KR100481287B1 - 질석을 이용한 악취제거장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 악취물질을 흡착 제거하는 능력이 우수한 박리 팽창된 질석으로 이루어진 악취제거용 흡착제 및 이를 이용하여 악취를 제거하는 장치에 관한 것으로서, 탈취탑에 박리 팽창된 질석을 충진하여 상기 질석에 악취물질을 접촉시킴으로써 흡착제거하고 흡착이 완료된 질석의 높은 수분흡수특성을 이용하여 유기성 폐수 및 폐기물의 퇴비화 및 유기성 폐기물 함수율을 낮추는 첨가 물질로서 이용하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 질석(vermiculite)으로 이루어진 악취제거용 흡착제 및 이를 이용한 악취제거 장치에 관한 것으로서, 주로 분뇨 및 축산폐수 처리장, 사료, 퇴비화시설, 폐기물 처리시설 및 축산농업 등에서 발생되는 악취나 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)을 흡착능력이 우수한 질석을 이용하여 제거하는 장치 및 상기 장치를 이용하여 악취를 제거하는 방법에 관한 것이다. 또한 흡착이 완료된 질석을 이용하여 유기성 폐수와 폐기물의 퇴비화시 수분조절제로 이용하여 함수율을 낮추어 퇴비화 처리를 원활하게 하는 방법에 관한 것이다.
경제발전과 생활수준이 향상됨에 따라 악취제거 기술에 대한 관심도가 점차 높아지고, 악취발생시설의 관리 및 규제가 강화됨에 따라 악취제거시설이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 우리나라에서 최근 개정된 대기환경보전법에 따르면, 악취 규제대상으로 정해진 성분을 발생시키는 시설을 보유하고 있는 사업장에서는 의무적으로 악취제거시설을 설치하여야 하는 등 관련 규정을 강화하고 있는 추세이다.
한편 황화수소와 메틸메르캅탄과 같은 황화계 악취물질과 암모니아 및 아민류와 같은 질소계 악취물질은 냄새를 감지할 수 있는 최저농도인 감지한계농도가 매우 낮으며 발생원 주위뿐만 아니라 원거리까지 영향을 미치게 된다.
대기 중에 확산된 악취는 호흡시 후각을 통하여 감지되므로 곧 인체 내에서 반응을 나타나게 된다. 단시간 동안 악취물질에 노출되는 경우에는 혐오감, 불쾌감같은 심리적인 영향 또는 미미한 생리적 피해만을 나타내지만 장기간 동안 노출되는 경우 호흡기계의 점막을 자극하고, 혈압이나 맥박을 변화시킨다. 또한 악취물질이 저농도인 경우에도 식욕감퇴, 구토, 두통, 불면증, 알레르기 증상 등의 원인이 되며 작업능률이 저하될 뿐만 아니라 사업장의 생산성이 크게 저하되어 경제적 손실을 초래하게 된다.
종래에는 공기 속에 함유되어 있는 악취를 제거하기 위한 기술로 다양한 종류의 물리·화학적 및 생물학적 방법들이 사용되어 왔는 바, 그 대표적인 예로는 냉각응축법, 촉매연소법, 물리·화학적 흡착법, 세정법 및 미생물을 이용한 바이오필터 등이 있다. 그러나 이러한 방법들 중에서 물리·화학적 방법은 오염가스의 제거 효율은 높지만 시설비 및 재료비, 약품비 등과 같은 조업비가 많이 소요된다. 특히 연소법의 경우 분진과 각종 유해가스(SOx, CO, NOx)를 발생시키고, 세정법의 경우 폐수를 발생시키는 등 2차 오염물질이 발생하는 단점이 있다.
또한 종래의 생물학적 방법은 비용 문제, 미생물 관리기술의 부족 등으로 인하여 큰 효과를 보지 못하고 있는 실정이다. 따라서 악취나 휘발성 유기화합물을 제거함에 있어서 상술한 단점을 개선한 악취제거용 흡착제, 이를 이용한 장치 및 방법이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하여 악취물질 및 휘발성 유기화합물을 효율적으로 제거할 수 있는 악취제거용 흡착제, 보다 상세하게는 박리 팽창된 질석으로 이루어진 악취제거용 흡착제를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 악취제거용 흡착제를 충진탑에 충진하고 질석충진탑을 관통하여 흐르는 악취물질을 흡착처리하는 장치 및 이를 이용하여 악취물질 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 생물학적 방법으로 악취를 제거하는 장치에 있어서, 상기 장치에 사용되는 미생물 여재 및 이를 이용한 악취의 제거방법을 제공한다.
또한 악취제거를 한 후 흡착이 완료된 질석을 재활용하여 유기성 폐수 및 폐기물의 퇴비화시 수분조절제로 이용하여 함수율을 낮추는 방법을 제공한다.
본 발명은 주로 분뇨 및 축산폐수 처리장, 하수처리장, 사료 및 퇴비화 시설, 폐기물 처리시설, 그리고 축산농업에서 발생되는 악취나 휘발성유기화합물(VOC)을 제거시키기 위한 악취 제거용 흡착제, 이를 이용한 장치 및 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 생물학적 방법으로 악취를 제거하는 장치의 미생물 여재 및 이를 이용한 악취의 제거방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 흡착이 완료된 질석을 이용하여 상기 유기성 폐수 및 폐기물의 퇴비화시 수분조절제로 이용함으로써 함수율을 낮추어 퇴비화 처리를 원활하게 하는 방법에 관한 것이다.
질석은 운모(Mica)가 풍화 또는 열수변질에 의하여 생성된 것으로 SiO2, MgO, Al2O3를 주성분으로 하는 흑운모와 비슷한 삽층구조형 층상구조의 점토 광물이며 이를 가열하면 층간수가 탈수하고 이때 결정 속에서 발생하는 수증기의 압력 때문에 3 내지 30배까지 박리 팽창하는 성질이 있다. 질석은 백색, 황색, 녹색, 갈색 등 여러 가지의 색을 가지며 비중은 0.2 내지 0.3, 경도는 약 1.5로 연질이고 요곡성은 있지만 탄성은 없다.
경제적인 측면에서는 활성탄의 가격이 약 1,500∼2,000원/kg인 반면 질석은 300∼550원/kg으로 활성탄에 비하여 3.6∼5.0배 저렴하다.
본 발명에서는 상기 질석을 300 내지 1300℃, 바람직하게는 900 내지 1200℃ 에서 순간적으로 가열하여 박리 팽창시키는 전처리단계를 거친 후 악취제거용 흡착제로서 사용한다. 이 박리 팽창된 질석은 비중이 매우 낮고 우수한 단열성과 소리의 차단성을 가지고 있어 건축자재, 포장용 패킹재로도 사용되며 양이온치환용량과 유효양분의 함유율이 높아 농업용 비료, 토지개량재와 가축 사료의 원료로 사용된다. 상기 박리 팽창시킨 질석은 악취제거능이 있는 미생물이 성장· 증식하고 악취물질을 제거하는데 최적의 조건을 제공한다.
또한 상기 박리 팽창된 질석은 수분함량이 낮은 반면 수분흡수율이 우수하며 양이온 교환능력이 높아 상기 질석 자체만으로도 악취물질을 흡착 제거하는 능력이 있다.
상기 박리 팽창된 질석의 물리화학적 특성은 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같다.
| 특 성 | 물 성 치 |
| 겉 비 중 | 0.07∼0.25 g/cm3 |
| 열 전 도 율 | 0.02∼0.054 kcal/mh℃ |
| 안 전 사 용 온 도 | 1000∼1200 ℃ |
| 압 축 강 도 | 5∼15% Deform |
| 팽 창 계 수 | 982℃에서 3% |
| pH | 7 |
| 불 연 성 | 불연1급 |
| 화학성분 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | 기타 |
| 함유량% | 52∼62 | 14∼18 | 8∼10 | 0.4∼0.6 | 8∼10 | 2.5∼4 | 0.1∼0.2 | 4∼6 |
한편, 질석에 함유되어 있는 영양분 및 미네랄 등은 지속적으로 미생물에게 공급되어 미생물의 활동도를 높이고 부하변동에 대하여 내성을 갖게 한다. 또한 상기 박리 팽창된 질석은 미세 공극이 많이 존재하므로 다량의 미생물을 고정화시킬 수 있으며, 보온 및 공기 유통이 매우 용이하므로 미생물의 성장이 빠르고, 악취물질 및 산소와의 접촉률이 증가됨으로써 효율을 향상시킨다. 따라서 본 발명의 질석은 악취를 제거하는 미생물의 고정화 및 증식·성장에 매우 효과적이며 악취제거장치 중 하나인 바이오필터의 미생물 여재로 사용 가능하다.
악취 제거에 사용될 수 있는 미생물로는 Nitrobactor, Nitrosomonas, Nitrosococcus, Alcaligenes, Thiobacillus, Pseudomonas, Bacillus, Purple Sulfur Bacteria 속의 미생물을 사용할 수 있으며 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 미생물은 질석이 충진된 질석충진층에 접종 배양함으로써 고정화시킨다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 악취제거 장치는 흡착탑(1)의 외부 일측에 구비되어 악취가스를 유입시키는 유입구(2)와, 유입된 악취가스에 함유되어 있는 분진 및 수분을 제거하는 프리필터(Pre-Filter)(4), 악취물질을 흡착·제거하는 질석이 충진된 흡착층(5), 처리된 가스가 배출되는 스택(Stack)(7), 악취물질로 완전히 흡착된 흡착층(5)내의 폐질석을 배출하는 슬라이드 게이트(slide gate)(8), 폐질석을 흡착층(5)으로부터 제거한 후 새로운 질석을 충진시킬 수 있도록 하는 탑도어(Top door)(9) 및 포집된 악취가스를 흡착탑(1)내부로 이송시키고 처리된 가스를 배출시키는 배기팬(3)으로 구성된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시태양의 악취제거 장치로서 크게 반응조(10)와 탈취탑(11)으로 구성되어 있으며, 반응조(10)의 내부 일측에는 악취물질을 분해시키는 미생물의 서식처로서 최적의 환경을 제공하는 질석을 여재로한 미생물 충진층(12), 포집된 악취가스를 반응조(10)로 유입시키는 배기팬(3), 산기관(6)을 거쳐 유입되는 악취물질을 용해시키기 위한 세정액이 채워져 있는 세정부(15), 상기 반응조(10)의 상단 일측에 위치하고 세정액을 분사하여 악취물질과 세정액의 접촉면적을 증가시키는 분사노즐(14), 세정부(15) 바닥면의 세정액을 상기 분사노즐(14)로 유입시키는 순환펌프(13) 및 미처리된 잔존 악취가스를 흡착제거시키기 위해 질석을 충진시킨 탈취탑(11)으로 이루어진다.
이하 상술한 구성 및 설명에 의거 본 발명의 일실시예에 따른 작용을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 제1의 실시예에서는 포집된 악취가스가 배기팬에 의하여 유입구(2)를 거쳐 흡착탑(1) 내부로 이송된다(도 1 및 도 2 참조). 상기 이송된 악취가스는 프리필터(4)를 통과하며 악취가스가 함유하고 있던 분진과 수분이 제거되는데, 이는 흡착층(5)에 충진되어 있는 질석의 수명을 증가시킬 뿐만 아니라 배기팬(3)의 잔고장을 줄일 목적으로 사용된다. 한편, 상기 프리필터(4)를 통과한 악취가스는 질석으로 충진된 흡착층(5)을 통과하며 가스내 악취물질인 암모니아, 황화수소 등의 물질이 흡착 제거되고 처리된 가스는 배기팬(3)에 의해 산기관(6)과 스택(7)을 통과하여 대기로 배출된다.
또한 본 발명의 제2의 실시예에서는 포집된 악취가스가 배기팬(3)에 의하여 산기관(6)를 통해 세정부(15)로 유입된다(도 3 참조). 유입된 악취가스의 일부는 세정부(15)내에 존재하는 세정액에 용해되고 나머지는 세정부(15) 상측에 구비되는 충진층(12)으로 유입되어 질석 및 질석에 고정되어 있는 미생물에 의하여 흡착·분해 제거된다. 이때, 순환펌프(13)에 의해 세정부(15)의 세정액이 분사노즐을 통하여 반응조(10) 내부로 순환 분사되면서 악취가스는 상기 세정액에 의하여 다시 한번 용해된다. 한편, 상기 반응조(10)의 처리과정을 거친 가스는 산기관(6)을 거쳐 박리팽창된 질석이 채워져 있는 탈취탑(11)의 하부로 공급된다. 상기 탈취탑(11)으로 공급된 잔존 악취물질은 탈취탑(11)에 채워져 있는 질석에 의해 완전 흡착 제거된 후 배출관(16)을 거쳐 대기로 배출된다.
한편, 흡착이 끝난 탈취탑(11) 내부의 질석 및 슬라이드 게이트(8)로부터 배출되는 질석은 유기성 폐기물 함수율을 낮추는 유기성 폐기물 수분조절제로 사용할 수 있다.
본 발명의 악취제거 능력을 평가하기 위해 다음의 실험예에 따라 실험하였다.
<실험예 1> 황화수소 흡착실험
본 실험에서는 악취물질로서 황화수소를 사용하였으며, 흡착탑은 높이가 19.2cm, 내경이 3cm인 아크릴관으로 제작하였다. 흡착탑에 충진된 질석의 높이는 13.8cm이고, 상기 질석은 미성산업으로부터 구입하였으며, 흡착탑에 충진하기 전 950 내지 1100℃로 순간 가열하여 박리팽창시키고 90℃에서 1시간 동안 건조시킨 후 충진하여 사용하였다. 상기 흡착탑으로 유입되는 황화수소의 농도(C0)는 4.6ppm으로 주입하였으며 유입속도(v)는 1005㎖/min, 총 실험시간은1시간 50분 소요되었다. 이때 흡착탑을 통과한 배출가스의 농도는 FTD(SHIMADZU GC-14B)로 분석하였다.
상기 실험 결과, 황화수소의 파과곡선은 일반적인 흡착실험에서 나타나는 전형적인 파과곡선인 "S"형태를 나타내지 않고 도 4와 같은 형태를 나타내었다. 흡착제 부피당 흡착되는 흡착 용량을 측정하기 위해서 도 5에 나타낸 바와 같이 시간 대 ln(Co/C-1)의 그래프로부터 절편과 기울기를 결정하였으며 직선식은 수학식 1과 같았다. 여기서 절편은 N0(흡착용량) × D/C0 × v 이고 기울기는 -1/k × C0가 된다.
수학식 1에 의해 계산한 흡착 용량은 0.0234g/cm3 이었으며, 질석의 비중은 0.2, N0(흡착용량)는 0.117g H2S/g 질석이며 이를 표 3에 나타냈다.
| H2S 흡착능 (g/g) | 비중 | 비 고 | |
| 활성탄 | 0.043 | 0.5 | - |
| 질 석 | 0.117 | 0.2 | 활성탄의 2.7배 |
<실험예 2> 암모니아 흡착실험
실험예 1과 동일한 방법으로 실험하되, 악취물질로서 암모니아를 사용하였으며, 질석의 무게는 16g이고, 흡착탑에 충진하는 흡착제의 높이는 12cm, 부피는 85cm3이었다. 총 실험 시간은 2시간이었고, 유입속도(v)는 1005㎖/min (선속도=8535.03cm/hr) 암모니아의 주입 농도(Co)는 5.5ppm이었다. 배출가스의 농도는 FTD(SHIMADZU GC-14B)를 이용하여 분석하였다. 암모니아의 파과곡선은 도 6에 나타낸 바와 같았고 실험예 1의 파과곡선 형태와 유사하였다.
암모니아의 흡착제 부피당 흡착되는 흡착 용량은 실험예 1과 같은 방법으로 계산하였으며 흡착 용량 곡선은 도 7과 같았다.
수학식 1에 의해 계산한 흡착 용량은 0.0809g/cm3이었으며, 질석의 밀도는 0.25, N0(흡착용량)는 0.356g H2S/g 질석이며 이를 표 4에 나타냈다.
| NH3 흡착능 (g/g) | 비중 | 비 고 | |
| 활성탄 | 0.018 | 0.5 | - |
| 질 석 | 0.356 | 0.25 | 활성탄의 19.8배 |
<실험예 3> 수분조절 실험
악취처리 후 포화 흡착된 질석은 퇴비화시 유기성 폐기물의 적정 수분함량 조절을 위한 유기성 폐기물 수분조절제로 사용할 수 있고 이를 위한 사용량은 다음과 같다.
퇴비화할 수 있는 원료는 축산 분뇨, 탈수 슬러지 및 음식물 쓰레기가 있고 각 원료의 수분함량은 90%(농가에 따라 ±5% 차이 있음), 80%(처리장에 따라 ±2% 차이 있음) 및 85%(계절에 따라 ±5% 차이 있음)로 나타났다. 따라서 질석의 수분함량을 9.7%, 비중을 0.15로 하여 퇴비원료 1톤당 필요 질석 투입량을 정하면 표 5와 같다.
| 목표함수율 | 50% | 60% | 70% | |||
| 질석투입량 | 질량(톤) | 부피(m3) | 질량(톤) | 부피(m3) | 질량(톤) | 부피(m3) |
| 축산분뇨 | 1.0 | 6.7 | 0.6 | 4.0 | 0.3 | 2.0 |
| 탈수슬러지 | 0.7 | 4.7 | 0.4 | 2.7 | 0.2 | 1.3 |
| 음식물쓰레기 | 0.9 | 6.0 | 0.5 | 3.3 | 0.2 | 1.3 |
상기 표 5는 퇴비화 탄소원으로 톱밥류를 사용하지 않고 퇴비원료와 질석만을 혼합할 경우의 결과이다. 또한 상기 퇴비 원료의 함수율을 낮추기 위해 진공 증발기나 원심분리기 및 벨트프레스와 같은 고액분리를 위한 전처리시설을 하거나 악취제거 장치의 악취 부하량에 따라 질석 투입량을 물질수지에 따라 적절히 조정할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 악취물질의 흡착효율이 높고 악취물질에 대한 분해능이 좋은 미생물을 다량 고정화시킬 수 있는 박리 팽창된 질석을 흡착제로 사용함으로써, 종래에 사용되던 물리·화학적 방법을 이용한 악취 및 휘발성 유기화합물 제거장치와 비교하여 초기 투자비와 유지비를 최소화할 수 있으며, 높은 흡수특성을 갖는 흡착이 완료된 질석을 이용하여 유기성 폐수 및 폐기물의 퇴비화시 수분조절제로 사용하여 함수율을 낮추는 방법에 사용하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 악취 제거 장치의 우측면도
도 2은 본 발명의 악취 제거 장치의 평면도
도 3는 본 발명의 또 다른 악취제거 장치의 구성도
도 4는 황화수소 흡착 파과곡선
도 5는 황화수소 흡착 용량곡선
도 6은 암모니아 흡착 파과곡선
도 7은 암모니아 흡착 용량곡선
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 흡착탑 2 : 유입구
3 : 배기팬 4 : 프리필터(prefilter)
5 : 흡착층 6 : 산기관
7 : 스택(stack) 8 : 슬라이드게이트(slide gate)
9 : 탑도어(top door) 10 : 반응조
11 : 탈취탑 12 : 질석을 여재로 한 충진층
13 : 순환펌프 14 : 분사노즐
15 : 세정부 16 : 배출관
Claims (9)
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- 흡착탑(1)의 외부 일측에 구비되어 악취가스를 유입시키는 유입구(2), 유입된 악취가스에 함유되어 있는 분진 및 수분을 제거하는 프리필터(4), 300℃ 이상에서 가열하여 박리 팽창시킨 질석에 미생물을 고정화시킨 악취제거용 흡착제가 충진된 흡착층(5), 상기 흡착층(5)을 통과하며 처리된 가스가 배출되는 스택(7), 악취물질로 완전히 흡착된 상기 흡착층(5)내의 폐질석을 배출하는 슬라이드 게이트(8), 폐질석이 제거된 흡착층(5)내에 폐질석을 충진시킬 수 있도록 하는 탑도어(9) 및 악취가스를 흡착탑(1)내부로 이송시키고 처리된 가스를 배출시키는 배기팬(3)을 포함하는 악취제거장치.
- 반응조(10)의 내부 일측에 300℃ 이상에서 가열하여 박리 팽창시킨 질석에 미생물을 고정화시킨 악취제거용 흡착제를 여재로한 미생물 충진층(12), 배기팬(3), 세정액이 채워져 있는 세정부(15), 상기 반응조(10)의 상단 일측에 위치한 분사노즐(14), 상기 세정부(15) 바닥면의 세정액을 상기 분사노즐(14)로 유입시키는 순환펌프(13) 및 질석을 충진시킨 탈취탑(11)을 포함하는 악취제거장치.
- 제 4항에 따른 악취제거장치로 악취를 제거하는 악취제거방법.
- 제 5항에 따른 악취제거장치로 악취를 제거하는 악취제거방법.
- 제 7항에 있어서, 세정부(15)의 세정액이 분사노즐을 통하여 반응조(10) 내부로 순환 분사되면서 악취가스를 상기 세정액에 의하여 용해시키는 것을 특징으로 하는 악취제거방법.
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