유해대기오염물질 관리기술Management and Treatment Technology of Hazardous Air

Pollutants

전기 바이오 복합형 하이브리드 악취제거 시스템 개발 Development of a Hybrid Treatment System of Odorous air

pollutants using combined electrical and Bio Process

한국기계연구원

환 경 부

최종보고서(완결본) 013-061-048

제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 “전기 바이오 복합형 하이브리드 악취제거 시스템 개발”과제 (위

탁과제 “공기희석 관능법에 의한 악취제거장치 효율 측정 평가기술”)의 최종보

고서로 제출합니다.

2009년 3월 31일

주관연구기관명 : 한국기계연구원

연구책임자 : 김 용 진

연 구 원 : 한 방 우

〃 : 김 학 준

〃 : 홍 원 석

〃 : 신 완 호

〃 : 송 동 근

〃 : 오 원 석

〃 : 황 규 동

〃 : 이 재 권

(세부)위탁연구기관명 : 창원대학교

(세부)위탁연구책임자 : 서 정 윤

- i -

사업명 차세대 핵심환경기술개발사업 기술분류 (실용,공공,원천,기획)

연구과제명 전기 바이오 복합형 하이브리드 악취제거 시스템 개발

최종성과품 전기 바이오 복합형 하이브리드 악취제거 시스템

수행기관

(주관기관)

기관

(기업)명한국기계연구원 설립일 1976.12.30

주소 대전시 유성구 신성로 104 (장동 171)

대표자

(기관장)이 상 천 연락처 042-868-7475

홈페이지 www.kimm.re.kr 팩스 042-868-7284

연구과제

개요

주관연구책임자 김용진 소속부서

그린환경

기계연구

본부

전화

E-mailyjkim@kimm.re.kr

실무담당자 한방우전화

E-mailbhan@kimm.re.kr

참여기업 대가파우더시스템(주)

총사업비

(천원)

정부출연금민간부담금

합계현금 현물

752,000 26,800 241,200 1,020,000

총연구기간 2006.4. 1 ～ 2009. 3. 31( 3년)

연구개발

결과

최종목표

◦ 전기화학 및 바이오 트리클링(trickling) 기술을 복합한 난분해성

악취 고효율 복합 제거 장치 개발

* 시제품사양: 3,000CMH

* 암모니아, 황화수소, 메틸메르캅탄 등의 일반악취 99% 이상

처리

* 반응시간: 30초 이내 (기존대비 30% 이상 절감)

* 바이오 난분해성 메탄, 에텐, 디메틸 에스테르 등 처리효율

40% 이상 향상

* 적용처: 하수/슬러지 처리, 발효, 인쇄공정 등에 적용

* 공기희석관능법을 적용한 미량 악취유발 물질 측정, 평가

개발내용 및

결과

◦ 전기화학 분해 및 플라즈마 전처리 복합형 독자모델 기술 개발

- Gliding, DBD 2종 전기 플라즈마 및 바이오 트리클링 복합

300CMH급 Bench 시스템 개발

- 5종 가스 종류별 시스템 운전 시험 및 설계 인자 파악

- 난분해성 2종에 대한 복합 시스템 성능 시험 비교 완료

- 기존 대비 30%급 성능 향상 확보

보고서 초록

- ii -

◦ 악취 및 2차 분해, 전환 물질 측정, 평가기술 확립

- 정량기기 및 공기희석관능법 비교

- 다중 검지관 및 GC-MS 측정 시스템 구축

◦ 1,500CMH급 전처리 분해, 변환 물질의 바이오 미생물 복합

처리 Pilot 모듈 기술 개발

- Pilot 실험을 통한 시스템 Sizing 기술 개발

* DBD 단위모듈 Scale-up 반응부, 전원공급부 제작

* 평판형 플라즈마 모듈 Sizing 시험 완료

- 실플랜트 배기 악취가스에 연결한 연속 운전, 효율 특성

시험

* 150, 600 ppm급 고농도 및 저농도 실플랜트 모사 악취별,

유량별, 사용전력별 악취 제거효율 특성 파악

* 대상 가스 종류별 시스템 연속 운전 및 설계 인자 파악

* 기존 대비 40%급 배출저감 성능 향상 확보

- 농도별 및 난분해성 물질 종류별 특성 및 유량, 반응기별

매칭기술

- 3차원 수치해석을 통한 최적 유동, 압력손실 및 효율 예측

최적화 설계

* 3D 수치해석 적정 모델 도출

- 시스템 단위 모듈화 및 컴팩트화 조합 기술

◦ 3,000CMH급 실기입증 적용

- 단위모듈, 구성품 최적 조합에 의한 고효율 모듈화 설계,

제작

- 고농도 및 난분해 악취배출 공정 연결 적용

* 암모니아, 황화수소 등의 일반악취 99% 이상 처리

* 톨루엔, p-자일렌 등의 난분해성 가스 40% 이상 효율

향상 달성

- 공기희석관능법 및 기기분석법 이용 실기 평가

◦ 최적화 모듈 설계 및 실기적용 엔지니어링 기술 개발

- 최적화 모듈 실기성능 시험 평가 완료 및 복합시스템 실증화

적용 입증 평가 완료

* 악취 종류별 가스 분해/변환 하이브리드 최적화 메커니즘

분석

- 장기연속 운전 및 기술, 경제성 분석

* 복합가스 종합성능 시험 및 장기 운전 안정성 평가 완료

* 기존대비 원가 30% 이상, 설치공간 50% 이상 절감 효과

달성

개발기술의

특징․장점

- 바이오 트리클링의 전단에 플라즈마 전처리 시스템을 복합한

하이브리드 시스템은 고농도의 난분해성 악취성분을 수용성의

성분으로 변환시켜 미생물의 처리가 용이하도록 변환시키는

기술적 특징을 갖고 있음

기대효과

(기술적 및

경제적 효과)

- 악취배출 시설의 수 ppb 이하의 미량, 난분해성 물질의

고효율화 복합 분해, 변환 처리 독자기술 확보

(제거 효율 : 99% 이상)

- 공기희석 관능법에 의한 측정, 평가 기술확보로 시스템의

- iii -

신뢰성 및 타당성 향상

- Compact화로 가스 스크러버 병용, 조합하여 직접 장착 가능

- 플라즈마, 전기화학 및 바이오 복합 시스템 기술의 응용에 의한

에너지 절감

- 민감한 민원사항인 악취문제 해결 수단 개발, 보급을 통한 환경

민원 및 분쟁 해소에 기여

- 각종 배출 공정에 적용, 보급을 통한 기업 이윤 증대

- 고효율 독자 기술 제품의 국산화로 수입대체 및 국제적 역수출

- 악취, VOC 배출 시설을 비롯한 각종 환경관련 산업의

국제경쟁력 제고

적용분야

- 하폐수 처리장, 분뇨처리장, 수출석유화학, 반도체,

음식물쓰레기 자원화 및 화공 플랜트 등의 각종 악취 배출 공해

방지설비 적용

- 기존의 노후화 세정가스 및 VOC 처리 장치 대체품으로 활용

- 메탄, 에스테르 등의 난분해성 악취/VOC 제거 시스템 적용

과학기술적

성과

특허

국내 출원 6건, 등록 3건

국외 PCT 출원 1건

논문

게재

SCI 없음

비SCI 비SCI논문 3건

기 타 없음

사업화

성과

매출액

개발후 현재까지 10억원

향후 3년간 매출 50억원

시장

규모

현재의 시장규모 국내 : 500억원

세계 : 10,000억원

향후(3년) 예상되는 시장규모 국내 : 1,000억원

세계 : 20,000억원

시장

점유율

개발후 현재까지 국내 : 1%

세계 : 0.05%

향후 3년 국내 : 5%

세계 : 0.25%

세계시장

경쟁력

순위

현재 제품 세계시장 경쟁력 순위 20위

3년 후 제품 세계시장 경쟁력 순위 5위

- iv -

목 차

제1장 서론······························································································································1

가. 연구개발의 중요성 및 필요성 ·······················································································1

나. 연구개발의 국내외 현황 ································································································2

다. 연구개발대상 기술의 차별성․ ························································································5

제2장 연구개발의 목표 및 내용 ····················································································7

가. 연구의 최종목표 ··············································································································7

나. 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법 ·········································································7

(1) 1차년도 연구개발의 목표 ·························································································7

(2) 2차년도 연구개발의 목표 ·························································································9

(3) 3차년도 연구개발의 목표 ·························································································9

(4) 연도별 연구개발 목표의 평가방법 ········································································11

다. 연도별 추진체계 ···········································································································13

제3장 연구개발 결과 및 활용계획·············································································17

가. 연구개발 결과 및 토의 ································································································17

(1) Bench 시스템 설계를 위한 수치해석 ··································································17

(가) 지배방정식 ··········································································································17

(나) 제한체적법 ··········································································································18

(다) 수치해석 결과 ·····································································································21

(2) Bench 규모 하이브리드 장치 설계 및 제작 ·······················································32

(가) 전처리 정전 반응기 제작 ··················································································32

(나) Bench 규모 바이오 트리클링 시스템 설계 및 제작 ····································43

(다) 다중 악취 분해 제거 특성 평가 시스템 구축 ················································46

① 악취 가스 공급 시스템 방법 개발 ···································································46

② 검지관과 GC-MS 이용 악취 가스 농도 분석 ··············································50

㉮ 검지관법 ··········································································································50

㉯ GC-MS법 ·······································································································53

㉰ 검지관법과 GC-MS법 비교 ·········································································60

- v -

(3) Bench 시스템의 성능 평가 실험 ··········································································61

(가) Bench급 플라즈마 반응기의 모의 악취가스 제거 성능시험 ·······················61

(나) Bench급 플라즈마 반응기의 악취 가스 변환 분석 ······································69

(다) 바이오 트리클링 장치의 악취제거 성능 실험 ················································81

(라) 플라즈마 및 바이오 트리클링 복합 시스템의 악취제거 성능 ·····················84

(마) 기기분석법 및 공기희석관능법 측정 비교 분석법(위탁) ·····························88

① 공기희석관능법 ···································································································88

② 공기희석관능법의 기기분석법과의 비교 ·························································91

(4) Pilot 복합 하이브리드 시스템 수치해석 ·····························································93

(가) 복합 하이브리드 시스템 개념 설계 ·································································93

(나) 시스템 3차원 수치해석 설계 ············································································95

(5) Pilot 시스템 단위 구성품 모듈화 제작 ·····························································105

(가) 전처리 정전 집진장치 제작 및 실험 ····························································105

(나) 대용량 Pilot 플라즈마 반응기 시스템 설계 ················································110

① 단위모듈 평판 DBD 반응기 Sizing 기술 개발 ···········································110

② 고전압 고주파 교류 전원공급부 모듈화 설계, 제작 ···································116

③ 플라즈마 반응기 모듈 설계 실험 ··································································120

④ 단위모듈의 컴팩트화 조합 기술 개발 ··························································135

⑤ 시스템 연속 운전 특성 분석 ··········································································140

(다) Pilot 바이오 트리클링 시스템 설계 실험 ····················································143

① 바이오 트리클링 반응기 설계, 제작 ·····························································143

② 바이오 트리클링 반응기 설계 성능 실험 ·····················································147

③ 시스템 연속 운전 특성 분석 ··········································································153

(라) 전체 Pilot 하이브리드 시스템 연결 구성 ····················································155

(6) Pilot 시스템 종합 성능시험 ················································································157

(7) 실배기 다종 악취 분해, 변환 특성 분석 및 평가 기법 확립(위탁) ·············178

(가) 다중 악취 분해 제거 특성 측정 시스템 성능 비교 ····································178

(나) 기기분석법 및 공기희석관능법 측정 결과 비교 분석 ································185

① 시료채취 ············································································································185

② 냄새단위(희석배수) 측정 ···············································································185

③ 기기분석법과 공기희석관능법의 가스 제거 효율 비교 ······························187

(8) 3,000 CMH급 실기 적용용 플랜트 Scale-Up 설치, 구성 ··························191

(가) 단위모듈, 구성품 최적 조합에 의한 고효율 모듈화 설계, 제작 ··············191

① 나노펄스 플라즈마 반응기 제작 ····································································191

- vi -

② 유전체 격벽 방전 플라즈마 모듈 Scale-up 제작 ·····································197

③ 바이오 트리클링 장치 Scale-up 제작 ························································199

(나) 단위모듈 고효율 최적화 실험 ········································································204

① Pilot 전처리 플라즈마 반응기 실험 ·····························································204

② 실기 적용용 바이오 트리클링 Pilot 시스템 성능 실험 ·····························213

(9) 3,000 CMH급 실기 적용용 하이브리드 시스템 성능 시험 ·························220

(가) 실기 적용용 하이브리드 복합 시스템 구성 ·················································220

(나) 하이브리드 복합 Pilot 시스템 성능 시험 ····················································222

나. 연구개발 결과 요약 ·································································································225

다. 연도별 연구개발목표의 달성도 ················································································227

라. 연구개발 실적 내용 ···································································································231

마. 관련분야의 기술발전 기여도 ····················································································233

바. 연구개발 결과의 활용계획 ························································································234

제4장 참고문헌 ················································································································237

- vii -

표 목 차

표 1-1 악취방지장치 관련 기술수준 비교표 ······································································3

표 1-2 국내외 관련 연구수행 기관 ······················································································4

표 2-1 1차년도 연구개발 목표 및 내용 ··············································································8

표 2-2 2차년도 및 3차년도 연구개발 목표 및 내용 ······················································10

표 2-3 연차별 세부연구목표 및 평가기준 ········································································12

표 2-4 1차년도 연구추진체계 ····························································································14

표 2-5 2차년도 및 3차년도 연구추진체계 ·······································································15

표 3-1 Values of turbulent coefficients ·······································································18

표 3-2 시험대상 가스 및 검지관 ·······················································································51

표 3-3 악취 종류별 용해도 ·································································································72

표 3-4 주요 화학물질의 최소감지값(최소감지농도, 역치(易置) 또는 Threshold) ··89

표 3-5 Measured complex odor unit(OU/㎥) at an experimental equipment 188

표 3-6 나노펄스 전원공급장치 사양 ···············································································195

표 3-7 3,000 CMH급 바이오 트리클링 장치 사양 ·····················································201

표 3-8 1차년도 계획대비 목표달성도 ·············································································228

표 3-9 2차년도 계획대비 목표달성도 ·············································································229

표 3-10 3차년도 계획대비 목표달성도 ··········································································230

표 3-11 연구개발결과 성과 ······························································································232

표 3-12 기술개발에 따른 기대효과 ················································································234

표 3-13 기존 제품과의 설치비 및 유지비 비교 (1,500 CMH 기준) ·······················235

- viii -

그림 목차

그림 3-1 Bench급 바이오 트리클링 수치해석 격자구성 (상향식) ······························23

그림 3-2 Bench급 바이오 트리클링 수치해석 격자구성 (하향식) ······························24

그림 3-3 상향식 내부 유동분포 (1 m/s, 노즐 1개) ·····················································25

그림 3-4 상향식 내부 유동분포 (2 m/s, 노즐 1개) ·····················································26

그림 3-5 상향식 내부 유동분포 (1 m/s, 노즐 3개) ·····················································27

그림 3-6 상향식 내부 유동분포 (2 m/s, 노즐 3개) ·····················································28

그림 3-7 80℃ 유입 온도 상향식 내부 온도분포 (1 m/s) ···········································29

그림 3-8 80℃ 유입 온도 상향식 내부 온도분포 (2 m/s) ···········································30

그림 3-9 하향식 내부 유동분포 (2 m/s, 노즐 3개) ·····················································31

그림 3-10 Bench급 Gliding Arc 플라즈마 반응기 구성도 ··········································34

그림 3-11 Bench급 Gliding Arc 플라즈마 반응기 실제 모습 ·····································35

그림 3-12 Bench급 Gliding Arc 플라즈마 방전 모습 ··················································36

그림 3-13 Bench급 bead형 DBD 플라즈마 반응기 구성도 ·········································37

그림 3-14 Bench급 bead형 DBD 플라즈마 반응기 모습 ···········································38

그림 3-15 Bench급 bead형 DBD 플라즈마 방전 모습 ·················································39

그림 3-16 Bench급 rod형 DBD 플라즈마 반응기 구성도 ············································40

그림 3-17 Bench급 rod형 DBD 플라즈마 반응기 모습 ···············································41

그림 3-18 Bench급 rod형 DBD 플라즈마 방전 모습 ···················································42

그림 3-19 Bench급 바이오시스템 설계 ·········································································44

그림 3-20 Bench급 바이오시스템 모습 ·········································································45

그림 3-21 정량악취가스 발생방법(버블러법) ··································································47

그림 3-22 정량악취가스 발생방법(정량펌프법) ······························································48

그림 3-23 정량펌프법을 이용한 정량악취가스 발생방법 구성도 ·······························49

그림 3-24 에틸벤젠 보정용 스케일 ···················································································51

- ix -

그림 3-25 검지관 이용 가스농도측정 ···············································································52

그림 3-26 GC/MS 오븐 가열조건 ·····················································································54

그림 3-27 GC/MS 설치 모습 ·····························································································55

그림 3-28 5 ppm, 50 ppm 보정용 BTEX 표준가스 ····················································57

그림 3-29 5 ppm 보정용 BTEX 표준가스 스펙트럼 반복측정 ···································58

그림 3-30 50 ppm 보정용 BTEX 표준가스 스펙트럼 반복측정 ·································59

그림 3-31 검지관과 GC-MS 비교 ···················································································60

그림 3-32 소요전력별 Gliding Arc와 DBD 플라즈마 비교 ·········································63

그림 3-33 Bench급 rod형 DBD 플라즈마의 소요동력에 따른 제거효율 ···················64

그림 3-34 Bench급 rod형 DBD 플라즈마의 체류시간에 따른 제거효율 ···················65

그림 3-35 DBD 플라즈마의 인가전압에 따른 톨루엔 분해효율 ··································66

그림 3-36 rod형 DBD 플라즈마의 초기농도에 따른 톨루엔 변환효율 ·····················67

그림 3-37 rod형 DBD 플라즈마의 분무 유무에 따른 톨루엔 변환효율 ·····················68

그림 3-38 톨루엔의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼 ········································71

그림 3-39 자일렌의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼 ········································73

그림 3-40 톨루엔의 농도별 DBD 플라즈마 후단 FTIR 스펙트럼 ·······························74

그림 3-41 디클로로벤젠의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼 ·····························75

그림 3-42 에틸렌의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼 ········································76

그림 3-43 에틸렌과 톨루엔 복합가스의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼 ······77

그림 3-44 톨루엔 단일 및 복합가스의 DBD 플라즈마 후단 FTIR 스펙트럼 ············78

그림 3-45 메탄의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼 (400Hz) ··························79

그림 3-46 메탄의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼 (10kHz) ··························80

그림 3-47 악취 종류별 체류시간에 따른 바이오 트리클링의 제거효율 ······················82

그림 3-48 악취종류별 초기농도에 따른 바이오 트리클링의 제거효율 변화 ··············83

그림 3-49 Bench급 플라즈마-바이오 복합 시스템 구성 ·············································85

그림 3-50 플라즈마-바이오 복합 적용 효율 특성 (톨루엔) ········································86

그림 3-51 플라즈마-바이오 복합 적용 효율 특성 (디클로로벤젠) ····························87

- x -

그림 3-52 Olfactometer (ECOMA TO7) ······································································90

그림 3-53 공기희석관능법과 기기법의 비교(NH3) ························································92

그림 3-54 복합하이브리드 악취제거 시스템 구성도 ······················································94

그림 3-55 수치해석을 위한 모형 구성 ·············································································96

그림 3-56 수치해석 격자구성 ····························································································97

그림 3-57 3차원 정압계산 결과 (Qin = 600 CMH) ···················································98

그림 3-58 3차원 유속 계산 결과 (Qin = 600 CMH) ···············································99

그림 3-59 Qin = 60 CMH 일 때의 정압계산 결과 ··················································100

그림 3-60 Qin = 120 CMH 일 때의 정압계산 결과 ·················································101

그림 3-61 Qin = 300 CMH 일 때의 정압계산 결과 ·················································102

그림 3-62 Qin = 600 CMH 일 때의 정압계산 결과 ···············································103

그림 3-63 유량에 따른 바이오 트리클링 장치 차압변화 이론과 실험 비교 ············104

그림 3-64 와이어-판형 예비하전장치 ···········································································106

그림 3-65 강유전체 전처리 집진장치 ·············································································107

그림 3-66 전처리 집진장치의 전압-전류 곡선 ····························································108

그림 3-67 전처리 집진장치의 인가전압에 따른 집진효율 ··········································109

그림 3-68 60 CMH급 단위모듈 DBD 반응기 설계 도면 ···········································111

그림 3-69 60 CMH급 단위모듈 DBD 반응기 ······························································112

그림 3-70 300 CMH급 DBD 반응기 ·············································································113

그림 3-71 750 CMH급 반응기 설계 도면 ····································································114

그림 3-72 750 CMH급 DBD 반응기 ···········································································115

그림 3-73 고전압발생장치 블록 다이어그램 ·································································117

그림 3-74 2kW 전압공급장치 ·························································································118

그림 3-75 대용량 고전압 발생장치(15kW급) ····························································119

그림 3-76 플라즈마 반응기 실험장치 구성도 ······································································

···························································································································121

그림 3-77 플라즈마 반응기 모듈 실험장치 구성 전경 ················································122

- xi -

그림 3-78 플라즈마 반응 발생 모습 ··············································································123

그림 3-79 플라즈마 반응기의 소비동력별 가스제거효율 (일반악취) ·······················124

그림 3-80 플라즈마 반응기의 소비동력별 가스제거효율 (난분해성 악취) ··············125

그림 3-81 유량별 플라즈마 반응기의 톨루엔 제거효율 ··············································127

그림 3-82 사용전력별 플라즈마 반응기의 톨루엔 제거효율(750 CMH) ·················128

그림 3-83 Pilot 플라즈마 반응기의 난분해성 악취 종류별 가스제거효율 ···············129

그림 3-84 Pilot 플라즈마 반응기의 복합 가스의 가스제거 특성 (암모니아 - 톨루엔

복합) ·················································································································131

그림 3-85 Pilot 플라즈마의 복합 가스의 가스제거 특성 (톨루엔 - 트리클로로에틸렌)

···························································································································132

그림 3-86 Pilot 플라즈마 반응기의 복합 가스의 가스제거 특성 (에틸벤젠 - 스티렌)

···························································································································133

그림 3-87 750 CMH급 플라즈마 단위모듈 반응기의 개별 및 복합가스 분해효율 134

그림 3-88 플라즈마 단위모듈 반응기 직렬 연결 ··························································136

그림 3-89 플라즈마 단위모듈 반응기 병렬 연결 ··························································137

그림 3-90 단위모듈 직렬 및 병렬 연결 시의 톨루엔 제거효율 및 차압 비교 ········138

그림 3-91 1,500 CMH 급 반응기 제작 (750 CMH 급의 단위모듈 반응기 2개 병렬

연결) ···············································································································139

그림 3-92 1,500CMH급 플라즈마 반응기의 시간별 운전 실험 ································141

그림 3-93 1,500CMH급 플라즈마 반응기의 연속 운전 실험 ····································142

그림 3-94 Pilot급 바이오 트리클링 시스템의 도면 ·····················································144

그림 3-95 Pilot급 바이오 트리클링 (콘테이너 내부 전경) ········································145

그림 3-96 미생물 배양용 모사 가스 정량 공급 시스템 ············································146

그림 3-97 바이오트리클링 장치 실험장치 구성 개략도 ··············································148

그림 3-98 바이오트리클링 실험장치 구성 전경 ···························································149

그림 3-99 초기농도별 Pilot 바이오 트리클링 장치의 악취별 제거성능 ···················150

그림 3-100 체류시간별 Pilot 바이오 트리클링 장치의 악취별 제거성능 ···············151

- xii -

그림 3-101 Pilot 바이오 트리클링 장치의 가스 종류별 제거 성능 비교 ················152

그림 3-102 Pilot 바이오 트리클링 장치 운전 연속성 실험 ·······································154

그림 3-103 Pilot 장치 플라즈마 바이오 복합시스템 모습 (1,500CMH급) ············156

그림 3-104 초기농도별 Pilot 장치 복합 시스템의 톨루엔 제거효율 ························158

그림 3-105 가스종류별 Pilot 장치 복합 시스템의 톨루엔 제거효율 ························159

그림 3-106 Pilot 복합시스템의 아세트알데히드 농도변화 및 제거효율 ··················160

그림 3-107 Pilot 복합시스템의 스티렌 농도변화 및 제거효율 ·································161

그림 3-108 Pilot 복합시스템의 톨루엔 농도변화 및 제거효율 ·································162

그림 3-109 Pilot 복합시스템의 에틸렌 농도변화 및 제거효율 ·································163

그림 3-110 복합시스템의 플라즈마, 바이오 트리클링에 의한 톨루엔 FTIR 스펙트럼

비교 ···················································································································165

그림 3-111 복합시스템의 플라즈마, 바이오 트리클링에 의한 CO 및 CO2 FTIR 스펙트

럼 비교 ············································································································ 166

그림 3-112 복합시스템의 플라즈마, 바이오 트리클링에 의한 O3의 FTIR 스펙트럼 비

교 ·······················································································································168

그림 3-113 복합시스템의 에틸렌 FTIR 스펙트럼 비교 ············································169

그림 3-114 복합시스템의 에틸렌 분해에 의한 CO 및 CO2 FTIR 스펙트럼 비교 ·170

그림 3-115 복합시스템의 에틸렌 분해에 의한 O3 FTIR 스펙트럼 비교 ················171

그림 3-116 복합시스템의 복합가스 분해에 의한 부산물 FTIR 스펙트럼 비교 ······172

그림 3-117 복합시스템의 복합가스 분해에 의한 CO 및 CO2 FTIR 스펙트럼 비교

···························································································································173

그림 3-118 복합시스템의 복합 가스 분해에 의한 O3 FTIR 스펙트럼 비교 ···········174

그림 3-119 Pilot 복합 시스템의 오존에 의한 효율 변화 ···········································176

그림 3-120 Pilot 복합 시스템의 공정 위치별 효율 변화 ···········································177

그림 3-121 FTIR 시스템 ·································································································179

그림 3-122 FID 시스템(TVA-1000) ··········································································180

그림 3-123 센서형 VOC 측정기 (VOC pro) ·······························································181

- xiii -

그림 3-124 농도별 3종류 가스분석 시스템의 비교 ·····················································182

그림 3-125 악취 종류별 공기희석관능법과 기기계측법의 제거효율 비교 ···············183

그림 3-126 3종류 가스분석 시스템의 제거효율 비교 ·················································184

그림 3-127 Olfactometer (ECOMA TO7) 개략도 ····················································186

그림 3-128 공기희석관능법과 기기법 비교(FTIR, 공기희석관능법) ························189

그림 3-129 공기희석관능법과 기기법 비교(FTIR, 공기희석관능법) ······················190

그림 3-130 나노펄스 플라즈마 반응기 설계 ·································································192

그림 3-131 나노펄스 플라즈마 반응기 모습 ·································································193

그림 3-132 나노펄스 플라즈마 방전 모습 ····································································194

그림 3-133 나노펄스 출력 전압 파형 ············································································196

그림 3-134 3,000 CMH급 DBD 플라즈마 반응기 방전 모습 ···································198

그림 3-135 3,000 CMH급 바이오 트리클링 장치 Scale-up 설계 (1,500 CMH 모듈)

···························································································································200

그림 3-136 3,000 CMH급 바이오 트리클링 장치 측면 및 정면 모습 ····················202

그림 3-137 3,000 CMH급 바이오 트리클링 내부 담체 및 부속 장치 ····················203

그림 3-138 나노펄스 플라즈마의 초기 농도별 톨루엔 변환 효율 ·····························205

그림 3-139 Pilot DBD 시스템의 초기농도에 따른 악취 종류별 분해효율 ············206

그림 3-140 Pilot Pulse와 DBD 시스템의 분해효율 비교 ··········································207

그림 3-141 Pilot DBD 플라즈마 반응기의 오염량에 따른 제거용량 ·····················208

그림 3-142 톨루엔의 DBD 반응기 전후단의 FTIR 스펙트럼 ···································210

그림 3-143 p-자일렌의 DBD 반응기 전후단의 FTIR 스펙트럼 ······························211

그림 3-144 에틸렌의 DBD 반응기 전후단의 FTIR 스펙트럼 ·································212

그림 3-145 Pilot 바이오 트리클링 시스템의 일반악취 및 톨루엔 제거효율 ···········214

그림 3-146 Pilot 바이오 트리클링 시스템의 악취종류별 제거효율 ··························215

그림 3-147 톨루엔의 Pilot 바이오 트리클링 장치 전후단의 FTIR 스펙트럼 ·········217

그림 3-148 p-자일렌의 Pilot 바이오 트리클링 장치 전후단의 FTIR 스펙트럼 ···218

그림 3-149 에틸렌의 Pilot 바이오 트리클링 장치 전후단의 FTIR 스펙트럼 ·········219

- xiv -

그림 3-150 3,000CMH급 Pilot 하이브리드 복합 시스템 구성 ·································221

그림 3-151 3,000CMH급 Pilot 하이브리드 시스템 부하 성능 비교 ·······················223

그림 3-152 Pilot 하이브리드 시스템의 악취별 제거효율 비교 ·································224

- xv -

Contents

Chapter 1 Introduction ··································································································1

가. Importance and necessity of the research development ································1

나. Domestic and foreign status of the research development ···························2

다. Difference of the technique of objects for the research development ······5

Chapter 2 Objective and contents of the research development ·······7

가. Final objective for the research ·············································································7

나. Annual objective and evaluation for the research development ···················7

(1) Objective for the research development for 1st year ·······························7

(2) Objective for the research development for 2nd year ·······························9

(3) Objective for the research development for 3rd year ·······························9

(4) Annual evaluation methods of the objectives for the research

development ·········································································································11

다. Annual driving schemes ··························································································13

Chapter 3 Results and application plans for the research

development ·······················································································································17

가. Results and discussions for the research development ································17

(1) Numerical analyses for design of bench system ·······································17

(가) Governing equations ·······················································································17

(나) Limit volume method ·····················································································18

(다) Results for numerical analyses ··································································21

(2) Design and manufacturing of a bench-scale hybrid system ·················32

(가) Manufacturing of a pre-treatment electrostatic reactor ····················32

(나) Design and manufacturing of a bench-scale bio-trickling system 43

(다) Installation of evaluation systems for decomposition and removal of

multi-odorous gases ······················································································46

① Development of an odor gas supply system ··········································46

② Odorous gas concentration analysis using gas detectors and a

- xvi -

GC-MS ···············································································································50

㉮ Method using gas detectors ····································································50

㉯ Method using GC-MS ················································································53

㉰ Comparison of two methods of gas detectors and GC-MS ··········60

(3) Experiments for performance tests of a bench system ··························61

(가) Performance tests for removal of imitated odorous gases in bench

scale plasma reactors ····················································································61

(나) Analysis for the transition of odorous gases in bench scale plasma

reactors ··········································································································69

(다) Experiments for removal of odorous gases in a bio-trickling system

·······························································································································81

(라) Removal performance of odorous gases in a plasma and

bio-trickling combination system ······························································84

(마) Analysis methods for comparison of an instrumental detection

method and air dilution olfactory method ···············································88

① Air dilution olfactory method ······································································88

② Comparison of an instrumental detection method and air dilution

olfactory method ·····························································································91

(4) Numerical analyses for a pilot hybrid system ···········································93

(가) Concept design for a pilot hybrid system ··············································93

(나) Three dimensional design for the system based on numerical

analyses ·············································································································95

(5) Manufacturing of a module of composition units for a pilot system 105

(가) Manufacturing of a pre-treatment electrostatic collection device and

the experiments ····························································································105

(나) Design of a high flow rate pilot system for plasma reactors ·······110

① Development of a sizing technique for a module unit of plate

DBD reactor ···································································································110

② Design and manufacturing of a module of high voltage and high

frequency A.C. power supply ··························································116

③ Experiments for design of a module for plasma reactors ··············120

④ Development of a combination technique for compactness of module

units ··················································································································135

⑤ Analysis of the characteristics for continuous operation of the

- xvii -

system ············································································································140

(다) Experiments for design of a pilot bio-trickling system ··················143

① Design and manufacturing of a bio-trickling reactor ·······················143

② Performance tests for design of a bio-trickling reactor ················147

③ Analysis of the characteristics for continuous operation of the

system ··············································································································153

(라) Make-up for a pilot hybrid system ·······················································155

(6) Overall performance tests for a pilot system ··········································157

(7) Establishment of analysis and evaluation methods for the composition

and transition characteristics of multi composite odorous gases ·········178

(가) Comparison for the performances of the measurement systems for

decomposition and removal of odorous gases ·····································178

(나) Analysis for comparison of the results of an instrumental detection

method and air dilution olfactory method ·············································185

① Sampling ··········································································································185

② Measurement of an odor unit (dilution ratio) ·····································185

③ Comparison of the efficiencies between an instrumental detection

method and air dilution olfactory method ···········································187

(8) Scale-up installation and make-up for a 3,000 m3/hr class real

applicable plant ··································································································191

(가) Design and manufacturing of a high efficiency module by optimal

combination of module units and structures ········································191

① Manufacturing of a nano pulse plasma reactor ···································191

② Scale-up manufacturing of a DBD plasma module ····························197

③ Scale-up manufacturing of a bio-trickling system ···························199

(나) Experiments for efficiency optimization of module units ················204

① Experiments for pilot pre-treatment plasma reactors ·····················204

② Performance experiments for a real applicable bio-trickling pilot

system ··············································································································213

(9) Performance experiments for a 3,000 m3/hr class real applicable

hybrid system ·····································································································220

(가) Make-up for a real applicable hybrid system ····································220

(나) Performance experiments for the hybrid pilot system ····················222

나. Summary of the results for the research development ···························225

- xviii -

다. Accomplishment ratio for annual objectives of the research development

······································································································································ 227

라. Achievement contents for the research development ·································231

마. Contribution of technical development for the related fields ···················233

바. Application plans for the results of the research development ··············234

Chapter 4 References ·······························································································237

- xix -

Tables

Table 1-1 Comparison of technique status for deodorization systems ···········3

Table 1-2 Domestic and foreign research institutes ·············································4

Table 2-1 Objectives and contents for the research development for 1st

year ··················································································································8

Table 2-2 Objectives and contents for the research development for 2nd and

3rd years ·······································································································10

Table 2-3 Annual specific research objectives and their evaluation standard

··························································································································12

Table 2-4 Research driving scheme for 1st year ···············································14

Table 2-5 Research driving schemes for 2nd and 3rd years ··························15

Table 3-1 Values of turbulent coefficients ·····························································18

Table 3-2 Test gases and their gas detectors ·····················································51

Table 3-3 Water solubility of odorous gases ························································72

Table 3-4 Threshold of a variety of chemical materials ···································89

Table 3-5 Measured complex odor unit(OU/㎥) at an experimental equipment

························································································································188

Table 3-6 Specification of a nano pulse power supply ···································195

Table 3-7 Specification of 3,000 m3/hr class bio-trickling system ············201

Table 3-8 Accomplishment ratio for objectives of the 1st year's research

development ······························································································228

Table 3-9 Accomplishment ratio for objectives of the 2nd year's research

development ······························································································229

Table 3-10 Accomplishment ratio for objectives of the 3rd year's research

development ······························································································230

- xx -

Table 3-11 Achievement for the results of the research development ·····232

Table 3-12 Contribution effects from the technical development ················234

Table 3-13 Comparison of maintenance and installation expenses with the

conventional system (1,500 CMH) ··················································235

- xxi -

Figures

Figure 3-1 Grid for numerical analysis of bench scale bio-trickling (upward)

···························································································································23

Figure 3-2 Grid for numerical analysis of bench scale bio-trickling

(downward) ·····································································································24

Figure 3-3 Inner flow distribution of upward system (1 m/s, nozzle 1 EA) 25

Figure 3-4 Inner flow distribution of upward system (2 m/s, nozzle 1 EA) 26

Figure 3-5 Inner flow distribution of upward system (1 m/s, nozzle 3 EA) 27

Figure 3-6 Inner flow distribution of upward system (2 m/s, nozzle 3 EA) 28

Figure 3-7 Inner temperature distribution of upward system at inlet

temperature of 80℃ (1 m/s) ····································································29

Figure 3-8 Inner temperature distribution of upward system at inlet

temperature of 80℃ (2 m/s) ····································································30

Figure 3-9 Inner flow distribution of downward system (2 m/s, nozzle 3 EA)

···························································································································31

Figure 3-10 Schematic of a bench scale gliding arc plasma reactor ················34

Figure 3-11 Picture of a bench scale gliding arc plasma reactor ·····················35

Figure 3-12 Picture of discharging of a bench scale gliding arc plasma ········36

Figure 3-13 Schematic of a bench scale bead type DBD plasma reactor ······37

Figure 3-14 Picture of a bench scale bead type DBD plasma reactor ············38

Figure 3-15 Picture of discharging phenomenon of a bench scale bead type

DBD plasma ····································································································39

Figure 3-16 Schematic of a bench scale rod type DBD plasma reactor ·········40

Figure 3-17 Picture of a bench scale rod type DBD plasma reactor ···············41

Figure 3-18 Picture of discharging phenomenon of a bench scale rod type

- xxii -

DBD plasma ····································································································42

Figure 3-19 Design of a bench scale bio-trickling system ·································44

Figure 3-20 Picture of a bench scale bio-trickling system ······························45

Figure 3-21 Constant odorous gas generation method (bubbler) ······················47

Figure 3-22 Constant odorous gas generation method (metering pump) ········48

Figure 3-23 Schematic of the odorous gas generation method using a

metering pump ····························································································49

Figure 3-24 Scale to calibrate ethyl benzene ··························································51

Figure 3-25 Measurement of gas concentration using gas detectors ···············52

Figure 3-26 Heating condition for the oven in GC/MS ·········································54

Figure 3-27 Picture of installation of GC/MS ···························································55

Figure 3-28 BETX standard gases for calibration with 5 ppm and 50 ppm ··57

Figure 3-29 Repetition measurement for the spectrum of BTEX standard gas

for calibration with 5 ppm ········································································58

Figure 3-30 Repetition measurement for the spectrum of BTEX standard gas

for calibration with 50 ppm ·····································································59

Figure 3-31 Comparison between gas detector and GC-MS ······························60

Figure 3-32 Comparison of consumption power between gliding arc and DBD

plasmas ···········································································································63

Figure 3-33 Removal efficiency of a bench scale rod type DBD plasma as a

function of consumption power ·······························································64

Figure 3-34 Removal efficiency of a bench scale rod type DBD plasma as a

function of residence time ········································································65

Figure 3-35 Decomposition efficiency of toluene as a function of applied

voltage to the rod type DBD plasma ····················································66

Figure 3-36 Decomposition efficiency of toluene as a function of inlet gas

concentration in the rod type DBD plasma ·········································67

- xxiii -

Figure 3-37 Decomposition efficiency of toluene with/without water spray in

the rod type DBD plasma ·········································································68

Figure 3-38 FTIR spectrum of toluene upstream and downstream of the DBD　

plasma ·············································································································71

Figure 3-39 FTIR spectrum of p-xylene upstream and downstream of the DBD　

plasma ·············································································································73

Figure 3-40 FTIR spectrum of toluene with toluene concentration downstream

of the DBD plasma ·····················································································74

Figure 3-41 FTIR spectrum of dichloro benzene upstream and downstream of

the DBD plasma ···························································································75

Figure 3-42 FTIR spectrum of ethylene upstream and downstream of the DBD

plasma ·············································································································76

Figure 3-43 FTIR spectrum of ethylene and toluene mixed gas upstream and

downstream of the DBD plasma ·····························································77

Figure 3-44 FTIR specturum of toluene single gas and toluene mixed gas

upstream and downstream of the DBD plasma ·································78

Figure 3-45 FTIR spectrum of methane upstream and downstream of the DBD

plasma (400Hz) ···························································································79

Figure 3-46 FTIR spectrum of methane upstream and downstream of the DBD

plasma (10kHz) ···························································································80

Figure 3-47 Removal efficiency of various odors as a fucntion of residence

time in a bio-trickling ···············································································82

Figure 3-48 Removal efficiency of various odors as a fucntion of initial

concentration in a bio-trickling ····························································83

Figure 3-49 Make-up of a bench scale plasma and bio-trickling combination

system ············································································································85

Figure 3-50 Characteristics of toluene removal efficiency in a plasma and

- xxiv -

bio-trickling combination system ···························································86

Figure 3-51 Characteristics of dichloro benzene removal efficiency in a plasma

and bio-trickling combination system ····················································87

Figure 3-52 Olfactometer (ECOMA TO7) ··································································90

Figure 3-53 Comparison between an instrumental detection method and air

dilution olfactory method (NH3) ·······························································92

Figure 3-54 Schematic of a hybrid deodorization system ····································94

Figure 3-55 Model for numerical calculation ····························································96

Figure 3-56 Grid for numerical calculation ································································97

Figure 3-57 Calculation results of 3D static pressure (Qin = 600 m3/hr) ····98

Figure 3-58 Calculation results of 3D gas velocity (Qin = 600 m3/hr) ········99

Figure 3-59 Results of static pressure at Qin of 60 m3/hr ····························100

Figure 3-60 Results of static pressure at Qin of 120 m3/hr ····························101

Figure 3-61 Results of static pressure at Qin of 300 m3/hr ····························102

Figure 3-62 Results of static pressure at Qin of 600 m3/hr ····························103

Figure 3-63 Comparison between experimental and numerical results for

pressure drop at different flow rates in a bio-trickling system 104

Figure 3-64 Wire-plate type pre-charger ·····························································106

Figure 3-65 Dielectric pre-treatment collector ·····················································107

Figure 3-66 Voltage-current curve for the pre-treatment collector ············108

Figure 3-67 Collection efficiency with an applied voltage in the pre-treatment

collector ·········································································································109

Figure 3-68 Drawing for a 60 m3/hr class DBD reactor module unit ············111

Figure 3-69 60 m3/hr class DBD reactor module unit ········································112

Figure 3-70 300 m3/hr class DBD reactor ····························································113

Figure 3-71 Drawing for a 750 m3/hr class DBD reactor ·································114

Figure 3-72 750 m3/hr class DBD reactor ······························································115

- xxv -

Figure 3-73 Block diagram for a high voltage power supply ···························117

Figure 3-74 2kW High voltage power supply ························································118

Figure 3-75 High flow rate high voltage power supply (15kW) ···················119

Figure 3-76 Schematic of experimental setup with a plasma reactor ···········121

Figure 3-77 View of make-up for a plasma reactor module ···························122

Figure 3-78 Appearance of plasma reaction ···························································123

Figure 3-79 Gas removal efficiency with consumption power of a plasma

reactor (general odors) ··········································································124

Figure 3-80 Gas removal efficiency with consumption power of a plasma

reactor (less decomposable odors) ·····················································125

Figure 3-81 Removal efficiency of toluene with a flow rate in a plasma reactor

·······················································································································127

Figure 3-82 Removal efficiency of toluene with consumption power in a plasma

reactor (750 m3/hr) ·················································································128

Figure 3-83 Removal efficiency of less decomposable gases in a pilot plasma

reactor ··········································································································129

Figure 3-84 Characteristics of removal efficiency of multi composition gases in

a pilot plasma reactor (NH3-toluene) ···············································131

Figure 3-85 Characteristics of removal efficiency of multi composition gases in

a pilot plasma reactor (toluene-dichloro benzene) ·······················132

Figure 3-86 Characteristics of removal efficiency of multi composition gases in

a pilot plasma reactor (ethyle benzene - styrene) ····················133

Figure 3-87 Decomposition efficiency of single and multi composition gases in

a 750 m3/hr class plasma module unit ··············································134

Figure 3-88 A series connection of plasma reactor module units ··················136

Figure 3-89 A parallel connectin of plasma reactor module units ··················137

Figure 3-90 Comparison of toluene removal effciency and pressure drop

- xxvi -

between a series and a parallel connection of plasma reactor

module units ·······························································································138

Figure 3-91 Manufacturing of a 1,500 m3/hr class reactor (a parallel

connection of 750 m3/hr class module units) ······························139

Figure 3-92 Operation experiments of a 1,500 m3/hr class plasma reactor in

time ············································································································141

Figure 3-93 Continuous operation experiments of a 1,500 m3/hr class plasma

reactor ········································································································142

Figure 3-94 Drawing of a pilot scale bio-trickling system ······························144

Figure 3-95 Pilot scale bio-trickling system ·························································145

Figure 3-96 Constant simulation gas supply system for cultivating bio-trickling

micro-organism ·····················································································146

Figure 3-97 Schematic of the experimental setup for bio-trickling system

······················································································································148

Figure 3-98 Make-up for bio-trickling system ····················································149

Figure 3-99 Removal performance of a pilot bio-trickling system with initial

gas concentration ····················································································150

Figure 3-100 Removal performance of a pilot bio-trickling system with gas

residence time ························································································151

Figure 3-101 Comparison of removal performance with different gases in a

pilot bio-trickling system ·····································································152

Figure 3-102 Continuous operation experiments for a pilot bio-trickling system

······················································································································154

Figure 3-103 View of a pilot plasma and bio-trickling hybrid system (1,500

m3/hr) ··········································································································156

Figure 3-104 Removal efficiency of toluene with initial concentration in a pilot

hybrid system ···························································································158

- xxvii -

Figure 3-105 Removal efficiency of toluene with different gases in a pilot

hybrid system ···························································································159

Figure 3-106 Concentration change and removal efficiency of acetaldehyde in a

pilot hybrid system ·················································································160

Figure 3-107 Concentration change and removal efficiency of styrene in a pilot

hybrid system ···························································································161

Figure 3-108 Concentration change and removal efficiency of toluene in a pilot

hybrid system ···························································································162

Figure 3-109 Concentration change and removal efficiency of ethylene in a

pilot hybrid system ·················································································163

Figure 3-110 Comparison of toluene FTIR spectra by plasma and bio-trickling

in a hybrid system ·················································································165

Figure 3-111 Comparison of CO and CO2 FTIR spectra by plasma and

bio-trickling in a hybrid system ······················································ 166

Figure 3-112 Comparison of O3 FTIR spectra by plasma and bio-trickling in a

hybrid system ···························································································168

Figure 3-113 Comparison of ethylene FTIR spectra in a hybrid system ·····169

Figure 3-114 Comparison of CO and CO2 FTIR spectra by decomposition of

ethlylene in a hybrid system ······························································170

Figure 3-115 Comparison of O3 FTIR spectra by decomposition of ethylene in

a hybrid system ·······················································································171

Figure 3-116 Comparison of by-product FTIR spectra by decomposition of

multi composition gases in a hybrid system ··································172

Figure 3-117 Comparison of CO and CO2 FTIR spectra by decomposition of

multi composition gases in a hybrid system ··································173

Figure 3-118 Comparison of O3 FTIR spectra by decomposition of multi

composition gases in a hybrid system ·············································174

- xxviii -

Figure 3-119 Efficiency change by ozone in a pilot hybrid system ··············176

Figure 3-120 Efficiency change by process position in a pilot hybrid system

······················································································································177

Figure 3-121 FTIR system ··························································································179

Figure 3-122 FID system (TVA-1000) ··································································180

Figure 3-123 Sensor type VOC analyzer (VOC pro) ··········································181

Figure 3-124 Comparison of three kinds of gas analyzing systems with gas

concentration ·····························································································182

Figure 3-125 Comparison of removal efficiency between an instrumental

detection method and air dilution olfactory method ····················183

Figure 3-126 Comparison of removal efficiency among three kinds of gas

analyzing systems ···················································································184

Figure 3-127 Schematic of olfactometer (ECOMA TO7) ···································186

Figure 3-128 Comparison between air dilution olfactory and instrumental

detection methods ···················································································189

Figure 3-129 Comparison between air dilution olfactory and instrumental

detection methods (FTIR, air dilution olfactory method) ········190

Figure 3-130 Design of a nano pulse plasma reactor ·········································192

Figure 3-131 Appearance of a nano pulse plasma reactor ································193

Figure 3-132 Picture of discharging of nano pluse plasma ·······························194

Figure 3-133 Wave pattern of nano pulse power ·················································196

Figure 3-134 Picutre of discharging of 3,000 m3/hr class DBD plasma reactor

······················································································································198

Figure 3-135 Scale-up design of a 3,000 m3/hr class bio-trickling system

(1,500 m3/hr module) ············································································200

Figure 3-136 Side and front views of a 3,000 m3/hr class bio-trickling system

······················································································································202

- xxix -

Figure 3-137 Filter media and subsidiary devices in a 3,000 m3/hr class

bio-trickling ····························································································203

Figure 3-138 Decomposition efficiency of toluene with intial gas concentration

in a nano pulse plasma ········································································205

Figure 3-139 Decomposition efficiency of different odor gases with intial gas

concentration in a pilot DBD system ··············································206

Figure 3-140 Comparision of decomposition efficiency between pilot pulse and

DBD plasma systems ············································································207

Figure 3-141 Removal capacity by pollutant gases in a pilot DBD plasma

reactor ·····································································································208

Figure 3-142 FTIR spectra of toluene upstream and downstream of a DBD

reactor ·······································································································210

Figure 3-143 FTIR spectra of p-xylene upstream and downstream of a DBD

reactor ·······································································································211

Figure 3-144 FTIR spectra of ethylene upstream and downstream of a DBD

reactor ·······································································································212

Figure 3-145 Removal efficiency of general odors and toluene gas in a pilot

bio-trickling system ·············································································214

Figure 3-146 Removal efficiency of various odor gases in a pilot bio-trickling

system ·······································································································215

Figure 3-147 FTIR spectra of toluene upstream and downstream of a pilot

bio-trickling system ·············································································217

Figure 3-148 FTIR spectra of p-xylene upstream and downstream of a pilot

bio-trickling system ·············································································218

Figure 3-149 FTIR spectra of ethylene upstream and downstream of a pilot

bio-trickling system ·············································································219

Figure 3-150 Make-up of a 3,000 m3/hr class hybrid system ·······················221

- xxx -

Figure 3-151 Load performance test in a 3,000 m3/hr class pilot hybrid

system ······································································································223

Figure 3-152 Comparison of various gas removal efficiencies in a pilot hybrid

system ········································································································224

- 1 -

제1장 서 론

가. 연구개발의 중요성 및 필요성

환경부 대기환경보전법과 2004년에 제정된 악취방지법에 의하면, 악취란 황화수소, 메르캅

탄류, 아민류 등 기타 자극성 있는 기체상 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을

주는 냄새로 정의되며, 주로 인체 위해성 보다는 정신적, 심리적 피해를 끼치는 감각적 공해이

다. 또한 일부물질들은 아주 저농도에서도 감지되는 것도 있다. 국내의 악취 민원 발생현황

은 2001년 2,760건, 2002년 2,878건, 2003년 상반기 1,550건 등 해마다 증가하는 추세에

있다. 이에 따라, 대기질을 우선으로 하는 대기오염과 달리, 악취는 감각공해로서 대기오염,

수질오염, 소음․진동 등과 함께 독립된 환경오염으로 규정하고 있다. 일본은 1960년대부터 악

취를 전형적인 7대 공해의 하나로 규정하여 관리해 왔으며, 1971년에는 악취방지법을 제정하

여 엄격히 규제하고 있다. 우리나라에서도 최근의 악취가 국민의 삶의 질과 직결된 환경문제

로 부상함에 따라, 이를 체계적으로 연구하는 학회설립을 비롯하여, 국가적으로도 현행 대기환

경보전법에 의한 대기오염 관리차원에서 관리하고 있는 악취를 그 특성에 맞도록 별도 입법

추진하여 2004. 02. 09 악취방지법을 공포하였으며, 2005. 02. 10부터 12가지 악취 물질에

대하여 규제를 시행하고 있으며, 2010년까지 규제대상 악취물질을 22종으로 확대할 예정에

있다.

악취의 종류에는 대기환경보전법상에 규정되어 있는 암모니아, 메틸메르캅탄, 황화수소, 황

화메틸, 이황화메틸, 트리메틸아민, 아세트알데히드, 스트렌 등 8가지 물질 외에도 2008년부터

규제되는 자일렌, 메틸에틸케톤(MEK), 트리에틸아민(TEA) 등 그 물질의 종류가 다양하고 배

출원 또한 하수, 분뇨처리장 등의 각종 환경기초시설로부터 석유화학단지를 비롯한 각종 산업

시설에 이르기까지 악취를 발생시키는 사업장은 우리 생활주변에 널리 분포되어 있다.

현재 국내에서 설치되고 있는 악취방지 장치로는 다양한 악취가스에 적용이 가능한 흡착법,

약액세정법, 연소법, 수세정법, 오존산화법, 마스킹법 등의 방법이다. 최근에는 운전비가 낮고

유지관리가 용이한 토양탈취, 활성 슬러지법 등의 생물탈취에 대한 관심이 높아지고 있다. 미

생물의 분해 능력을 이용하여 악취를 제거하는 생물학적인 탈취 방법은 높은 탈취효율과 경제

성을 동시에 갖추고 있어 최근에 많은 주목을 받고 있다. 대기용과 수질 처리용으로 구분할

수 있는 생물학적 탈취 방법의 시장규모 추이를 살펴보면 1998년 3,750억원에서 2000년

4,560억원으로 증대해 2년 동안에 22%의 성장을 보였다. 특히 대기용의 경우는 2000년도

매출은 1999년에 비해 60% 정도 급증하였다. 2008년 악취방지법의 2단계 발효에 따라 이

러한 방지시설의 설치는 급격히 증가할 것으로 예측되는데, 이러한 생물처리법에서 토양탈취의

경우 넓은 토지를 필요로 하고, 활성슬러지 탈취는 단독으로는 사용될 수 없고 악취성분의 변

동에 대한 대응력이 낮다는 단점을 가지고 있다. 또한, 충진물 미디어의 잦은 교체로 유지관

리비가 높으며 압력손실이 높고, 바이오매스의 조절이 어려울 뿐 아니라 제어를 위해 역세척이

나 진동, 물리적 교반 장치가 필요하기 때문에 폐수 발생량이 많고 더욱이 산성 가스의 처리에

- 2 -

는 부적합하다. 한편, 바이오 와셔나 바이오 스크러버는 난분해성 악취처리에 부적합하고 고유

량처리에 어려우며 폐수발생량이 과다하여 유지관리에 어려움이 많다. 이상에서, 기존의 악취

처리 장치에서 널리 사용되고 있는 연소법과 바이오법 등은 여전히 설치 및 유지에너지 비용

의 증대와 촉매 노화에 의한 교체를 포함하여 미생물 기술의 상대적인 낮은 반응력과 설치 면

적의 과다 등으로 단독으로는 적용에서 한계점과 문제점을 내포하고 있다.

최근의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 여러 가지 악취물질 제어에 대한 방안들이 소개

되고 있으며, 플라즈마 처리법, 전자선빔 법 등과 같은 고효율의 처리방법들이 개발되고 있으

나, 이들 방법들도 현재까지는 경제성 및 안전성과 내구성 등으로 실제 프로세스에 적용되기는

어려운 실정이다.

그러나, 악취 배출가스 중에서 고전압에 의한 전기화학적인 오존 또는 플라즈마 반응을 생

물 바이오 공정과 복합적으로 이용할 경우, 방전에 의해 발생된 전자가 오염물질 분자와 충돌

하여 가스분자의 외곽 전자상태의 변화에 의한 반응성이 풍부한 화학적 활성종인 라디칼(두

개 이상의 원자단으로서 전기를 띤 것 ; OH, COOH, CHO 등), 여기분자, 이온(전기를 띤 원

자 ; N, O, H, Ca 등) 등으로 변화되어 악취물질을 전처리로 분해시키거나, 전단에서 수소 등

의 환원물질로 변화를 일으켜 후단 생물처리 공정에서의 처리 효율 향상은 물론, 산성의 알칼

리화에 의한 생물 반응기의 수명향상, 압력손실 저하 등의 상당한 상호작용력을 발휘 할 수가

있다. 그리고, 특히 바이오 처리 공정에서 분해, 제거가 어려운 메탄, 에텐, 디메틸 에스테르

등의 난분해성의 악취물질 들을 효과적으로 처리할 수 있는 등의 많은 장점을 가질 수가 있다.

따라서, 본 연구에서는 전기화학에 의한 전처리와 바이오처리 기술을 복합하여 기존 공정 및

장치들의 문제점을 해결하고, 난분해성 악취 물질의 고도처리와 장치의 소형화를 동시에 달성

시켜 국내의 보급 확대를 통하여 대기환경오염의 저감과 동시에 주민들의 민원 해소라는 사회,

경제적 문제점을 해결하고자 한다. 또한, 전기와 바이오 기술을 복합적으로 이용하는 새로운

독자국산화 모델을 개발하여 국내에서의 수입대체는 물론, 대일본 및 독일 등의 선진국에 대한

수출 경쟁력을 확보하여 국제적으로도 고부가가치를 창출코자 한다.

한편, 악취는 국민이 직접 후각으로 느끼는 환경오염의 지표로써 극히 낮은 농도에서도 피

해를 유발하여 대기질 전반에 대한 불신을 초래하는 사항으로 이들의 체계적인 측정, 분석 방

법의 개발, 병행이 장치 개발과 필수적으로 병행되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 고효율

의 제거장치 개발과 병행하여 이들의 평가에 대한 신뢰성 확보와 신속성을 위하여 기존의 기

기분석법 측정과 공기희석관능법을 이용하여 다양한 처리 악취에 대한 측정, 평가 연구를 동시

에 수행한다.

나. 연구개발의 국내외 현황

현재 국내에서 일반화 설치되고 있는 바이오 필터의 국내관련 회사로는 LG건설, 효성화학

의 바이오텍 분야, 삼성 엔지니어링 등의 화학 및 건설 관련 대기업들이 있으며 엑센에서는 프

랑스의 Bord Na Mona 사에서 국산화 이전을 받아 탈취 설비를 생산중이며, 엔비시스템은 독

일의 Envi Verfahrens Technik사와 기술 제휴해 다공정 세라믹 메디아의 국산화에 성공하여

- 3 -

폐수처리장과 하수처리장, 쓰레기 적환장에 탈취 설비를 설치한 실적이 있고 벤처기업인 카보

텍(주) 및 인바이오넷 등에서도 다양한 바이오 필터 시스템을 개발 적용하고 있다.

최근 들어 독일 등 유럽에서 널리 사용되어지고 있는 바이오 트리클링 필터는 물리화학적

처리기술에 비해 설비가 콤팩트하고, 충진물이 무기성으로서 반영구적이며 바이오매스를 영양

소의 양과 주기로써 제어하기 때문에 압력손실의 변화가 거의 없으며 또한 폐수발생량이 거의

없기 때문에 매우 경제적이고, 효과적인 기술로 평가되지만, 이러한 장점에도 불구하고 처리시

간이 연소 등의 방법에 비해 상대적으로 매우 길기 때문에 고농도의 유입 가스를 처리하는 데

에는 그 한계가 있다.

한편, 전기적인 분해방법인 플라즈마 처리법, 전자선빔법 등과 같은 방법들은 난분해성의

악취물질을 완전 분해할 수 있다는 점 등의 장점을 지니고 있으나, 장시간 사용 시의 내구성

및 경제성 등의 측면에서 실제적인 프로세스에 일반화되지 못하고 있는 실정이다.

전반적으로, 악취제거 기술과 관련하여 선진국과의 기술수준 비교를 표 1-1에 나타낼 수

있으며, 바이오 공정을 중심으로 할 경우에도, 오폐수용의 기술력은 유럽, 미국, 일본 등 환경

선진국과 비교할 때 상당한 수준에 도달하였지만 대기 악취 제거용으로는 해외 선진국에 비하

여 국산 기술력이 약 60% 정도에 불과하고 향후 수요증대를 예상할 때 기술적 보완 대책이

시급히 마련되어야 할 것이다. 국내외 관련 연구수행 기관 및 연구개발 내용은 표 1-2와 같

다.

비교 항목 선진국 수준 국내 수준

1. 처리대상악취물질 30종 이상 20종 이하

2. 압력손실 20mmAq 이하 30~100mmAq

3. 전처리 기술 필터, 전기복합 단순필터 구조

4. 전기화학반응기(플라즈마)기술 100 기준 80 이하

5. 재생 및 내구 효율 100 기준 70 이하

6. 소비전력 수십 W 수백 W

표 1-1 악취방지장치 관련 기술수준 비교표

- 4 -

연구수행 기관 연구개발의 내용 연구개발성과의 활용현황

명지대,뉴엔텍(주)

하이브리드 유동층 생물반응기와

양수성 복합담체 바이오필터를 이용한

악취처리기술 개발

요소기술, 부분적용

기계연,

환경플라즈마(주)

악취 및 저농도 휘발성유기화합물

처리를 위한 플라즈마/촉매공정의

현장적용기술 개발

실증적용(100CMH)

카보텍(주)

악취와 VOCs 처리를 위한

Biofiltration 기술의 배출원별 최적화

및 상용화

실증적용(100CMH)

전북대학교Microwave Plasma를 이용한 악취 및

VOCs 처리장치 개발실험실 수준(1CMH)

우송대학교악취와 VOCs 혼합폐가스 처리를 위한

Biofiltration 기술개발설계기술개발

대가파우더

시스템(주)

Bio trickling filter 시스템을 이용한

악취 방지기술

담배제조 및 석유화학 공정

등에 180,000CMH급 실규

모 적용

Mitsui-M+W

Zander(독일)

Bio trickling filter system 관련

독자적인 기술 보유

고효율 하이브리드화 개발

확장중

일본 동경대, AIST저온 플라즈마를 이용한 악취, VOC

분해기술실내공기정화용 적용

표 1-2 국내외 관련 연구수행 기관

- 5 -

다. 연구개발대상 기술의 차별성

상용화 공정 기술 및 특허는 대부분이 유럽, 일본이 보유하고 있으며 국내에서는 국외 상용

화 기술을 시범 적용하여 자체적인 연구 개발 추진 중에 있다. 유럽, 일본 등은 유해 악취가

스 처리기술로 바이오 트리클링 기술을 지속적으로 개발하여 현재 상용화 단계에 이르고 있으

나, 처리시간, 고농도 가스 처리 및 복합 난분해성 악취처리 면에서 그 한계가 여전히 존재하

고 있는 실정이다. 특히 유럽에서는 바이오 트리클링 기술의 단점을 보완하기 위하여 UV에

의한 악취가스 처리기술과 바이오 트리클링 기술의 결합공정에 대한 연구를 시도하고 있으나,

아직까지 실험실단계에서의 수준에 머무르고 있는 실정이다. 플라즈마 처리법과 같은 전기적

인 악취 분해기술은 난분해성 악취물질을 완전 분해할 수 있다는 장점을 지니고 있으나, 장시

간 사용에 따른 내구성 및 경제성 문제점이 존재해 대용량 및 상용화 기술로 발전하지 못하고

있다. 따라서 본 플라즈마를 이용한 악취가스 처리기술을 바이오 트리클링 시스템의 전처리

기술로 적용하여 새로운 복합공정을 성공적으로 개발할 경우 기존 바이오 트리클링 기술 및

플라즈마 기술의 한계를 극복할 뿐만 아니라, 다종 난분해성 복합가스를 포함한 악취가스 처리

가 요구되는 산업공정에 효과적으로 적용 가능할 수 있을 것이다.

- 6 -

- 7 -

제2장 연구개발의 목표 및 내용

가. 연구의 최종목표

본 연구의 최종목표는 전기화학 및 바이오 트리클링 기술을 복합한 난분해성 악취 고효율

복합 제거 장치를 개발하는 것이다. 시제품 사양은 3,000m3/hr 규모의 악취를 처리하는 것이

며, 악취 물질로는 암모니아, 황화수소, 메틸메르캅탄 등의 일반악취를 99% 이상 처리하고

바이오 난분해성 악취인 메탄, 에텐, 디메틸 에스테르 등의 처리효율을 40% 이상 향상시키고

자 한다. 반응시간은 기존대비 30% 이상을 절감시킨 30초 이내이고, 적용처로서 하수/슬러지

처리, 발효, 인쇄공정 등에 적용하고자 한다. 또한 공기희석관능법을 적용한 미량 악취유발 물

질 측정 및 평가 기술의 개발도 본 연구 내용에 포함되어 있다.

나. 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법

(1) 1차년도 연구개발의 목표

1차년도의 연구개발 목표는 Bench 규모(300 CMH급)의 전기화학 분해 및 전처리 복합형

바이오 트리클링 악취 제거 독자 모델 기술을 개발하는 것이다. 암모니아, 황화수소 등의 일

반악취를 90% 이상 제거하고 톨루엔, 자일렌 및 디클로로벤젠 등의 난분해성 악취를 30%

이상 향상시키는 것을 목표로 하였다. 또한 악취 및 2차 분해물질의 축정 및 평가기술을 확

립하고 정량기기와 공기희석관능법의 비교 평가를 수행하고자 하였다. 표 3은 1차년도 연구

개발 목표 및 내용을 나타내고 있다.

- 8 -

구분 연도 연구개발의 목표 연구개발의 내용 연구범위

1차연도

2006

◦전기화학 분해 및 플라즈마 전처리 복합형 독자모델 기술 개발 - 300m3/hr - 일반악취 90%이상제거 - 난분해성 악취 30% 이상 향상◦ 악취 및 2차 분해물질 측정, 평가기술 확립 -정량기기 및 공기희석관능법 비교

-Bench Scale 기본실험 장치 설계, 제작

* 전처리 전기방전부 및 환원물질 전환부 설계, 제작 * 300m3/hr급 반응기 유니트 기본 설계 기술 * 시스템 구성 및 운전특성-Bench Scale 실험을 통한 적정시스

템 개발 * 모의 악취가스에 연결한 전기화학

분해 및 변환 특성 시험 # 고저농도별 일반 악취 제거 효율 특성 # 난분해성 악취, 가스의 환원 물질 전환, 제거 특성-최적 전기부 및 바이오 반응부 적정 유로 설계, 제작 기술 개발 * 기하학적 전극, 인가전압 특성별 처리유량별 제거율의 데이터 베이스화 * 설계 지배 인자 결정-기술의 타당성 분석 및 모듈화 설계 * 도출 모델의 우위성 분석-악취 및 분해, 변환 가스 샘플링 및

특성 분석법 * 기기분석법 및 공기희석관능법 측정 비교 분석 * 온습도 조건에서의 가스 농도, 화학적 조성 분석

-300m3/hr급 Bench 규모 전기반응기 2모델 이상-2차부산물 특성-2차원 유동해석-3종류 이상 악취

및 변환 가스 연계 분석

-기기분석법 및 공기희석 관능법

비교

표 2-1 1차년도 연구개발 목표 및 내용

- 9 -

(2) 2차년도 연구개발의 목표

2차년도의 연구개발 목표는 1,500 CMH급 전처리 분해, 변환 물질의 바이오 미생물 복합

처리 Pilot 모듈 기술 개발이다. 암모니아, 황화수소 등의 일반악취를 98% 이상 제거하고 톨

루엔, 자일렌 및 디클로로벤젠 등의 난분해성 악취를 40% 이상 향상시키고자 하였다. 또한,

실플랜트 모사연결에 의한 Sizing 기술을 개발하고 실플랜트 배기 악취가스에 연결한 연속

운전, 효율 특성 시험을 수행하고자 하였고 농도별 및 난분해성 물질 종류별 특성 및 유량,

반응기별 매칭기술을 확보하고자 하였다. 또한 3차원 수치해석을 통한 최적 유동, 압력손실

및 효율 예측 최적화 설계하는 기술을 확보하고자 하였다.

(3) 3차년도 연구개발의 목표

3차년도의 연구개발 목표는 3,000 CMH급 플라즈마 전처리 바이오 트리클링 복합 시스템

의 Scale-Up 기술 확보와 이의 실기입증을 적용하고자 하는 것이다. 이를 위해 단위모듈,

구성품 최적 조합에 의한 고효율 모듈화 설계 및 제작을 수행하고, 고농도 및 난분해 악취배

출 공정 연결 적용 성능 평가 실험을 수행하며, 공기희석관능법 및 기기분석법 이용 실기 평

가를 수행하고자 하였다. 또한, 최적화 모듈 설계 및 실기적용 엔지니어링 기술을 개발하고

장기연속 운전 시험 평가와 함께 본 시스템에 대한 기술, 경제성 분석을 수행하고자 하였다.

표 4는 2차년도 및 3차년도의 연구개발 목표 및 내용을 나타내고 있다.

- 10 -

구분 연도 연구개발의 목표 연구개발의 내용 연구범위

2차연도

2007

◦ 전처리 분해, 변환 물질의 바이오 미생물 복합 처리 Pilot 모듈기술 개발

- 1,500m3/hr

급

- 일반악취

98%이상제거

- 난분해성

악취 40%

이상 향상

◦ 실플랜트 모사연결에 의한 Sizing 기술 및

컴팩트 비교우위

확보

-기존 대비

20% 이상 체류

시간 및 반응기

크기 절감

-복합 하이브리드 반응기 모듈 Pilot 설계, 제작 기술

* 1,500m3/hr급 반응기 모듈화 기술 * 최적 전원공급부 개발 * 전처리 집진기술 복합화 * 시스템 연속운전 특성 분석-Pilot 실험을 통한 시스템 Sizing 기술 개발 * 실플랜트 배기 악취모사 가스에

연결한 연속 운전, 효율 특성 시험 # 농도별 및 난분해성 물질 종류별 특성 # 유량, 반응기별 매칭기술 * 3차원 수치해석을 통한 최적 유동, 압력손실 및 효율 예측 최적화 설계-시스템 단위 모듈화 및 컴팩트화 조합 기술 * 제작, 설치 원가 및 유지비 절감

기술 * 내구성 향상 기술 -실배기 다종 악취 분해, 변환 특성 분석 및 평가 기법 확립 * 공기희석관능법의 실증적용을 위한 타당성 평가 분석 * 변환인자별 기기, 희석관능법 효율 측정 데이터 상관성 비교

-1,500m3/hr급 Pilot 시스템 독자 설계, 제작-실험 및 수치해

석을 통한 Sizing 기술

* 3차원 Fluent Code 이용-실플랜트 악취 샘플, 희석별 분석-기기분석법 및

공기희석관능법 데이터베이스화 및 실기평가 타당성 기법 확립

3차연도

2008

◦3,000m3/hr급 Scale-Up 기술 및 실기입증적용

-99% 이상 악

취제거효율 달성

-기존 대비 30%

원가 절감

◦최적화 모듈 설계 및 실기적용 엔지니어링 기술 개발

-중소규모 실기 적용용 플랜트 Scale-Up 기술 개발

* 단위모듈, 구성품 최적 조합에 의한 고효율 모듈화 설계, 제작 * 고농도 및 난분해 악취배출 공정 연결 적용 * 공기희석관능법 및 기기분석법 이용 실기 평가-최적화 모듈 설계 및 실기적용 엔지

니어링 기술 개발 * 장기연속 운전 및 기술, 경제성 분석

-시스템의 단위 모듈화-단위 구성 부품 고효율화-엔지니어링설계

기술 확보-기존 바이오 및

플라즈마, 촉매 등의 타 시스템 대비 우위성

입증

표 2-2 2차년도 및 3차년도 연구개발 목표 및 내용

- 11 -

(4) 연도별 연구개발 목표의 평가방법

연도별 연구개발 목표의 평가방법을 표 5에 나타내었다. 1차년도에는 2종류 이상의 전처리

플라즈마 반응기 모델을 도출하고 모델별로 실험을 수행하며 이를 통해 전기 플라즈마 바이

오 복합 시스템을 제작하고 이에 대한 적정한 설계 인자를 도출하는 과정이 평가항목이라고

할 수 있다. 또한 1차년도 평가항목에는 3종이상의 다중 악취성분에 대한 평가 시스템을 구

축하고 기존 공정 대비 시스템의 효율 향상 및 압력 손실 저감에 대한 비교 파악을 수행하는

것을 포함하고 있다. 2차년도에는 1,500 CMH급 하이브리드 Pilot 시스템을 제작하고 기존

대비 20%의 장치의 컴팩트 모듈화하여 일반악취를 98% 이상 처리하고 난분해성 악취를

40% 이상 처리하는 것을 평가항목으로 하고 있다. 또한 2차년도 평가항목에는 수치해석 및

시뮬레이션을 통해서 반응기의 Sizing 기술을 확보하고 실배기 공기희석 관능법을 평가하여

기기법과 비교성을 파악하는 것도 포함하고 있다. 한편, 3차년도에는 3,000 CMH급의 Pilot

시스템을 설계하고 제작하여 각종 악취 적용성을 파악하여 시스템을 최적화하고 기존 시스템

대비 내구성 및 신뢰성을 향상시키는 것을 평가항목으로 하고 있고, 일반악취를 99% 이상

제거하고, 난분해성 악취를 40% 이상 향상시키는 것을 포함하고 있다.

- 12 -

구분 연도 세부연구목표 평가의 착안점 및 기준

1차

연도2006

모델 도출 및 실험수행 여부 -2모델 이상 제작 및 실험수행여부

전기 플라즈마 악취 분해 및 바이오복합 시스템 설계인자 도출

-장치 제작 및 적정설계인자 도출 여부 -수치해석 병행 여부

다중 악취 분해 제거 특성 평가 시스템 구축

-3종 이상 동시 계측 및 성능평가 라인, 방법기준 구축 여부

기존 미생물 공정 대비 특성 비교, 분석

-기존 미생물 공정 효율향상 및 압력 손실 저감 데이터 비교여부

2차

연도2007

비교우위 하이브리드 모델 도출 -98%, 난분해성 40% 이상 우위여부

1,500CMH급 파일럿 시스템 제작 및 운전

-제작여부 및 기존대비 20% 이하 체류시간 감소

시스템 단위모듈화 및 컴팩트화 -1차년도 대비 20% 이상 컴팩트 모듈 개발여부

유동, 압력 수치해석 시뮬레이션 -수치해석 및 시뮬레이션 결과 비교여부 및 반응기 Sizing 기술 확립

실배기 다종 악취 분석, 평가 -실배기 공기희석 관능법 평가 및 비교여부, 적용 타당성 평가 완료 여부

3차

연도2008

3,000CMH급 Scale-Up 기술 -3,000CMH급 시스템 설계, 제작 여부

적용별 매칭 특성 최적화 -악취 적용 영향 분석 및 최적화

장기 효율 및 재생 유지 -기존 대비 내구성, 신뢰성 향상도

시스템의 엔지니어링 기술 확립 및 기술, 경제성 분석

-40%이상 향상 기술, 경제성 우위 분석, 설계 엔지니어링 확립 여부

단위모듈 및 구성품 개발 -시스템 및 구성품 개발 완료 여부

최종

평가

3,000CMH급 고효율 하이브리드 시스템 기술

-일반악취 99%이상 제거율 달성 및 체류시간 30초 이내 여부

고도 전처리 및 복합화, 컴팩트화 장치 개발

-30% 이상 컴팩트화 및 유지비 절감여부

시스템 효율, 성능의 공인성 -공기희석관능법에 의한 공인평가여부

기술, 경제성 분석 우위 -기존 공정, 제품 대비 우위도 정도

특허, 논문 등 -특허 5건, 논문 5건 이상 보유 여부

표 2-3 연차별 세부연구목표 및 평가기준

- 13 -

다. 연도별 추진체계

1차년도와 2차년도 및 3차년도의 연도별 연구추진체계를 표 6와 표 7에 나타내었다. 참여

기업인 대가파우더시스템(주) 연구실 및 설계실과 한국기계연구원 팀의 회의를 통하여

300CMH Bench 시스템의 전처리, 바이오 트리클링 필터 시스템 및 구성품의 배치, 구성 및

제작 계획을 수립하고, 3종류 이상의 다양한 악취물질에 대한 전기분해, 바이오 분해 및 전기

화학 환원 등의 기본 실험을 수행하여 보완 요구 구성품 및 시스템에 대한 자료의 수집과 분

석, 기존의 방법의 타당성 검토 및 새로운 모델 개조 방안을 정립하도록 하였다. 기존의 바이

오 트리클링 필터 시스템의 연속 운전 시 문제점인 노즐, 층성장 및 고농도 유입 시 효율저하

와 담체에 따른 난분해성 물질에 대한 사전 조사 실험을 반복적으로 수행하면서, 월례 진행회

의를 통하여 반복 분석 연구를 수행하도록 하였다. 한편, 정전기 플라즈마 화학 및 환원물질

을 이용한 탈취, 분해 장치에 대한 실험실 규모 집중화 실험을 수행하여 미생물 반응기와의

설계 기술에 반영하면서, 크기의 컴팩트 모듈화에 대하여 지속적으로 설계팀과 상호 협의를

거쳐 보완하도록 하였다. 개발 시스템의 성능에 대한 타당성, 신뢰성 확보를 위하여 위탁기관

인 창원대학교에서 공기희석 관능법에 대한 검증과 기기분석법과의 대상물질별 비교 데이터

베이스를 확보하도록 하였다. 이를 토대로 설계, 기본실험 및 분석연구, 평가를 기반으로 실험

데이터와의 정량적인 비교, 분석을 통한 고효율화 독자모델을 도출하도록 하였다. 이상의

Bench 시스템의 기본 핵심 구성품과 시스템 등을 최종적으로 보완, 설계하여 1,500 CMH급

의 Pilot 모듈에 대한 Scale-Up 설계를 수행하고 기본설계를 완성하도록 하였다. 그리고 최

종적으로 3,000 CMH급의 실기 Pilot 시스템을 설계, 제작하여 실기응용 악취 제거 성능 평

가를 수행하고 장기 운전 안정성 및 기술 경제성 분석을 수행하도록 하였다.

- 14 -

1차년도

(2006년)

산학연 연구 업무분장 및

기존공정 분석

하이브리드 시스템

개념설계

악취 및 2차분해

물질 측정 및

평가기술 확립

Bench 규모

시스템 설계

악취 분해 성능평가

및 수치해석

정량기기 및

공기희석 관능법

비교

최적 전기부 및

적정 바이오 유로 설계

Bench 규모 장치 제작

및 시운전

기술의 타당성

분석 모듈화 설계

Bench 규모 2모델 이상 전기반응기 장착 시험 및

3종류 이상 악취/변환가스 연계분석

부품, 제품 성능시험

수정보완

Scale-Up 기본 설계

기술 완성

표 2-4 1차년도 연구추진체계

- 15 -

2차년도

(2007년))

Pilot 시스템 실험계획 수립

1,500CMH급 단위 모듈화 설계, 제작

성능실험 장치구성및 실배기 악취 추출

성능 실험

최적 전원 공급부 개발

전처리 방전 집진기술복합화

시스템 Sizing기술 개발 및 수치해석

시스템 단위 모듈화 및 컴팩트화 조합 기술 설계인자 도출

3,000 CMH 급 Scale-up 기술 및

실기 입증 적용 공종 설계

3차년도

(2008년)

데모 시제품 시스템 상세 설계

고효율화모델 개조

설계 S/W개발

실기 종합시스템 구성

종합 성능시험 및 수정보완

최적화 모듈 설계 및 실기적용 엔지니어링 기술 개발 완료

기술, 경제성 분석 및 매뉴얼 작성

표 2-5 2차년도 및 3차년도 연구추진체계

- 16 -

- 17 -

제3장 연구개발 결과 및 활용계획

가. 연구개발 결과 및 토의

(1) Bench 시스템 설계를 위한 수치해석

(가) 지배방정식

플라즈마 전처리 바이오 트리클링 복합 시스템의 설계 구성요소를 예측하기 위해서는 바이

오트리클링 장치 내에서 정확한 유동 및 온도 변화를 명확히 해석하여야 하며, 이를 위해서는

먼저 기체 유동장 및 온도장의 분포를 구하여야 한다. 본 연구에서는 바이오 트리클링 내부

의 유동속도분포를 구하기 위해 장치 내부의 유동을 정상유동이며, one-way coupling

system의 근간에서 Navier-Stokes 방정식을 SIMPLE Algorithm에 의해 해석하였다. 이

때 난류 유동에 대한 연속방정식, 운동량 방정식은 다음과 같다.

연속 방정식:

∂∂xi

(ρu i ) = 0

운동량 방정식:

∂∂xj

(ρu iu j )= -∂p∂xi

+ ∂τ

i j

∂xj + ρg i

여기서, τi j = [μ(

∂u i

∂xj +

∂u j

∂xi )] -23

μ∂u l

∂xl

δi j

본 연구에서는 집진 시스템 내부의 난류 유동을 해석하기 위하여 k- ε 모델을 사용하였으

며, 난류 에너지 k와 그것의 소산율 ε 은 다음의 전달 방정식을 따른다.

ρ DkDt

=∂

∂xi [(μ +μ

t

σk )

∂k∂xi ]+ G k - ρε

그리고

- 18 -

ρ Dε

Dt=

∂∂xi [(μ +

μt

σ ε )∂ε

∂xi ]+ C 1εε

kG k - C 2ε

ρε 2

k

위 식에서, G k는 평균 유속 구배에 의한 난류에너지의 생성을 나타내며, 다음과 같이 표현된

다.

G k = - ρ u 'iu

'j

∂u j

∂xi

난류 점성, μt는 k와 ε 으로부터 구해진다.

μt = ρ C μ

k2

ε

C μ , C 1ε , C 2ε , σk 및 σε은 모델 상수들로서 계수 값으로는 격자 난류(grid turbulence)

및 채널 난류 등의 기초 실험 데이터에 의거해서 추천되고 있는 다음 표 3-1의 값들을 사용

하였다(B. E. Launder and D. B. Spalding; 1979).

C μ C 1ε C 2ε σk

σε

0.09 1.44 1.92 1.0 1.3

표 3-1 Values of turbulent coefficients

(나) 제한체적법

본 연구에 사용된 지배방정식들은 제한체적법에 기초하여 수치적으로 해석될 수 있는 대수

방정식으로 변환된다. 제한체적법은 운동량 및 질량 보존 법칙을 만족시키기에 용이하도록 적

분하여 기초방정식을 이산화하는 방법이다. 구체적으로는 고려하고 있는 격자점을 중심으로

한 미소영역 내에서 방정식을 적분하고, 그 경계값을 인접 격자점을 이용하여 요구되는 정확

도로 적분식을 이산화하는 것이다. 제한체적법은 적분하고 나서 이산화하기 때문에 항상 그

미소영역 내의 운동량 등의 유출입을 고려하게되어 보존법칙을 확실하게 만족시키는 이산화

방정식을 얻을 수 있다.

스칼라 양 φ 의 수송에 대한 정상 상태 보존 방정식의 경우, 임의의 제한체적 V 에 대한

적분식은 다음과 같이 표현된다.

- 19 -

⌠⌡○ρφv⋅ dA = ⌠⌡○Γ φ∇φ⋅ dA + S φdV

여기서

ρ = density

v = velocity vector

A = surface area vector

Γ φ = diffusion coefficient for φ

∇φ = gradient of φ

S φ = source of φ per unit volume

위 식을 주어진 cell에 대하여 이산화시키면 다음이 유도된다.

∑N faces

fv f

φfA f = ∑

N faces

fΓ φ(∇ φ) nA f + S φV

여기서

N faces = number of faces enclosing cell

φ f = value of φ convected through face f

v f = mass flux through the face

A f= area of face f

(∇φ) n= magnitude of ∇φ normal to face

V = cell volume

이 방정식은 임의의 다각형으로 이루어진 다차원의 비정렬 계산 격자에 대하여 적용 가능

한 형태이다. 본 시뮬레이션에서는 cell의 중심에 스칼라 양 φ 의 이산값을 저장한다. 대류항

- 20 -

을 계산하기 위해 cell 경계면에서의 값 φf가 필요하며, 이는 cell 중앙에서의 값으로부터 보

간 되어져야 한다. 이 값은 upwind scheme을 이용함으로서 구해질 수 있으며, 본 연구에서

는 2차 정확도의 upwind scheme을 사용하였다.

2nd order upwind scheme에서 경계면에서의 값 φf는 Taylor 급수 전개에 의해 아래의

식과 같이 유도된다.

φf = φ + ∇φ⋅ Δs

여기서 φ 와 ∇φ 는 cell 중앙에서의 값과 그것의 상류 cell과의 구배이며, Δ s는 상류 cell

중심으로부터 face 중앙에 대한 변위 벡터이다. 이 구배는 발산 정리에 의해 계산되어지며,

이산화된 형태는 다음과 같이 쓸 수 있다.

∇φ = 1V ∑

N faces

fφ̃

f A

여기서 φ̃f 는 면에 인접한 두 개의 cell의 φ 의 평균으로부터 계산되는 값이다.

위 이산화된 스칼라 수송 방정식은 cell과 cell을 둘러싸고 있는 주위 cell들에서의 미지의 변

수 φ 를 포함하고 있다. 이 방정식은 이들 변수들에 대해서 일반적으로 비선형적이다. 위 식

의 선형화된 형태는 다음과 같이 쓸 수 있다.

a Pφ = ∑

nba nb

φnb + b

여기서 첨자 nb는 neighbor cell을 뜻하며, a p와 a nb는 φ 와 φ nb에 대한 선형화된 계수

이다. 각 cell에 대한 이웃하는 cell의 숫자는 grid 형태에 따라 달라지지만, 일반적으로 경계

영역에 위치한 cell을 제외하고는 cell의 face 수와 동일하다.

유동장 방정식을 풀 때 나타나는 압력과 속도의 연관 문제는 이산화된 연속 방정식으로부

터 압력에 대한 식을 유도하는 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked

Equations) algorithm(Patankar and Spalding, 1972)을 이용하여 해석하였다.

본 수치 시뮬레이션에서 계산의 잔차 Rφ 는 위 식에서 모든 계산 cell P 의 합계의 불균형

(imbalance)으로부터 계산된다. 이는 아래와 같이 쓸 수 있다.

- 21 -

Rφ = ∑

cellP∣ ∑

nba nb

φnb + b - a P

φP∣

산출된 잔차는 무차원화 되어 있지 않아 일반적으로 이것으로 수렴 판정을 하기는 어렵다.

따라서 도메인을 통과하는 φ 의 유량을 나타내는 scaling factor를 사용하여 잔차를 무차원화

한다.

Rφ =

∑cellP∣ ∑

nba nb

φnb + b - a P

φP∣

∑cellP∣ a P

φP∣

운동량 방정식을 풀 경우에는 위 식의 a Pφ P 는 a pvp로 대치된다. 여기서 vp는 cell P 에서

의 속도의 크기이다.

위 방정식들을 해석하기 위해 상용 전산 유체 해석 code인 FLUENT code v6.1(Fluent

Inc.)이 사용되었다. 지배 방정식은 제한체적법(FVM)에 의해 이산화되었으며, SIMPLE 알고

리즘과 2차 오더의 상류 차분 도식(2nd order upwind scheme), grid 시스템은 단위 계산

격자로 육면체 cell을 이용하는 3차원 비정규 격자계가 사용되었다.

(다) 수치해석 결과

그림 3-1과 그림 3-2는 각각 상향식 및 하향식 유동 방향의 Bench급 바이오 트리클링

시스템 수치해석 격자구성 모습을 보여주고 있다. 유동장의 시뮬레이션을 위하여 FLUENT

code의 3D unstructured, hexahedron grid 시스템을 사용하였으며, 수치 모델의 형상은 가

로 510 mm, 세로 510 mm 및 높이 1,000 mm의 직육면체로 구성하였다. 상향식의 경우,

직육면체 측면 하단부에는 수평방향으로 직경 80 mm의 유입구를 구성하였고, 윗면 중앙에는

수직방향으로 직경 80 mm의 유출구를 구성하였으며. 유출구로부터 약 100 mm 아래에는

바이오 트리클링 분무 노즐을 1개 또는 3개를 구성하였다. 하향식의 경우, 직육면체 측면 상

단부에 수평방향으로 유입구를 구성하였고, 반대편 측면 하단부에도 역시 수평방향으로 유출

구를 구성하였으며, 유입구로부터 약 100 mm 아래 3개의 분무 노즐을 구성하였다. 바이오

트리클링 필터 메디아 부분은 다공성 메디아로 가정하였다.

그림 3-3과 그림 3-4는 상향식 구조에서 분무 노즐이 1개일 때 입구 유속에 따른 바이오

트리클링 시스템 내부의 유동 분포를 보여주고 있고 그림 3-5와 그림 3-6은 상향식 구조에

서 분무 노즐이 3개일 때 입구 유속에 따른 바이오 트리클링 시스템 내부의 유동 분포를 보

여주고 있다. 미생물 담체인 다공성 폴리우레탄 폼의 유동 분급 역할로 유속에 관계없이 하단

측면에서 공급되는 유동이 균일하게 메디아에 분급되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 분무

- 22 -

노즐이 1개일 때 보다는 3개일 때가 스프레이 분사에 의한 유동의 혼합 효과가 크게 나타나

는 것을 확인할 수 있었다.

그림 3-7과 그림 3-8은 상향식 구조에서 유입구 온도가 80℃일 때의 유속별 온도장 변

화를 나타내고 있다. 80℃의 초기 온도로 공급할 경우 미생물 담체에서의 온도가 상온 이상

으로 잘 유지되고 스프레이 분무 영역에서 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서

유입되는 공기의 온도 조절로 미생물 배양 조건에 맞는 초기 온도 조건 설정이 가능함을 확

인할 수 있었다. 한편, 유속이 빠를 경우 미생물 담체의 온도 상승효과가 우수하였다.

그림 3-9는 하향식 구조에서 분무 노즐이 3개일 때 입구 유속 2 m/s에서 바이오 트리클

링 시스템 내부의 유동 분포를 보여주고 있다. 유동 방향이 분무 방향과 일치하므로 분무가

넓게 퍼지지 못하고 수직방향으로만 이뤄지는 것을 볼 수 있다. 다공성 메디아는 유동 분급

역할을 하여 균일한 유동 분포를 형성시켜 주었다.

- 23 -

그림 3-1 Bench급 바이오 트리클링 수치해석 격자구성 (상향식)

- 24 -

그림 3-2 Bench급 바이오 트리클링 수치해석 격자구성 (하향식)

- 25 -

그림 3-3 상향식 내부 유동분포 (1 m/s, 노즐 1개)

- 26 -

그림 3-4 상향식 내부 유동분포 (2 m/s, 노즐 1개)

- 27 -

그림 3-5 상향식 내부 유동분포 (1 m/s, 노즐 3개)

- 28 -

그림 3-6 상향식 내부 유동분포 (2 m/s, 노즐 3개)

- 29 -

그림 3-7 80℃ 유입 온도 상향식 내부 온도분포 (1 m/s)

- 30 -

그림 3-8 80℃ 유입 온도 상향식 내부 온도분포 (2 m/s)

- 31 -

그림 3-9 하향식 내부 유동분포 (2 m/s, 노즐 3개)

- 32 -

(2) Bench 규모 하이브리드 장치 설계 및 제작

(가) 전처리 정전 반응기 제작

바이오 트리클링 전처리 기술로서 글라이딩 아크(Gliding Arc) 플라즈마 및 유전체 격벽

방전 (dielectric barrier discharge; DBD) 플라즈마를 적용시켜 보았다. 최근 악취 처리

기술로서 주목 받고 있는 플라즈마 공정은 화학적으로 안정한 물질이라도 분해가 가능하고

동시에 높은 반응 속도를 얻을 수 있으며, 분해 생성물의 재결합을 억제하는 것이 가능한 장

점이 있다. 글라이딩 아크 플라즈마는 두 금속 전극의 방전간격 사이에 교류 또는 직류 전원

을 가하면 두 전극의 처단거리에서 아크가 발생하여 유체의 흐름과 동일한 방향으로 전극을

타고 미끄러지듯이 퍼져나가다 소멸되는 형태를 띠고 있다. 이러한 글라이딩 아크 플라즈마

는 효율이 좋고 단위시간 당 많은 양의 유체를 처리할 수 있는 장점이 있어 NOx, SOx 및

VOCs 등의 유해가스 처리에 적합한 것으로 알려져 있다.

한편 DBD 플라즈마는 대기압에서 운전되는 전형적인 플라즈마로서, 아주 큰 비평형 조건

에서 동작하고, 고 출력 방전을 할 수 있으며, 복잡한 펄스 전력 공급기 없이 발생시킬 수 있

기 때문에 산업체에서 널리 이용되고 있다. 주로 오존 발생, 이산화탄소 레이저, 자외선 광

원, 오염물질 처리 등에 널리 응용되고 있다. 특히, 물질 표면을 처리하는데 널리 이용되고

있으며 이러한 표면처리를 통해서 인쇄나 접착 특성이 더 좋은 표면을 만들 수 있다. DBD

플라즈마 장치는 두 개의 평행한 금속 전극으로 구성되어 있고 최소한 전극 하나는 유전체

층으로 덮여 있다. 절연체를 사용하게 되면 직류 전력의 경우 전극을 통한 전류의 흐름이 불

가능하므로 교류 전력을 이용하여 플라즈마를 발생시킨다. 안정적인 플라즈마작동을 보장하

기 위하여 전극을 분리하는 간격은 수 밀리미터로 제한되며 플라즈마 가스는 이 간격 사이로

흘러간다. 유전체 격벽 방전은 국부적으로 파동이나 잡음을 일으키는 불꽃이 존재하지 않기

때문에 조용한 방전이라고 부르기도 한다. 방전은 사인함수 또는 펄스 형의 전원으로 점화된

다. 작동 가스의 조성, 전압 및 주파수에 따라 방전은 필라멘트 형태 또는 글로우 형태가 된

다. 필라멘트 형태의 방전은 유전체 층의 표면에서 발달하는 마이크로 방전 또는 스트리머에

의해 만들어진다.

그림 3-10은 Bench급의 전처리용으로 제작한 글라이딩 아크 플라즈마의 구성도를 보여주

고 있고 그림 3-11은 제작된 반응기의 모습을 보여주고 있다. 스테인리스 스틸 재질로 된

직경 100 mm, 두께 40 mm의 반원통형 모양의 두 금속 전극을 가로 220 mm, 세로 180

mm의 사각 덕트 내에 나란하게 배치하고 이를 2단 직렬로 배치 구성하였다. 글라이딩 아크

가 전극을 타고 이동할 수 있도록 공기 유입구를 두 금속 전극 쪽에 최대한 가까이 배치하였

다. 사각 덕트는 절연을 유지하고 아크의 발생을 관찰하기 위해 아크릴로 제작하였다. 반응

기의 입출구는 바이오 트리클링 장치와의 연결을 고려하여 100 mm의 직경의 원통 모양으로

제작하였다. 그림 3-12는 글라이딩 아크 플라즈마에서 발생하는 실제 아크 모습을 보여주

고 있다. 약간 붉으면서도 하얀 아크 불꽃이 곡선 금속의 전극을 타고 흐르면서 끝부분에서

소멸되는 모습을 나타내었다.

그림 3-13은 비이드형의 유전체 격벽 방전 플라즈마의 구성도를 보여주고 있다. 그림

- 33 -

3-14는 비이드형 DBD 플라즈마 반응기 모습을 보여주고 있다. 외경 80 mm의 석영관의 내

외부에 금속 전극이 구성되어 있고 내부 금속봉 주위로는 알루미나(Al2O3) 비이드 유전체가

채워져 있다. 중앙부 전극은 약 10 mm 직경의 스테인리스 스틸 봉을 사용하였고, 석영관 외

벽에는 알루미늄 박지(foil) 또는 brass관의 전극을 사용하였다. 플라즈마 발생을 위해 20

kV, 60Hz의 교류 전원을 사용하였다. 그림 3-15는 DBD 플라즈마의 방전 모습을 보여주고

있다. 비이드 주위로 푸른색의 불빛이 화려하게 발생하는 것을 볼 수 있다.

그림 3-16은 rod형의 유전체 격벽 방전 플라즈마의 구성도를 나타내고 있고 그림 3-17

은 실제 제작된 모습을 보여주고 있다. 형태는 거의 bead형 DBD 반응기와 거의 유사하지만

내부 중앙부 전극은 약 30 mm 직경의 스테인리스 스틸 봉을 사용하였고 석영관 외벽에는

알루미늄 박지의 전극을 사용하였다. 내부전극과 석영관 사이 간경은 약 10 mm이다. 그림

3-18은 rod형 플라즈마의 방전 모습을 보여주고 있다. 보랏빛의 플라즈마 방전 모습을 확인

할 수 있다.

- 34 -

Gliding arc electrode

Gas inlet Gas outlet

그림 3-10 Bench급 Gliding Arc 플라즈마 반응기 구성도

- 35 -

그림 3-11 Bench급 Gliding Arc 플라즈마 반응기 실제 모습

- 36 -

그림 3-12 Bench급 Gliding Arc 플라즈마 방전 모습

- 37 -

Aluminum filmCenter electrode

Pyrex tube

Alumina beds

Gas inlet Gas outlet

Aluminum filmCenter electrode

Pyrex tube

Alumina beds

Aluminum filmCenter electrode

Pyrex tube

Alumina beds

Gas inlet Gas outlet

그림 3-13 Bench급 bead형 DBD 플라즈마 반응기 구성도

- 38 -

그림 3-14 Bench급 bead형 DBD 플라즈마 반응기 모습

- 39 -

그림 3-15 Bench급 bead형 DBD 플라즈마 방전 모습

- 40 -

그림 3-16 Bench급 rod형 DBD 플라즈마 반응기 구성도

- 41 -

그림 3-17 Bench급 rod형 DBD 플라즈마 반응기 모습

- 42 -

그림 3-18 Bench급 rod형 DBD 플라즈마 방전 모습

- 43 -

(나) Bench 규모 바이오 트리클링 시스템 설계 및 제작

그림 3-19는 Bench급의 바이오 트리클링 시스템의 설계 도면을 나타내고 있다. 주요 구

성품은 미생물 담체 및 트리클링 분무 노즐, 순환 펌프, 순환 펌프 제어용 타이머, 영양제 및

pH 제어액 저장부와 공급부, 트리클링 물회수 및 저장탱크 등으로 구성되어 있다. 유동방향

이 시스템의 상향 구조로 형성하기 위해 시스템의 측면 하단부에서 유동이 공급되고 최상단

부에서 유동이 배출되도록 유입구와 유출구를 설계하였다. 그림 3-20은 설계 도면을 바탕으

로 실제로 제작한 300 CMH 규모의 Bench급 바이오 트리클링 시스템 모습을 나타내고 있

다.

악취가스 유입부에는 60∼300 CMH 의 측정 범위를 갖는 오리피스 방식의 유량계가 설치

되어 있고, 미생물 담체 배양 온도를 상승시키기 위하여 가스 공급부를 히터 및 온도제어기를

이용하여 일정한 온도 이상으로 가열시킬 수 있도록 하였다. 유입된 가스는 가로 510 mm,

세로 510 mm 및 높이 400 mm의 미생물 담체가 쌓여진 공간을 통과하고 미생물 담체의 상

단부에서 트리클링 분무액과 접촉되도록 하였다. 트리클링 수용액은 미생물 배양을 위한 영

양제와 유해가스의 처리로 인한 물의 산성화를 억제하기 위한 수산화 나트륨(NaOH) 중화제

가 소량으로 정량적으로 혼합된 액체를 순환펌프를 통해 하단부에 저장된 물과 함께 상단부

의 분무노즐을 통해 분무되도록 하였다. 순환펌프는 타이머와 연결되어 1시간에 1분씩 2회

정도 공급될 수 있도록 하였다.

- 44 -

그림 3-19 Bench급 바이오시스템 설계

- 45 -

그림 3-20 Bench급 바이오시스템 모습

- 46 -

(다) 다중 악취 분해 제거 특성 평가 시스템 구축

① 악취 가스 공급 시스템 방법 개발

악취 가스를 실험실에서 일정한 농도로 발생시키는 정량 가스 공급 장치를 제작하였다. 발

생시키는 가스의 농도가 저농도일 경우에는 그림 3-21과 같은 버블러법을 사용하였고, 농도

가 고농도일 경우에는 그림 3-22와 같은 정량펌프법을 사용하였다.

버블러 장치는 버블링(bubbling)을 위한 용기와 빈 용기 및 질량유량계 및 히팅라인으로

이루어져 있다. 질량유량계는 일정한 유량의 이송가스를 버블링을 위한 용기로 보내주는 역할

을 하고, 버블링 용기는 악취 대상 액체를 저장해 두고 액체 중으로 이송가스 버블을 발생시

켜 버블과 함께 증발된 악취 대상 액체 증기를 시험 덕트로 이송시키는 역할을 한다. 이송가

스 버블러와 함께 발생된 악취 가스는 응축억제를 위해 50℃ 이상으로 가열된 이송라인을 통

과하여 시험덕트 또는 시험 시스템으로 이송하게 된다.

정량펌프법의 공급 장치는 정량펌프, 악취 대상 액체의 저장 용기, 증발 챔버, 히터 및 온도

제어장치로 이루어져 있다. 정량펌프는 cavity가 존재하는 두 개의 디스크가 회전하면서 일

정한 부피의 액체를 공급하는 원리로 이루어져 있고 악취용 액체를 디스크 하단부에서 일정

한 유량으로 흡입하여 디스크 상단부로 배출하도록 되어있다. 상단부로 배출된 악취용 액체

는 그림 3-23과 같이 일정한 온도로 가열된 챔버로 유입되고 챔버 내에서 유입되자마자 증

발되도록 하여 일정한 농도의 정량의 가스가 시험 챔버 또는 시험 시스템으로 공급될 수 있

도록 하였다.

- 47 -

그림 3-21 정량 악취가스 발생방법(버블러법)

- 48 -

그림 3-22 정량악취가스 발생방법(정량펌프법)

- 49 -

그림 3-23 정량펌프법을 이용한 정량악취가스 발생방법 구성도

- 50 -

② 검지관과 GC-MS 이용 악취 가스 농도 분석

㉮ 검지관법

시험대상 가스 측정기는 다음의 검지관식 가스측정기를 사용하였으며, 표 3-2와 그림

3-24, 그림 3-25에 검지관 측정 및 세부사양에 대한 내용이 나타나 있다.

- 벤젠 : 가스텍제품 No.121L(상당품)

- 톨루엔 : 가스텍제품 No.122L(상당품)

- 에틸벤젠 : 가스텍제품 No.122L(상당품)

- 자일렌 : 가스텍제품 No.123L(상당품)

※ 비 고 : 검지관의 사용법

(a) 각 검지관의 취급상 주의를 지킬 것

(b) 가스농도에 따라 스트로크 수를 선정한다.

(c) 에틸벤젠의 측정은 톨루엔 농도측정에 사용되는 검지관을 사용하되, 아래 그림

3-24의 보정스케일을 이용해 톨루엔 농도에 해당하는 에틸벤젠 보정값을 읽어 측정한다.

- 51 -

가 스 품 번 눈금 범위

벤젠 No.121L 0.1-10/ 10-65

톨루엔 No.122L 1-100

에틸벤젠 No.122L 2-200

자일렌 No.123L 2-100

표 3-2 시험대상 가스 및 검지관 (단위:ppm)

그림 3-24 에틸벤젠 보정용 스케일

- 52 -

그림 3-25 검지관 이용 가스농도측정

- 53 -

㉯ GC/MS법

VOC 가스 중 BTEX 측정을 위해 GC/MS를 사용하였다. 측정기는 Agilent사

GC(6890N)/MSD(5973N)를 사용하였다. 본 GC/MS는 악취 가스의 성분을 분석하는 가스

크로마토그래프 장비로서, 가스시료를 샘플링백에 포집한 뒤 분석장비에 삽입하여 분석하는

Off-line 장비와는 달리 자동 밸브 상자 (automatic valve box)가 설치되어 있어 배기구에

서 직접적으로 가스를 자동으로 포집하고 다용량주입법(Large-volume injection) 사용시 시

료농축단계를 줄여 분석할 수 있는 Fast GC법을 적용하여 다양한 유기 가스물질의 정성, 정

량 분석용으로 사용할 수 있다. 또한, 다중 컬럼으로 여러 개의 가스를 동시에 분석할 수 있

고 넓은 온도 범위에서 사용가능하며 전자적 기체역학 제어 방식을 적용하여 분석의 정확도

를 높여주고 있어 배기가스의 가스 성분 분석용으로 매우 적합하다. 본 연구에서 사용된 컬

럼은 HP-5(Capillary 30.0m×320μm×1.0μm)이며, Carrier 가스는 He을 사용하였다.

오븐의 가열온도는 100℃ 등온조건으로 하였으며, 오븐 가열시간은 BTEX 검출시간에 따라

2∼5분으로 변경시켰다. 그림 3-26은 오븐 가열조건을 나타내고 있으며, 그림 3-27은 사용

된 GC/MS 설치 모습을 보여주고 있다.

- 54 -

그림 3-26 GC/MS 오븐 가열조건

- 55 -

그림 3-27 GC/MS 설치 모습

- 56 -

가스 농도 측정을 위해 그림 3-28의 5 ppm, 50 ppm의 BTEX표준가스를 이용해 GC/MS

검량선을 작성한 후, 챔버내 가스농도 변화 및 One-pass 덕트 내 공기청정기 전, 후단 가스

농도를 검량선을 이용하여 측정하였다. 검량선을 작성하기 위해 GC/MS를 이용해 5 ppm의

Mass Spectrum을 6회 측정하였으며, 50 ppm의 Mass Spectrum 4회 측정하여 그 중 평균

값을 나타내는 측정값으로 검량선을 작성하였다. BTEX 표준가스 5 ppm과 50 ppm의

Mass Spectrum 변화를 그림 3-29와 그림 3-30에서 나타내고 있다. 그림에서 보는 것과

같이 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 자일렌 모두 저농도(5 ppm) 및 고농도 (50 ppm)의 범위에

서 측정 횟수에 관계없이 유사한 농도치를 제시하는 것을 확인할 수 있다. 즉, VOCs의 표준

가스를 이용하여 GC-MS의 가스농도를 측정 및 보정하였고 이를 통해서 균일한 측정값을 확

보할 수 있었다.

- 57 -

그림 3-28 5 ppm, 50 ppm 보정용 BTEX 표준가스

- 58 -

BTEX 표준가스(5ppm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8

측정횟수(#)

농도

(ppm

)

Benzene

Toluene

Etylbenzene

Zylene

그림 3-29 5 ppm 보정용 BTEX 표준가스 스펙트럼 반복측정

- 59 -

BTEX 표준가스(50ppm)

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5

측정횟수(#)

농도

(ppm

)

Benzene

Toluene

Etylbenzene

Zylene

그림 3-30 50 ppm 보정용 BTEX 표준가스 스펙트럼 반복측정

- 60 -

㉰ 검지관법과 GC/MS법 비교

그림 3-31은 약 18 ppm의 농도 근처에서 유입된 벤젠을 검지관과 GC/MS법을 이용하여

계측한 결과를 나타내고 있다. 검지관과 GC/MS 측정 결과 벤젠 농도가 오차 5% 미만의 범

위에서 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

0

4

8

12

16

20

#1 #2 #3 #4

Measurement Number

Gas C

oncentratio

n (ppm)

Gas Tube

GC-MS

그림 3-31 검지관과 GC-MS 비교

- 61 -

(3) Bench 시스템의 성능 평가 실험

(가) Bench급 플라즈마 반응기의 모의 악취가스 제거 성능시험

대표적인 악취가스인 암모니아, 황화수소 및 대표적인 휘발성유기화합물인 톨루엔에 대한

전처리 플라즈마 반응기의 분해 실험을 수행하였다.

그림 3-32는 소비 전력에 따른 글라이딩 아크 플라즈마와 bead형 및 rod형 DBD 플라즈

마의 톨루엔 제거 성능을 비교한 결과이다. 그림에서 보는 것과 같이 DBD 플라즈마가 글라

이딩 아크 플라즈마보다 소비전력이 훨씬 크게 소요되는 것을 알 수 있다. 또한 소비전력이

높은 만큼 톨루엔의 분해 성능 또한 우수함을 확인할 수 있었다. 글라이딩 아크 플라즈마의

경우 약 30 J/L에서 약 30%의 분해 효율을 나타내는 것이 120 J/L에서 43%로 효율이 상

승하였고, bead형 DBD 플라즈마의 경우는 약 160 J/L에서 56% 정도 효율을 나타내는 것이

660 J/L에서는 약 85% 이상으로 효율이 상승하였다. rod형 DBD 플라즈마의 경우는 약

120 J/L에서 43%의 효율을 나타내었지만, 590 J/L에서 약 93%의 효율로 상승하였다. 소

비전력에 따른 상대적 비교를 통해서 DBD 플라즈마가 글라이딩 아크 플라즈마보다 약간 우

수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비이드형 보다는 rod형의 DBD 플라즈

마가 동일한 소비동력에서 좀 더 우수한 분해효율을 나타내었다. 플라즈마 반응기의 종류보다

는 소비전력의 차이에 따라 분해 성능의 차이가 두드러지게 나타났다.

가장 효율이 우수한 rod형 DBD 플라즈마 반응기를 전처리 악취 분해방법으로 적용하여 인

가전압별, 농도별, 소요동력별 악취제거특성을 파악해 보았다. 그림 3-33은 악취 종류별 소

요전력에 따른 플라즈마 분해 특성을 나타내고 있다. 소요전력이 낮은 조건에서는 황화수소,

톨루엔, 암모니아 순으로 제거성능을 나타내었으나 소요전력이 높은 조건에서는 황화수소, 암

모니아, 톨루엔 순으로 제거성능을 나타내었으나 그 차이는 크지 않았다. 즉, 소비동력이 낮

을 경우에는 악취 종류에 따라 분해되는 성능의 차이가 크게 나타났으나 소비동력이 클 경우

에는 대부분 분해되어 성능 차이가 거의 나타나지 않는 것으로 나타났다. 황화수소는 250

J/L의 에너지에도 99% 가까이 분해되어 낮은 에너지에도 쉽게 분해되었고 암모니아는 250

J/L의 에너지에는 약 40%만 분해되어 상대적으로 낮은 에너지에는 잘 분해되지 않는 특성을

나타내었다. 톨루엔은 200 J/L에서 약 70% 정도 분해되어 암모니아와 황화수소의 중간 수

준의 분해 성능을 나타내었다. 황화수소, 암모니아 및 톨루엔은 660 J/L의 에너지에는 모두

85% 이상의 고효율의 분해 성능을 보였다.

그림 3-34는 rod형 DBD 플라즈마 반응기의 악취 종류별 체류시간에 따른 플라즈마 분해

특성을 나타내고 있다. 체류시간이 짧을 경우 황화수소, 톨루엔, 암모니아의 순서로 효율이 높

았다. 0.25초의 체류시간에서 황화수소는 거의 100%의 분해효율을 나타내었지만 톨루엔은

약 70%, 암모니아는 약 40%의 분해효율을 나타내었다. 한편 0.8초의 체류시간에는 세 종

류의 악취 모두 90% 이상의 효율을 나타내었다.

그림 3-35는 rod형 DBD 플라즈마 반응기의 인가전압에 따른 톨루엔 분해 특성을 나타내

고 있다. 예상한 바와 같이 인가전압이 증가할수록 공급되는 에너지가 높아져 분해율이 증가

하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 인가전압을 증가시키는 방법은 가장 쉽게 분해율을 증가

시키는 방법이지만 에너지 효율적인 측면에서는 인가전압이 낮아야 하므로, 인가전압이 낮으

- 62 -

면서도 유해가스 및 악취 가스의 분해율을 높이는 방안이 필요하다고 할 수 있다. 한편, 수

증기를 공급한 결과 암모니아의 제거특성은 매우 우수해지나 톨루엔과 황화수소의 경우 효과

가 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 악취 종류 특성에 따른 적절한 시스템 적용이 필요한

것을 알 수 있었다.

그림 3-36은 rod형 DBD 플라즈마 반응기의 톨루엔 초기농도에 따른 분해성능의 변화를

나타내고 있다. 초기농도가 증가할수록 플라즈마 반응기의 분해성능이 낮아지는 것을 확인할

수 있다. 이는 일정한 소요동력 조건에서 발생되는 이온 및 라디칼의 발생량은 일정한 데 유

입되는 유해가스의 양이 많아지므로 분해되는 유해가스의 절대량이 작아지는 이유이기 때문

이다. 초기농도가 50 ppm에서는 거의 100% 수준의 분해성능을 나타내는 것이 초기농도가

200 ppm으로 증가하였을 때에는 약 70% 수준으로 감소하였고 초기농도가 640 ppm으로

증가하였을 때에는 약 59%로 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있다.

그림 3-37은 rod형 DBD 플라즈마 반응기의 물 스프레이 분무 유무에 따른 톨루엔 분해

성능 차이를 보여주고 있다. DBD 플라즈마 반응기 전단에 스프레이 분무를 하지 않을 경우

200 J/L의 소비동력에서 약 70%의 분해효율을 나타내었지만 전단에 스프레이 분무를 실시

할 경우 동일한 소비동력에서 약 87%의 분해효율을 나타내었다. 이는 플라즈마 반응기 내부

로 수증기를 공급하여 OH 라디칼 생성을 도움으로써 플라즈마 반응을 촉진시켰기 때문으로

판단된다.

- 63 -

그림 3-32 소요전력별 Gliding Arc와 DBD 플라즈마 비교

- 64 -

그림 3-33 Bench급 rod형 DBD 플라즈마의 소요동력에 따른 제거효율

- 65 -

그림 3-34 Bench급 rod형 DBD 플라즈마의 체류시간에 따른 제거효율

- 66 -

그림 3-35 DBD 플라즈마의 인가전압에 따른 톨루엔 분해효율

- 67 -

그림 3-36 rod형 DBD 플라즈마의 초기농도에 따른 톨루엔 변환효율

- 68 -

그림 3-37 rod형 DBD 플라즈마의 분무 유무에 따른 톨루엔 변환효율

- 69 -

(나) Bench급 플라즈마 반응기의 악취 가스 변환 분석

그림 3-38은 톨루엔의 DBD 플라즈마 반응 전후의 FTIR 스펙트럼 분석을 나타낸 것이다.

초기농도는 170 ppm 이었고 전원공급장치의 인가조건은 11.5 kV의 주파수 400 Hz 및 소

비동력 200 J/L이었고 톨루엔의 분해효율은 약 70%이었다. 플라즈마 전단에서는 톨루엔

(C7H8) 피크값만이 존재하였으나 플라즈마 후단에서는 톨루엔 피크가 감소하고 일산화탄소

(CO), 이산화탄소(CO2) 피크가 증가하였다. 또한 부산물로서 초산(HCOOH)과 포름알데히

드(HCHO) 및 아세트알데히드(C2H4O) 등의 피크도 감지되었고, 오존(O3) 피크 또한 감지되

었다. 화학식으로부터 알 수 있듯이 플라즈마 라디칼에 의해 1차적으로 결합에너지가 3.7

eV인 C-H의 결합부터 분해되고 그 다음 결합에너지가 3.8 eV인 C-C 결합이 분해되며, 마

지막으로 결합에너지가 7.45 eV인 C=C 결합이 분해되는 일련의 과정으로 톨루엔이 분해될

것으로 보인다. 또한, 플라즈마 반응을 통해서 미생물로 처리가 용이한 초산이나 포름알데히

드, 아세트알데히드 등의 친수성 악취로 변환되기 때문에 이러한 부산물은 후단의 바이오 트

리클링에서 쉽게 제거할 수 있을 것으로 사료된다. 한편, 플라즈마 반응에 의한 오존은 수막

으로부터 미생물로의 산소 공급을 원활하게 하고, 과다한 미생물 배양을 억제함으로써 미생물

활성을 촉진시키는 역할을 수행한다고 알려져 있다(Moussavi et al., 2006). 표 3-3은 악

취성분의 물에 대한 용해도를 보여주고 있다. 톨루엔, 자일렌 등은 물에 대한 용해도가 낮은

소수성의 가스이지만 플라즈마 반응으로 생긴 부산물인 포름알데히드, 포름산, 아세트알데히

드 등은 물에 대한 용해도가 매우 높은 친수성 가스인 것을 알 수 있다.

그림 3-39는 자일렌의 DBD 플라즈마 반응 전후의 FTIR 스펙트럼을 보여주고 있다. 자일

렌의 초기농도는 50 ppm 이었고 분해효율은 약 84%이었다. 톨루엔과 마찬가지로 반응 후

에 자일렌의 메인 피크들은 감소하고 일산화탄소와 이산화탄소 피크가 크게 증가하였으며, 부

산물로서 물에대한 용해도가 높은 포름알데히드, 아세트알데히드 및 포름산의 피크값들이 검

출되었다. 플라즈마 반응으로 인해 유사한 구조를 가진 자일렌→톨루엔, 톨루엔→자일렌 등

으로의 변환은 나타나지 않았고, 분해효율이 높을수록 오존발생량이 감소하는 것을 알 수 있

었다.

그림 3-40은 톨루엔의 초기농도가 170 ppm 및 620 ppm일 때의 DBD 플라즈마 반응 전

후의 FTIR 분석 결과를 보여주고 있다. 초기농도가 높을수록 포름알데히드, 아세트알데히

드, 포름산의 부산물 농도가 높아지는 것을 알 수 있다. 또한 초기농도가 높을수록 오존 발

생량은 감소하였고 질소산화물이나 일산화탄소 또한 고농도에서 감소하는 경향을 나타내었다.

따라서, 플라즈마 전처리는 저농도보다는 고농도에서 더욱 전처리 효과가 두드러짐을 알 수

있다.

그림 3-41은 난분해성악취인 디클로로벤젠의 DBD 플라즈마 전후단에서의 FTIR 스펙트

럼 결과를 나타내고 있다. 바이오 트리클링 방식으로 난분해성인 디클로로벤젠의 경우에도

Cl-Cl의 결합에너지가 3.5eV로 다른 결합에너지에 비해 상대적으로 낮아 플라즈마 전처리로

처리하는데 효과적인 것으로 생각된다.

그림 3-42는 에틸렌의 DBD 플라즈마 전후단에서의 FTIR 스펙트럼을 나타내고 있다. 초

기농도는 150 ppm이고 전원공급 조건은 200 J/L의 소비동력의 11.5 kV, 400 Hz의 인가전

- 70 -

압을 공급하였다. 에틸렌은 플라즈마 반응기에 의해 약 96%의 분해효율을 나타내었다. 에틸

렌은 벤젠고리 방향족에 비해 C-H 분해가 용이하여 (C-H 결합에너지: 4.3 eV) 플라즈마

에 의한 분해 효율이 매우 높게 나타났다. 특히, 포름알데히드와 포름산의 친수성 가스로의

변환효율이 크게 나타났다.

그림 3-43은 에틸렌과 톨루엔의 복합 가스에 대한 DBD 플라즈마 전후단의 FTIR 스펙트

럼 결과를 나타내고 있다. 부산물로 포름알데히드, 아세트알데히드 및 포름산이 다량 발생하

였고, 에틸렌, 톨루엔 복합가스를 적용한 후에도 단일가스의 경우에서와 거의 동일한 효율을

얻을 수 있었다. 그림 3-44는 톨루엔 단일가스와 톨루엔과 에틸렌 복합가스의 DBD 플라즈

마 후단에서의 스펙트럼을 비교한 것이다. 복합가스에서 단일가스에서보다 오존 발생량은 감

소하였고 CO2 생성량은 증가하였다. 또한 복합가스에서 N2O, HNO3와 같은 유해 부산물은

단일가스에서보다 훨씬 감소하였다. 따라서 플라즈마 전처리 기술은 고농도의 악취 뿐아니라

복합악취의 조건에서 보다 효과적임을 확인할 수 있다. 그림 3-45는 메탄가스에 대한 DBD

플라즈마 전후단 FTIR 결과를 나타내고 있다. 전원공급은 400Hz의 교류전압을 11.5 kV 인

가하였고, 소비동력은 약 200 J/L였다. 실험 결과 0%의 분해효율을 나타내었다. 이는 메탄

의 C-H 결합에너지가 4.5 eV로 다른 C-H 결합에너지에 비해 상대적으로 크기 때문이다.

메탄 가스의 분해가 거의 발생하지 않았기 때문에 이산화탄소 피크 또한 거의 증가하지 않았

다. 그림 3-46은 전원공급 조건을 10 kHz의 5 kV의 인가조건으로 변경하여 200 J/L의

소비동력을 가했을 때의 DBD 플라즈마 전후단에서의 스펙트럼 결과를 나타내고 있다. 실험

결과 약 45%의 메탄이 분해되었고 따라서 이산화탄소와 포름알데히드 피크가 증가하였다.

한편, 고주파(10kHz)의 플라즈마에서는 부산물로 NO2의 발생량이 많았다. 본 실험의 결과

로부터 오염물의 대상에 따라 DBD 플라즈마 주파수의 변화도 고려해야 할 사항임을 알 수

있었다.

- 71 -

그림 3-38 톨루엔의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼

- 72 -

가스종류 분자식 분자량(g/mol) 물 용해도 (g/100 ml) 비고

톨루엔 C7H8 99.14 0.053 (20-25℃) 소수성

자일렌 C8H10 106.16 practically insoluble 소수성

암모니아 NH3 17.03 89.9 (0℃) 친수성

메탄 CH4 16.04 3.5 (17℃) 소수성

에틸렌 C2H4 28.05 25 (0℃) 소수성

o-디클로로벤젠 C6H4Cl2 147.01 insoluble in water 소수성

염화메틸렌 CH2Cl2 84.93 1.3 (20℃) 소수성

아세트알데히드 C2H4O 44.05 soluble 친수성

포름산 HCOOH 46.03 miscible 친수성

포름알데히드 CH2O 30.03 >100 (20℃) 친수성

초산 CH3COOH 60.05 Fully miscible 친수성

표 3-3 악취 종류별 용해도

- 73 -

그림 3-39 자일렌의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼

- 74 -

그림 3-40 톨루엔의 농도별 DBD 플라즈마 후단 FTIR 스펙트럼

- 75 -

그림 3-41 디클로로벤젠의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼

- 76 -

그림 3-42 에틸렌의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼

- 77 -

그림 3-43 에틸렌과 톨루엔 복합가스의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼

- 78 -

그림 3-44 톨루엔 단일 및 복합가스의 DBD 플라즈마 후단 FTIR 스펙트럼

- 79 -

그림 3-45 메탄의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼 (400Hz)

- 80 -

그림 3-46 메탄의 DBD 플라즈마 전후단 FTIR 스펙트럼 (10kHz)

- 81 -

(다) 바이오 트리클링 장치의 악취제거 성능 실험

본 절에서는 Bench 규모의 바이오 트리클링 장치에 대한 악취 종류별, 유량별 성능을 측정

하여 비교해 보았다. 그림 3-47은 체류시간에 따른 악취 종류별 가스 제거 성능을 보여주

고 있다. 악취 종류로는 톨루엔, 포름알데히드 및 아세트알데히드의 3종류를 사용하였다.

기존 바이오 트리클링 시스템의 악취 종류별 체류시간에 따른 제거 특성을 살펴본 결과, 악취

종류에 따라 체류시간이 감소할 때 제거성능이 감소하는 경향을 나타났다. 톨루엔과 아세트

알데히드는 체류시간을 10초에서 20초로 약 2배 가까이 증가시킬 때 효율이 60%에서 80%

이상의 제거성능이 향상되었고, 포름알데히드는 10초에서 약 85%의 효율을 나타내던 것이

20초에서는 약 95%의 수준으로 효율이 상승하였다. 바이오 트리클링의 한계 처리량이 가스

종류에 따라 다르기 때문에 체류시간에 따른 효율 상승 정도가 다른 것으로 판단된다.

그림 3-48은 bench급 바이오 트리클링 장치의 초기농도에 따른 암모니아, 황화수소, 톨루

엔 및 디클로로벤젠의 제거성능을 나타내고 있다. 암모니아와 황화수소의 경우는 10 ppm

이하에서는 거의 100%의 고효율을 나타내었고 600 ppm에서도 약 70% 가까운 제거성능을

나타내었다. 톨루엔의 경우는 10 ppm 이하에서는 약 95% 이상의 고효율을 나타내는 것이

220 ppm에서는 약 80% 수준을 나타내었고, 900 pmm에서는 60% 수준으로 효율이 감소하

였다. 즉, 기존 바이오 트리클링 시스템은 초기농도가 100 ppm 이하에서는 90%를 상회하

는 높은 제거성능을 나타내었으나 200 ppm 이상에서는 80% 이하로 효율저하가 나타났다.

한편 디클로로벤젠은 10 ppm 이하에서 약 40%의 제거성능을 나타내었고 600 ppm 근처에

서는 20%로 효율이 많이 감소하였다. 바이오 트리클링의 장점은 악취 환경에 적응하는 미

생물 배양이 잘 되었을 경우 그 악취 성분에 대한 높은 제거 성능을 나타내지만 농도상의 한

계량이 존재하여 수 백 ppm 이상의 고농도의 악취가 유입될 경우에는 처리 성능이 급격하게

하락하는 단점이 있다. 이를 극복하는 방법은 악취가 통과하는 바이오 트리클링 미생물 담체

로의 체류시간을 증가시키거나 농도를 희석하는 방법이 있을 수 있으나, 미생물 담체의 체류

시간을 증가시키는 방법은 시스템의 증설로 가능하여 시설비가 많이 들고 공간상의 제약이

있을 경우 해결 방안이 될 수 없고, 농도를 희석하는 방법은 미생물 담체에서의 체류시간을

감소시키는 영향을 주므로 실효성이 떨어질 수 있다. 따라서 고농도에서 바이오 트리클링의

시스템의 고성능의 성능 유지를 위해서는 고농도 순간에서의 농도를 순간적으로 낮춰주는 보

조기능의 전처리 시설이 필요하다고 할 수 있다.

- 82 -

그림 3-47 악취 종류별 체류시간에 따른 바이오 트리클링의 제거효율

- 83 -

그림 3-48 악취종류별 초기농도에 따른 바이오 트리클링의 제거효율 변화

- 84 -

(라) 플라즈마 및 바이오 트리클링 복합 시스템의 악취제거 성능

플라즈마 전처리를 사용한 바이오 트리클링 복합 시스템의 악취제거 성능을 평가하기 위해

서 그림 3-49와 같이 가스공급장치, 플라즈마 반응기, 전원공급장치 및 바이오 트리클링 필

터 등의 Bench급 플라즈마 및 바이오 트리클링 복합 시스템 구성하였다. 가스 공급장치는

앞에서 언급한 것과 같이 저농도에서는 버블러법을 고농도에서는 정량펌프법을 사용하였다.

플라즈마 반응기는 바이오 트리클링 전단에 직렬로 연결하여 구성하였다. 바이오 트리클링으

로 유입되기 이전에는 히터로 유입 온도를 30℃ 이상으로 유지하여 공급시켰다. 바이오 트

리클링 장치는 톨루엔 등의 분위기에서 약 1달간 배양된 상태의 장치를 사용하였다.

그림 3-50은 플라즈마 전처리 및 바이오 트리클링 복합 시스템의 톨루엔의 제거 특성을

보여주고 있다. 플라즈마 전처리 장치로 유입되는 톨루엔 농도는 약 270 ppm 이었으나 플

라즈마 후단에서는 약 100 ppm으로 약 60%정도로 감소하였고, 플라즈마 전처리 장치를 off

시켰을 때 바이오 트리클링 후단에서는 약 30 ppm으로 감소하여 약 90% 정도가 감소하였

지만, 플라즈마 전처리를 가동시켰을 때 바이오 트리클링 후단에서는 약 25 ppm으로 감소하

여 약 92% 정도가 감소하였다. 바이오 트리클링 장치에서의 제거성능이 우수한 톨루엔의

경우는 전처리 플라즈마의 효과가 그렇게 크게 나타나지 않았다.

그림 3-51은 난분해성 악취 성분으로 알려진 디클로로벤젠에 대한 플라즈마 바이오 트리

클링 복합시스템의 제거성능을 나타내고 있다. 플라즈마 전처리 장치로 유입되는 톨루엔 농

도는 약 250 ppm 이었으나 플라즈마 후단에서는 약 125 ppm으로 약 50%정도로 감소하였

고, 플라즈마 전처리 장치를 off 시켰을 때 바이오 트리클링 후단에서는 약 120 ppm으로 감

소하여 약 52% 정도가 감소하였지만, 플라즈마 전처리를 가동시켰을 때 바이오 트리클링 후

단에서는 약 60 ppm으로 감소하여 약 75% 정도가 감소하였다. 바이오 트리클링에서 난분

해성 악취 성분인 디클로로벤젠의 경우에는 전처리 플라즈마 장치의 효과에 의해 복합시스템

에서 최종적으로 상당한 효율 상승 효과를 얻을 수 있었다. 따라서, 전처리 플라즈마 적용으

로 200 ppm 이상의 고농도의 초기 농도를 약 100 ppm대 수준으로 감소시킨 후 바이오 트

리클링과 복합 적용하여 톨루엔의 경우 최종 90% 이상 효율 확보할 수 있었고, 미생물 방식

으로 난분해성 악취에 해당하는 디클로로벤젠의 경우 50%대의 효율을 70%대의 효율로 상승

시킬 수 있었다. 바이오 트리클링 성능이 기본적으로 우수한 악취 종류의 경우에는 플라즈마

효과가 미약하게 나타나지만 난분해성 악취 및 VOCs의 경우 플라즈마 효과가 우수하게 나타

나는 것을 확인하였다. 악취 종류 특성 및 농도에 따라 플라즈마 시스템의 적절한 적용이 필

요할 것으로 판단된다.

- 85 -

그림 3-49 Bench급 플라즈마-바이오 복합 시스템 구성

- 86 -

0

50

100

150

200

250

300

Plasma Inlet Plasma Outlet Bio-trickling Outlet

(w/o plasma)

Bio-trickling Outlet

(w plasma)

Sampling position

Gas concentration (ppm)

0

20

40

60

80

100

Removal E

fficiency (%)

그림 3-50 플라즈마-바이오 복합 적용 효율 특성 (톨루엔)

- 87 -

0

50

100

150

200

250

300

Plasma Inlet Plasma Outlet Bio-trickling Outlet

(w/o plasma)

Bio-trickling Outlet

(w plasma)

Sampling position

Gas concentratio

n (ppm)

0

20

40

60

80

100

Removal E

fficiency (%)

그림 3-51 플라즈마-바이오 복합 적용 효율 특성 (디클로로벤젠)

- 88 -

(마) 기기분석법 및 공기희석관능법 측정 비교 분석법(위탁)

① 공기희석관능법

악취의 배출허용기준 초과 여부의 판정은 공기희석관능법을 사용하고 악취물질의 배출 여

부를 확인할 경우 기기분석법으로 측정한다. 하지만, 악취의 실제 농도와 인체에서 느끼는

악취 강도는 비례관계가 아니고, 다성분의 복합오염 상태로 존재하므로 피해의 정도를 악취강

도로 표시하는 관능법이 주로 이용되고 있고 기기분석법은 불쾌감의 정도를 나타낼 수 없으

므로 주로 관능법의 보조수단으로 이용되고 있다.

관능법은 복합 취기의 변화를 종합적으로 평가할 수 있으나 동일한 악취에 반복 노출될 경

우 악취도의 명확한 판정이 어렵고 냄새 종류의 구분이 어려우며 주관적인 감각이 악취판정

에 영향을 주므로 불쾌감을 수량적으로 표현하기 어려운 단점이 있다. 냄새를 느끼는 최소의

농도를 최소감지값 또는 역치라 하고 최소감지값은 직접관능법의 악취도 1 (감지취기)에 해

당하는 농도이며, 주요 악취물질의 최소감지값은 표 3-4와 같다.

공기희석 관능법은 그림 3-52와 같은 Olfactometer를 사용하여 초기 높은 희석배수에서

희석배수를 줄이면서 냄새 판별자가 냄새를 최소로 감지할 때의 희석 배수를 기록하여 계측

한다.

- 89 -

화합물 ppm 화합물 ppmAmmonia 0.1 Formaldehyde 0.50Methyl mercaptane 0.0001 Acrolein 0.0085Hydrogen sulfide 0.0005 Acrylonitrile 8.8Dimethyl sulfide 0.0001 Methanol 0.52Dimethyl disulfide 0.0003 Dimethylamine 0.033Trimethylamine 0.0001 Methylamine 0.035Acetaldehyde 0.002 Acetic acid 0.0057Propionaldehyde 0.002 Benzene 2.7n-Butylaldehyde 0.0003 Phenol 0.00028i-Butylaldehyde 0.0009 Carbon disulfide 0.21n-Valeraldehyde 0.0007 Pyridine 0.063i-Valeraldehyde 0.0002 Methyl alkyl sulfide 0.00014i-Butanol 0.01 Carbon tetrachloride 4.6Ethyl acetate 0.3 chloroform 3.8Methyl isobutyl ketone 0.2 Indole 0.00030

Toluene 0.9 Skatole0.000005

6Stylene 0.03 Ethyl Benzene 0.17o-Xylene 0.38 1,3-Butadiene 0.23m-Xylene 0.041 Diethyl sulfide 0.000033p-Xylene 0.058 Ethanol 0.094Propionic acid 0.002 Ethyl acryrate 0.00026

n-Butyric acid 0.00007 Ethyl mercaptan0.000008

7n-Valeric acid 0.0001 Methyl ethyl ketone 0.44i-Valeric acid 0.00005 Sulfer dioxide 0.0551,2,4-Trimethyl

benzene0.12 Nitrogen dioxide 0.12

1,3,5-Trimethyl benzene

0.17 Methyl acetate 1.7

Acetone 42 Ethyl acetate 0.87Dichloromethane 160 i-Butyl acetate 0.0080Trichloroethylene 3.9 o-Cresol 0.00010Tetrachloroethylene 0.77 m-Cresol 0.000054

표 3-4 주요 화학물질의 최소감지값(최소감지농도, 역치(易置) 또는 Threshold)

- 90 -

그림 3-52 Olfactometer (ECOMA TO7)

- 91 -

② 공기희석관능법의 기기분석법과의 비교

그림 3-53은 반도체 공장의 배기가스에서의 공기희석관능법의 희석배수와 암모니아 기기

분석법의 농도치를 비교한 결과이다. 공기희석관능법의 동일한 희석배수의 조건에서도 다양

한 농도의 기기 계측값을 보이고 있었고, 한편으로 같은 기기 계측값의 결과에서도 다양한 공

기희석관능법의 희석배수를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 계측기의 농도가 거의 0

ppm에 가까워지더라도 공기희석관능법으로는 일정 이상의 악취를 느낄 수 있는 것으로 나타

났다.

- 92 -

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6

Gas spectrometer (ppm)

Olfactrometry (-)

그림 3-53 공기희석관능법과 기기법의 비교(NH3)

- 93 -

(4) Pilot 복합 하이브리드 시스템 수치해석

(가) 복합 하이브리드 시스템 개념 설계

Bench규모의 연구 결과를 토대로 1,500 CMH급의 복합하이브리드 Pilot 악취제거 시스템

은 전처리 집진, 플라즈마 시스템, 오존제거 스크러버, 바이오 트리클링 시스템 등으로 구성하

였다. 그림 3-54는 Pilot 규모의 복합 하이브리드 시스템의 구성도를 보여주고 있다. 전처

리 집진장치는 가스상 오염물질과 동시에 들어오는 입자상물질을 처리하기 위한 것으로서 전

기적으로 입자를 하전시켜 강한 전기장에 의해 집진부로 포집시키는 전기집진의 원리를 적용

하였다. 전처리 집진장치를 통과한 가스상 물질은 플라즈마 전처리부를 통과하여 일부 가스

가 분해되고 플라즈마 전처리부에서 부산물로 발생하는 오존을 제거하기 위해 습식 스크러버

부를 후단에 설치하도록 구성하였다. 습식스크러버를 통과한 가스는 최종적으로 바이오 트리

클링 시스템으로 유입되어 전단에서 처리되지 못한 가스상 성분이 처리되는 과정으로 이루어

져 있다.

- 94 -

그림 3-54 복합하이브리드 악취제거 시스템 구성도

- 95 -

(나) 시스템 3차원 수치해석 설계

Pilot급 하이브리드 장치의 최적 조합 설계를 위하여 유동 수치해석을 수행하였다. 이를

위해 상용 CFD 프로그램인 FLUENT의 RNG k-ε 난류 모델을 이용하였다. 미생물 메디

아 부분은 다공성 물질로 가정하였고, 따라서 다공성 물질의 내부에서의 유동은 층류 유동으

로 가정하였다. 입구 및 출구조건은 일정 질량유량으로 유입 및 유출되는 것으로 설정하였

다. 계산 영역 크기는 2.3m(L)x2.2m(H)x1.72m(W)이고, 유동의 유입부는 y-z 평면상의

오른쪽 하단에 위치하며, 유입부의 직경은 0.24m으로 설정하고, 유동 출구는 상부의 중앙에

위치하며, 출구 직경 역시 0.24m으로 설정하였다. 스프레이 노즐은 상부에 모두 6개가 있으

나, 스프레이 작동 시간은 전체 운전 시간에 비해 매우 짧은 시간동안 간헐적으로 운전이 되

고 스프레이가 분무되는 상황에서도 챔버 내의 유동에 미치는 영향이 적어 전체적인 챔버의

유동 계산에는 스프레이 분사의 영향은 무시하였다. 중앙의 전체 높이의 절반에 해당하는 영

역은 다공성 물질로 채워져 있는 것으로 모델링하였다.

그림 3-55는 수치해석을 위한 모형 구성의 모습을 보여주고 있다. 바이오 트리클링 시스

템 입구 전단에는 플라즈마 반응기 모형을 두어 바이오 트리클링 입구 조건을 실제 시스템과

유사하게 가정하였다. 그림 3-56은 바이오 트리클링 시스템의 격자 구성을 보여주고 있다.

상기와 같은 경계조건을 적용하여 챔버 내부의 유동은 상용해석코드인 FLUENT를 이용하여

계산하였다. 입구 유동의 질량 유량은 상온의 공기가 각각 60, 120, 300, 480, 600 CMH

의 유량으로 공급되는 조건에서의 질량유량을 입구 조건으로 적용하여 계산하였다.

그림 3-57은 Pilot 시스템에 대한 Qin = 600 CMH에서, 3차원 계산영역에서의 정압분포

를 유선을 따라 나타낸 결과이다. 유동 유입부의 플라즈마 발생장치가 위치한 지점을 통과하

면서 대부분의 압력 강하가 발생하는 것을 알 수 있으며, 입구와 출구 사이의 정압차는 대략

3 kPa 정도로 나타났으며, 플라즈마 발생기를 통과하면서 대부분의 정압차가 발생하여, 담체

가 있는 영역에서는 거의 균일한 정압 분포를 갖는 것을 알 수 있었다.

그림 3-58은 Pilot 시스템 내부에서의 유동 분포를 유선을 따른 속도분포로 나타낸 결과

이다. 입구에서 출발한 유동은 플라즈마 반응기를 통과한 다음, 연결관을 통해 담체가 있는

영역으로 유입되며, 유입된 유동은 다공성 물질 하부를 선회하다 다공성 물질 내부에서는 대

부분 수직 방향의 속도 성분만을 가진 채로 담체를 통과해 상부의 출구 방향으로 이동하는

것을 확인할 수 있었다. 입구에서 출발한 유선을 따라가며 각 위치에서의 속도 크기를 색상

으로 표현하였다. 또한 유입 유량에 따른 유선을 정압 분포를 그림 3-59부터 그림 3-62에

나타내었다. 그림 3-63은 유량에 따른 바이오 트리클링 장치의 차압변화를 나타낸 것으로

서 이론값과 실험값을 비교하였다. 이론값과 실험값이 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다.

- 96 -

그림 3-55 수치해석을 위한 모형 구성

- 97 -

그림 3-56 수치해석 격자구성

- 98 -

그림 3-57 3차원 정압계산 결과 (Qin = 600 CMH)

- 99 -

그림 3-58 3차원 유속 계산 결과 (Qin = 600 CMH)

- 100 -

그림 3-59 Qin = 60 CMH 일 때의 정압계산 결과

- 101 -

그림 3-60 Qin = 120 CMH 일 때의 정압계산 결과

- 102 -

그림 3-61 Qin = 300 CMH 일 때의 정압계산 결과

- 103 -

그림 3-62 Qin = 600 CMH 일 때의 정압계산 결과

- 104 -

그림 3-63 유량에 따른 바이오 트리클링 장치 차압변화 이론과 실험 비교

- 105 -

(5) Pilot 시스템 단위 구성품 모듈화 제작

(가) 전처리 정전 집진장치 제작 및 실험

그림 3-54의 구성도에서 설명한 것과 같이 단위구성품 중 전처리 먼지 제거용 정전하전

집진장치를 설계, 제작하고 성능 실험을 수행하였다. 그림 3-64는 와이어-판형 코로나 예

비하전장치를 보여주고 있다. 0.1 mm의 텅스텐 wire를 알루미늄 판과 판 사이에 평행하게

배치하고 고전압을 인가하면 텅스텐 wire 주위로 푸른빛의 코로나 방전이 발생하고 여기에

미세한 입자가 통과하면 코로나 방전 중에 발생한 공기 이온과 입자와의 상호 결합으로 인해

통과하는 입자에 정전기를 부과시킬 수 있다. 판과 wire의 간격은 약 10 mm 정도 이고, 장

치의 확장성을 위해 10개의 wire를 병렬로 배치하여 제작하였다. 와이어-판형 코로나 예비

하전장치를 통과하면서 정전기가 부과된 입자는 그림 3-65와 같은 강유전체 전처리 집진장

치를 통과하면서 강한 전기장에 의해 집진부에 부착된다. 강유천체 집진장치는 금속박막에

폴리프로필렌(PP) 유전체 필름을 코팅시켜 롤 형태로 감아 만들었고 유전체 필름 사이에는

절곡형 금속박막을 삽입하여 전극을 형성시키도록 구성하였다. 유전체 필름 내부의 금속박막

에는 고전압을 인가하고 절곡형 금속박막은 접지시켜 유전체 필름 안과 밖으로 고전압의 전

기장이 형성되도록 하였다. 폴리프로필렌 유전체 필름은 전기는 통하지 않지만 강한 전기장에

의해 필름 내부에서 한 쪽 면은 +극성이 모이고 다름 면으로는 - 극성이 모이면서 필름과

절곡형 접지 금속박막 사이에는 강한 전기장이 형성된다. 하전된 입자는 유전체 필름과 절곡

형 금속박막의 사이를 통과하면서 강한 전기장에 의해 접지된 절곡형 금속박막으로 이동하여

부착된다.

그림 3-66은 전처리 집진장치의 전압-전류 곡선을 나타내고 있다. 전압을 조금씩 증가시

켰을 때 약 4.5 kV에서 코로나방전이 발생하기 시작하였고, 5 kV에서는 약 0.3 mA의 코로

나 전류가 발생하였다. 6 kV에서는 약 1.4 mA가 발생하였고 7 kV에서는 3.4 mA의 코로나

전류가 발생하는 것을 확인하였다. 그림 3-67은 예비하전부 및 유전체 집진부의 인가전압

에 따른 집진효율을 나타내고 있다. 집진부가 3 kV로 일정할 때 하전부에 5 kV를 인가할

때 집진효율이 32% 정도를 나타냈으나 하전부에 5.5 kV를 인가할 때 40%로 소폭 상승하였

다. 하전부 5.5 kV의 조건에서 집진부를 3 kV에서 4 kV로 증가시킨 경우에는 40%에서

46%로 효율 상승을 보였고, 집진부 4 kV일 때 하전부를 6 kV까지 증가시킨 경우에는 집진

효율이 50%를 초과하였다. 집진부 4 kV일 때 하전부에 7 kV까지 인가할 때에는 집진효율이

약 60% 까지 도달하였다. 하지만, 하전부 및 집진부의 인가전압을 상승시킬수록 집진효율은

쉽게 상승시킬 수 있지만 하전부에 과도한 전압인가는 오존 발생을 유발할 수 있고 집진부에

과도한 전압인가는 유전체 필름의 절연파괴를 일으킬 수 있기 때문에 그 한계가 존재한다. 적

절한 실험 조건으로서, 하전부 약 5.5 kV, 집진부 약 4.0 kV의 조건에서 약 50%의 집진효

율을 달성하였고, 오존발생량은 대략 0.023 ppm 이었다. 환경부의 다중이용시설 실내공기

질 관리법에 의하면 실내 공기의 오존규제치는 0.060 ppm이므로 이보다 훨씬 낮은 수준에서

오존이 발생한 것을 확인할 수 있다.

- 106 -

그림 3-64 와이어-판형 예비하전장치

- 107 -

그림 3-65 강유전체 전처리 집진장치

- 108 -

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

인가전압( KV )

인가

전류

(mA

)

하전부 V-I곡선

그림 3-66 전처리 집진장치의 전압-전류 곡선

- 109 -

그림 3-67 전처리 집진장치의 인가전압에 따른 집진효율

- 110 -

(나) 대용량 Pilot 플라즈마 반응기 시스템 설계

① 단위모듈 평판 DBD 반응기 Sizing 기술 개발

전처리 플라즈마 반응기에 대한 Scale-Up 사이징 설계를 위하여 60, 300, 750 CMH급

단위모듈 평판 유전체격벽방전(Dielectiric Barrier Discharge; DBD) 저온 플라즈마 반응기

를 제작하였다. 그림 3-68은 DBD 플라즈마 반응기의 도면을 나타내고 있다. 150CMH급

반응기의 경우 방전 면적은 5.6㎝ⅹ4.5㎝ⅹ20cell = 502.5㎠(340㎊)이었다. DBD 플라즈

마의 유전체 격벽부분은 silver가 코팅된 94%의 알루미나를 사용하였고 DBD 판과 판사이의

간격은 1.6 mm 이고, 판의 폭은 45 mm 이다. 그림 3-69는 설계도면을 토대로 제작한 60

CMH급의 DBD 반응기 모습을 보여주고 있다.

또한 그림 3-70과 같이 300 CMH급의 반응기는 약 60 CMH급의 단위모듈 반응기 (5.6

㎝ⅹ4.5㎝) 4대를 병렬로 연결하여 1차적으로 Scale-Up 제작하였다. 이는 세라믹 재질의

소형 단위모듈 제작이 원가상으로 저렴하고, 운전 중 파손 및 절연 파괴시 단위 모듈 별 교체

가 가능하여 유지비의 절감효과가 크기 때문이다. 또한 소형화로 인해 내구성의 우수하므로

이와 같은 병렬식의 Scale-up 방법을 적용하였다.

한편, 그림 3-71과 같이 750 CMH급의 대용량의 단위모듈 반응기(11.6㎝ⅹ7.9㎝)를 설

계하였다. 이는 현재까지 국내에서 기술적으로 Scale-Up 제작 가능한 한계 크기 단위 용량

이다. 그림 3-72는 설계도면을 바탕으로 제작된 모습을 보여주고 있다.

- 111 -

그림 3-68 60CMH급 단위모듈 DBD 반응기 설계 도면

- 112 -

그림 3-69 60 CMH급 단위모듈 DBD 반응기

- 113 -

그림 3-70 300 CMH급 DBD 반응기

- 114 -

그림 3-71 750CMH급 반응기 설계 도면

- 115 -

그림 3-72 750CMH 급 DBD 반응기

- 116 -

② 고전압 고주파 교류 전원공급부 모듈화 설계, 제작

제작된 반응기 단위 모듈에 연결하여 성능시험을 수행하기 위하여 2종의 고주파 AC 전원

공급장치가 설계, 제작 되었다. 그림 3-73은 고전압 발생장치의 블록다이어그램을 나타내고

있다. 고전압 발생장치는 크게 메인 콘트롤러와 렉티파이어, 인버터, 트렌스포머 등으로 구성

되어 있다. 그림 3-74와 그림 3-75는 실제로 제작된 2 kW급과 15 kW급의 고전압 교류

전원공급장치의 모습이다. 15 kW급의 교류 고전압 전원공급부는 최대 Peak 전압이 10 kV

이고 주파수는 10 kHz, 무부하 정격출력 60 kVA, 출력 파형 sin파, 과전류 보호장치 포함된

규격을 갖고 있다.

- 117 -

그림 3-73 고전압발생장치 블록 다이어그램

- 118 -

그림 3-74 2kW 전압공급장치

- 119 -

그림 3-75 대용량 고전압 발생장치(15kW급)

- 120 -

③ 플라즈마 반응기 모듈 설계 실험

제작된 반응기 모듈과 전원공급장치를 이용하여 Scale-Up 설계를 위한 성능 실험을 수행

하였다. 실험장치는 그림 3-76과 같이 크게 모사 가스 정량 공급장치, 플라즈마 DBD 반응

기, 고전압공급장치, FTIR 계측기 등으로 구성되어 있다. 악취 가스 발생부는 버블러

(Bubbler) 및 항온조를 이용하여 일정한 유량의 액체를 기화시켜 발생시키는 원리를 이용하

였다. 플라즈마 반응기의 전, 후단에 충분한 길이의 원통형 시험덕트를 구성하여 유입되는

시험가스가 공기와 충분히 혼합되어 일정한 농도를 갖도록 하였다. 가스 농도의 계측은

FTIR을 이용하여 플라즈마 반응기 전, 후단의 농도를 실시간으로 계측하였다. 그림 3-77은

시험가스 발생부와 증발부, 플라즈마 반응기, 전원공급장치 및 FTIR 계측기로 구성된 실제

모습을 보여주고 있다.

먼저, 60CMH 기본 유닛에 의한 단위에너지당 제거율 설계를 위한 실험을 수행하였으며,

플라즈마 반응 발생 모습을 그림 3-78에 나타내었다. 그림 3-79는 60 CMH급의 기본 유

닛에 대한 소비동력별 암모니아 가스의 변환 효율을 나타내고 있다. 일반 악취인 암모니아의

경우에는 소비동력을 75에서 280 J/L로 상승시킬 경우 약 20%에서 약 80%로 제거율이 상

승하여 소비동력을 높일수록 제거율이 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다. 한편 황화수소는

소비동력이 75 J/L일 때 이미 95% 이상의 고효율의 분해성능을 나타내었고 그 이상의 소비

전력에서는 거의 100%의 분해성능을 보였다. 그림 3-80은 난분해성 악취성분인 톨루엔,

에틸벤젠, 트리클로로에틸렌, 스티렌의 소비동력별 변환 효율을 나타내고 있다. 난분해성의

톨루엔과 에틸벤젠의 경우 소비동력을 75 에서 280 J/L로 상승시킬 경우 약 20%에서 약

40%까지 제거율이 상승하였고 스티렌의 경우는 약 40%에서 약 80%으로 제거율이 크게 상

승하였다. 따라서, 바이오 트리클링 기준으로 난분해성 악취의 경우, 플라즈마 전처리로는 잘

분해하는 성분도 있고, 분해하기 어려운 성분도 있음을 확인할 수 있었다.

- 121 -

그림 3-76 플라즈마 반응기 실험장치 구성도

- 122 -

그림 3-77 플라즈마 반응기 모듈 실험장치 구성 전경

- 123 -

그림 3-78 플라즈마 반응 발생 모습

- 124 -

그림 3-79 플라즈마 반응기의 소비동력별 가스제거효율 (일반악취)

- 125 -

그림 3-80 플라즈마 반응기의 소비동력별 가스제거효율 (난분해성 악취)

- 126 -

또한, 본 연구에서 가장 크게 제작된 단위 모델인 750CMH Pilot 유닛에 의한 집중실험을

수행하였다. 750 CMH급 Pilot 플라즈마 반응기를 적용하여 악취모사 가스의 유량별, 사용

동력별 및 난분해성 물질 종류별의 악취제거특성을 파악해 보았다. 그림 3-81은 유량에 따

른 톨루엔 변환 효율을 나타내고 있다. 유량이 증가함에 따라 가스 제거효율은 감소하는 경

향을 나타내었다. 유량을 150 CMH에서 750 CMH로 증가시킬 때, 톨루엔 제거효율이 약

60%에서 약 30%까지 감소하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 그림 3-82는 750 CMH의 유

량에서 사용전력에 따른 톨루엔 변환 효율을 보여주고 있다. 플라즈마 반응기 사용전력 증가

에 따라 악취 변환효율이 다소 증가하였다. 사용전력을 10.7kW에서 15.0 kW로 상승시킬

경우, 톨루엔 제거효율이 약 23%에서 약 37%로 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만

소비에너지 증가율에 비하면 톨루엔 변환효율 증가율이 높지 않았다.

그림 3-83은 Pilot 플라즈마 반응기의 750 CMH 유량 및 15 kW의 소비전력에서 TCE,

톨루엔, 에틸벤젠, 스티렌의 변환효율을 나타내고 있다. TCE와 스티렌(Stylene)은 60% 이

상의 변환효율을 보이지만 톨루엔과 에틸벤젠은 약 30% 수준의 제거효율을 나타내었다. 동

일 조건에서 분해성능은 TCE, 스티렌, 에틸벤젠, 톨루엔 순으로 나타났다.

- 127 -

그림 3-81 유량별 플라즈마 반응기의 톨루엔 제거효율

- 128 -

그림 3-82 사용전력별 플라즈마 반응기의 톨루엔 제거효율(750 CMH)

- 129 -

그림 3-83 Pilot 플라즈마 반응기의 난분해성 악취 종류별 가스제거효율

- 130 -

다음으로는, 복합 가스의 난분해성 악취 플라즈마 반응 실험을 통한 제거 특성 파악해 보았

다. 그림 3-84는 암모니아와 톨루엔의 복합 가스를 사용했을 때의 시간에 따른 분해효율을

보여주고 있다. 난분해성 악취의 복합 가스 적용 시에도 톨루엔은 약 30-40%의 분해효율

을 나타내었다. 그림 3-85는 톨루엔과 트리클로로에틸렌의 복합 가스에서의 가스 분해 특

성을 보여주고 있다. 톨루엔은 약 38%의 분해 성능을 보였고 TCE는 약 60%의 분해 성능

을 나타내었다. 그림 3-86은 에틸벤젠과 스티렌의 복합 가스에 대한 플라즈마 분해 효율을

나타낸 것이다. 스티렌은 약 60% 정도 분해되었지만 에틸벤젠의 경우는 약 30% 정도만이

분해되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 복합 가스의 적용시에도 톨루엔과 에틸벤젠은 30%

대의 분해효율을 나타내었고, TCE와 스티렌은 약 60%대의 분해효율을 나타내어 개별 가스

적용시와 거의 유사한 성능을 나타내는 것을 확인하였다. 그림 3-87은 750 CMH급 플라즈

마 단위모듈 반응기의 개별 및 복합가스 분해효율을 비교한 결과이다. 복합 가스의 경우 개

별 가스에 비해 약 2-5%의 효율 감소 현상이 나타났지만 그 하락값은 그렇게 높지 않았다.

따라서 복합 가스의 플라즈마에 의한 분해 효율은 개별 가스의 분해효율과 거의 유사하다고

볼 수 있다.

- 131 -

그림 3-84 Pilot 플라즈마 반응기의 복합 가스의 가스제거 특성(암모니아 - 톨루엔 복합)

- 132 -

그림 3-85 Pilot 플라즈마의 복합 가스의 가스제거 특성 (톨루엔 - 트리클로로에틸렌)

- 133 -

그림 3-86 Pilot 플라즈마 반응기의 복합 가스의 가스제거 특성 (에틸벤젠 - 스티렌)

- 134 -

그림 3-87 750 CMH급 플라즈마 단위모듈 반응기의 개별 및 복합가스 분해효율

- 135 -

④ 단위모듈의 컴팩트화 조합 기술 개발

플라즈마 반응기의 대유량 조건 Scale-up 확장성 및 반응기 모듈의 컴팩트화 조합 설계를

위하여, 그림 3-88 및 그림 3-89에서 나타낸 바와 같이, 직렬 연결 방식(in series)과 병렬

연결 방식 (in a row) 직렬연결에 따른 효율과 압력손실의 실험을 수행하였다.

그림 3-90은 단위모듈 반응기의 직렬 연결 시와 병렬 연결 시의 톨루엔 분해효율과 그에

따른 압력손실을 나타낸 결과이다. 실험 결과, 직렬 연결 방식의 톨루엔 제거효율 결과는 병

렬 연결 방식 보다 다소 우수한 것으로 나타났다. 하지만 반응기의 직렬연결에 따른 압력손

실이 약 230Pa에서 660Pa로 매우 커지는 단점이 나타났다.

따라서, 톨루엔 제거를 위한 효율적 측면에서는 각 반응기의 직렬 연결이 바람직하지만 전

체 시스템 운전 측면에서는 압력손실이 낮은 병렬 연결이 바람직한 것으로 볼 수 있다. 특

히, 처리유량의 증가할 때의 반응기의 연속적인 직렬연결이 현실적으로 불가능하며, 전체 시

스템 Scale-up과 관련하여 압력 손실 증가가 매우 커지기 때문에, 병렬 연결을 통한

Scale-up이 바람직한 것으로 판단된다.

최종적으로, 1,500 CMH급 Pilot 반응기 설계, 제작을 위하여 제작원가 절감과 유지보수비

용 절감효과의 측면에서 750 CMH 급의 단위모듈 반응기(11.6㎝ⅹ7.9㎝) 2개를 병렬 연결

하였으며, 제작된 시스템의 사진이 그림 3-91에 나타내었다.

- 136 -

그림 3-88 플라즈마 단위모듈 반응기 직렬 연결

- 137 -

그림 3-89 플라즈마 단위모듈 반응기 병렬 연결

- 138 -

그림 3-90 단위모듈 직렬 및 병렬 연결 시의 톨루엔 제거효율 및 차압 비교

- 139 -

그림 3-91 1,500 CMH 급 반응기 제작 (750 CMH 급의 단위모듈 반응기 2개 병렬 연결)

- 140 -

⑤ 시스템 연속 운전 특성 분석

유량 1,500 CMH의 운전 조건에서 가스 농도를 110 또는 130 ppm 주입하여 플라즈마

반응기 후단에서의 플라즈마 작동 유무에 따른 농도 변화를 살펴보았고 가스 농도를 50,

110 및 130 ppm으로 변화시켜 가면서 플라즈마 반응기 후단에서의 농도를 실시간으로 분석

하였다. 그림 3-92는 시스템 반응기의 시간에 따른 톨루엔 분해특성 결과를 나타내고 있다.

900 CMH의 유량 및 110-130 ppm 초기 농도 조건에서 25 또는 30kW 인가 시 약

55-60%의 분해효율을 나타내었고, 유량을 1,500 CMH로 증가시켰을 경우에는 초기 농도

50 ppm에서 16 kW 인가 시 약 30%, 25 kW 인가 시 약 50%의 분해효율을 나타내었다.

초기 농도 110 및 130 ppm에서 26 kW 인가 시에는 약 35%의 제거 효율을 나타내었다.

즉, 초기 농도 및 플라즈마 반응 운전 조건에 따라 가스 제거 성능 변화가 크게 발생할 수 있

는 것으로 나타났다. 하지만 연속 운전에 따른 효율 감소는 거의 없는 것으로 나타났다. 그

림 3-93은 시스템 반응기의 연속운전 특성을 시간(hour) 단위의 변화에 따라 분석한 결과

이다. 초기농도가 약 60 ppm의 조건에서 플라즈마 반응기에 16 kW 인가할 때 약 32%의

효율을 나타내는 것이 초기농도 120 ppm 조건에서 25 kW를 인가할 때 45%까지 효율이

증가하였지만 시간이 흐름에 따라 약 38%의 수준에서 일정한 값을 나타내었다. 즉, 플라즈

마 반응기의 시간에 따른 연속운전실험 결과 반응기 초기에 약간의 효율 상승이 있지만 시간

이 흐를수록 조금씩 감소하여 지속적으로 일정한 값의 성능을 유지하는 것을 확인할 수 있다.

- 141 -

0

50

100

150

200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Time(sec)

Tolu

ene(p

pm

)

toluene (ppm)

가스유입110ppm

plasma

25kW 인가

가스유입130ppm

plasma

30kW인가

가스유입50ppm

plasma

16kW인가

가스유입110ppm

Plsama 26kW

인가

가스유입130ppm

Plsama 26kW

인가

유량증가1500CMH

가스유입55ppm

plasma

25kW인가

초기유량900CMH

그림 3-92 1,500CMH급 플라즈마 반응기의 시간별 운전 실험

- 142 -

그림 3-93 1,500CMH급 플라즈마 반응기의 연속 운전 실험

- 143 -

(다) Pilot 바이오 트리클링 시스템 설계 실험

① 바이오 트리클링 반응기 설계, 제작

Pilot 시스템의 플라즈마 후단용 바이오트리클링 시스템은 이동 및 설치가 용이하도록 콘테

이너(Container) 내 장착이 가능토록 Compact화로 설계 제작하였다. 그림 3-94는 Pilot급

바이오 트리클링 시스템의 도면을 나타내고 있다. Pilot 시스템의 제원은 다음과 같다.

- 재원 : 20ft 콘테이너, 6,060mmL × 2,440mmW × 2,600mmH, 4.5 ton 중량

- 구성 : 최대 1,500CMH의 가변 가능한 송풍기, 영양소 및 화학약품 공급을 위한 저장

조 및 정량 주입펌프, 살수시스템 장착 및 pH 측정

- 충진층 면적 : 4.05 m3

- 담체 압력손실 : 40 mmAq

- 물소모량 : 300 liter/day

- 충진 담체 특성 : 재질-폴리우레탄 재질, 표면적 - 650m2/m3, 중량- 25kg/m3,

공극- 12pore/inch

그림 3-95는 상기의 설계 도면을 바탕으로 실제로 제작된 모습을 보여주고 있다. Pilot 시

스템에서의 바이오 미생물을 배양하기 위해서 바이오 미생물 배양용 모사가스 정량 공급 시

스템 제작하여 비 실험시에도 배양용 모사가스 공급할 수 있는 시스템을 설계, 제작하였다.

그림 3-96은 Pilot 시스템의 미생물 배양을 위한 정량펌프법의 모사가스 공급 장치의 모습

을 보여주고 있다.

- 144 -

그림 3-94 Pilot급 바이오 트리클링 시스템의 도면

- 145 -

그림 3-95 Pilot급 바이오 트리클링 (콘테이너 내부 전경)

- 146 -

그림 3-96 미생물 배양용 모사 가스 정량 공급 시스템

- 147 -

② 바이오 트리클링 반응기 설계 성능 실험

바이오 트리클링 Pilot 시스템에 대한 설계 인자의 해석을 위한 실험장치를 구성하였다.

그림 3-97은 실험장치 구성 개략도를 나타내고 있다. 실험 장치는 모사 가스 정량 공급장

치, 1,500CMH 급 바이오 트리클링장치, FTIR 계측기 등으로 구성되어 있다. 가스발생부는

버블러(Bubbler) 및 항온조를 이용하여 일정한 유량의 액체를 전기히터로 기화시켜 발생시키

는 원리를 이용하였다. 바이오 트리클링 장치의 전, 후단에 충분한 길이의 원통형 시험덕트

를 구성하여 유입되는 시험가스가 공기와 충분히 혼합되어 일정한 농도를 갖도록 하였다.

FTIR을 이용하여 바이오 트리클링장치 전, 후단의 농도를 실시간으로 계측하였다. 그림

3-98은 바이로 트리클링 Pilot 시스템의 실험장치 구성 모습을 보여주고 있다.

이상의 제작된 Pilot 바이오 트리클링 장치의 악취 초기농도별, 유량별, 가스 종류별 성능

특성을 비교하였다. 그림 3-99는 Pilot 바이오 트리클링 장치의 초기 농도에 따른 악취별

제거 특성을 나타내고 있다. 초기 농도가 증가함에 따라 가스 제거성능이 다소 감소하는 경

향을 나타났으며, 초기 농도를 50에서 140 ppm까지 증가시킬 때 톨루엔 제거효율은 약

80%에서 50%로 효율 저하가 나타났으나 황화수소와 암모니아는 약 100%에서 90-95%의

수준으로 약간 감소하였다. 그림 3-100은 초기농도가 약 150 ppm 일 때의 체류시간에 따

른 악취별 제거효율을 나타내고 있다. 황화수소나 암모니아는 본 체류시간 범위 조건에서는

체류시간에 관계없이 거의 100% 가까이 제거되는 것을 알 수 있다. 한편, 톨루엔은 체류시

간이 증가할수록 선형적으로 톨루엔 제거효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그림

3-101은 Pilot급 바이오 트리클링 시스템의 유량 900 CMH에서 황화수소, 암모니아, 톨루

엔, 스티렌의 제거효율을 나타내고 있다. 황화수소 및 암모니아와 같은 일반 악취의 경우

98% 이상의 높은 제거성능을 나타내지만 난분해성 악취인 톨루엔과 스티렌의 경우 약

50-60%의 제거성능을 나타내었고 특히, 일반악취와 난분해성 악취의 복합 가스의 경우

50% 미만으로 급격한 효율 저하를 나타내었다.

- 148 -

그림 3-97 바이오트리클링 장치 실험장치 구성 개략도

- 149 -

그림 3-98 바이오트리클링 실험장치 구성 전경

- 150 -

그림 3-99 초기농도별 Pilot 바이오 트리클링 장치의 악취별 제거성능

- 151 -

그림 3-100 체류시간별 Pilot 바이오 트리클링 장치의 악취별 제거성능

- 152 -

그림 3-101 Pilot 바이오 트리클링 장치의 가스 종류별 제거 성능 비교

- 153 -

③ 시스템 연속 운전 특성 분석

난분해성가스(톨루엔, 에틸벤젠, 벤젠, 스티렌 복합가스)를 이용한 바이오 트리클링 장치의

장기 연속운전 시험을 수행하였다. 그림 3-102는 Pilot 바이오 트리클링 장치 운전 연속성

실험 결과를 보여주고 있다. 미생물 초기 배양 시 가스제거효율이 불규칙적으로 진행되다가

배양 80일 이후 50%대의 지속적인 가스제거 성능을 확인할 수 있었다.

- 154 -

0

30

60

90

60 65 70 75 80 85 90 95 100 105

Day

Gas rem

oval effic

iency(%

)

그림 3-102 Pilot 바이오 트리클링 장치 운전 연속성 실험

- 155 -

(라) 전체 Pilot 하이브리드 시스템 연결 구성

이상에서 설계, 제작된 플라즈마 전처리 단위모듈 및 Pilot 규모의 바이오 트리클링 시스템

을 종합하여 전체 Pilot 하이브리드 시스템을 연결 구성하였다. 가스공급장치, 플라즈마 반응

기, 전원공급 장치, 오존스크러버 및 바이오 트리클링 장치를 연결한 1,500CMH급 Pilot 복

합 시스템을 구성하였으며, 전체 시스템의 사진을 그림 3-103에 나타내었다. 가스공급장치

는 앞에서 언급한 정량펌프와 히터 및 질량유량계를 이용한 모사가스 정량공급장치를 사용하

였고 전처리 플라즈마 반응기는 750 CMH급의 단위모듈 반응기를 2대 병렬 연결한 장치를

사용하였다. 전원공급장치는 15 kW급 교류 고전압인가장치를 사용하였고, 플라즈마 반응기

에서 발생하는 오존을 처리하기 위한 오존 처리용 스크러버를 플라즈마 반응기 후단에 사용

하였고, 바이오 트리클링 장치는 콘테이너형의 Pilot 시스템을 적용하였다.

- 156 -

그림 3-103 Pilot 장치 플라즈마 바이오 복합시스템 모습 (1,500CMH급)

- 157 -

(6) Pilot 시스템 종합 성능시험

최종적으로 구성된 Pilot 하이브리드 시스템에 의한 악취 농도별, 종류별 및 유량별 제거

특성을 종합적으로 비교하였다. 그림 3-104는 초기농도별 Pilot 장치 복합 시스템의 톨루엔

제거효율을 나타내고 있다. 톨루엔 농도 150 ppm일 경우에는 플라즈마 단독 사용 시 약

34% 정도 효율을 나타내었고, 바이오 트리클링을 단독으로 사용 시에는 약 55%의 효율을

나타내었다. 한편, 복합 하이브리드 시스템의 경우에는 약 71.5%의 제거성능을 나타내어 플

라즈마 바이오 트리클링 복합시스템의 경우 플라즈마 및 바이오 트리클링 장치 단독 운전에

비하여 최대 40% 이상의 배출저감 효율 상승 효과가 나타났다. 따라서, 1,500CMH 공기

유량에서 톨루엔의 경우 플라즈마 바이오 트리클링 복합시 최대 71.5% 높은 제거효율을 확

보할 수 있었다. 한편, 초기농도가 600 ppm이상으로 고농도로 유입될 경우 플라즈마 단독

운전 시 약 16%의 효율을 나타내었고 바이오 트리클링 사용 시 약 20%의 효율을 나타내었

으며, 플라즈마 바이오 트리클링 하이브리드 시스템의 경우 약 32%의 효율을 나타내어 복합

효과가 저농도에 비하여 상대적으로 더욱 증가되는 결과를 가져왔다.

그림 3-105는 초기농도 150 ppm에서 하이브리드 복합 시스템의 톨루엔과 스티렌의 제거

성능을 비교한 결과이다. 스티렌의 경우, 플라즈마의 단독 사용 시 76%의 제거성능을 나타

내었고, 바이오트리클링 단독 사용 시 약 63%의 제거성능을 나타내었으며, 복합 사용 시에는

약 92%의 제거성능을 나타내었다. 복합시스템의 난분해성 악취에 속하는 VOC(톨루엔, 스

티렌) 종류에 따른 제거 특성을 살펴본 결과, 악취 종류에 따라 개별 장치 대응 효율 상승 정

도차가 상이함을 알 수 있었다. 톨루엔 가스 처리 시 플라즈마 단독 제거 성능이 바이오 트

리클링 단독 제거 성능에 비해 12% 높았으나, 스티렌 가스 처리 시 바이오 단독 제거 성능

이 플라즈마에 비해 우수함을 확인할 수 있었다. 스티렌의 경우 플라즈마 바이오 트리클링

복합 사용시 92.2% 높은 제거 효율을 확보하였다. 한편, 바이오 트리클링 단독사용에 비해

플라즈마 전처리 적용으로 30% 이상의 난분해성 가스제거 성능 향상을 얻을 수 있었다.

그림 3-106은 Pilot 복합시스템의 플라즈마 전후단 및 바이오 트리클링 후단에서의 아세

트알데히드의 농도변화 및 제거효율 추이를 나타내고 있다. 플라즈마 반응기로 약 30%로

분해되었지만 바이오 트리클링에서는 약 95% 이상의 제거성능을 나타내었다. 따라서 복합

시스템의 경우 약 99%의 우수한 제거성능을 나타내었다. 이는 아세트알데히드가 물에 잘

녹는 액체이고 미생물에 의해 쉽게 분해가되는 종류이기 때문이다. 그림 3-107은 스티렌의

농도변화 및 제거효율의 변화를 나타내고 있다. 플라즈마 반응기로는 약 76%의 제거성능을

나타내었고, 바이오 트리클링에서는 약 63%의 제거성능을 나타내었으며, 복합 시스템 적용

시에는 약 92%의 제거성능을 나타내었다. 스티렌의 경우 복합시스템에 의한 효과가 두드러

지게 나타났다. 그림 3-108은 톨루엔의 농도변화 및 제거효율 변화를 나타내고 있다. 플

라즈마 반응기로는 약 33%의 제거성능을 나타내었고, 바이오 트리클링에서는 약 56%의 제

거성능을 나타내었으며, 복합 시스템 적용 시에는 약 76%의 제거성능을 나타내었다. 그림

3-109는 에틸렌의 농도변화 및 제거효율 변화를 나타낸다. 에틸렌은 플라즈마 반응기로는

약 37%의 제거성능을 나타내었고, 바이오 트리클링에서는 약 9%의 제거성능을 나타내었으

- 158 -

며, 복합 시스템 적용 시에는 약 51%의 제거성능을 나타내었다.

그림 3-104 초기농도별 Pilot 장치 복합 시스템의 톨루엔 제거효율

- 159 -

그림 3-105 가스종류별 Pilot 장치 복합 시스템의 톨루엔 제거효율

- 160 -

그림 3-106 Pilot 복합시스템의 아세트알데히드 농도변화 및 제거효율

- 161 -

그림 3-107 Pilot 복합시스템의 스티렌 농도변화 및 제거효율

- 162 -

그림 3-108 Pilot 복합시스템의 톨루엔 농도변화 및 제거효율

- 163 -

그림 3-109 Pilot 복합시스템의 에틸렌 농도변화 및 제거효율

- 164 -

그림 3-110은 Pilot 복합 시스템의 플라즈마 전, 후단 또는 바이오 트리클링 후단에서의

톨루엔 가스의 FTIR 스펙트럼 변화를 보여주고 있다. 톨루엔의 경우 플라즈마에 의한 저감

효과가 가장 낮았고 바이오 트리클링에 의한 효과가 그 다음이었으며 플라즈마-바이오 복합

시스템의 경우가 가장 저감효과가 우수하였다. 한편 플라즈마 반응에 의해서만 포름알데히드

(HCHO) 피크가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이는 플라즈마의 불완전 반응으로 인해 톨

루엔의 일부가 포름알데히드로 변환되기 때문이다.

그림 3-111은 복합시스템의 플라즈마, 바이오 트리클링에 의한 CO 및 CO2 가스의 FTIR

스펙트럼을 비교한 결과이다. 플라즈마 반응에 의해서 CO가 가장 많이 발생하였고 바이오

트리클링에 의해서는 CO 발생량이 매우 작았다. 플라즈마 바이오 복합 시스템의 경우 플라

즈마 반응에 의한 CO 값과 거의 유사하였다. 이는 플라즈마 전처리 반응기에서 악취 가스가

분해되면서 발생하는 CO 가스가 복합시스템에서 발생하는 CO 가스량의 대부분을 차지하기

때문으로 사료된다.

- 165 -

그림 3-110 복합시스템의 플라즈마, 바이오 트리클링에 의한 톨루엔 FTIR 스펙트럼 비교

- 166 -

그림 3-111 복합시스템의 플라즈마, 바이오 트리클링에 의한 CO 및 CO2 FTIR 스펙트럼 비교

- 167 -

그림 3-112는 복합시스템의 플라즈마, 바이오 트리클링에 의한 에틸렌의 분해와 그에 따

른 오존의 FTIR 스펙트럼 결과를 비교한 것이다. 플라즈마 반응에 의해 오존이 대부분 발생

하고, 바이오 트리클링에서는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 플라즈마와 바이오 트리

클링을 복합 사용한 결과 플라즈마에서 발생된 오존은 바이오 반응에 의해서 거의 제거되었

다. 그림 3-113은 복합시스템의 플라즈마 및 바이오 트리클링에 의한 에틸렌(C2H4)과 포

름알데히드(HCHO)의 변화를 비교한 것이다. 에틸렌 피크의 경우 바이오 트리클링 장치로는

거의 변화가 없었지만 플라즈마를 사용할 경우에는 감소되는 경향을 나타내었다. 또한 플라즈

마 반응 효과로 포름알데히드 피크 값들이 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다. 따라서 플라즈

마 반응에 의해 에틸렌이 분해가 되고 분해되는 과정 중 일부는 포름알데히드로 재결합을 하

는 것을 확인 할 수 있다. 그림 3-114는 복합시스템의 에틸렌 분해에 의한 CO 및 CO2의

발생 스펙트럼을 비교한 것이다. CO의 피크를 살펴보면, 바이오 효과에 의해서 약간의 CO

값 상승이 있었지만 플라즈마 반응에 의해서 CO 값의 상승이 두드러지게 나타났다. CO2는

바이오 효과에 의한 증가도 많았고, 플라즈마 반응에 의한 증가도 두드러지게 나타났다. 즉,

바이오 트리클링이나 플라즈마 반응에 의해서 에틸렌의 최종 변환물은 CO 또는 CO2 임을 알

수 있다. 그림 3-115는 복합시스템의 에틸렌 분해에 의한 O3의 스펙트럼을 보여주고 있다.

바이오 트리클링 장치만으로는 오존이 거의 발생하지 않았지만, 플라즈마 반응기로는 오존 발

생량이 매우 두드러지게 나타났다. 하지만 플라즈마와 바이오 트리클링의 복합 시스템에서는

오존 발생량이 급격히 줄어들었다. 그림 3-116은 복합시스템의 복합가스 분해에 의한 부산

물의 FTIR 스펙트럼 결과를 나타내고 있다. 플라즈마 반응으로 톨루엔(C7H8) 피크값은 감

소하고 부산물로서 아세트알데히드(CH3CHO)의 피크가 증가하는 경향을 나타내었다. 한편,

바이오 트리클링 장치에서는 톨루엔 피크값이 감소함과 동시에 아세트알데히드 피크값도 감

소하였다. 플라즈마와 바이오 트리클링의 복합 시스템은 톨루엔 피크와 아세트알데히드 피크

의 감소량의 가장 크게 나타났다. 이는 플라즈마 반응에 의해서 발생된 아세트알데히드가 바

이오 트리클링에 의해서 쉽게 대부분 제거가 되는 것을 보여주고 있다. 그림 3-117은 복합

시스템의 복합가스 분해에 의한 CO 및 CO2의 발생 FTIR 결과를 보여주고 있다. CO의 발

생량은 플라즈마 반응에서 가장 크게 나타났고 바이오 반응에 의해서도 미약하게나마 나타났

다. CO2 발생량은 플라즈마와 바이오에서 거의 유사한 크기로 발생하는 것을 볼 수 있다.

그림 3-118은 복합시스템의 복합 가스 분해에 의한 O3 발생 FTIR 결과를 보여주고 있다.

플라즈마 반응에 의해서 오존이 상당량 발생하고 아세트알데히드도 다량으로 발생하는 것을

볼 수 있다. 한편, 플라즈마를 바이오와 동시에 적용할 경우에는 대부분의 오존도 사라지고,

아세트알데히드도 제거되는 것을 알 수 있다. 플라즈마 발생기 후단에 바이오 트리클링 장치

를 설치할 경우 오존이 미생물의 산소공급을 돕고 미디어 담체에서의 과다 배양을 억제시키

는데 사용되어 바이오 트리클링 후단에서는 오존량이 대부분 감소되는 것을 알 수 있다.

- 168 -

그림 3-112 복합시스템의 플라즈마, 바이오 트리클링에 의한 O3의 FTIR 스펙트럼 비교

- 169 -

그림 3-113 복합시스템의 에틸렌 FTIR 스펙트럼 비교

- 170 -

그림 3-114 복합시스템의 에틸렌 분해에 의한 CO 및 CO2 FTIR 스펙트럼 비교

- 171 -

그림 3-115 복합시스템의 에틸렌 분해에 의한 O3 FTIR 스펙트럼 비교

- 172 -

그림 3-116 복합시스템의 복합가스 분해에 의한 부산물 FTIR 스펙트럼 비교

- 173 -

그림 3-117 복합시스템의 복합가스 분해에 의한 CO 및 CO2 FTIR 스펙트럼 비교

- 174 -

그림 3-118 복합시스템의 복합 가스 분해에 의한 O3 FTIR 스펙트럼 비교

- 175 -

그림 3-119는 Pilot 복합 시스템의 오존에 따른 미생물의 영향을 파악하는 결과를 보여주

고 있다. 톨루엔의 초기 농도는 약 100 ppm이었고 플라즈마 반응에 의한 오존 발생량은 약

15∼20 ppm 이었다. 그림에서 보는 바와 같이 약 14시간의 장시간 운전에도 복합 시스템

의 톨루엔 처리 효율은 약 80∼85%의 수준을 지속적으로 유지하는 것을 알 수 있다. 이는

플라즈마에서 발생하는 약 20 ppm 수준의 오존은 바이오 트리클링의 배양 미생물을 죽이지

못하고 앞에서 언급한 것처럼 오존이 미생물의 산소공급을 돕고 미디어 담체에서의 과다 배

양을 억제시키는데 사용된다는 가정이 근거가 있음을 보여준다. 그림 3-120은 플라즈마 반

응기 후단에서 오존 농도가 200 ppm 이상일 때 오존에 따른 미생물 영향을 보여주고 있다.

그림 3-119에서와 마찬가지로 200 ppm 이상의 조건에서도 지속적으로 일정한 톨루엔 제거

성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.

- 176 -

그림 3-119 Pilot 복합 시스템의 오존에 의한 효율 변화

- 177 -

그림 3-120 Pilot 복합 시스템의 공정 위치별 효율 변화

- 178 -

(7) 실배기 다종 악취 분해, 변환 특성 분석 및 평가 기법 확립 (위탁)

(가) 다중 악취 분해 제거 특성 측정 시스템 성능 비교

다중 악취 분해 제거 특성을 측정하기 위한 각종 시스템의 성능 비교를 위해 FTIR

(Fourier Transform-Infrared Spectroscopy), FID (Flame Ionization Detector) 및 센서

형 VOC 측정기의 3종류 가스 분석 시스템을 이용하여 실험결과를 비교해 보았다. 그림

3-121∼3-123은 본 연구에서 사용한 FTIR, FID 및 센서형 VOC 측정기의 모습을 보여주

고 있다. 그림 3-124는 표준가스인 톨루엔(C7H8)을 사용하여 FTIR, FID 및 VOC 측정기

를 상호 비교한 결과를 나타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 각 계측기 별로 상당한 선형

성을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 특히, FID는 FTIR의 약 2.7배의, VOC 측정기는

FTIR의 약 1.6배의 상관성을 나타내었다. 가스(악취) 제거율은 상대적인 농도감소율로 표

현되므로 각 측정 시스템으로부터 얻게 되는 가스 제거율은 거의 동일할 것으로 사료된다.

그림 3-125와 그림 3-126에서와 같이 톨루엔(C7H8)의 DBD 플라즈마 단위모듈 제거율을

FTIR, FID 및 VOC 측정기를 통해 측정해본 결과 앞에서 언급하였던 바와 같이 계측기에 거

의 상관없이 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 따라서, 앞으로부터의 대부분의 실험은 3종류

가스 분석 시스템 중 실시간 계측이 가능하고 재현성이 우수한 FTIR을 사용하였다.

- 179 -

그림 3-121 FTIR 시스템

- 180 -

그림 3-122 FID 시스템(TVA-1000)

- 181 -

그림 3-123 센서형 VOC 측정기 (VOC pro)

- 182 -

그림 3-124 농도별 3종류 가스분석 시스템의 비교

- 183 -

그림 3-125 악취 종류별 공기희석관능법과 기기계측법의 제거효율 비교

- 184 -

그림 3-126 3종류 가스분석 시스템의 제거효율 비교

- 185 -

(나) 기기분석법 및 공기희석관능법 측정 결과 비교 분석

① 시료채취

시료는 20ℓ용 가스 샘플링 테프론 백과 가스 샘플링 펌프를 이용하여 한국기계연구원 바

이오 트리클링장치 가스 제거효율 측정 시 시료를 채취하였으며, 채취된 시료는 즉시 창원대

학교 환경공학과 실험실로 옮겨 냄새단위(희석배수: Odor unit(OU/㎥)를 측정하였다.

② 냄새단위(희석배수) 측정

악취측정에 사용한 공기희석 관능법인 Olfactometer법은 유럽에서 공인되어 사용되고 있는

방법이다. 그림 3-127은 실험에 사용한 Olfactometer 장비와 흐름도를 나타내었으며,

ECOMA TO7은 시료를 희석공기(냄새가 없는 공기)와 혼합하여 최대 64,000배까지 희석이

가능하다. 측정방법은 측정 초기에 높은 희석배수에서 시작하여 희석배수를 점점 줄여가며

(냄새물질 농도는 증가) 희석된 시료가 4명의 냄새 판별자에게 제공하고, 냄새 판별자는 정

상 호흡을 하면서 제공된 희석 시료의 냄새를 계속 맡는다. 냄새가 최초 감지될 때(냄새단위

1) 냄새 판별자는 장치의 버턴을 눌러 이 때의 희석배수가 자동으로 기록되게 하는 장치이

다.

- 186 -

그림 3-127 Olfactometer (ECOMA TO7) 개략도

- 187 -

③ 기기분석법과 공기희석관능법의 가스 제거 효율 비교

실험장치에서 측정된 유입 및 유출 공기의 복합악취 희석배수는 표 3-5와 같으며, 1번의

경우 복합악취의 처리효율은 50% 그리고 2와 3번의 경우는 11.1과 15.8%이었다. 2와 3번

의 경우 1번에 비교하여 처리효율이 현저하게 낮았으며, 이러한 원인은 유입공기 중에 함유

되어 있는 각 악취성 물질의 생물학적 분해율이 현저하게 다르기 때문으로 사료된다. 4번의

경우 주입 공기 중의 NH3 농도는 20 ppm 이었고 이때 복합악취의 희석배수는 38이었고,

NH3의 역치(threshold)는 0.1 ppm이기 때문에 NH3 농도 20 ppm인 공기의 복합악취의 희

석배수는 200이 되어야 하며, 다른 경우에도 마찬가지로 주요 주입물질의 역치로 계산된 복

합악취의 희석배수와 실제 측정된 희석배수와는 큰 차이를 보이고 있었다. 이는 공기 중에

주입물질 외 다른 물질이 복합악취의 희석배수를 감소시키는 역할을 하였거나(상쇄효과) 측

정에 참가한 panel의 후각 차이 때문으로 사료된다. 그림 3-128 및 그림 3-129와 같이

2, 3, 5시료의 경우 한국기계연구원의 효율 측정치와 비교해본 결과, 기기 측정치에 비해 공

기희석관능법의 제거효율은 매우 낮았으며, 가스의 종류와 무관하게 기기 측정에 의한 효율과

공기희석 관능법의 의한 효율의 차는 거의 일정한 것으로 나타났다.

- 188 -

Measured

numberInput Output

Efficiency by

Olfacometer

(%)

Efficiencyby by measurement

devices(%)

FTIR FID type Sensor type

1 90 45 50.0 - - -

2 45 40 11.1 54.2 53.0 49.6

3 57 48 15.8 50.1 47.3 45.4

4 38 25 34.2 - - -

5 95 38 60.0 97.6 - -

표 3-5 Measured complex odor unit(OU/㎥) at an experimental equipment

- 189 -

0

20

40

60

80

100

FTIR Olfactometer

Types of measurement

Rem

oval eff

icie

ncy(%

)

Multi gasesTolueneAmnonia

그림 3-128 공기희석관능법과 기기법 비교(FTIR, 공기희석관능법)

- 190 -

0

10

20

30

40

50

Multi VOC gases Toluene Amonia

Types of gases

Diffe

rence o

f effic

iency b

etw

een F

TIR

& O

lfacto

mete

r(%

)

50-100ppm

그림 3-129 공기희석관능법과 기기법 비교(FTIR, 공기희석관능법)

- 191 -

(8) 3,000 CMH급 실기 적용용 플랜트 Scale-Up 설치, 구성

(가) 단위모듈, 구성품 최적 조합에 의한 고효율 모듈화 설계, 제작

① 나노펄스 플라즈마 반응기 제작

3,000 CMH급 실기 적용용 플라즈마 전처리 모듈화 개발을 위해 기존에 연구된 1,500

CMH급의 유전체 격벽 방전 (DBD) 플라즈마의 병렬 확대 시킨 것 이외에도 나노급의 펄스

전원을 이용한 펄스플라즈마 방법을 적용해 보았다. 그림 3-130은 나노펄스 플라즈마 반응

기의 설계도를 나타내고 그림 3-131은 새로 제작된 나노펄스 플라즈마 반응기의 모습을 나

타내고 있다. 나노펄스 플라즈마 반응기는 원통형의 반응기 내부에 wire 형태의 방전부로

구성되어 있어 전기집진기의 반응기와 거의 유사한 형상을 갖고 있다. 중앙부의 wire 방전

부에 500 nsec 이하 시간 및 50 kV의 피크 전압의 나노급 펄스를 인가하면 (승압 시간은

100 ns 이하) 방전부에서 파란 빛과 함께 플라즈마가 발생한다. 나노 펄스 플라즈마는 마이

크로 펄스 플라즈마나 기타 플라즈마에 비해 승압된 시간이 짧기 때문에 에너지 소비는 적으

면서도 VOCs를 비롯한 NOx, SOx 분해 효율이 높기 때문에 최근 들어서 각광을 받고 있는

플라즈마 기술이다. 그림 3-132는 방전된 나노펄스 플라즈마의 모습을 보여주고 있다. 6개

의 방전부에서 균일하게 방전이 이루어지는 것을 확인 할 수 있다. 나노 펄스 플라즈마와 연

결되는 나노펄스 전원공급장치의 사양은 표 3-6과 같고, 나노 펄스 전원의 출력 전압 파형은

그림 3-133과 같다. 약 100 ns 정도의 승압 시간을 갖고 500-1000 ns 정도의 펄스 간격

을 갖는 펄스 파형을 발생시키는 것을 확인할 수 있다.

- 192 -

그림 3-130 나노펄스 플라즈마 반응기 설계

- 193 -

그림 3-131 나노펄스 플라즈마 반응기 모습

- 194 -

그림 3-132 나노펄스 플라즈마 방전 모습

- 195 -

직류 전원 공급기

Voltage AC220 VAC ± 10% 단상, 60 Hz

Output Voltage 1000V

Output Current 3A

Voltage Load

Regulation

0.05% of full output voltage for an no load

to full load change

Voltage Line Regulation 0.05% of full output voltage minimum input

to maximum input

Regulation Voltage with limited current

Ripple 0.5% P-P of rated output voltage

Polarity Positive

Dimension 482(W) × 610(D) × 270(H) mm

펄스 발생기

Output Voltage 50kV max, Positive

Output Current 100A max

Pulse Frequency 1∼2000pps with single shot mode

Pulse Circuit Solid State Switching

Protection Short Circuit

기타사항

Output Current

Monitoring Pearsion CT

DC Link Voltage

Monitoring 4 digit FND

High Voltage Insulation Oil Tank Emersion

Dimension 1000(W) × 1000(D) × 1500(H) mm

표 3-6 나노펄스 전원공급장치 사양

- 196 -

그림 3-133 나노펄스 출력 전압 파형

- 197 -

② 유전체 격벽 방전 플라즈마 모듈 Scale-up 제작

또한, 3,000 CMH급 실기 적용용 플라즈마 전처리 모듈화 개발을 위해 기존에 연구된 750

CMH급의 유전체 격벽 방전 (DBD) 플라즈마를 4개 병렬로 확장을 시켰고 그 확장시킨 플라

즈마 반응기의 방전 모습을 그림 3-134에 나타내었다. 하나의 전원인가장치를 사용했음에도

불구하고 4개의 DBD 모듈에서 균일하게 방전이 일어나는 것을 확인할 수 있다.

- 198 -

그림 3-134 3,000 CMH급 DBD 플라즈마 반응기 방전 모습

- 199 -

③ 바이오 트리클링 장치 Scale-up 제작

3,000 CMH급 실기 적용용 바이오 트리클링 장치의 Scale-up 개발을 위해 기존에 연구된

1,500 CMH급의 바이오 트리클링 장치의 설계 기준을 적용하여 그림 3-135와 같이 1,500

CMH급의 컴팩트형 모듈 장치를 설계하였고 3,000 CMH의 파일롯 규모 장치로서 컴팩트형

1,500 CMH 모듈을 2대 병렬로 구성하여 완성하였다. 컴팩트형 파일럿 모듈의 크기는 폭 x

길이x높이로 2,200x2,500x3,900mm 이다. 표 3-7은 3,000 CMH급의 바이오 트리클링 장

치의 사양을 나타내고 있다. 그림 3-136은 제작된 3,000 CMH급 바이오트리클링 장치 측면

및 정면 모습을 보여주고 있고 그림 3-137은 파일럿 바이오 트리클링 장치 내부의 미디어

담체 모습과 내부 구성품 모습을 보여주고 있다.

- 200 -

그림 3-135 3,000 CMH급 바이오 트리클링 장치 Scale-up 설계 (1,500 CMH 모듈)

- 201 -

No. Description Size Q'ty Remarks

1 Bio-trickling filter2,200Wx2,500Lx3,900

H2 F.R.P

2 Media 13.7M3 2 코르크

3 Spray nozzle 15A 6 SUS304

4 Vent stack 450A 2 F.R.P

5 Nutrient tank 1,700Wx766Lx1,000H 2 F.R.P

6 NaOH tank 400Wx766Lx1,000H 2 F.R.P

7 Sprinkling tank 400Wx766Lx1,000H 2 F.R.P

8 Handrail 1,000H(25A, 35A) 2 SUS304

9 Ladder 510W 2 SS400

10 Sampling hole 125A 2 F.R.P

11 Manhole 450Wx550Lx100H 6 F.R.P

12 Inlet main duct 450A 2 F.R.P

13 Sight glass 350Wx450Lx5t 2 PC Plate

14 Light glass 350Wx450Lx5t 2 PC Plate

15 Inlet branch duct 325A 2 F.R.P

표 3-7 3,000 CMH급 바이오 트리크링 장치 사양

- 202 -

그림 3-136 3,000 CMH급 바이오 트리클링 장치 측면 및 정면 모습

- 203 -

그림 3-137 3,000 CMH급 바이오트리클링 내부 담체 및 부속 장치

- 204 -

(나) 단위모듈 고효율 최적화 실험

① Pilot 전처리 플라즈마 반응기 실험

그림 3-138은 나노펄스 플라즈마 전처리 반응기의 톨루엔 초기농도별 변화효율을 나타내

고 있다. 톨루엔 변환효율은 나노펄스 인가전압을 증가시킬 때 비례해서 증가하였고, 톨루엔

의 초기농도를 증가시킬 때 감소하는 경향을 나타내었다. 초기농도가 30 ppm일 때 인가전

압 700 kV일 때 약 40%의 분해효율을 나타내었지만 1,000 kV로 증가시킬 경우에는 약

80%로 효율이 상승하였다. 한편, 인가전압이 1,000 kV일 때, 초기 농도가 30 ppm 일 때

80%의 분해 효율을 나타내는 것이 100 ppm 까지 증가시킬 때 43% 정도로 분해 효율이 감

소하는 것을 확인할 수 있다. 그림 3-139는 Pilot DBD 플라즈마 전처리 반응기의 톨루엔,

p-자일렌 및 에틸렌에 대한 초기농도별 분해효율을 나타내고 있다. 초기농도가 증가할수록

분해효율은 감소하는 경향을 나타내었다. 동일한 초기농도가 유입될 경우 에틸렌, 톨루엔, p-

자일렌 순서로 효율이 감소하였다. 톨루엔의 경우는 초기농도가 약 20 ppm일 때 95% 이상

의 제거효율을 나타내었고, 초기농도가 225 ppm 까지 증가함에 따라 약 40%까지 감소하였

다. p-자일렌의 경우는 초기농도가 20 ppm일 때 약 85%에 가까운 제거효율을 보여 톨루

엔 제거효율보다 약간 낮았으나, 초기농도가 220 ppm 일 때 약 45% 까지 감소하여 톨루엔

과 거의 유사한 효율 감소 경향을 나타내었다. 한편, 에틸렌의 경우는 초기농도가 20 ppm일

때 약 95%의 제거효율을 나타내었고 160 ppm으로 증가시킬 때 85% 정도로 제거효율이 감

소하였으나 농도에 따른 제거효율의 감소율은 톨루엔이나 p-자일렌에 비해 낮게 나타났다.

그림 3-140은 나노펄스 플라즈마와 DBD 플라즈마 전처리 반응기의 톨루엔 처리효율을 비

교한 결과이다. 나노펄스 플라즈마의 경우 압력손실은 DBD의 1/3 수준이면서 DBD 플라즈마

와 거의 유사한 제거성능을 나타내었다. 따라서 나노펄스 플라즈마를 전처리로 적용하는 경우

저압력손실 고효율의 단위모듈 시스템에 대한 실용화를 구현시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

그림 3-141은 DBD 플라즈마 반응기의 오염 부하량에 따른 악취별 제거 용량을 나타내고

있다. 톨루엔과 p-자일렌의 경우는 거의 유사한 제거 용량 경향을 나타내었다. 톨루엔과

p-자일렌은 약 6,000 g/(㎥s)에서 최대 제거용량인 3,000 g/(㎥s) 정도의 값을 나타내었다.

한편, 에틸렌의 경우는 약 2,000 g/(㎥s)에서 700 g/(㎥s) 정도의 최대 제거용량을 나타내

었다. 이는 그림 3-134의 악취 종류별 분해효율과는 반대의 경향을 나타내는 것으로서, 이

러한 이유는 제거용량에는 분해효율과 분자량의 곱으로 표현되는데 에틸렌의 분자량이 톨루

엔이나 p-자일렌보다 약 3.5배 작기 때문이다. 따라서, 효율적인 측면에서는 에틸렌의 분해

효율이 우수하지만 거기에 분자량이 곱해진 제거 용량의 관점에서는 톨루엔이나 p-자일렌이

더 장시간동안 많은 양이 제거될 수 있음을 알 수 있다. 한편, 초기농도 변화에 따른 제거용

량이 유량 변화에 따른 제거 용량보다 우수함을 알 수 있었다. 이는 플라즈마 반응기에 초기

농도가 큰 악취성분이 들어올 때가 유량이 많은 조건으로 들어오는 조건보다 제거용량이 더

욱 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 플라즈마 전처리 반응기는 대용량의 유량 조건보다는 갑작

스런 고농도의 악취성분이 유입될 때 고농도를 저농도로 일부 낮춰주는 상황에 사용되기 좋

은 전처리 장치임을 알 수 있다.

- 205 -

그림 3-138 나노펄스 플라즈마의 초기 농도별 톨루엔 변환 효율

- 206 -

그림 3-139 Pilot DBD 시스템의 초기농도에 따른 악취 종류별 분해효율

- 207 -

그림 3-140 Pilot Pulse와 DBD 시스템의 분해효율 비교

- 208 -

그림 3-141 Pilot DBD 플라즈마 반응기의 오염량에 따른 제거용량

- 209 -

그림 3-142는 Pilot 플라즈마 반응기 전, 후단에서의 톨루엔의 FTIR 스펙트럼을 보여주고

있다. DBD 플라즈마 전단에서는 톨루엔(C7H8)과 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2) 피크 이외

에는 거의 검출되지 않았으나 DBD 플라즈마 후단에서는 톨루엔 피크는 감소하고 H2O, CO

및 CO2의 피크는 증가하였다. 또한 이와 함께 부산물로 아세트알데히드(CH3CHO)와 오존

(O3) 피크 또한 크게 증가하였다. 이는 톨루엔이 플라즈마에서 발생한 라디칼에 의해 완전

분해되어 H2O나 CO 또는 CO2로 발생되기도 하고, 톨루엔이 완전히 분해되지 못하고 일부가

아세트알데히드로 분해되기 때문으로 판단된다. 한편 플라즈마 반응기에서는 라디칼과 함께

오존이 발생하기 때문에 오존 피크도 반응기 후단에서 크게 상승하였다. 그림 3-143은

Pilot 플라즈마 반응기 전후단에서의 p-자일렌의 FTIR 스펙트럼을 보여주고 있다. 톨루엔

과 마찬가지로 플라즈마 반응기를 거치면서 p-자일렌(C8H10)의 피크는 감소하고 물, 일산화

탄소, 이산화탄소 및 오존과 아세트알데히드 피크가 증가하였다. 톨루엔과 마찬가지로 플라

즈마 반응에 의해 p-자일렌이 물, 일산화탄소 및 이산화탄소로 완전 분해되거나 아세트알데

히드로 불완전 분해되어 부산물이 발생하는 것을 알 수 있다. 그림 3-144는 Pilot 플라즈마

반응기 전후단에서의 에틸렌의 FTIR 스펙트럼을 나타내고 있다. 에틸렌도 역시 플라즈마 라

디칼에 의해 완전 분해되어 물과 일산화탄소 및 이산화탄소로 변환되거나 불완전하게 분해되

어 아세트알데히드로 변환되는 것을 확인할 수 있다. 또한 플라즈마 반응 후에 발생되는 일

산화탄소 및 이산화탄소의 피크값은 에틸렌, p-자일렌, 톨루엔 순으로 나타났다. 아세트알데

히드 부산물 역시 에틸렌, p-자일렌, 톨루엔 순서로 많이 발생하였다.

- 210 -

그림 3-142 톨루엔의 DBD 반응기 전후단의 FTIR 스펙트럼

- 211 -

그림 3-143 p-자일렌의 DBD 반응기 전후단의 FTIR 스펙트럼

- 212 -

그림 3-144 에틸렌의 DBD 반응기 전후단의 FTIR 스펙트럼

- 213 -

② 실기 적용용 바이오 트리클링 Pilot 시스템 성능 실험

그림 3-145는 Pilot 바이오 트리클링 시스템의 황화수소, 암모니아 및 톨루엔의 초기 농도

에 따른 분해효율을 나타내고 있다. 황화수소와 암모니아 등의 일반악취는 초기농도가 증가하

더라도 약 99% 이상의 고효율을 유지하였다. 한편, 톨루엔의 경우 저농도에서는 80-90%의

효율을 나타내었으나 100 ppm 이상의 고농도에서는 성능 하락이 두드러지게 나타났다. 그림

3-146은 톨루엔, p-자일렌 및 에틸렌에 대한 초기농도별 분해효율을 나타내고 있다. 초기농

도가 증가할수록 분해효율은 감소하는 경향을 나타내었다. 동일한 초기농도가 유입될 경우 톨

루엔, p-자일렌, 에틸렌 순서로 효율이 감소하여 DBD 플라즈마 전처리 장치와는 반대의 결

과가 나타났다. 톨루엔의 경우는 초기농도가 약 20 ppm일 때 85%의 제거효율을 나타내었

고, 초기농도가 275 ppm 까지 증가함에 따라 약 60%까지 감소하였다. p-자일렌의 경우는

초기농도가 20 ppm일 때 약 80% 제거효율을 보여 톨루엔 제거효율과 거의 유사하였으나,

초기농도가 300 ppm 일 때 약 40% 까지 감소하여 톨루엔보다 농도에 따른 효율 감소가 크

게 나타났다. 에틸렌의 경우는 초기농도가 30 ppm일 때 약 35%의 제거효율을 나타내었고

250 ppm으로 증가시킬 때 10% 미만으로 제거효율이 감소하였다. p-자일렌은 톨루엔과 유

사한 화학구조를 갖고 있지만 제거효율은 톨루엔보다 약 10-30% 낮게 나타났다. 미생물

배양이 주로 톨루엔에 의해 이루어졌기 때문에 톨루엔과 다른 화학물질이 들어올 때 미생물

의 처리 능력이 배양 가스에서보다 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 에틸렌의 경우는 톨루엔

과 p-자일렌 보다 훨씬 제거효율이 떨어지는 것을 알 수 있다. 바이오 트리클링 필터에서의

미생물에 의한 가스 분해는 가스상 물질의 분자구조와 관련이 있다(Jurio et al., 1998). 에

틸렌은 분자의 결합에너지가 약 6.3 eV의 이중 결합 형태를 띠고 있어, 약 5.5 eV의 벤젠

링 구조를 가진 톨루엔이나 p-자일렌 보다 분해시키기 어려운 것으로 판단된다.

한편, 바이오 트리클링에서의 제거용량은 톨루엔, p-자일렌 및 에틸렌 순서로 크게 나타났

다. 앞의 DBD 플라즈마 반응기에서는 톨루엔과 p-자일렌의 제거 용량이 거의 비슷하였으나

바이오 트리클링 시스템에서는 톨루엔의 제거용량이 훨씬 큰 것으로 나타났다. 톨루엔은 약

200 g/(㎥s)에서 약 125 g/(㎥s)의 최대용량을 나타냈고, p-자일렌은 약 150 g/(㎥s)에서

약 80 g/(㎥s)의 최대용량을 나타내었다. 에틸렌은 30 g/(㎥s)에서 20 g/(㎥s)의 최대용량

을 나타내었다. 한편 DBD 플라즈마 반응기와는 다르게, 바이오 트리클링 시스템에서는 초기

농도에 따른 제거용량과 유량에 따른 제거용량의 차이가 거의 나타나지 않았다.

- 214 -

그림 3-145 Pilot 바이오 트리클링 시스템의 일반악취 및 톨루엔 제거효율

- 215 -

그림 3-146 Pilot 바이오 트리클링 시스템의 악취종류별 제거효율

- 216 -

그림 3-147은 Pilot 바이오 트리클링 장치의 전후단에서의 톨루엔에 대한 FTIR 스펙트럼

을 보여주고 있다. 바이오 트리클링의 미생물 분해에 의해 톨루엔(C7H8)의 피크는 감소하였

고 CO2의 피크는 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 한편 아세트알데히드나 오존과 같은 부

산물은 발생하지 않았다. 즉, 미생물에 반응에 의해서는 톨루엔이 이산화탄소와 물로 완전

분해가 되는 것을 알 수 있다. 그림 3-148은 Pilot 바이오 트리클링 장치 전후단에서의 p-

자일렌의 FTIR 스펙트럼을 나타내고 있다. 톨루엔과 마찬가지로 p-자일렌(C8H10)의 피크

는 감소하고 물과 이산화탄소의 피크만이 증가하였다. 그림 3-149는 에틸렌의 Pilot 바이오

트리클링 전후단에서의 FTIR 스펙트럼을 보여주고 있다. 에틸렌(C2H4) 피크의 감소율은 톨

루엔이나 p-자일렌에 비해 매우 낮게 나타났다. 에틸렌이 톨루엔이나 p-자일렌에 비해 상

대적으로 바이오 미생물에 의한 분해율이 낮은 것을 알 수 있다.

- 217 -

그림 3-147 톨루엔의 Pilot 바이오 트리클링 장치 전후단의 FTIR 스펙트럼

- 218 -

그림 3-148 p-자일렌의 Pilot 바이오 트리클링 장치 전후단의 FTIR 스펙트럼

- 219 -

그림 3-149 에틸렌의 Pilot 바이오 트리클링 장치 전후단의 FTIR 스펙트럼

- 220 -

(9) 3,000 CMH급 실기 적용용 하이브리드 시스템 성능 시험

(가) 실기 적용용 하이브리드 복합 Pilot 시스템 구성

그림 3-150과 같이 3,000 CMH급 Pilot 플라즈마 전처리 바이오 트리클링 복합 시스템을

구성하였다. 시스템은 시험가스 공급장치, Pilot DBD 플라즈마 전처리장치, Pilot 나노펄스

플라즈마 전처리장치, 나노펄스 전원공급장치, 교류 고전압 전원공급장치 및 Pilot 바이오 트

리클링 시스템으로 구성되어 있다. 플라즈마 전처리 장치는 2종류의 비교를 위해서 DBD 플

라즈마와 나노펄스플라즈마를 병렬로 연결하였다. DBD플라즈마는 약 750 CMH급의 단위모

듈 반응기를 4대를 병렬료 연결하여 구성하였고 나노펄스 플라즈마 역시 약 500 CMH급의

원통형 플라즈마 반응기를 6대를 병렬로 연결하여 구성하였다. 한편, 바이오 트리클링 시스

템은 앞에서 언급한 것과 같이 1,500 CMH급의 컴팩트 파일럿 모듈을 2대 병렬로 연결하여

구성하였다. 시험가스 정량공급장치는 정량펌프와 히터를 사용한 정량펌프법을 이용하였다.

- 221 -

그림 3-150 3,000CMH급 Pilot 하이브리드 복합 시스템 구성

- 222 -

(나) 하이브리드 복합 Pilot 시스템 성능 시험

그림 3-151은 Pilot 하이브리드 복합 시스템의 플라즈마 가동 유무에 따른 악취종류별 부

하 성능을 비교한 결과이다. 그림 3-139와 같이 플라즈마에 의한 에틸렌 분해효율은 우수하

였지만 에틸렌의 분자량이 작아서 제거용량의 측면에서는 톨루엔과 p-자일렌의 제거 용량이

에틸렌보다 약 2배 가까이 우수한 특성을 나타내었다. 특히, 플라즈마를 가동시킬 때 고농도

의 악취 조건에서 가스 제거 용량이 우수한 특성을 나타내었다. 즉, 동일한 악취 성분에 대하

여 플라즈마를 가동시킬 경우 최대 제거 용량이 2배 가까이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

그림 3-152는 Pilot 시스템에 대하여 바이오 트리클링 및 DBD　플라즈마 전처리장치의

단독 성능 및 복합 하이브리드 시스템의 복합 성능을 톨루엔 및 p-자일렌, 에틸렌 가스별로

얻은 결과이다. 각각의 악취가스의 초기농도는 약 100-150 ppm이었고 플라즈마 인가전압

은 약 12 kV이었다. 바이오 트리클링의 단독 성능은 톨루엔의 경우 약 90%, p-자일렌의 경

우 약 68%, 에틸렌의 경우 약 52%이었고 플라즈마 전처리의 단독 성능은 톨루엔 약 63%,

p-자일렌 약 70% 및 에틸렌은 약 80%의 효율을 나타내었다. 플라즈마 전처리와 바이오 트

리클링을 복합한 시스템의 경우는 톨루엔 96%, p-자일렌 95% 및 에틸렌 81%의 효율을 얻

을 수 있었다. 바이오 트리클링과 플라즈마 전처리의 개별 성능은 앞에서 개별적으로 보여준

결과와 같이 톨루엔>p-자일렌>에틸렌과 에틸렌>p-자일렌>톨루엔 순으로 나타났다. 복합시

스템의 경우 톨루엔과 p-자일렌은 95% 이상의 고성능을 얻을 수 있었고 에틸렌은 플라즈마

효과로 인해 80% 수준의 성능을 확보할 수 있었다. 톨루엔의 복합시스템에 의한 효과는 바

이오 트리클링에서 이미 90% 이상의 고효율을 확보하였으므로 미약하게 나타났다. 복합시스

템의 효과는 에틸렌에서 가장 강력하게 나타났다. 이는 에틸렌의 경우 플라즈마 반응에 의해

바이오 미생물에 의해 분해가 쉬운 수용성의 아세트알데히드로의 변환이 쉽기 때문으로 생각

된다. 따라서, 플라즈마 전처리 바이오 트리클링 복합 시스템은 휘발성 유기화합물을 처리하

는데 매우 유용한 방법이 될 것으로 사료되고 특히 미생물을 배양하는데 사용된 악취성분과

다른 악취가스가 유입될 때 이를 처리하는 방법으로 매우 유용할 것으로 생각된다.

- 223 -

그림 3-151 3,000CMH Pilot 하이브리드 시스템 부하 성능 비교

- 224 -

그림 3-152 Pilot 하이브리드 시스템의 악취별 제거효율 비교

- 225 -

나. 연구개발 결과 요약

본 연구는 각종 화학공장 및 폐수처리장 등지에서 발생하는 악취 오염물을 효과적으로 처

리하기 위한 시스템을 개발하고 이를 실용화 기술로 적용시키기 위하여 전기플라즈마를 바이

오 트리클링 시스템에 복합하여 기존 시스템 보다 악취 처리 성능을 증진시키고자 하였다.

즉, 바이오 트리클링의 단일 공정으로는 처리하기 어려운 소수성의 악취성분들을 플라즈마 전

처리 기술로 일부는 완전 제거하고 일부는 친수성의 부산물로 변환시킴으로써 바이오 트리클

링에서 쉽게 처리할 수 있는 하이브리드 복합 기술을 개발하고자 하였다. 본 연구에서 개발된

시스템은 1차적으로 플라즈마 전처리 반응에 의한 악취 성분의 분해 및 친수성화, 2차적으로

미처리된 잔류 악취성분과 친수성화된 알데히드류의 바이오 트리클링 미생물 처리로 구성되

어 있다.

본 연구의 1차년도에서는 300CMH 규모의 시스템을 개발하여 플라즈마 전처리부와 바이

오 트리클링부의 주요 변수에 대한 설계인자를 확보하고자 하였다. 2차년도에는 1,500CMH

급의 Pilot 시스템을 설계, 제작하고, 실용화 Scale-up 기술을 개발하고자 했으며, 3차년도에

는 1, 2차년도의 연구개발 결과를 토대로 최종적으로 3,000CMH급의 실기 Pilot 시스템을

개발하고자 하였다. 본 연구를 통해서 얻어진 결과의 요약 내용은 다음과 같다.

1. 암모니아, 황화수소 일반악취 99% 이상 처리하고 자일렌 및 에틸렌 등의 난분해성 악취

의 40% 이상 효율을 향상시키는 3,000 CMH급 전기플라즈마 바이오 트리클링 복합 하

이브리드 Pilot 시스템을 개발하였다.

2. 플라즈마 전처리 기술을 적용하여 기존의 바이오 트리클링 방식에 비해 시설비 및 운전

비 등을 약 30% 이상 절감시킬 수 있었다.

3. 난분해성 악취성분은 플라즈마 반응에 의해서 미생물로 처리가 용이한 친수성의 알데히

드류로 변환되어 바이오 트리클링에서 쉽게 처리됨에 따라 본 연구에서 개발된 플라즈마

와 바이오 트리클링 복합 하이브리드 시스템은 기존의 난분해성 악취성분도 용이하게 처

리할 수 있었다.

4. 플라즈마 반응기는 고농도의 악취 조건 및 복합 악취 유입 조건 등의 바이오 트리클링

단일 공정으로는 처리하기 어려운 조건에서 악취 성분을 일부 완전 분해하거나 일부 친수

성의 물질로 변환시킴으로써, 열악한 운전 조건에도 쉽게 적용할 수 있다.

5. 여러 가지 전처리 플라즈마 기술을 비교, 검토해 본 결과, 비록 소비동력은 크지만 DBD

방식의 플라즈마가 처리효율이 가장 우수한 것으로 나타났다.

6. 플라즈마의 분해효율은 악취성분의 결합구조에 의해 영향을 많이 받았고 바이오 트리클

- 226 -

링의 제거효율은 악취성분의 분자구조에 의한 영향도 다소 있었지만 초기 미생물을 배양

하는 주변 가스에 의한 영향이 매우 강하게 나타났다. 따라서 바이오 트리클링 시스템은

미생물을 배양하는데 사용한 악취성분에 대해서는 처리 효율이 높게 나타날 수 있으나 배

양 가스로 사용되지 않은 악취의 경우엔 처리효율이 급격하게 떨어지는 단점이 있었다.

플라즈마 전처리법은 이러한 배양 가스 이외의 난분해성 악취 성분이 유입될 때 이를 1차

적으로 처리함으로써 복합시스템의 처리 효율을 전체적으로 향상시킬 수 있었다.

- 227 -

다. 연도별 연구개발목표의 달성도

본 연구를 통해 전기 플라즈마와 바이오 트리클링 복합 하이브리드 시스템을 개발하였고,

고농도 및 복합 악취 가스성분이 유입될 경우에 플라즈마 전처리 과정을 통해 고농도의 악취

를 저농도로 낮춰주고 복합 악취 성분 중 일부를 바이오 미생물이 처리하기 쉬운 수용성의

포름알데히드, 아세트알데히드 및 포름산 등으로 분해하여 플라즈마 후단에 설치된 바이오 트

리클링 시스템에서 잔류 악취 가스들을 처리할 수 있는 공정을 확립할 수 있었다. 즉, 3,000

CMH 이상급에서 암모니아 및 황화수소 등의 일반 악취를 99% 제거하고 에틸렌, 디클로로벤

젠 등의 난분해성 악취를 40% 이상 제거하는 플라즈마 전처리 바이오 트리클링 복합형 하이

브리드 파일롯 시스템을 개발하였다. 연도별 연구개발 목표의 달성도를 표 3-8∼표 3-10

에 나타내었다.

- 228 -

번호 세부연구목표 달성내용 달성도(%)

1 Bench급 모델 도출 및 실험수행 여부

-Gliding/ DBD의 2종 전기 플라즈마 반응부 제작 및 5종류 가스에 대한 전기 바이오 비교시험 수행-수치해석, 실험병용 적정모델 도출-모의 악취시험 및 복합 하이브리드

모델 도출

100

2Bench급 전기 플라즈마 악취 분해 및 바이오 복합 시스템 설계인자 도출

-300CMH, Bench급 전기플라즈마 바이오트리클링 복합 시스템 설계

및 제작 완료-300ppm급 이상의 고농도 및 저농

도악취별,유량별, 60-300Hz/20kV급의 인가전압별 악취 제거효율 특성 파악

-5종류 대상 가스 종류별 시스템 운전 및 설계인자 파악-장치 모델 특허 2건 및 가스시험에

대한 특허 1건 등의 3건 출원

100

3 다중 악취 분해 제거 특성 평가 시스템 구축

-다중 검지관 및 GC-MS 악취 농도 연속측정 시스템 인터페이스 구축완료

-측정 평가시스템의 상호비교 분석 완료

-공기희석관능법 분석기술 확보 (위탁)

100

4 Bench 규모의 기존 미생물 공정 대비 특성 비교, 분석

-난분해성 가스 2종에 대한 복합 시스템과 기존 바이오 장치 성능 비교 시험 완료-기존 대비 30%급 성능향상 확보

100

5Bench 독자모델 특허화 및 논

문화

-독자모델 특허출원 2건 및 평가 방법 특허출원 1건 국내출원 총 3건 완료

100

표 3-8 1차년도 계획대비 목표달성도

- 229 -

번호 세부연구목표 달성내용 달성도(%)

11,500 CMH급 전처리 분해, 변환 물질의 바이오 미생물 복합 처리 Pilot 모듈 기술 개발

-DBD 단위모듈 전기 플라즈마 반응기의 Scale-up 반응부 제작 및 최적 전원공급부 개발-1,500CMH급 Pilot 전기플라즈마 바이오트리클링 복합 시스템 설계

및 제작 완료-3D 수치해석 적정모델 도출-모의 악취시험 및 복합 하이브리드

모델 도출

100

2실플랜트 모사연결에 의한 Sizing 기술 및 컴팩트화 기술 확보

-150, 600ppm급 이상의 고농도 및 저농도실플랜트 모사 악취별, 유량별, 사용전력별 악취 제거효율 특성 파악

-평판형 플라즈마 모듈 Sizing 및 컴팩트 바이오 조합기술 확보

- 대상 가스 종류별 시스템 연속 운전 및 설계인자 파악

100

3 다중 악취 분해 제거 특성 평가 시스템 비교 분석

- FT-IR, FID 및 VOC 분석기의 3종 측정 평가시스템의 상호비교 분석 완료

- FT-IR 실시간 악취가스 분석- 공기희석관능법 분석기술 확보 (위탁)

100

4 1,500 CMH Pilot 시스템의 기존 미생물 공정 대비 특성 비교, 분석

-난분해성 가스 4종에 대한 복합 시스템과 기존 바이오 장치 성능 비교 시험 완료-기존 대비 40%급 배출저감 성능 향상 확보

100

5 독자모델 특허화 및 논문화-독자모델 특허등록 1건, 출원 2건

및 결과의 국내 논문 1건 게재, 국제논문 발표 1건 완료

100

표 3-9 2차년도 계획대비 목표달성도

- 230 -

번호 세부연구목표 달성내용 달성도(%)

1

3,000 CMHr급 Scale-Up 설치 및 실기입증적용 실험 -99% 이상 악취 제거효율 달성-기존 대비 30% 원가 절감

-3,000CMH급 DBD 플라즈마 및 나노펄스 플라즈마 및 바이오 복합하이브리드 시스템 Scale-up 설계, 제작 완료-암모니아, 황화수소 99% 이상 달성-톨루엔, p-자일렌 95% 이상 달성 및 에틸렌 80% 이상 달성 (난분해성 가스 40% 이상 효율 향상 달성)- 플라즈마 전처리 기술로 기존 대비 원가 30% 이상 및 설치공간 50% 이상 절감 효과 달성

100

2최적화 모듈 설계 및 실기 적용 엔지니어링 기술 개발 완성

-최적화 모듈 실기성능 시험 평가 완료

* 악취 종류별 가스 분해/변환의 하이브리드 최적화 메커니즘 분석 * 연속 운전 성능 시험 완료 * 악취 종류별 제거용량 특성 파악 - 복합시스템의 실증화 적용 입증

평가 완료 * 오존 및 유해부산물 특성 파악- 복합 시스템의 Scale-up 및 엔지니어링 설계 기술 확립 * 단위모듈별 Sizing 기술 확립

100

3 시스템 기술, 경제성 분석

-복합 가스 종합 성능 시험 및 장기 운전 안정성 평가 완료

*장기 성능 유지 시험 완료-시스템 기술, 경제성 분석 및 운전 매뉴얼 작성 완료

100

4 독자모델 특허화 및 논문화

-독자모델 특허등록 3건, 출원 7건, (국제특허 출원 1건) 및 결과의 국내 발표 2건, 국제 발표 1건, 국내 논문 1건 개제

100

표 3-10 3차년도 계획대비 목표달성도

- 231 -

라. 연구개발 실적 내용

본 연구를 통해 플라즈마 전처리 바이오 트리클링 하이브리드 복합 시스템 개발 기술을 확

보하여 기존의 바이오 트리클링 방식보다 비교 우위의 기술을 확보하였고, 이를 통해 고농도

의 난분해성 악취가 유입되는 악조건에서도 플라즈마 전처리 과정을 통해 복합 하이브리드

바이오 트리클링 시스템에서 이를 쉽게 처리할 수 있었다. 본 연구를 통해 하이브리드 독자

모델과 관련하여 표 3-11과 같이 7건의 특허 출원과 3건의 특허 출원 및 국제 학술대회 발

표 1건 및 국내 학술대회 발표 2건, 국내 학술 논문 1건 개제 등의 연구 성과를 얻을 수 있

었다. 본 연구결과는 앞으로 하폐수 처리장, 분뇨처리장, 석유화학, 반도체공정 및 음식물 쓰

레기 자원화, 화학공정 플랜트 등의 각종 악취 배출 공장의 악취 방지 설비에 광범위하게 적

용이 가능할 것으로 보인다. 또한 기존의 노후화된 세정가스 및 휘발성유기화합물(VOCs)의

처리 장치의 대체품으로 활용이 가능하고 메탄, 에스테르 등의 난분해성 악취를 제거하는 시

스템으로도 적용될 것으로 보인다. 특히, 국내 산업 규모의 확대 및 대기 관리 규제 강화와

더불어 공장 주위에서의 민원 증가로 인해 산업 현장에서의 악취 처리에 대한 수요가 급격히

증가할 것으로 예상되고 독자 모델 개발로 인해 동남아 등의 수출 가능성도 높아 사업화의

가능성이 매우 높다고 할 수 있다.

- 232 -

항목산업체

기술이전지적재산권 출원 지적재산권 등록 학술지 게재 학술지 발표국내 국외 국내 국외 국내 국외 국내 국외

건수 6 1 3 0 1 0 2 1지적재산권(출원) :

1. 10-2008-0121443, “나노 펄스 코로나 발생장치와 바이오필터 하이브리드 복합 여과

장치”, 김용진, 한방우, 김학준

2. 10-2008-0008189, “유해가스 처리장치 I", 김용진, 한방우, 김학준

3. 10-2008-0008190, “유해가스 처리장치 II", 김용진, 한방우, 김학준

4. 10-2007-0007417, "플라즈마 바이오필터 하이브리드 장치", 김용진, 한방우, 김학준

5. 10-2007-0002348, “정량가스공급방법 및 이를 위한 정량 가스 공급장치”, 김용진,

한방우, 김학준

6. 10-2006-0128414, “공기여과장치”, 김용진, 한방우, 김학준

7. PCT/Kr2007/001685,“플라즈마 바이오 필터 하이브리드 여과장치”, 김용진, 한방우,

김학준

지적재산권(등록) :

1. 10-0763414, “정량 가스 공급방법 및 이를 위한 정량 가스 공급장치”, 김용진,

한방우, 김학준

2. 10-0840935, “플라즈마와 바이오 필터 하이브리드 여과장치”, 김용진 한방우,

김학준

2. 10-0802575, “공기여과장치”, 김용진, 한방우, 김학준

학술지 게재:

1. 김학준, 한방우, 김용진, 2007, “플라즈마를 결합한 바이오트리클링 시스템에 의한

휘발성 유기물질의 제거”, 한국대기환경학회지 23권 6호, pp.1-7.

학술지 발표:

1. H.J. Kim, B. Han, Y.J. Kim, 2007, "Removal of Volatile Organic Compounds

using a Plasma Assisted Biofiltration System", ISTP 18, Aug. Daejeon, Korea

학술대회 발표:

1. 김학준 외 6명, 2008“대용량 플라즈마와 바이오트리클링 복합시스템의 악취 및

유해가스 제거 특성 분석연구”, 한국대기환경학회 추계학술대회, 10월 24일, 인제대학교

2. 김학준 외 6명, 2007 “플라즈마와 바이오 트리클링 복합 시스템의 악취 및 휘발성

유기화합물 제거 특성 파악”, 환경공동학술대회, 5월 3일, 부산 BEXCO

표 3-11 연구개발결과 성과

- 233 -

마. 관련분야의 기술발전 기여도

바이오 트리클링 시스템은 에너지 소비가 적고 이차 오염물질의 생성이 적기 때문에 열 산

화공정, 촉매 공정, 냉각 응축 공정, 활성탄 흡착 및 스크러버 등의 다른 방법에 비해 훨씬 경

제적이고 환경 친화적인 기술로 각광을 받고 있으나 특정한 난분해 오염물질에 대한 처리 능

력이 떨어지고 특히 고농도의 유해가스를 처리할 때 성능이 저하되는 단점이 있다. 또한 친수

성 가스에 대한 처리효율은 높으나 소수성 가스의 처리 효율도 급격하게 저하되는 문제점이

있다. 또한 대기 방출 오염에 대한 규제의 강화에 따라 휘발성 유기 화합물(VOCs)의 처리

의 수요가 지속적으로 증가하고 있는데 반해 바이오 트리클링 기술은 VOCs를 처리하는데 한

계를 지니고 있다. 바이오 트리클링의 이러한 한계를 극복하기 위해 자외선 광산화 또는 오존

산화 처리방법을 바이오 트리클링과 복합 적용하는 연구가 최근 들어 진행되기 시작하였다.

하지만 이러한 자외선 광산화방법이나 오존산화 처리방법은 VOCs 등의 난분해 성분을 분해

하는데 충분한 처리 시간이 요구되기 때문에 장치 규모가 바이오 트리클링과 유사한 크기로

커져야 하는 단점이 있다. 본 연구에서는 광산화나 오존처리보다 강력한 화학 반응을 갖고 있

어 1 ms에서 10 ms 사이의 처리 속도로 유해 물질을 분해하는 저온 플라즈마 기술을 바이

오 트리클링 시스템과 복합하여 바이오 트리클링의 단점인 난분해성 악취성분의 분해 효율

저하 문제와 고농도에서의 유해가스 처리 성능 저하 문제를 해결할 수 있었다. 또한 플라즈마

처리법은 소수성의 유해 물질을 알데히드나 포름산 등의 친수성인 물질로 변환시킴으로써 바

이오 트리클링에서 처리하기 용이한 물질로 변화시켜주므로 바이오 트리클링 시스템의 미생

물 처리 성능을 향상시킬 수 있었다. 이러한 저온 플라즈마 처리 기술은 바이오 트리클링의

시스템 전처리 기술로 적용하여 on-off 조작을 통해 필요한 시기에만 작동 제어를 하여 에너

지 소비를 절약할 수 있고 대유량 고농도의 처리 시에 바이오 트리클링 장비의 확장 없이 보

조 가동 장치로 활용할 수 있어 설치 공간을 50% 이상 절약시킬 수 있는 장점이 있다. 다종

의 복합 성분 유해 가스가 다량으로 발생되는 반도체 디스플레이 공장, 석유 화학공장 또는

안료, 염료 공장 등의 산업 설비에는 바이오 트리클링 설비 만으로는 처리가 불가능하므로 이

와 같은 플라즈마 전처리 바이오 트리클링 복합 시스템의 적용을 통해 악취 및 유해가스 처

리 문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다.

- 234 -

바. 연구개발결과의 활용계획

본 사업의 참여기업인 대가파우더시스템(주)는 1970년 창업이래 분립체 관련 산업설비분

야에 40년 동안 매진하여 화학, 전자, 식품, 석유화학, 화장품, 제약 등 전 산업분야의 핵심설

비에 적용되는 분체 저장, 이송 설비에 있어서 국내의 독보적인 선도 기업이고, 2000년도부

터 환경 분야에 진출하여, 국내 최대 탈취 설비를 KT&G 및 석유화학단지와 하수종말처리시

설에 성공적으로 설치 및 운용하여 환경분야에 있어서도 그 기술의 우수성을 인정받은 기업

으로서, 본 플라즈마 전처리 바이오 트리클링 하이브리드 복합 시스템을 개발하여 기존의 바

이오 시스템의 단점 및 문제점을 극복하여 악취 처리 환경설비의 기술 선도를 이룸으로써, 국

내 시장 점유는 물론, 선진국 제품과 비교해서도 기술 및 품질 우위를 확보하여 역수출 전략

을 추진할 예정에 있다.

본 연구 기술의 활용에 따른 기대효과는 표 3-12와 같이 2010년도 이후 석유화학, 반도

체 및 디스플레이 공정 등의 기술 산업의 가속화로 악취처리장치에 대한 수요가 매년 30%

이상 증가가 예측되고 있고 따라서 2015년에는 내수 판매 100억원 정도의 매출을 이룰 수

있을 것으로 판단된다. 플라즈마 전처리 기술을 바이오 트리클링과 복합 적용함으로써 기존대

비 약 30% 이상의 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다. 또한 각종 악취처리 산업에 대한 환

경인증기술을 확보할 수 있고 고효율 독자기술 제품의 국산화에 따른 수입대체 효과와 국제

적인 역수출의 가능성이 있으며 각종 환경관련 산업의 국제경쟁력을 확보할 수 있다.

구분 2010년 2015년

예상매출액 1,000 12,000

수입대체효과 800 10,000

수출증대효과 300 3,000

에너지절감효과100

(기존대비 30% 절감)1,000

표 3-12 기술개발에 따른 기대효과 (단위:백만원)

한편, 현재 화학공장 등에 적용되고 있는 바이오 트리클링 시스템은 1,500 CMH 기준으로

소비동력은 12 kW 정도 소요되고 장치 크기는 약 20 ㎥ 정도로 알려져 있다. 한편 플라즈

마 반응기는 동일한 효율을 확보하기 위해서는 소비동력이 약 100 kW 소요되고 장치크기는

약 1 ㎥ 정도로 예상된다. 복합 시스템은 바이오 트리클링 반응기 크기를 약 1/3로 줄이면서

플라즈마 반응기를 1/4 수준으로 감소시키면 설치면적의 약 66%를 절감시킬 수 있고 설치비

또한 바이오 트리클링의 1/3 수준으로 줄일 수 있다. 복합 시스템의 소비동력은 약 29 kW

로서 플라즈마보다는 훨씬 작지만 바이오 트리클링보다는 약간 상승한다. 연간 유지비는 바이

오 트리클링의 경우 전기료와 메디아 교체료 등에 의해 약 1,300 만원 정도 소요되지만, 복

합 하이브리드의 경우 연간 유지비는 약 1,800만원 정도 소요될 것으로 예상된다. 기존 제

품과의 설치비 및 유지비의 비교를 표 3-13에 나타내었다. 5년간 운영하였을 때 복합시스템

- 235 -

은 바이오 트리클링 시스템보다 약 30%의 비용을 절감시킬 수 있다.

앞으로 화학공장 등의 악취 발생 공정 라인에 본 연구에서 개발한 최종 Pilot 하이브리드

복합 시스템을 실기 입증하기 위해 현장 설치하고 현장 실기 장기 운전 시험을 통해 장치의

운전 안정성 및 성능 유지 능력을 지속적으로 모니터 할 예정이다. 이와 같은 실기 적용 시

험을 통해 본 시스템의 성능 및 경제적 우수성을 증명함으로써, 기존의 바이오 트리클링 시스

템 설비 시설을 대체할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 기존의 화학 공장 등의 악취 발생

공정 이외에도 하폐수 처리장, 분뇨처리장 등의 유해 가스 발생 설비에도 본 기술을 활용함으

로써 그 적용성을 확대할 계획이다.

국내 산업 설비의 확대와 함께 아파트 단지가 공장 주위에 근접함에 따라 공장으로부터의

악취는 민원의 대상이 되고 있어 앞으로 악취 방지 설비의 수요가 계속 늘어날 전망이고, 기

존의 바이오 트리클링 설비의 기능 저하로 인해 새로운 대체 설비에 대한 요구가 늘어나고

있어 본 기술은 신규 설비를 포함하여 기존 설비의 대체 설비로의 전망이 매우 우수하고 사

업화의 가능성 또한 매우 높다고 할 수 있다. 또한 기존의 바이오 트리클링 시스템의 전단에

중소형의 플라즈마 전처리 반응기를 설치함으로써 기존 설비의 적절한 수정을 통해 활용이

가능하므로 앞으로 본 기술의 시장성 또한 매우 우수하리라 판단된다.

구분 바이오 트리클링 플라즈마 복합 시스템

설치비 120 20 43

유지비(/년) 13 52 18

표 3-13 기존 제품과의 설치비 및 유지비 비교 (1,500 CMH 기준)

- 236 -

- 237 -

제4장 참고문헌

김현하, Atsushi Ogata, Shigeru Futamura (2003) 기상의 벤젠 분해반응을 이용한 저온

플라즈마 반응기의 성능비교, 대한환경공학회 추계학술연구발표회 논문집, 224-228.

김현하, Atsushi Ogata, Shigeru Futamura (2006) 저온플라즈마 구동 촉매 반응기를 이용

한 벤젠과 톨루엔의 처리, 한국대기환경학회지, 22(1), 43-51.

홍성호, 장성국, 김경희, 이제근 (2007) Pilot-scale biotrickling filter를 이용한 음식물쓰

레기 사료화공정에서의 악취 및 VOCs 제거 특성, 대한환경공학회 춘계공동학술대회 논문

집, 99.

허노준 (2003) 바이오 필터시스템, News & Information for Chemical Engineering,

21(3), 383-387.

Bibeau, L., Kiared, K., Lerox, A., Brzezinski, R., Viel, G. and Heitz, M. (1997)

Biological purification of exhaust air containing toluene vapor in a filter-bed

reactor, Can. J. Chem. Eng., 75, 921-929.

Bielefeldt, A.R. and Stensel, H.D. (1999) Treating VOC-contaminated gases in

activated sludge: Mechanistic model to evaluate design and performance, Environ.

Sci. Technol., 33, 3234-3240.

Bijan, L. and Mohseni, M. (2004) Using ozone to reduce recalcitrant compounds

and to enhance biodegradability of pulp and paper effluents, Water Sci. Technol.,

50, 173-182.

Bijan, L. and Mohseni, M. (2005) Integrated ozone and biotreatment of pulp mill

effluent and changes in biodegradability and molecular weight distribution, Water

Research, 39, 3763-3772.

Chung, Y.C., Lin, Y.Y. and Tseng, C.P. (2005) Removal of high concentration of

NH3 and coexistent H2S by biological activated carbon (BAC) biotrickling filter,

Bioresource Technology, 96, 1812-1820.

Cox, H. H.J. and Deshusses, M.A. (2002) Co-treatment of H2S and toluene in a

biotrickling filter, Chemical Engineering Journal, 87, 101-110.

Daniels, S.L. (2002) On the ionization of air for removal of noxious effluvia(Air

ionization of indoor environments for control of volatile and particulate

contaminants with nonthermal plasma generated by dielectric-barrier discharge),

IEEE Transactions on Plasma Science, 30, 1471-1481.

Demidiouk, V. and Chae, J.O. (2005) Decomposition of volatile organic compounds

- 238 -

in plasma-catalytic system, IEEE Transactions on Plasma Science, 33, 157-161.

Den, W., Ravindran, V. and Pirbazari, M. (2006) Photooxidation and biotrickling

filtration for controlling industrial emissions of trichloroethylene and

perchloroethylene, Chemical Engineering Science, 61, 7909-7923.

Deshusse, M.A., Hamer, G. and Dunn, I. (1995) Behavior of biofilters for waste air

biotreatment. 1. Dynamic model development, J. Environ. Sci. Technol., 29,

1048-1058.

Devinny, J.S., Deshusses, M.A. and Webster, T.S. (1999) Biofiltration for air

pollution control, Lewis Publishers, Boca Raton.

Futamura, S., Zhang, A.H. and Yamamoto, T. (1997) The dependence of nonthermal

plasma behavior of VOCs on their chemical structures, Journal of Electrostatics,

42, 51-62.

Jorio, H., Bibeau, L., Viel, G. and Heitz, M. (2000) Effects of gas flow rate and

inlet concentration on xylene vapors biofiltration performance, Chemical

Engineering Journal, 76, 209-221

Jorio, H., Kiared, K., Brezezinski, R., Leroux, A., Viel, G. and Heitz, M. (1998)

Treatment of air polluted with high concentrations of toluene and xylene in a

pilot-scale biofilter, J. Chem. Technol. Biotechnol., 73, 183-196.

Khan, F.I. and Ghoshal, A.K. (2000) Removal of volatile organic compounds from

polluted air, J. Loss Prevention in the Process Industries, 13, 527-545.

Kim, H.H. (2004) Nonthermal plasma processing for air-pollution control: A

historical review, current issues, and future prospects, Plasma process, 1,

91-110.

Kim, H.H., Ogata, A. and Futamura, S. (2006) Nonthermal plasma-driven catalysis

of benzene and toluene, Journal of the Korean Society for Atmospheric

Environment, 22, 43-51.

Kim, H.H., Prieto, G., Takashima, K., Katsura, S. and Mizuno, A. (2002)

Performance evaluation of discharge plasma process for gaseous pollutant

removal. Journal of Electronics, 55, 25-41.

Koh, L.H.; Kuhn, D.C.S; Mohseni, M.; Allen, D.G. (2004). Utilizing ultraviolet

photo-oxidation as a pre-treatment of volatile organic compounds upstream of a

biological gas cleaning operation, J. Chem. Technol. Biotechnol., 79, 619-625.

Mohseni, M. and Moussavi, G. (2006) Using UV pretreatmentto enhance biofiltration

of mixtures of aromatic VOCs, J. Hazardous Materials, 144, 59-66.

- 239 -

Mohseni, M. and Zhao, J.L. (2006) Coupling ultraviolet photolysis and biofiltration

for enhanced degradation of aromatic air pollutants, J. Chem. Technol.

Biotechnol., 81, 146-151.

Mycock, J.C., Mckenna, J.D. and Theodore, L. (1995) Handbook of air pollution

control engineering and technology, Lewis Publishers, Boca Raton.

Oda, T. (2003) Nonthermal plasma processing for environmental protection:

decomposition of dilute VOCs in air, Journal of Electrostatics, 57, 293-311.

Ottengraf, S.P.P. (1986) Exhaust gas purification, Biotechnology, 8, 425-452.

Sarria, W., Parra, S., Invernizzi, M., Peringer, P. and Pulgarin, C. (2001)

Photochemical-biological treatment of a real industrial biorecalcitrant wastewater

containing 5-amino-6-methyl-2-benzimidazolone, Water Sci. Technol., 44,

93-101.

Scott, J.P. and Ollis, D.F. (1995) Integration of chemical and biological oxidation

processes for water treatment: review and recommendations, Environ. Prog., 14,

88-103.

Shareefdeen, Z. and Baltzis, B.C. (1994) Biofiltration of toluene vapor under

steady-state and transient conditions: theory and experimental results, Chem.

Eng. Sci., 49, 4347-4359.

Shareefdeen, Z. and Singh, A. (2004) Biotechnology for odor and air pollution

control, Springer, Heidelberg.

Shim, H. and Yang, S.T. (1999) Biodegradation of benzene, toluene, ethylbenzene,

and o-xylene by a coculture of pseudomonas putida and pseudomonas

fluorescens immobilized in a fibrous-bed bioreactor, Journal of Biotechnology,

67, 99-112.

Song, Y.H., Kim, S.J., Choi, K.I. and Yamamoto T. (2002) Effects of adsorption and

temperature on a nonthermal plasma process for removing VOCs, Journal of

electrostatics, 55, 189-201.

Test Method 320 (2000) Measurement of vapor phase organic and inorganic

emissions by extractive Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, EPA.

Test Method 3800 (2002) Organic and inorganic gases by 3800 Extractive FTIR

spectroscopy, NIOSH.

Urashima, K. and Chang, J.S. (2000) Removal of volatile organic compounds from

air streams and industrial flue gases by non-thermal plasma technology. IEEE

Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 7, 602-614.

- 240 -

Wang, J.H. and Ray, M.B. (2000) Application of ultraviolet photooxidation to

remove organic pollutants in the gas phase, Separation and Purification

Technology, 19, 11-20.

Yoon, I.K. and Park, C.H. (2002) Effects of gas flow rate, inlet concentration and

temperature on biofiltration of volatile organic compounds in a peat-packed

biofilter, J. Bioscience and Bioengineering, 93, 165-169.

주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 사업의 차세대 핵심환경기술

개발사업의 연구보고서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경부에서 시행한

차세대 핵심환경기술개발사업의 연구개발결과임을 밝혀야

합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표 또

는 공개하여서는 아니됩니다.