바이오필터

Biofilter
바이오솔리드 퇴비화 플랜트 바이오필터 마운드 - 스프링클러가 우측으로 보이므로 적정 수분 레벨을 유지하여 최적의 기능을 발휘할 수 있음

바이오필트레이션은 생물학적 물질을 함유한 생물작용제를 사용하여 오염물질을 포획하고 생물학적으로 저하시키는 공해관리 기법이다. 일반적인 용도로는 폐수 처리, 표면 유출로 인한 유해 화학물질 또는 실트 포획, 공기 중 오염물질의 미생물 산화 등이 있다.

바이오필트레이션의 예

생물연료화의 예는 다음과 같다.

대기오염 제어

대기 여과와 정화에 적용하면 바이오필터는 미생물을 사용해 대기오염을 제거한다.[1] 공기는 포장된 침대를 통해 흐르고 오염물질은 포장재 표면의 얇은 바이오필름으로 이동한다. 박테리아와 곰팡이를 포함한 미생물이 바이오필름에 고정되어 오염물질을 저하시킨다. 트롤링 필터와 바이오스크루버는 바이오필름과 재순환수역의 박테리아 작용에 의존한다.

이 기술은 악취성 화합물과 수용성 휘발성 유기화합물(VOCs)을 치료하는 데 가장 큰 응용을 찾아낸다. 이 기술을 채택한 산업은 식품 및 동물 제품, 폐수 처리 시설로부터의 가스 배출, 의약품, 목재 제품 제조, 페인트 및 코팅 적용, 제조 및 수지 제조 및 응용 등이다. 처리된 화합물은 일반적으로 VOCs와 황화수소를 포함한 다양한 유황 화합물을 혼합한다. 매우 큰 기류를 처리할 수 있으며, 일반적으로 넓은 면적(발판)이 요구되어 왔음에도 불구하고(>20,000 afmfm)은 축구장보다 더 많은 땅을 점유할 수 있다. 이는 기술의 주요 단점 중 하나이다. 1990년대 초부터, 엔지니어링된 바이오 필터는 기존의 평판형 유기 매체 유형에 비해 설치 공간을 상당히 줄여왔다.

바이오솔리드 퇴비화 공장의 공기 사이클 시스템. 전경에 있는 대형 덕트는 이전 사진에서 보듯이 바이오 필터로 배기 가스 유입

최적의 바이오 필터 작동을 위한 주요 과제 중 하나는 시스템 전체에 적절한 습기를 유지하는 것이다. 공기는 일반적으로 물뿌리개(스프레이) 시스템, 가습실, 바이오 스크러버 또는 바이오 트롤링 필터로 침대로 들어가기 전에 가습된다. 적절하게 유지된다면, 콩, 식물성 멀치, 나무껍질 또는 나무 조각과 같은 천연 유기 포장 매체는 몇 년 동안 지속될 수 있지만, 공학적이고, 결합된 천연 유기물 및 합성 성분 포장 재료는 일반적으로 10년까지 더 오래 지속될 것이다. 몇몇 회사들은 이런 종류의 독점 포장 재료와 다년 보증을 제공하지만, 보통은 전통적인 퇴비나 나무 칩 침대 바이오필터가 제공되지 않는다.

광범위하게 고용되었지만, 과학계는 여전히 바이오필터 작동을 뒷받침하는 물리적 현상에 대해 확신하지 못하고 있으며, 관련 미생물에 대한 정보는 계속 개발되고 있다. 바이오필터/바이오-산소 시스템은 오염물질이 적절한 농도(및 lb/hr 적재율)로 적당한 시간 범위 내에서(거주시간 증가 = 크기 및 자본비용 증가) 내에서 생분해 가능하고, 기류가 유기체 내에 존재한다면 상당히 간단한 장치로서 비용 효율적인 솔루션을 제공한다.-온도. 대량의 공기의 경우, 바이오필터가 비용 효율적인 유일한 해결책이 될 수 있다. 2차 오염(연료를 태워서 CO와2 NO를x 추가로 생산하는 소각의 경우와 달리)이 없고 분해물이 추가 바이오매스, 이산화탄소, 물을 형성한다. 미디어 관개수는 많은 시스템이 운영비를 절감하기 위해 그 일부를 재활용하지만, 생화학적 산소 요구량(BOD)이 적당히 높으며 폐기 전 처리가 필요할 수 있다. 그러나, 어떤 바이오 산화 시스템의 적절한 유지보수를 위해 필요한 이 "방출수"는 일반적으로 어떠한 전처리도 하지 않고 시에서 소유하는 처리작업에 의해 받아들여진다.

플로피 크릭 팀버 컴퍼니의 섬유판 공장에 있는 몬태나주 컬럼비아 폭포에서 바이오필터가 활용되고 있다.[2] 바이오필터는 제조공정에서 배출되는 오염을 줄이고 배출되는 배기가스는 98% 청정하다. 플럼 크릭에 새로 추가되고 가장 큰 바이오필터는 950만 달러가 들지만, 이 새로운 기술이 비싸더라도 장기적으로 천연가스로 연료가 되는 대체 배기가스 청소 소각장보다 야근 비용이 덜 들 것이다.

수처리

일반적인 폐기물 처리용 완전 유입 필터 시스템.[3]
그림 1: 침상 용지의 접촉면에 대한 단면도.

바이오필터레이션은 1893년 영국에서 폐수처리를 위한 트롤링 필터로 처음 도입되었으며 이후 다양한 종류의 물을 처리하는 데 성공적으로 사용되고 있다.[4] 생물학적 치료는 1900년대 초부터 유럽에서 음용 목적으로 표면수를 여과하기 위해 사용되어 왔고 현재 세계적으로 더 많은 관심을 받고 있다. 수질을 높이면서 물 교체를 최소화하는 방법으로 폐수처리, 양식수업, 그레이워터 재활용에서도 바이오필레이션이 일반적이다.

생물유입공정

바이오필터는 미생물이 붙어 자라는 매체의 층으로 바이오필름이라는 생물학적 층을 형성한다. 따라서 생물유입은 보통 고정 필름 과정이라고 한다. 일반적으로 바이오필름은 서로 다른 미생물(박테리아, 곰팡이, 효모 등), 매크로 유기체(원생동물, 벌레, 곤충의 애벌레 등), 세포외 고분자 물질(EPS)의 공동체에 의해 형성된다(Flemming and Wingender, 2010). 바이오필름의[5] 측면은 대개 가늘고 질퍽하다.

처리할 물은 상류 또는 하류를 통해 용지에 간헐적으로 또는 지속적으로 도포될 수 있다. 일반적으로 바이오필터는 공급 전략에 따라 2상 또는 3상(과열 또는 수중 바이오필터):

  • 견고한 단계(미디어)
  • 액체 위상(물)
  • 기체 국면

유기물과 다른 물 구성품은 대부분 생물분해로 인해 치료가 일어나는 바이오필름으로 확산된다. 생물유입 과정은 보통 에어로빅으로 미생물이 신진대사를 위해 산소를 필요로 한다는 것을 의미한다. 산소는 동시에 또는 물 흐름과 역류하여 바이오 필름에 공급될 수 있다. aeration은 프로세스(3상 바이오필터)를 통한 공기의 자연 흐름이나 블로어가 공급하는 강제 공기에 의해 수동적으로 발생한다.

미생물의 활동은 공정 수행의 핵심 요인이다. 주요 영향인자는 물 구성, 바이오필터 유압 부하, 매체 유형, 공급 전략(매개 또는 수중 매체), 바이오 필름의 나이, 온도, aeration 등이다.

필터링 미디어 유형

대부분의 바이오 필터는 모래, 부서진 바위, 강 자갈 등의 용지나 작은 구슬과 고리로 만든 플라스틱이나 세라믹 재질 같은 것을 사용한다.[6]

이점

생물학적 필터는 단순한 표면 구조를 가지고 있지만, 그 내부 수역학 및 미생물의 생물학과 생태학은 복잡하고 가변적이다.[7] 이러한 특성은 그 과정에 강건성을 부여한다. 즉, 이 공정은 흐름이 없는 기간, 집중적인 사용, 독성 쇼크, 미디어 백워시(고율 생물연료화 공정) 등에 따라 성능을 유지하거나 초기 수준으로 신속하게 복귀할 수 있는 능력을 가지고 있다.

바이오필름의 구조는 어려운 환경 조건으로부터 미생물을 보호하고, 생장에 최적이 아닌 조건에서도 프로세스 내부의 바이오매스를 보존한다. 생체영향 프로세스는 다음과 같은 장점을 제공한다. (Rittmann et al., 1988)

  • 미생물은 바이오필름 내에 보존되기 때문에 생물연산은 상대적으로 특정 성장률이 낮은 미생물을 개발할 수 있다.
  • 바이오 필터는 가변 또는 간헐적 부하 및 유압 감전의 영향을 덜 받는다.[8]
  • 운영 비용은 일반적으로 활성 슬러지보다 낮다.
  • 최종 처리 결과는 유출물의 바이오매스 농도가 중단 바이오매스 공정보다 훨씬 낮기 때문에 바이오매스 분리의 영향을 덜 받는다.
  • 부착된 바이오매스는 바이오매스 복귀가 없기 때문에 공정열차의 주어진 지점에서 더욱 전문화(관련 유기체의 농도가 높음)[9]된다.

단점

바이오매스의 여과와 증가는 여과 매체에 물질의 축적을 초래하기 때문에, 이러한 유형의 고정 필름 과정은 생체 로깅과 흐름 채널링의 대상이 된다. 미생물 증식에 사용되는 용지의 종류와 용지에 따라 물리적 및/또는 화학적 방법을 사용하여 생체 로깅을 제어할 수 있다. 백워시 단계는 공기 및/또는 물을 사용하여 구현하여 바이오매트를 교란하고 가능할 때마다 흐름을 복구할 수 있다. 산화제(과산화물, 오존)나 바이오시드제와 같은 화학 물질도 사용할 수 있다.

식수

식수의 경우 생물학적 수처리에는 수질을 개선하기 위해 지표수에서 자연적으로 발생하는 미생물을 사용하는 것이 포함된다. 비교적 낮은 탁도와 높은 산소 함량 등 최적의 조건에서 유기체는 물속의 물질을 분해해 수질을 개선한다. 느린 모래 필터나 탄소 필터는 이러한 미생물이 자라는 지지대를 제공하기 위해 사용된다. 이러한 생물학적 처리 시스템은 수인성 질환, 용해된 유기 탄소, 탁도, 색상을 효과적으로 감소시켜 전체적인 수질을 개선한다.

폐수

생물유출은 다양한 유기적 구성과 농도의 다양한 선원의 폐수를 처리하는 데 사용된다. 생물학적 효용 적용의 많은 예가 문헌에 설명되어 있다. 맞춤형 바이오필터는 동물 폐기물,[10] 매립지 침출수,[11] 낙농폐수,[12] 생활폐수 처리를 위해 개발, 상용화됐다.[13]

이 과정은 소내하수[14] 등 소량 흐름(<1 m3/d)뿐만 아니라 시에서 발생하는 흐름(< 240,000 m3/d)에도 적응할 수 있어 다용도다.[15] 고립된 주거지와 같은 분권화된 국내 폐수 생산의 경우 현대 가족의 생활양식과 관련된 수압 및 유기 생산률의 일별, 주별, 연도별 중요한 변동이 있음을 입증했다.[16] 이러한 맥락에서 정화조 뒤에 위치한 바이오필터는 처리 성능을 저하시키지 않고 관찰된 가변성을 유지할 수 있는 강력한 공정을 구성한다.

양식업에서 사용

바이오 필터의 사용은 재순환 양식 시스템(RAS)과 같은 폐쇄형 양식 시스템에서 흔히 사용된다. 여러 가지 설계가 사용되는데 장점과 단점이 다르지만 암모니아를 질산염으로 바꿔 물 교환을 줄이는 기능도 같다. 암모니아(NH4+, NH3)는 수생동물의 아가미에서 나오는 쇄골 배설과 유기물의 분해에서 유래한다. 암모니아-N은 매우 독성이 강하므로, 이것은 덜 독성이 있는 질산염(니트로모나스 sp)으로 변환되고, 그 다음 훨씬 덜 독성이 있는 질산염(니트로박터 sp)으로 변환된다. 이 "nitrification" 과정은 산소를 필요로 하는데, 이 과정이 없으면 바이오필터가 충돌할 수 있다. 더욱이 이 질화 주기는 H를+ 생성하므로 pH가 감소할 수 있으므로 석회 등의 버퍼 사용이 필요하다.

참고 항목

참조

  1. ^ Joseph S. Devinny, Marc A. Deshusses and Todd S. Webster (1999). Biofiltration for Air Pollution Control. Lewis Publishers. ISBN 978-1-56670-289-8.CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)
  2. ^ Lynch, Keriann (2008-10-26). "'Bug farm' a breath of fresh air". Spokesman Review.
  3. ^ Beychok, Milton R. (1967). Aqueous Wastes from Petroleum and Petrochemical Plants (1st ed.). John Wiley & Sons Ltd. LCCN 67019834.
  4. ^ D.S. Chaudhary, S. Vigneswara, H.-H. Ngo, W.G. Shim and H. Moon (2003). Biofilter in water and wastewater treatment (PDF). The Korean Journal of Chemical Engineering Vol.20 No.6. Archived from the original (PDF) on 2014-05-13. Retrieved 2013-06-18.CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)
  5. ^ H.C. Flemming & J. Wingender (2010). "The biofilm matrix". Nature Reviews Microbiology. 8 (9): 623–633. doi:10.1038/nrmicro2415. PMID 20676145. S2CID 28850938.
  6. ^ Ebeling, James. "Biofiltration-Nitrification Design Overview" (PDF). Retrieved November 25, 2018.
  7. ^ C.R. Curds & H.A. Hawkes (1983). Ecological Aspects of Used-Water Treatment. The Processes and their Ecology Vol.3. ISBN 9780121995027.
  8. ^ P.W. Westerman; J.R. Bicudo & A. Kantardjieff (1998). Aerobic fixed-media biofilter treatment of flushed swine manure. ASAE Annual International Meeting - Florida. Archived from the original on 2013-10-17. Retrieved 2013-06-19.
  9. ^ H. Odegaard (2006). "Innovations in wastewater treatment: the moving bed biofilm process". Water Science and Technology : A Journal of the International Association on Water Pollution Research. Water Science Technology. 53 (9): 17–33. doi:10.2166/wst.2006.284. PMID 16841724. Archived from the original on 2013-10-18. Retrieved 2013-06-19.
  10. ^ G. Buelna, R. Dubé & N. Turgeon (2008). "Pig manure treatment by organic bed biofiltration". Desalination. 231 (1–3): 297–304. doi:10.1016/j.desal.2007.11.049.
  11. ^ M. Heavey (2003). "Low-cost treatment of landfill leachate using peat". Waste Management. 23 (5): 447–454. doi:10.1016/S0956-053X(03)00064-3. PMID 12893018.
  12. ^ M.G. Healy; M. Rodgers & J. Mulqueen (2007). "Treatment of dairy wastewater using constructed wetlands and intermittent sand filters". Bioresource Technology. 98 (12): 2268–2281. doi:10.1016/j.biortech.2006.07.036. hdl:10379/2567. PMID 16973357.
  13. ^ E.C. Jowett & M.L. McMaster (1995). "On-site wastewater treatment using unsaturated absorbent biofilters". Journal of Environmental Quality. 24: 86–95. doi:10.2134/jeq1995.00472425002400010012x.
  14. ^ P. Talbot, G. Bélanger, M. Pelletier, G. Laliberté and Y. Arcand (1996). "Development of a biofilter using an organic medium for on-site wastewater treatment". Water Science and Technology. 34 (3–4). doi:10.1016/0273-1223(96)00609-9.CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)
  15. ^ Y. Bihan & P. Lessard (2000). "Use of enzyme tests to monitor the biomass activity of a trickling biofilter treating domestic wastewaters". Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 75 (11): 1031–1039. doi:10.1002/1097-4660(200011)75:11<1031::AID-JCTB312>3.0.CO;2-A.
  16. ^ R. Lacasse (2009). Effectiveness of domestic wastewater treatment technologies in the context of the new constrains imposed by lifestyle changes in north American families (PDF). NOWRA - 18th Annual Technical Education Conference and Expo in Milwaukee. Archived from the original (PDF) on 2013-10-18. Retrieved 2013-06-19.

외부 링크