활성탄을 사용한 biofilter의 성능 연구

임 현 정* □ 김 경 호* □ 신 평 균 □ 임 종 주*

한국과학기술연구원, 동국대학교 화학공학과*

Performance Of Biofilter Using Activated Carbon as Filter Medium

Hyun Jung Lim*□Kyeoung Ho Kim*□Pyong Kyun Shin□Jong Choo Lim*

Korea Institute of Science and Technology, Seoul, Korea

Dept. of Chemical Eng., Dongguk University, Seoul 100-715 Korea*

서론

Biofilteration은 현재 사용되고 있는 VOC의 처리방법중 생물학적 방법의 하나로 많이 행해지고 있으며 경제적으로나 환경적으로 유용하고 또 저농도 대용량의 VOC처리에 적합한 방법이다. 그러나 기존의 biofilter로는 실제 산업에서 요구하는 바에 만족할 만한 수준을 나타내지 못한다. 오랜 시간의 운전이나 또 고농도의 VOC처리 문제에 직면하게 된다. 이러한 문제에서 활성탄은 흡착과 탈착의 과정을 통해 biofilter의 효율을 높여준다. 흡착의 성질로서 고농도의 VOC를 수용하고 또한 미생물의 생분해로 탈착되는 VOC의 분해가 가능한 잇점이 있다.따라서 활성탄을 재생시켜 사용 가능하다. 이 논문에서는 활성탄의 이러한 장점을 살려 filter media로 사용하였다. 그러나 활성탄이 미생물의 영양분 공급이나 살 수 있는 환경에 적절하지 못한 면을 갖고 있어 따라서 활성탄과 compost를 혼합 사용하여 실험을 진행하였다. Toluene을 model compound로 선정하여 biofilter의 performance를 분석하였다.

실험 방법

Biofilter 구성

사용한 미생물은 toluene 분해능이 우수한 선별된 미생물을 사용하였다. 반응기는 water jactket이 있는 원통형 반응기로서(내경 3.5□, 높이 30□, 전체부피 290□3) 재질로는 유리를 사용하였다. 처리할 VOC의 model compound로는 toluene을 선정하였다. Filter media로는 톱밥(50%), 퇴비(30%, 난지도 하수처리장)를 사용하였으며 구조의 지지를 위해 나무조각(20%)을 첨가하였다. 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 biofilter 에 공급해 주었다. Biofilter를 통과하여 정화된 공기는 toluene의 생분해로 인한 이산화탄소 발생량을 측정하기 위해 0.1N Ba(OH)2 용액을 이용한 이산화탄소 trap을 통과시켰다. Biofilter의 체류시간은 boifilter의 성능에 따라 단축시켜 실험하였다. Toluene의 공급농도는 4000ppmv의 고농도부터 100ppmv의 저농도로 변화시켰다.

toluene의 농도 분석

농도 분석은 gas chromatography를 사용하였다.

Toluene의 농도를 측정하기 위해서 0.33□ * 25m * 0.2mm HP-1 column과 FID가 장착된 GC(영린 M600D)를 사용하였다. 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

Biofilter의 성능변화

톱밥을 사용한 biofilter의 경우 Figure 2 에 나타난 결과와 같이 초기 3000-4000 ppmv/min(=700-900g/□/hr)의 고농도 toluene 공급시에 35% 정도의 제거율을 보였다. 100-200 ppmv/min정도의 저농도 단계는 100%의 제거율을 보임과 동시에 이산화탄소 발생율도 증가하여 평균 12.72 □/hr 로 약 4000 mg 의 이산화탄소가 발생하였다. 300-700 ppmv/min의 단계적 shock loading 단계에서도 100%의 제거율은 물론 이산화탄소 발생율도 증가하여 평균 19 □/hr 로 전체 발생량의 25%인 6300 □m이 많은 이산화탄소가 포집되었다.

800 ppmv/min 이상의 연속적 고농도 toluene vapor 공급 단계에서는 24시간 동안은 toluene이 모두 제거되었으나 그 이후부터 분해능이 저하되어 뒤이은 800 ppmv/min 정도의 shock loading 에서도 제거율이 16%로 크게 감소하였다.

연속적 고농도 toluene 공급 이후 분해능을 회복시키기 위해 100-200 ppmv/min 의 농도로 공급함과 동시에 EBRT를 1분, 45초, 36초 등으로 단축한 결과, 이산화탄소의 발생량이 급격히 증가함으로써 toluene의 생분해도가 증가함을 알 수 있었다. 또 EBRT를 15sec까지 단축후에도 mass loading증가로 이산화탄소의 발생은 증가하였으나 제거율은 저하되었고 125일에 filter를 open하여 교반한 뒤 performance가 일시적으로 향상되었다. 100-200 ppmv 정도의 toluene vapor에서 EBRT를 1.5분에서 3.6초까지 단축한 결과 제거 용량은 29 g/□/hr에서 70 g/□/hr로 약 2.3배 증가 하였다.

실험 결과로 보아 기존의 toluene 처리 biofilter 보다 높은 제거능을 가질 수 있었으며, 이것은 실험에 사용된 미생물 consortium의 toluene 분해능이 우수하였으며 여러 장점을 가진 혼합된 filter media를 사용하였기 때문이라고 판단된다.

Figure 3과 4에서 보여지듯이 300 ∼ 400 ppmv/min의 고농도 toluene vapor 공급시에도 평균 98%이상의 높은 제거율을 보였으며 이렇게 고농도의 toluene에 대한 높은 제거율과 낮은 이산화탄소 발생량으로 toluene의 주된 제거원인은 활성탄의 흡착능에 의한 것으로 판단된다.  이 기간동안 이산화탄소는 5.4 mg/hr로 발생하여 동기간중 톱밥을 사용한 biofilter 발생량의 1/5 수준이었다. Toluene vapor 공급 중단 단계에서는 톱밥의 biofilter와는 달리 이산화탄소의 발생량이 증가하기 시작하여 시간당 평균 15 mg의 이산화탄소가 발생하였다.  이 기간중에 발생된 이산화탄소는 앞 단계에서 흡착된 toluene이 탈착, 분해되어 나오는 것으로 생각할 수 있으며 이후로 시간당 이산화탄소의 발생량은 일정한 수준을 이루게 된다.

100 ∼ 200 ppmv/min의 저농도 toluene vapor 공급단계에서는 앞단계의 고농도 toluene 공급에 보여졌던 높은 제거율과 달리 outlet에서 소량의 toluene이 계속 방출되었다.  이것은 고농도 toluene의 연속적인 공급으로 많은 양의 toluene이 활성탄에 흡착되어 상대적으로 낮은 농도의 toluene이 공급될 때 역으로 농도구배가 발생되어 활성탄에 탈착되는 toluene의 양이 미생물 consortium이 분해할 수 있는 양을 초과하여 방출되는 것으로 생각할 수 있다.

따라서 다음 단계인 단계적 shock loading에 앞서 outlet에서 toluene이 방출되지 않을 때까지 aeration만을 수행하였으며 이 기간에서도 이산화탄소의 발생량은 감소하지 않고 일정한 수준을 유지하여 흡착된 toluene의 분해를 확인할 수 있었다.

약 7일간의 aeration 운전후에 outlet에서 toluene 방출이 사라졌을 때 300 ∼ 700 ppmv/min의 shock loading을 시작하였으며 100%의 높은 제거율을 얻을 수 있었다.  그러나 이산화탄소 발생량의 큰 변화가 없어 활성탄의 흡착효과로 인해 미생물 consortium이 접하는 toluene의 농도에는 큰 변화가 없었음을 알 수 있었다.

800 ppmv/min 이상의 연속적 toluene 공급 단계에서는 톱밥의 biofilter와는 달리 95% 이상의 높은 제거율을 계속 유지하였으며 이산화탄소의 발생량 증가는 다음 단계에서 나타나 흡착된 toluene이 뒤늦게 분해됨을 알 수 있었다.

연속적 고농도 공급이후 100 ∼ 200 ppmv/min으로 운전하면서 운전초기에 나타났던 고농도 공급이후 outlet에서 소량의 toluene이 방출되는 현상이 다시 나타났다.

Consortium의 분해능 회복후 제거용량을 증가시키기 위해 RW와 마찬가지로 EBRT를 1.5분에서 36초까지 단축하였으며 그 결과로 170 ppmv/min의 농도일 때 제거용량은 26 g/m3/hr에서 65 g/m3/hr까지 약 2.5배 증가하였으며 이는 EBRT 1.5분, 450 ppmv/min일 때와 같은 효과이다.

참고 문헌

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

2. S. P. P. Ottengraf et al., "Kinetics of Organic Compound Removal             From Waste Gases with a Biological Filter", Biotech. Bioengineer.             24, 3089-3102,1983.

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

4. Karim Kiard et al. "Biofiltration of Air Polluted with Toluene     under       Steady-State Conditions: Experimental Observations", Ind. Eng. Chem.         Res., 36, 4719-4725, 1997.

5. Marc A. Deshusses et al. "Behavior of Biofilters for Waste Air                Biotreatment 1. Dynamic Model Development",                               Environmental Sci. Tech., 29(4), 1995.

Figure1. Biofilter 구성도

Figure 3. 활성탄을 사용한 biofilter

Figure 4. 활성탄 biofilter의 제거율

Figure 2. 톱밥을 사용한 biofilter의 성능