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1. 서 론

  2010년 겨울 국내에 동물에 나타나는 바이러스성 질병인 구제역이 발병하여 전국적으로 큰 이슈가 되었다. 구제역 바이러스는 가축 전염병 중에서도 전염력이 매우 큰 질병중 하나로, 전국적으로 퍼지는 것을 막기 위하여 약 300만 마리의 가축을 살 처분하였다. 살 처분된 가축 사체 처리를 위해 전국에 약 4,800여개의 긴급매몰지가 조성되었다 (Kim and Kim, 2013). 구제역에 의해 매몰된 가축의 사체는 미생물 및 생화학 반응에 의해 혐기 분해되어 가스 및 침출수 등이 발생하게 되며, 발생된 가스 및 침출수는 미생물 등의 분해자에 의해 부패가 일어난다. 가축매몰지역 환경조사지침에 따라 적절히 매몰되지 못하였거나 매몰 후에도 체계적인 관리가 이루어지지 못한 일부 매몰지의 경우 복토가 충분하지 않아 사체 부패에 의해 발생된 가스가 가축 매몰지 전반에 걸쳐 외부로 배출되어 확산될 수 있다.

 매몰지에서 발생하는 악취를 관리하기 위하여, 가스 배출관에 활성탄을 설치하고 흡착 반응으로 악취물질의 배출을 최소화하는 방법을 도입하거나, 매몰지에 유용미생물을 살포하여 악취물질을 제거하는 방식을 시도하였다. 활성탄 흡착 제거의 경우 매몰지에서 발생하는 악취물질이 가스 배출관을 통해서만 발생하는 것이 아니라 매몰지 표층에서 산발적으로 발생하는 경향이 있어 제거 효율이 낮고 일정주기로 활성탄을 교체해야하는 단점이 있다. 또한 미생물 배양액 살포법은 실제 현장에서의 투입 조건 및 탈취 효과에 대해서 명확하게 밝혀진 것이 없으며, 가축 사체 부패를 억제하는 방식으로 이미 발생된 악취물질에 대한 처리가 어렵다.

 이에 본 연구에서는 기존의 기술의 단점을 보완하기 위하여 저온플라즈마 방식을 적용하고자 기초 실험을 실시하였다. 저온 플라즈마 방식은 투입 에너지 밀도를 조절하기 간편하고 소형화하기 용이하여 가정용 공기청정기나 소규모 사업장에 적용하기 적당하다 (Kim, 2004). 또한 상온 및 대기압에서 운전이 가능하고 단독으로 사용하는 것 이외에도 흡착법이나 흡수법 등의 다른 기술들과의 접목이 용이한 장점이 있다 (Harling et. al, 2009; Reddy et. al., 2012). 저온 플라즈마는 주로 질소산화물이나 황산화물, 휘발성 유기화합물 등을 산화시켜서 제거하는 방식에 사용되었으나 최근에는 악취물질 산화에도 적용되고 있다 (Oda, 2003, Gerrity at. al., 2010; Obradovi et. al., 2011). 또한 부도체인 유전체 내부에 연결된 전도체에 고전압을 인가하여 플라즈마 방전을 발생시켜서 플라즈마에 의해 강한 산화력을 가지는 오존과 OH∙을 생성하여 대상물질을 제거한다 (Ma et. al., 2001; Vandenbroucke et. al., 2011). 발생된 오존에 의한 악취 제어는 동력비 외에 유지비가 거의 없으며 관리가 용이하고 공기 중에서 짧은 시간에 산화 분해시키므로 처리속도가 빠른 장점이 있다 (Zhao et. al., 2007).

 반면 저온 플라즈마를 단독 적용할 시에 낮은 에너지 효율, 입자상 물질의 생성과 배오존 발생 등의 단점이 있다. 특히 배오존이 고농도로 배출되었을 경우, 배출된 오존이 악취를 유발하거나 광화학 스모그의 전구물질로 작용하는 등 2차 대기오염의 원인이 될 수 있다. 따라서 발생하는 배오존을 막기 위하여 오존 발생량을 조절하거나 후단에 추가적인 설비가 필요하다 (Jarrige and Vervisch, 2011). 이에 본 연구에서는 저온플라즈마 후단에 촉매산화제를 설치하여 배오존을 차단하며, 동시에 오존과 악취물질의 접촉시간을 늘리는 효과를 얻고자 하였다 (Aleksandrova et. al., 2010). 일반적으로 촉매산화제는 반응과정에서 소모되지 않으면서 반응속도를 변화시키는 물질로 반응이 진행되는 과정에 필요한 활성화 에너지를 변화시켜 반응속도를 변화시킨다. 촉매 산화법은 낮은 반응온도에서 대상 물질을 효과적으로 처리할 수 있고 2차 오염물질의 발생이 없어서 설비확장과 응용성이 넓은 장점이 있다 (Li et. al., 2011).

 실제 매몰지 및 매몰지 이설현장에서 배출되는 악취 물질의 종류와 농도 범위를 확인하였으며, 악취물질 중에서도 황 계열 악취물질을 제거 대상물질로 선정하고 플라즈마와 촉매산화 방식을 적용하여 제거하고자 하였다. 저온플라즈마에서 발생하는 오존과 악취물질의 접촉시간을 늘리고 배오존을 차단하기 위해 저온플라즈마 후단에 촉매산화제를 설치하고, 저온플라즈마를 단독으로 적용한 경우와 저온플라즈마와 촉매산화제를 동시에 적용한 경우의 처리 효율을 비교하였다. 또한 상대습도에 따른 플라즈마 시스템의 악취물질 처리 효율에 미치는 영향을 확인하기 위해 상대습도 5% 미만, 60%, 90% 조건에서 각 물질별 제거효율을 확인하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 대상 물질 선정

 저온플라즈마 시스템 실험을 시작하기 전에 실제 매몰지 이설현장에서 발생하는 황 계열 악취물질의 종류 및 농도 범위를 측정하여 대상 물질을 선정하였다. 이설 매몰지 2곳을 선정하여 각각 악취물질 종류 및 농도를 측정하였으며, 각 분석 항목의 측정결과는 Table 1과 같다. 악취물질은 황 계열 4종, 암모니아와 TVOCs를 측정하였다.

Table 1. Concentrations of odorous compounds at Foot-and-Mouth Disease Landfill Sites

 매몰지 조성 후 2년이 경과한 매몰지에서는 황화수소가 최대 12 ppm이 발생하였고, 그 외에 황 계열 물질과 암모니아 등이 측정되었다. 본 연구에서 측정 대상물질은 악취 물질로는 황 계열 물질 중 황화수소와 다이메틸다이설파이드를 선정하였다. 두 물질 모두 악취 최소 감지 농도가 낮고, 고농도로 흡입하였을 경우 인체에 악영향을 미칠 수 있는 물질이다.

2.2 저온 플라즈마 시스템

 악취 및 부유미생물 처리의 편의성과 효율적인 오존 산화반응을 위하여 플라즈마 생성기와 산화반응이 일어나는 반응기를 일체형으로 설계하였다. 부유미생물은 혼합조(mixing cham-ber)를 거쳐서 균일한 농도로 부피 1.5 L인 반응기로 유입되며, 저온플라즈마에서 발생하는 오존과 반응하게 하였다.

Table 2. Experimental conditions for the non-thermal plasma and catalyst system

 저온플라즈마와 촉매산화제 실험을 진행 할 때는 저온플라즈마 반응기의 후단에 촉매산화제로써 활성알루미나(Al₂O₃, 80%)를 충진하였고, 촉매산화제를 통해서 악취물질의 촉매산화반응과 동시에 악취물질과 오존의 접촉시간을 증가시키고자 하였다(Dang et. al., 20). 본 연구에서 실험에 적용한 저온플라즈마와 촉매산화제 반응기 모식도와 사진은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Schematics of the non-thermal plasma and catalyst system.

 상대습도에 따른 악취물질 제거율을 확인하기 위하여 저온 플라즈마반응기에 유입되는 공기의 상대습도는 5, 60, 90%로 조절하여 실험을 진행하였다 (Pan et. al., 2014). 상대습도 5% 미만에서는 순수 air(순도 99.99%)를 사용하여 공기를 유입하였고, 60%는 air pump를 이용하여 공기가 물이 들어있는 플라스크를 지나도록 하였다. 상대습도 90%는 초음파 가습기를 이용하여 공기에 수분을 충분히 공급하는 방식을 사용하였다.

2.3 분석 방법

 습도 변화에 따른 오존 생성량 확인을 위해 저온 플라즈마 후단에서 샘플링을 하고 오존 농도 및 발생량의 변화를 확인하고자 하였으며, 10∼1,000 ppm 범위의 검지관(KITAGAWA, Japan)으로 농도를 측정하였다.

  대상 악취물질인 황화수소와 DMDS 농도는 플라즈마 시스템 전단과 후단의 샘플구에서 샘플을 채취하여 농도를 확인하였다. 황 계열 물질의 농도는 Flame photometric detector가 구비된 Gas chromatography (GC/FPD, shimadzu GC-2010 plus, Japan)를 이용하여 측정하였다. 측정 분석은 검지관을 이용하여 농도 범위를 파악한 후 GC/FPD를 이용하여 수치 측정을 진행하였다. GC/FPD 측정값에 대하여는 각 실험에서 3회 반복 분석 후 평균값으로 결과를 사용하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 상대 습도에 따른 오존 발생량

 Fig. 2는 유입되는 공기의 상대습도에 따른 플라즈마 시스템에서의 오존 발생량을 나타낸 결과이다. 상대습도가 5% 이하일 경우 오존발생량은 0.21 mg-O₃/min-L 이었으며, 상대습도가 60%, 90%로 증가한 경우 오존 발생량은 각각 1.28, 2.57 mg-O₃/min-L로 나타났다. 이를 통해 상대습도가 증가할수록 플라즈마 반응기 내부에 생성되는 오존량이 증가하며 특히 상대습도 60% 이상일 경우 오존 발생의 증가량이 더욱 커지는 것을 확인하였다. 이는 상대습도가 높아져서 반응기 내로 공급되는 물 분자가 증가함에 따라 플라즈마에 의해 발생된 고에너지 전자들과의 충돌 빈도가 높아져 오존 생성량이 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 2. The relationship between relative humidity and ozone generation.

3.2 상대 습도에 따른 황화수소 제거

 Fig. 3에는 저온 플라즈마를 단독으로 적용한 경우의 상대습도에 따른 황화수소 제거율과, 저온플라즈마와 촉매산화제를 동시에 적용한 경우의 상대습도에 따른 황화수소 제거율 결과를 나타내었다. 저온 플라즈마를 단독 적용 하에서의 상대습도가 60% 이하일 경우 유입부하에 따른 황화수소의 제거부하율은 0.2 mg-H₂S/min-L 이하로 큰 영향을 보이지 않았다. 반면 상대습도가 90% 일 경우에는 상대습도 60% 이하일 경우에 비해 황화수소 유입 부하량이 증가함에 따라 황화수소 제거 부하율도 0.6 mg-H₂S/min-L 까지 증가하였다. 이는 상대습도가 60% 이상일 경우 오존 발생량이 더욱 증가하기 때문에 오존농도 증가에 따라 황화수소 제거 부하율이 상승한 것으로 사료된다.

Fig. 3. Changes of H2S removal rates as a function of relative humidity, (a) plasma alone, (b) plasma and catalyst system.

Table 3. The removal amount of H₂S and DMDS as a function of relative humidity

 저온플라즈마와 촉매산화제를 동시에 적용한 경우는 플라즈마 시스템을 단독 적용한 결과와는 다르게 상대습도가 5% 이하, 60%, 90%로 증가함에 따라 황화수소 제거 부하율이 크게 증가하였다. 특히 상대습도가 60%일 경우 황화수소 제거 부하율은 최대 0.5 mg-H₂S/min-L 였으며, 저온플라즈마 단독 적용한 실험에서 상대습도가 60%일 경우의 황화수소 제거율 0.2 mg-H₂S/min-L 대비 2.5배 수준의 결과이며, 상대습도가 90%일 경우의 결과도 동일한 추세로 황화수소 제거 부하율이 증가하였다.

 플라즈마를 단독으로 적용한 실험 결과와 비교해보았을 때 촉매산화제를 동시에 적용한 경우 동일한 조건에서 오존 발생량 당 황화수소 제거량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 촉매산화제를 통해서 오존과 황화수소와의 접촉시간을 늘려주어 오존에 의한 산화 반응도 증가함과 동시에 촉매산화제에서의 촉매산화 반응으로 제거되는 황화수소 양이 더욱 증가하는 것으로 사료된다.

 유입부하가 0.2 mg-H₂S/min-L 이하일 경우에는 상대습도 5% 이하일 경우에 생성되는 오존량이 황화수소 산화에 충분하여 오존발생량이 증가함에도 황화수소 제거율에는 큰 차이가 없는 것으로 판단된다. 이에 따라 습도에 따른 오존 발생량 당 황화수소 제거량을 비교한 경우에 습도가 증가함에 따라 황화수소의 제거량은 오히려 감소하는 추세를 보이는 것은 유입 황화수소량에 대비하여 발생하는 오존량이 충분히 많아서 수치적으로는 감소한 것으로 보여진다.

3.3 상대 습도에 따른 DMDS 제거

 저온 플라즈마를 단독 적용한 경우 상대습도에 따른 DMDS 제거량과, 저온플라즈마와 촉매산화제를 동시에 적용한 경우의 상대습도에 따른 DMDS 제거량 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 저온 플라즈마를 단독 적용한 경우 상대습도가 5% 이하, 60%, 90%로 증가함에 따라 최대 DMDS 제거 부하율이 약 0.1 mg-DMDS/min-L에서 0.4 mg-DMDS/min-L 까지 증가하였다. 이는 상대습도가 증가함에 따라 오존 발생량이 증가하는 것과 동일한 추세이다. 상대습도가 60% 이하일 경우, DMDS 유입 부하가 1.2 mg-DMDS/min-L 이상에서 유입부하에 따른 황화수소의 제거부하율은 일정하였다. 이는 발생된 오존이 산화할 수 있는 DMDS 유입 부하보다 더 큰 부하로 들어오기 때문에 제거 부하율이 증가하지 않은 것으로 보여지며, DMDS 유입 부하량이 증가함에 따라 황화수소 제거 부하율도 0.4 mg-DMDS/min-L 까지 증가하였다. 이는 상대습도가 90% 이상일 경우 오존 발생량이 더욱 증가하기 때문에 DMDS제거 부하율이 높아진 것으로 판단된다.

Fig. 4. Changes of dimethyl disulfide (DMDS) removal rates as a function of relative humidity, (a) plasma alone, (b) plasma and catalyst system.

 저온플라즈마와 촉매산화제를 동시에 적용한 실험에서 상대습도가 60% 이하 조건에서 일정 DMDS 유입부하 이상의 경우 제거 부하율이 일정하게 유지되며, 저온 플라즈마를 단독 적용한 결과와 동일한 추세를 보였다. 플라즈마를 단독으로 적용한 실험 결과와 비교해 보았을 때 촉매산화제를 동시에 적용한 경우, 황화수소의 실험결과와는 다르게 DMDS 제거 부하율이 거의 증가하지 않았다. 이는 DMDS 경우 촉매산화제의 산화반응에 의한 제거가 거의 일어나지 않기 때문이다.

 저온 플라즈마를 단독으로 적용한 실험 결과와 비교해 보았을 때 촉매산화제를 동시에 적용한 경우 동일한 조건에서 오존 발생량 당 황화수소 제거량이 다소 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. DMDS의 촉매산화제에 의한 제거량은 황화수소의 제거량이 증가한 것에 비해서는 매우 적은 양으로써, DMDS의 경우 촉매산화제에 의한 제거보다 오존에 의한 산화반응에 의해 대부분이 제거되는 것으로 판단된다. 이는 황화수소와 DMDS에 대한 오존 산화 반응식의 ΔG(Gibb’s free energy)를 통해 설명이 가능하다. 황화수소의 오존에 의한 산화반응과 DMDS의 오존에 의한 산화반응 모두 ΔG 값이 음수를 나타내어 자발적인 정반응이 일어나는 것을 알 수 있다. 그러나 DMDS의 오존산화 반응식의 ΔG 값의 크기가 황화수소 반응식의 ΔG보다 상대적으로 매우 큰 차이를 보이기 때문에 반응 과정에서 더 많은 에너지가 발생하며, 정반응이 상대적으로 더 쉽게 일어난다. 이에 따라 산화력이 더 강한 DMDS가 먼저 산화되고 이후 황화수소가 산화될 것으로 예측된다.

 H₂S + 3O₃ → SO₂ +3O₂ + H₂O ΔG° = -993.3 (kJ/mol)
C₂H₆S₂ + 11O₃ → 2CO₂ + 2SO₂ + 11O₂ + 3H₂O ΔG° = -3899.9 (kJ/mol)

4. 결 론

 본 연구에서는 가축 사체 부패과정에서 발생하는 악취를 저감시키기 위하여 저온플라즈마 단독 시스템과 저온플라즈마와 촉매산화제를 적용하였으며, 황화수소와 DMDS를 동시에 제거하고자 하였다. 특히 상대습도에 따른 오존발생량과 이에 따른 황화수소와 DMDS 제거량 변화를 확인하고자 하였다.

 ∙ 상대습도에 따른 저온플라스마 시스템 내부의 오존발생량을 확인한 결과 상대습도가 증가함에 따라 오존발생량이 증가하고 특히, 상대습도가 90% 이상일 경우 상대습도가 60% 일 경우의 오존발생량의 2배 이상이 생성되었다. 이는 물 분자가 플라즈마 반응조 내부에서 OH 라디컬로 변환되면서 오존 발생 전구물질이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.

 ∙ 동일한 황화수소 유입부하에서 상대습도가 증가할수록 황화수소의 제거율은 증가하였으나, 오존 발생량 당 황화수소 제거량을 비교하면 상대습도가 증가할수록 제거량은 감소하였다. 동일한 유입부하에서 상대습도에 따른 DMDS 실험 결과에서도 황화수소의 실험 결과와 유사한 추세를 보였다.

 ∙ 황화수소와 DMDS의 오존과의 산화반응 속도를 비교한 결과 DMDS와 오존의 산화반응의 ΔG가 높은 것을 확인했다. 따라서 오존에 의해 DMDS가 먼저 산화되고 그 이후 황화수소가 산화되며, 산화되지 못한 잔류 황화수소는 촉매산화제에 의해 산화되는 것으로 측정되었다. 이에 저온플라즈마 단독 적용 시의 결과에 비교해 볼 때 촉매산화제를 동시에 적용하였을 시에 황화수소의 제거량 증가량이 DMDS의 제거량의 증가량 보다 더 큰 결과로 나온 것으로 판단된다.

 실험실 규모의 저온플라즈마와 촉매산화제를 적용한 실험을 진행한 결과 본 시스템의 현장에 적용할 경우 황 계열 악취물질 제거 효과가 있을 것으로 사료된다. 또한 현장의 경우 황 계열 악취물질 뿐만 아니라 다양한 악취물질 및 병원성 부유 미생물이 배출되기 때문에 본 시스템을 통하여 다양한 물질 및 미생물 처리가 동시에 가능할 것으로 기대된다. 이는 기존 기술인 흡착제 카트리지나 미생물 배양액 살포법 등을 사용할 경우 악취 제거는 일부 효과적이지만 부유하는 미생물 등의 제거효율이 낮은 것에 비해, 현장 적용 시 본 시스템의 큰 강점이 될 것으로 사료된다.

 향후 다양한 조건의 실험실 규모의 저온플라즈마 시스템 실험을 진행하고, 이 결과를 바탕으로 현장 규모 시스템을 제작하여 실제 매몰지 이설현장에 적용시켜 악취물질 차단 효과를 확인할 필요가 있다. 현장 규모 플라즈마 시스템을 적용함에 있어 오존 산화 후 생성될 수 있는 추가 오염물질과 과잉 발생한 오존을 후단의 촉매산화제에 흡착 제거함으로써 본 시스템으로 인한 2차 오염물질 생성을 방지할 수 있다.

5. 사 사

  본 연구는 환경부 “토양·지하수오염방지기술개발사업” 으로 지원받은 과제이며, 이에 감사를 드립니다.