[학위논문]휘발성 고형물 감량 증대를 위한 열가수분해 기반 혐기성 바이오가스화 공정 연구 Improved volatile solids reduction by heat treatment in anaerobic biogas production from organic wastes원문보기
슬러지 감량화 방법으로 가장 보편적으로 이용되는 것이 슬러지의 혐기소화 기술이다. 열가수분해 전처리기술 기반 혐기소화 공정을 통하여 슬러지 휘발성고형물(VS)의 감량률을 50% 이상 향상시켜 슬러지 발생량을 줄임으로써 ...
슬러지 감량화 방법으로 가장 보편적으로 이용되는 것이 슬러지의 혐기소화 기술이다. 열가수분해 전처리기술 기반 혐기소화 공정을 통하여 슬러지 휘발성고형물(VS)의 감량률을 50% 이상 향상시켜 슬러지 발생량을 줄임으로써 슬러지 처리 비용을 최소화하여 안정적으로 신재생에너지 생산기술을 확보할 수 있다.
본 연구에서는 대조군과 실험군을 구분하여 가용화된 슬러지를 혐기소화조에 투입하여 휘발성고형물(VS) 및 바이오가스 발생량과 소화조 체류시간 등의 기술을 확립을 위해 타당성 기초실험을 실시하였다.
1차 실험에서는 대조군과 실험군으로 나누어 실시하였으며 대조군은 가용화하지 않은 기질을 적용하여 투입하였고 실험군은 가압 파쇄, 초음파 파쇄한 가용화 슬러지를 투입하여 실험하였다. 실험군에서는 sCOD, TVFA +EtOH와 같은 용해성 유기물의 농도가 7~21% 높았다. pH와 잔류유기물 변화에서 초기 pH는 8.2였고 10일후에는 pH 7.8로 나타났으며, 그 이후로는 pH 7.6~7.8로 안정적으로 유지되었다. 유기물 처리 효율은 투입 초기에는 휘발성고형물(VS)이 49.1g/L 였고 20일 이후 안정화 되었으며. 세 가지 반응기(CM, EM20, EM30)에서의 휘발성고형물(VS) 처리효율은 42.5~ 50.3%였다. COD 변화는 세 가지 반응기(CM, EM20, EM30) 모두 초기 COD는 68.4g/L 였고, 20일 후부터 감소하여 처리율은 51%를 나타내었다. 바이오가스 발생량은 세 가지 반응기(CM, EM20, EM30) 모두 실험 초기에 다량 발생하였으며, 초기 유기물 분해는 급속히 진행되었다. 바이오가스 발생량은 CM-0.49L/L/d, EM30- 0.42L/L/d, EM20-0.55L/L/d로 나타났다.
2차 실험에서는 열가수분해 전처리 기술을 이용하여 가용화된 슬러지를 투입하여 기초실험을 실시하였다. 열가수분해 조건은 165℃에서 30분동안 고온, 고압을 가하여 가용화 슬러지를 제조하였다. 열가수분해를 통해 가용화된 슬러지는 가용화되지 않은 슬러지에 비해 TS 11%, sCOD 12%, COD 27%가 증가하였다. 혐기소화조 체류시간은 15일로 하였다. 2차 실험에서 pH 및 잔존 유기산 분해결과 EM20에서 pH 7.6이였고 체류시간 15일에서는 pH 7.4~7.5를 유지하였다. 유기물 처리율은 EM20에서 휘발성고형물(VS) 20.7g/L, 감량률은 58.3%를 나타내었다. COD는 안정적으로 처리되었으며 처리율은 58.7%였다. 바이오가스 발생량은 EM20에서 0.55L/L/d 발생하였고, 체류시간 15일에서는 1.03L/L/d가 발생하였다.
혐기소화조 전처리 감량화 기초실험에서 가압 파쇄 또는 초음파 파쇄보다 열가수분해 전처리 기술의 VS 감량화율이 12% 이상 높게 나타났고, 바이오가스 발생량도 0.48 L/L/d 높게 생산되는 것을 기초실험을 통하여 알 수 있었으며, 열가수분해 기반 혐기소화기술이 휘발성고형물(VS)을 안정적으로 처리할 수 있는 기술임을 확인할 수 있었다.
슬러지 감량화 방법으로 가장 보편적으로 이용되는 것이 슬러지의 혐기소화 기술이다. 열가수분해 전처리기술 기반 혐기소화 공정을 통하여 슬러지 휘발성고형물(VS)의 감량률을 50% 이상 향상시켜 슬러지 발생량을 줄임으로써 슬러지 처리 비용을 최소화하여 안정적으로 신재생에너지 생산기술을 확보할 수 있다.
본 연구에서는 대조군과 실험군을 구분하여 가용화된 슬러지를 혐기소화조에 투입하여 휘발성고형물(VS) 및 바이오가스 발생량과 소화조 체류시간 등의 기술을 확립을 위해 타당성 기초실험을 실시하였다.
1차 실험에서는 대조군과 실험군으로 나누어 실시하였으며 대조군은 가용화하지 않은 기질을 적용하여 투입하였고 실험군은 가압 파쇄, 초음파 파쇄한 가용화 슬러지를 투입하여 실험하였다. 실험군에서는 sCOD, TVFA +EtOH와 같은 용해성 유기물의 농도가 7~21% 높았다. pH와 잔류유기물 변화에서 초기 pH는 8.2였고 10일후에는 pH 7.8로 나타났으며, 그 이후로는 pH 7.6~7.8로 안정적으로 유지되었다. 유기물 처리 효율은 투입 초기에는 휘발성고형물(VS)이 49.1g/L 였고 20일 이후 안정화 되었으며. 세 가지 반응기(CM, EM20, EM30)에서의 휘발성고형물(VS) 처리효율은 42.5~ 50.3%였다. COD 변화는 세 가지 반응기(CM, EM20, EM30) 모두 초기 COD는 68.4g/L 였고, 20일 후부터 감소하여 처리율은 51%를 나타내었다. 바이오가스 발생량은 세 가지 반응기(CM, EM20, EM30) 모두 실험 초기에 다량 발생하였으며, 초기 유기물 분해는 급속히 진행되었다. 바이오가스 발생량은 CM-0.49L/L/d, EM30- 0.42L/L/d, EM20-0.55L/L/d로 나타났다.
2차 실험에서는 열가수분해 전처리 기술을 이용하여 가용화된 슬러지를 투입하여 기초실험을 실시하였다. 열가수분해 조건은 165℃에서 30분동안 고온, 고압을 가하여 가용화 슬러지를 제조하였다. 열가수분해를 통해 가용화된 슬러지는 가용화되지 않은 슬러지에 비해 TS 11%, sCOD 12%, COD 27%가 증가하였다. 혐기소화조 체류시간은 15일로 하였다. 2차 실험에서 pH 및 잔존 유기산 분해결과 EM20에서 pH 7.6이였고 체류시간 15일에서는 pH 7.4~7.5를 유지하였다. 유기물 처리율은 EM20에서 휘발성고형물(VS) 20.7g/L, 감량률은 58.3%를 나타내었다. COD는 안정적으로 처리되었으며 처리율은 58.7%였다. 바이오가스 발생량은 EM20에서 0.55L/L/d 발생하였고, 체류시간 15일에서는 1.03L/L/d가 발생하였다.
혐기소화조 전처리 감량화 기초실험에서 가압 파쇄 또는 초음파 파쇄보다 열가수분해 전처리 기술의 VS 감량화율이 12% 이상 높게 나타났고, 바이오가스 발생량도 0.48 L/L/d 높게 생산되는 것을 기초실험을 통하여 알 수 있었으며, 열가수분해 기반 혐기소화기술이 휘발성고형물(VS)을 안정적으로 처리할 수 있는 기술임을 확인할 수 있었다.
Anaerobic digestion is the most widely employed method to reduce sludge. An anaerobic digestion process based on thermal hydrolysis pretreatment can reduce over 50% of the volatile solid (VS) of sludge, thus reducing sludge production and minimizing the overall cost of sludge treatment. Therefore, a...
Anaerobic digestion is the most widely employed method to reduce sludge. An anaerobic digestion process based on thermal hydrolysis pretreatment can reduce over 50% of the volatile solid (VS) of sludge, thus reducing sludge production and minimizing the overall cost of sludge treatment. Therefore, anaerobic digestion is a stable basis for renewable energy production technology.
In this study, in order to establish the optimal process of anaerobic digestion in terms of VS, biogas generation, and hydraulic residence time (HRT) in a digester, basic experiments for applicability evaluation were performed on experimental and control groups.
In the first experiment, the control group was charged with insolubilized feedstock, whereas the experimental groups were charged with sludge that had been solubilized by pressurization or ultrasonication. The experimental groups showed 7–21% higher concentrations of soluble organic matter such as sCOD, tVFA, and EtOH. Initial pH was 8.2, which decreased gradually, reaching pH 7.8 after 10 days, and then stabilized at around pH 7.6–7.8 afterwards. With regard to changes in organic matter, the initial removal efficiency of VS was 49.1 g/L until 20days, after which the concentration stabilized. The removal rates of VS within the three types of reactors(CM, EM20, EM30) ranged between 42.5% and 50.3%. The initial COD content in all three reactors was 68.4 g/L, which started to decrease after 20 days, showing a removal rate of 51%. Increased biogas production rates were recorded in all three reactors in the initial experimental phase, along with rapidly progressing initial organic matter decomposition. The volumetric biogas production rate for CM, EM20 and EM30 were 0.49, 0.55, and 0.42 L/L/D, respectively.
In the second experiment, basic tests were carried out by feeding sludge, which had been solubilized by a thermal hydrolysis pretreatment technique, into the reactors. The feedstock was solubilized under high temperature(165°C) and high pressure for 30 min. Sludge thus solubilized by high-pressure thermal hydrolysis showed enhancement of the TS, sCOD, and COD concentrations by 11%, 12%, and 27%, respectively, than that with the insolubilized sludge. The HRT in the anaerobic digester was set at 15 days. In the second experiment, the analysis of pH and residual organic matter in EM20 yielded the following average and final-day values : pH 7.6, keeping the level of 7.4–7.5 at HRT day 15 ; VS of 20.7 g/L, with a removal rate of 58.3% ; stable COD removal, with a removal rate of 58.7% ; and a biogas production rate of 0.55 L/L/d, reaching 1.03 L/L/d at HRT day 15.
In the basic experiments for anaerobic digester pretreatment reduction, thermal hydrolysis pretreatment demonstrated a 12% higher VS removal rate than pressurization or ultrasonication pretreatment. The biogas production rate was also found to be increased by 0.48 L/L/d. It could thus be verified that the anaerobic digestion process based on thermal hydrolysis pretreatment is a good method for the stable removal of VS.
Anaerobic digestion is the most widely employed method to reduce sludge. An anaerobic digestion process based on thermal hydrolysis pretreatment can reduce over 50% of the volatile solid (VS) of sludge, thus reducing sludge production and minimizing the overall cost of sludge treatment. Therefore, anaerobic digestion is a stable basis for renewable energy production technology.
In this study, in order to establish the optimal process of anaerobic digestion in terms of VS, biogas generation, and hydraulic residence time (HRT) in a digester, basic experiments for applicability evaluation were performed on experimental and control groups.
In the first experiment, the control group was charged with insolubilized feedstock, whereas the experimental groups were charged with sludge that had been solubilized by pressurization or ultrasonication. The experimental groups showed 7–21% higher concentrations of soluble organic matter such as sCOD, tVFA, and EtOH. Initial pH was 8.2, which decreased gradually, reaching pH 7.8 after 10 days, and then stabilized at around pH 7.6–7.8 afterwards. With regard to changes in organic matter, the initial removal efficiency of VS was 49.1 g/L until 20days, after which the concentration stabilized. The removal rates of VS within the three types of reactors(CM, EM20, EM30) ranged between 42.5% and 50.3%. The initial COD content in all three reactors was 68.4 g/L, which started to decrease after 20 days, showing a removal rate of 51%. Increased biogas production rates were recorded in all three reactors in the initial experimental phase, along with rapidly progressing initial organic matter decomposition. The volumetric biogas production rate for CM, EM20 and EM30 were 0.49, 0.55, and 0.42 L/L/D, respectively.
In the second experiment, basic tests were carried out by feeding sludge, which had been solubilized by a thermal hydrolysis pretreatment technique, into the reactors. The feedstock was solubilized under high temperature(165°C) and high pressure for 30 min. Sludge thus solubilized by high-pressure thermal hydrolysis showed enhancement of the TS, sCOD, and COD concentrations by 11%, 12%, and 27%, respectively, than that with the insolubilized sludge. The HRT in the anaerobic digester was set at 15 days. In the second experiment, the analysis of pH and residual organic matter in EM20 yielded the following average and final-day values : pH 7.6, keeping the level of 7.4–7.5 at HRT day 15 ; VS of 20.7 g/L, with a removal rate of 58.3% ; stable COD removal, with a removal rate of 58.7% ; and a biogas production rate of 0.55 L/L/d, reaching 1.03 L/L/d at HRT day 15.
In the basic experiments for anaerobic digester pretreatment reduction, thermal hydrolysis pretreatment demonstrated a 12% higher VS removal rate than pressurization or ultrasonication pretreatment. The biogas production rate was also found to be increased by 0.48 L/L/d. It could thus be verified that the anaerobic digestion process based on thermal hydrolysis pretreatment is a good method for the stable removal of VS.
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