쳬류시간 변화에 따른 활성탄 biofilter의 성능에 관한 연구

임 현 정□임 종 주□신 평 균*

동국대학교 화학공학과□한국과학기술연구원*

Performance of GAC Biofilter with EBRT Variation

Hyun Jung Lim□Jong Choo Lim□Pyong kyun Shin*

Department of Chemical Engineering, Dongguk University, Seoul, Korea

Korea Institute of Science and Technology, Seoul, Korea*

서론

Biofiltration은 생물학적 VOC 처리방법으로 경제적이고 친환경적이다. 또한 다른 생물학적 방법인 biotricking filter 나 bioscrubber 보다 2차 오염물질의 발생이 적고 운전방법이 간단해 많이 이용되고 있다. 그러나 이것은 오랜 시간 운전하거나 고농도 VOC를 처리할 경우 낮은 처리 효율을 나타내고 있다. 따라서 이러한 biofilter의 단점을 보완하기 위해 성능에 영향을 미치는 요소 중 filter media를 활성탄을 사용하여 흡착을 통한 고농도 영역의 형성과 또한 흡착과 탈착의 반복에 의한 재생의 과정을 거쳐 biofilter의 성능을 살펴보았다. 또한, biofilter의 설계 및 운전방향과 성능을 평가하는데 있어서는 EBRT(empty bed retention time), surface loading, mass loading, elimination capacity 등 많은 변수들이 이용되고 있다. 그 중 EBRT는 유입되는 VOC의 종류와 분해도에 따라 반응기 크기를 결정할 때 가장 중요한 설계 인자로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 같은 반응기 크기로 유입되는 VOC의 처리량과 속도를 높여줌으로 biofilter의 성능을 향상시키고자 하였다. 또한 EBRT의 변화에 따라 흡착과 분해의 속도를 살펴보고 성능을 분석하였다.

실험 방법

Biofilter 구성

사용한 미생물은 toluene 분해능이 우수한 선별된 미생물을 사용하였다. 반응기는 water jactket이 있는 원통형 반응기이다 (내경 3.5□, 높이 30□, 전체부피 290□3). 재질로는 유리를 사용하였으며 처리할 VOC의 model compound로는 toluene을 사용하였다. Filter media로는 활성탄(80%), 퇴비(20%, 난지도 하수처리장)를 사용하였다. Filter media를 만든후 5회 멸균한 뒤 미생물을 접종해 주었다. 또한 filter media의 pH를 중성으로 만들기 위해 1M potassium phosphate buffer(pH 7.0)를 이용하였다. Filter media의 함수율은 60%로 맞추었고 함수율을 유지시키기 위해 침출수를 recycle시키고 최소배지를 사용하였다. 함수율은 각각의 filter media를 채취하여 측정한 중량과 105℃ oven에서 24시간 건조한 후에 측정한 중량과의 비로 구하였다.  pH는 침출수의 pH를 이용하여 간접적으로 측정하였으며, 압력손실의 측정은 manometer(Dwyer, Mark II, USA)를 이용하였다.

Biofilter  operation

Figure 1과 같이 air pump에서 발생된 공기는 humidifier를 통과시킨 후 toluene vapor와 혼합시켜 biofilter에 공급해 주었다. Biofilter를 통과하여 정화된 공기는 toluene의 생분해로 인한 이산화탄소 발생량을 측정하기 위해 0.1N Ba(OH)2 용액을 이용한 이산화탄소 trap을 통과시켜 방출시켰다. 이때 biofilter의 체류시간은 biofilter의 성능에 따라 10sec, 5sec, 3sec 로 변화시켜 주었으며 그에 따른 반응을 inlet/outlet toluene 농도, 이산화탄소 발생량 측정으로 biofilter의 성능을 분석하였다. Toluene의 공급농도는 100ppmv으로 운전하였다.

Toluene의 농도 분석

Toluene의 농도를 측정하기 위해서 0.33□ * 25m * 0.2mm HP-1 column과 FID가 장착된 GC(영린 M600D)를 사용하였다. G.C의 분석조건은 Table 1과 같다. 시료의 채취는 250□ gas tight syringe(Hamilton, USA)를 사용, 반응기로부터 gas 시료를 채취하여 2∼3회 washing한 뒤 GC에 50□를 injection하였다.

결과 및 고찰

반응기 1의 성능변화

Figure 2에서 볼 수 있듯이 초기 10sec의 EBRT와 100ppmv의 toluene 농도에서 운전을 시작하였다. 초기에는 100%의 제거율을 보이다 운전 시작 15일 후 제거율이 87%로 떨어져 미생물의 활성을 위해 toluene feeding을 중단시켰다. 그 기간동안 흡착된 toluene의 양은 13.61g이었다. 이는 이론상 1g의 toluene을 분해시키는데 3.34g의 이산화탄소가 발생되어야 하므로 45.46g의 이산화탄소 발생시 toluene을 다시 feeding 시킬 수 있다고 여겨진다. 또한, toluene feeding 후에 차츰 이산화탄소 발생량이 증가하는 경향을 보였다. 이는 유입되는 toluene이 미생물에 의해 분해되는 것으로 판단된다. Toluene feeding 중단 후 aeration시키는 동안 미생물에 충분한 산소 공급을 하여 toluene 분해 속도를 높이기 위해서 30일경엔 EBRT를 5sec에서 3sec까지 단축시켰다. 발생하는 이산화탄소 양은 대략 200mg/hr로 EBRT가 10sec, 약 70mg/hr에 비해 3배 정도로 증가함을 볼 수 있었다. 이후 EBRT를 다시 5sec로 낮추어 운전하였다. Aeration시키는 동안 이산화탄소 발생량은 70.74g이었다. 이론발생 이산화탄소 양에 비해 1.44배의 이산화탄소가 발생하여 다시 toluene을 10일간 feeding시켰으나 제거율은 좋지 않았다. 그 기간 동안 toluene 흡착량은 13.3g이다. 운전시작 60일 정도에 분해 상태를 알아보기 위해 다시 feeding 시켜보았으나 거의 제거되지 않은 상태로 나타났다. 다시 20여일간 aeration시키며 toluene 분해 상태를 보았다. 이산화탄소 발생량은 82.9g이며 이후 toluene을 feeding 시켰다. 처음 5일간은 100%의 제거율을 보였으며 그 이후 제거율은 낮아짐을 보였다. 그 기간 흡착량은 24.03g이다. 출구에서의 toluene을 살펴보고 다시 feeding을 중단시키고 35일 정도 aeration을 시켜주었다. 그때 발생한 이산화탄소의 양은 89.4g이며 그 이후 100%의 제거율로 다시 회복하였다.

반응기 2의 성능변화

반응기 2인 경우에는 EBRT 10sec, toluene 100ppmv로 유지하면서 계속 운전하였다. 운전 시작 후 15일간은 100%의 제거율을 나타내었다. 그 이후 제거율은 감소하였고 그 기간 흡착된 toluene양은 25.2g이었다. Toluene feeding을 중단하고 흡착되었던 toluene을 분해시키며 그 변화를 살펴보았다. 이산화탄소 변화량은 30mg/hr에서 60mg/hr로 변화의 폭이 컸다. 90일경 다시 feeding시켰으나 70%의 제거율에 그쳤다. 다시 20일간 aeration 시키고 toluene을 다시 feeding시켰다. 그러나 제거율은 65%정도로 나타났다. 10일간 다시 aeration시키고 toluene을 feeding시켰다. Feeding 초기에는 80%의 제거율을 나타냈으나 이후 약 10일간 100%의 제거율을 나타내었다. 시간당 발생하는 이산화탄소의 양은 대략 50mg/hr로 나타났다. 운전 시작 후 140일경 제거율이 50%정도로 떨어져 toluene feeding을 중단하였다. 30일간의 이산화탄소 발생량은 11.94g이었다. 이후 다시 toluene feeding후 15일간 100%의 제거율을 나타냈다. Feeding 중 이산화탄소 발생량은 증가하는 경향을 보였다. 이는 유입되는 toluene이 분해되고 있는 것으로 여겨진다. 15일 이후 toluene을 feeding 시켜주며 filter의 상태를 살펴보았다. 제거율이 30%로 떨어지기까지 약 15일간 제거율이 100%와 80-90%를 번갈아 나타내었다.

Conclusion

두 개의 반응기를 비교해 보았을 때 활성탄에 흡착되는 toluene 의 양은 처음 흡착량으로 반응기 1은 0.18gGAC/g media, 반응기 2는 0.102g GAC/g media으로 비슷하였다. 반응기 2의 경우 이론 이산화탄소 발생량에 비해 70%정도의 이산화탄소가 발생하면 다시 filter의 성능이 회복됨을 알 수 있었다. 반응기 1의 경우는 그에 비해 1.44배 까지의 이산화탄소의 발생이 필요하였다. 이는 pressure drop의 문제가 켰던 것으로 판단된다. 반응기 2는 17.64Pa인 반면에 반응기 1은 646.8Pa까지 압력이 증가함을 보였다. 또한 EBRT의 단축에 따라 이산화탄소의 발생량이 증가함을 확인하였다. EBRT 10sec와 5sec를 비교해 보았을 때 흡착되었던 toluene이 분해되는 속도도 반응기 2는 40일간이 걸리는 것에 비하여 반응기 1은 30일 정도로 더 빠름을 보였다.

참고 문헌

1. Joseph S. Devinny, Marc A. Deshusses,Todd S. Webster, "Biofiltration for Pollution Control", CRC Press LLC, Florida, 1999.

2.Warren J. Swanson et al., "Biofiltration: Fundamentals, Design and Operations, Principles, And Applications", J. Environ. Engineer., 123(6), June, 1997.

Figure 1 Biofilter의 구성도

Figure 2. 반응기 1의 Performance  Figure 3. 반응기 2의 Performance

Table 1. G□C분석조건

구 분	GC-FID (영린 M600D)
Column Injector temperature Detector temperature Oven temperature Carrier gas Injection volume Split ratio	HP -1 250 。C 250 。C 60 ~ 100。C : 5。C/min 100 ~ 180。C : 20。C/min N2, 1ml/min 50 ul, gas phase 20:1