 완전히 배수시킨후 깨끗한 공기로 미생물층에 포함되어 있던 VOC를 완전히 탈기시킨후, 일정농도의 MTBE가 포함된 공기를 탑에 연속 주입시켜 시간경과에 따른 미생물층에 흡착되는 기/고 물질전달 실험을 진행하였다.
기/액 물질전달 실험에서는 동적적체량(DHV)이 일정해지는 충분한 량의 살수액을 탑상부에 주입하여 미생물층 전체에 수막 형성되도록 한 후, MTBE가 일정농도 포함된 공기를 병류로 주입하여 정상상태에 도달하면 기체와 액체 중 MTBE 농도를 측정하여 기/액 물질전달량을 계상하여 기/액 물질전달계수를 결정한다. 탑내기/액 물질전달의 변수가 될 수 있는 액/기(L/G) 유량비, 탑내 미생물량을 변화시켜 기/액 물질전달계수를 비교 평가하였다.
물질전달실험에서 유입/배출되는 MTBE 농도는 DC pump를 이용하여 연속적으로 FID GC(SRI-8610B)에 주입하여 총유기탄소농도(Total Organic Carbon)로 분석하였으며, 분석결과는 처리장치(model: Vernier LabPro)를 이용하여 연속적으로 실시간 분석하였다. 액중 MTBE 농도는 HP-FFAP 분리관(50 m×0.
액/고 물질전달현상을 고찰하기 위해 살수액을 탑에서 충분히 배수시킨후 깨끗한 공기로 미생물층에 포함되어 있던 VOC를 완전히 탈기시킨 후, 일정농도 MTBE가 포함된 살수액을 탑하부 살수액 저장조에 주입한후 살수액을 재순환시켜 일정간격으로 분석하여 시간에 따른 순환살수액 MTBE 농도변화를 고찰하였다. 미생물중 MTBE 농도는 측정할 수 없으므로 물질수지를 이용한 계산값([초기 살수액중 MTBE량 - 살수액 중 MTBE량]/[미생물량])으로 하였다. 탈착실험은 흡착실험 종료후 살수액을 배수시킨 후 깨끗한 물을 탑내에 주입하여 순환시켜 고/액 탈착실험을 수행하였다.
탑내미생물량을 주기적으로 측정하여 운전일경과에 따른 탑내 미생물 생장속도를 측정하였다. 살수액 동적정체량(dynamic holdup volume(DHV): 미생물막 표면에 흐르는 살수액량) 측정은 정상운전중에 살수액 순환펌프를 정지시킨후 하부 저장조에 증가된 살수액량을 동적정체량으로 하였다.
5에 나타내었다. 실험은 탑내 살수액 완전히 배수시킨후 깨끗한 공기로 미생물층에 포함되어 있던 VOC를 완전히 탈기시킨후, 일정농도의 MTBE가 포함된 공기를 탑에 연속 주입시켜 시간경과에 따른 미생물층에 흡착되는 기/고 물질전달 실험을 진행하였다. 운전조건으로 탑내 미생물량은 4.
액/고 물질전달 실험에서는 탑내 살수액을 모두 배수시킨후, 깨끗한 공기를 탑에 주입하여 미생물층에 함유된 MTBE를 탈기시킨후, 일정농도 MTBE가 포함된 물을 탑내에 주입하여 충분한 유량으로 순환시켜 시간에 따른 살수액 MTBE 농도변화를 일정간격으로 측정하여 액/고 동적 흡착 실험결과와 model 계산결과를 최적화하여 액/고 물질전달계수(KL3a)를 결정한다. 앞선 MTBE 흡착 실험에 의해 포화된 미생물층에 살수액을 배수시킨 후, MTBE가 포함되지 않은 깨끗한 물을 탑 내에 주입하여 충분한 유량으로 순환시켜 탈착 실험값과 model 계산결과를 비교하여 최적 액/고 물질전달계수를 결정한다. 각 단계별 물질전달계수를 결정을 위한 실험방법은 Table 3에 요약하여 나타내었다.
시간에 따른 MTBE 기/고 동적흡착 실험결과와 dynamic model[18,19]을 통해 얻어진 계산값과 비교하여 최적물질전달계수(K_L2a)가 결정된다. 앞선 흡착실험에 의해 미생물층에 MTBE로포화된탑내깨끗한공기를주입하여 미생물층에 흡착된 MTBE 탈착실험을 수행하였으며, 기/고 동적탈착실험결과와 dynamic model[19,20] 계산결과를 최적화하여 물질 전달계수(K_L2a)를 산정하였다.
앞에서 고찰된 Fig. 3 생물살수여과탑에서 살수액 유량에 따른 물질전달계수와 관계를 확인하기 위해 살수액 유량과 동적적체량(DHV)에 대한 실험을 수행하였으며 그 결과는 Fig. 4에 나타나 있다. Fig.
액/고 물질전달현상을 고찰하기 위해 살수액을 탑에서 충분히 배수시킨후 깨끗한 공기로 미생물층에 포함되어 있던 VOC를 완전히 탈기시킨 후, 일정농도 MTBE가 포함된 살수액을 탑하부 살수액 저장조에 주입한후 살수액을 재순환시켜 일정간격으로 분석하여 시간에 따른 순환살수액 MTBE 농도변화를 고찰하였다. 미생물중 MTBE 농도는 측정할 수 없으므로 물질수지를 이용한 계산값([초기 살수액중 MTBE량 - 살수액 중 MTBE량]/[미생물량])으로 하였다.
액중 MTBE 농도는 HP-FFAP 분리관(50 m×0.32 mm)이 장착된 FID GC(HP 6890)를 이용하여 분석하였다.
실험은 탑내 살수액 완전히 배수시킨후 깨끗한 공기로 미생물층에 포함되어 있던 VOC를 완전히 탈기시킨후, 일정농도의 MTBE가 포함된 공기를 탑에 연속 주입시켜 시간경과에 따른 미생물층에 흡착되는 기/고 물질전달 실험을 진행하였다. 운전조건으로 탑내 미생물량은 4.09 kg(221 kg/m³ of reactor)이며, 기체공탑체류 시간은 1.5분(탑내 실제체류시간: 1.1분)으로 하였다. 흡착 파과점은 3분 정도이었으며 파과점 이후 배출가스중 MTBE 농도가 급격히 증가하였는데 이는 파과점 이후 MTBE 물질전달량이 크게 감소함을 의미한다.
미생물중 MTBE 농도는 측정할 수 없으므로 물질수지를 이용한 계산값([초기 살수액중 MTBE량 - 살수액 중 MTBE량]/[미생물량])으로 하였다. 탈착실험은 흡착실험 종료후 살수액을 배수시킨 후 깨끗한 물을 탑내에 주입하여 순환시켜 고/액 탈착실험을 수행하였다.
W₂와 W₁ 무게 차이가 살수액 정적정체량(static hold-up volume(SHV):충진제에 부착되는 살수액량)이다. 탑내 미생물이 생장하고 정상운전중에 하면 순환펌프를 정지시킨후 살수액을 충분히 배수시킨 후 탑무게를 W₃라 하고 W₃와 W₂ 차이를 탑 내 미생물량으로 환산하였다. 탑내미생물량을 주기적으로 측정하여 운전일경과에 따른 탑내 미생물 생장속도를 측정하였다.
기/액 물질전달 실험에서는 동적적체량(DHV)이 일정해지는 충분한 량의 살수액을 탑상부에 주입하여 미생물층 전체에 수막 형성되도록 한 후, MTBE가 일정농도 포함된 공기를 병류로 주입하여 정상상태에 도달하면 기체와 액체 중 MTBE 농도를 측정하여 기/액 물질전달량을 계상하여 기/액 물질전달계수를 결정한다. 탑내기/액 물질전달의 변수가 될 수 있는 액/기(L/G) 유량비, 탑내 미생물량을 변화시켜 기/액 물질전달계수를 비교 평가하였다. 본 연구에서 물질전달계수값은 K_La이며 이는 탑내 미생물층 비표면적(a)은 측정할 수 없어 물질전달계수(K_L)와 비표면적(a)을 결합하여 K_La로 나타냈다.
탑내 미생물이 생장하고 정상운전중에 하면 순환펌프를 정지시킨후 살수액을 충분히 배수시킨 후 탑무게를 W₃라 하고 W₃와 W₂ 차이를 탑 내 미생물량으로 환산하였다. 탑내미생물량을 주기적으로 측정하여 운전일경과에 따른 탑내 미생물 생장속도를 측정하였다. 살수액 동적정체량(dynamic holdup volume(DHV): 미생물막 표면에 흐르는 살수액량) 측정은 정상운전중에 살수액 순환펌프를 정지시킨후 하부 저장조에 증가된 살수액량을 동적정체량으로 하였다.

대상 데이터

생물 살수여과 탑재질은 투명한 PVC로 내경 15 cm, 탑유효높이는 100 cm이며, 충진제는 1 inch 크기 PP pall ring(비표면적: 208 m²/ m³, 공극율: 0.95)을 사용하였으며 자세한 반응기 재원은 Table 1과 같다. 탑내 미생물이 성장하면서 소비된 영양염 보충을 위해 미량 펌프를 이용하여 외부에서 일정량 살수액을 탑에 공급한다.

이론/모형

30분후 감소속도가 서서히 줄어들어 50분 후에는 미생물층 MTBE가 모두 탈착되었다. 기/고흡착 및 탈착실험결과는 동적물질수지 model[19,20]을 이용한 기/고 물질전달계수(K_L2a) 산정을 위한 자료로 이용된다.

성능/효과

본 연구에서는 생물살수여과탑의 물질전달현상을 고찰하기 위해 toluene 분해 생물살수여과탑에 생물학적 난분해성 물질로 알려진 MTBE(methyl t-butyl ether)를 추적자로 사용하여 3상 탑내에서 기체/액체(살수액), 기체/고체(미생물), 액체/고체 물질전달 실험방법 개발과 물질전달 실험결과에 대해 고찰하였다. 기/액 물질전달에서는 주요운전 인자중에 하나인 L/G 유량비에 따른 물질전달계수(K_L1a) 값은 미생물량에 관계가 없었으며 L/G유량비가 낮은 영역에서는 L/G 유량비가 증가함에 따라 K_L1a값이 선형적으로 증가하였으며, L/G 유량비가 일정값 이상 영역에서는 L/G 유량비가 더 증가해도 K_L1a값은 일정하게 나타났다. 본 연구에서는 각 상간에서 물질전달에 영향을 미치는 동적적체량, 기/액유량비, 반응기내 미생물량, 살수액 순환량 등에 대해 고찰하였다.
3과 4 실험결과는 서로 유사한 경향을 보여주고 있다. 두 실험결과로부터 살수액 유량에 따라 미생물막 젖음정도가 변해 물질전달저항이 달라져 물질전달계수가 달라지는 것으로 판단된다. L/G 유량비가 작을 경우(즉 살수액 유량이 작은 경우)에는 젖어있는 미생물막(wetted biofilm) 비율이 상대적으로 낮으나, 살수액 유량이 증가하면 젖은 미생물막 비율이 증가된다.
Test 1, 2와 3 실험결과는 살수액 유량에 따라 흡착속도가 달라 평형에 도달시간도 달라짐을 나타내고 있다. 또한 탑에서 액/고 물질전달 현상은 DHV 즉 미생물층 수막두께가 물질전달속도에 영향을 미치는 것으로 판단되었다.
탑내기/액 물질전달의 변수가 될 수 있는 액/기(L/G) 유량비, 탑내 미생물량을 변화시켜 기/액 물질전달계수를 비교 평가하였다. 본 연구에서 물질전달계수값은 K_La이며 이는 탑내 미생물층 비표면적(a)은 측정할 수 없어 물질전달계수(K_L)와 비표면적(a)을 결합하여 K_La로 나타냈다. 따라서 본 연구에서 K_La 값은 각 상간의 물질전달계수 상대 비교값이다.
살수액 순환유량 0.96 liter(52.8 liter/m3·min)인 실험조건에서 동적적체량(DHV) 0.836 liter(46.0 liter/m3)으로 살수액 순환유량를 40% 감소시켰으나 DHV는 12% 감소하여 Fig. 4 결과에서와 같이 미생물막 젖음상태가 포화된 영역인 것으로 판단된다.
그러나 미생물이 탑내 부착된 상태에 따라 비표면적이 달라져 실제 수막 두께는 달라질 수 있으나 미생물량이 많을 경우 수막 두께는 상대적으로 두껍다. 수막 포화상태에서 미생물량 증가에 따라 수막 두께는 증가되어 기/액 물질전달 저항이 증가할 것으로 판단되나 Fig. 3 결과와 같이 미생물량 변화에 따라 물질전달계수 영향이 크지 않은 것으로 보아 수막 두께보다는 수막 젖음비율 영향이 더 큰 것으로 판단된다.
주요 운전인자 중에 하나인 L/G 유량비에 따른 물질전달계수 경향을 살펴보면 미생물량에 관계없이 L/G 유량비가 낮은 0.02~0.08영역에서는 L/G 유량비가 증가함에 따라 물질전달계수값이 선형적으로 증가하며, L/G 유량비가 0.08 이상에서 L/G 유량비가 증가해도 K_L1a값은 대략 2.1~2.6 hr^-1에서 일정한 값을 나타내고 있다.
6에 나타내었다. 흡착 실험과 동일한 공탑체류시간 1.5분(실제체류시간: 1.1분)으로 깨끗한 공기를 주입한 2분후 배출가스 중 MTBE 농도가 급격히 감소하기 시작하였다. 30분후 감소속도가 서서히 줄어들어 50분 후에는 미생물층 MTBE가 모두 탈착되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생물살수여과법의 장점은 무엇인가?	따라서 최근에는 생물반응속도와 처리효율을 증진시키기 위해 다양한 방법이 시도되고 있으며 그 중 한가지 방법이 생물살수여과법(biotrickling filtration)이다. 생물살수여과법은 생물여과법(biofiltration)에 비해 공정이 약간 복잡하나, 유지 관리(압력 강하가 적고, 중간생성물로 유기산이 생성되는 공정에서에서 pH 조절 용이성 등)가 쉽고 대기오염물질 종류와 농도 변화에 대한 대응력이 뛰어난 장점을 가지고 있다[7-9]. 생물살수여과법과 생물여과법에서 차이는 생물살수여과법은 생물여과법과 달리 생물막이 부착된 충진제층에 영양염이 포함된 액체(살수액)가 살수되고 미생물층에서 오염물질이 분해된다는 점이며 기본원리는 유사하다[2,7].
	생물살수여과법과 생물여과법에서 차이는 무엇인가?	생물살수여과법은 생물여과법(biofiltration)에 비해 공정이 약간 복잡하나, 유지 관리(압력 강하가 적고, 중간생성물로 유기산이 생성되는 공정에서에서 pH 조절 용이성 등)가 쉽고 대기오염물질 종류와 농도 변화에 대한 대응력이 뛰어난 장점을 가지고 있다[7-9]. 생물살수여과법과 생물여과법에서 차이는 생물살수여과법은 생물여과법과 달리 생물막이 부착된 충진제층에 영양염이 포함된 액체(살수액)가 살수되고 미생물층에서 오염물질이 분해된다는 점이며 기본원리는 유사하다[2,7].
	toluene 분해 생물살수여과탑의 물질전달현상을 알아보기 위해 MTBE를 추적자로 써서 실험한 결과는?	본 연구에서는 생물살수여과탑의 물질전달현상을고찰하기위해 toluene 분해생물살수여과탑에생물학적 난분해성 물질로 알려진 MTBE(methyl t-butyl ether)를 추적자로 사용하여 3상 탑내에서 기체/액체(살수액), 기체/고체(미생물), 액체/고체 물질전달 실험방법 개발과 물질전달 실험결과에 대해 고찰하였다. 기/액물질전달에서는주요운전인자중에하나인 L/G 유량비에 따른 물질전달계수(KL1a) 값은 미생물량에 관계가 없었으며 L/G유량비가 낮은 영역에서는 L/G 유량비가 증가함에 따라 KL1a값이 선형적으로 증가하였으며, L/G 유량비가 일정값 이상 영역에서는 L/G 유량비가 더 증가해도 KL1a값은 일정하게 나타났다. 본 연구에서는 각 상간에서 물질전달에 영향을 미치는 동적적체량, 기/액유량비, 반응기내 미생물량, 살수액 순환량 등에 대해 고찰하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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