[논문]가습 주기에 따른 벽면형 식물바이오필터의 토양 수분 안정화 및 실내공기질 정화

이창희; 최봄; 천만영

doi:10.7235/hort.2015.15047

가습 주기에 따른 벽면형 식물바이오필터의 토양 수분 안정화 및 실내공기질 정화
Stabilizing Soil Moisture and Indoor Air Quality Purification in a Wall-typed Botanical Biofiltration System Controlled by Humidifying Cycle 원문보기

원예과학기술지 = Korean journal of horticultural science & technology, v.33 no.4, 2015년, pp.605 - 617

이창희 (한경대학교 원예학과) , 최봄 (한경대학교 원예학과) , 천만영 (한경대학교 환경공학과)

초록
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본 연구의 최종 목표는 실내의 공간과 식물바이오필터의 규모에 따라 실내공기 오염물질을 정화할 수 있는 식물 녹화와 자동관수 그리고 생물학적 여과 기능을 통합한 식물바이오필터 시스템의 개발이다. 본 연구는 가습 주기에 따른 벽면형(수직형) 식물바이오필터내 공기 흐름의 특성에 대한 안정성과 미세먼지 제거율을 비교하고, 이 식물바이오필터에 의한 휘발성 유기화합물의 제거율을 조사하기 위해 수행하였다. 본 실험에 사용된 식물바이오필터는 실내 공간 활용에 적합하도록 물펌프, 물탱크, 송풍기, 가습장치, 그리고 다층구조의 식물 식재 공간을 일체형으로 설계하였다. 실험 결과, 물펌프에 의해 작동하는 세 가지 다른 가습 주기 처리에 관계없이 식물바이오필터의 상대습도, 온도, 그리고 토양 수분 함량은 안정된 값을 나타내었다. 토양 수분 함량은 모든 가습 주기 처리에서 27.1-29.7%의 범위에서 안정적으로 유지하였으며, 특히 15분 작동 45분 작동 중지의 가습 주기를 120시간 동안 처리하여 $29.0{\pm}0.2%$의 평균 토양 수분 함량을 유지하면서 가장 수평적인 일차회귀식(y = 0.0008x + 29.09)을 보여주었다. 가습 주기에 따라 식물바이오필터를 통과한 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5) 입자 수에 대한 제거율(RE)은 각각 82.7-89.7%와 65.4-73.0% 범위에 있었고, PM10의 무게에 대한 RE는 58.1-78.9%의 범위에 있었다. 식물바이오필터를 통과한 자일렌, 에틸벤젠, 총 휘발성 유기화합물, 톨루엔의 RE는 71.3-75.5%의 범위에 있었으나, 벤젠과 포름알데히드의 RE는 각각 39.7%와 44.9%로 나타났다. 따라서 실내식물을 식재할 수 있는 본 벽면형 식물바이오필터는 실내 공기 정화에 매우 효과가 있는 것으로 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ultimate goal of this research is to develop a botanical biofiltration system that combines a green interior, biofiltering, and automatic irrigation to purify indoor air pollutants according to indoor space and the size of biofilter. This study was performed to compare the stability of air flow characteristics and removal efficiency (RE) of fine dust within a wall-typed (vertical) botanical biofilter depending on humidifying cycle and to investigate RE of volatile organic compounds (VOCs) by the biofilter. The biofilter used in this experiment was designed as an integral form of water metering pump, water tank, blower, humidifier, and multi-level planting space in order to be suitable for indoor space utilization. As a result, relative humidity, air temperature, and soil moisture content (SMC) within the biofilter showed stable values regardless of three different humidifying cycles operated by the metering pump. In particular, SMCs were consistently maintained in the range of 27.1-29.7% during all humidifying cycles; moreover, a humidifying cycle of operating for 15 min and pausing for 45 min showed the best horizontal linear regression (y = 0.0008x + 29.09) on SMC ($29.0{\pm}0.2%$) during 120 hour. REs for number of fine dust (PM10) and ultra-fine dust (PM2.5) particles passed through the biofilter were in the range of 82.7-89.7% and 65.4-73.0%, respectively. RE for weight of PM10 passed through the biofilter was in the range of 58.1-78.9%, depending on humidifying cycle. REs of xylene, ethyl benzene, total VOCs (TVOCs), and toluene passed through the biofilter were in the range of 71.3-75.5%, while REs of benzene and formaldehyde (HCHO) passed through the biofilter were 39.7% and 44.9%, respectively. Hence, it was confirmed that the wall-typed botanical biofilter suitable for indoor plants was very effective for indoor air purification.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

0%)을 일정하게 유지함으로써 바이오필터층의 수분 함량, 압력손실, 온습도, 필터층을 통과하는 공기 유량의 조건 등을 대부분 충족하였다. 따라서 본 연구는 가습 장치의 작동 주기를 조절하여 소비전력량을 절감하고 적정 토양 수분을 일정하게 유지시킬 수 있는 조건을 구명하였다고 볼 수 있다.
, 2014). 따라서 본 연구는 제작된 벽면형 식물바이오필터의 가습 주기에 따른 공기 흐름의 안정성과 미세먼지의 제거율을 비교하고, 휘발성 유기화합물 제거율을 조사하여 본 식물바이오필터의 실질적인 공기정화 효율을 알아보고자 수행하였다.

제안 방법

, CA, USA)를 사용하여 TVOCs와 HCHO의 농도를 30일간 측정하였다. 30일간의 오염원 처리 후 토양미생물이 충분히 활성화되었을 것으로 판단하고, 실내공기를 흡입하는 유입구에서 20cm 떨어진 지점과 식물바이오필터 내 토양을 통과하여 가습 공기가 나오는 식물바이오필터의 2, 4, 6층 토양 표면 상부로부터 10cm 위의 지점에서 각각 VOCs와 HCHO를 포집하였다. HCHO를 제외한 VOCs(BTEX; benzene, toluene, ethyl benzene, xylene)의 포집은 휴대용 대기시료 포집장치(AVS-550, ASCN, Suwon, Korea)로 테들러백(Tedlar sample bag, 5L, SKC)을이용하여 진공을 걸어 가스를 포집 후 가스크로마토그래피(GC-MS: CP-3800/Saturn 2200, Varian, CA, USA; Table1)로 분석하였고, HCHO는 실내공기 유입구와 벽면형 식물 바이오필터의 2, 4, 6층의 토양 표면에서 4개의 세팍카트리지(Sep-Pak® DNPH-Silica cartridges, Waters Ltd.
HCHO를 제외한 VOCs(BTEX; benzene, toluene, ethyl benzene, xylene)의 포집은 휴대용 대기시료 포집장치(AVS-550, ASCN, Suwon, Korea)로 테들러백(Tedlar sample bag, 5L, SKC)을이용하여 진공을 걸어 가스를 포집 후 가스크로마토그래피(GC-MS: CP-3800/Saturn 2200, Varian, CA, USA; Table1)로 분석하였고, HCHO는 실내공기 유입구와 벽면형 식물 바이오필터의 2, 4, 6층의 토양 표면에서 4개의 세팍카트리지(Sep-Pak® DNPH-Silica cartridges, Waters Ltd., Ireland)를 테프론 튜브(PFA tube)와 유량계를 흡입모터에 연결하여 각 지점에서 분당 500mL씩 30분(총 15L) 동안 3회 반복으로 포집하고 고속액체크로마토그래피(HPLC: Shimadzu SIL-10ADvp, USA; Table 2)로 분석하였다.
벽면형 식물바이오필터의 휘발성 유기화합물(VOCs) 제거율은 가습 주기별 처리의 압력손실량, 토양수분, 온도, 상대습도에 대한 안정성 결과를 토대로 물펌프 작동 주기를 15분 작동/45분 작동 중지 주기로 고정하고 측정하였다. VOCs를 측정하기 위해서는 실험실(210m³)내 VOCs와 HCHO가 일정농도 이상의 조건에서 3주 이상의 자연발생적인 토양미생물의 순화(배양) 기간(Myung et al., 2003)이 필요하였으나, 실험실의 경우 장기간의 식물바이오필터 작동으로 대기 중의 오염물질(VOCs, HCHO) 농도가 너무 낮아 인위적인 실내 공기질 오염을 발생시키기 위하여 실험실을 밀폐하고 오염원으로 에폭시도료 희석제(에폭시신너, 바이켐, 안산, 한국)를 실험실내에 휘발되도록 하였다. 오염 기간 동안 TVOCs와 HCHO가 분석 기기로 측정 가능한 적정 농도(TVOCs 1000ppb 이상, HCHO 2.
대기 중의 미세먼지(PM10)를 연속으로 자동 채취하여 무게(mg･m-3)를 측정하는 기기로 미세먼지 측정기(air quality monitor, 3432, KANOMAX, Tokyo, Japan; 측정검출한계 10μg･m-3)와 2채널의 입자수를 0.3-10.0μm범위 내에서 측정하여 초미세먼지(0.3-2.0μm)와 미세먼지(2.0-10.0μm)의 입자수를 측정할 수 있는 초미세먼지(PM2.5) 측정기(fine dust measuring machine: GT-521S, Met One Instruments, Grants Pass, OR, USA)를 사용하여 실험실(L 10m × W 7m × H 3m, 210m3)인 실내공간에서 물펌프의 작동 주기 처리별로 3일씩 측정하였다.
5m에서 2m의 범위가 적절하다고 하였는데(Delhoménieand Heitz, 2005), 본 실험에서 제작된 식물바이오필터는 산업용 대형 바이오필터처럼 생물학적 여과장치로서의 기능만 필요한 것이 아니라 사무 공간에서 식물 식재 벽면으로서의 기능도 수행해야 하기 때문에 공간 내 단면적을 적게설계할 필요가 있었으며, 필터의 체적 중 특히 두께를 줄여야 하였다. 따라서 높이(1.4m)는 높게 하고 두께(토양 필터층)를 0.2m로 설계하여 전체 체적을 0.336m³으로 조정하였다. 이는 일반 공기여과장치인 바이오필터(10-3,000m³)보다소형이라고 볼 수 있다.
예비실험 결과, 송풍기와 물펌프를 항상 켜두었을 경우 시간이 지남에 따라 토양 수분 함량이 소폭 상승하는 것으로 나타났다. 따라서 물펌프의 연속 작동 시간이 길어질수록 토양 수분의 일차회귀식 기울기값이 상승할 우려가 있다고 판단되어 공기 순환을 위한 송풍기는 항상 작동하되,가습을 위한 물펌프의 작동 시간은 연속 가동하도록 한 것(continuous)과 타이머를 사용하여 15분 작동/45분 작동 중지(15 min on - 45 min off), 12시간 작동/12시간 작동 중지(12hrs on - 45hrs off)의 순서로 총 세 가지 작동 주기를 2014년 9월 18일부터 10월 3일까지 각 5일씩 연속 처리하여 총 15일 동안 토양 수분 함량, 상대습도, 온도를 조사하였고, 각 작동 주기별로 미세먼지 및 휘발성 유기화합물 제거 효과를 조사하였다. 물펌프의 작동 주기 조절은 연속 가동에 비해 15분 작동의 경우 하루 1/4의 소비전력량을 소비하게 되고, 12시간 작동의 경우 하루 1/2의 소비전력량을 나타내므로 전체 소비전력량 감소에도 기여할 것으로 판단하였다.
일반적인 환경부의 미세먼지 측정 기준은 입자의 무게(PM10, μg･m^-3)를 기준으로 평가되며, 본 실험조건은 미세먼지가 지속적으로 발생하는 조건에서 수 분간 측정한 값의 제거율이므로 만일 일시적인 미세먼지 발생원만 있다면 적어도 3분내에 70% 이상씩 제거되므로 일정 시간이 지나면 기하급수적으로 제거되어 미세먼지가 10μg･m^-3 혹은 그 이하로 떨어지게 된다. 따라서 본 실험에서는 실제로 일시적인 미세먼지 발생원(모기향)을 처리하고 바이오필터를 하루 정도 가동하면 미세먼지 측정기의 검출한계 이하로 떨어졌다. Bang et al.
또한 바이오필터의 높이가 증가할수록 중첩된 필터층의 무게로 인해 필터 재료의 입자가 부서지고 답압되어 공기 흐름을 방해하기 때문에(Delhoménie and Heitz, 2005), 본 바이오필터층의 높이를 1.4m로 설계하는 대신 가습된 공기의 편류 현상을 방지하도록 가습부와 토양 필터층 사이에 구배 조절부(W 0.15m)를 삽입하고 식재대를 유선형으로 설계(Fig. 1A)하여 각 층으로 균일하게가습 공기가 통과되도록 유도하여 필터층의 토양 수분에 의한 하중을 줄일 수 있도록 하였다.
이 공간에 건조시킨 화훼용 배양토(한판승, (주)삼화그린텍, 청양, 한국)를 채워 유입된 가습 공기의 토양층 통과 경로를 200mm가 되도록 설계하여 식물 식재 및 미생물 배양 공간으로 사용하였다. 또한 식물바이오 필터 후면부에서 가습공기가 들어와 후면 토양층에서 전면토양층으로 통과할 때의 가습공기가 균일하게 분포되어 대기로 방출될 수 있도록 각 층의 전면 식재부를 45도 각도로설계하였다(Fig. 1A). 벽면형 흡수탑(L 1200mm × W 150mm × H 1400mm)도 두께 10mm의 투명아크릴 재질을 사용하여 제작하고 후면부 벽면 쪽으로 배치하였다(Fig.
이 물분사 장치는 상부의 노즐로부터 물을 아래쪽 흡수탑으로 분사하도록 하고, 흡수탑으로 분사된 물은 하부의 물탱크로 낙하한 후 물펌프에 의해 다시 물 분사 장치로 공급되어 물순환이 이루어지도록 하였다. 또한 실내 공기는 송풍기(Ring Blower: KJB1-280, 기전사, 인천, 한국; 최대송풍량 1.8m³ ･min^-1, 풍압 600mmAq, Fig. 1C)의 흡입구로 통하여 빨려 들어와, 송풍기의 토출구에서 공기의 편류현상을 방지하기 위한 분기구를 통과하여 흡수탑 상부에 올라와 흡수탑 상층부 노즐에서 분사되는 물과 아래쪽에서 올라오는 송풍된 공기가 만나 공기를 가습하고, 가습한 공기는 흡수탑 상층부의 유공판으로 토양 및 식재층을 통과하여 다시 실내로 순환하는 방식으로 설계하였다. 본 연구에서 제작된 벽면형 식물바이오필터 화분의 자세한 원리 및 각 부분별 설계 내용은 ‘바이오필터화분 수분공급장치’로 2013년 특허 출원(10-2013-0123096)하여 2015년에 특허로 등록하였다(Patent No.
물분사 장치는 흡수탑 폭에 맞는 막대형 아크릴관(L 1180mm × W 20mm × H 35mm)에 물분사 노즐 4개를 일정 간격으로 설치하고, 하단부의 물탱크(L 1200mm × W 460mm × H 32mm)에 연결된 물펌프(metering pump: HB-305A, 신한일전기(주), 부천, 한국; 최대양수량: 80L･min-1, 압상높이 20m, 전력소모량 500W, Fig. 1C)로부터 원통형 아크릴 관(∅ 15mm)을 통하여 상단부의 물분사 장치에 연결하였다.
5) 측정기(fine dust measuring machine: GT-521S, Met One Instruments, Grants Pass, OR, USA)를 사용하여 실험실(L 10m × W 7m × H 3m, 210m³)인 실내공간에서 물펌프의 작동 주기 처리별로 3일씩 측정하였다. 벽면형 식물바이오필터의 실내 공간 미세먼지 제거 능력을 조사하기 위하여 실내공기를 빨아들이는 송풍기의 흡입구로부터 20cm 떨어진 지점에서 미세먼지의 유입량을 측정하고, 식물바이오필터를 통과한 실내공기가 식물 식재 공간인 각 층의 토양 표면으로 빠져 나오는 공기를 10cm 떨어진 지점에서 측정하여 유입량과 토출양의 차이를 백분율(%)로 환산하여 제거율을 비교하였다. 측정 시간은 공기가 식물바이오필터를 통과하여 나오는 시간을 고려하여 실내공기 유입구, 2층, 4층, 6층 순으로 측정 지점간에 20초 내 신속히 이동하여 1일 5반복으로 3일간 측정값을 사용하였다.
벽면형 식물바이오필터의 휘발성 유기화합물(VOCs) 제거율은 가습 주기별 처리의 압력손실량, 토양수분, 온도, 상대습도에 대한 안정성 결과를 토대로 물펌프 작동 주기를 15분 작동/45분 작동 중지 주기로 고정하고 측정하였다. VOCs를 측정하기 위해서는 실험실(210m³)내 VOCs와 HCHO가 일정농도 이상의 조건에서 3주 이상의 자연발생적인 토양미생물의 순화(배양) 기간(Myung et al.
(2013)은 세 가지 사무실의 조건에서 미세먼지(PM10) 무게를 근무 시간(8hrs) 동안 매시간 별로 측정하고 두 달간 지속하여 시간대별 평균값을 구한 결과, 식물이 없는 일반 사무실(대조구)에 비해 벽면 녹화된 사무실에서 62%, 팬을 장착한 벽면 녹화시스템 ‘Bio Wall System’에서 72%의 미세먼지(PM10) 감소를 보였으며, 이는 단순 식물 식재와 ‘Bio Wall System’의 차이가 10% 수준에 불과한 것으로 보고되었다. 본 실험에서 제작된 바이오 필터 시스템은 식물을 심지 않은 화훼용 인공배양토 조건에서 측정한 미세먼지의 제거율로 식물의 지상부와 근권부 미생물을 제외한 순수한 바이오필터의 미세먼지 제거율이라는 점에서 그 성능을 확인하였다. 또한 가습 주기의 조절에 따른 미세먼지와 초미세먼지 제거에 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.
식물 식재용 토양의 수분 안정화와 소비전력량을 줄일 수 있는 지를 검토하기 위하여 식물바이오필터로 유입된 실내공기를 가습하기 위해 작동하는 물펌프의 작동 주기를 조절하였다. 예비실험 결과, 송풍기와 물펌프를 항상 켜두었을 경우 시간이 지남에 따라 토양 수분 함량이 소폭 상승하는 것으로 나타났다.
식물바이오필터로 유입되는 풍속의 조절은 송풍기에 인버터 장치(rpm inverter, Insung Tech., Yongin, Korea)를 전원과 연결하여 흡수탑으로 들어가는 송풍량을 조절하고, 식물바이오필터를 통과하는 실제 풍속은 식물바이오필터 각 식재층의 토출구를 밀폐할 수 있는 직사각형의 판을 제작(두께 10mm의 투명아크릴 재질, L 1220mm × W 120mm)하여 직사각형의 판 가운데 원통형의 토출구(두께 10mm의 투명아크릴 재질, ∅ 50mm, H 70mm)를 부착하고, 디지털 풍속계(TPI556, (주)서미트, 서울, 한국)로 측정한 풍속(wind speed: υ)을 각 식물 식재층의 표면적(1180cm2) 대비 토출구 표면적(12.56cm2)으로 나누어 풍속을 환산하여 약 3 cm･s-1이 되도록 조정하였다.
, Pullman, WA, USA)를 연결하여 30분 간격으로 실험 기간 동안 측정하고, 측정시 각 식물바이오필터의 2, 4, 6층의 각 층별 세 부분(왼쪽, 중간, 오른쪽)에 깊이 10cm 지점에 45도 각도로 사선으로 꽂아 측정하였다. 식재부의 상대습도와 온도는 온습도센서(temperature and humidity sensor: STL-STH, STA Corporation Co. Ltd., Anyang, Korea)를 이용하여 자료수집장치에 30분 간격으로 저장하고 토양 표면으로부터 5cm 높이에서 측정하였다.
실험 중 실험실(210m3)환경은 냉난방기를 이용하여 실내온도를 26℃로 설정하여 실험기간 동안 실내온도(26.6 ± 3.0°C)를 유지하도록 하였다.
압력손실량(pressure drop, mmH₂0)은 유량계(U-manometer: M400W/M, DWYER Instruments Inc., Michigan, USA)를 사용하여 식물바이오필터의 공기가 토양을 통과하기 전과 통과한 후의 두 출구에 실리콘 튜브를 연결하고 수두(water height)의 차로 측정하였다. 토양 수분 함량(soil moisture content, %)은 자료수집장치(data Logger: Mini logger MSTL, STA Corporation Co.
, 2003)이 필요하였으나, 실험실의 경우 장기간의 식물바이오필터 작동으로 대기 중의 오염물질(VOCs, HCHO) 농도가 너무 낮아 인위적인 실내 공기질 오염을 발생시키기 위하여 실험실을 밀폐하고 오염원으로 에폭시도료 희석제(에폭시신너, 바이켐, 안산, 한국)를 실험실내에 휘발되도록 하였다. 오염 기간 동안 TVOCs와 HCHO가 분석 기기로 측정 가능한 적정 농도(TVOCs 1000ppb 이상, HCHO 2.0ppm 이상)로 유지되고 있는지 확인하기 위해 휴대용 실내 공기질 측정기(Indoor Air IQ-610Xtra Quality Probe, Graywolf Sensing Solutions, Trumbull, CT, Ireland)와 휴대용 HCHO 측정기(formaldehydemeter: HALHFX205, HAL Technology, LLC., CA, USA)를 사용하여 TVOCs와 HCHO의 농도를 30일간 측정하였다. 30일간의 오염원 처리 후 토양미생물이 충분히 활성화되었을 것으로 판단하고, 실내공기를 흡입하는 유입구에서 20cm 떨어진 지점과 식물바이오필터 내 토양을 통과하여 가습 공기가 나오는 식물바이오필터의 2, 4, 6층 토양 표면 상부로부터 10cm 위의 지점에서 각각 VOCs와 HCHO를 포집하였다.
1C)로부터 원통형 아크릴 관(∅ 15mm)을 통하여 상단부의 물분사 장치에 연결하였다. 이 물분사 장치는 상부의 노즐로부터 물을 아래쪽 흡수탑으로 분사하도록 하고, 흡수탑으로 분사된 물은 하부의 물탱크로 낙하한 후 물펌프에 의해 다시 물 분사 장치로 공급되어 물순환이 이루어지도록 하였다. 또한 실내 공기는 송풍기(Ring Blower: KJB1-280, 기전사, 인천, 한국; 최대송풍량 1.
특히, 15분 작동/45분 작동 중지 주기와 12시간 작동/12시간 작동 중지 주기 처리의 경우, 물펌프의 작동 상태일 때와 작동 중지 상태일 때를 별도로 나누어 측정하고 측정값의 평균값을 사용하였다. 인위적인 미세먼지 발생원으로는 실험실을 밀폐시킨 후 모기향 1개를 피워 2시간 동안 실내공간에 고루 분산시킨 후 모기향을 끄고 1시간 이후에 측정하였다.
의 실험실 두 공간을 기준으로 적정 공기정화량을 산출하였다. 일반적인 공조시스템의 일일 적정 공기정화 횟수를 15회 기준으로 하여 벽면형 식물바이오필터의 일일 공기정화 횟수를 산출하였다.
1). 전면부는 식물 식재용 토양층, 후면부는 가습 장치(흡수탑) 그리고 하단부는 물펌프(metering pump), 물탱크(water tank), 송풍기(ring blower), 송풍구로 구성되었으며, 실내 공간을 적게 차지하는 일체형 식물바이오필터로 설계하였다. 식재용 토양층은 총 7층으로 각 층(L 1200mm × W 100mm× H 200mm)에 10cm포트의 식물 9-10개를 심을 수 있도록 제작하였다(Fig.
제작된 벽면형 식물바이오필터의 용량에 따른 1일 적정 공기정화량을 확인하기 위해 54m³의 사무실 공간과 210m³의 실험실 두 공간을 기준으로 적정 공기정화량을 산출하였다. 일반적인 공조시스템의 일일 적정 공기정화 횟수를 15회 기준으로 하여 벽면형 식물바이오필터의 일일 공기정화 횟수를 산출하였다.
벽면형 식물바이오필터의 실내 공간 미세먼지 제거 능력을 조사하기 위하여 실내공기를 빨아들이는 송풍기의 흡입구로부터 20cm 떨어진 지점에서 미세먼지의 유입량을 측정하고, 식물바이오필터를 통과한 실내공기가 식물 식재 공간인 각 층의 토양 표면으로 빠져 나오는 공기를 10cm 떨어진 지점에서 측정하여 유입량과 토출양의 차이를 백분율(%)로 환산하여 제거율을 비교하였다. 측정 시간은 공기가 식물바이오필터를 통과하여 나오는 시간을 고려하여 실내공기 유입구, 2층, 4층, 6층 순으로 측정 지점간에 20초 내 신속히 이동하여 1일 5반복으로 3일간 측정값을 사용하였다. 특히, 15분 작동/45분 작동 중지 주기와 12시간 작동/12시간 작동 중지 주기 처리의 경우, 물펌프의 작동 상태일 때와 작동 중지 상태일 때를 별도로 나누어 측정하고 측정값의 평균값을 사용하였다.
, Michigan, USA)를 사용하여 식물바이오필터의 공기가 토양을 통과하기 전과 통과한 후의 두 출구에 실리콘 튜브를 연결하고 수두(water height)의 차로 측정하였다. 토양 수분 함량(soil moisture content, %)은 자료수집장치(data Logger: Mini logger MSTL, STA Corporation Co. Ltd., Anyang, Korea)에 토양수분측정 센서(moisture sensor: ECH₂O, EC-5, Decagon Devices Inc., Pullman, WA, USA)를 연결하여 30분 간격으로 실험 기간 동안 측정하고, 측정시 각 식물바이오필터의 2, 4, 6층의 각 층별 세 부분(왼쪽, 중간, 오른쪽)에 깊이 10cm 지점에 45도 각도로 사선으로 꽂아 측정하였다. 식재부의 상대습도와 온도는 온습도센서(temperature and humidity sensor: STL-STH, STA Corporation Co.
측정 시간은 공기가 식물바이오필터를 통과하여 나오는 시간을 고려하여 실내공기 유입구, 2층, 4층, 6층 순으로 측정 지점간에 20초 내 신속히 이동하여 1일 5반복으로 3일간 측정값을 사용하였다. 특히, 15분 작동/45분 작동 중지 주기와 12시간 작동/12시간 작동 중지 주기 처리의 경우, 물펌프의 작동 상태일 때와 작동 중지 상태일 때를 별도로 나누어 측정하고 측정값의 평균값을 사용하였다. 인위적인 미세먼지 발생원으로는 실험실을 밀폐시킨 후 모기향 1개를 피워 2시간 동안 실내공간에 고루 분산시킨 후 모기향을 끄고 1시간 이후에 측정하였다.
1B). 흡수탑의 위쪽(높이 1100-1400mm)에는 물이 직접 식물바이오필터로 들어가는 것을 방지하기 위한 디미스터(demister)와 물 분사 장치를 장착하였다. 물분사 장치는 흡수탑 폭에 맞는 막대형 아크릴관(L 1180mm × W 20mm × H 35mm)에 물분사 노즐 4개를 일정 간격으로 설치하고, 하단부의 물탱크(L 1200mm × W 460mm × H 32mm)에 연결된 물펌프(metering pump: HB-305A, 신한일전기(주), 부천, 한국; 최대양수량: 80L･min^-1, 압상높이 20m, 전력소모량 500W, Fig.

대상 데이터

공기 흐름 및 토양수분 안정화와 실내공기질 개선 효과를 알아보기 위한 벽면형 식물바이오필터 시스템의 내부(L 1200mm × W 500mm × H 1750mm)는 도면 설계 후 두께 10mm의 투명아크릴 재질을 사용하여 제작하였다.
512m³･min^-1= 25,200cm³･s^-1)에 공기체류기간을 곱하면 가습장치 중 실제 가습부인 흡수탑의 체적이 176,400cm³가 된다. 따라서 설계된 흡수탑(L 1.2m, H 1.4m)의 폭은 10.5cm가 적절하지만 필터층 소재와 흡수탑의 충전재(pall ring)에 따른 가습효과가 달라질 수 있으므로 흡수탑의 폭에 여유를 두어 15cm로 제작하여 본 실험에 사용하였다(Fig. 1B). 가습 주기에 따른 토양 수분 변화를 보았을 때(Fig.
본 연구에서 제작된 벽면형 식물바이오필터 화분의 자세한 원리 및 각 부분별 설계 내용은 ‘바이오필터화분 수분공급장치’로 2013년 특허 출원(10-2013-0123096)하여 2015년에 특허로 등록하였다(Patent No. 10-1488108; Lee and Chun, 2015).
식재용 토양층은 총 7층으로 각 층(L 1200mm × W 100mm× H 200mm)에 10cm포트의 식물 9-10개를 심을 수 있도록 제작하였다(Fig. 1A).
1A). 이 공간에 건조시킨 화훼용 배양토(한판승, (주)삼화그린텍, 청양, 한국)를 채워 유입된 가습 공기의 토양층 통과 경로를 200mm가 되도록 설계하여 식물 식재 및 미생물 배양 공간으로 사용하였다. 또한 식물바이오 필터 후면부에서 가습공기가 들어와 후면 토양층에서 전면토양층으로 통과할 때의 가습공기가 균일하게 분포되어 대기로 방출될 수 있도록 각 층의 전면 식재부를 45도 각도로설계하였다(Fig.

이론/모형

56cm²)으로 나누어 풍속을 환산하여 약 3 cm･s^-1이 되도록 조정하였다. 이에 따른 공기체류시간(ART: air residence time, sec)과 공기정화량(VR: air ventilation rate, m³･min^-1)은 선행 연구(Choi et al., 2014)의 공식을 이용하였고 산출식은 다음과 같다.

성능/효과

가습 장치(흡수탑) 작동 주기 조절에 따른 공탑체류시간과 공기정화량은 동일하며, 측정한 압력손실량도 가습 주기에 관계없이 8.0 ± 0.1mmH2O로 같게 나타났다(Table 3).
1B). 가습 주기에 따른 토양 수분 변화를 보았을 때(Fig. 2A), 연속 가동시 토양 수분 함량의 일차회귀식 기울기가 약간의 상승세를 보이는 것은 제작된 흡수탑의 가습 용량이 약간 크다는 것으로 판단할 수 있으며, 12시간 작동/12시간 중지 주기의 일차회귀식 기울기가 점차적인 감소세를 나타내는 것은 작동 중지 기간 동안 충전재 표면 수분이 바람에 의해 건조되기 때문인 것으로 판단되었다. 또한 15분 작동/45분 중지 주기가 45분간의 중지 기간 동안 충전재 표면의 수분이 어느 정도 유지되었기 때문에 안정적 가습이 이루어진 것으로 볼 수 있었다.
각 가습 주기의 시간 경과에 따른 토양 수분 변화의 회귀식(Fig. 2A)을 보면 연속 가동의 경우 기울기가 미세한 상승하는 경향(28.4 ± 3.0%, y = 0.0159x + 27.49, p < 0.001)이였고, 15분 작동/ 45분 중지 주기는 시간 경과에도 불구하고 기울기가 수평에 가깝게 유지되어 토양 수분이 필터층 내에서 안정화되는 경향(29.0 ± 2.1%, y = 0.0008x + 29.09, p = 0.0078)을 보여주었다.
4times･day^-1)가 가능하여 적정 공기정화횟수에 부족한 용량으로 나타났다(Table 4). 따라서 본 실험에서 설계 제작된 벽면형 식물바이오필터는 145m³정도(2,177.3m³･day^-1/145m³= 15.0times･day^-1)의 체적을 가진 사무실(단면적 53.7m³, 층고 2.7m기준시)에 적합한 용량을 가진 규모라고 판단하였다. 또한 이 벽면형 식물바이오필터 설계 용량을 근무 인원에 따른 환기량(25m³/hr per person) 기준에 적용한다면 약 3.
0%이었다. 따라서 입자 수에 있어서는 미세먼지(PM10) 제거율이 초미세먼지(PM2.5) 제거율보다 높게 나타났다. 미세먼지 입자 무게(PM10, μg･m^-3)에 따른 제거율(Fig.
따라서 하층부로 갈수록 토양 수분 함량은 약간씩 증가하는 경향이었지만 전체 식재층의 평균 토양 수분 함량에 대한 표준편차는 가습 주기에 따라 2.1-3.0%의 범위로 한정되었고 낮은 압력손실(8.0 ±0.1mmH2O)을 나타내어 본 바이어필터에 대한 설계의 타당성을 확인하였다(Table 3).
본 실험에서도 화훼용 인공배양토(한판승)를 사용하였기 때문에 30일 동안 실내공기 오염원(에폭시신나)을 처리하여 미생물이 자연발생적으로 바이오필터 내에서 충분한 자랄 수 있는 순화기간을 제공하였고 미생물에 의한 VOCs제거 효과를 얻을 수 있었다. 또한 VOCs의 종류에 따라 제거율의 차이가 나타났으며, toluene, ethyl benzene, xylene, HCHO, benzene 순으로 높은 제거 효과를 나타났다(Fig. 4). 평균 제거율에 있어 toluene, ethyl benzene, xylene간의 통계적 차이는 없었으나, 같은 방향족 탄화수소(aromatic hydrocarbon)인 benzene과 산화된 탄화수소(oxygenated hydrocarbons)인HCHO는 비교적 낮은 제거율을 보였다.
본 실험에서 제작된 바이오 필터 시스템은 식물을 심지 않은 화훼용 인공배양토 조건에서 측정한 미세먼지의 제거율로 식물의 지상부와 근권부 미생물을 제외한 순수한 바이오필터의 미세먼지 제거율이라는 점에서 그 성능을 확인하였다. 또한 가습 주기의 조절에 따른 미세먼지와 초미세먼지 제거에 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.
따라서 물펌프의 연속 작동 시간이 길어질수록 토양 수분의 일차회귀식 기울기값이 상승할 우려가 있다고 판단되어 공기 순환을 위한 송풍기는 항상 작동하되,가습을 위한 물펌프의 작동 시간은 연속 가동하도록 한 것(continuous)과 타이머를 사용하여 15분 작동/45분 작동 중지(15 min on - 45 min off), 12시간 작동/12시간 작동 중지(12hrs on - 45hrs off)의 순서로 총 세 가지 작동 주기를 2014년 9월 18일부터 10월 3일까지 각 5일씩 연속 처리하여 총 15일 동안 토양 수분 함량, 상대습도, 온도를 조사하였고, 각 작동 주기별로 미세먼지 및 휘발성 유기화합물 제거 효과를 조사하였다. 물펌프의 작동 주기 조절은 연속 가동에 비해 15분 작동의 경우 하루 1/4의 소비전력량을 소비하게 되고, 12시간 작동의 경우 하루 1/2의 소비전력량을 나타내므로 전체 소비전력량 감소에도 기여할 것으로 판단하였다.
미세먼지 입자 무게(PM10, μg･m-3)에 따른 제거율(Fig. 3)은 12시간 작동/12시간 작동 중지의 경우 평균 제거율과 표준편차는 58.1 ± 10.5%이였으나, 연속 가동과 15분 작동/45분 작동 중지의 평균 제거율과 표준편차는 78.9 ± 1.1%와 77.7 ± 4.4%로 12시간 작동/12시간 작동 중지의 경우보다 높게 나타났다.
바이오필터 내 압력손실은 작동 비용과 관련하여 바이오 필터 시스템에서 중요한 요소이며, 압력손실이 4cm에서25cm로 증가하면 6개월 이내에 7kW에서27kW로 사용되는 에너지가 증가(Leson et al., 1995)하기 때문에 대부분의 바이오 필터 시스템은 압력손실량이 물기둥의 높이가 수 cm 이상 증가하지 않도록 운영하며, 본 연구 결과에서도 낮은 압력손실(8.0 ± 0.1mmH2O)이 측정되어 비교적 바이오필터의 구조 설계가 적합한 것으로 판단되었다.
벽면형 식물바이오필터에 의한 휘발성 유기화합물의 평균 제거율(RE)은 TVOCs, o-xylene, m,p-xylene, ethyl benzene, toluene의 경우 각각 75, 71.5, 71.3, 71.6, 75.5%로 모두 70% 이상의 제거율을 나타내었으며, benzene과 HCHO는 각각 39.7%와 44.9%의 평균 제거율을 보였다(Fig. 4).
필터층의 압력손실은 필터층의 특성, 유속, 토양수분, 미생물 밀도 등에 영향을 받으며, 필터층의 유기물 재료 중 일반 토양이 통기성이 적어 가장 압력손실이 높고 그 다음으로 퇴비, 피트, 우드칩순이라고 하였다(Kennes and Thalasso, 1998). 본 실험에서 사용한 필터층은 화훼용 인공배양토 (한판승)를 사용하였기에 주로 피트와 펄라이트의 조합으로 구성되어 있으므로 일반 토양과 퇴비보다는 입자가 크며 우드칩보다 작다고 볼 수 있으며 적절한 수분 함량을 안정적으로 유지하여 적은 압력손실이 측정된 것으로 판단된다. 입자의 크기로 보면 작은 입자는 높은 표면적을 제공하여 미생물 활성이 높아지지만(Kent et al.
본 실험에서 제작된 벽면형 식물바이오필터의 공기정화량(air ventilation rate, Q: 1.512m3･min-1)에 따른 공간별 공기정화횟수를 산출한 결과, 일반 공조시스템의 하루 적정 공기정화횟수를 15회 기준으로 하였을 때 소형 사무실(54m3)의 경우 설계된 바이오필터(일일 환기량, 1.512m3･min-1 × 60min × 24hrs = 2,177.3m3･day-1)로 하루 40.3회의 공기 정화(2,177.3m3･day-1/54m3= 40.3times･day-1)가 가능하여 적정 공기정화횟수(일15회)를 초과하는 용량이었고, 실험실(210m3)의 경우 하루 10.4회의 공기정화(2,177.3m3･day-1/210m3=10.4times･day-1)가 가능하여 적정 공기정화횟수에 부족한 용량으로 나타났다(Table 4).
본 실험에서도 화훼용 인공배양토(한판승)를 사용하였기 때문에 30일 동안 실내공기 오염원(에폭시신나)을 처리하여 미생물이 자연발생적으로 바이오필터 내에서 충분한 자랄 수 있는 순화기간을 제공하였고 미생물에 의한 VOCs제거 효과를 얻을 수 있었다. 또한 VOCs의 종류에 따라 제거율의 차이가 나타났으며, toluene, ethyl benzene, xylene, HCHO, benzene 순으로 높은 제거 효과를 나타났다(Fig.
바이오필터 내 배지의 너무 높은 수분 함량은 가스와 필터층의 접촉 면적을 감소시켜 필터층의 답압으로 인한 압력손실의 증가와 혐기성 조건을 유발할 수 있기 때문에 필터층의 적정 수분 함량은 40-60%로 제시하고 있으나(Ottengraf, 1986), 본 실험에서 사용한 토양 수분 센서의 측정값으로 해석하면 20-30%에 해당하는 범위가 된다. 본 연구의 경우, 저면 자동 가습에 의한 관수 방법(Patent No. 10-1488108; Lee and Chun, 2015)을 발명하여 평균 수분 함량(28.3-29.0%)을 일정하게 유지함으로써 바이오필터층의 수분 함량, 압력손실, 온습도, 필터층을 통과하는 공기 유량의 조건 등을 대부분 충족하였다. 따라서 본 연구는 가습 장치의 작동 주기를 조절하여 소비전력량을 절감하고 적정 토양 수분을 일정하게 유지시킬 수 있는 조건을 구명하였다고 볼 수 있다.
식물바이오필터를 통과하여 토양 표면으로 토출되는 상대습도의 경우는 처리간 차이가 있었으며, 전체 처리의 최소값과 최대값 범위는 51.3-73.1%였고 평균 상대습도는 15분 작동/45분 중지(68.0 ± 0.2%), 12시간 작동/12시간 중지(65.1 ± 4.1%), 연속 가동(59.1 ± 3.7%) 순으로 높았다(Table 3, Fig. 2C).
식물바이오필터층의 토양 수분 함량은 가습 장치의 물펌프를 연속 가동, 15분 작동/45분 중지 주기, 12시간 작동/12시간 중지 주기의 세 조건 모두에서 최소값과 최대값의 범위가 27.1-29.7%로 비교적 일정하게 유지되는 것으로 나타났다(Table 3). 각 가습 주기의 시간 경과에 따른 토양 수분 변화의 회귀식(Fig.
식물 식재용 토양의 수분 안정화와 소비전력량을 줄일 수 있는 지를 검토하기 위하여 식물바이오필터로 유입된 실내공기를 가습하기 위해 작동하는 물펌프의 작동 주기를 조절하였다. 예비실험 결과, 송풍기와 물펌프를 항상 켜두었을 경우 시간이 지남에 따라 토양 수분 함량이 소폭 상승하는 것으로 나타났다. 따라서 물펌프의 연속 작동 시간이 길어질수록 토양 수분의 일차회귀식 기울기값이 상승할 우려가 있다고 판단되어 공기 순환을 위한 송풍기는 항상 작동하되,가습을 위한 물펌프의 작동 시간은 연속 가동하도록 한 것(continuous)과 타이머를 사용하여 15분 작동/45분 작동 중지(15 min on - 45 min off), 12시간 작동/12시간 작동 중지(12hrs on - 45hrs off)의 순서로 총 세 가지 작동 주기를 2014년 9월 18일부터 10월 3일까지 각 5일씩 연속 처리하여 총 15일 동안 토양 수분 함량, 상대습도, 온도를 조사하였고, 각 작동 주기별로 미세먼지 및 휘발성 유기화합물 제거 효과를 조사하였다.
제작된 벽면형 식물바이오필터의 공기체류시간은 20cm의 토양층을 공기의 이동거리로 하고 초당 3cm의 풍속으로 제어하였기에 토양층과 빈 공간을 통과하는 속도를 공탑체류시간(EBRT: empty bed residence time)을 약 6.7-7초로 하였고, 이 바이오필터의 공기정화량(VR = A･υ)은 바이오필터층의 단면적(A, 0.84m2)과 실제 풍속(υ, 3cm･s-1)으로 계산한 결과 분당 1.512m3로 계산되었다(Table 3).
참고로 본 실험에서 제작된 벽면형 식물바이오필터를 15분 작동/45분 작동 중지 주기로 가습하고 Epipremnum aureum ‘N Joy’와 Dracaena sanderiana ‘Vitoria’를 바이오 필터의 토양층에 심어 식재 전과 식재 후 75일째 생육을 비교한 결과, 식물체의 체적에서 E. aureum ‘N Joy’는 29.9% 그리고 D. sanderiana ‘Vitoria’는 127.7%의 증가를 나타내어 본 벽면형 식물바이어필터는 뛰어난 실내공기 정화 효과뿐만 아니라 식물 식재용 벽면체로써의 기능도 잘 수행할 수 있는 것으로 판단되었다.
4). 평균 제거율에 있어 toluene, ethyl benzene, xylene간의 통계적 차이는 없었으나, 같은 방향족 탄화수소(aromatic hydrocarbon)인 benzene과 산화된 탄화수소(oxygenated hydrocarbons)인HCHO는 비교적 낮은 제거율을 보였다. Delhoménie andHeitz(2005)는 VOCs종류에 따른 미생물의 분해능에 대한 차이가 있으며, 산화된 탄화수소(alcohols > aldehydes, ketone', 's>')">s> ethers), 알칸족탄화수소, 방향족탄화수소 순으로 분해능이 높다고 하였으나, 본 실험에서는 산화된 탄화수소(HCHO)보다 방향족탄화수소(toluene, xylene, ethyl benzene)의 제거율이 더 높게 나타났으며, 같은 방향족탄화수소인 benzene의 분해능도 낮게 나타났다.

후속연구

따라서 benzene의 낮은 제거율은 상대적으로 높은 제거율을 보인 toluene과 p-xylene에 의한 영향이었을 것으로 추정하였다. 그러나 단순히 VOCs의 종류뿐만 아니라 실제 우점하는 미생물의 종류에 따라서도 다양한 결과가 나올 수 있기 때문에 향후 이러한 부분에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
7명이 근무하는 사무실에 적합한 용량으로 계산되었다. 따라서 향후 식물바이오필터 설계시 공간의 규모뿐만 아니라 근무 인원에 따른 용량 설계에 대한 연구도 추가적으로 보완할 필요가 있었다.
, Vriesea splendens, Dieffenbachia picta, Plagiomnium cuspidatum, Taxiphyllum deplantanum 등)을 혼합한 수경재배용 식물들을 식재하여 10-75%의 RE값을 얻었다고 보고하였다(Darlington and Dixon, 2000). 본 실험에서는 화훼용 인공배양토를 필터층으로 사용한 벽면형 식물바이오필터의 VOC 제거효율에 대해 연구하였지만,앞으로 식재 가능한 다양한 필터층에 대한 바이오필터의 성능 평가와 함께 식재 식물 종류에 따른 평가도 수행할 예정이다. 참고로 본 실험에서 제작된 벽면형 식물바이오필터를 15분 작동/45분 작동 중지 주기로 가습하고 Epipremnum aureum ‘N Joy’와 Dracaena sanderiana ‘Vitoria’를 바이오 필터의 토양층에 심어 식재 전과 식재 후 75일째 생육을 비교한 결과, 식물체의 체적에서 E.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가습 주기에 따른 벽면형 식물바이오필터내 공기 흐름의 특성에 대한 안정성과 미세먼지 제거율을 비교하고, 휘발성 유기화합물의 제거율을 조사한 결과는?	본 실험에 사용된 식물바이오필터는 실내 공간 활용에 적합하도록 물펌프, 물탱크, 송풍기, 가습장치, 그리고 다층구조의 식물 식재 공간을 일체형으로 설계하였다. 실험 결과, 물펌프에 의해 작동하는 세 가지 다른 가습 주기 처리에 관계없이 식물바이오필터의 상대습도, 온도, 그리고 토양 수분 함량은 안정된 값을 나타내었다. 토양 수분 함량은 모든 가습 주기 처리에서 27.1-29.7%의 범위에서 안정적으로 유지하였으며, 특히 15분 작동 45분 작동 중지의 가습 주기를 120시간 동안 처리하여 $29.0{\pm}0.2%$의 평균 토양 수분 함량을 유지하면서 가장 수평적인 일차회귀식(y = 0.0008x + 29.09)을 보여주었다. 가습 주기에 따라 식물바이오필터를 통과한 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5) 입자 수에 대한 제거율(RE)은 각각 82.7-89.7%와 65.4-73.0% 범위에 있었고, PM10의 무게에 대한 RE는 58.1-78.9%의 범위에 있었다. 식물바이오필터를 통과한 자일렌, 에틸벤젠, 총 휘발성 유기화합물, 톨루엔의 RE는 71.3-75.5%의 범위에 있었으나, 벤젠과 포름알데히드의 RE는 각각 39.7%와 44.9%로 나타났다. 따라서 실내식물을 식재할 수 있는 본 벽면형 식물바이오필터는 실내 공기 정화에 매우 효과가 있는 것으로 확인하였다.
	PBTFs의 특징은 무엇인가?	, 1999), 식물 근권부의 미생물에 대한 유기영양분 공급 기능과 식물 지상부의 실내오염물질 제거능력을 기존의 바이오필터에 결합시킨 식물바이오필터에 대한 연구는 미래 도시환경의 실내 공기 질 개선과 친환경 건축 분야에 핵심 기술로 발전할 것으로 판단된다. 현재까지의 식물바이오필터 시스템은 크게 PPs(potted-plants)와 PBTFs(plant-assisted biotrickling filters)로 구분되며, PPs는 화분의 내부 구조의 변화가 없는 가장 단순하고 비용이 적게 드는 수동적인 식물바이오필터의 하나이며, PBTFs는 더 많은 공기순환과 생물학적 여과를 거치는 장치로 실내 공기 오염 물질을 PPs보다 빨리 제거하는 특징이 있다. 따라서 PPs와 PBTFs모두 낮은 오염 물질 농도에서 사용할 수 있지만 PBTFs는 높은 공기 유량을 처리할 필요가 있을 때 더욱 적합하고 예측 가능한 제어가 이루어지는 시스템이라고 할 수 있다(Soreanu et al.
	식물바이오필터는 무엇인가?	식물바이오필터(botanical biofiltration)는 바이오필터와 식물정화능(phytoremediation)의 복합체(hybrid)이고, 바이오필터는 오염물질이 높은 생물학적 활성 필터층을 통과하면서 능동적으로 중화되는 생물반응기이다(Soreanu et al., 2013).

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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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