삼상 역유동층 반응기 내에서 VOCs의 제거 특성

한 희 동·김 영 선·최 호 석·강 용·↕이 현 재

충남대학교 화학공학과, ↕엔바이온(주)

Removal Characteristics of VOCs in the Three-Phase Inverse

Fluidized Bed Reactor

Hee-Dong Han·Young-Sun Kim·Ho-Suk Choi·

Yong-Kang·Hyun-Jae Lee↕

Department of Chemical Engineering, Chungnam National

University, 220 Kung-dong, Yusong-gu, Taejon 305-764, Korea

↕EnBion, Inc. 4102 Energy & Environment Research Center KAIST, Yousong-Ku Taejon 305-701, Korea

1. 서  론

근세기 동안 생물학적 처리기술은 폐수 처리분야에서 주로 괄목할 만한 발전이 이루어져 왔다. 대기오염물질 처리분야에서 생물학적 처리기법은 약 30년 전부터 악취물질 제거를 위하여 유럽에서부터 그 연구가 시작되었으며, 미국에서는 1990 Clean Air Act Amendments(CAAA)에 의하여 생물학적 오염공기 처리 방법에 관심을 보이기 시작하였다. 최근 90년대에 들어서는 악취뿐만 아니라 휘발성 유기화합물질을 처리하는데 있어서 혁신적인 방법으로 인식되고 있으며 악취물질과 휘발성 유기물질 제거를 위한 pollution prevention 혹은 green technology기법 중 가장 앞선 기술로 인정받고 있다. 생물학적인 오염공기 처리 방법은 낮은 농도 즉, 0∼6g/m3범위의 VOCs나 악취의 처리에 적합한 기술이다[1,2,3]. 지금까지, 공기 속에 함유되어 있는 VOCs와 악취를 제거하기 위한 노력으로 여러 가지 방법들이 시도되고 있지만 이들 대부분의 공정은 조업비가 많이 소요되며, 저농도의 폐가스를 배출 허용치까지 감소시키는데 비경제적이며, 2차 오염물질(SOx, CO, NOx)을 발생하는 단점이 있다. 이러한 기술들과 비교하여 볼 때, 생물여과법은 낮은 동력비와 유지비를 요구하며 환경친화적이기 때문에 매우 경제적이고 효과적인 공정이라 할 수 있다.

근래에는 생물학적 처리방법 중 기술적으로 제어가 용이하며 설치에 신축성이 있는 Biofilter와 Biowasher 또는 Trickling Filter 등 이들의 특징을 복합하여 변형시킨 장치에 대한 관심이 집중되고 있다. 그러나 현재 이러한 공정이 현장에 적용된 예는 드물며 계속적인 연구가 수행중이다. 그 한 예로서 유동화 공정에 대한 장점이 부각되면서 효율이 우수한 역유동화 방식을 선택하게 되었다. 역유동층 생물막 반응기에서는 물보다 밀도가 작은 입자를 유동시키게 되므로 반응기 상부에서 하부로 유체의 공급을 발생시키고, 생물막이 형성된 담체는 밀도가 커져 아래로 침강하게 되므로, 통상적인 유동층 생물막 반응기의 유체흐름과 생물막의 형성이 정반대의 현상을 보여 역유동층 생물막 반응기라고 부르게 되었다. 역유동층 생물막 반응기는 공기의 공급만으로도 충분한 산소의 공급이 이루어지며, 기체 부피 분율의 증가로 인한 액체 순환으로 반응기내 입자의 유동을 유발시킬 수 있어, 처리효율의 관점에서 유동층 생물막 반응기에 비하여 동력비의 절감을 가져올 수 있고, 기포와의 직접적인 접촉을 통해 생물막이 마찰을 받아 떨어지므로 일정한 생물막을 유지시킬 수 있다는 장점이 있다[4].

본 실험에서는 이러한 여러 가지 장점을 지니고 있는 역유동층생물막 반응기의 시스템을 응용하여 휘발성유기물을 제거하고자 미생물을 점착한 담체를 이용하여 휘발성유기화합물(톨루엔)의 제거율을 조사하였다.

2. 실  험

본 실험에 사용된 실험장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 시스템은 크게 공기를 생산하는 compressor와 오염물질을 발생시키는 톨루엔 발생장치 그리고 실제적인 생물학적 분해가 수행되는 반응기로 구성되어 있다. 실험에 사용된 반응기는 높이가 180cm이고 내부 직경이 11.5cm이며 아크릴컬럼으로 제작되어졌다. 하부로부터는 톨루엔과 공기를 주입시키며 상부로 정화된 공기가 배출되도록 하였다. 담체로는 SAMSUNG ENGINEERING Co. LTD로부터 제공받은 Polyurethane foam을 사용하였다. 형태는 1cm3인 정육면체의 형태이고 겉보기 밀도는 0.304g/cm3인 것을 이용하였다. 미생물로는  Pseudomonasputida를 점착하여 사용하였다. 한편 액상으로는 물을 사용하였으며 기상으로는 Compressor로부터 주입되는 공기와 휘발성유기화합물을 혼합하여 사용하였다. 휘발성 유기화합물로는 톨루엔을 선정하여 실험을 실시하였다. 미생물의 배양은 합성배지에서 이루어졌다. 합성 배지의 조성은 Table 1과 같다. 합성배지 제조시 함수 포도당과 Yeast extract는 다른 성분들과 분리하여 Autoclave에서 멸균하였다. 이렇게 만들어진 배지에 미생물을 접종한 후 incubator에서 30℃, 160rpm으로 진탕 배양하였다.

3. 결과 및 고찰

효과적인 미생물의 점착능력을 실험하기 위하여 미생물 접종 후 3일 후에 유동층 반응기 내부에서 자유 부상을 하고 있는 담체를 무작위로 채취하여 표면을 관찰하였다. Table 2는 점착전의 담체의 무게와 점착후의 담체의 무게를 비교한 표이다. Fig. 2는 담체에 점착되어 있는 미생물을 관찰하기 위하여 화상분석장치(Olympus BX 60)를 이용하여 촬영한 것이다. Fig. 2(1)은 미생물이 점착되기 전의 우레탄 폼의 pore를  촬영한 것이다. 담체의 표면에 어떠한 미생물도 점착되지 않은 채 매끈한 단면을 유지하고 있다. Fig. 2(2)는 유동층을 운전하는 사이에 담체를 무작위로 추출하여 점착상태를 촬영한 것이다. Fig. 2를 통하여 본 실험에 사용한 담체는 미생물이 담체 내부 pore에 많은 양의 biofilm이 형성된 것을 관찰 할 수 있으며 이는 미생물이 유동층 반응기 내부에서 활발한 대사 작용을 일으키고 있다고 판단할 수 있다. 그리고 담체를 건조시켜 점착전의 담체와 점착후의 담체의 무게를 측정하여 미생물의 유실률과 점착률을 Fig. 3에 나타내었다.

3-1. VOCs 제거량

실험에 사용된 톨루엔의 농도는 portable Gas-TEC(Flame Ionization Monitor type 47674. Telegan Gas Monitoring Ltd., West Sussex, England) 검출기를 사용하여 측정하였고 표시단위는 ppm이다. 제거량은 오염물의 유입량 및 제거율과 연관되어 있기 때문에 삼상역유동층 설계시 고려해야할 가장 중요한 변수로 취급되고 있다. Diks 와 Ottengraf 에 의해 제거량을 표현할 수 있는 다양한 표현식들이 보고된 바 있다[5]. 따라서, 본 실험에서는 식(1)에 의하여 제거량을 계산하였다.

E.C. (Elimination Capacity) = [eqn: {({C}_{i}-{C}_{o}) TIMES Q}over{{V}_{f}}]       (1)

삼상역유동층 내부에서 유입톨루엔농도와 유출 톨루엔 농도를 Fig. 4에 나타내었다. 입구의 톨루엔 농도는 점진적으로 증가하는 반면에 출구의 톨루엔 농도는 거의 검출이 되지 않는 정도로 우수한 효율을 나타내 주고 있다. Fig. 5는 유동층내부에서 톨루엔의 제거량을 보여주고 있다. 톨루엔의 제거량은 식(1)에 의해 계산하였으며 거의 100% conversion에 도달함을 알 수 있었다.

3-2. 제거율

Fig. 6은 삼상역유동층 내부의 톨루엔의  제거율을 보여준다. 초기에는 미생물의 활발한  증식이 일어나지 못해 다소 감소하지만 미생물의 활발한 증식작용이 이루어지면서 거의 일정하게 98%이상이 제거되는 것을 관찰 할 수 있다. 한편 제거율은 다음 식(2)에 의하여 계산하였다.

R.E. (Removal Efficiency) =[eqn: [{{C}_{i}-{C}_{o}}over{{C}_{i}}] TIMES 100]        (2)

본 실험은 공기 중에 존재하는 톨루엔 오염물을 삼상역유동층 내부에서 생물막반응에 의해 제거하고자 실험을 실시한 것이다. 이때 생물막의 형성과 유동층 내부에서 VOCs의 처리 효율에 중점을 두어 실험을 실시한 결과 톨루엔의 농도가 100∼300ppm 사이에서 유동층의 처리효율은 98%이상으로 우수한 처리 효율을 나타났으며 다른 여러 가지 공정에 비해 유체의 흐름이 상호 교차 흐름을 이루므로 보다 우수한 효율을 얻을 수 있다는 사실을 알 수 있었다.

Table 1. Culture medium composition for Pseudomonas putida

	Concentration(g/L)	Stock solution
Glucose	1.1
yeast extract	1
Almmonium chloride (NH4Cl)	0.1	0.1 g
Magnesium sulfate (MgSO4·7H2O)	0.05	0.5 □
Ferrous sulfate (FeSO4·7H2O)	0.0005	100 □
Manganase sulfate (MnSO4·H2O)	0.005	50 □
Calcium chloride (CaCl2)	0.00375	75 □
0.1M phosphate buffer (pH=7)	18 □

Table 2. Biocarrier characteristics

Density(g/cm3)	Before adhesion weight	After adhesion weight	Rate of extinction	Rate of adhesion
0.304 (s=0.0046)	0.298 (s=0.0154)	0.3802 (s=0.0711)	0.2704	0.5462

※S=Standard deviation

(1)	Main column	(2)	Air-Liquid distributor
(3)	Toluene generator	(4)	Flow meter
(5)	Compressor

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus

(1)        (2)

Fig. 2. The microorganiams on the growth of toluene concentration.

Fig. 3. Extinction weight and         Fig. 4. Inlet and outlet concen-

adhesion weight                     tration of toluene

Fig. 5. Elimination capacity versus    Fig. 6. Removal efficiency chan-

inlet load on fluidized bed            ge with time

참고문헌

[1]Leson. G., and Winer. A. M., Biofiltration; an Innovative Air pollution Control technology for VOC Emissions, J. Air. Waste Manage. Assoc. 41(8), 1045-1053(1991)

[2]Ottengraf, S. P., Meesters. J. J. P., Rozema. H. P., Biological elimination of volatile xenobiotic compounds in biofilters, Bioprocess Eng. 161-169(1986)

[3]Auria, R., Aycaguer. A. C., and Devinny. J., Influence of water content on the degradation capacity of ethanol in biofiltration, J. Air Waste Manag. Assoc. 48, 65-70(1998)

[4]Kim. D. S., and Song. S. K., Free-Rising Characteristics of Low Density Bioparticles Formed in an IFBBR, J of KSEE, 16, 7, 877-884(1994)

[5]Diks, R. M. M., and Ottengraf. S. P. P., Verification studies of a simplified model for the removal of dichloromethane from waste gases using a biological trickling Filter, Part Ⅱ, Bioprocess Eng. 6(4), 131-140(1991)