1. 서 론
사료제조 공정은 동식물성 재료를 기반으로 상품화 함에 있어, 독특한 취기를 발생시키는데 개인에 따라 이취가 아닌 악취로 인식할 수 있는 가능성이 매우 큰 생산시설이다. 또한 주민들의 의식 수준이 점차 높아지 고 신체적 정신적 건강에 대한 관심이 매우 커져가는 추세이기 때문에 악취방지시설의 구축을 통한 배출가 스 제어방안은 필수적이다. 국내 산업현장에 주로 설치 되어있는 방지시설로는 습식세정탑(Choi et al., 2004;Park and Kim, 2011;Cho et al., 2015), 이온클러스터 (Yu et al., 2015), 활성탄 흡착탑(Kim et al., 2005;Lee and Kim, 2012;Kwon and Hong, 2013;Jung et al., 2017), RTO (regenerative thermal oxidizer) (Lim et al., 2009;Jung and Lee, 2012), 바이오 필터(Song, 2007;Ko et al., 2013;Shin et al., 2016;Lim, 2018), 저온플라즈마(Ahn et al., 2016) 등 여러 방지시설이 설 치·가동되고 있다. 하지만 발생악취의 특성 및 현장여 건을 고려하지 못한 설비선정, 과도한 폐수발생, 높은 운영비, 효율저하와 같은 많은 문제점이 발생하고 있는 실정이다.
악취방지시설은 정확한 원인물질의 구명과 발생취기 의 정도에 근거하여 설계하는 것은 물론, 현장 내 부지 여건 및 폐수발생량을 고려한 타당성 있는 설비가 구 축되어야 함에도 그렇지 않은 경우가 비일비재하다. 예 를 들면 알데하이드(aldehyde)화합물과 같은 악취물질 이 발생하는 산업현장은 비용 대비 가장 효율적인 NaOCl 같은 산화제의 적용을 통한 제어가 일반적이지 만 방지시설의 재질이 부식에 취약하거나, 약액 공급라 인이 구축되지 않은 현장들은 단순 습식 세정만으로는 처리효율을 기대할 수 없다. 또한 습식세정탑을 구축하 였음에도 폐수발생량이 많아 순환수가 농축되어 오히 려 악취가 재방출되는 현장도 있으며 이는 발생악취의 특성 및 기타 외부 성공사례를 충분히 검토하지 않고 도입한 결과라고 할 수 있을 것이다. 따라서 방지시설 의 신설 또는 증설 시에는 정확한 악취 원인물질의 구 명과 발생량을 고려한 설비 검토가 매우 중요하다.
본 연구에서는 악취 발생 시설 중 하나인 사료제조 공정에서 발생되는 악취원인 물질의 특성을 구명하고, 범용성이 높아 기존 설비와의 연계처리가 가능하며 컴 팩트하여 현장에서 운영이 용이한 약액세정탑의 처리 성능을 평가하였다.
2. 연구방법
연구대상은 인천시 C사료공장 내 발효 대두박 공정 으로 콩기름을 생산하고 남은 콩 부산물을 발효시킨 후 효소분해와 건조 공정 등을 거쳐 배합사료의 원료 를 생산한다. 주로 양돈 및 양어, 양계사료로 사용되는 데 제품생산 시기에 따라 발효 대두박 공정에서 어분 대체제를 생산하는 경우도 있다.
본 연구는 겨울철인 11월에 어분대체제 공정이 정상 가동 될 때 가스포집기를 이용하여 시료를 채취하고 배출가스의 악취물질에 대한 정성 및 정량적인 분석을 실시하였으며, 어분대체제 생산시 방지시설의 유입구 를 분석 지점으로 하였다. 분석 장비는 GC-MS (Shimadzu MS-QP 2010 Ultra, Perkinelmer TurboMatrix 350, USA), GC-FID (Shimadzu GC/FID, GC-2010 plus, Japan), GC/FPD (Shimadzu GC/FPD, GC-2010 plus, Japan) 등을 이용하였다. 검출된 악취물질은 각 물질이 가지는 최소 감지값에 근거하여, 물질별 악취기 여율을 검토하였다.
또한 기존 방지시설의 효율상승을 도모하고, 배출되 는 가스를 컴팩트한 신규설비로 연계 처리할 수 있도 록 Fig. 1에 나타낸 약액챔버(chemical chamber) 형태 의 세정탑(600 CMM)을 설치하여 악취물질 저감효율 을 평가하고자 하였다. 약액챔버의 운전조건은 방지시 설의 효율과 연관된 문제로서 가장 큰 매개변수로는 약액의 적정 희석배율과 분사압력을 들 수 있다. 약액 의 희석배율은 원액이송펌프의 토출량이 60 L/min임을 고려하여 원액을 희석탱크로 이송되는 시간을 설정하 고 수위계에 의해 수돗물이 유입되어 원하는 희석배율 을 설정할 수 있다. 약액분사 노즐은 2류체 노즐로 약 액챔버 외부에 노출되게 설치하여 이물질에 의한 막힘 이 있을 시 편하게 정비할 수 있도록 하였다.
3. 결 과
3.1 악취물질 특성
어분대체제의 생산시 발생되는 배출가스에 대하여 총 66종의 악취물질을 분석한 결과, 검출된 62종의 악 취물질과 물질별 기여율을 계산하여 Table 1에 나타내 었다. Table 1을 살펴보면 어분대체제 생산시 발생되는 주요 악취물질은 acetoin 및 diacetyl로 검출된 ketone 화합물이 45.4% 및 acetaldehyde, butyraldehyde, valeraldehyde, 2-furancarboxaldehyde, nonanal 등의 aldehyde화합물이 13.3%, 그리고 황화합물이 3.6% 정도 차지함을 알 수 있었다. 그 외 휘발성 유기산은 2- methoxypropanoic acid가 검출되었지만 pyrazine 화합 물은 검출되지 않았다. 어분대체제 생산시 발생되는 악 취물질에 대한 선행 연구자료의 한계로 인하여 직접적 인 비교는 어려우나 음식물류를 이용한 사료제조 공정 의 경우 methylmercaptan (77.87%), isovaleraldehyde (7.37%), acetaldehyde (7.02%)의 악취기여도가 높은 것으로 조사되었다(Park et al., 2009).
악취물질 분석결과, 어분대체제 공정에서 주로 발생 되는 악취물질인 ketone 화합물은 그 특성상 친유성적 인 경향을 보이기 때문에 수용성 악취로 분류하기는 어렵다. 따라서 탄소결합을 끊어 낼 수 있는 강한 산화 력이 필요함을 알 수 있으며, 본 연구에서는 산화제로 H2O2 (5%), OdorCore C1, OdorCore C3 ((주)에코코어 기술)를 대상 약액으로 검토하였다. C1은 urea perox-ide, sodium cumenesulfonate, alcohols (C12-14, ethoxylated), propoxylated sucrose 등으로, C3는 악취특성상 4-aminobenzenesulfonic acid, dextrose, alcohols (C12- 14, ethoxylated) 등으로 구성된 복합 첨가제로서 산업 용 대기방지시설 산화제로 사용되고 있다.
실험실에서 복합악취 3,000배 정도의 배출가스와 약 액을 약 1분간 충분히 반응시킨 후 직접관능 및 복합 악취 평가를 실시한 결과를 Table 2에 요약하였다. 즉, H2O2 (5%)와 동일한 희석배율로 약액(C1, C3)을 투입 한 경우, 직접관능 및 복합악취 배수가 1~2 단계 가량 낮게 나타났으며, 특히 C3의 제거효율은 H2O2 대비 25~35% 가량 우수한 것으로 확인되었다. 따라서, 기존 방지시설에 대해 추가적인 악취제거능을 도모하기 위 하여 약액분무식 세정탑을 설치하였고, 5%의 C3를 주 입하여 그에 따른 실제 공정 배출가스 유입 시, 악취저 감 효율을 평가하였다. 그 결과를 Table 3에 나타내었 는데, 악취물질의 제거효율은 평균 57%, 복합악취의 제거율은 68% 정도이었다. 즉, 약액세정탑 전단의 복 합악취가 평균 2,080배일 때 최종 배출구의 복합악취 농도는 448~669배 범위임을 확인할 수 있었다.
악취발생 물질 중 기여율이 가장 높았던 ketone 화 합물인 acetoin 및 diacetyl은 각각 78.1% 및 77.3%, aldehyde 화합물인 acetaldehyde, butyraldehyde, valeraldehyde, 2-furancarboxaldehyde, 그리고 nonanal은 각 각 86.0%, 78.9%, 67.4%, 52.8%, 그리고 71.9%의 제 거율을 나타내었다. 최종 배출가스의 복합악취 농도를 감안할 때 악취물질 전체적으로 일정 부분 제거된 것 으로 판단되며 xylene, methylcyclopentane, benzene, ethylbenzene, 1,3,5-trimethylbenzene, 그리고 decane 등은 거의 제거되지 않음을 알 수 있었다.
한편, Fig. 2에 나타낸 바와 같이 최종 배출가스의 복합악취 물질별 기여율을 계산한 결과 ketone 화합물, aldehyde 화합물, 그리고 황화합물 순으로 높게 나타남 으로써 향후 ketone 및 aldehyde 화합물의 제거율 향상 을 위한 약액의 추가 투입이 고려되어야 함을 알 수 있 었다.
4. 결 론
동식물성 재료를 상품화하는 사료제조공정에서 발생 되는 악취물질을 분석하고 약액세정탑에 의한 악취물 질 저감효율을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
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어분대체제 생산시 공정 배출가스의 악취물질을 분석한 결과 62종의 악취가스가 검출되었는데, ketone 화합물이 45.4%, aldehyde 화합물이 13.3%, 그리고 황화합물이 3.6% 정도 차지하는 것으로 나타났다.
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약액세정탑에 적용할 약품을 선정하기 위하여 H2O2 (5%), C1, C3의 약품에 대한 희석배율에 따 른 직접관능 및 복합악취를 측정한 결과 H2O2 (5%)와 동일한 희석배율로 약액(C1, C3)을 투입 할 경우, 직접관능 및 복합악취 배수가 1~2 단계 가량 낮게 나타났으며, 특히 C3의 제거효율은 H2O2 대비 25~35% 가량 우수한 것으로 나타났다.
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약액 C3를 사용한 연속식 약액세정탑을 적용한 결과, 악취발생 물질 중 기여율이 가장 높았던 ketone 화합물인 acetoin 및 diacetyl은 각각 78.1% 및 77.3%, aldehyde 화합물인 acetaldehyde, butyraldehyde, valeraldehyde, 2-furancarboxaldehyde, 그리고 nonanal은 각각 86.0%, 78.9%, 67.4%, 52.8%, 그리고 71.9%의 제거율을 나타내었다.
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최종 배출가스의 복합악취 물질별 기여율은 ketone 화합물, aldehyde 화합물, 그리고 황화합물 순으로 높게 나타남으로써 향후 ketone 및 aldehyde 화합물의 제거율 향상을 위한 약액의 추가 투입이 고려되어야 함을 알 수 있었다.
결론적으로 기존 방지시설에 대해 추가적인 악취제 거능을 도모하기 위하여 약액분무식 세정탑의 적용가 능성을 평가한 결과, 악취물질의 제거효율은 평균 57%, 복합악취의 제거율은 68% 정도이었다. 즉, 약액 세정탑 전단의 복합악취가 평균 2,080배일 때 최종 배 출구의 복합악취 농도는 448~669배 범위임을 확인할 수 있었다.
