http://dx.doi.org/10.15250/joie.2015.14.1.16 ISSN 2288-923X (Online)
습식 플라즈마의 기체체류시간과 액기비에 따른 황화수소 및 부유미생물 동시제거
김진성·남윤기·안해영·송지현*
세종대학교 건설환경공학과
Effects of gas retention time and liquid gas ratio for the simultaneous removals of hydrogen sulfide and bioaerosol in a wet-plasma process
JinSung Kim·YounKi Nam·HaeYoung Ahn·JiHyeon Song*
Department of civil & Environmental Engineering, Sejong University
(Received 11 November, 2014; Revised 19 December, 2014; Accepted 24 March, 2015) Abstract
Odor compounds and air-born microorganisms are simultaneously emitted from various aeration processes such as aerobic digestion, food-waste compositing, and carcass decomposition facilities that are biologically-treating wastes with high organic contents. The air streams emitted from these processes commonly contain sulfur-containing odorous compounds such as hydrogen sulfide(H
2S) and bacterial bioaerosols. In this study, a wet-plasma method was applied to remove these air-born pollutants and to minimize safety issues. In addition, the effects of a gas retention time and a liquid-gas ratio were evaluated on removal efficiencies in the wet-plasma system. At the gas reaction time of 1.8 seconds and the liquid-gas ratio of 0.05 mL
aq/L
g, the removal efficiency of bioaerosol was approximately 75 %, while the removal efficiency of H
2S was lower than 20 %, indicating that the gaseous compound was not effectively oxidized by the plasma reaction at the low liquid addition. When the liquid-gas ratio was increased to 0.25 mL
aq/L
g, the removal efficiencies of both H
2S and bioaerosol increased to greater than 99 %.
At the higher liquid-gas ratio, more ozone was generated by the wet-plasma reaction. The ozone generation was significantly affected by the input electrical energy, and it needed to be removed before discharged from the process.
Keywords : Liquefied fertilizer storage, Carcass burial sites, Wet plasma, Odor, Bioaerosol
1. 서 론
국내의 액비 제조시설과 음식물처리장 부숙조, 하수 처리장과 같은 다양한 환경기초시설에서는 악취와 부 유미생물이 대기 중으로 동시에 배출되는 특성이 있다.
대기 중으로 배출된 악취와 부유미생물은 각종 민원과 다양한 유해성을 내포하고 있다. 최근 가축 매몰지 중 일부가 법적 관리기간 종료 및 복토의 유실, 침출수 유 출 등으로 인하여 다양한 환경문제를 야기하고 있다.
이를 효과적으로 관리하기 위한 방법으로 이설 및 재
조성이 이루어지고 있지만 매몰지의 굴착 과정에서 각 종 악취물질 및 부유미생물이 동시에 배출되고 있어 앞서 언급한 환경기초시설과 같은 문제점이 야기되고 있다.
매몰지에서 발생되는 악취물질과 부유미생물은 액비 저장조나 음식물처리장과 유사하게 외부의 공기가 차 단된 상태에서 미생물에 의한 혐기분해가 진행된다. 미 생물에 의한 혐기 분해시 다양한 악취물질이 생성되는 데 황화수소, 메틸머캅탄과 같은 황계열 물질과 암모니 아, 트리메틸아민과 같은 질소계열 물질이 발생되는 것 으로 알려져 있다(Kim et al., 2014). 특히 황계열 물질 은 최소감지농도가 낮아 대기 중으로 미량 확산시에도 감지할 수 있는 물질로서, 악취방지법에서 지정악취물
*Corresponding author
Tel : +82-2-3408-3819 E-mail : [email protected]
질로 규정하고 있다. 또한 일부 가축매몰지에서 발생되 는 부유미생물은 생물학적 안정성과 밀접한 연관성이 있다. 조류독감으로 인하여 폐기된 닭 매몰지 주변에서 토양미생물을 분석한 결과 Bacillus가 높은 비율로 나 타났으며, 소와 돼지 매몰지 주변에서 분석한 결과는 Proteobacteria 와 Actinocacteria, Pseudomonas와 같은 미생물 종이 주로 나타났다(Kim et al., 2010; Park et al., 2013). 국내의 매몰지 연구 결과 병원성 미생물은 검출되지 않았지만, 영국보건부에 따르면 가축 매몰지 에서 Escherichia coli, Campylobacter, Salminella와 같 은 병원성 미생물이 존재할 수 있다고 보고하고 있다 (USDAAPHIS, 2004). 이처럼 가축 매몰지의 이설시 지하에 농축된 악취물질과 부유미생물이 대기 중으로 확산되어 각종 위험성을 가지고 있다.
현재 국내에는 매몰지 이설시 발생되는 악취와 부유 미생물을 동시에 저감하는 방법이 명확하지 않다. 매몰 지 조성시 유용미생물 및 산화제 등을 투입하여 악취 및 부유미생물의 생성을 억제하는 방법을 적용하고 있 으나, 장시간 안정적인 처리효율을 기대하기 어렵고 매 몰지 이설시 대기 중으로 확산되는 악취 및 부유미생 물을 저감하기에는 한계가 있다(Park and Kwon, 2012).
특히 매몰지 현장은 인적이 드문 야산이나 개인 농경 지등을 활용하고 있어, 특정 시설을 설치하거나 관리하 기 어려운 문제점이 있다.
본 연구에서는 위와 같이 악취 및 부유미생물의 관 리 및 현장 적용성의 어려운 문제점을 해결하기 위하 여 소규모 이동식 습식플라즈마 장치를 개발하고자 하 였다(Jaworek et al., 2007). 습식 플라즈마장치는 일반 적인 전기집진기술과 유사하게 유입되는 각종 거대 입 자에 하전을 띄어 극성을 유도하고, 전극표면에 흡착시 킨다. 하지만 일반적인 집진 기술과는 달리, 입자에 하 전을 띄우기 전 미세수분입자를 분사하여 수분 입자가 대상물질을 흡수, 흡착하여 제거 효율을 증가시킬 수 있다(Nouri et al., 2012). 특히 악취와 같은 가스상 물 질은 전기 집진시 입자의 크기가 작고 농도가 낮아 하 전을 띄어 처리하기가 어렵기 때문에 거대입자로 만들 수 있는 수분의 공급이 필요하다. 본 연구에서 적용된 습식 플라즈마 장치는 투입되는 에너지에 따라서 강력 한 산화력을 가지는 OH·과 오존(O
3) 을 전극표면에서 생성하여 악취물질과 부유미생물을 산화 및 분해시키 는 효과가 있다(Lowke and Morrow, 1995; Li and Wen, 2003). 이에 본 기술을 최적화 하여 액비저장조, 음식 물 처리장 부속조, 가축매몰지 등과 같이 악취 및 부유 미생물이 동시에 발생하는 환경기초시설을 대상으로 적용 가능한 습식플라즈마 기술을 개발하고자 하였다.
2. 연구방법
2.1 연구대상
매몰지 이설시 대기중으로 확산되어 민원을 야기할 수 있는 물질로서, 사체의 혐기분해 과정에서 발생빈도 가 높고 최소감지 농도가 낮은 황화수소를 대상으로 하였다. 일반적으로 황계열 악취물질은 각종 유기물이 혐기분해 되는 과정에서 고농도로 발생되며, 외부 환경 에 따라 황화수소, 메틸머캅탄, 디메틸설파이드 등으로 나타난다. 황화수소의 주입 농도는 2,000 ppm 가스를 희석하여 적정농도로 주입하였다. 대상 미생물은 E- coli와 Staphylococcuss를 이용하였는데, 두 종의 미생 물은 대표적인 환경 지표미생물로서 각종 연구 등에 이용되고 있다. 미생물 주입은 두 종의 미생물은 혼합 하여 액상배양 하였고, 미생물의 농도는 액상에서 0.2 OD 까지 배양 후 bioaerosol generator을 이용하여 부유미생물을 발생시켰다.
2.2 반응기 구성
현장에서 발생되는 악취 및 부유미생물을 제거하기 위한 평가위해 Fig. 1과 같이 실험실에서 반응기를 구 성하였다. 습식플라즈마 반응이 일어나는 플라즈마 반 응기는 DBD(dielectric barrier discharge)방식으로 구성 하였다. DBD방전기술은 금속 전극 사이에 세라믹 판 과 같은 유전체를 끼워 넣은 구조로서 과도한 전류가 흘러 발생되는 arc를 방지하고 교류전원을 공급받아 전기적인 충전 및 방전을 반복적으로 수행한다. 습식플 라즈마 방법의 수분공급은 가습장치를 이용하여 액기 비를 0.05 mL
aq/L
g수준으로 조정하였다. 일정 농도로 희석된 황화수소와 부유미생물은 mixing chamber를 통해서 혼합되고 플라즈마 반응기를 거쳐 처리된다. 플 라즈마 반응기에 인가되는 전압은 10 kV이고, 전류는 2 mA로서 투입된 전력은 20 W이다. DBD 플라즈마 반응기의 발생 주파수는 200 Hz로 고정하였으며, DBD 전극 간격은 5 mm로 설정하였다.
Fig. 1. Schematics of the wet plasma system.
본 연구에서는 습식플라즈마 반응기에서 반응시간에 따른 황화수소와 부유미생물 처리효율을 평가한 것으 로서 gas retention time은 플라즈마 반응기의 부피를 유량으로 나누는 아래 식 (1)로 계산 하였다. 이에 유 량 50 L/min인 조건에서 RT값은 1.8초를 가지며, 유량 이 10 L/min에서 RT 값은 9초를 가진다.
RT(Rentention Time) =
(1)
2.3 측정 항목 및 방법
습식플라즈마의 반응시간에 따른 황화수소 및 처리 효율을 평가하기 위하여 기기분석과 CFU(Colony Forming Unit)를 이용하였다. 황화수소 분석은 FPD (Flame Photometric Detector, shimadzu GC-2010 plus, Japan) 가 장착된 Gas chromatography 방법을 이용하였 다. 가스 샘플은 샘플링 이후 샘플에 포함되어 있는 오 존과 황화수소 반응을 최소화 하고자 채취한 샘플을 바로 분석하였다. 습식 플라즈마 반응에 의해 생성된 오존의 농도 또한 검지관(Detector tube, Gitagawa, Japan) 을 이용하여 바로 측정하였다. 미생물 분석 방법 은 air sampling pump(MP-Σ300, Sibata, Japan)을 이용 하여 0.5 L/min으로 2분 동안 공기를 흡입하여 mem- brane filter(pore size 0.45 μm, Metricel black, USA)에 통과시켜 채취하였다. 채취한 시료는 영양배지에서 35
oC 2 일 동안 배양하였으며, 배양 후 형성된 콜로니 수를 채취한 공기유량으로 환산하여 부유미생물 농도 (CFU/m
3) 를 산출하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 반응시간에 따른 대상물질 제거
3.1.1 기체체류시간에 따른 오존의 발생
습식플라즈마 반응에 의한 황화수소 및 부유미생물 제거는 플라즈마 방전의 직접산화와, 전기에너지에 의
해 생성된 오존의 간접산화를 통해 이루어진다. 직접산 화의 경우, 투입되는 전력과 교차되는 교류전류의 주파 수에 따라 큰 영향을 받는데, 이 과정에서 플라즈마 반 응기를 통과하는 수분 및 산소분자가 분해·치환되어 OH· 및 O
3를 형성하고 악취물질을 간접적으로 제거한 다(Poppendieck et al., 2014). Fig. 2의 플라즈마 반응 기를 통과하는 기체의 유량에 따라 생성되는 오존의 농도 분석에서, 플라즈마를 통과하는 유량이 작아 반응 시간이 길어질수록 생성되는 오존의 농도가 증가하는 경향이 나타났다. 하지만 유량과 투입된 에너지와의 상 관관계를 계산한 결과 시간당 생성된 오존의 양은 거 의 동일하여, 오존의 발생량은 투입되는 에너지에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다(Tahir et al., 2012). 습식 플라즈마 반응 이후 배출되는 오존의 농도를 분석한 결과 반응기내 오존의 반응시간이 길어질수록 잔존 배 오존 양이 감소하였다. 이는 발생된 오존이 황화수소 및 부유미생물 산화과정에서 농도가 감소하였기 때문 이다(Zhao et al., 2007). 하지만 배오존의 양이 오존 발생량 대비 최대 0.7 수준으로서 고농도 배오존에 대 한 문제가 있을 것으로 예상된다. 결과적으로 단위시간 당 발생되는 오존의 양은 투입되는 에너지에 큰 영향 을 받으며, 플라즈마 반응기 내에서 반응시간에 따라 악취물질 및 부유미생물의 간접산화에 큰 영향을 미치 는 것으로 판단된다.
3.1.2 기체체류시간에 따른 황화수소 및 부유미생물 제거
황화수소의 농도를 희석하여 10 ppm으로 고정하고 유량을 증가시켜 반응시간(gas retention time)을 조절 한 결과 반응시간이 9초에서 1.8초로 짧아질 경우 처 리효율이 51 %에서 20 %까지 낮아졌다. 플라즈마 반 응에 의해 제거되는 황화수소는 반응시간이 3초 보다
Plasma Reactor Volume V( )Gas flow rate L( ⁄
min
) ---Table 1. Experimental conditions for the wet plasma
Parameter Value
Input voltage (kV) 10
Current (mA) 2
Reactor volume (L) 1.5 Gas flow rate (L/min) 10 ~ 50 Gas retention time (GRT, sec) 9 ~ 1.8 Liquid gas ratio (mL
aq/L
g) 0.05 ~ 0.25
Fig. 2. Effect of the gas retention time for the ozone
reaction and generation rate in the wet plasma reaction.
짧아지는 조건에서도 0.18 mg-H
2S/min 수준으로 유지 되었는데, 황화수소의 제거는 플라즈마 반응기를 통과 하면서 오존 생성과 같이 투입된 단위 에너지와 발생 된 오존의 농도에 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. 본 실험 과정에서 투입된 단위에너지는 아래 식 (2)를 이 용하여 계산하였으며, 실험조건에 따라 0.4~2.0 W/L (1.8~9 sec) 가 투입되었다.
(2)
황화수소 농도가 동일한 조건에서는 유입유량이 증 가할수록(즉, 체류시간이 짧아질수록) 황화수소의 부하 량은 증가한다. 습식플라즈마 장치에서 기체체류시간 에 따른 영향을 평가한 결과, 체류시간이 3초 보다 짧 아질 경우 제거되는 황화수소 양이 더 이상 증가하지 않았다. 동일한 에너지 투입조건에서 황화수소의 최대 분해능은 0.18 mg-H
2S/min 이었으며, 황화수소의 제거 능이 더 이상 증가하지 않는 원인은 유입유량 증가에 따라 황화수소 산화에 필요한 단위에너지(W/L)와 오 존의 농도가 감소하였기 때문이다.
투입되는 부유미생물은 유량에 따라 농도가 감소하 는 경향을 나타내었다. 이는 bioaerosol generator의 부 유미생물 발생량 대비 유량이 증가하여 미생물 농도가 감소하였기 때문이며, 부유 미생물의 농도는 동일한 액 기비 조건에서 부유미생물 발생량과 유량의 상관관계 에 따라 조절되어 인위적으로 조절하기 어려웠다. 부유 미생물 또한 반응시간에 따라 처리효율이 감소하는 경 향을 나타내었지만, 반응시간이 짧은 1.8초 조건에서도 75 % 이상의 제거효율을 나타냈다. 부유미생물은 가스 상 물질인 황화수소보다 거대입자로서, 플라즈마 반응 에 의해 방출되는 전자에 의해 하전을 띄우기가 쉬워 반응성이 커짐으로 상대적으로 높은 처리효율을 나타
낼 수 있다(Lackoski et al., 2003). 또한 플라즈마 반응 에 의해 생성된 오존은 강력한 산화력을 가지는 물질 로서 0.1 ppm 이상의 농도에서도 높은 살균력을 가지 는데, 부유미생물이 고농도 오존과 반응하여 세포막 등 이 손상되어 상대적으로 높은 처리효율을 나타낸 것으 로 판단된다.
결과적으로 습식플라즈마의 반응시간은 처리효율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이에 습식플라즈마 의 높은 처리효율을 얻기 위해서는 습식플라즈마 반응 기의 반응시간을 길게 조정하거나 높은 에너지 투입을 필요로 하는데, 이설 매몰지와 같이 특수한 현장은 반 응기의 부피를 증가하거나 높은 전력을 공급하기에 현 실적으로 많은 어려움이 있다(Parker et al., 2009). 악 취물질을 처리함에 있어 황화수소와 같이 특정 악취물 질이 발생할 경우 NaOH와 같은 염기성 약품을 사용 하여 처리효율을 증대 시킬 수 있으나, 대부분의 현장 에서 다양한 물질이 복합적으로 발생하기 때문에 특정 약품을 적용하기 쉽지 않다(Park et al., 2014).
3.2 습식플라즈마 액기비에 따른 대상물질 제거 3.2.1 액기비에 따른 황화수소 및 부유미생물 제거 습식플라즈마 반응은 공급되는 수분의 양에 따라 황 화수소 및 부유미생물의 제거 반응에 큰 영향을 미친 다(Chen et al., 2014). 하지만 과도하게 수분을 공급할 경우 플라즈마 전극 표면에서 수분의 영향으로 과전류 가 발생하여 전극을 손상시키거나 전원 공급 장치에 과부하를 초래할 수 있다. 이에 황화수소 및 부유미생 물을 효과적으로 저감하고자 적정 수분 공급량을 산정 하고자 하였다. 액기비에 따른 대상물질 제거는 0.18 mg-H
2S/min의 최대 제거량을 나타내기 시작한 3초 (30 L/min) 조건에서 액기비(liquid gas ratio)을 0.05~
0.25 mL
aq/L
g로 조절하였다. 습식플라즈마 시스템의 액
W L⁄ I A( ) V Volt× ( )Q L( ⁄
min
) Δt× (min
) ---=
Fig. 3. Effects of gas retention time for the removal of hy- drogen sulfide in the wet plasma.
Fig. 4. Effects of gas retention time for the removal of
bioaerosol in the wet plasma.
기비를 증가시켜 평가를 진행한 결과, Fig. 5와 같이 황화수소의 처리효율이 최대 2배(45→100 %) 이상 상 승하였다. 가습되는 미세수분이 황화수소 제거에 미치 는 영향만을 별도로 평가하기 위하여 플라즈마 장치의 전원을 차단하고 액기비 0.05 mL
aq/L
g조건에서 실험을 진행하였다. 그 결과 황화수소의 제거효율은 20 % 수 준으로서 습식플라즈마 반응대비 절반이하의 제거효율 을 나타냈으며, 부유미생물 또한 제거효율이 10 % 미 만이었다. 따라서 전체 악취 및 부유미생물의 제거는 미세수분의 흡수반응이 플라즈마 반응에 큰 영향을 미 치는 것으로 판단된다.
부유미생물의 제거는 Fig. 6과 같이 나타났다. 가습 장치에 의해 공급되는 수분의 증가는 황화수소와 같은 기체상 물질뿐 아니라 상대적으로 입자가 큰 부유 미 생물의 처리효율을 상승시켰다. 이에 각종 현장에서 발 생되는 악취물질 및 부유미생물 제거기술 적용시 반응 기 용량 증가 및 전력의 증설보다 액기비의 증가가 기 술적용 가능성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
3.2.2 액기비에 따른 오존의 발생
액기비의 변화는 황화수소 와 부유미생물의 제거효 율 증대와 더불어 배오존의 농도를 저감시키는 효과도 있는 것으로 나타났다. 습식플라즈마에서 발생되는 오 존은 투입되는 에너지에 큰 영향을 받을 뿐 Fig. 7과 같이 액기비에 영향을 받지 않았다. 반면에 액기비를 0.05 →0.25 mL
aq/L
g로 증가시킬 경우 배오존의 감소율 이 발생량대비 47 %에서 90 %로 약 2배 가량 상승하 였다. 배오존의 농도감소는 수분입자가 처리대상 물질 인 황화수소와 부유미생물을 흡수하는 과정에서 오존 을 동시에 흡수하였기 때문이다. 하지만 처리 이후에도 배오존이 잔존하여 이에 대한 추가 방안이 요구된다.
4. 결 론
본 연구는 악취물질과 부유미생물이 동시에 대기 중 으로 배출되는 현장에서 악취 및 부유미생물을 동시에 저감하기 위하여 습식플라즈마 장치를 이용하였다. 주 요 악취물질은 황화수소를 적용하였고 부유미생물은 환경지표 미생물인 Escherichia coli와 Staphylococcus aureus를 적용하였다. 실험결과 습식플라즈마의 반응시 간은 황화수소 및 부유미생물 제거에 큰 영향을 미치 는 것으로 나타났다. 특히 황화수소와 같은 가스상 물 질보다 부유미생물의 처리효율이 높았는데 이는 플라 즈마 반응에 의해 생성된 하전에 의해 거대입자가 극 성을 띄어 전극 표면에서 처리효율이 높아지는 것으로 판단된다. 황화수소의 처리효율을 증가시키기 위하여 액기비를 조절한 결과 액기비가 높아질수록 황화수소 의 처리효율이 최대 2배 이상 증가하였다. 특히 부유미 생물 보다 황화수소의 처리효율이 급격히 증가하였는 데 이는 황화수소의 특성상 수분에 흡수가 잘되고 산 화 및 분해에 미생물보다 큰 산화력이 필요하지 않기 Fig 5. Effect of liquid gas ratio for the removed H
2S in the
wet plasma reaction.
Fig 6. Effect of liquid gas ratio for the removed bioaerosol in the wet plasma reaction.
Fig. 7. Effect of liquid gas ratio for the reduction ozone.
때문이다.
습식플라즈마 반응에 의해 강력한 산화력을 가진 오 존이 생성되었는데, 오존의 발생은 액기비에 영향을 받 지 않고 투입되는 에너지에 의해 큰 영향을 받는 것으 로 나타났다. 생성된 오존은 황화수소와 부유미생물 제 거에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났지만 고농도 배 오존에 의해 다양한 환경 문제를 야기할 수 있다. 본 연구에서는 습식플라즈마 반응기로 유입되는 액기비를 조절함으로서 황화수소 및 부유미생물의 처리효율을 증가시키고, 배오존의 농도를 최대 90 % 이상 저감하 는 결과를 얻었다. 하지만 배오존의 농도가 상대적으로 높아 배오존 처리에 대한 추가적인 연구가 필요할 것 으로 판단된다. 결과적으로 습식 플라즈마 장치는 고농 도 악취 및 부유미생물이 동시에 발생되는 현장에서 안정적으로 높은 제거효율을 가지지만 배오존에 대한 효과적인 관리가 필요하다.
감사의 글
본 연구는 환경부 “토양·지하수오염방지기술개발사 업” 으로 지원받은 과제이며, 이에 감사드립니다.
References
