생물여과기에 의한 휘발성 유기화합물의 분해 특성

윤인길*, 조대원, 김광하, 박찬엘, 박창호

경희대학교 화학공학과, 산학협력기술연구원*

Biodegradation Characteristics of Volatile Organic Compounds(VOCs) by Biofiltration

In-kil Yoon*, Dae-Won Cho, Kwang-Ha Kim, Chan-El Park, Chang-Ho Park

Department of Chemical Engineering and Industrial Liaison Research*,

kyung hee university

서 론

생물여과기를 이용한 악취 및 휘발성 유해화학물의 제거는 유럽과 일본을 중심으로 활발히 개발되어 상품화되고 있다 [1]. 생물여과기의 악취 제거기작 파악 및 우수 여과기 개발은 관련 상품의 수입대체 효과 및 관련산업의 국제 경쟁력 강화를 위해 시급한 상황이다. 생물학적 여과 방법은 기존의 접근 방법과 달리 비용이 적게드는 효율적인 처리 방법이며 또한 미생물에 의한 분해작용의 결과 H2O나 CO2 등이 분해산물로 나타나 부산물에 의한 독성을 가지지 않는다. 생물여과 (biofiltration)공정은 오염된 가스를 반응기에 유입하여 고정된 충진물에 형성된 적절한 미생물층을 이용하여 오염물질들을 제거하는 것이다 (2). 본 연구는 악취 및 휘발성 유기화합물의 제거를 달성하기 위하여 현장의 악취 및 휘발성 유기화합물 발생정도를 분석, 비교하여 악취 및 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 기초적인 기본 자료를 확보한 후, 제거대상 악취 및 휘발성 유기화합물(VOC)과 선정하였다. 또한, 고정상 미생물 반응기 시스템의 설계, 제작 및 제거대상 휘발성유기화합물 분석조건 등을 구축하였으며, 운전조건 확보를 위한 설계 factor로서 pH, 온도와 유입 농도, EBRT등을 고려하여 운전하였다.

실 험

1. 현장 VOCs 분석

현장 생물여과기의 악취 발생정도는 공기 포집기를 이용하여 가스 sampling bag (3 L)에 포집하였다. 포집한 sample은 GC-MS를 이용하여 분석하였다. 하수종말처리장과 현장생물여과기로부터 배출되는 악취물질 중 9가지 물질(chloroform, benzene, TCE, toluene, o-xylene, m-xylene, isoprene, styrene, DMS)을 제거대상물질로 선정하였다.

2. VOC 분석조건

선정된 제거대상 VOC 물질을 아래와 같은 조건하에서 분석조건을 확립하였다.  농도 측정은 250 □ gas-tight syringe (Hamilton, Co)로 100 □ headspace gas를 취하여 Gas Chromatography (HP 5890 Series II)로 분석하였다. 시료의 정성 및 정량분석은 Aldrich Co.에서 구입한 DMS (Dimethyl sulfide), chloroform, toluene, m-xylene, TCE (Trichloroethylene)을 표준시료로 하여 나타난 결과와 비교하여 분석하였다. 사용한 검출기는 Flame Ionization Detector (FID)를 사용하였다.

3. 생물반응기 시스템의 설계 및 제작

본 연구에서의 실험실 규모의 biofilter는 밀폐형 구조이며 폐가스 주입은 하부 주입 방식을 사용한다. 바이오필터 시스템의 구성은 Figure 1과 같다. Biofilter는 직경 5.6 cm, 길이 62 cm의 원통형으로 제작하였다. 담체는 균일하게 혼합된 peat와 compost (Kellogg’s, Co)를 채우고, teflon으로 처리된 마개로 밀봉하였다. Mass flow controller (Tyran, Co)를 사용하여 휘발성 유기화합물 일정량을 칼럼하부로부터 생물여과기에 주입하였다.

4. 운전조건확보를 위한 설계 factor

Biofilter의 성능과 안정적 조업 등을 고려할 때 분해효율에 미치는 주요 운전변수는 매우 중요하다. 따라서 설계인자로서 온도와 pH, 유입농도 (부하량), 제거효율, 대상오염물질의 체류시간 등이 있다. 본 연구는 운전조건확보를 위해 가장 우선적인 설계 인자라고 사료되는 pH, 온도와 유입농도, EBRT, 제거효율 등을 고려하여 운전하였다.

결과 및 토론

1. 현장의 악취 및 휘발성 유기화합물 분석

현장 생물여과기의 악취 발생정도는 공기 포집기를 이용하여 가스 sampling bag (3 L)에 포집하여 GC-MS를 이용하여 분석하였다. 계절에 따른 하수처리장에서 배출되는 악취변화를 나타내었다 (Fig. 2). 조사기간 중 생물여과기와 하수처리장에서 배출되는 악취는 50여가지로 benzene, toluene, xylene, chloroform, isoprene, DMS, DMDS, styrene, limonene 등 이였다.

2. Biofilter에 의한 VOC 분해

가. Media의 수분함량과 pH

생물여과 매체의 수분함량과 pH는 생물여과 운영에 매우 중요한 매개변수이다. 생물여과기의 최적 수분함량은 60%로 알려져 있다 (3). 본 연구에서는 수분함량이 운전초기 61%로 유지되었으며, 40여일 운전 후 57∼67%로 나타났다. 충진물(peat, compost)의 종류 에 따른 수분함량의 차이는 나타나지 않았으며 생물여과기의 아래로 갈수록 수분함량이 높아지는 경향을 나타내어 상층 (sp1)에서의 수분함량보다 하층 (sp4)에서 7∼10% 정도 높았다. 생물여과기의 매체의 pH는 상층 (sp1)과 하층 (sp4)에서 각각 6.7,  6.9이었으며 초기 pH (7.1)보다 약간 감소하였다. 생물여과를 통한 화합물의 생물학적분해 시 최종 부산물들에 의해 여상이 산성화되어 미생물들의 활성에 영향을 끼쳐 결국 화합물의 분해를 저해시키기 때문에 pH를 일정하게 유지시켜야한다고 보고되었다 (4). 본 실험의 경우 pH 완충용액의 공급을 통하여 pH를 크게 저하시키지 않았다.

나. 휘발성 유기화합물 분해 비교

1∼2일 간격으로 VOC 유입농도와 유출농도를 측정한 결과, 배양 초기 3∼4주 동안 농도 변화가 많지 않는 적응기 (acclimation period)가 나타났으며, 4주 경과 후, isoprene의 분해효율이 90%이상으로 증가하였다. 칼럼의 하층 (sp4)에서 상층 (sp1)으로 갈수록 유출농도가 낮아져 분해효율이 높아짐을 보였다. 온도변화에 따른 연구결과는 22oC와 30oC 사이에서 휘발성 유기화합물이 가장 많이 분해되어 미생물의 활성적인 온도 범위는 22∼40oC로 나타났으며, 온도가 증가하면 반응율과 확산률은 증가하지만, 화합물 분해가 저해된다고 보고되었다 (4). 그러나 본 실험의 결과, 25oC 조건에서뿐만 아니라 45oC 조건에서도 높은 분해효율이 나타나 높은 온도 (45oC)에서도 휘발성 유기화합물의 분해가 가능함을 보여주었다. 또한 생물여과시스템이 현장의 고온 조건에서 효과적으로 사용될 수 있는 가능성을 보여주었다 (Fig. 3). 적응기 후 40일까지 peat와 compost 칼럼에 의한 m-xylene과 toluene의  분해율은 각각 86∼95, 82∼92%이었다. Benzene, toluene, m-xylene의 성분별 분해속도는 m-xylene이 가장 빠른 분해능을 (85∼95%)나타냈으며, toluene (81∼93%), benzene (70∼90%) 순서로 분해되어 Hutchins (5)의 보고와 동일한 양상을 보였다. 또한 휘발성 유기화합물의 분해를 통한 균주의 isolation과 균주의 분해특성을 연구중에 있다.

참고문헌

1. F. Burnham. (1983), Biologic air pollution control works. Render,19-26.

2. Deshusses M.A., G. Hamer, and I.J. Dunn. (1995), Behavior of biofilters for

air biotreatment. Environ. Sci. Technol. 29,1048-1058.

3. Leson, G., and A.M. Winer (1991), Biofiltration: an innovative air pollution control technology for VOC emissions, J. Air Waste Mgmt.      Assn.41,1045-1054.

4. Mueller, J.C (1988), Biofiltration of gases a mature technology for control of a     wide range of air pollutants, British Columbia Res. Corp., Vancouver, B.C.,         Canada, p1-22.

5. Hutchins, S.R. et. al (1991), Biodegradation of aromatic hydrocarbons by aquifer

microorganisms under denitrifying conditions, Environ. Sci. Technol, 25, 68-76.

Figure 1. Schematic diagram of a laboratory scale biofilter for VOC (not to scale).

Figure 2. The monthly variations of VOCs concentrations at water treatment facilities.

Figure 3. Operation results for the biofilter system comparing inlet and outlet total VOCs concentration. □, Peat 25oC ▦, peat 45oC ☏, Compost 45oC ▩, Compost 25oC □, Inlet Conc. □, Out Conc. Peat 25oC □, Out Conc. Peat 45oC  ◇, Out Conc. Compost 25oC  □, Out Conc. Compost 45oC