Advanced
Plant Growth Responses and Indoor Air Quality Purification in a Wall-typed Botanical Biofiltration System
Plant Growth Responses and Indoor Air Quality Purification in a Wall-typed Botanical Biofiltration System
Korean Journal of Plant Resources. 2015. Oct, 28(5): 665-674
Copyright © 2015, The Plant Resources Society of Korea
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : July 07, 2015
  • Accepted : August 08, 2015
  • Published : October 31, 2015
Download
PDF
e-PUB
PubReader
PPT
Export by style
Share
Article
Author
Metrics
Cited by
TagCloud
About the Authors
슬기 정
만영 천
창희 이
changheelee@hknu.ac.kr
Abstract
본 연구의 최종 목표는 실내의 공간과 식물바이오필터의 규모에 따라 실내공기 오염물질을 정화할 수 있는 식물 녹화와 자동관수 그리고 생물학적 여과 기능을 통합한 식물바이오필터 시스템의 개발이다. 본 실험에 사용된 식물 바이오 필터는 실내공간을 효율적으로 사용하기 위해 물펌프, 물탱크, 송풍기, 가습장치, 그리고 다층 구조의 식물 식재 공간을 일체형으로 설계하였다. 본 연구는 인공적인 실내 공기 오염원을 발생시키지 않은 상태에서 바이오필터 부근의 공간과 바이오필터와 멀리 떨어진 공간(무처리구)의 실내 공기질을 비교하고, 바이오필터 내다층 구조의 식재층에 따른 식물의 생육을 평가하고자 수행하였다. 바이오필터 처리 공간 내 휘발성 유기 화합물(TVOCs), 일산화탄소, 이산화탄소와 같은 실내 공기 오염물질의 농도는 무처리구에 비해 낮게 나타났다. 또한 바이오필터 내 식재된 층에 관계없이 Dracaena sanderiana ‘Vitoria’와 Epipremnum aureum ‘N Joy’는 정상적으로 생육하였다. 따라서 실내식물을 식재할 수 있는 본 벽면형 식물바이오필터는 실내 공기 정화에도 효과가 있는 것으로 확인하였다.
Keywords
서 언
오늘날 도시민들은 주거 공간 및 공공장소 등의 실내에서 85~90%의 시간을 보내고 있으며( Yu ., 2009 ), 에너지 효율의 극대화를 목적으로 건물의 밀폐화를 권장한 결과, 폐쇄된 실내공간에서 발생한 미세먼지와 휘발성 유기화합물질은( Liu ., 2004 ) 불쾌감, 급성 및 만성 질환 등을 유발하여 현대인의 건강을 위협하고 있다. 일반적인 실내 공기 청정 시스템은 기체 화합물보다는 오히려 입자제거(기계적 필터, 전기 집진기 등)을 위주로 설계되어 있다( Soreanu ., 2013 ) 따라서 식물 기반 시스템을 이용한 생물학적 여과법은 먼지, 휘발성 무기 및 유기 화합물과 같은 실내 오염 물질의 대부분을 제거하는 잠재력을 가지고 있어 일반적인 공기 청정 시스템에 대한 유망한 대안이 될 것으로 보인다( Liu ., 2007 ). 식물 바이오필터는 바이오필터와 식물정화능(phytoremediation)의 복합체이고, 바이오필터는 오염물질이 높은 생물학적 활성 필터층을 통과하면서 능동적으로 중화되는 생물 반응기이다. 국내에서도 공기 흐름의 제어를 통한 식물과 바이오필터를 결합한 연구가 진행되고 있으나( Choi ., 2014 ), 실내의 공간과 인원에 따라 용량 설계에 근거하여 공기 정화량을 조절하면서 실내공기질을 향상시킬수 있는 식물 녹화와 바이오필터를 통합한 벽면형 시스템에 대한 연구는 아직 초기 단계이다.
본 연구에서는 식물 식재 기반 시스템을 활용한 벽면형 구조인 botanical biofiltration의 작동시 실내 공기질의 변화와 벽면형 식물바이오필터 내 식물의 생육을 평가함으로써 실내 공간의 활용성을 높인 벽면형 바이오필터의 이용 가능성에 대해 알아보고자 하였다.
재료 및 방법
- 벽면형 식물바이오필터 시스템의 제작
공기 흐름 및 식물 생육 환경의 안정화와 실내 공기질 개선 효과를 알아보기 위한 벽면형 식물바이오필터 시스템은 도면 설계 후 내부(L 1200 ㎜ × W 500 ㎜ × H 1750 ㎜) 두께 10 ㎜의 투명아크릴 재질을 사용하여 제작하였다. 벽면형(수직형) 식물바이오필터 내부의 구성은 다음과 같다( Fig. 1 ). 전면부는 식물식재용 토양층, 후면부는 가습 장치(흡수탑) 그리고 하단부는 물펌프(metering pump), 물탱크(water tank), 송풍기(ring blower), 송풍구로 구성되었으며, 실내에 설치하기 위해 일체형 식물 바이오필터를 설계하여 벽면형 바이오필터의 부피를 최소화 했다. 토양층은 총 7층으로 각 층(L 1200 ㎜ × W 100 ㎜ × H 200 ㎜)에 10 ㎝ 포트의 식물 13∼15개를 심을 수 있도록 제작하였다( Fig. 1A ). 토양층에는 건조시킨 화훼용 배양토(한판승, (주)삼화그린텍, 청양, 한국)를 채워 가습된 공기가 유입되어 토양층을 통과하기까지의 경로를 200 ㎜가 되도록 설계하였으며, 이를 식물 식재 및 미생물 배양 공간으로 사용하였다. 또한 전면 식재부를 45도 각도로 설계하여( Fig. 1A ) 공기가 식물바이오필터의 후면부에서부터 유입되어 후면 토양층에서 전면 토양층으로 통과할 때 가습된 공기가 균일하게 분포되어대기로 방출될 수 있도록 하였다.
PPT Slide
Lager Image
Diagram of a wall-typed botanical biofiltration system used in this experiment (Direction of air movement: C → B → A).
벽면형 흡수탑 역시 내부(L 1200 ㎜ × W 150 ㎜ × H 1400 ㎜) 두께 10 ㎜의 투명아크릴 재질을 사용하여 제작하고 후면부 벽면 쪽으로 배치하였다( Fig. 1B ). 흡수탑의 위쪽(높이 1100∼1400 ㎜)에는 물이 직접 식물바이오필터로 들어가는 것을 방지하기 위한 디미스터(demister)와 물분사 장치를 장착하였다. 물분사 장치는 흡수탑 폭에 맞는 막대형 아크릴관(L 1180 ㎜ × W 20 ㎜ × H 35 ㎜)에 물분사 노즐 4개를 일정 간격으로 설치하고, 하단부의 물탱크(L 1200 ㎜ × W 460 ㎜ × H 32 ㎜)에 연결된 물펌프(metering pump: HB-305A, 신한일전기(주), 부천, 한국; 최대양수량: 80 L·min −1 , 압상높이 20 m, 전력소모량 500 W, Fig. 1C )로부터 원통형 아크릴 관(∅ 15 ㎜)을 통하여 상단부의 물분사 장치에 연결하였다. 이 물 분사 장치는 물 순환이 이루어지게 하는 장치로서 상부의 노즐로부터 물을 아래쪽 흡수탑으로 분사하도록 하고, 흡수탑으로 분사된 물은 하부의 물탱크로 낙하한 후 물펌프에 의해 다시 물 분사 장치로 공급되도록 하였다. 또한 실내 공기는 송풍기(Ring Blower: KJB1-280, 기전사, 인천, 한국; 최대 송풍량 1.8 ㎥·min −1 , 풍압 600 ㎜Aq, Fig. 1C )의 흡입구로 통하여 빨려 들어와, 송풍기의 토출구에서 공기의 편류현상을 방지하기 위한 분기구를 통과하여 흡수탑 상부에 올라와 흡수탑 상층부 노즐에서 분사되는 물과 아래쪽에서 올라오는 송풍된 공기가 만나 공기를 가습하고, 가습한 공기는 흡수탑 상층부의 유공판으로 토양 및 식재층을 통과하여 다시 실내로 순환하는 방식으로 설계하였다. 본 연구에서 제작된 벽면형 식물바이오필터 화분의 자세한 원리 및 각 부분별 설계 내용은 ‘바이오필터화분 수분공급장치’로 2013년 특허 출원(10-2013-0123096)하여 2015년에 특허로 등록하였다(Patent No. 10-1488108; Lee and Chun, 2015 ).
- 벽면형 식물바이오필터의 풍속 조절
식물바이오필터로 유입되는 풍속의 조절을 위해 송풍기에 인버터 장치(rpm inverter, Insung Tech., Yongin, Korea)를 전원과 연결하여 흡수탑으로 들어가는 송풍량을 조절하였다. 또한 식물바이오필터를 통과하는 실제 풍속의 조절은 각 식재층의 토출구를 밀폐할 수 있는직사각형의 판(두께 10 ㎜의 투명아크릴 재질, L 1220 ㎜ × W 120 ㎜)을 제작하여, 이 판의 중앙에 원통형의 토출구(두께 10 ㎜의 투명아크릴 재질, ∅ 50 ㎜, H 70 ㎜)를 부착하고, 디지털풍속계(TPI556, (주)서미트, 서울, 한국)로 측정한 풍속(wind speed: υ)을 각 식물 식재층의 표면적(1180 ㎠) 대비 토출구 표면적(12.56 ㎠)으로 나누어 풍속을 환산하여 약 3 ㎝·s −1 이 되도록 조정하였다. 이에 따른 공기체류시간(ART: air residence time, sec)과 공기정화량(VR: air ventilation rate, ㎥·min −1 )은 선행 연구( Choi ., 2014 )의 공식을 이용하였고, 산출식은 다음과 같다.
  • [VR = A·υ]
  • VR : 공기정화량(㎤·sec−1)
  • υ : 바이오필터내 풍속(㎝·sec−1)
  • A : 바이오필터의 단면적(㎠)
  • [ART = L·υ−1]
  • ART : 공기체류시간(sec)
  • L : 식재토양의 깊이(㎝)
  • υ : 바이오필터내 풍속(㎝·sec−1)
- 벽면형 식물바이오필터의 가습 주기 조절
식물 식재용 토양의 수분 안정화와 소비전력량을 줄일 수 있는 지를 검토하기 위하여 식물 바이오필터의 물 펌프 작동 주기를 조절하였다. 예비실험 결과, 송풍기와 물 펌프를 항상 켜두었을 경우 시간이 지남에 따라 토양 수분 함량이 소폭 상승하는 것으로 나타났다. 따라서 물 펌프의 연속 작동 시간이 길어질수록 토양 수분의 일차회귀식 기울기 값이 상승할 우려가 있다고 판단하였다. 공기 순환을 위한 송풍기는 항상 작동하되, 가습을 위한 물 펌프의 작동을 주기적으로 조절하여 전력량을 감소시킬 수 있는 지를 알아보기 위한 선행 연구( Choi ., 2014 )에 따르면 물펌프의 작동 주기를 15분 작동 후 45분 중지의 주기로 처리하였을 때 가장 적절한 토양수분 함량(29.1 ± 2.1%)을 유지하였다. 따라서 본 실험에서는 가습을 위한 물 펌프의 작동 시간은 타이머를 사용하여 15분 작동/ 45분 작동 중지(15 min on - 45 min off)로 실행하였다. 이러한 물 펌프의 작동 주기 조절은 연속 가동에 비해 15분 작동의 경우 하루 1/4의 소비전력량을 소비하게 되므로 전체 소비전력량 감소에도 기여할 것으로 판단하였다.
- 벽면형 식물바이오필터의 토양수분, 온도, 상대습도 측정
토양 수분 함량(soil moisture content, %)은 자료 수집 장치(data Logger: Mini logger MSTL, STA Corporation Co. Ltd., Anyang, Korea)에 토양수분 측정 센서(moisture sensor: ECH 2 O, EC-5, Decagon Devices Inc., Pullman, WA, USA)를 연결하여 2014년10월16일부터 12월30일까지 30분 간격으로 76일간 측정 하고, 측정시 각 식물바이오필터의 2, 4, 6층의 각 층별 중간부분에 깊이 10 ㎝ 지점에 45도 각도로 사선으로 꽂아 측정하였다.
온도 및 상대습도의 측정은 실험실(210 ㎥)의 구역의 양 끝점을 지정하여 벽면형 식물바이오필터 처리구와 무처리구로 나누어 실시하였다. 휴대용 실내공기질 측정기(Indoor Air IQ-610Xtra Quality Probe, Graywolf Sensing Solutions, Trumbull, CT, Ireland)를 사용하여 2014년 11월15일부터 12월20일까지 36일간 1시간 간격으로 온도 및 상대습도를 측정하였고, 무처리구 역시 동일한 방법으로 측정하였다.
- 벽면형 바이오필터 내 식물 생육 평가
벽면형 바이오필터 내 식물 생육 평가와 토양수분 안정성을 확인하기 위해 토양층의 조성은 화훼용 배양토[한판승, (주)삼화그린텍, 청양, 한국], 피트모스, 버미큘라이트의 혼합 토양(한판승: 피트모스: 버미큘라이트 = 2:1:1, v/v/v)을 건조시켜 물을 혼합하여 초기 토양 수분함량을 (29.1 ± 2.1%) 로 조절하여 벽면형 바이오필터( Fig. 1A )에 각각 토심 20 ㎝로 채워 넣었다. 그 후 바이오필터에 드라세나( Dracaena sanderiana ‘Vitoria’)와 스킨답서스( Epipremnum aureum ‘N Joy’) 10 ㎝의 유묘를 벽면형 바이오필터의 6, 5, 4, 3, 2층에 각각 6개, 9개씩 식재하여 2014년 10월 17일부터 12월 30일 까지 총 75일간 키웠고, LED 등(144 red emitting diodes + 60white emitting diodes, Plantium, Suwon, Korea)을 벽면형 바이오 필터의 꼭대기 층에 설치하였고, 각 층별 광량을 광도측정기(Quantum light sensor, Spectrum Technologies, Inc., IL, USA)로 15분 간격으로 3반복 측정하였다. 생장특성으로 초장, 초폭, 엽수, 체적, 생체중, 건물중을 조사하였다. 식재 전과 식재75일 후의 생육조사 자료에 대한 각 층별 평균의 차이는 Duncan’s multiple range test(DMRT)에 의하여 유의성을 검정하여 작성하였고, 통계분석은 SAS 프로그램(Statistical Analysis System, V9.1, Cary, NC, USA)을 이용하였다.
- 벽면형 식물바이오필터의 실내공기질 측정
벽면형 식물바이오필터 처리구 공간의 실내공기 오염물질 중 총 휘발성 유기화합물(TVOCs), CO, CO 2 의 변화량과 무처리구 공간의 변화량을 비교해 보기 위하여 실험실(210 ㎥)의 구역을 양 끝으로 나누어 바이오 필터에 인접한 공간을 처리구로 하고 실험실 반대쪽 벽면의 공간을 무처리구로 지정하여 동시에 측정하였다. 시험 기간 동안 실험실내 별다른 인위적 오염 물질을 발생시키지 않았으며, 2014년 11월15일부터 2014년 12월20일까지 36일 동안 30분 간격으로 측정하였다. 처리구의 경우 바이오필터의 식재층으로부터 15 ㎝ 떨어진 지점에 휴대용 실내공기질 측정기(Indoor Air IQ-610Xtra Quality Probe, Graywolf Sensing Solutions, Trumbull, CT, Ireland)를 사용하여 휘발성 유기화합물(VOCs)및 CO, CO 2 를 1시간 간격으로 측정하였으며 무처리구 역시 동일한 방법으로 측정하였다. 실험 중 실험실(210 ㎥) 환경은 냉난방기를 이용하여 실내온도를 24℃로 설정하여 실험기간 동안 실내온도(24 ± 2.0℃)를 유지하도록 하였다.
결과 및 고찰
- 벽면형 식물바이오필터의 물리적 환경 특성
본 실험에서 벽면형 식물바이오필터의 층별 토양수분 함량은 가습 장치의 물펌프를 15분 작동/45분 중지 주기 조건으로 하였을 때 층별로 차이가 있었다. 각 층의 평균 토양 수분 함량은 6층의 경우 16.8 ± 3.57%, 4층의 경우 17.9 ± 3.57%, 2층의 경우 18.3 ± 3.57%로 층간 평균의 최대값과 최소값의 범위가 16.8~18.3%로 비교적 큰 차이는 없었으나 아래층으로 갈수록 토양수분함량이 더 높게 나타났다( Fig. 2 ). 이는 벽면형 바이오필터의 구조상 아래층으로 갈수록 중력에 의해 수분이 하층부에 집적되는 경향 때문인 것으로 판단되었다. 또한 선행 연구에서 식물을 식재하지 않고 바이오필터를 동일한 조건으로 가동하였을 시 회귀식을 보면 토양수분의 함량이(29.0 ± 2.1%, y = 0.0008x + 29.09, p = 0.0078)로서 기울기가 수평에 가깝게 유지되었으나(Lee et al ., 2014), 본 연구에서는 식물이 자람에 따라 흡수되는 수분량의 증가로 토양의 수분함량은 점차적으로 감소하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 각 식물의 수분 요구량에 따라 달라질 수 있으며, 가습량을 쉽게 조절할 수 있는 가습충전재에 연구도 진행 중에 있다. 또한 Choi . (2014) 의 선행 연구에서는 같은 가습 처리 조건에서 상추 ‘청치마’와 더피고사리( Nephrolepsis cordifolia cv. Duffi)를 식재하여 식물 성장이 충분히 이루어진 이 후에도 초기 토양 수분에 가까운 안정적인 수분환경이 유지되었고, 이는 상추와 더피고사리의 경우 습해에 약해 생육시 물을 많이 흡수하지 않았을 것이라고 판단되어 본 실험 결과와는 다른 토양수분 패턴을 보여주었을 것이라 판단되었다. 생물학적 관점에서 바이오필터내 배지의 수분 함량은 미생물 활동에 가장 중요한 요인으로 바이오필터의 오작동 원인 중 75%가 수분 조절의 실패에 있으며( Morales ., 1996 ), 너무 낮은 수분은 바이오필터층의 건조와 편류 현상(gas flow channeling)을 유발하여 미생물 생장에 부정적인 영향을 미친다고 보고되고 있다( Delhoménie and Heitz, 2005 ). 따라서 식물의 종류에 따라서 생육에 따라 토양의 수분량의 조절이 필요하다는 점을 암시하며 바이오필터의 가습용량에 적합한 식물을 찾는 것도 하나의 방법이라고 볼 수 있다.
PPT Slide
Lager Image
Changes of soil moisture content depending on multiple floors within a wall-typed botanical biofilter.
식물바이오필터를 통과하여 토양 표면으로 토출되는 상대습도의 경우, 평균 50.7%로 나타났으며 무처리구의 경우 상대습도는 평균 43.8%로 식물바이오필터 처리구가 무처리구에 비해 상대습도가 높게 나타났다( Fig. 3 ). Darlington . (2000) 은 식물을 이용한 공기오염 물질 제거용 바이오필터가 주로 여름철 실내에서 높은 상대습도를 나타내는 것에 대한 문제점을 제기하였고, 효율적인 식물바이오필터를 장착한 실내 공간에서도 18%까지 실내 상대습도가 증가하여( Wang and Zhang, 2011 ), 높은 상대습도에 의한 실내 부유성 균의 증식과 건물 내구성의 감소를 피하기 위해서는 상대습도를 65% 이하로 유지하여야 한다고 하였다( Soreanu ., 2013 ). 그러나 본 처리구의 실험결과에서 제시된 상대습도는 바이오필터를 통과한 토양 표면으로부터 불과 15 ㎝ 거리에서 측정한 값이고, 바이오필터의 운전기간 동안의 실험실내 평균 상대습도는 50.7%로 Soreanu . (2013) 이 제시한 한계 상대습도보다 낮게 유지되어 적합한 습도조건을 갖추었다고 판단하였다. 온도의 경우 식물바이오필터 처리구에서는 최소값과 최대값의 범위가 21.7~25.4℃로 평균 23.7℃였고, 무처리구의 경우21.2~25℃로 평균 23.2℃로 측정되어 두 조건 모두 실험실내 냉난방기 설정온도인 24 ± 2.0℃와 근사한 범위에 있어 일정하게 유지되는 것으로 나타났다( Fig. 4 ).
PPT Slide
Lager Image
Changes of relative humidity in the space from control and a wall-typed botanical biofilter.
PPT Slide
Lager Image
Changes of aerial temperature in the space from control and a wall-typed botanical biofilter.
각 층별로 측정된 광량은 다음과 같다( Fig. 5 ). 층별 광량은 5층(36.2 μmol·m −1 ·s −1 )에서 가장 많은 광량이 측정되었고, 6층(32.9 μmol·m −1 ·s −1 ), 4층(19.8 μmol·m −1 ·s −1 ), 3층(9.9 μmol·m −1 ·s −1 ), 2층(9.9 μmol·m −1 ·s −1 ) 순으로 측정되었다. LED등이 벽면형 바이오필터의 천장에 위치하여 45°각도로 기울어져 설치되어 있기 때문에 6층 광량이 5층의 광량보다 더 낮게 측정된 것으로 판단되었고, 저층으로 갈수록 광원에서 멀어짐에 따라 낮은 광량이 측정된 것으로 보였다.
PPT Slide
Lager Image
Light intensity of each floor position within wall-typed botanical biofilter.
제작된 벽면형 식물바이오필터의 공기체류시간은 20 ㎝의 토양층을 공기의 이동거리로 하고 초당 3 ㎝의 풍속으로 제어하였기에 토양층과 빈 공간을 통과하는 속도인 공탑체류시간(EBRT: empty bed residence time)을 약 6.7~7초로 계산되었고, 이 바이오필터의 공기정화량(VR = A·υ)은 바이오필터층의 단면적(A, 0.84 ㎡)과 실제 풍속(υ, 3 ㎝·s −1 )으로 계산한 결과 분당 1.512 ㎥로 계산되었다( Table 1 ).
Physical and environmental parameters of air flow characteristics in a wall-typed botanical biofilter
PPT Slide
Lager Image
zCalculated values. yMeasured values.
공기의 흐름(VR)과 공탑체류시간(EBRT)은 바이오필터의 생분해능에 매우 중요한 요소이며( Elmrini ., 2004 ), 대부분의 연구에서 EBRT가 길수록 VOCs 제거율이 높아진다고 확인되었다( Christen ., 2002 ; Delhoménie ., 2002a ; Jorio ., 1999 ; Martin ., 2002 ; Yoon and Park, 2002 ). 그러나 EBRT를 길게 적용하면 보다 큰 바이오필터의 체적을 요구하게 되고, 유입되는 풍속이 너무 높을 경우 필터층내 수분이 유속에 의해 빠져나가게 되어 필터층을 탈수시키는 경향을 보이기 때문에 대부분의 바이오필터에는 EBRT를 15초에서 수 분사이의 범위에서 작동시킨다고 하였다( Delhoménie and Heitz, 2005 ). 그러나 본 바이오필터의 연구 목적은 실내 사무공간이나 생활공간에서 공기정화 기능뿐만 아니라 식물의 생육 배지로서의 기능도 수행해야 하기 때문에 공간을 적게 차지하는 벽면형으로 설계하였다. 이에 따라 필터층인 인공배양토의 깊이를 충분히 줄 수 없는 부분과 식물의 근권부에 적은 스트레스를 주기 위한 느린 풍속을 사용해야 하기에 선행 연구( Choi ., 2014 )에서 구명된 적정 풍속(3 ㎝·s −1 ) 조건에서 토양층(20 ㎝)을 통과하는 공탑체류시간이 6.7~7초로 나타나 산업용 바이오필터의 EBRT보다는 짧았다. Delhoménie and Heitz (2005) 도 EBRT 값은 VOCs 농도, VOCs의 생분해능(biodegradability), 가용 베드의 체적 등과 같은 작동 조건에 따라 달리 적용해야 한다고 보고하였기에 본 연구에 적용된 EBRT값은 적합하다고 판단된다.
본 실험에서 사용한 필터층은 화훼용 인공배양토(한판승)를 사용하였기에 일반 토양과 퇴비보다는 입자가 크며 우드칩 보다 작아 적절한 수분 함량을 안정적으로 유지 할 수 있었다. 입자의 크기로 보면 작은 입자는 높은 표면적을 제공하여 미생물 활성이 높아지지만( Kent ., 2000 ; Oude Luttighuis, 1998 ) 공기 저항이 커지고( Allen and Yang, 1991 ; Bailey and Ollis, 1986 ), 큰 입자는 원활한 공기의 흐름을 제공하지만 적은 표면적으로 인해 생분해능이 저하되므로( Delhoménie et al., 2002b ), 산업용 바이오필터에서는 4 ㎜ 이상의 지름을 가진 입자를 적어도 60% 이상 필터층에 넣어야 한다고 하였으며( Williams and Miller, 1992 ), 대부분의 연구자들도 4 ㎜를 한계 기준으로 삼고 그 이상의 입자를 이용하고 있다( Cardenas-Gonzalez ., 1999 ; Corsi and Seed, 1995 ; Delhoménie ., 2001 ; Eitner and Gethke, 1987 ; Ortiz, 1998 ; Oude Luttighuis, 1998 ). 본 실험에서 제작된 식물바이오필터는 산업용 대형 바이오필터처럼 생물학적 여과장치로서의 기능만 필요한 것이 아니라 사무 공간에서 식물 식재 벽면으로서의 기능도 수행해야 하기 때문에 공간내 단면적을 적게 설계할 필요가 있었으며, 필터의 체적 중 특히 두께를 줄여야 하였다. 따라서 높이(1.4 m)는 높게 하고 두께(토양 필터층)를 0.2 m로 설계하여 전체 체적을 0.336 ㎥으로 조정하였다. 이는 일반 공기여과장치인 바이오필터(10~3,000 ㎥)보다 소형이라고 볼 수 있다.
- 벽면형 식물바이오필터의 식물생육 평가
바이오 필터내 식재된 스킨답서스( Epipremnum aureum ‘N Joy’)와 드라세나( Dracaena sanderiana ‘Vitoria’)의 식재 후 75일째 식재층별로 수확한 두 식물의 생육 사진은 다음과 같다( Fig. 6 ). 스킨답서스와 드라세나는 식재 전에 비해 식재 후에 초장, 초폭, 체적, 엽수에서 모두 증가하였으나, 스킨답서스는 초장에서 그리고 드라세나는 초장과 체적에서 통계적 유의차를 보였다( Table 2 , 3 ).
PPT Slide
Lager Image
Growth responses of Epipremnum aureum ‘N Joy’ (left) and Dracaena sanderiana ‘Vitoria’ (right) at 75 days after transplanting into each floor of a wall-typed botanical biofilter.
Growth characteristics ofEpipremnum aureum‘N Joy’ before and after planting within a wall-typed botanical biofilter depending on floor position
PPT Slide
Lager Image
z Mean separation within columns using Duncan’s multiple range test, 5% level. ns,**Non-significant or significant at P = 0.01.
Growth characteristics ofDracaena sanderiana‘Vitoria’ before and after planting within a wall-typed botanical biofilter depending on floor position
PPT Slide
Lager Image
z Mean separation within columns using Duncan’s multiple range test, 5% level. ns,*,***Non-significant or significant at P = 0.1 or P = 0.001, respectively.
식재 전과 식재 후의 생체중과 건물중을 비교한 결과, 생체중에서는 드라세나와 스킨답서스 모두 식재 전에 비해 무게가 증가하였으나, 스킨답서스는 신초, 뿌리, 총생체중에서 통계적 유의성을 나타낸 반면, 드라세나는 뿌리에서만 통계적 유의성을 나타내었다( Table 4 , 5 ). 건물중에서도 드라세나와 스킨답서스 모두 식재 전에 비해 무게가 증가하였으나, 스킨답서스는 뿌리를 제외한 신초와 총생체중에서 통계적 유의성을 나타낸 반면, 드라세나는 뿌리에서만 통계적 유의성을 나타내었다. 따라서 스킨답서스는 신초 생장의 증가가 뚜렷하였고 반면에 드라세나는 뿌리의 생장이 두드러졌다( Table 4 , 5 ).
Fresh and dry weights ofEpipremnum aureum‘N Joy’ before and after planting within a wall-typed botanical biofilter depending on floor position
PPT Slide
Lager Image
z Mean separation within columns using Duncan’s multiple range test, 5% level. ns,**,***Non-significant or significant at P = 0.01 or P = 0.001, respectively.
Fresh and dry weights ofDracaena sanderiana‘Vitoria’ before and after planting within a wall-typed botanical biofilter depending on floor position
PPT Slide
Lager Image
z Mean separation within columns using Duncan’s multiple range test, 5% level. ns,***Non-significant or significant at P = 0.001.
이는 층별 광량( Fig. 2 )과 토양수분의 차이( Fig. 5 )에 따른 결과로 추측된다. 상대적으로 수분 요구도가 낮은 스킨답서스에 비해 드라세나는 수생식물로 친수성 성질( Soureanu ., 2013 )에 따라 상대적으로 습도가 낮은 고층에서 물을 찾기 위해 뿌리가 더욱 발달한 것으로 보였다. 따라서 층별로 식물의 특성을 고려하여 식재한다면 식물의 생육과 더불어 바이오필터의 기능에 더긍정적인 효과를 보일 수 있으리라고 여겨진다. 본 실험에서는 화훼용 인공배양토를 필터층으로 사용한 벽면형 식물바이오필터의 휘발성 유기화물(TVOCs) 제거효율에 대해 연구하였지만, 앞으로 식재 가능한 다양한 필터층에 대한 바이오필터의 성능 평가와 함께 식재 식물 종류에 따른 평가도 수행할 예정이다.
- 벽면형 식물바이오필터의 실내공기질 측정
본 실험에서는 별다른 오염 처리 및 인공적인 미생물 배양 없이 화훼용 인공배양토(한판승)를 사용하여 36일 동안 바이오필터 처리구와 처리하지 않은 무처리구의 실내 오염 물질의 변화량을 조사해 보았다. CO, CO 2 , TVOCs 모두 처리구와 무처리구간에 큰 차이는 없었으나, 식물바이오필터 처리구가 무처리구에 비해 모든 실내 오염물질의 농도가 낮았다.
식물바이오필터 처리구의 경우 CO, CO 2 , TVOCs의 평균 농도와 표준편차는 각각 0.47 ± 0.09 ppm, 394.5 ± 27.3 ppm, 119.3 ± 69.5 ppb였고, 무처리구의 CO, CO 2 , TVOCs의 평균 농도와 표준편차는 각각 0.52 ± 0.1 ppm, 406.0 ± 36.1 ppm, 151.0 ± 110.3 ppb였다. 특히 각 실내공기 오염원의 표준편차는 무처리구에서 높게 나타나 식물바이오필터에 의한 실내공기질 변화가 적은 것으로 나타났다( Fig. 7 , 8 , 9 ).
PPT Slide
Lager Image
Changes of monoxide in the space from control and a wall-typed botanical biofilter.
PPT Slide
Lager Image
Changes of dioxide in the space from control and a wall-typed botanical biofilter.
PPT Slide
Lager Image
Changes of TVOCs in the space from control and a wall-typed botanical biofilter.
바이오필터층에 분포하는 미생물의 양은 필터층의 재료와 VOCs 생분해능에 따라 달라지며, 대기 중이나 필터층에 자연발생적인 토착미생물이 실내오염물질을 먹이로 필터층에 서식하게 되고 충분한 순화기간이 주어지면 가장 저항성이 뛰어난 미생물 집단이 필터층을 우점하지만, 낮은 미생물 밀도, 까다로운 VOCs, 부족한 순화기간 등으로 미생물 활성이 낮을 경우에는 인공적으로 필터층에 미생물을 배양하기도 한다고 하였다( Delhomeénie ., 2001 ; Delhomeénie ., 2002b ; Mohseni and Allen, 2000 ). 그러나 본 실험에서는 별다른 오염 처리를 하지 않았으므로, 오염원을 발생시켰을 시 바이오 필터의 제거 효능은 더욱 향상 될 것으로 판단된다.
따라서 본 벽면형 식물바이어필터는 뛰어난 실내공기 정화 효과뿐만 아니라 식물 식재용 벽면체로서의 기능도 잘 수행할 수 있는 것으로 판단되었다.
Acknowledgements
본 연구는 농촌진흥청 농업과학기술개발 공동연구사업(과제번호: PJ008495022015)의 지원에 의해 이루어진 것임.
References
Allen E.R. , Yang Y. 1991 Biofiltration control of hydrogen sulfide emissions Vancouver. J. Air Waste Manag. Assoc. Proceedings of the 84th Annual Meeting & Exhibition of the Air & Waste Management Association Pittsburgh, PA (USA) June 16-21
Bailey J.E. , Ollis D.F. 1986 Biochemical Engineering Fundamentals 2nd ed. McGraw-Hill Singapore
Cardenas-Gonzalez B. , Ergas S.J. , Switzenbaum M.S. 1999 Characterization of compost biofiltration media J. Air Waste Manag. Assoc. 49 784 - 793
Choi B. , Chun M.Y. , Lee C.H. 2014 Evaluation for soil moisture stabilization and plant growth response in horizontal biofiltraton system depending on wind speed and initial soil moisture Kor. J. Plant Res. (in Korean) 27 546 - 555
Christen P. , Domenech F. , Michelena G. , Auria R. , Revah S. 2002 Biofiltration of volatile ethanol using sugar cane bagasse inoculated with Candida utilis J. Hazard. Mater. 89 253 - 265
Corsi R.L. , Seed L. 1995 Biofiltration of BTEX: Media, substrate, and loadings effects Environ. Progress 14 151 - 158
Darlington A. 2000 The biofiltration of indoor air: implications for air quality Indoor Air 10 39 - 46
Delhoménie M.C. , Heitz M. 2005 Biofiltration of air: a review Crit. Rev. Biotechnol. 25 53 - 72
Delhoménie M.C. , Bibeau L. , Heitz M. 2002 A study of the impact of particle size and adsorption phenomena in a compost based biological filter Chem. Eng. Sci. 57 4999 - 5010
Delhoménie M.C. , Bibeau L. , Gendron J. , Brzezinski R. , Heitz M. 2001 Air treatment by biofiltration: Influence of nitrogen concentration on operational parameters Ind. Eng. Chem. Res. 40 5405 - 5414
Delhoménie M.C. , Bibeau L. , Bredin N. , Roy S. , Brousseau S. , Kugelmass J.L. , Brzezinski R. , Heitz M. 2002 Biofiltration of air contaminated with toluene on a compost-based bed Adv. Environ. Res. 6 239 - 244
Eitner D. , Gethke H.G. 1987 Design, construction and operation of biofilters for odor control in sewage treatment plants J. Air Waste Manag. Assoc. Pittsburgh, PA (USA) Proceedings of the 80th Annual Meeting of APCA New York June 21–26
Elmrini H. , Bredin N. , Shareefdeen Z. , Heitz M. 2004 Biofiltration of xylene emissions: Bioreactor response to variations in the pollutant inlet concentration and gas flow rate Chem. Eng. J. 100 149 - 158
Jorio H. , Bibeau L. , Viel G. , Heitz M. 1999 Effects of gas flow rate and inlet concentration on xylene vapors biofiltration performances Chem. Eng. J. 76 209 - 221
Kent T.D. , Williams S.C. , Fitzpatrick C.S.B. 2000 Ammoniacal nitrogen removal in biological aerated filters: The effect of media size J. Chartered Inst. Water Environ. Manag. 14 409 - 414
Lee C.H. , Chun M.Y. 2015 Water Supply System for Biofilter Flowerpot Republic of Korea Patent No. 10-1488108 (in Korean)
Liu Y. , Chen R. , Shen X. , Mao X. 2004 Wintertime indoor air levels of PM10, PM2.5 and PM1 at public places and their contributions to TSP Environ. Intl. 30 189 - 197
Liu Y.J. , Mu Y.J. , Zhu Y.G. , Ding H. , Arens N.C. 2007 Which ornamental plants species effectively remove benzene from indoor air? Atmos. Environ. 41 650 - 654
Martin R.W. , Li H. , Mihelcic J.R. , Crittenden J.C. , Lueking D.R. , Hatch C.R. , Ball P. 2002 Optimization of biofiltration for odor control: Model calibration, validation and applications Water Environ. Res. 74 17 - 27
Mohseni M. , Allen D.G. 2000 Biofiltration of mixtures of hydrophilic and hydrophobic volatile organic compounds Chem. Eng. Sci. 55 1545 - 1558
Morales M. , Frere G. , Acuna M.E. , Perez F. , Revah S. , Auria R. 1996 Influence of mixing on the removal rate of toluene vapors by biofiltration Nashville. J. Air Waste Manag. Assoc Proceedings of the 89th Annual Meeting & Exhibition of the Air & Waste Management Association Pittsburgh, PA (USA) June 23–26, 1996
Ortiz I. 1998 Biofiltration of gasoline VOCs with different support media J. Air Waste Manag. Assoc. Pittsburgh, PA (USA) Proceedings of the 91st Annual Meeting & Exhibition of the Air & Waste Management Association San Diego June 14-18
Oude Luttighuis H.H. 1998 Improvement of biofilter-technology by a new type of packing material J. Air Waste Manag. Assoc. Pittsburgh, PA (USA) San Diego June 14-18 Proceedings of the 91st Annual Meeting & Exhibition of the Air & Waste Management Association
Soreanu G. , Dixon M. , Darlington A. 2013 Botanical biofiltration of indoor gaseous pollutants – A mini-review Chem. Eng. J. 229 585 - 594
Wang Z. , Zhang J.S. 2011 Characterization and performance evaluation of a full scale activated carbon-based dynamic botanical air filtration system for improving indoor air quality Build. Environ. 46 758 - 768
Williams T.O. , Miller F.C. 1992 Biofilters and facility operations Part II Biocycle 33 75 - 79
Yoon I.K. , 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. Biosci. Bioeng. 93 165 - 169
Yu B.F. , Hu Z.B. , Liu M. , Yang H.L. , Kong Q.X. , Liu Y.H. 2009 Review of research on air conditioning systems and indoor air quality control for human health Int. J. Refrig. 32 3 - 20