Biofilter에서의 반응속도와 미생물의 거동 고찰에 관한 연구

김승수, 김빈, 김소영* 김응빈*, 함승주, 김우식

연세대학교 화학공학과, *생물학과

Microbiological and kinetic aspects of a biofilter

Seung-Su Kim, Binn Kim, So-Young Kim*,  Eungbin Kim*,

SeungJoo Haam and Woo-Sik Kim

Department of Chemical Engineering, *Department of Biology,

Yonsei University, Seoul 120-749, Korea

서론

미생물은 여러 가지 환경변수로 인해 거동상에 심각한 영향을 미치며, 또한 이것이 미생물 활동속도를 결정하는데 중요한 변수가 되기도 한다. 일반적으로 호기성 compost biofilter의 최적온도로 여겨지는 온도는 25℃ - 35℃ 로 나타난다(1).  온도는 또한 VOC의 물리화학적 특성에도 영향을 미치며 공기-biofilm 계수와 biofilter bed내에서의 증발속도와도 관계된다. 일반적으로, 증발속도는 biofilter 상의 수분은 상당히 민감하고 critical 한 인자이기 때문에 상당히 중요한 인자이다. 또한 biofilter bed length는 적정 수분량 지역을 넓히고, cell들의  agglomeration 인하여 발생되는 효율저하를 어느정도 막아주는 역할을 하므로 또한 biofilter 시스템 설계시 중요한 인자이다.  본 실험에서는 이러한 온도 변수에 따른 제거효율과 시스템적 측면의 고찰을 통해 최적의 설계 조건을 제시하였다.  또한 cell의 거동 고찰을 통해 원인 규명을 시도하였으며, 현장에서 설계변수로 주로 활용하는 EC(elimination capacity)에 대해서도 성능시험을 하였다.

실험

실험장치는 Fig.1 에서와 같다. 길이 30 cm, 내경 5 cm인 두 개의 pyrex glass tubing 으로 이루어져 있다. 공기를 VOC generator에 통과시켜 VOC 증기를 발생시키고 mixing tank를 통과하여 biofilter에 공급되었다. mixing tank는 VOC generator로 들어가는 공기의 유량은 metering valve와 유량계로 조절 및 확인하여 농도를 맞출 수 있게 하였다.농도를 일정하게 유지시키는 목적과 동시에 미생물이 적응할 수 있는 온도를 맞추기 위해, VOC generator와 mixing tank, 반응기를 열선으로 감았다.

았다. 또한 물을 12시간마다 공급하여 공기 중 상대습도를 항상 98-99% 를 유지시켰다(2).                                                              Fig.1. Schematic diagram of a bench scale

균 배양

우수한 toluene 분해세균을 분리하기 위해 BTX로 오염된 지역을 선정하여 초기 토양 시료를 준비했다. 이들 토양 시료로부터 benzene을 이용하여, enrichment culture를 수행 하였고, 이를 유일한 탄소 및 에너지원으로 이용하여 성장할 수 있는 세 종류의 세균을 일차적으로 분리하였다. 모두 Gram 음성균으로 밝혀진 이들 3종의 세균은 고체배지에서 자라는 colony의 색깔 및 모양 그리고 광학 현미경으로 관찰되는 형태학적 특성으로 볼 때 각기 상이한 세균인 것으로 생각된다. 예비실험 결과, 가장 분해능력이 뛰어난 Pseudomonas 속의 세균을 선택하여 biofilter 실험에 이용하였다.

Benzene을 유일한 탄소원으로 이용하는 세균의 성장 여부는 고체 mineral salts basal(MSB) 배지를 이용하여 결정하였다. 채취한 배출액을 멸균수에 적당한 농도로 희석 하여 20 mM succinate가 들어있는 고체 MSB 배지와 탄소원이 배제된 고체 MSB 배지에 각각 도말하였다. 후자의 경우에는 benzene을 증기 상태로 공급하였다. 세균의 배양은 30℃에서 실시하였고 24시간 경과 후 형성된 colony 숫자를 계상하였다.

결과 및 고찰

Fig.2 에서는 각 loading 양에 대한 Elimination capacity(EC)를 나타내었다. 이 결과는 6cm bed 상의 Toluene gas에 대한 결과로서 이전에 발표된 다른 논문보다(Diks and Ottengraf, 1991 ; Ottengraf, 1986)255.29 g/m3/h 라는 우수한 수치를 나타내고 있다. 그림에서 보면 260 g/m3/h의 inlet load를 기점으로 도입유량의 fluctuation에도 적응하는 경향을 보여준다. 이러한, 도입농도의 편차에 의한 제거용량의 안정화(더 이상 효율의 증가를 보이지 않고 완만한 곡선을 그리게 되는경우)를 나타내며 0차 반응이라 나타낼 수 있다(3). 그림을 보면, 실험상의 거의 모든 plot이 증가곡선에 몰려있는 것은, diffusive limitation이 biolayer에 있으며, biofilm 전체가 활성화되지 않았다는 것을 나타낸다. 하지만, 여기서의 도입농도가 어느 이상이 되면, reaction rate limitation이 biofilter의 거동을 지배하게 되며, 전체 변환속도도, biolayer상의 미세 거동학에 의해 결정되어진다.

Fig.3.는 온도의존성 결과로서 본 실험에서 얻어진 자료들을 기초로 하여 얻은 결과 toluene 실험에서 32도 정도에서 최고의 효율을 얻을 수 있었다.

또한 기존의 절대값으로 양쪽의 편차값이 동일하다고 알려진 것에 대해서는 본 실험에서는 다르게 나타났다.  저온에서 보다는 고온에서 효율이 더 상승하는 것으로 나타났다. Toluene 제거효율은 18-32 상에서는 비교적으로 많이 증가했지만 32-40도상에서는 감소했다. 따라서 30-35  상에서의 제거효율이 최대점이 된다고 할 수 있다. 보통 이런 최적 온도 범위에서는 (30-35도)상에서 제거효율이 90%이상이 나타났으며, 또한 Toluene의 loading양 역시 고농도도 처리 가능하였다. 그리고 주목할 만한 사실 중 하나는 40도에서의 처리효율이 90% 정도에 달해, 저온보다는 고온 쪽이 제거효율이 높은 것으로 나타났다.

Fig.2. Elimination capacity vs inlet load      Fig.3. Temperature effect in biofilter

Fig.4. Removal efficiency & Elimination capacity according to bed lengths

Fig.4.에서 나타난 bed length에 따른 제거효율과 elimination capacity를 보면 3 cm bed 에서의 효율이 다른 length보다 급격히 떨어지는 것을 알수 있었다.

이것은 biofilm 형성 지역이 너무 좁아 film 전체가 활성화 되어도 그 용량에 한계가 있기 때문이며, 또한 적정 수분량을 포함하는 지역이 다른 것보다 짧다는 것에 기인한다.  또한 6cm 와 9cm 가 별 차이를 보이지 않는 것은 이미 이 용량에 대한 critical length가 3cm와 6cm사이에서 한차례 나타났다는 것을 의미하며,  한단계 높은 수준은 12cm에서 나타나고 있다. 앞에서와 같은 이유로 15cm에서도 12cm 보다 비해 효율 향상을 나타내고 있지 않다. 또한 length가 길어질수록 효율향상을 보이지 않는 것은 일단 bed diameter가 고정되어서 channeling으로 인한 carbon source의 편재와 또한 물에 의한 혐기성 지역의 설정으로 이해된다. 경제성과 효율을 고려한다면, 본 실험에서는 12cm 가 최적 length라고 생각된다.

After 0.1% inoculation   (6cm) Toluene 10.28 g/m3 (6cm) Toluene 14.40 g/m3

After 0.1% inoculation   (12cm) Toluene 10.28 g/m3 (12cm) Toluene 14.40 g/m3

Figure.5. SEM photographs of the media according to bed length and concentration variations.

Fig.5. 에서 나타낸 그림은 접종전의 support와 농도별로 처리된 후의 support 이다. 접종전의 support의 구조를 살펴보면, 미생물에 의해 충분히 colonization 이 일어날 수 있도록, 불균일 하게 pore가 형성되어 있다.

하지만 140시간이 경과한 후의  support를 측정한 결과 같은 배율로 촬영한 결과 높은 미생물의 밀도가 가시적으로도 나타나며, 상대적으로 pore가 작아짐을 알 수 있다. 이것은 일반적으로 그동안 kinetic으로 묘사되어온 (Ottengraf and Van Den Oever, 1983; Sharefdeen and Baltzis, 1994a) smooth 하고 균일하게 묘사된 biofilm과는 다르게 불 균일하게 나타나 있다.또한 연속적인 VOC의 흐름의 농도가 높게 나타날수록 미세하게 고 밀도와 pore가 작게 나타나는 경향을 알 수 있다. 또한 bed length가 증가할수록 어느 length 까지는 이러한 현상이 조금씩 경감하여 고농도로 갈수록 나타나는 효율저하현상이 적어짐을 설명할 수 있다. 이것은 pore 크기가 그다지 많이 변하지 않고 밀도의 증가 현상이 떨어지기 때문으로 셀의 증식활동에 덜 영향을 미치기 때문이다.

참고문헌

1.Chungsying, Lu. Miin-Ray, Lin.and Chenghaw Chu.:"JOURNAL OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING",(1999)

2.Chris van Lith., Gero, Leson. and Richard Michelsen.:"Air & Waste Manage.Assoc", 47:37(1997)

3.Simon, P.P, Ottengraf.:"Exhaust Gas Purification", Chapter 12(1986)