황화수소를 포함한 악취가스의 저감을 위한 생물탈취장치의 담체 및 그 제조방법 {Novel enclosed biofilter for the control of a foul odorous air containing H2S and process for preparation thereof}

본 발명은 악취의 저감을 위한 생물탈취장치의 담체에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은 황화수소, 암모니아 등을 비롯한 복합악취를 제거하기 위하여 사용된 생물탈취장치의 담체로서 지렁이 분변토와 bark를 혼합 충진하여 보다 효과적으로 악취를 제거할 수 있도록 하는 생물탈취장치의 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

기존에 악취문제를 해결하기 위한 탈취기술로는 약액세정이나 활성탄 흡착 등 물리화학적 방법이 주로 사용되어 왔으나 높은 운전비용의 문제로, 90년대에 들어서는 토양탈취상 (soil biofilter) 위주의 생물탈취기술이 대체기술로 대체되기 시작하였다. 그러나 생물탈취기술 중에서도 가장 최근의 기술인 담체충전형 탈취상 (enclosed biofilter)은 유럽, 일본 등에서 널리 사용되고 있으며, 국내에서는 최근 도입되기 시작하는 초기단계에 있다. 담체충전형 탈취상(enclosed biofilter)의 경우 핵심기술은 충전 미생물담체, 탈취미생물 균주, 설계 및 운전기술로 구성되는데, 이 세가지 기술이 적절히 조화를 이룰 때 탈취효과를 극대화시킬 수 있게 된다.

외국의 경우 각종 생물탈취용 미생물담체에 대한 연구가 진행되어 '80년대에는 경작토 등 토양 위주의 담체가 사용되어 오다가 '90년대 초반에는 토탄이끼(peat moss), 소나무 껍질 등 유기재료, '90년대 후반에는 슬래그, 세라믹, 특수 스폰지 등 무기재료가 개발되어 사용되고 있다. 미생물 균주로는 Thiobacillus 속을 중심으로 혼합악취까지 분해 가능한 여러 종의 균주가 분리되었다고 보고되고 있으나, 실제로 현장에 적용하여 성공한 사례는 미비한 단계로 계속적인 연구가 진행되고 있는 단계이다. 악취를 정량적으로 분석할 수 있는 분석능력을 갖추고 있으므로, 실험실규모 및 pilot 규모로 충분한 기초실험을 거쳐 설계인자 및 유지관리사항을 도출하여 탈취장치를 설계·상용화하는 단계이다.

국내의 경우 미생물담체로서 한국건설기술연구원 및 국립환경연구원에서 각각 토탄(peat)/목탄 및 소나무 껍질을 이용한 생물탈취장치(biofilter) 실험을 수행하였으나 연구여건의 한계로 실용화 및 상용화가 되지 못하고 연구가 종료되었다. 여러 연구팀에 의해 탈취미생물이 분리되었으나, 혼합악취를 동시에 분해할 수 있는 균주의 개발사례는 보고되고 있지 않으며, 대부분 황화수소나 암모니아 등 단일악취에 대한 분해균주에 대한 연구가 진행되고 있는 단계이다. 악취성분을 정량적으로 평가할 수 있는 분석능력의 한계로 인해 검지관법, 관능법 또는 흡수법을 이용한 UV법 등 대부분의 연구가 간이측정장비를 이용하여 연구가 진행되었으며, 실험대상 악취 역시 분석이 용이한 황화수소, 암모니아 등 단일악취에 대해서 진행되었기 때문에, 수행된 연구결과를 복합취기가 발생하는 현장에 적용하기에는 한계가 있다. 이에 따라 체계적인 실험결과 및 설계인자를 토대로 한 탈취장치를 개발하는데 어려움이 있는 실정이다.

본 발명의 배경을 간단히 보자면 대기보전법 제 66조에서는 생활악취시설 및 규제기준을 명시하고 2001년부터 본격규제를 실시하기 시작하였다. 동 조항에서는 생활악취시설의 소유자 또는 관리자가 악취배출허용기준을 준수하기 위한 조치를 취하도록 명시하고 있으며, 공정개선 또는 악취제거시설의 설계도, 공사계획, 악취처리방법 및 처리 효율 등을 환경부장관 또는 시·도지사에게 제출하도록 규정하고 있다. 하수종말처리시설 및 축산폐수공공처리시설 등의 환경기초시설이 생활악취 규제대상시설로 지정됨에 따라 각 지자체는 이러한 환경기초시설에 대한 악취관리대책 수립의 부담을 안게 되었다. 이러한 국내 여건에 맞추어 악취처리를 위한 생물 탈취 장치의 개발과 기술의 발전이 필요하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 악취의 저감을 위한 생물탈취장치의 처리 효율을 높이고 장기간의 운전을 가능하게 하며 장치의 설치시 저렴한 가격에 공급할 수 있는 생물탈취장치의 담체 제조방법을 제공 함에 있다. 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법에 따른 신규한 생물탈취장치의 담체를 제공하는 데 있다.

본 발명의 상기 목적은 악취의 저감을 위한 생물탈취장치의 담체 재료를 선택하는 데 있어 미생물의 생장과 활성 유지, 악취 물질의 흡착·흡수 능력이 우수한 것으로서 지렁이 분변토와 bark를 혼합 충전하고, 생물탈취장치의 처리 효율을 최적화하기 위한 담체의 충전 조건을 확립한 후, 실험실 규모의 생물탈취장치를 만든 다음 시운전을 수행하여 본 발명 담체의 실용성을 검증함으로써 달성하였다.

도 1은 지렁이 분변토로 충진된 생물탈취장치의 압력손실을 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 2는 지렁이 분변토와 bark를 4:1 (v/v)의 비율로 혼합하여 충진한 생물탈취장치의 압력손실을 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 3은 지렁이 분변토와 폐수처리용 여재를 4:1 (v/v)의 비율로 혼합하여 충진한 생물탈취장치의 압력손실을 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4는 지렁이 분변토 및 지렁이 분변토와 bark를 4:1 (v/v)로 혼합한 각각의 생물탈취장치의 황화수소 제거율을 비교 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5는 도 4에서 황화수소 제거율을 비교 실험하면서 각각의 생물탈취장치의 압력손실과 pH의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 미생물의 생장과 활성(activity) 유지, 악취 물질의 흡착·흡수 능력이 우수한 담체 재료를 선택하는 단계; 생물탈취장치의 처리 효율을 최적화하기 위한 담체의 충전 조건의 확립 단계; 실험실 규모의 생물탈취장치를 만든 다음 시운전을 수행하여 본 발명 담체의 실용성을 검증하는 단계로 구성된다.

이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 작용을 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 최적 조건의 담체 선택

본 발명 생물탈취장치의 담체는 미생물 생장에 필요한 환경을 조성하는 것과 장기간의 운전을 위하여 낮은 압력손실(pressure drop), 높은 공극률(porosity), 긴 체류시간 등의 조건을 가져야 하므로 상기의 조건들을 만족시킬 수 있는 세 가지 담체를 선정하였다. 본 발명이 선택한 담체로는 유기담체인 지렁이 분변토와 bark, 무기담체로서 다공성 폐수처리용 여재를 선택하여 각 담체의 물리·화학적 성질을 조사하였다. 본 실시예에서 지렁이 분변토는 1.47 gH ₂ O/g-soil, bark는 1.75 gH ₂ O/g-bark의 수분함유율(water holding capacity)을 가지는 것을 사용하였다.

실시예 2: 악취 처리율을 높이기 위한 담체의 충전 조건

상기 실시예에서 선택한 3가지 담체 재료를 이용하여 실험실 규모의 생물탈취장치(직경 10 cm, 높이 30 cm의 유리컬럼으로 제작)를 제작하고 본 발명 탈취장치의 압력손실을 실험하였다. 본 발명 생물탈취장치의 담체는 다음의 3가지 방법으로 충전하였다. 즉, 첫째 지렁이 분변토 만을, 둘째 지렁이 분변토와 bark를 4:1(v/v)의 비율로 혼합한 것을, 셋째 지렁이 분변토와 폐수처리용 여재를 4:1 (v/v)의 비율로 혼합한 것을 충전하였다. 또한 생물탈취장치의 에어 플로우(air flow)는 15 ∼ 190 m ³ /m ² /h 으로 증가시키며 압력손실을 측정하였다.

본 실시예에서 압력손실을 실험한 결과는 다음과 같다.

도 1은 지렁이 분변토 만으로 충전된 생물탈취장치 실험한 결과를 나타낸 것으로, 공극률은 57% 정도였으며, 에어 플로우를 증가시켰을 경우 공급률(flow rate)은 190 m ³ /m ² /h 일때 약 35 mmH ₂ O 정도의 압력손실을 보여주었다.

도 2는 지렁이 분변토와 bark를 혼합한 생물탈취장치를 실험한 결과를 나타낸 것으로, 공극률은 60% 정도였으며, 도 1과 동일한 조건의 공급률에서 약 25 mmH ₂ O 정도의 압력손실을 나타내어 도 1에서 보여지는 지렁이 분변토 만을 이용한 생물탈취장치에 비해 낮은 압력손실을 보여주었다.

도 3은 지렁이 분변토와 폐수처리용 여재를 혼합한 생물탈취장치를 실험한 결과를 나타낸 것으로, 도 1, 2 와 동일한 공급률에서 압력손실은 30 mmH ₂ O 정도로 나타났다. 지렁이 분변토 만을 충진한 장치와 비교시 약간 낮은 압력손실을 보여주지만, 지렁이 분변토와 bark를 혼합하여 충진한 장치보다는 높은 압력손실을 보였다.

상기 실험 결과에 따르면, 지렁이 분변토와 bark를 혼합하여 충진한 경우 공극률의 증가로 인하여 낮은 압력손실을 얻을 수 있었으며, 또한 도 2에 나타난 바와 같이 체류시간을 길게 하여 악취의 처리 효율을 높일 수 있었다. 즉, 지렁이 분변토와 bark를 4:1 (v/v)의 비율로 혼합하는 방법이 처리 효율을 가장 높일 수 있는 최적 조건임을 알 수 있었다.

실시예 3: 실험실 규모 생물탈취장치를 이용한 담체의 실용성 검증

상기 실시예 2에서의 실험 결과를 바탕으로 실험실 규모 (직경 10 cm, 높이 30 cm의 유리컬럼으로 제작)의 본 발명 생물탈취장치를 제작하여 악취(황화수소)의 처리 실험을 수행하였다. 1차 황화수소 처리 실험은 다음의 3가지 방법으로 충진된 생물탈취장치를 사용하였다. 첫째 지렁이 분변토 만을, 둘째 bark 만을, 셋째 지렁이 분변토와 bark를 4:1(v/v)의 비율로 혼합하여 충진한 각각의 생물탈취장치를 이용하여 실험하였다. 그러나 bark 만을 충진한 경우, 황화수소의 처리 효율이 매우 낮아 대부분의 황화수소가 그대로 배출되었다. 따라서 2차 황화수소 처리 실험에서는 지렁이 분변토 만을 충진한 생물탈취장치와 지렁이 분변토와 bark를 4:1 (v/v)의 비율로 혼합한 생물탈취장치를 이용하여 실험하였다. 지렁이 분변토는 미생물 성장 및 운전에 가장 적합한 수분함량(moisture content)을 60%로 하여 충진하였다. 황화수소의 air flow는 22.92 m ³ /m ² /h으로 하였고, 주입농도는 14.86±2.67 ppmv로 하였다. 황화수소의 배출농도는 0.33±0.33 ppmv로 관찰되었다.

도 4는 2차 황화수소 처리 실험의 결과를 나타낸 것으로서 주입된 황화수소의 제거율은 2.56±0.43 g/m ³ /h으로 관찰되었다. 분변토에는 많은 미생물이 존재하고 bark는 처리 효율이 그리 높지 않으므로, 분변토 만을 충진한 장치가 단일 부피당 보다 많은 분변토를 보유하고 있어 높은 처리 효율을 보일 것이라 기대하였다. 그러나 지렁이 분변토와 bark를 혼합하여 충진한 생물탈취장치가 좀더 높은 처리 효율을 보였다. 이는 지렁이 분변토에 bark를 혼합할 경우 공극률의 증가를 가져오며 악취와 충진물과의 반응시간이 길어져 분변토 만을 충진한 장치에 비해 높은 처리 효율을 보인 것으로 판단된다.

도 5는 도 4에서 황화수소 처리 실험을 하는 동안 생물탈취장치의 압력손실과 담체의 pH 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5에서 pH 변화를 보면 지렁이 분변토만 충진한 장치와 지렁이 분변토와 bark를 혼합한 장치 모두 pH 7.86±0.11으로 중성의 안정된 값을 나타냈다. 즉, 생물탈취장치의 장기 운전시 발생할 수 있는 담체내 pH 저하로 인한 처리 효율의 감소를 해결할 수 있도록 한다. 도 5에서 상기 생물탈취장치들의 압력손실을 비교해 보면, 지렁이 분변토 만을 충진한 장치는 3.91±0.53 mmH ₂ O, 지렁이 분변토와 bark를 혼합한 장치는 3.66±0.56 mmH ₂ O의 수치를 나타냈다. 상기 두 생물탈취장치들은 모두 매우 낮은 압력손실을 나타냈으며 장기간 운전하여도 압력손실이 급증하지는 않았다.

실시예를 통하여 설명한 바와 같이, 본 발명은 생물탈취장치의 핵심 기술중 하나인 담체 재료에 관한 것으로서 지렁이 분변토와 bark를 선택하여 제조됨으로써, 미생물의 성장과 활동에 적합한 최적의 환경을 제공할 수 있는 효과가 있고, 공극률을 증가시키고 낮은 압력손실과 체류시간을 길게 하여 더욱 높은 처리 효율을 제공하는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 생물탈취장치의 처리 효율을 높이고 장기간의 운전을 가능하게 하며 장치의 설치시 저렴한 가격에 공급할 수 있으므로 환경산업상 매우 유용한 발명인 것이다.