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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.18 No.1 pp.10-17
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2019.18.1.10

Effects on the removal of sulfur compounds by microbubble supply to circulation tank in a scrubber

Ji-Young Lim1, Hyun-Sik Kim1, Seok-Yong Bang1, Bong-Su Bum2, Jin-Han Kim1*
1Dept. of Civil and Environmental Engineering, Incheon National University
2Dept. of Human and Environmental, Kyung-In Women’s University
Corresponding author Tel : +82-32-835-8745 E-mail : jinhan@inu.ac.kr
26/12/2018 21/01/2019 22/01/2019

Abstract


This study was performed to investigate the contamination characteristics of water in the scrubber with the aim of stably maintaining the scrubber, and to comprehend the removal characteristics of sulfur compounds, which are odorous substances, when microbubbles were supplied to the circulation water tank of a scrubber. The results of our analysis found that 63 kinds of gas compounds were detected from the scrubber, and thus it could be determined that Sulfur compounds, Ammonia (base compounds), Aldehyde compounds, and Pyrazine compounds were generated from the process for the production of sesame oil. About 93% of ammonia was removed in the scrubber; however, it was hard to remove Sulfur compounds, Aldehyde compounds and Pyrazine compounds using the scrubber. The efficiency of hydrogen sulfide, methylmercaptan and dimethydisulfide removal using only water in the scrubber was 79.8%, 79.7%, and 81.0%, respectively. However, when microbubbles were supplied to the scrubber, the removal efficiency for each was 83.7%, 91.1%, and 96.1%, respectively. Therefore, it was confirmed that the efficiency of sulfur compound removal was improved by supplying microbubbles to the circulation water tank of the scrubber. In addition, the amount of removal that could be achieved by using microbubbles was 1.05-1.19 times higher than using only water. In terms of supplying microbubbles, it was confirmed that the saturation time required to absorb odorous gases was about 2.8 times longer than the time without microbubbles because the OH radicals generated when the microbubbles are shrinking partly oxidized organic matter. When there was no chemical in the circulation water tank, the conductivity and CODCr concentration were highly correlated. Therefore the system, which can replace circulation water by using real-time conductivity data, can be considered to be applicable.



세정탑 세정수조에 마이크로버블 공급이 황화합물 제거에 미치는 영향

임 지영1, 김 현식1, 방 석용1, 범 봉수2, 김 진한1*
1인천대학교 도시과학대학 건설환경공학부
2경인여자대학교 보건환경과

초록


    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    산업단지와 주거지가 근접 또는 혼재되어 있는 지역 에서는 주거지의 형상과 악취의 특성에 따라 사람들에 게 정신적·신체적으로 영향을 미치며, 주택난을 해소 하고자 공업지역 인근에 대규모 주거단지를 조성하는 등 주거 환경여건을 고려하지 못한 무분별한 난개발로 악취 문제가 증가하고 있다(Cho et al., 2015). 대부분 수용성인 악취물질을 제거하기 위하여 적용하는 세정 법은 정확한 운영기준이 없어 약품이 과잉으로 투입되 는 등 운영미숙으로 인해 가동률이 낮아짐으로써 방지 시설의 노후화가 가속화되고 있는 실정이며, 악취제거 를 위해 일주일 단위로 소모품인 물과 약액을 교체해 주는 세정탑 방식의 악취방지시설이 널리 이용되고 있 다. 또한 세정탑 방식의 악취방지시설을 운영하는 사업 장에서는 흡착탑 방식과 달리 운영·관리 기준이 없고 단순하게 인허가 과정에 신고된 교체주기와 가동시간 에 의해서만 일률적으로 교체하고 있어 처리효율을 떨 어뜨리는 원인으로 작용하고 있다(Chung et al., 2017). 악취방지시설에서 사용하는 악취제거를 위한 담체의 교체주기는 설계기준에 따라 마련된 법적기준에 따라 관리되는 것이 기본적인 사항이나, 현장에서 발생되는 악취의 농도 및 양 등을 고려한 적절한 교체관리에 대 한 규정을 갖고 있는 사업장은 거의 없다. 따라서 악취 방지시설의 효율적인 관리 방안에 대한 재정립이 필요 한 상황이며, 기존에 설치한 악취방지시설을 재설비한 다는 가정 하에 대상 사업장들의 경제적인 부담을 감 안하여 재설비시 요구되는 경제성, 전문 인력의 부족, 담당공무원 관리업무의 한계를 동시에 고려한 새로운 접근 방식의 악취방지시설에 대한 신기술 개발이 절실 히 요구되고 있다.

    마이크로버블은 일반적으로 아주 작은 버블로 알려 져 있으나, 마이크로버블에 대한 정의는 표준화가 이루 어지지 않아 명확하게 규정되어 있지 않다. 연구자에 따라 10 μm (Ohnari, 2006), 10~40 μm (Tsuge, 2010), 50 μm 미만(Takahashi et al., 2007a), 수십 μm (Li et al., 2009a, 2009b), 100 μm (Tabei et al., 2007), 1~100 μm (Kurup and Naik, 2010), 수백 μm 이하(Kawaraha et al., 2009)로 혼용되고 있는 실정이다. 이와 같이 마 이크로버블에 대한 정의는 연구자들마다 다르지만 대 체적으로 직경이 10~100 μm의 범위를 갖는 것을 마이 크로버블로 구분한다.

    Li and Tsuge (2006)는 마이크로버블을 밀리미터 단 위의 직경을 갖는 버블과 비교 하였을 경우, 마이크로 단위의 작은 크기로 인해 밀리버블과는 다른 특성을 가지고 있다고 하였다. 마이크로버블은 크기가 작기 때 문에 부력에 대한 저항효과가 커지게 되어 오랫동안 물속에 남아있게 되고, 서서히 수중에 용해된다. 또한, 버블이 작을수록 버블의 표면적이 증가하여 더 많은 공기가 수중에 용해될 수 있다고 보고하였다. Craig (2011)은 버블의 내부 압력은 직경이 작을수록 자기 가 압 효과를 가지면서 수축하게 되는데 이러한 영향으로 버블 계면이 불균일해지면서 약화된 계면을 통해 기체 가 빠져나가게 된다. 즉, 버블의 크기가 작을수록 내부 압력은 증가하여 소멸하는 순간의 내부 압력은 이론적 으로 무한대가 됨을 증명하였다.

    Takahashi et al. (2007b)은 자가분해로 OH 라디칼을 생성하는 오존을 고압으로 충분히 용해시킨 후 감압하 여 마이크로버블을 생성하는 경우, 오존의 용존율과 지 속성을 증가시켜 OH 라디칼의 생성을 촉진시킨다고 보고하였다. Chu et al. (2008)은 오존 마이크로버블에 서 매크로버블보다 훨씬 많은 양의 OH 라디칼이 생성 되었다고 발표하였다. 마이크로버블의 붕괴시 발생하 는 OH 라디칼은 강력한 산화력에 의한 살균효과로 인 해 다양한 분야에 응용되고 있다(Sumikura et al., 2007;Agarwal et al., 2011;Marui, 2013). 특히 유기물질 산 화능력으로 고농도 유기성 폐수 및 난분해성 유기물질 을 다량 함유한 폐수처리에 효과적이다. Lee et al. (2011)은 고농도 유기폐수인 축산분뇨 폐수에 오존 마 이크로버블을 적용한 결과, 오존의 용해도와 라디칼 생 성량이 증가되었고 CODCr 및 색도의 제거효율이 각각 85% 및 26% 향상되었음을 보고하였다. Lim et al. (2016a)의 연구에서는 공기 마이크로버블을 적용하여 분뇨를 처리한 결과 SCODCr이 평균 25.0%, SBOD가 평균 17.1%, 용존성 질소와 인은 각각 평균 11.9% 및 7.4% 제거됨을 확인하였다. 마이크로 버블과 촉매, 그 리고 공기를 모두 적용한 경우인 Jang et al. (2015a)의 연구에서는 공기 마이크로 버블에서 생성된 OH 라디 칼과 촉매 반응에 의하여 가축분뇨 슬러지의 SCODCr 이 약 13%, 산화제로 공기만을 사용하였을 경우 TCODCr이 52.4%, SCODCr이 16.5% 제거되었다고 보 고하였다(Jang et al., 2015b). Chu et al. (2008)은 섬유 폐수를 오존 마이크로버블로 처리하여 마이크로버블에 비해 CODCr 제거율이 20% 이상 증가한 것을 확인하 였다. Zheng et al. (2015)은 아크릴 섬유폐수를 오존 마이크로 버블로 처리하였는데 기체의 잔류량과 오존 물질 전달효율, 오존 사용율이 각각 6.6배, 2.2배, 1.5배 이상 증가하였으며 일반 버블을 사용한 오존공정에 비 해 CODCr 제거율이 25% 증가함을 확인하였다. Lee (2009)는 염색폐수에 오존 마이크로 버블을 이용하여 90분 동안 처리한 결과, CODCr 32.6%, BOD 14.8%가 제거 되었다고 보고하였다.

    따라서, 본 연구는 국내 사업장에서 악취오염물질을 제거하기 위하여 대부분 사용하고 있는 세정탑의 안정 적인 유지관리를 위하여 세정탑 세정수의 오염특성을 구명하고 또한 세정탑 세정수에 마이크로버블(microbubble) 을 공급하였을 때 발생악취물질인 황화합물의 제거특성을 파악하고자 수행하였다.

    2. 연구방법

    연구대상 시설은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 인천소 재 참기름 제조공장에서 발생되는 악취물질을 처리하 는 180 CMM (m3/min) 규모의 습식 세정탑으로서 참 기름 제조공장은 전처리공정, 착유공정, 그리고 정제공 정으로 구분되며, 대부분의 악취물질은 착유공정에 발 생된다. 세정탑에는 용량이 3 m3인 세정수 수조가 설 치되어 있으며, 메쉬 망(mesh separator)을 이용하여 세 정액 수조가 2단으로 구분되어 있다.

    우선, 세정탑 유입 및 최종 배출구 가스를 대상으로 악취유발물질 68종에 대하여 GC-MS (SHIMADZU MS-QP 2010 Ultra, Perkinelmer TurboMatrix 350, USA), GC-FID (SHIMADZU GC/FID, GC-2010 plus, Japan), GC-PFPD (SHIMADZU GC/FPD, GC-2010 plus, Japan)를 사용하여 정량분석을 실시하여 해당 시 설에서 발생되는 악취물질의 종류를 파악한 다음 검출 된 악취물질은 각 물질이 가지는 최소 감지값에 근거 하여 물질별 악취기여율을 검토하였다. 이중 황화합물 인 hydrogen sulfide, methylmercaptan, dimethylsulfide (DMS), dimethyldisulfide (DMDS) 등 4개 항목은 GCFID (BRUKER CP-3800, Thermal desorber, MARKES, FID, USA, Capillary column CP-Sil 5 CB, Column Temp. 50ºC, Detector Temp. 50ºC)를 이용하여 분석하 였다.

    또한, 마이크로버블에 의한 세정수 오염 저감도 분 석 등을 위하여 전기전도도, CODCr, 탁도, SS 등을 분 석하였는데, 전기전도도는 portable conductivity meter (HACH, HQ14d, USA), CODCr 농도는 HACH vial (DR2700, DRB200, USA), 탁도는 portable turbidimeter (HACH, 2100Q, USA), 그리고 SS 농도는 수질공 정시험법에 준하여 분석을 실시하였다.

    한편, 본 연구에서 사용한 가압식 마이크로버블 발 생장치의 공기주입량은 0.3 L/min, 가압탱크 운전압력 은 4 bar로서 이때 발생되는 마이크로버블의 크기는 D50이 61.19~68.09 μm이며, D50은 버블 크기를 누적 분포로 환산하였을 때, 누적 분율 0.5에서의 버블 크기 를 의미한다. 한편 자흡식 마이크로버블 발생장치에서 발생되는 버블의 경우 μm 단위 및 mm 단위의 버블이 혼합되어 생성되는데 상대적으로 크기가 큰 mm 단위 의 버블의 경우 노즐의 토출구와 근접한 위치에 존재 하고 μm 단위의 미세버블의 경우 노즐의 토출구에서 좌측방향으로 원거리까지 존재한다. 이는 버블의 특성 상 버블의 크기가 클수록 수면으로 상승하는 속도가 빠르기 때문에 mm 단위의 버블들은 노즐 토출부에서 생성된 후 곧바로 수면으로 수직 상승하게 된다. 반면, μm 단위의 버블들은 노즐의 토출부에서 생성된 후 순 환수의 흐름방향에 따라 이동하며 서서히 수면으로 상 승하게 된다. 본 연구에서 사용한 자흡식 마이크로버블 발생장치에 의해 생성된 버블은 86 μm~2.98 mm의 범 위이다(Lim et al., 2016a;Lim et al., 2016b;Park et al., 2017). 한편 마이크로버블 발생기는 세정수조의 좌·우측에 설치하여 버블을 세정수조내로 공급하였는 데, 마이크로버블 발생기의 순환수 유량은 12 LPM, 흡 입공기량은 총 3.2(좌 2.5, 우 0.7) LPM이었다.

    3. 결 과

    3.1 악취물질 특성

    연구대상 세정탑의 유입가스와 배출가스의 악취물질 농도를 정성정량 분석하여 그 결과를 Table 1에 나타 내었는데, 분석 대상물질 68종 중에서 63종이 검출되 었다.

    Table 1을 살펴보면 해당 사업장에서는 Sulfur compounds, Ammonia (Base compounds), Aldehyde compounds, 그리고 Pyrazine compounds 등이 발생됨을 알 수 있었으며, Ammonia는 세정탑을 거치면서 약 93% 정도 제거되는 것으로 나타났다. 그러나 Sulfur compounds, Aldehyde compounds, 그리고 Pyrazine compounds는 세정탑에서 거의 제거되지 못하는 것으로 판 단된다. 동식물성 사료를 제조하는 공장에서 발생되는 주요 악취 발생물질은 Ketone compounds, Aldehyde compounds, 그리고 Sulfur compounds라고 보고한 Lim et al. (2018)의 주장을 고려할 때 대부분 유사하지 만 Pyrazine compounds의 검출여부가 악취발생원의 특징임을 알 수 있었다.

    3.2 마이크로버블에 의한 황화합물 제거

    Fig. 2에 세정탑 운전시간에 따른 세정탑의 입구와 최종배출구에서 검출된 hydrogen sulfide, methylmercaptan, dimethyldisulfide의 농도 변화를 나타내었다. 48시간의 운전기간 동안 세정수만을 사용하는 경우에 비하여 마이크로버블을 세정수조에 공급한 경우 가압 식과 자흡식 모두 Sulfur compounds의 제거효율이 향 상됨을 알 수 있다.

    Table 2에 세정수조 내에 마이크로버블을 공급한 경 우의 Sulfur compounds의 평균 제거효율과 제거량을 산정하여 나타내었다. 세정수만을 사용한 경우 세정탑 유입가스에서 검출되지 않은 dimethylsulfide를 제외한 hydrogen sulfide, methylmercaptan, 그리고 dimethyldi- sulfide의 제거효율은 각각 평균 79.8%, 79.7%, 그리고 81.0%로 나타난 반면 가압식과 큰 차이는 없지만 조금 양호한 결과를 보인 자흡식 마이크로버블을 공급한 경 우에는 각각 평균 83.7%, 91.1%, 그리고 96.1%로 나 타남으로써 세정수조에 마이크로버블을 공급할 경우 Sulfur compounds의 제거효율이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 또한 이를 제거량 기준으로 환산하면 세정 수조에 마이크로버블을 공급할 경우 그렇지 않은 경우 에 비하여 Sulfur compounds의 종류에 따라 약 1.05~ 1.19배 정도 많은 제거량을 보였다. 즉, 공기의 산화력 이 낮음을 고려할 때 효과적인 제거효율 향상을 나타 낸 것으로 판단된다.

    3.3 마이크로버블에 의한 세정수 오염도 지연

    시간에 따른 세정수의 오염 정도를 전기전도도 및 CODCr 농도로 나타낸 Fig. 3을 살펴보면 마이크로버블 을 공급하지 않은 경우에는 운전시작 10시간 전후로 CODCr 농도가 포화되는 즉, 세정수의 악취가스 흡수율 이 포화되는 현상을 보이고 있다. 그러나 가압식 마이 크로버블을 공급한 경우에는 마이크로버블이 소멸될 때 발생되는 OH라디칼에 의하여 유기물 산화가 어느 정도 이루어짐으로서 악취가스의 흡수에 의한 포화시 간이 운전시작 28시간 전후로 좀 더 지연됨을 파악할 수 있었다. 이 때까지 마이크로버블에 의해 제거된 CODCr은 약 4.4 kg인 것으로 계산되었다.

    한편, 자흡식 마이크로버블을 공급하였을 경우 세정 수의 오염도가 마이크로버블을 공급하지 않은 경우와 가압식 마이크로버블을 공급한 경우에 비하여 빠르게 증가하고 있음을 보였는데, 이는 자흡식 마이크로버블 공급에 의해 세정수의 오염가스 용해도가 더 커진 것 을 의미하는 것으로 생각되며, 메커니즘에 대한 추가 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구에 사 용한 악취가스가 표준가스가 아니므로 Table 1에서 검 출된 다른 악취물질에 의하여 발생할 수도 있으며, 세 정수 실험에 비하여 마이크로버블을 공급한 실험을 수 행한 경우에 평균수온이 약 2ºC 정도 높았던 것을 고 려하면 더욱 흥미로운 현상으로 생각된다. 즉, Table 2 에 나타낸 Sulfur compounds의 제거량과도 밀접한 관 계가 있는 것으로 생각된다. 결과적으로, 차이는 크지 않지만 가압식 마이크로버블보다는 마이크로버블의 크 기 범위가 넓고 비교적 큰 버블에 의해 세정수에 대한 혼합력이 크게 되는 자흡식 마이크로버블의 이용이 악 취물질의 제거량 향상에는 조금 더 도움이 될 것으로 판단된다.

    한편, Fig. 3을 근거로 하여 전기전도도와 CODCr 농 도간의 상관관계를 나타낸 Fig. 4를 살펴보면 마이크로 버블의 공급유무와 관계없이 전기전도도와 CODCr 농 도간의 상관관계는 매우 높게 나타남으로써 세정수의 오염을 전기전도도로 실시간 평가하여 세정수의 교체 시기를 결정하는 시스템의 적용가능성이 매우 높음을 확인할 수 있었다.

    4. 결 론

    세정탑의 안정적인 유지관리를 위하여 세정탑 세정 수의 오염특성을 구명하고 또한 세정탑 세정수에 마이 크로버블을 공급하였을 때 발생악취물질인 황화합물의 제거특성을 파악하고자 연구를 수행한 결과 다음과 같 은 결론을 얻을 수 있었다.

    1. 참기름공장 세정탑의 유입가스와 배출가스의 악 취물질 농도를 분석한 결과 63종이 검출되었는데, Sulfur compounds, Ammonia (Base compounds), Aldehyde compounds, 그리고 Pyrazine compounds 등이 발생됨을 알 수 있었으며, Ammonia 는 세정탑을 거치면서 약 93% 정도 제거되지만 Sulfur compounds, Aldehyde compounds, 그리고 Pyrazine compounds는 세정탑에서 거의 제거되지 못하는 것으로 나타났다.

    2. 세정수만을 사용한 경우 hydrogen sulfide, methylmercaptan, 그리고 dimethyldisulfide의 제거효율 은 각각 평균 79.8%, 79.7%, 그리고 81.0%로 나 타난 반면 마이크로버블을 공급한 경우에는 각각 평균 83.7%, 91.1%, 그리고 96.1%로 나타남으로 써 세정수조에 마이크로버블을 공급할 경우 Sulfur compounds의 제거효율이 향상됨을 확인할 수 있었다. 또한 이를 제거량 기준으로 환산하면 세 정수조에 마이크로버블을 공급할 경우 그렇지 않 은 경우에 비하여 Sulfur compounds의 종류에 따 라 약 1.05~1.19배 정도 많은 제거량을 보였다.

    3. 마이크로버블을 공급한 경우에는 마이크로버블이 소멸될 때 발생되는 OH라디칼에 의하여 유기물 산화가 어느 정도 이루어짐으로서 악취가스의 흡 수에 의한 포화시간이 약 2.8배 정도 지연됨을 확 인할 수 있었다.

    4. 운전시간에 따른 세정수의 전기전도도와 CODCr 농도간의 상관관계가 매우 높아 향후 세정수의 오염을 전기전도도로 실시간 평가하여 세정수의 교체시기를 결정하는 시스템의 적용가능성이 매 우 높았으며, 약품을 사용할 경우에는 사용 약품 에 대해 면밀히 분석 후 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    이 논문은 인천대학교 2016년도 자체연구비 지원에 의하여 연구되었음.

    Figure

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    Photograph of wet scrubber and circulation tank.

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    Variation of sulfur compounds’ concentration.

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    Variation of conductivity and CODCr concentration for circulation water.

    JOIE-18-1-10_F4.gif

    Relationships between conductivity and CODCr concentration.

    Table

    Analytical results of odor components

    Estimation results of average removal rate and amount of removed of sulfur compounds

    Reference

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