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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 대표적인 유기성 폐기물의 하나인하수슬러지를 혐기소화에 의한 바이오가스 생산의 유용한 기질로 사용하고자 다양한 가용화 기술 중에서 하수슬러지에 적용 가능한 최적의 가용화 기술을 탐색하고자 하며, 생물학적 수소 생산 시에 가용화된 하수슬러지만을 대상 원료로 사용할 수 있을 지에 대해 탐색해보고자 한다.
제안 방법
- pH 최적화에 따른 생물학적 수소 생산 특성을 규명하기위해 가용화된 슬러지의 초기 pH를 pH 5~12까지 pH 1 간격으로 조정한 후 37 土 1°C 하에서 3일 동안 수소 생산시험을 진행하였다.
- 각 가용화 조건에 따른 생물학적 수소 생산 특성을 분석하기 위해 수소와 VFAs를 동시에 측정하였으며, 측정된 VFAs를 농도별로 분석하여 가용화된 하수슬러지만을 대상으로 진행된 생물학적 수소 생산 특성을 조사하였다.
- 열처리를 위해서는 고온.고압 습식 멸균기를 사용하여, 120°C 에서 30분간 가열을 한 후 실온으로 냉각한 다음 가용화 효율을 측정하였으며, 알칼리 처리를 위해서는 monobasic과 dibasic의 가용화 효과를 비교해 보기 위해 NaOH, KOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2와 같은 서로 다른 네 종의 시약을 임의로 선정한 후 pH 12 조건 하에서 가용화 처리를 진행하였고, 이 중 최고의 가용화 효율을 보인 시약을 기준으로 각 시약을 주입한 양별로 실험을 진행하였다. 산처리를 위해서는 HC1 을 이용하여 pH 2 조건 하에서 가용화를 실시하였다.
- 또한, 생성된 바이오가스는 wet gas meter를 사용하여 총부피를 측정하였고, 压와 VFAs는 gas chromatography (이하 GC)로 측정하였다. GC는 Acme6000을 사용하였으며, 그외 분석조건을 Table 1에 보였다.
- 초음파를 사용한 가용화에서는 digital ultrasonic homogenizer (20 kHz, Bandelin, Germany)를 사용하였으며, 다양한 조건 하에서 120분 동안 가용화 처리를 진행하였으며, 30분 간격으로 한 번씩 시료를 채취하여 가용화 효율을 측정하였다. 또한, 알칼리 처리와 초음파 처리를 혼합한 가용화 처리를 적용하였는데, 이 때 알칼리 처리를 먼저 적용한 경우와 초음파 처리를 먼저 적용한 경우의 가용화 효율을 비교하였다. 이상과 같은 실험방법을 요약하여 Table 2에 보였다.
- 모든 실험 시에는 혐기적 조건 하에서 실시하였으며, 이를 위해 아르곤 가스를 혐기분위기용 가스로 사용하였다.
- 본 단계에서는 상기에 사용된 각종 가용화 기술을 사용하여 하수슬러지를 가용화한 다음 가용화된 하수슬러지만을 기질로 사용할 때의 생물학적 수소 생산성을조사하였다. 이때, 실험 전 예측으로는 가용화 효과가 우수한 기질일수록 수소 생산성이 높을 것으로 기대하였다.
- 본 연구에서 생물학적 수소 생산의 기질로 사용하기위해 우리나라의 대표적 유기성 폐기물 중 하나인하수슬러지를 대상으로 다양한 전처리 기술을 적용한 후가용화 효율을 측정하였다. 이때 사용한 전처리 기술로는물리적, 화학적, 그리고 물리.
- 본 연구에서 하수슬러지의 가용화에 적용한 기술들의 결과를 유기물의 용출속도로 계산한 후 각 데이터에 최소제곱법을 적용하여 Fig. 3에 도시하였다.
- 고압 습식 멸균기를 사용하여, 120°C 에서 30분간 가열을 한 후 실온으로 냉각한 다음 가용화 효율을 측정하였으며, 알칼리 처리를 위해서는 monobasic과 dibasic의 가용화 효과를 비교해 보기 위해 NaOH, KOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2와 같은 서로 다른 네 종의 시약을 임의로 선정한 후 pH 12 조건 하에서 가용화 처리를 진행하였고, 이 중 최고의 가용화 효율을 보인 시약을 기준으로 각 시약을 주입한 양별로 실험을 진행하였다. 산처리를 위해서는 HC1 을 이용하여 pH 2 조건 하에서 가용화를 실시하였다. 실험 전 예측으로는 미생물이 모여 floc 을 형성하고 있는 하수슬러지의 특성상 산 처리보다는 알칼리 처리에 의한 가용화'효과가 더 클 것이라고 예측하였다.
- 상기에서 다양한 가용화 처리 기술을 하수슬러지에 적용한 후 가용화 효율을 통해 최적 가용화 처리 기술을 탐색하였다. 본 단계에서는 상기에 사용된 각종 가용화 기술을 사용하여 하수슬러지를 가용화한 다음 가용화된 하수슬러지만을 기질로 사용할 때의 생물학적 수소 생산성을조사하였다.
- 상기와 같이 다양한 가용화 기술을 적용하여 얻은 데이터를 식⑴에 대입하여 유기물의 용출속도를 구하였다.
- 이때 생물학적 수소 생산의 균체로 사용하고자 하수처리장의혐기발효조에서 슬러지를 채취한 후 90°C에서 15분 동안 열처리를 적용하여 spore를 형성하는 수소 생산 미생물을 제외한 다른 모든 균주의 활성을 제거한 다음 이를 수소생산용 균체로 사용하였다. 이와 같이 열처리를 진행함으로써 생산된 수소를 소비하는 균주의 활성을 억제하고 수소 생산 균주를 자연계로부터 쉽게 얻을 수 있다 (12).
- 즉, 초기 SCOD에 대해 가용화가 진행되면서 얼마만큼의 SCOD가 용출되었나를 수치화한 것이며, 이를 시간 경과에 따라 도시한 다음 각 조건에 대해 least square method를 적용한 후 각 직선에서의 기울기 값을 용출속도로 결정하였다.
- 실험 전 예측으로는 미생물이 모여 floc 을 형성하고 있는 하수슬러지의 특성상 산 처리보다는 알칼리 처리에 의한 가용화'효과가 더 클 것이라고 예측하였다. 초음파를 사용한 가용화에서는 digital ultrasonic homogenizer (20 kHz, Bandelin, Germany)를 사용하였으며, 다양한 조건 하에서 120분 동안 가용화 처리를 진행하였으며, 30분 간격으로 한 번씩 시료를 채취하여 가용화 효율을 측정하였다. 또한, 알칼리 처리와 초음파 처리를 혼합한 가용화 처리를 적용하였는데, 이 때 알칼리 처리를 먼저 적용한 경우와 초음파 처리를 먼저 적용한 경우의 가용화 효율을 비교하였다.
- 이때 사용한 전처리 기술로는물리적, 화학적, 그리고 물리.화학적 방법이었는데, 더욱세밀하게는 열처리, 초음파 처리, 알칼리와 산처리, 그리고알칼리와 초음파를 혼합한 처리를 하수슬러지에적용하였다.
대상 데이터
- 측정하였다. GC는 Acme6000을 사용하였으며, 그외 분석조건을 Table 1에 보였다.
- S 대학교의 하수처리장에서 채취한 슬러지를 대상으로 다양한 가용화 기술을 적용하였으며, 가용화된 슬러 지만을 생물학적 수소 생산시 대상원료로 사용하였다. 이때 생물학적 수소 생산의 균체로 사용하고자 하수처리장의혐기발효조에서 슬러지를 채취한 후 90°C에서 15분 동안 열처리를 적용하여 spore를 형성하는 수소 생산 미생물을 제외한 다른 모든 균주의 활성을 제거한 다음 이를 수소생산용 균체로 사용하였다.
- 본 연구는 2005년도 에너지관리공단 에너지.자원기술개발사업 (폐기물 활용 CO의 고효율 메탄 전환을 위한 혐기반응시스템 개발)의 지원을 받아 수행하였으며 이에 감사를 드립니다.
이론/모형
- TCOD의 측정은 standard method(13)의 closed reflux, colorimetric method 에 의거한 HACH 사의 DR 2500 spectrophotometer 및 COD reactor를 사용하여 측정하였다. 이 중 SCOD는 0.
- 45 例의 필터로 걸러 폐수 내의 고형물을 제거한 후 즉정하였다. 또한 MLSS (mixed liquor suspended solid) 및 VSS (volatile suspended solid)는 standard method를 기준으로 분석하였다.
성능/효과
- Fig. 1에서 보면 가용화 기술을 적용한 경우는 모두 SCOD 값이 상승하였으며, 각 가용화 기술을 단독으로 적용하기보다는 각 단일 기술들을 혼합하여 적용하는 것이 보다 효율적인 것으로 나타났다. 초음파와 알칼리를 각각 단독으로 적용하는 경우에는 각각 약 0.
- Fig. 1의 가용화 결과 중에서 알칼리와 초음파를 하수슬러지에 혼합 적용한 경우에서 높은 가용화 효과를 보였다. 특히, 알칼리를 먼저 하수슬러지에 적용한 후 곧이어 초음파를 적용하는 경우에서 가장 높은 가용화 효과를 보였다.
- 따라서 생산된 VFAs 농도 중 propionic acid의 농도가낮으면서 B/A ratio가 높을수록 생물학적 수소 생산 효율이 높게 될 것으로 예측하였다. 결과적으로 Fig. 5에서 보면 하수슬러지에 알칼리와 초음파를 혼합 적용한 경우에서 가장 높은 B/A ratio를 얻을 수 있었으며, propionic acid 의 농도도 낮게 측정되었다. 이에 따라 Fig.
- 결과적으로 알칼리와 초음파를 혼합 적용하여 가용화한하수슬러지를 기질로 사용했을 때 가장 높은 수소 생산성을 보였으며 다음으로는 초음파와 알칼리를 혼합 적용한경우이다. 따라서 각종 가용화 기술을 단독으로 사용하기보다는 혼합적으로 사용하게 되면 보다 높은 수소 생산성을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 4에서 볼 수 있듯이, 열처리의 경우 보다 많은 수소를 생산하였다. 그 이유는 Fig. 5에서 볼 수있듯이, 열처리의 경우 산처리보다 VFAs 생산성이 높았고 B/A ratio도 높아 Clostridia 종에 의해 보다 쉽게 이용되어수소를 생산할 수 있었던 것으로 판단된다.
- 그 이유는 Clostridia 종에 의해 생산된 수소가메탄이나 propionic acid를 생산하는 데 소비되기 때문이다 (21). 따라서 생산된 VFAs 농도 중 propionic acid의 농도가낮으면서 B/A ratio가 높을수록 생물학적 수소 생산 효율이 높게 될 것으로 예측하였다. 결과적으로 Fig.
- 즉, 초음파에 의해 일차로 슬러지의 floc이 붕괴된 후 NaOH에 의해슬러지의 미생물이 붕괴되는 것으로 판단된다. 또한, Fig. 2에서 각 처리 조건에 따른 VSS 감소율을 보면 초음파와알칼리를 혼합 적용하는 처리기술의 경우 가용화 초기에는 약간의 VSS 감소율을 보이다가 가용화 효과가 증가되지 않는 구간에서는 VSS 감소율 또한 정지되는 것을 알수 있다. 하지만 알칼리와 초음파를 혼합 적용하는 처리기술의 경우에는 VSS 감소율이 지속적으로 증가하는 것을알 수 있다.
- 5에서 보면, 무처리의 경우 열처리보다 B/A ratio가 높게 측정되었지만 열처리를 적용한 경우에서 수소생산 효율이 높은 이유는 무처리에서보다 열처리에서 VFAs 농도가 높으며 butyric acid가 보다 많이 생산되었기때문으로 판단된다. 또한, 산처리와 열처리의 결과를 비교해보면, 열처리의 경우 가용화 효과가 산처리보다 낮아 예측으로는 산처리보다 수소 생산효율이 낮게 나올 것으로예상하였으나 Fig. 4에서 볼 수 있듯이, 열처리의 경우 보다 많은 수소를 생산하였다. 그 이유는 Fig.
- 초음파를 단독으로 사용하는 경우에는 처리 시간을 증가시킨다고 하더라도 가용화 효과의 증가 폭은 크지 않아 30분의 처리시간이 가장 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 알칼리 처리 시 NaOH를 2 g/L sludge 로 주입했을 때 가장 높은 가용화 효율을 보였으나, 그 후계속적으로 알칼리의 양을 증가시킨다고 하더라도 가용화 효과는 증가하지 않았는데 그 이유는 알칼리의 양이 증가되면 하수슬러지의 점성이 매우 높아지게 되고 교반이 되지 않아 주입한 알칼리의 효과가 하수슬러지의 모든 floc 과 미생물에게 영향을 주지 않은 것으로 판단된다(데이터는 보이지 않았음). 따라서 알칼리 (NaOH 기준)를 2 g/L sludge의 비율로 주입하는 것이 가장 경제적이며 보다 높은 가용화 효과를 기대할 수 있다.
- 상기에 하수슬러지의 가용화에 사용될 수 있는 각종 처리 기술들에 조사한 결과 알칼리와 초음파를 혼합 적용하는 처리 기술이 가장 최적임을 알 수 있었다. 이에 상기각종 처리 기술들을 하수슬러지에 적용한 후 가용화된 하수슬러지만을 기질로 하여 생물학적 수소 생산 시험을 진행한 후 그 결과를 Fig.
- 이 단점을 해결하기 위해서는 미생물 세포의 구조적 형태를 파괴하는 과정, 즉 가용화 (전처리)가 필요하다. 이 가용화를통해 미생물 세포 파괴, 슬러지 입자'크기 감소, 비표면적증가, SCOD 증가 등의 효과를 얻을 수 있고, 이를 통해절대 혐기성 균주의 양호한 기질화를 기대할 수 있으며, 부가적으로 슬러지의 감량화를 꾀할 수 있다.
- 5이었다. 이에 pH 5~5.5를 제외한 모든실험 조건이 동일한 상태에서 수소 생산 시험을 진행한결과 Fig. 6에서 얻은 pH 5~5.5가 생물학적 수소 생산에있어서 최적 pH 조건인 것으로 판단된다.
- 이 결과는 초음파는 20 kHz로 30분을 처리한 것이며, 알칼리는 NaOH로써 pH 12로 조정한 후 30분을 처리한 결과이다. 초음파를 단독으로 사용하는 경우에는 처리 시간을 증가시킨다고 하더라도 가용화 효과의 증가 폭은 크지 않아 30분의 처리시간이 가장 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 알칼리 처리 시 NaOH를 2 g/L sludge 로 주입했을 때 가장 높은 가용화 효율을 보였으나, 그 후계속적으로 알칼리의 양을 증가시킨다고 하더라도 가용화 효과는 증가하지 않았는데 그 이유는 알칼리의 양이 증가되면 하수슬러지의 점성이 매우 높아지게 되고 교반이 되지 않아 주입한 알칼리의 효과가 하수슬러지의 모든 floc 과 미생물에게 영향을 주지 않은 것으로 판단된다(데이터는 보이지 않았음).
- 1의 가용화 결과 중에서 알칼리와 초음파를 하수슬러지에 혼합 적용한 경우에서 높은 가용화 효과를 보였다. 특히, 알칼리를 먼저 하수슬러지에 적용한 후 곧이어 초음파를 적용하는 경우에서 가장 높은 가용화 효과를 보였다. 이 이유는 초음파를 먼저 적용하는 경우보다 알칼리를 먼저 적용하는 경우에 있어서 하수슬러지의 floc이 붕괴되는효과가 컸음을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 각종 가용화 기술을 단독으로 사용하기보다는 혼합적으로 사용하게 되면 보다 높은 수소 생산성을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
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