바이오필터의 특징

Table 7에는 각 물질에 대하여 사용되는 미생물의 종류를 요약하여 나타내었 다.

(2) 담체

담체는 바이오필터에 충진되어 흡착효과 뿐만 아니라 생물학적으로 대사하기 에 충분한 체류시간을 갖게 하며, 미생물이 서식할 공간과 기질을 제공하여 미생 물 성장을 위한 최적의 환경을 만드는 역할을 하게 된다. 또한 습도를 유지시켜 주고 생물상이 내부구조를 유지하도록 지지하는 역할도 수행하게 된다.²²⁾ 따라서 바이오필터에 사용되는 담체는 일반적으로 압력손실이 적으며 통기성이 양호하 여야 하며 비표면적이 크고 수분 보유 능력이 커야 한다. 또한 내구성이 좋아야 하며 사용 후 폐기시 환경문제를 유발하지 않아야 한다.^30,50)

담체는 크게 유기성 담체와 무기성 담체로 구분할 수 있으며 유기성 담체는 토탄(peat), 퇴비(compost), 톱밥(sawdust) 및 활성탄 등, 무기성 담체는 세라믹, 플라스틱 등을 예로 들 수 있다. 유기성 담체는 충진탑 내에 충진시킨 후 시간의 경과에 따라 담체의 분해가 일어나 담체의 양이 감소하고 담체의 압밀 현상에 의해 바이오필터의 압력손실이 증가하는 등의 문제가 발생할 수 있으며, 수년 후 에는 담체를 교체해야 한다. 이에 반해 무기성 담체는 내화학성과 강도가 우수하 여 비교적 장기간 사용할 수 있으나, 미생물 생장에 필요한 영양분을 지속적으로 공급해야 할 필요가 있다. 최근에는 활성탄/폴리우레탄 복합담체⁵²⁾ 등 다양한 종 류의 담체들이 개발되어 사용되거나 담체의 압력 손실을 감소시키고 담체의 편 류(channelling) 현상을 피하기 위하여 유기성 담체에 무기성 담체를 혼합하여 사용하는 경우가 증가하고 있다.⁵⁰⁾

Table 8에는 각각의 담체별 특징을 비교하여 나타내었다.

Table 7. Application of bacteria species⁵⁵⁾

Bacteria species Type of organic compounds

Pseudomonas fluorescens Z6N2 naphtalene, antracene, salicylic acid benzene, toluene, xylene, benzoil acid

Pseudomonas oleouorans XYL xylene, toluene, benzene, butyl acetate, butanol Pseudomonas sp. YZI acetone, 1-propanol Pseudomonas putida STY stylene, vinyl chloride Methiocaterium organophilium methanol, formaldehyde

Nacardia sp. EC2

methyl propionate, sewage treatment factory odor, food factory waste air deodoration

Comamounas testosteroni ST2 benzaldehyde, phenol, food factory waste air deodoration Thiobacillus thiosulfatophilum R2 hydrogen sulfide

Thiobacillus thiooxidans AMI sewage treatment factory odor

Bacillus sp. ZI801 sewage treatment factory odor, food factory waste air deodoration

Bacillus sp. Z1206 sewage treatment factory odor, food factory waste air deodoration

Table 8. Comparison of biofilter media⁵⁶⁾

Classification

Biofilter media

Soil

Wood bark, compost

Activated carbon

Ceramic, plastic

Surface area, m²/g wet 1-10 5-10 5-10 1

Gas sorption capacity,

g/kg wet ＜＜10 1 2 ＜＜1

Density, wet 1.5 0.5 0.4 0.4

Bearing strength high low medium high

Air permeability low medium medium high

Backpressure, kPa 0.5-1.5 0.2 0.1 0.1

Bacteria/g 109 1010 0 0

pH Buffering capacity high low 0 0

Nutrient supply high high 0 0

Hydrophilic, dry yes no no yes

Area for rapidly biodegradable gases,

m²/m³/hr

0.06 0.03 0.02 0.02

Lifetime, years ＞30 2-5 5 10-30

(3) 미생물 성장 및 활성관련 인자

바이오필터를 운전함에 있어 적정한 수분의 공급은 중요한 인자이며, 담체 내 부의 수분 함량은 미생물의 활성에 큰 영향을 미친다.^22,57) 수분이 과잉 공급되는 경우 부분적인 혐기성 상태가 형성되어⁵⁸⁾ 냄새를 유발하고 산소 전달을 저해하여 반응속도를 제한하며, 담체의 압밀에 의한 담체의 기능저하와 압력손실이 증가되 어 동력비가 증가되는 원인이 된다. 반면 수분 공급이 적을 경우에는 유입 가스 에 의해 담체가 쉽게 건조되고 악취물질의 흡수 및 흡착이 용이하게 일어나지 못해 처리효율이 감소되므로 담체의 중량 대비 약 40～60%의 적정한 수분함량 유지가 필요하다.^57,59) 대부분의 바이오필터는 악취 가스가 담체로 유입되기 전에 스프레이 형식의 가습 장치(humidifier)에 의해 악취 가스를 가습하여 담체의 수 분 함량을 간접적으로 조절하고 있으며 또한 담체 상부에서 간헐적으로 물을 분 사하여 수분함량을 조절하기도 한다.

바이오필터에 의한 처리는 미생물 종에 따라 다소 차이가 있으나 중온성 균이 나 약간의 고온성 미생물들에 의해서 주도적으로 이루어진다. 유입 가스의 최적 온도는 20～40℃로 이보다 높을 경우 냉각시켜 주어야 하며, 유입가스의 온도가 10℃ 이하로 내려가게 되면 처리효율이 저하되므로 가열장치가 필요하다.²²⁾

대부분의 미생물은 성장 및 활성에 적합한 최적 pH 범위가 있으며 급격한 pH 변화에 매우 민감하기 때문에 pH는 바이오필터의 처리효율에 매우 중요한 영향 을 미칠 수 있다.²²⁾ 따라서, 담체 내부의 pH를 안정화시키기 위하여 활성탄 또 는 다른 완충 역할을 할 수 있는 화합물을 혼합하여 사용하기도 한다.⁵⁰⁾ 바이오 필터의 운전은 일반적으로 pH 6～8 사이에서 최적의 효율을 보이는 경우가 많으 나, 황화합물을 처리하는 경우 처리효율의 큰 변화 없이 pH 2～4를 유지하는 경 우도 있으며, Kam 등⁵²⁾은 황화수소를 제거하기 위하여 바이오필터를 연속 운전 하는 동안 SO42- 이온의 생성이 증가함으로써 pH 1 부근까지 감소하였지만 제거 효율은 감소하지 않았다고 보고하고 있다. 또한 Lee⁶⁰⁾는 호산성 균주인 Thiobacillus thiooxidans의 증식과 비 황산화속도에 미치는 pH의 영향을 검토한 결과 기질이 풍부할 경우에 pH 1.8～2.1 사이에서 최대 비 황산화속도를 가지며, pH 0.6～0.9 사이에서 최대 비 세포생산성을 가진다고 하였다.

바이오필터 내의 미생물은 유입되는 오염물질 중의 탄소를 에너지원으로 이용

하며 질소, 인, 칼륨, 황, 칼슘, 마그네슘, 철염 및 미량원소 또한 미생물의 성장 과 물질대사에 이용되는 중요한 영양물질이다. 바이오필터를 운전하는데 영양물 질 공급은 충진 담체의 특성에 따라 달라지는데, 퇴비 등 유기성 담체는 충분한 영양분을 함유하는 경우가 많으나 세라믹과 같은 무기성 담체는 미생물이 에너 지원으로 사용할 수 있도록 인위적으로 영양물질을 공급하여 주어야 한다. 그러 나 계속적으로 영양물질을 주입할 경우 미생물의 급격한 성장으로 인하여 빠른 시간 내에 담체의 폐색을 유발할 수 있으므로 간헐적으로 영양물질을 주입할 필 요가 있다.⁶¹⁾

(4) 기타 바이오필터 설계 인자

악취가스는 바이오필터 담체와 충분한 접촉이 있어야만 흡수 및 흡착이 일어 나며, 이들은 담체 표면에 있는 미생물에 의해 생물학적 분해단계를 거치게 된 다. 일반적으로 바이오필터에서 가스의 체류시간 또는 담체와의 접촉시간을 공탑 접촉시간(EBCT)을 사용하여 나타내며 다음과 같이 충진층 부피와 유량의 함수 로써 정의된다.

EBCT = V / Q (5)

여기서, V : 충진층 부피(m³)

Q : 악취 가스의 유량(m³/sec)

EBCT는 가스의 실제 처리시간을 과대 평가하여 나타낼 수 있으나 계산이 용 이하여 일반적으로 사용되는 설계인자이다.⁶²⁾ Kam 등⁵²⁾은 Bacillus sp.를 사용하 고 있는 하수처리장의 반송슬러지를 이용한 바이오필터에서 황화수소 유입농도 를 300 ppmv로 일정하게 하고 EBCT의 변화에 따른 제거효율을 살펴본 결과 EBCT가 15 sec 이상인 조건에서는 100%의 안정적인 처리효율을 보인다고 하였 다.

부하율(loading rate)은 단위시간 동안 바이오필터 내의 담체에 유입되는 악취 물질의 양을 나타내는 것으로서 표면부하율(m³/m²․h), 부피부하율(m³/m³․h)

처리효율을 얻기 위해 필요한 바이오필터의 부피는 바이오필터의 분해용량에 대 한 오염물질 부하율과 오염물질 농도에 따라 달라지며, 대기오염물질에 대한 분 해율은 10～100 g/m³․h가 일반적이다.⁵⁷⁾ Kam 등⁵²⁾은 Bacillus sp.를 사용하고 있는 하수처리장의 반송슬러지를 이용한 바이오필터에서 황화수소의 유입 부하 가 130 g-H2S/m³․h 이하에서 제거용량은 유입 부하량과 선형적인 관계를 가지 며 최대 제거용량은 157 g-H2S/m³․h로 산정되었다고 하였다.

바이오필터의 압력손실은 주로 충진층의 특성과 수분함량에 의해 영향을 받으 며,⁵⁰⁾ 충진재로 사용된 담체의 종류, 충진 방식, 담체에 부착된 미생물의 양 및 악취가스 유속에 따라서도 달라진다. 지속적으로 바이오필터를 운전하게 되면 일 반적으로 압력손실이 증가하게 되는데 이는 담체 내 미생물이 과도하게 증식하 여 공극을 막거나 담체의 분해, 중력에 의한 담체의 침하 등 담체의 압밀 현상이 발생하기 때문이다. 이처럼 압력손실이 증가하면 동력비가 증가될 뿐만 아니라 송풍기(fan)의 흡인 능력이 감소하여 악취물질 포집효율이 저하되는 문제가 발생 할 수 있다.