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문제 정의
- 본 연구는 셀룰로오스 성분의 분해가 용이하지 않은 폐지를 이용하여 유기산 및 메탄으로 전환시킬 수 있는지의 여부에 대하여 연구하였다. 유기산 생성회분식 실험에서 초기 건조 중량 15 g의 폐신문지와 종이박스를 음식 폐기물 산 발효액과 1 : 1로 혼합하여 주입하였을 때 생성된 유기산의 총량은 신문지와 종이박스가 각각 2461과 4978 mg/L로 나타났다.
제안 방법
- 본 연구에서는 cellulose 성분의 분해가 용이하지 않은 폐신문지, 종이박스와 같은 폐지를 이용하여 유용물질을 생산할 수 있는지 여부를 확인하기 위해 Clostridium sp. 를 이용한 유기산의 생산과 메탄 생산 세균을 이용한 메탄 생산효율에 대하여 알아보았다.
- 본 실험실에서는 현재 자체적으로 개발한 3단계 메탄 발효 시스템 (three stage methane fermentation system)을 이용하여 교내 식당에서 발생하는 음식폐기물을 일일 100 kg을 처리하고 있다(10-12). 3단계 메탄 발효 시스템은 1단계 반 혐기성 가수분해/산 발효조, 2단계 혐기성 산 발효조, 그리고 3단계 혐기성 메탄발효 조로 구성되어 있으며 반연속식 공정으로 운전되고 있다.
- 회분식 산 생성 실험을 수행하기 위하여 신문지 또는 종이 박스 등의 폐지를 건조중량으로 각각 15 g씩 재어 증류수 1 L에 혼합하였다. 사용한 접종액으로는 C.
- 회분식 메탄 생성 실험은 폐신문지와 종이박스를 건조중량 15 g씩 재어 증류수 1 L에 혼합하여 사용하였다. 접종액으로는 산 발효액과 메탄생성 세균을 포함하고 있는 메탄 발효액을 혼합하여 동시에 사용하였다.
- 1A). 발생한 가스량을 측정하기 위해 반응조 상부에 가스 포집 팩을 사용하여 일일 가스 발생량을 측정하였다. 온도는 가장 많은 메탄가스를 생성할 것으로 예상되는 50℃를 유지하였다.
- 온도는 가장 많은 메탄가스를 생성할 것으로 예상되는 50℃를 유지하였다. 반연속식 실험은 혐기성 산 발효조와 메탄 발효조로 구성된 2상 혐기성 메탄발효 시스템으로 수행하였다(Fig. IB). 실험은 산 발효 후 생산된 발효액을 정량펌프를 이용하여 메탄 발효조로 주입하였고 체류 시간은 산 발효조에서 2일, 메탄 발효조에서 12일로 운전하였다.
- IB). 실험은 산 발효 후 생산된 발효액을 정량펌프를 이용하여 메탄 발효조로 주입하였고 체류 시간은 산 발효조에서 2일, 메탄 발효조에서 12일로 운전하였다. 반응조의 온도는 항온기를 이용하여 조절하였으며, 산 발효조와 메탄 발효조의 운전온도는 각각 35笆와 50℃로 운전하였다.
- 실험은 산 발효 후 생산된 발효액을 정량펌프를 이용하여 메탄 발효조로 주입하였고 체류 시간은 산 발효조에서 2일, 메탄 발효조에서 12일로 운전하였다. 반응조의 온도는 항온기를 이용하여 조절하였으며, 산 발효조와 메탄 발효조의 운전온도는 각각 35笆와 50℃로 운전하였다.
- pH는 pH meter를 이용하였고, TS (total solid) 및 VS (volatile solid)는 수질오염 공정시험법으로, tCOD는 CODcr 법으로 분석하였다. 가스 발생량은 습식가스 유량계 (Shinagawa, W-NK-5)를 이용하여 측정하였으며, 발생 가스 성분은 Porapak Q column (Alltech, 80/100)을 이용한 TCD gas chromatography (Shimadzu, GC14/BPTF)로 분석하였다. 분석은 carrier gas로 He 을, 이용하여 50 ml/inin의 속도로 흘려보냈고, column 온도 10 0℃, injector 온도 50℃, detector 온도 150℃로 조절하였다.
- 가스 발생량은 습식가스 유량계 (Shinagawa, W-NK-5)를 이용하여 측정하였으며, 발생 가스 성분은 Porapak Q column (Alltech, 80/100)을 이용한 TCD gas chromatography (Shimadzu, GC14/BPTF)로 분석하였다. 분석은 carrier gas로 He 을, 이용하여 50 ml/inin의 속도로 흘려보냈고, column 온도 10 0℃, injector 온도 50℃, detector 온도 150℃로 조절하였다. 유 기산 분석은 Carbowax column (Supelco, 80/120)을 이용한 FID gas chromatography (Younglin, M60師D)로 수행하였으며, 분석 조건은 column 온도 200℃, injector 온도 250℃, detector 온도 250℃ 이었고 carrier gas는 N? 를 사용하였으며 유속은 24 ml/min로 하였다.
- 분석은 carrier gas로 He 을, 이용하여 50 ml/inin의 속도로 흘려보냈고, column 온도 10 0℃, injector 온도 50℃, detector 온도 150℃로 조절하였다. 유 기산 분석은 Carbowax column (Supelco, 80/120)을 이용한 FID gas chromatography (Younglin, M60師D)로 수행하였으며, 분석 조건은 column 온도 200℃, injector 온도 250℃, detector 온도 250℃ 이었고 carrier gas는 N? 를 사용하였으며 유속은 24 ml/min로 하였다.
- 2는 폐지의 종류에 따라 생성된 각각의 유기산 농도를 나타낸 것이다. 현재 본 연구실에서 운전 중인 3단계 메 탄 발효 시스템 중 음식 폐기물을 처리하는 산 발효조의 발 효액을 접종액으로 사용하면서 이를 대조군으로 설정하여 폐 지의 유기산 발효 양상을 비교하였다. Acetic acid의 경우 음 식 폐기물, 폐신문지, 폐 종이박스의 순서로 산 농도가 증가 하였다(Fig.
- 접종액으로는 산 발효액과 메탄생성 세균을 포함하고 있는 메탄 발효액을 혼합하여 동시에 사용하였다. 펴】지, 산 발효액, 메탄 발효 액을 각각 1 : 1 : 2 비율로 혼합하여 실험을 수행하였다. 반응조는 5 L 삼각플라스크를 사용하였고 유효용적은 3 L로 하였다(Fig.
대상 데이터
- 본 실험에서는 3단계 메탄 발효 공정 가운데 산 발효조 내의 발효액과 메탄 발효조 내의 발효액을 각각 폐지의 산 발효와 메탄발효의 접종액으로 사용하였다. 산 발효액은 Clostridium acetobutylicum (KCTC 1788) 과 C.
- 본 실험에서는 3단계 메탄 발효 공정 가운데 산 발효조 내의 발효액과 메탄 발효조 내의 발효액을 각각 폐지의 산 발효와 메탄발효의 접종액으로 사용하였다. 산 발효액은 Clostridium acetobutylicum (KCTC 1788) 과 C. butyricum (KCTC 1785) 을 포함하고 있으며, 메탄 발효에는 우분 또는 메탄이 발생하는 매립지 토양에서 채취한 시료 속의 메탄 생성 세균을 이용하였다.
- 회분식 산 생성 실험을 수행하기 위하여 신문지 또는 종이 박스 등의 폐지를 건조중량으로 각각 15 g씩 재어 증류수 1 L에 혼합하였다. 사용한 접종액으로는 C. acetobutylicum 과 C. butyricum을 포함하고 있는 음식폐기물 유기산 발효액을 사용하였다. 반응조는 5 L 삼각플라스크를 사용하였고 유효 용적을 2 L로 하였다(Fig.
- butyricum을 포함하고 있는 음식폐기물 유기산 발효액을 사용하였다. 반응조는 5 L 삼각플라스크를 사용하였고 유효 용적을 2 L로 하였다(Fig. 1A). 플라스크 상부는 실리콘 마개로 밀봉하였고 하단부에 가지를 만들어 시료를 채취하였다.
- 1A). 플라스크 상부는 실리콘 마개로 밀봉하였고 하단부에 가지를 만들어 시료를 채취하였다. 실험 초기 폐지 슬러지와 산 발효액을 접종한 후 즉시 질소가 스로 수차례 치환하여 반응조 내부를 혐기성 상태로 유지하였다.
- 회분식 메탄 생성 실험은 폐신문지와 종이박스를 건조중량 15 g씩 재어 증류수 1 L에 혼합하여 사용하였다. 접종액으로는 산 발효액과 메탄생성 세균을 포함하고 있는 메탄 발효액을 혼합하여 동시에 사용하였다. 펴】지, 산 발효액, 메탄 발효 액을 각각 1 : 1 : 2 비율로 혼합하여 실험을 수행하였다.
- 펴】지, 산 발효액, 메탄 발효 액을 각각 1 : 1 : 2 비율로 혼합하여 실험을 수행하였다. 반응조는 5 L 삼각플라스크를 사용하였고 유효용적은 3 L로 하였다(Fig. 1A). 발생한 가스량을 측정하기 위해 반응조 상부에 가스 포집 팩을 사용하여 일일 가스 발생량을 측정하였다.
이론/모형
- pH는 pH meter를 이용하였고, TS (total solid) 및 VS (volatile solid)는 수질오염 공정시험법으로, tCOD는 CODcr 법으로 분석하였다. 가스 발생량은 습식가스 유량계 (Shinagawa, W-NK-5)를 이용하여 측정하였으며, 발생 가스 성분은 Porapak Q column (Alltech, 80/100)을 이용한 TCD gas chromatography (Shimadzu, GC14/BPTF)로 분석하였다.
성능/효과
- 유기산 생성회분식 실험에서 초기 건조 중량 15 g의 폐신문지와 종이박스를 음식 폐기물 산 발효액과 1 : 1로 혼합하여 주입하였을 때 생성된 유기산의 총량은 신문지와 종이박스가 각각 2461과 4978 mg/L로 나타났다. 메탄발효회분식 반응에서 초기 건조 중량 15 g의 신문지와 종이박스 폐지를 주입하였을 때 24일 후 tCOD 제거율은 각각 60.9와 62.4%를 나타내었고 생산된 바이오 가스양은 각각 6.95와 6.43 L이었다. 총고형물(TS)의 변화는 신문지와 종이박스가 각각 34.
- 0%를 나타냈다. 각각의 일일 바이오 가스 생산량은 g당 0.31과 0.30 L로 나 타났으며 바이오 가스 중 메탄함량은 57.3과 56.2%로 나타났 다. 공정의 안정화가 이루어졌다고 판단되는 25일 이후의 pH 는 혐기성 산 발효조와 메탄 발효조에서 각각 5.
- Lactic acid의 경우는 acetic acid의 경 우와는 달리 음식 폐기물의 경우 lactic acid 가 꾸준히 증가 하였으나, 폐 신문지와 폐 종이박스의 경우 증가하는 lactic acid의 양이 미미하였다. 생성된 lactic acid의 농도는 음식 폐 기물, 폐 신문지, 폐 종이박스가 각각 18140, 895 그리고 4442 mg/L로 나타났다(Fig. 2B). Propionic acid와 butyric acid의 경우는 acetic acid나 lactic acid의 양과 비교해 볼 때 유기산 농도의 변화량은 아주 미미하나 조금씩 증가하는 것으로 나타났다(Fig.
- 2B). Propionic acid와 butyric acid의 경우는 acetic acid나 lactic acid의 양과 비교해 볼 때 유기산 농도의 변화량은 아주 미미하나 조금씩 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 2C and D). 유기산 총 생성량은 음식 폐 기물이 19608 mg/L로 가장 많았고, 폐신문지가 2461 mg/L, 폐 종이박스는 4978 mg/L 이었다(Fig.
- 가스 발생시기와 비슷한 시기에 tCOD의 감소가 급속히 일어났으며, 초기 35000 mg/L 정도를 유지하던 tCOD가 25일 후에는 약 14000 mg/L 까지 감소하여 약 60%의 제거율을 보였다. 총 고형물 (total solid)의 변화는 신문지와 종이박스가 각각 34.8과 33.4% 감소하였고, 휘발성 고형물 (volatile solid)의 변화는 신문지와 종이박스가 각각 40.0과 39.2%가 감소하였다. 메탄 생산에 적합하지 않은 셀룰로오스 성분의 효과적인 발효를 위하여 일반적으로 산이나 알칼리로 전처리를 한다(15).
- 7은 유기성 폐기물을 반 연속식으로 처리 시 실험기 간 중 혐기성 산 발효조와 혐기성 메탄 발효조 내의 pH 변화를 나타내었다. 산 발효조에 주입되기 전의 유기성 폐기 물의 평균 pH는 5.5이었으나 산 발효조 내에 주입되어 산 발효가 진행됨에 따라 유기산의 생성으로 인해 pH가 다소 떨어졌으며, 발효조건이 안정화되면서 실험 종반부에 산 발효조의 pH는 약 5.0을 일정하게 유지하였다. 한편 산 발 효조의 유출액을 주입하는 혐기성 메탄 발효조의 경우 발 효가 진행됨에 따라 혐기성 메탄 발효조 내에서 평균 pH가 약 7.
- 0을 일정하게 유지하였다. 한편 산 발 효조의 유출액을 주입하는 혐기성 메탄 발효조의 경우 발 효가 진행됨에 따라 혐기성 메탄 발효조 내에서 평균 pH가 약 7.5로 상승하였음이 관찰되어 메탄발효가 적절히 진 행 중인 것이 확인되었다.
- 8은 반 연속식 메탄발효조에서 발생하는 가스 생산 량을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 가스 생산 량의 경우 초기 안정화 단계에서는 가스 생산이 매우 적었 으나 시간이 지남에 따라 생산량이 점차적으로 증가하였 고, 안정화가 이루어진 것으로 판단되는 25일째 이후에는 신문지와 종이박스에서 생산되는 바이오 가스량은 각각 2.24 L/day, 2.21 L/day로 나타났다. 이를 유기성 폐기물의 건조중량 당 가스 발생량으로 환산하면 각각 0.
- 30 L/g box로 나타낼 수 있다. 발생된 바이오 가스 중 메탄 함량은 신문지와 종이 박스가 각각 57.3, 56.2%로 나타났다. 평균 31000-32000 mg/L의 tCOD 농도를 가진 신문지와 종이박스액을 산발효 조에서 2일간의 체류시간으로 반 연속식으로 공급한 후 산 발효액을 다시 메탄발효조에 주입하여 12일간의 체류시간을 거치는 동안 발효조 내에서 유지되는 평균 tCOD는 신 문지와 종이박스가 각각 9622 mg/L와 9700 mg/L을 나타냄 으로써 64.
- 2%로 나타났다. 평균 31000-32000 mg/L의 tCOD 농도를 가진 신문지와 종이박스액을 산발효 조에서 2일간의 체류시간으로 반 연속식으로 공급한 후 산 발효액을 다시 메탄발효조에 주입하여 12일간의 체류시간을 거치는 동안 발효조 내에서 유지되는 평균 tCOD는 신 문지와 종이박스가 각각 9622 mg/L와 9700 mg/L을 나타냄 으로써 64.7, 65.1%의 tCOD 제거율을 보여주었다. 이상의 결과에서 나타나 있는 바와 같이 신문지 및 종이박스 등 셀룰로오스가 주성분을 이루는 유기성 폐기물을 본 연구실 에서 운전 중인 메탄발효 시스템을 통하여 처리한 결과 tCOD가 감소하고 바이오 가스가 생산되는 것을 확인할 수 있다.
- 1%의 tCOD 제거율을 보여주었다. 이상의 결과에서 나타나 있는 바와 같이 신문지 및 종이박스 등 셀룰로오스가 주성분을 이루는 유기성 폐기물을 본 연구실 에서 운전 중인 메탄발효 시스템을 통하여 처리한 결과 tCOD가 감소하고 바이오 가스가 생산되는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 음식 폐기물의 처리와 비교하였을 때 음식 폐기물보다는 낮은 tCOD 제거율과 바이오 가스 생산량을 보이기 때문에 현 운전조건보다 더 긴 체류시간이 요구된 다는 것을 확인할 수 있다.
- 본 연구는 셀룰로오스 성분의 분해가 용이하지 않은 폐지를 이용하여 유기산 및 메탄으로 전환시킬 수 있는지의 여부에 대하여 연구하였다. 유기산 생성회분식 실험에서 초기 건조 중량 15 g의 폐신문지와 종이박스를 음식 폐기물 산 발효액과 1 : 1로 혼합하여 주입하였을 때 생성된 유기산의 총량은 신문지와 종이박스가 각각 2461과 4978 mg/L로 나타났다. 메탄발효회분식 반응에서 초기 건조 중량 15 g의 신문지와 종이박스 폐지를 주입하였을 때 24일 후 tCOD 제거율은 각각 60.
- 43 L이었다. 총고형물(TS)의 변화는 신문지와 종이박스가 각각 34.8과 33.4% 정도 감소함을 알 수 있었고, 휘발성 고형물(VS)의 변화는 신문지와 종이박스가 각각 40.0과 39.2% 정도 감소함을 알 수 있다. pH는 20일 이후부터 7.
후속연구
- 폐신문지나 폐 종이박스의 유기산 생성량이 음식물 보다 작은 것은 폐신문지와 폐 종이박스의 주성분이 셀룰로 오스로 이루어져서 분해가 잘 안되고 분해되더라도 시간이 오래 걸리기 때문인 것으로 사료된다. 셀룰로오스를 효과적으로 분해할 수 있는 C. cellulovorans, C. populeti, C. thermocellum, C. cellulosi 등과 같은 균주를 이용할 경우 좀 더 효과적으로 폐신문지와 폐종이 박스를 분해하여 유기산을 생산할 수 있을 것으로 판단된다(5).
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