코로나 방전을 이용한 축산분뇨의 악취 제거 시스템 및 제거 방법 document_id A220623058729

축산농가 등에서 방류되는 축산 폐수는 불가피하게 악취가 발생하는 데 이것은 통상적인 대기오염물질과는 달리 주민들의 생활에 직접적인 영향을 주고 있는 실정이다. 이런 이유로 축산 폐기물 처리 시설은 대표적인 혐오시설로 인식되고 있으며 최근 들어서는 주민들이 끊임없이 민원을 제기하고 있다. 축산폐기물에 포함되는 악취 유발 물질을 살펴보면 그 대부분이 가축 분뇨 등에 포함된 휘발성 유기화합물(VOCs)들인데, 주로 휘발성 지방산, 알콜, 황함유 화합물, 암모니아, 아민, 인돌 화합물, 페놀 화합물 등이다. 구체적인 휘발성 지방산로는 아세트산, 프로피온산, 이소부틸산, butyric acid, isovaleric acid, valeric acid, caproic acid, enanthic acid 등이며 인돌 화합물로는 p-크레졸, 인돌, skatole 등, VSCs로는 메틸티올 등이 있다. Schiffmann et al. (2001)은 돼지 축사로부터 331개의 VOC 악취 물질을 밝혀내었다. 상기 악취물질은 고농도로 존재하며 단독으로 악취를 유발하는 경우도 있으나 대부분의 경우 악취를 유발하는 다른 물질과 함께 존재함으로써 복합적으로 악취를 발생시키는 경향이 있다. 종래 축산폐수의 악취를 제거하는 데 흔히 사용되는 일반적인 방법으로는 다음과 같은 방법을 들 수 있다. (1) 수세법: 악취 유발 물질을 물에 용해시켜 탈취하는 방법이다. 이 방법은 암모니아와 같이 물에 잘 녹는 악취가스를 제거하는 데 적합하다. 그렇지만 악취 유발 물질이 제거된 후 오염된 물을 처리하는 방법이 문제가 되며 악취 유발 성분이 복합적으로 존재할 때 처리가 곤란한 단점이 있다. (2) 생물학적 탈취법: 담체에 미생물을 고정하여 악취 유발 물질을 미생물에 흡착시키는 방법을 말한다. 미생물이 담체에 고정되어 악취 유발 물질을 흡착하여 이를 먹이로 사용하면서 동시에 악취를 제거하는 방법이다. 이 방법은 특히 저농도의 가스 처리에 적합하고 소요되는 운전비가 낮을 뿐만 아니라, 복합적인 가스처리가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 장치의 설치 면적이 화학, 물리적 처리보다 크고 고농도 가스처리에는 부적합하다는 단점이 있다. (3) 산화법: 이산화염소(두오존), 차아염소산소다(락스), 이산화염소산염, 오존 등 산화제를 사용하여 악취 유발 물질을 산화, 분해시키고 박테리아, 곰팡이, 바이러스를 광범위하게 살균시켜 악취를 근원적으로 제거하는 방법이다. (4) 효소분해법: 식물 엑기스를 추출하여 만든 탈취제를 사용하는 방법이나구체적인 성분 및 작용원리는 정확히 밝혀지지 않고 있다. (5) 흡착법: 활성탄등 표면적이 큰 흡착제를 이용하여 악취 유발 물질을 흡착시켜 제거하는 방법이다. 이 방법은 저농도 휘발성유기화합물(VOCs)처리에 적합하고 장비가 단순하고 초기 처리 효율이 우수한 장점이 있다. 그러나 활성탄의 흡착능을 넘어서면 악취가 흡착되지 않아 주기적으로 활성탄을 교체해 주어야 하는 단점이 있다. (6) 마스킹법: 천연 또는 인공향을 메틸알콜 등 휘발성이 강한 용제에 녹인 후 대기 중에 휘산시키는 방법이다. 이 방법은 악취가 발생되는 주변의 대기 환경을 일시적으로 정화시키는 효과는 있으나, 근본적으로 악취 유발 물질을 제거하는 데 한계가 있는 방법이다. (7) 연소법: 고온에서 악취 유발 물질을 열적으로 산화분해 하는 방법이다. 이 방법은 고농도의 가스처리에 적합하고 복합적인 성분의 악취 유발 물질을 제거하는 데 효과적이라는 장점이 있다. 그러나 초기 투자 비용이 많이 소요되며, 저농도 악취 유발 물질을 제거하거나 간헐식으로 운전할 때 비용이 많이 소요되는 단점이 있다. (8) 공기희석법: 냄새가 없는 공기를 이용하여 악취가스를 인간이 감지할 수 없는 농도까지 희석시키는 방법이다. 저농도의 악취 유발 물질을 처리하는 데 적합하다. (9) 약액처리법: 악취 유발 물질을 산성 또는 알칼리성 용액과 접촉 반응시켜 제거하는 방법을 말한다. 상기와 같은 다양한 악취 제거 방법 중에서 적절한 방법을 채택하는 기준은 악취 유발 물질의 종류와 특성을 고려하는 것이 최우선이다. 그러나 전술한 바와 같이 악취는 통상적으로 여러 물질들이 복합적으로 혼합되어 발생되므로, 특정한 한 가지 방법만으로 제거가 불가능하다. 단일 방법으로 처리가 안 될 경우 다른 방법들을 복합적으로 사용하는 경우도 있지만 아직까지 현장에 적용 가능할 정도로 경제성과 효율성이 검증된 방법은 제시되고 있지 못하다. 상기한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 플라즈마(Plasma)를 이용한 VOCs를 제거하는 장치와 방법에 대하여 많이 연구되고 있다. 플라즈마란 집단행동(Collective Behavior)을 하는 이온, 전자 및 중성 입자로 구성된 이온화된 가스를 의미하는데, 그 발생 기작에 따라 상이한 물성(전자 온도, 전자 밀도, 이온 온도 등)을 지니게 된다. 특히, 대기압 플라즈마 원의 경우는 탈황(De-SOx) 및 탈질(De-NOx) 등 오염 가스의 정화와 일부 미생물의 살균 연구가 진행 중에 있으며, 미국 로스알라모스 연구소(Los Alamos National Laboratory)를 중심으로 생화학 전에서의 미생물 및 독성 물질에 대한 제독(Decontamination) 및 살균(Sterilization) 연구도 진행 중에 있다. 한편 축산폐수 등 액상 오염 물질의 처리와 관련해서도 플라즈마 방전이 이용되고 있는데, 표 1에서와 같이 액상에서도 pulsed corona 방전이 액상 VOCs의 제거에 있서 큰 장점을 가짐을 알 수 있다. 표 1: 액상 오염물질 제거에 있어서 플라즈마 공정과 종래의 정화공정의 비교 (◎: Good, ○: Adequate, △: Partial, X: None) 플라스마를 이용한 액체 상태의 오염물질 처리는 다음의 3가지 형태로 나누어 설명할 수 있다. 첫 번째는 remote plasma 방법으로 plasma를 통해 발생하는 오존과 hydroxyls를 이용한 방법이다. 두 번째는 간접적인 plasma/radiation에 의한 방법으로 전자빔 또는 high energy gamma-ray를 액상의 오염 물질에 조사하는 방법이다. 세 번째는 pulsed arc 또는 pulsed corona 방전을 액상의 오염물질에서 발생하여, 액상의 오염 물질을 전자, 이온, radical chemical process를 통해 직접 처리하는 방법이다. 상기한 플라스마를 이용한 액체 상태의 오염물질 처리 방법 중 펄스 코로나 방전을 이용한 액상 오염물질을 처리하는 방법에 관한 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 10-2007-0079096를 들 수 있는데, 상기 방법은 고밀도 플라즈마 발생 장치에 공기를 유입시켜 생성된, 각종 음이온, 전자, 양이온, 라디칼 등으로 구성된 플라즈마 가스를 오·폐수에 주입하여 오·폐수에 용해·용존된 각종 유기물 및 중금속 착이온 등을 산화·분해시켜 오·폐수를 정화처리하는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나 상기 방법은 플라즈마 반응 단계가 종료된 후 응집·침전제를 넣어 폐수중의 고형물을 응집·침전시키는 화학적 처리 단계 또는 미생물 처리 등의 생물학적 처리나, 분리막, 활성탄 처리 등의 물리적 처리를 하는 후처리 단계를 반드시 거쳐야하는 불편함이 있었다. 코로나 방전을 이용한 대기오염물질의 처리방법에 관한 기술로는 특허공보 10-254034호를 들 수 있는데, 상기 문헌은 방전을 위해 전계가 인가된 공간에 전계방향과 직각으로 자계를 인가하여 사이크로트론 운동에 의하여 전극 간 전자의 전 운동 경로를 길게 함으로써 대기오염물질과의 충돌횟수를 증가시킨 것을 특징으로 한다. 이를 위하여 방전을 위해 전계가 인가된 공간에 전계 방향과 직각으로 자계를 인가시킨 플라즈마 반응장치와, 상기 플라즈마 반응장치에 전계를 인가시키기 위해 전압을 공급해주는 전압 공급부와, 상기 플라즈마 반응장치의 내부로 공해가스(NO+N2, N2)를 넣어주기 위한 가스 공급부와, 상기 플라즈마 반응장치를 통해 배출되는 공해가스(NOx)를 분석하기 위한 질소 산화물(NOx) 분석부를 포함하는 코로나 방전 플라즈마에 의한 공해가스처리장치에 있어서,상기 전압 공급부는 상기 플라즈마 반응장치에서 전계를 발생시키도록 회전스파크 갭 스위치를 통해 펄스전압을 발생시키고,상기 플라즈마 반응장치는 일정거리 떨어져 서로 대향하고 있는 한 쌍의 투명한 아크릴 수지를 구비하고, 상기 한 쌍의 아크릴 수지 사이에는 다수개의 침전극을 구비한 고전압 전극과 접지전극이 상기 한 쌍의 아크릴 수지 양단부에서 서로 대향하게 형성되며, 상기 한 쌍의 아크릴 수지에는 대향하는 부분의 극성이 서로 다르게 영구자석이 부착되는 것을 구성상의 특징으로 한다. 그러나 상기 공해가스처리장치는 구성이 복잡하여 제작원가가 비쌀 뿐만 아니라 제거되는 오염물질 또한 NOx, SOx 로 한계가 있다. 또한 오염물질의 효율적인 제거를 위하여 오염물질이 발생되어 확산되는 방향과 반드시 대향되게 설치되어야 하기 때문에 설치 및 운전상에 불편함이 있다.