Ⅱ. 이론적 고찰
2.3.3 악취방지기술
악취는 발생원에 따라 그 성분이 각각 다르기 때문에 발생성분에 적합한 악취처리가 필요하다. 종래의 악취처리법으로는 Fig.2.3에 나타낸 바와 같이, 크게 물리적 처리법, 화학적 처리법 및 생물학적 처리법으로 분류된다. 주로 사용되는 악취처리법으로는 흡 착법, 약액세정법, 연소법 및 오존산화법 등이 있지만, 흡착법은 흡착제의 재생, 약액 세정법은 폐액처리, 연소법은 연료비나 폭발의 위험성, 오존산화법은 악취의 선택성 등 에 문제가 있다. 이러한 기존의 악취처리 기술은 지난 수십 년 동안 발전되어 왔으며, 어느 방법이든 장치의 대형화, 자동화, 내부구조의 복잡화, 고액 시설투자, 그리고 장 기적이고 실제적인 운전에 대한 효과에서도 진보되어 왔다. 그러나 발생원 특성 변화에 따른 각각 취기성분 질과 양이 달라져 이에 적응하기 어려우며 운전비용이 많이 드는 문제점이 있다. 그리고 처리농도가 높을 경우 1개의 처리방식에 의해 악취를 완벽히 줄 이기도 어렵다. 악취처리 방법 원리 및 특징은 다음과 같다.73.74,75)
수세방식 - 물, 활성탄 현탁액
흡착방식 - 활성탄, 제오라이트 물리적 방법
냉각응축방식 - 수냉, 공냉
희석방식 - 공기, 대기확산
약액흡수법
① 산화흡수법 - 기상산화제(오존, 염소, 이산화염소 등)
- 액상산화제(차아염소산나트륨, 차아불소산나트륨 화학적 방법 과망간산칼륨, 과산화수소 등)
② 산․알칼리흡수법 - 산(황산, 염산 등), 알칼리(수산화나트륨, 석회 등)
③ 환원흡수법 - 아황산나트륨, 티오황산나트륨 등
화학흡착방식 - 이온교환수지, 염기성가스, 흡착제(술폰화탄, 산첨착탄) 산성가스흡착제(수산화철, 염화철, 염기첨착탄)
연소방식 - 직접연소법, 농축연소법, 축열연소법, 촉매연소법
감각적 방법 중화제, 방향제 등의 방식 - 마스킹제, 중화제(식물정유), 방향제 등
토양흡착방식 - Soil filter
생물학적방법 활성오니방식 - 활성오니법
생물여과법 - Biofilter
Fig. 2.3. The Classification of odor disposal technique.31)
1. 연소법
76)연소반응에는 각종 연료와 같이 가연물질과 공기 등의 산화제 사이에서 발생하 는 산화반응, 단일물질의 발열 분해반응 또는 그것들의 복합된 반응이 있다. 연 소를 지속하기 위해서는 연소반응이 일어나는 부분에 산화제의 제공이 있어, 그 부분의 온도가 연소반응을 유지하는데 충분한 에너지가 필요하다. 또한 가연물질 과 산화제가 적당한 비율․농도로 혼합되어, 최초로 연소반응을 개시, 즉 발화시킬 수 있다.
일반적으로 가연물질로 알려져 있는 물질의 대부분은 탄소, 수소 및 산소로 구 성되어 있다. 그것들과 산소와의 사이에서 연소가 발생하며, 가연성물질의 연소에 의해 산화반응이 완료되며, 이산화탄소와 물이 생성되고 연소열이 발생한다. 연소 법에는 크게 나누면 직접연소법, 농축연소법, 축열연소법 및 촉매연소법이 있다.
가. 직접연소법 (TO : Thermal Oxidizer)
직접연소법은 처리가스가 일정한 산소와 공존상태에 있을 때, 처리가스 성분이 발화점 이상의 로내 온도를 유지하고, 일정한 체류시간을 취하는 것에 의해 순간 적으로 고온 산화분해하여, 유기물인 이산화탄소와 물로 분해하는 방법이다. 직접 연소법에서는 처리가스온도, 체류시간 및 처리가스, 버너화염의 고효율 혼합의 3 가지 조건을 모두 동시에 충족시키지 않으면, 높은 탈취효율은 얻을 수 없다. 보 통 처리온도는 650~800℃로 처리가스성분의 발화점에 따라 설정한다. 체류시간은 보통 0.4~1.0초이다. 직접연소법 장치의 주요기관으로는 연소장치, 연소로, 혼합 장치, 열교환기, 송풍기가 있다. 최근에는 에너지 절약의 관점에서 폐열 보일러, 핫 에어 회수장치 등의 폐열회수장치를 부설하는 경우가 많다. 직접연소법의 특 징은 가스온도나 농도가 높을 때 경제적이며, 악취성분이 완전히 분해되기 때문에 악취 잔류분이나 2차 공해가 전혀 없으나, 고온처리에서 오는 연료비가 비싸다는 것이 단점이다.
나. 농축연소법 (RCTO : Rotary Concentrated Thermal Oxidizer)
직접연소의 단점인 보조연료의 주입을 최대한 감소시키기 위해 전단에서 활성탄 이나 제올라이트 등을 이용한 농축기를 사용하여 풍량을 감소시키고 농도를 증대
시킨 후 연소시키는 방법으로 연료가 직접 연소법보다 적게 든다는 장점이 있다.
다. 축열연소법 (RTO : Regeneration Thermal Oxidizer)
축열연소법은 세라믹제 축열재를 사용하여, 축열과 방열을 반복하는 열교환에 의하여 열회수율이 95% 이며, 중․저농도의 배기가스도 연소소비량이 적은 경제적인 탈취장치이다. 기본적인 구조는, 윗부분의 연소실에 연결되는 축열재를 충진한 3 탑으로 구성되어 있고, 배기가스는 탑 아래에서 들어와 연소실에서 연소 처리된 후 탑 아래로 배출되도록 되어 있다. 탑의 하부에 공급된 배기가스는 상승하면서 축열재로부터 흡열하고, 상온하여 연소실로 들어간다. 연소실에서 고온 처리된 배 기가스는 다음의 탑을 하강하는 동안에 열을 축열재로 흡열시키고, 배기가스는 냉 각되어 탑 하부로 배출된다. 1~3분마다 배기가스의 흐름이 바뀌기 때문에, 배기가 스와 축열재 사이에서 수열과 방열이 반복되며 열교환이 행해진다.
라. 촉매연소법 (CTO : Catalystic Thermal Oxidizer)
촉매연소 법은 촉매를 이용하여 배기가스 내에 함유되어 있는 악취물질을 접촉 산화반응 즉 연소하여 무취 화시키는 방법으로, 화학적으로는 보통의 연소분해와 같다. 악취무질이 탄화수소 및 그 산소함유화합물의 경우에는 완전 연소하는 것에 의해 탄산가스와 물을 생성하는 동시에 반응열을 발생시킨다. 촉매연소 법은 통상 200~400℃의 저온에서 악취물질의 연소효율이 99%이상으로 보조연료의 경비를 경 감시킬 수 있는 방법이다. 촉매의 종류는 백금 또는 팔라듐을 활성금속으로 한 귀 금속 촉매가 주류를 이루지만 일부에서는 망간 계 등의 비귀금속 촉매도 사용되어 진다. 촉매연소법의 특징은 50~1,000 ㎥/hr 정도의 처리가스 용량이 효과적이고, 하수, 분뇨처리장, 식품공장, 유기비료공장, 석유화학, 피혁공장 등에 폭넓게 적 용 가능하며, 특히 탄화수소계의 악취물질의 제거에 유효하다.
촉매연소의 장점은 낮은 연료 요구량, 낮은 운전온도, 단열재가 필요 없고, 화 재위험이 적고, flashback 문제를 감소시키며, 적은 부피와 크기를 요구한다는 점 이다. 단점으로는 초기비용이 고가이고, 촉매독 문제, 입자상 물질의 전처리가 필 요하며, 촉매를 재생하지 못하면 폐기하여야 한다는 문제가 있다.
마. 기타 연소법
축열식과 촉매법을 혼합한 촉매연소방식도 개발되어 저농도 배기가스용으로 사 용되고 있다. 축열식 촉매연소 법은 폐열을 최대한 회수하여 이를 흡기가스 예열 에 이용하는 것이며, 이 폐열 회수를 극대화하기 위하여 열교환기를 사용하지 않 고 표면적이 넓은 세라믹을 직접 가열 및 냉각하는 방법을 사용한다. 또한 축열 연소기의 원리를 이용하며 연소 온도를 낮추기 위하여 축열재 상부에 촉매를 사용 하는 방법으로 연소온도는 촉매 종류나 유기물에 따라 차이가 있으나 350 ~ 500℃
내외에서 운전된다.
Fig.2.4에 축열식 촉매연소(RCO : Regenerative Catalytic Oxidation) 장치의 계통도를 나타내었다.
Fig. 2.4. The flow chart of RCO apparatus.27)
2. 흡착법
흡착법은 악취물질을 활성탄, 이온교환수지 등에 흡착시켜 제거하는 방법으로 악 취성분과 흡착제의 대표적인 반응형태는 Table 2.13과 같다.
흡착제는 종류에 따라 산성계, 염기성계, 중성계로 구분 될 수 있다. 현재 사용 하고 있는 흡착제 중에는 활성탄의 사용량이 가장 많고 수분이 존재하여도 다른 성분을 흡착하려는 특성을 가지고 있으며 분자량이 비교적 크고 친수성이 아닌 성
분 즉 소수성 성분에 대해서는 흡착량이 크다.
활성탄은 일반적으로 저농도 혼합 악취의 제거용으로 광범위하게 이용되고 있 는데, 탈취효과가 아주 높기 때문에 타방식과 조합 처리 시 1차 처리된 잔존 악취 의 제거방법으로도 많이 적용되고 있다. 반면 매연이나 분진을 함유한 가스에 대 해서는 전처리가 필요하고 고농도의 악취물질에 대하여는 흡착능력의 한계로 인하 여 흡착제의 사용기간이 단축되는 문제점이 있다.
Table 2.13. Reactions for odor component and absorbents75) System Odor component Main reaction
Alkalinity
Ammonia HA
NH4 ---→ (NH4)․A Trimethylamine HA
(CH3)3N ---→ {(CH3)3N}․HA
Acidity
Hydrogen sulfide NH3 H2S ---→ S, H2SO4
Methyl mercaptan
O2 CH3SH ---→ (CH3)2S2 →
Physical absorption
Neutrality
Dimethyl sulfide O2 (CH3)4S2 ---→ (CH3)2SO Dimethyl disulfide O2 (CH3)2S2 ---→ CH3SO3H Acetaldehyde CH3CHO ---→ Physical absorption
Styrene C8H8 ---→ Physical absorption
흡착제의 종류는 아주 다양하며 사용목적에 따라 최적의 흡착제를 선정해야 하 며 활성탄, 실리카겔, 알루미나, 백토, 몰리큐라시브 등이 있다. 흡착법의 이점은 건식조작으로서 습식조작과 달리 배수나 배액을 처리할 필요가 없으며 설비비가 비교적 싸고 유지관리가 쉬우며 광범위한 악취가스 제거에 효과적이라는 점이다.
그러나 흡착법에 반드시 따라 다니는 문제는 활성탄 등의 흡착제 재생으로써 유지 관리비용 및 원활한 흡착제의 주기적인 교체가 필수적이다.
Table 2.14에는 활성탄의 악취성분별 흡착효과를 나타내었다.
Table 2. 14. Absorption effect of activated carbon for odor component75)
Absorbent effect Odor compounds
Large
Fatty Acid, Mercaptan, Phenol, Hydro carbon,(Aliphatic tribe and Aromatic tribe), Alcohol compounds(except Methanol), Ketone compounds, Aldehyde compounds(except Formaldehyde), Ester, etc
Middle Hydrogen sulfide, Sulfurous acid gas, Chlorine, Formaldehyde, Amine compounds, etc
Small Ammonia, Methanol, Methane, Ethane, etc
3. 약액세정 법
약액세정 법은 화학반응과 물리적인 흡수법을 이용해 악취 가스나 유해가스를 제거하는 가장 일반화된 방법이다. 화학반응은 악취가스와 약액의 접촉효율을 높 여 기-액 평형에 의한 중화반응과 산화반응으로 구분할 수 있으며, 대표적인 반응 은 Table 2.15와 같다.
중화반응은 암모니아, 아민류와 같은 염기성 악취가스를 산성약품과, 황화수소, 메르캅탄 류와 같은 산성가스를 염기성약품과 중화 반응시켜 염 화합물 상태로 제 거하고, 산화반응은 NaOCl, HClO, H2O2, KMnO4 등의 산화제를 사용하여 산화 분해 시켜 제거한다.84) 약액세정 법에서의 처리공정은 충전탑(Packed Tower), 분무탑 (Spray Tower), 벤튜리스크러버(Venturi Scrubber), 제트스크러버(Jet Scrubber), 싸이클론스크러버(Cyclone Scrubber)등 여러 종류가 있으며, 단독 또는 두 종류 이상을 복합설치하여 효율을 증대시켜 처리하는 방법 등이 있다. 약액세정 법을 선정 시에는 산성, 염기성 가스를 별도로 처리하는 것이 바람직하며 사용약품에 대한 안정성, 장치에 대한 부식, 위험물 대책 등과 화학반응에 따른 부산물 처리 대책, 2차 오염대책, 폐수처리문제, 유입악취가스가 다양한 경우 다른 처리방법과 조합 처리 등을 종합적으로 검토하여야 완전한 처리가 이루어진다.