1.서 론

최근 악취민원의 급증으로 알 수 있는 바와 같이 생 활여건의 급격한 개선으로 환경오염에 대한 국민의 관 심이 크게 증가하고 있다(Gong et al., 2016). 그 중에 악취는 다른 오염물질과는 달리, 규제기준이 모호할 뿐 아니라 극히 낮은 농도에서도 감지되며 개인적으로 후 각의 민감도가 달라 피해정도를 정확히 표현하기 어렵 다. 또한, 악취유발 물질의 종류가 대단히 많아 측정이 어렵고 물질간의 다양한 상호반응 및 복합작용으로 일 정한 기준에 의해 규제하기도 어려워 2005년 악취방지 법 제정 이후에도 많은 민원의 대상이 되고 있다. 국내 환경부에서 지정하고 있는 22종의 악취물질 중 대표적 인 악취 원인물질인 암모니아와 황화수소의 경우 독성 과 유해성이 있으며 정화조 등 암모니아와 황화수소 노출에 따른 다양한 재해가 국내외에서 끊임없이 발생 하고 있다(Oh and Kim, 2016). 또한, 염색공정이나 식 품공정에서 발생되는 아세트산의 경우 최소감지취기농 도가 0.006 ppm로 매우 낮아 공단 주변의 환경을 크게 악화시키는 원인물질 중 하나가 되어왔다.

악취를 저감하기 위한 노력은 발생시설별로 원인물 질을 파악하는 등 지금도 꾸준하게 진행되고 있다 (Jeon et al., 2010). 현재 악취처리 공정은 일반적으로 활성탄 흡착법, 약액세정법이나 플라스마 방전에 의한 오존산화 등 물리-화학적인 처리가 주로 행해지고 있 다(Ahn et al., 2016). 그러나 이들 처리법은 높은 습도 의 배기가스에 직접 적용하기 어렵고 처리비용이 비싸 며 2차 공해물질이 발생되는 등 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 이에 반해 생물학적 처리공정은 처리비용 이 저렴하고 2차오염의 위해가 없으며 장치가 단순하 고 효율이 높아 가장 바람직한 처리방법이 될 수 있다 (Oh et al., 2009). 생물학적 처리방법으로는 활성슬러 지에 의한 탈취법, 토양미생물을 이용한 트렌치, 담체 를 충전한 바이오필터 등이 널리 사용되고 있는데, 이 중 적절한 담체를 충전한 바이오필터는 장치 및 조작 이 단순하고 높은 처리효율과 낮은 압력손실로 인해 각광을 받고 있다(Yoon et al, 2016). 열거된 많은 장점 에도 불구하고 악취발생원이 다양한데 비해 담체 미생 물이 분해할 수 있는 한정된 물질에만 적용될 수 있으 며, 생물막에 의한 막힘현상(clogging)이 해결하여야 할 문제점으로 지적되어 왔다(Van Langenhove et al.. 1986). 따라서 본 연구에서는 적절히 생물막이 성장할 수 있는 서식공간을 제공하면서 낮은 압력손실과 높은 제거효율을 갖는 적절한 담체로서 소결유리담체로 지 지체를 구성한 나무껍질 담체를 선정, 폐기물을 재활용 하는 동시에 기존 바이오필터의 단점을 개선할 수 있 는 방안을 제시하고 실험실 규모의 반응장치를 제작하 여 실험을 통한 현장 적용가능성을 타진하고자 하였다.

2.실험 및 분석방법

2.1.실험장치

실험에 사용된 담체는 흡습성, 다공성 및 영양물질 보유의 우수성 등 특징을 가진 수입 미송나무의 껍질 을 선택하여 I시 소재 원목 적하장에서 채취한 후 가로 및 세로의 높이를 각각 20 mm로 절단하여 사용하였다. 반응기 하단에는 순환수와 악취가스의 재분배를 통해 라쉬링(raschig ring)형태의 소결유리담체를 채웠으며 담체의 지지를 위하여 스테인레스 스틸망을 각 단 사 이에 위치시켰다. Fig. 1은 실험에 사용된 마개흐름 형 식의 바이오 필터의 장치도를 나타낸 것으로서 주요 구성요소는 브로워, 악취발생조, 담체 반응조, 순환수 저장조이다. 유량계로 제어되는 브로워에서 배출되는 일정량의 공기는 악취성분이 포함된 액상물질이 들어 있는 악취발생조에 산기관을 통해 유입된다. 악취물질 이 포함된 공기는 반응기 하부로 유입되며 충분히 설 정한 발달영역(developing zone)을 거쳐 1단의 소결유 리 담체(sintered glass media)층과 나무껍질 담체층을 차례로 통과하고, 2단에서도 동일한 순서로 통과한 후 반응기의 상부로 배출된다. 반응기 습도조절을 위한 순 환수는 순환수저장조로부터 순환수 펌프와 제어부에 의해 일정시간 간격으로 반응기 상부에 위치한 분사노 즐을 통해 균일하게 공급되며, 담체층을 통과하여 반응 기 하부에 도달한 순환수는 다시 순환수 저장조로 모 이게 된다. 이 장치의 핵심적인 부분인 반응기는 내경 이 200 mm인 투명 원형 아크릴 관으로 제작되었으며 순환수와 악취가스의 재분배를 원활히 하기 위해 2개 의 독립적인 단으로 구성하여 각각 담체를 충전하였다. 각 단의 높이는 600 mm이며 소결유리담체와 나무껍질 담체를 1:5의 비율로 충전하였으며 소결유리담체의 경 우 미생물막이 부착이 어려워 폐색을 방지하면서 흡습 성과 내구성이 높아 담체의 수분조절과 함께 나무껍질 담체의 유실을 방지하는 목적으로 사용하였다.

2.2.실험조건

제작된 바이오필터의 성능을 확인하기 위해 인공악 취원을 직접 제조하였다. 유입공기에 인공악취원에서 발생된 악취가스가 유입될 수 있도록 충분히 접촉시켜 악취유발물질이 포함되게 한 후 유입 및 처리가스의 농도를 분석하였다. Table 1은 본 실험에서 사용된 시 료의 구성비를 나타낸 것으로서 아세트산과 수돗물을 1:1의 비율(v/v)로 혼합한 후 30%의 암모니아수를 용 적비로 다시 15%를 섞어 인공악취 원수를 제조하였다. 인공악취원은 적당한 악취강도의 복합악취를 발생시키 기 위하여 인공악취 원수와 J사의 주정폐수를 다시 1:1 의 비율(v/v)로 혼합하였다. 암모니아는 담체에 부착된 미생물의 질소원으로도, 주정폐수의 경우 영양원소 공 급기능도 하게 된다. 실험기간 중 일정 취기강도를 유지 하기 위하여 2일 간격으로 악취발생원수를 교체하였다.

바이오필터는 일반적으로 200 m³/m²-hr (8.3 m³/m²- min)이하의 부하로서 설계된다(Van Langenhove et al.. 1986). 본 연구에서는 이를 고려하여 Fig. 2에서와 같 이 악취발생원수로 연결된 브로워의 풍량을 2.5~3.5 m³/hr로 변경하면서 3.1~4.4 m³/m²-min의 표면적 부하 및 0.27~0.38 min의 체류시간에서 실험하였다.

담체 내 적절한 수분유지를 위해 30 L의 순환수를 반응기 상부에 위치한 분사노즐로부터 매 100분마다 3 초간 분사하여 순환시켰으며 부착미생물의 성장을 돕 기 위해 Table 2과 같은 영양물질이 함유된 용액을 제 조하여 100:1의 비율(v/v)로 첨가하였다. 순환수의 pH 는 중성으로 유지하고자 하였으며 분석용 시료는 반응 기 상부 및 하부에 위치한 샘플링포트에서 채취하였고 채취 즉시 분석하였다.

2.3.분석방법

악취측정은 특성 상 암모니아나 황화수소 등 몇몇 물질을 제외하고는 화학분석이나 기기분석 만 으로는 인간의 후각을 대신하기 어렵고 정확한 측정이 불가능 하다(Gong et al., 2016). 악취의 질이나 강도 등을 종 합적으로 판단하기 위해 화학분석법과 기기분석법 이 외에 복합악취 산정법인 공기희석 관능법을 같이 사용 하고 있으나 개인의 감수성과 인지능력의 이질성에 의 해 객관적 결과를 도출하기 어렵다(Oh and Kim, 2016). 따라서 본 실험에서는 테들러 백으로 포집한 악취공기 로부터 악취발생원수의 주요 구성성분인 아세트산과 암모니아의 농도를 각각 공정시험법 상의 기기분석법 (GC/FID)과 화학분석법(인도페놀법)을 이용하여 각각 분석하였으며 복합악취 판정을 위해 5인의 건강한 성 인으로 패널을 구성하여 관능법(직접측정법)으로 분석 하였다. 반응기의 압력손실을 측정하기 위해 마노미터 를 반응기 옆면에 부착하여 측정하였으며 순환수의 pH조정을 위해 pH미터기(DP 880)를 사용하였다. 반응 기 내 담체의 함수율 측정을 위해 반응기의 하부(600 mm), 중부(1,200 mm), 상부(1,800 mm)에서 균일하게 시료를 채취하여 분석한 후 그 평균값을 사용하였다.

3.결과 및 고찰

3.1.담체 및 유체흐름 특성

Table 3은 실험에 사용된 미송나무 껍질 및 유리소 결 담체의 성상을 나타낸 것이다. 미송나무 껍질의 밀 도는 0.41 g/cm³으로 나타났으며 공극률은 43%이었다. 실험 중 관찰된 미송나무 껍질의 평균 함수율은 85.3% 이었다. 반응기 내부에서 측정된 미송나무 껍질의 공극 률(void fraction)은 52.2%이었으며 유리소결담체는 43.1%로서 충진량을 고려한 전체 담체의 평균 공극률 은 50.7%이었다. 실험에서 공기부하량 3~5 m³/m²-min 의 조건에서 레이놀즈수(N_Re)는 50~130범위로 측정되 었으며, 따라서 반응기 내부에서의 유체흐름은 층류상 태의 균일한 흐름임을 보여주고 있다. 실험이 시작된 후 약 20일 경과 후 반응기 상부의 담체 표면부터 백 색의 미생물 막이 점액질의 형태로 성장하는 것을 관 찰 할 수 있었다. 반응기 담체의 함수율은 가능한 최적 의 수분을 유지하는 것이 중요한데, 불충분한 수분의 공급은 가스 흐름으로 담체가 건조되어 미생물의 활성 을 떨어뜨리며, 과잉의 수분은 가스와 담체와의 접촉면 적을 감소시킬 뿐만 아니라 혐기성 구역을 발생시켜 악취를 유발하는 휘발성 대사산물이 생성될 수 있다. 본 연구에서 측정된 담체 함수율은 평균 약 65%로, 부 착된 미생물의 활성유지를 위해 적정하다고 알려진 50~70% 범위(Ottengraf and Van Den Oever, 1983; Van Langenhove et al., 1986) 내에 있었다.

3.2.바이오필터 압력손실

Fig. 3은 운전 조건에 따라 반응기 내에서의 압력손 실을 구한 것이다. 그래프 하단부터 순환수를 사용하지 않은 건조 상태부터 순환수 유량을 0.34~1.69 L/min로 변화하면서 압력손실을 측정한 결과이다.

압력손실은 유입공기 및 순환수의 유량에 비례하여 단계적으로 증가하지만 대체적으로 높지 않은 결과를 나타내고 있다. 즉, 건조 상태에서는 31 m³/m²-min의 고 부하 조건에서도 110 mmH₂O의 낮은 압력손실을 나타내었으며 연속적인 순환수 공급으로도 본 연구의 실험조건인 3~5 m³/m²-min의 범위에서는 150 mmH₂O 이하의 낮은 압력손실을 나타내는 것을 알 수 있다. 실 험 중에 나타난 압력손실은 4~6 mmH₂O 범위에 있었 으며 수분이 없이 측정한 건조 상태에서의 압력손실보 다도 오히려 낮음을 알 수 있다. 이는 실험초기에 존재 한 나무껍질 부스러기가 순환수에 의해 세척되어 제거 되었을 뿐 아니라 현미경으로 확인한 바와 같이 나무 껍질 표면에 미생물 막(slime) 층이 형성되어 공기저항 이 감소된 결과에 기인된다고 판단된다. 따라서 나무껍 질 담체는 운전초기에 비해 시간이 경과함에 따라 압 력손실이 더욱 낮아져 적정한 담체특성을 유지할 수 있음을 알 수 있다.

3.3.악취유발물질 제거효율

본 실험을 시작하기 전에 3주간 소량의 아세트산과 암모니아를 첨가한 주정폐수와 완충용액을 사용하여 반응기 내 담체에 생물막을 성장시켰다. 생물막을 형성 시키기 위해 별도의 미생물은 접종하지 않았으나 주정 폐수 내에는 다양한 악취유발 물질과 이에 적응된 미 생물이 존재하므로 생물막이 용이하게 부착하여 성장 하였으며 15일 후부터는 담체에 부착된 생물막이 육안 으로도 쉽게 확인될 정도로 충분히 성장하였다. Fig. 4~Fig. 10은 약 40일 간의 실험기간 중 분석된 악취유 발물질의 변화를 나타낸 것이다. Fig. 4는 GC로 분석 한 아세트산의 농도변화와 제거율을 나타낸 것이다. 유 입공기의 평균 아세트산 농도는 1,730 ppm으로 이는 일반적으로 매우 참기 힘든 심한 냄새 농도이다. 유입 가스 내의 아세트산 농도는 1,195~2,390 ppm으로서 편 차가 비교적 심하게 분석되었다. 유입농도의 편차가 비 교적 심한 이유는 악취발생을 위한 인공폐액의 산도가 알 수 없는 이유로 비교적 변화가 심하곤 하였기 때문 이다. 처리공기 내 아세트산은 4.4 m³/m²-min의 부하범 위에서 평균 460 ppm을 측정되어 71.5%의 제거율을 나타내었으며 3.1 m³/m²-min의 부하범위에서는 평균 274 ppm으로서, 87.6% 이상의 높은 제거율을 나타내 었다. 따라서 나뭇껍질 담체는 휘발성 유기산인 아세트 산을 분해할 수 있는 종속영양성 미생물의 우점화에 장점을 가지는 특징을 나타내었다고 판단된다.

Fig. 5는 나무껍질 담체 바이오필터의 아세트산의 유 입부하량과 제거능과의 관계를 나타낸 것이다. 11.7~ 22.4 g/m³-min의 유입부하범위에서 바이오필터의 제거 능은 8.1~14.3 g/m³-min으로 나타났다. 유입부하량이 20 g/m³-min이상에서 아세트산 제거능이 급격하게 감 소함에 따라 최대 제거능은 17.2 g/m³-min의 부하량에 서 14.3 g/m³/min으로 나타났다. 유입부하량 20 g/m³- min이하의 조건에서는 제거능이 유입부하량에 비례하 여 증가하였으며, 이는 오염물의 농도가 높을 경우 ([C]>>K_M) 임계부하량 이하에서 1차 반응에 따른다는 기존의 연구결과(Yoon et al., 2016)와 유사한 경향성을 보여주었으며 Fig. 6에서와 같이 1차 반응상수 k는 2.53 min⁻¹로 나타났다.

Fig. 7은 동일한 실험기간 중 화학분석법으로 분석한 암모니아의 농도변화와 제거율을 나타낸 것이다. 유입 가스의 경우 749~887 ppm 사이에서 아세트산의 경우 에 비해 커다란 변화 없이 비교적 일정한 패턴으로 측 정되었다. 처리가스의 경우 운전 초기에 비해 운전시간 이 경과함에 따라 점차 낮아지는 경향을 나타내었으며 안정적으로 처리되었다. 약 2일간의 초기 운전기간을 제외하고 비교적 안정된 처리효율을 나타내었으며 3.1 m³/m²-min와 4.4 m³/m²-min의 표면부하율에서 각각 38%, 25%의 효율을 보여주었다. 실험이 매우 고농도 조건에서 수행되었으므로 기존 수행된 연구결과와 직 접적으로 비교하기는 어려우나 순응된 미생물 조건에 서 600 ppm에서의 제거효율이 99% 이상, 800 ppm 조 건에서 75% 이상의 제거효율을 나타낸 기존연구결과 (Yoon et al., 2016)에 비해 많이 낮았으나 고 부하 조 건에서 담체 부착 생물막의 우점종이 종속영양생물로 구성되어 있음을 고려할 때 비교적 양호한 처리효율을 나타내었음을 알 수 있다. 본 연구에서는 파일럿 규모 의 단일반응기로 대조군 없이 연구를 진행하였으므로 담체의 물리적 흡착특성 등을 정확히 분석하지는 못하 였으나 사용된 나무껍질 담체의 경우 인공합성물 담체 에 비해 공극률이 크고 미생물 성장에 적합한 영양분 을 공급할 수 있으며 미생물 분해 이외에도 흡착 등 물 리화학적 기전이 높은 제거효율을 나타내는데 보완적 역할을 하였을 것이라고 판단된다.

처리가스의 경우 운전 초기에 비해 운전시간이 경과 함에 따라 점차 낮아지는 경향을 나타내었으며 안정적 으로 처리되었다. 약 2일간의 초기 운전기간을 제외하 고 비교적 안정된 처리효율을 나타내었으며 3.1 m³/m²- min와 4.4 m³/m²-min의 표면부하율에서 각각 38%, 25%의 효율을 보여주었다. 실험이 매우 고농도 조건에 서 수행되었으므로 기존 수행된 연구결과와 직접적으 로 비교하기는 어려우나 순응된 미생물 조건에서 600 ppm에서의 제거효율이 99% 이상, 800 ppm 조건에서 75% 이상의 제거효율을 나타낸 기존 연구결과(Yoon et al., 2016)에 비해 많이 낮았으나 고 부하 조건에서 담체 부착 생물막의 우점종이 종속영양생물로 구성되 어 있음을 고려할 때 비교적 양호한 처리효율을 나타 내었음을 알 수 있다. 본 연구에서는 파일럿 규모의 단 일반응기로 대조군 없이 연구를 진행하였으므로 담체 의 물리적 흡착특성 등을 정확히 분석하지는 못하였으 나 사용된 나무껍질 담체의 경우 인공합성물 담체에 비해 공극률이 크고 미생물 성장에 적합한 영양분을 공급할 수 있으며 미생물 분해 이외에도 흡착 등 물리 화학적 기전이 높은 제거효율을 나타내는데 보완적 역 할을 하였을 것이라고 판단된다.

Fig. 8에서와 같이 바이오필터의 암모니아 제거능은 유입부하량 1.48~2.47 g/m³-min의 범위에서 0.47~0.88 g/m³/min으로 나타났다. 이는 기존 연구결과에서 확인 된 제거능에 비해 우수한 결과(Galera et al., 2008)로서 주로 담체 생물막의 성장량과 극대화된 기-액 접촉면 적에 기인된 것으로 사료된다. 실험조건의 유입부하량 에서 제거능의 변화가 크게 관찰되지 않았다. 오염부하 량이 임계부하량 보다 작아 암모니아 제거능이 오염물 질의 농도에 비례하는 1차 반응적 제거기전을 나타낸 기존의 연구결과(Yoon et al., 2016)와는 다르게 이는 본 실험에서와 같이 충분히 성장한 생물막과 매우 높 은 오염물질의 농도 조건에서 암모니아의 산화반응은 오염물질의 농도와 무관한 0차 반응속도에 가깝다는 것을 보여준다. 아세트산 농도의 측정결과와 암모니아 농도의 측정결과의 경향성은 정확히 일치하지 않았는 데, 이는 혼합물질에서의 각 악취유발물질은 기질 특성 에 따라 담체에 생성되는 생물막의 부착 미생물의 우 점화에 밀접한 관련이 있기 때문이다. 즉, 본 연구에서 는 생물막 내부에서의 탈질효율을 확인하는 추가실험 은 진행하지 않았으나 본 연구결과와 기존 연구결과 (Yoon et al., 2006)를 종합하여 보면 아세트산의 경우 높은 성장률을 갖는 종속영양미생물의 기질로 사용되 어 생물막에 단기간 우점화 되는 경향이 있는 반면 암 모니아는 성장률이 매우 낮은 질산화박테리아에 의해 산화된 이후 생물막 내부에서 탈질되는 반응이 주요 제거 기전이므로 제거율 면에서 차이를 보이는 원인이 되었다고 판단된다.

악취유발물질로서 첨가된 아세트산과 암모니아 이외 에도 휘발성지방산 등 주정폐수 내에 포함된 다양한 성분에 의해 복합악취를 구성하였는데, Fig. 9에서와 같이 관능법(직접측정법)에 의한 악취강도는 유입가스 2.8~4.2 범위에서 0.2~1.2로 감소되었으며 평균 3.5에 서 0.5로 감소되는 것으로 나타났다.

유입 및 처리가스의 크로마토그램에서 첨가한 인공 악취 성분이외에 주정폐수에서 발생되는 복합악취 성 분을 확인한 결과 Fig. 10에서와 같이 GC의 크로마토 그램에서 다양한 피크성분이 상당히 줄어들었음을 알 수 있었다. 주정폐수 내에 포함된 휘발성지방산 등은 분석결과 다양한 피크로 나타났으며 바이오필터를 통 과한 후 현저하게 감소된 피크의 크기로 판단하여 보 면 처리 전후의 제거 패턴은 분명히 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과에 따라 폐기물인 나무껍질을 바이오필 터의 담체로서 활용이 충분히 가능하며, 이는 목재가공 공장에서 발생하는 폐기물의 재활용이라는 측면 이외 에도 복합악취를 포함한 다양한 악취처리를 위한 경제 적인 방안이 될 수 있다고 판단된다.

4.결 론

본 연구에서는 유리소결담체와 나무껍질담체로 복합 담체를 구성한 바이오필터를 제작하여 아세트산, 암모 니아를 첨가한 주정폐수로 악취제거능 평가를 수행하 여 우수한 담체특성을 확인하고자 하였으며 그 결과는 다음과 같다.