배기가스의 바이오 여과

배기가스의 바이오 여과

충북대학교 목재종이과학과

신 수정

크라프트 펄핑 배기가스

• 크라프트 공장의 악취 가스

– H₂S, methyl mercaptam (CH₃SH), dimethyl sulfide (CH₃-S-S-CH₃)

– Total reduced sulfur (TRS)

• 크라프트 펄핑공정에서 리그닌에 존재하는

methoxyl기가 친핵적 치환 반응에 의하여 생성됨

•

• 다이제스터에서 압력을 배출하기 위한 기체 제거 공정이나 흑액의 농축과정에서 응축수를 회수하는 과정에 응축수에 녹아 있는 기체가 배출됨

친핵적 치환 반응

– HS-가 친핵체로 작용하여

– 리그닌내 methoxyl와 methyl mercaptan을 형 성하면서 리그닌의 demethoxylation 반응을 유도

• S_N2

• S_N1

TRS 배출

• 1960년대 3.0kg/ton에서 1990년대 0.5kg/ton으로 감소

• 아주 낮은 농도도 인간의 후각에 의하여 민감하게 반응

• Ppb (십억분의 일)에 해당하는 수준에서도 인간이 감지할 수 있음

• 펄프 공장 주변 민원의 원인이됨

NSSC 펄핑공장에서 배기가스

• 크라프프 공장 만큼 심하지 않음

• 냄새의 주 원인이 methylmercaptan이나 dimethyl sulfide가 없음

• SO₂, NOx에 대한 배출은 크라프트 공장 과 유사

아황산 펄프공장 배기가스

• 대부분이 산성 조건에서 운전

• SO

가 주요 배출배기가스

• 공정이 잘 운용되면 유기 환원 황 화합물이 생성되지 않음

• 이산화 황이 유기환원황 화합물 보다 냄새에 대한 민감도가 100배 이하로 떨어지기 때문 에 냄새에 대한 민원은 거의 발생하지 않음

• 암모니아계 염을 사용하는 경우 질소산화물

배기가스가 문제가되기도 함

배기가스 처리 방법1

• 기상 방법

– 악취의 원인이되는 물질을 덜 악취의 물질로 화학 적으로 전환시킴

– 오존에의한 악취가스의 산화가 시도되었지만 공 정의 비용때문에 폐기됨

• 액상 방법

– 액체에 냄새의 원인이 되는 기체가 흡착되도록 함 – 흡착된 기체를 다시 처리해야 하는 문제를 앉고

있음

– 냄새의 원인이 되는 성분이 용해도가 높은경우에 적용할 수 있음

배기가스 처리 방법2

• 고체상 처리법

– 흡착체 표면에 흡착되도록하는 처리방법

– 활성탄이 소량의 냄새성분을 제거하는데 효과적

– 표면 미세공극에 냄새성분이 흡착되어 포화되면 냄새성분 을 제거하고 표면의 공극을 재생시켜야 함

• 연소

– 고온에서 이산화탄소와 물로 연소시킴

– 유기성분의 농도가 낮기때문에 에너지 비용이 큼

– 촉매를 사용하여 연소온도를 낮추면 연료소비를 줄일 수 있음

– 잘 알려진 배기가스에만 사용이 가능하다. 촉매와 반응하 여 독성 배기가스가 만들어지는 경우 큰 문제가 될 수 있 음

배기가스 처리 방법3

• 생물학적 처리법

– 화학적 처리법의 경우 에너지 소비가 큼

– 약품(산화제)가 필요하다는 것도 화학적 처리 법의 단점

– 생물학적 처리의 경우

• 무해하거나 덜 유해한 화합물로 전환시킴

• 상온과 상압에서 반응이 주로 일어남

• 장비가 싸고 운전하기 용이

• 공정운영이 상대적으로 저렴한 비용

배기가스-생물학적 처리

• 미생물에 의한 휘발성 성분의 제거- 미생물이 영 양원으로 이용하기 때문

• 다양한 종류의 유기물과 무기물이 미생물 대사에 의하여 제거됨

• 미생물이 습기 조건을 선호하기 때문에 대부분 aqueous phase에서 반응이 일어나고 반응 중 산 소가 필요한데 공기중의 산소가 액상으로 이동하 여 필요한 산소를 충족

• 산소의 공기에서 액상으로 이동이 공정 조작에서 중요한 요인 중 하나

• 미생물은 물에 퍼져 있거나 담체에 고정되어 있도 록 설계

바이오 필터1

• 바이오 필터는 습기가 많은 오염된 공기나 오염된 배가가스가 공해물질을 분해나는 미생물이 고정화 된 다공성 packed bed를 통과 시키면서 분해는 반 응기

• 휘발성 유기화합물과 냄새의 원인이 되는 가스를 분해

• 흡착/흡수 및 생물학적 산화 반응이 일어남

• 바이오 필터내 미생물의 활성이 충분하면 흡착이 나 흡수된 물질들이 미생물에 의하여 산화

• 반응 산물이 이산화탄소, 물, 무기물 염 그리고 생 장된 미생물 바이오매스

바이오 필퍼2

• 느스한 층의 고체, 흙, 압착 케이크 표면에 미 생물이 고정된 층으로 바이오 필터를 제작

• 폐기 가스가 이런 단위를 강제적으로 유도된 흐름에 의하여 통과 되도록 함

• 유속이 빠른 공기의 흐름이나 휘발성 유기물 함량이 1000ppm 이상도 처리가 가능

• 가격 경쟁력이 있고 휘발성유기물에 대한 규

제가 강화되면서 이런 공정에 대한 관심이 커

져가고 있음

바이로 필터3

• 흙 필터

– 개방형 시스템을 통과하도록 설계

– 미생물의 분해 능력을 향상 시키기 위하여미리 영 양분을 공급하기도 함-배기 가스 처리 이전에

– 장비가 일반적으로 지하에 설치되며 지상부와는 흙으로 접촉하도록 되어 있음

– 기후 조건에 영향을 받음-강수, 서리, 온도 변화 – 상대적으로 넓은 면적을 필요로 함

바이오 필터4

• 폐쇄형

– 폐기 기체가 가습된 여러 개의 디스크나 층상의 반응기를 통과하도록 설계

– 각 층이나 디스크에 충전 물질이나 매체, 영양분, 배양된 미생물등으로 구성되어 있음

– 이런 층을 통과하면서 미생물에 의하여 폐기 기체 내의 유기물이 산화되도록 설계

– 폐기 기체에 맞게 미생물이나 미생물 영양분의 설 계가 가능

– 사용된 층은 비료로 사용이 가능

바이오 필터 미생물1

• 공기 중 존재하는 몇 가지 알려진 화합물을 포함하는 폐기 기체를 처리할 수 있는 미생물 은 몇 가지로 매우 제한적임

• 미생물을 배지에 배양한 것을 필터층에 접종 하여 사용하는 것이 일반적

• 실제 폐기 배기 가스에는 다양한 오염물질이 존재하고 이것을 분해하기 위해서는 다양한 미생물을 필요로 함

• 퇴비 물질안에 다양한 미생물을 포함

• 폐수처리장의 활성 슬러지내에 다양한 미생

물 접종물이 포함되어 있음

바이오 필터 미생물2

• 박테리아 (bateria)

• 방선균류(actinomycete)

• 균 (fungi)

• Heterotropic 미생물 (종속영양미생물)

• Cf chemotropic 미생물 (화학합성 미생물)

• 배기가스에서 배출되는 폐기 기체를 유기 영양원으로 사용할 수 있어야

바이오 필터 미생물3

• 토양이나 퇴비에 다양한 미생물이 포함되어 있음

• 토양내 미생물

– Autotropic bateria (자가영양 박테리아) – Heterotropic bateria

– 하수구내 악취를 제거하는 능력을 가짐 (황화수소 처 리에 효과가 좋음)

• 퇴비내 미생물

– 바이오 여과의 미생물로 널리 사용됨 – 퇴비가 미생물의 지지체로 역할을 함

– 폐수 처리장의 슬러지내 미생물을 바이오 필터 처리 미생물로 사용할 수 있음

바이오 필터의 충전 물질1

• 토양, 퇴비, 수피나 다양한 물질이 바이오 필터의 충전 물질로 사용되어 왔음

• 미생물에 대한 물리적인 지지 뿐만 아니라 수분을 유지하는 능력을 띄고 있고 무기영양물질을 공급 하는 역할을 함

• 유럽에서는 대부분 퇴비 사용

– 값싼 재료

– 영양물질을 함유

– 완충 능력을 가질 뿐 아니라 무기영양물질 공급

– 시간이 지남에 따라 고밀화되면서 충전 능력이 떨어 짐

바이오 필터의 충전 물질2

• 충전 물질의 역할:

– 바이오 필름의 지지체 – 수분 저장

– 오염물질이나 영양성분의 흡착

– 충전물질내 유기물이 상당부분 존재하는데 이 것은 미생물 대사과정에서 영양원으로도 이용 – 단위부피당 단위면적이 큰 지지체가 단위 부

피당 바이오 필터의 처리 능력이 큼

충전물질

• Peat

– 이탄, 석탄, 탄화 정도가 낮은 석탄

• Perlite

– 펄라이트(en | perlite)는 화산 작용 으로 생긴 진주암 을 850~1200 °C로 가열, 팽창해 만든 인공 토양 이다. 진주암을 순간적으로 고열로 가열하면 안에 있던 수분(2~6%)이 밖으로 나 와 팽창하는 현상을 이용해 생산된다 (위키피 디아)

• Bioton

바이오여과 공법의 발전1

• 1966년 토양을 충전 물질과 미생물 매개 체로 냄새의 원인이 되는 환원황 처리 기 술이 개발됨

• Thiobacilus계 heterotrophic 박테리아

• 미생물 생육에 최적 조건이 필요

– 온도 – 함수율 – pH 등

바이오여과 공법의 발전2

• 휘발성 유기물 제거가 가능

• 처리에 필요한 토지 면적이 너무 넓고 이런 시스템 을 산업에 도입하기 위해서는 공정 콘트롤에 어려 움이 있기 때문에 산업에 적용하는 데는 어려움

• 바이오 여과 장치를 이용하여 펄프공장에서 배출 되는 alpha-pinene의 처리에 성공

– 바이오 필터의 매질은 목재 칩이나 버섯 재배 후 버려 지는 폐골목을 사용

– 갑작스러운 유기물 투하가 늘어나는 경우 바이오 여 과의 효율이 급격하게 떨어짐

– 하지만 48시간 이내에 정상적으로 기능을 회복함 (유 기물 투하가 원래 조건으로 돌아 오면)

바이오여과 공법의 발전3

• 1966년 토양을 충전 물질과 미생물 매개 체로 냄새의 원인이 되는 환원황 처리 기 술이 개발됨

• Thiobacilus계 heterotrophic 박테리아

• 미생물 생육에 최적 조건이 필요

– 온도 – 함수율 – pH 등

1990년대 말 상태

• 유럽국가들에서 이미 잘 정립된 기술

• 인간에게 유해하거나 휘발성 유기물을 처리하는데 효과적

• 독일, 네덜란드

– 화학 제조, 화학약품 저장, 접착제 생산, 코팅 작업(도장, 페인트 코팅), 폐유 재활용, 향기 산업, 담배 제조, 산업 폐수 처리 공정 등에서 적용 – 91-99%의 냄새제거와 71-95% 휘발성 유기물 제거 효과를 보임

• 미국

– 바이오 필터 공정의 도입이 시작됨

• 뉴질랜드

– 40% 이상 축산 가공공장에서 채택 – 일반적으로 효과적임

바이오 필터 성능에 영향을 미치는 요인들

• 기본적인 요인

– 미생물 배양 – 충전 물질

• 기타 요인

– 필터층의 이물질이 퇴적되는것을 막기 위하여 적 절한 분리 방법으로 먼지와 에어로졸이 필터층에 유입되지 않도록 제거해야 한다

– 배기가스를 수증기 층을 통과시켜 먼지 제거해야 함

– 미생물에 독성을 갖는 배기가스 이외의 성분에 의 하여 바이오 필터가 작동하지 않을 수도 있음

장점, 단점 그리고 전망

• 배기가스 처리에서 미생물 필터가 갖는 장점들

– 비용 절감

– 상대적으로 낮은 온도에서 처리 가능 – 자가 생산 (self-generating)

– 유지 비용이 적게 들어감 – 수명이 길다

– 친환경적

– 대부분의 휘발성 유기물을 이산화탄소와 물로 산화 시킴 – 부산물 발생이 거의 없다

– 오랜 기간 사용하지 않고 다시 사용을 개시하여도 미생물 이 효과를 발휘하는데 걸리는 시간이 짧다.

–

장점, 단점 그리고 전망

• 배기가스 바이오필터가 공정적용이 느린이유

– 황화물의 산화에 의하여 황산염이 농축되면 바이 오 필터의 생물학적 능력이 현격하게 떨어짐

– Sulfate를 주기적으로 세척하여 독성 수준에 도달 하지 않도록 해야 함

– 배기가스 중 methanethiol성분이 존재하면 DMS 의 제거능력이 상당하게 감소함

– 여러가지 배기가스 성분을 제거하는데 적정 미생 물의 생육조건이 다르면 다단계 바이오 필터 시스 템이 필요

• 1차 컬럼에서 H₂S와 methanethiol제거

• 2차 컬럼에서 DMS를 제거

장점, 단점 그리고 전망

• 바이오 필터의 전망

– 근본 원리에 대한 기초적인 이해가 필수적인 데 바이오 필터의

– 대규모 공정에 적용하였을 때 실패하거나 성 능이 우수하지 못한 경우가 보고되었음

– 바이오 필터가 더 성공적으로 운영되기 위하 여

• 최적의 운전 조건을 위한 바이오 반응기의 설계

• 다양한 폐기 가스 오염물질을 분해할 수 있는 미생 물들에 대한 이해 및 공정 적용 특성