악취가스 처리를 위한 바이오필터 장치 및 바이오필터용 담체 제조 방법{Biofilter apparatus for removing malodor gas and manufacturing method of biofiler pellets}

본 발명은 악취 가스 처리를 위한 바이오필터 장치 및 바이오필터용 담체의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 두 층의 담체층으로 구성된 바이오필터로서, 하부층에 조대담체인 참나무칩을, 상부층에 락울과 지렁이 분변토의 혼합물을 충진하여, 미생물에 의한 막힘현상(clogging)을 방지하고 압력손실을 최소화시키며 담체와 처리 목표물질의 접촉면적을 확대시켜 생물학적 반응접촉과 반응속도를 증가시킴으로써, 악취 제거 효율을 극대화할 수 있는 바이오필터 장치에 관한 것이다.

종래의 악취제거 방법에는 세정법, 흡착법, 연소법, 산화법 등의 물리화학적 방법이 많이 이용되었으나, 흡착법의 경우 활성탄 등 흡착제의 재생 과정이 필요하고, 처리비용이 높은 단점이 있으며, 연소법의 경우 불완전 연소 시 알데히드, 케톤, 기타 불포화산의 발생으로 인하여 냄새 물질이 더 발생하는 문제가 있으며, 2차적인 대기오염을 유발할 수 있는 단점이 있고, 산화법, 세정법 등에는 약품소비로 인한 2차 오염문제의 유발 및 높은 유지 관리비 등의 문제가 있어서, 최근에는보다 환경친화적이면서 고효율, 저비용의 청정기술인 생물탈취법(biofiltration)이 주목을 끌고 있다.

현재, 생물탈취법으로는 규조토를 이용한 악취가스 제거 방법으로 일본특허특개평4-300621(생물탈취장치), 세라믹담체를 이용한 탈취법으로 일본특허 특개평4-281817(미생물고정화용 세라믹 담체를 이용한 고효율 생물탈취 장치), 부직포를 이용한 생물탈취법으로 일본특허 특개평4-29715(생물탈취용 필터), 피트(peat)를 이용한 생물탈취법으로 일본특허 특개평3-181312(생물탈취장치용 충진재 및 생물탈취장치)등이 공지되어 있다.

생물탈취법은 미생물 활동을 통해 악취성분을 산화하여 제거시키는 방법으로서 2차 오염이 거의 없고 유지 관리비가 저렴하다는 특징을 지니고 있으며, 특수한 미생물을 첨가하는 것이 아니라 자연에 있는 미생물의 활동에 의해 악취를 제거한다는 점에서 환경부하를 최소화할 수 있는 방법이라고 할 수 있다. 생물탈취법의 기본원리는, 첫째, 악취물질(H ₂ S, NH ₃ , 메틸메르캅탄 등)이 공기와 함께 공극 공간을 흐르다가 담체 표면에 형성된 액상생물막에 이르는 단계, 둘째, 순양된 미생물들로 구성된 생물막 표면에 흡착된 악취물질과 공기가 농도 구배에 의하여 생물막 속으로 확산되는 단계, 셋째, 미생물들이 그 악취물질을 주기질로 산화하여 에너지를 얻거나 효소반응하는 단계의 3단계 과정에 의하며, 이 과정을 거치면서 처리목표물질은 CO ₂ , H ₂ O, 무기염, 바이오매스(biomass) 등으로 전환된다.

상기 과정의 효율이 극대화되기 위해서는 바이오필터가 아래의 조건들을 충족시켜야 한다. 즉, 바이오필터 담체의 요건으로서, 첫째, 미생물의 부착 생장을 위한 영역 확보 및 미생물과 처리목표물질의 흡착효율 향상을 위해 큰 비표면적을 가질 것, 둘째, 압력손실 및 기체의 체류시간 감소방지를 위해 수축팽창율이 적고, 공극률이 높을 것, 셋째, 미생물의 생장조건이며, 활성유지에 필수요소인 수분의 보유력이 높을 것, 넷째, 미생물의 생장으로 인한 중량 증가를 지지할 수 있는 강도를 가지면서 동시에 가벼울 것의 요건이 충족되어야 하며, 끝으로 미생물의 생장활동에 필요한 영양염류 등이 담체 자체 내 혹은 외부에서 공급될 수 있는 조건이 갖추어 져야 한다.

한편, 상기 생물탈취법을 수행하기 위한 바이오필터 장치는 그 원리가 이미 잘 알려져 있고 구조도 비교적 단순하기 때문에 플랜트업체를 비롯한 10여 개 이상의 업체에 의해 이미 상품화되어 있는 상태로, 장치의 구조는 대개 비슷하고 단지 미생물 담체에서만 차별화를 두고 있으나, 이같은 종래의 담체는 다음과 같은 문제점을 갖고 있다. 첫째, 여러 종류의 악취가스가 효율적으로 제거될 수 없다는 문제로서, 이는 미생물에 의한 처리목표물질의 분해 과정에서 생성되는 산에 의한 pH저하로 인하여 미생물의 생육환경이 산성으로 변화하는 데에서 기인하는 것으로, 산성환경에서 생육하는 미생물로는 황화수소만 제거할 수 있으며, 그 외의 악취유발물질인 암모니아, 메틸메르캅탄, 황화메틸 등의 처리 효율이 떨어지는 문제가 그것이다. 둘째, 압력손실의 문제로서, 이는 미생물에 의한 물질 분해 산물인 황산염 등의 염이 담체의 공극에 축적되어 발생하는 막힘현상에 기인한 것으로, 특히 피트(peat) 등의 자연여재의 경우에는 막힘현상과 더불어 압밀에 의한 압력손실이발생하는 문제가 있다. 셋째, 저온에서는 미생물의 활성이 낮아지므로, 탈취성능이 저하되는 문제가 있다.

특히, 종래기술 중 폐가스의 생물학적 탈취방법 및 장치로서 한국특허 제 138050호가 공지되어 있으며, 여기에서는 바이오필터의 담체로써 자연여재인 나무껍질을 사용하고 있어서, 장시간 운전시 여재 자체에서 침하가 발생하고 관로현상이 발생하여 미생물과 처리 목표 물질의 접촉면적이 충분히 확보되지 못하므로써 바이오필터의 처리 효율이 급격히 낮아지게 되므로, 여재를 교체해 주어야 한다는 단점이 있다. 또 다른 종래기술로서 락울을 이용한 바이오필터장치(道宗直昭, 락울탈취장치의 개발-실용화시험에 대하여, 취기의 연구, Vol. 21, No. 3, P161-162, 1990)가 공지된 바 있으며, 여기에는 락울을 입상화한 후 유기물, 미생물원 등을 첨가하여 질산균 등의 미생물의 활성을 높여 탈취제로 개발한 데에 그 특징이 있다.

그러나, 상기 언급한 기술들은 여전히 막힘 현상으로 인한 압력손실, 관로현상의 발생, 압밀 등에 의한 담체 자체의 침하 등에 의해 처리목표물질과 미생물 담체 사이의 충분한 접촉면적 및 접촉시간이 확보되지 못하는 문제가 발생하여 악취가스 제거를 효과적으로 수행하지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래 기술들을 감안하여 안출한 것으로, 담체 내에 서식하는 미생물에 충분한 수분을 공급하고, 담체의 표면적을 최대한 활용함으로써 생물학적 반응접촉과 반응속도를 증가시켜 악취가스 제거효율을 최적화할 수 있는 바이오필터 장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 여재의 막힘을 방지하여 장시간 운전에도 압력 손실 및 악취가스 제거효율의 저하를 방지하고, 운전의 안정성 유지 및 운전 비용 감소에 적합한 바이오필터용 담체의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 목적은, 외부에서 별도로 영양물질을 공급하지 않으면서 높은 악취가스의 제거 효율을 얻을 수 있는 미생물 담체로서 비표면적이 넓은 입상 락울과 미생물 영양분이 충분한 지렁이 분변토를 혼합한 복합담체를 제조하고, 이 담체를 사용한 파일롯(pilot) 규모의 바이오필터 장치를 현장에 설치한 다음 시운전을 통하여 본 발명 바이오필터 장치의 우수성과 실용성을 검증함으로써 달성하였다.

이하 본 발명의 구체적인 구성을 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정하지 않고, 이들 구성의 단순한 변경, 수치의 한정에도 포함됨은 물론이다.

도 1은 본 발명에 의한 바이오필터의 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성도이다.

도 2은 유입공기의 유량에 따른 바이오필터의 압력손실의 변화를 나타낸 것이다.

도 3는 본 발명에 의한 파일롯 플랜트 운전의 결과로서, 시간에 따른 암모니아 제거 효율의 변화를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명에 의한 파일롯 플랜트 운전의 결과로서, 운전기간에 따른 압력손실의 변화를 나타낸 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

11. 악취가스12. 열교환장치

13. 악취가스 유입구14. 공기 분배관

15. 합성부직포16. 참나무칩 충진층

17. 복합담체 충진층18. 살수장치

19. 바이오필터 장치의 하우징20. 정화가스

21. 배출구

본 발명은 하부에 악취가스가 유입되는 유입구가 형성되어 있으며 상부에는 정화된 가스가 배출되는 배출구가 형성되어 있는 하우징과; 상기 하우징 내부에 일정한 간격을 두고 설치된 두 층의 미생물 담체층과; 상기 미생물 담체층 중 하부층의 바닥에 설치된 합성부직포와; 상기의 두 미생물 담체층 사이에 위치하며 하부의미생물 담체층에 수분을 분사하는 살수장치를 포함하여 구성되는 것으로서, 상기 미생물 담체층은 담체로 하부층에는 참나무칩을 충진하고, 상부층에는 복합담체를 충진하는 것을 특징으로 하는 악취가스 처리를 위한 바이오필터 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기의 바이오필터 장치에 사용되는 담체인 친수성의 입상 락울과 지렁이 분변토를 1:2(w/w)의 비율로 혼합하여 제조하는 바이오필터용 복합담체의 제조방법을 제공한다.

미생물 담체의 선택에 있어서 고려해야 할 점은 담체가 미생물의 부착과 성장에 적합한 넓은 표면적을 제공할 수 있어야 하며, 담체에 부착 성장하는 미생물막과 유입가스 사이의 물질교환(mass transfer)이 원활하게 일어날 수 있으며, 바이오필터 장치를 구성했을 때 유발되는 압력손실, 즉 필터의 막힘이 작아야 한다는 점이다. 그리고, 미생물의 성장에 필요한 수분이 제한요소로 작용하기도 하는데, 이러한 문제점을 줄이기 위해서는 담체가 높은 함습성을 가지고 있어야 하며, 미생물의 원활한 성장을 위해 외부에서 주입되는 영양물질의 잔류물로 인한 막힘현상의 발생을 최소화 할 수 있는 담체 및 공정조업조건이 확정되어야 한다.

다층으로 구성된 바이오필터 장치를 이용한 악취가스의 처리공정에서는 기체가 필터로 유입되는 유입부와 연결된 제 1층에서의 악취제거효율이 절대적으로 높다. 이는 악취를 함유한 가스가 제 1층에서 흡수되는 확률이 가장 높으며, 이와 함께 공기 중에 존재하는 미세 입자들이 흡착에 의하여 제거되기 때문이다. 따라서, 미생물이 살기에는 적합한 조건이 형성되므로, 악취를 처리하는 미생물 외에도 다양한 미생물의 급속한 성장으로 인하여 담체에 두꺼운 미생물막(biofilm)이 형성되어 담체 내 공극이 작아지게 되고, 막힘현상이 발생하게 되어 바이오필터 장치의 운전이 어려워지게 된다. 더욱이 생물세정탑(bioscrubber)이 전처리공정으로 설치되어 있는 경우에는, 미생물 담체 내로 유입되는 공기에 많은 수분과 미세 물방울입자가 함유되어 있으므로 미생물의 과다 성장에 의한 담체의 막힘현상이 더욱 급속하게 일어나기 때문에 처리 시간이 길어지게 되며, 처리 효율이 급격히 저하되게 되므로, 악취가스가 유입되는 유입부에 형성된 담체층에는 공극이 큰 담체를 사용하는 것이 처리 효율 저하 방지에 유리하다.

본 발명은 상기 미생물 담체의 조건을 충족시키고 높은 악취가스 처리 효율을 얻기 위하여, 미생물 담체층의 담체로 하부층에는 참나무칩을 충진하고, 상부층에는 친수성의 입상 락울(rock wool)과 지렁이 분변토를 1:2로 혼합하여 제조한 복합담체를 충진한다.

본 발명의 미생물 담체층의 하부층에 사용된 담체인 참나무칩은 공극률이 큰 조대 담체로서, 악취가스의 흐름을 원활하게 유지하여 압력손실을 줄이는 효과가 있고, 참나무는 그 성질상 속이 단단하고 겉이 물러 미생물의 서식에 충분한 공간을 확보해 줄 수 있으며, 쉽게 침하되지 않을 뿐만 아니라 주위에서 손쉽게 구할 수 있다. 한편, 상부층에 사용된 복합담체의 일 재료인 친수성의 입상 락울은 수경재배용 배지 및 단열재 등으로 사용되는 바, 수분을 적당히 보유하면서 통기성이 양호한 무기질 소재로서 발암성이 확인된 석면 대용으로 사용되는 재료이다. 복합 담체의 또 다른 재료인 지렁이 분변토는 지렁이의 배설물로서, 공극률 50% 내외의 세립자로 구성되어 있으며, 토양의 통기성, 수분의 흡수성을 증가시키며 생물학적으로 많은 미생물과 효소를 함유하고 있어 별도의 미생물 식종이 불필요하며 악취제거에 효과적인 소재이다. 상기의 소재를 미생물 담체로 사용함으로써 본 발명에서는 외부에서 별도의 영양물질을 주입하지 않고도 높은 악취제거 효율을 얻을 수 있으며, 담체 공극의 막힘현상을 방지하여 장시간 운전에도 압력손실이 거의 발생하지 않아 바이오필터 장치의 안정적인 운전이 가능하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 바이오필터 장치의 구조 및 이를 이용한 악취가스의 제거 과정을 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 바이오필터 장치의 바람직한 실시예의 개략적인 구성도이다.

본 발명에 의한 악취가스 처리를 위한 바이오필터 장치의 구조는 도 1에 나타난 바와 같이, 유입공기의 온도를 조절하는 열교환기 부분(12), 악취가스를 생물학적 방법에 의해 처리하는 미생물 담체층(16)(17), 미생물 담체에 수분을 공급해 주는 살수장치(18)로 이루어진다. 미생물이 생육하기에 적합한 온도인 10~40℃로 유지되도록 열교환기(12)를 거친 악취가스는 바이오필터 장치의 하부에 위치한 참나무칩 충진층(16)으로 유입되어 악취물질의 일부와 이에 함유된 미세입자들이 1차적으로 처리되고, 참나무칩 충진층을 통과한 가스는 상기 두 담체층 사이의 공간에서 균일하게 혼합되어 상부의 복합담체 충진층(17)으로 유입된 후 담체 내의 미생물에 의해 최종적으로 처리되며, 이 과정을 통하여 정화된 가스는 바이오필터 장치의 상부에 위치한 배출구(21)를 통해서 대기로 방출된다. 또한, 미생물 담체에 간헐적으로 살수함으로써 미생물에 수분을 공급함과 동시에 미생물에 의한 악취성분의 산화과정에서 발생하는 무기염 기타 바이오매스를 물에 용해시켜 제거하게 되며, 하부의 참나무칩 충진층의 아래쪽에 모인 물은 드레인수로서 필요에 따라 pH를 조정한 다음 방류하게 된다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 구성 및 작용을 실시예를 들어 설명한다.

실시예 1: 암모니아를 포함한 악취가스 처리를 위한 담체의 선택

바이오필터에 사용되는 미생물담체는 미생물의 부착생장을 원활히 하기 위해 넓은 비표면적과 높은 수분 보유력을 갖고 있어야 하며, 미생물의 성장, 흡착된 미세입자 등에 의한 공극의 막힘현상을 방지하기 위하여, 공극률이 큰 소재를 사용하여야 한다.

상기의 조건을 만족시키기 위해 본 발명에서는 무기담체인 락울, 유기담체인 지렁이 분변토와 참나무를 사용하였다. 본 실시예에서는 지렁이 분변토 1.45 gH ₂ O/g-soil, 락울은 2.43 gH ₂ O/g-rock wool, 참나무는 1.71 gH ₂ O/g-wood의 수분함유율을 가지는 것을 사용하였다.

실시예 2: 악취가스 처리효율을 높이기 위한 미생물 담체의 제조

본 발명에서는 유입부와 연결된 하부의 미생물 담체층에는 공극률이 큰 조대담체인 참나무 가지를 지름 1∼2cm, 길이 1∼3cm로 균일하게 절단하여 충진함으로써 장기간 운전시에도 막힘현상을 방지하도록 하여 압력손실을 최소화하였다. 상부의 미생물 담체층에는 락울과 지렁이 분변토를 1:2(w/w)의 비율로 혼합하여 제조한 복합담체를 충진하였다. 또한 미생물의 생장에 필요한 수분유지를 위해 참나무칩담체층의 바닥에는 합성부직포를 설치하고, 두 층의 미생물 담체층 사이에 설치된 살수장치에 의해 수분을 공급하였으며, 복합답체 충진층에는 자체에서 발생하는 습도에 의해 수분공급이 충분하므로, 별도의 수분 공급장치는 설치하지 않았다.

본 발명 바이오필터 장치에 공기유량을 90∼780m ³ /m ² /hr로 변화시켜가면서 압력손실을 측정하였다. 본 실시예에서 압력손실을 측정한 결과는 도 2에 나타낸 바와 같다.

참나무칩 충진층의 공극율은 63%정도였으며, 복합담체 충진층의 공극율은 55%로 공기유량을 증가시켰을 경우 780m ³ /m ² /hr에서 110mmAq의 압력손실을 보였으며 이때의 공간체류시간은 약 5초로 나타났다. 본 발명에서 실험한 바이오필터 장치 전체의 공간체류시간 24초, 공기유량 162m ³ /m ² /hr일 때는 18mmAq 정도의 아주 낮은 압력손실을 보여주었다. 이는 같은 공간체류시간상의 기존 자연여재를 이용한 바이오필터에서의 압력손실 값보다 3배나 낮은 수치이다.

실시예 3: 파일롯 규모의 운전을 통한 미생물 담체의 효율 검증

상기 실시예 1, 2에서의 실험결과를 바탕으로 본 실시예에서는 파일롯 규모 바이오필터 장치를 현장에 설치하여 암모니아를 포함한 악취가스 처리효율에 대한 실험을 수행하였다.

현장에 설치된 바이오필터 장치는 다음과 같이 제작하였다. 바이오필터 장치내의 미생물 담체는 총 2층(100cm×100cm×50cm)으로 구성하고, 각 층 사이의 간격은 40cm로 하였으며, 본체의 재료는 부식성에 강한 SUS304를 사용하였다. 하부층에는 바닥에 합성부직포를 설치한 후 2인치 Pall-ring을 바닥에 깔고 1∼3cm 크기의 참나무칩 담체를 충진하여 담체 내의 유체흐름을 균일하게 하고, 담체 내 공극에 입자성 물질이 쌓이는 것을 방지하였다. 상부층에는 락울과 지렁이 분변토를 1:2(w/w)의 비율로 혼합하여 제조한 복합담체를 충진하여 악취가스를 최종적으로 처리하게 하였다. 또한, 참나무칩 담체에 충분한 수막을 형성시키기 위해 살수장치를 설치하고, 살수시간장치를 부착하여 1일에 15ℓ씩 총 6회 살수하였으며, 수분보유력이 뛰어난 복합담체에는 별도로 살수하지 않았으며, 유입되는 악취가스의 송풍량은 162m ³ /m ² /hr로 이때의 공간체류시간은 24초였다.

본 실험을 시작하기 전, 송풍기의 풍량을 인버터를 이용하여 각 층의 압력손실을 측정하였다. 이를 통해 각 층 내부의 유체흐름 및 미생물을 접종시킨 후의 미생물의 성장상태를 간접적으로 파악하였으며, 각 층에서의 급격한 압력손실의 측정으로 단의 막힘현상을 파악하였다.

상기와 같은 조건으로 파일롯 규모의 바이오필터 장치를 현장에서 실험한 결과를, 음식물쓰레기 퇴비화 현장에서 발생하는 악취의 주된 요인이 되는 암모니아의 제거효율로써 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타난 바와 같이 암모니아 제거효율은 약 2주간의 초기 적응기간이 지난 후부터는 평균 95%이상의 효율을 보이며, 유입되는 암모니아 농도가 일정하지 않은 경우도 배출되는 암모니아 농도가 평균 2ppm으로 비교적 안정된 제거효율을 보였다. 또한 압력손실도 장시간 운전하여도 거의 변하지 않았다. 운전 기간에 따른 압력손실은 도 4에 나타내었다.

이상 실시예를 통하여 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 참나무칩 충진층과, 락울과 지렁이 분변토를 혼합하여 제조한 복합담체 충진층으로 구성된 바이오필터 장치를 제공함으로써, 미생물이 부착하여 생장할 수 있는 최적의 조건을 제공하고, 미생물의 성장에 의한 막힘 현상을 최소화시킴으로써, 장기 운전 시에도 압력손실이 작아 안정적인 운전상태에서 높은 악취가스의 제거효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명 바이오필터 장치를 구성하는 미생물 담체로 선택된 재료는 시중에서 구하기가 용이하고 가격이 저렴하여 경제적 측면에서도 유리하므로, 폐기가스처리산업 및 대기환경보전산업상 매우 유용한 발명인 것이다.