선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 그러나 모든 슬러지를 혐기소화하기 이전에 전처리 하기에는 전처리 시설의 투자비나 운전비가 많이 소요되는 문제가 있다. 따라서 하수나 폐수처리장에서 발생되는 슬러지의 일부분에 대해서만 전처리를 하고 나머지 처리하지 않은 슬러지와 통합하여 혐기소화 처리하는 방안이 검토되었다. Barber에 따르면 슬러지를 초음파로 전처리할 때 초음파처리 비율에 따라 혐기소화 효율이 비례하지 않고 처리비율에 비해혐기소화 효율이 좀 더 높은 시너지 효과가 있는 구간이 있어 부분적인 전처리가 메탄 생산에 도움이 된다고 발표하였다 [19].
- 본 연구의 목적은 대표적인 3가지 전처리 기술을 잉여 슬러 지에 적용하여 슬러지의 가용화(가수분해) 효과를 비교하고자 하며 또한 전처리한 슬러지를 혐기소화하여, 혐기소화에 의한 메탄 생산량과슬러지의 감량 효과를 전처리 방법에 따라 비교하여 향후 슬러 지전 처리 기술 선택의 가이드라인을 제시하고자 한다. 본 연구를 위해서 하수와 폐수 처리장에서 발생된 잉여 슬러지를 각각 이용하여 전처리와 혐기소화에 의한 메탄 생산, 슬러지 감량 효과를 비교하였다.
- Barber에 따르면 슬러지를 초음파로 전처리할 때 초음파처리 비율에 따라 혐기소화 효율이 비례하지 않고 처리비율에 비해혐기소화 효율이 좀 더 높은 시너지 효과가 있는 구간이 있어 부분적인 전처리가 메탄 생산에 도움이 된다고 발표하였다 [19]. 이에 본연구에서는 슬러지 전처리 방법으로 초음파 외에도 열, 열-알칼리처리를 한 슬러지와 control 슬러지의 혼합비율에 따라 메탄 생스上 비율의 변화를 조사하여 그러한 특징이 나타나는지, 또 어떠한 혼합 비율이 최적인지를 조사하였다. Fig.
제안 방법
- Serum bottle 상부는 고무마개로 막고 알루미늄 캡으로 밀봉하였으며, 질소 가스를 주입하여 내부를 혐기 상태로 만들었다. Serum bottle 에서 발생되는 소화 가스는 100 mL의 유리주사기를 이용하여 주기적으로 발생 부피를 측정하였으며, 메탄 함량은 가스 크로마토그라피를 이용하여 분석하였다. 모든 슬러지 전처리 및 혐기소화 실험은 3개의 시료를 대상으로 실험한 결과의 평균값을 이용하였다.
- 소화가스의 메탄 함량은 가스 크로마토그라프 (Agilent, 6890)를이용하여 He을 운반기체로 HaysepQ, 80/100 column(Alltech, USA)으로 분리 후 thermal conductivity detector로 분석하였다. 가스 크로마토그라프의 injector, column, detector는 각각 60, 50, 200 oC에서 운전되었다.
- 공통적으로 pH, 온도, CODC, TSS(총부유고형물), VSS(휘발성 부유 고형물) 농도를 측정하였다. 슬러지 가용화를 확인하기 위한 가용 (soluble) 성분은 처리된 시료를 10, 000 rpm으로 원심분리 후 GF/C 로 여과한 후 측정하였으며 사용된 분석 방법은 Table 2에 정리하였다.
- 본 실험에서는 하수와 폐수 잉여슬러지 혐기소화 가스의 메탄 발생량과 메탄 함량 변화를 비교 분석하였다. 슬러지는 전처리하지 않은 contr이과 초음파, 열, 열-알칼리 처리한 것을 각각 비교 실험하였다.
- 기술 선택의 가이드라인을 제시하고자 한다. 본 연구를 위해서 하수와 폐수 처리장에서 발생된 잉여 슬러지를 각각 이용하여 전처리와 혐기소화에 의한 메탄 생산, 슬러지 감량 효과를 비교하였다.
- [14]. 본 연구에서는 알칼리 처리의 효과를 극대화하기 위해 열처리와 같은 온도에서 알칼리를 주입하여 처리하는 열알칼리 처리법을 적용하였다.
- 슬러지 가용화를 확인하기 위한 가용 (soluble) 성분은 처리된 시료를 10, 000 rpm으로 원심분리 후 GF/C 로 여과한 후 측정하였으며 사용된 분석 방법은 Table 2에 정리하였다. 소화가스의 메탄 함량은 가스 크로마토그라프 (Agilent, 6890)를이용하여 He을 운반기체로 HaysepQ, 80/100 column(Alltech, USA)으로 분리 후 thermal conductivity detector로 분석하였다. 가스 크로마토그라프의 injector, column, detector는 각각 60, 50, 200 oC에서 운전되었다.
- 혐기소화는 회분식으로 빛이 없는 조건에서 150 rpm, 35 oC 교반 배양기에서 120 mL의 serum bottle에 45 mL의 슬러지 시료와 혐기소화 슬러지 15 mL 를 접종하였다. 슬러지 시료에서 발생되는 가스량을 정확히 산정하기 위해 비교 실험으로 15 mL의 혐기소화 슬러지와 미네랄 배지 45 mL를 혼합한 것을 같은 조건에서 혐기 배양하여 이때 발생된 소화 가스의 양을 다른 시료의 소화가스 양에서 뺀 값을 슬러지 소화가스량으로 이용하였다. 슬러지의 전처리 비율에 따른 혐기소화 성능 실험에는 같은 serum bottle 에 전처리하지 않은 잉여 슬러지와전처리한 잉여슬러지 시료를 10:0, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8, 0:10의 비율로 혼합한 것을 45 mL 투입하고 혐기소화 슬러지 15 mL를 접종하였다.
- 슬러지 전처리는 초음파 처리, 열처리, 열-알칼리 동시 처리의 3 가지 방법을 사용하였다. 초음파에 의한 슬러지 전처리를 위하여 초음파 발생기 (Durasonic, TUB120710-064)를 이용하였다.
- 메탄 함량 변화를 비교 분석하였다. 슬러지는 전처리하지 않은 contr이과 초음파, 열, 열-알칼리 처리한 것을 각각 비교 실험하였다. 소화가스 발생량 (Fig.
- 슬러지 시료에서 발생되는 가스량을 정확히 산정하기 위해 비교 실험으로 15 mL의 혐기소화 슬러지와 미네랄 배지 45 mL를 혼합한 것을 같은 조건에서 혐기 배양하여 이때 발생된 소화 가스의 양을 다른 시료의 소화가스 양에서 뺀 값을 슬러지 소화가스량으로 이용하였다. 슬러지의 전처리 비율에 따른 혐기소화 성능 실험에는 같은 serum bottle 에 전처리하지 않은 잉여 슬러지와전처리한 잉여슬러지 시료를 10:0, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8, 0:10의 비율로 혼합한 것을 45 mL 투입하고 혐기소화 슬러지 15 mL를 접종하였다. Serum bottle 상부는 고무마개로 막고 알루미늄 캡으로 밀봉하였으며, 질소 가스를 주입하여 내부를 혐기 상태로 만들었다.
- 5 kJ/L의 에너지를 투입하여 전처리 후가 용화 정도를 분석하였다. 열에 의한 슬러지 전처리는 autoclave로 120 oC에서 한 시간 동안 반응시키고 열-알칼리에 의한 전처리는 가성소다 0.04 N/L 조건에서 autoclave로 한 시간 동안 120 oC에서 반응 시켜 가용화하였다. 전처리에 의한 슬러지 가용화 (solubilization) 효율은 다음 식을 이용하였다.
- 초음파, 열 그리고 열-알칼리로 전처리한 잉여 슬러지와 전처리하지 않은 잉여 슬러지 (control)를 대상으로 혐기소화 실험을 수행하여 메탄 발생량과 슬러지 감량 효과를 확인하였다. 혐기소화는 회분식으로 빛이 없는 조건에서 150 rpm, 35 oC 교반 배양기에서 120 mL의 serum bottle에 45 mL의 슬러지 시료와 혐기소화 슬러지 15 mL 를 접종하였다.
- 줄력은 700 Watt 로, 초음파 주파수는 28 kHz로 고정되어 있다. 초음파에 의한 슬러지 전처리는 11 L 반응기에 8 L의 슬러지 시료를 넣어 0.0875 kW/ L의 power intensity로 787.5 kJ/L의 에너지를 투입하여 전처리 후가 용화 정도를 분석하였다. 열에 의한 슬러지 전처리는 autoclave로 120 oC에서 한 시간 동안 반응시키고 열-알칼리에 의한 전처리는 가성소다 0.
- 방법을 사용하였다. 초음파에 의한 슬러지 전처리를 위하여 초음파 발생기 (Durasonic, TUB120710-064)를 이용하였다. 본 실험에서 사용된 초음파 장치는 파워 공급 부분과 probe로 크게 두 부분으로 구성되며 probe 지름은 7.
- 6에서는 슬러지의 전처리 방법에 따라 혐기소화 후 슬러지감량 효과를 비교하여 나타내었다. 혐기소화에 의한 슬러지의 감량 효과는 21일 간의 혐기소화 기간을 기준으로 초기에 투입된 슬러지의 VSS와 실험이 끝난 후의 VSS를 측정하여 계산하였다. 하수 슬러지의 경우 전처리하지 않은 슬러지는 VSS 기준 50%, 열처리 55.
대상 데이터
- 초음파에 의한 슬러지 전처리를 위하여 초음파 발생기 (Durasonic, TUB120710-064)를 이용하였다. 본 실험에서 사용된 초음파 장치는 파워 공급 부분과 probe로 크게 두 부분으로 구성되며 probe 지름은 7.6 cm, 길이는 58 cm이다. 줄력은 700 Watt 로, 초음파 주파수는 28 kHz로 고정되어 있다.
- 9 g/kg VSSd로 전처리하지 않은 슬러지에 비해 2배 정도 발생량이 증가하였다고 보고하여 본 실험과 유사한 결과를 얻었다 [17]. 본 실험에서도 알칼리 처리에 가성소다를 사용하였으며 그 농도는 그들의 기준으로 따지면 0.26 g NaOH/g VSS로 다소 낮지만 그 효율은 비슷한 값을 보였다. 위의 실험 결과로부터 슬러지 가수분해를 향상시키기 위한 전처리가 메탄 생산에 직접적으로 영향을 끼침을 확인할 수 있다.
- 본 연구에 사용된 하수 슬러지는 C시의 하수처리장에서 발생된잉여 슬러지를 이용하였고 폐수 슬러지는 H 주류공장 폐수처리장의 잉여 슬러지를 대상으로 실험하였다. 슬러지 시료는 현장에서 채취한 뒤 냉장하여 실험실로 운반하였고, 눈금 2.
데이터처리
- Serum bottle 에서 발생되는 소화 가스는 100 mL의 유리주사기를 이용하여 주기적으로 발생 부피를 측정하였으며, 메탄 함량은 가스 크로마토그라피를 이용하여 분석하였다. 모든 슬러지 전처리 및 혐기소화 실험은 3개의 시료를 대상으로 실험한 결과의 평균값을 이용하였다.
이론/모형
- 모든 시료는 Standard Methods 에 의거하여 분석하였다 [15]. 공통적으로 pH, 온도, CODC, TSS(총부유고형물), VSS(휘발성 부유 고형물) 농도를 측정하였다.
성능/효과
- (1) 전처리에 의한 하수와 폐수 슬러지 가용화율은 열-알칼리 병합 처리한 경우에는 67과 70%로 가장 높았고 다음으로 초음파 처리와 열처리가 40% 이상의 비슷한 가용화율을 보였다.
- (2) 하수와 폐수 슬러지 모두 소화 가스의 메탄 함량은 시간에 따라 증가하다가 45~70% 범위에서 일정해지는 경향을 보였다. 슬러지에 따른 메탄 함량은 전처리한 슬러지가 contr이에 비해 높게 나타나며 혐기소화 대사도 신속히 진행되었다.
- (3) 슬러지의 혐기소화 가스 발생량을 비교해 볼 때 전처리한 하수와 폐수 슬러지 모두 contr이에 비해 2배 이상 높게 나타나며 가용화율에 비례하는 경향을 보였다. 또한 메탄 생산량은 하수 슬러지의 경우 열처리, 초음파 처리, 열-알칼리를 같이 처리한 경우 controle 비해 각각 2.
- (4) 슬러지의 전처리 비율에 따른 메탄 생산량을 검토한 결과 초음파 처리를 제외하고 열처리와 열-알칼리 처리에서는 메탄 생산 시너지 효과는 거의 발생하지 않아서 전처리 비율에 거의 비례하여 메탄 생산량이 증가하였으며 초음파 처리의 경우도 5~10% 수준으로 효과가 크지는 않았다.
- (5) 혐기소화 슬러지의 감량효과는 전처리한 슬러지가 controle 비해 5~19% 포인트 높게 나타났으며 열-알칼리 처리한 경우가 초음파와 열처리에 비해 우수한 감량 효과를 보였다. 위의 결과로부터 전처리가 메탄 생산량에서 뿐만 아니라 슬러지 처리와 처분 비용 절감에 있어서도 중요한 역할을 함을 확인할 수 있었고 열-알칼리처리를 같이한 경우가 가장 우수한 결과를 보였다.
- 2(A), (B))의 경우 하폐수 슬러지 모두 전처리한 슬러지에서의 가스 발생량이 contr이에 비해 2배 이상 높게 나타났다. 가스 발생량은 가용화율에 비례하는 경향을 보였으며 최종적으로 열-알칼리 처리가 가장 높은 가스 발생량을 보였고 그다음으로 열처리와 초음파 처리가 비슷한 수준의 발생량을 기록하였다. 다른 전처리 방법에 비해 초음파 처리와 열처리의 경우는 초기 가스 발생량이 많은 것으로 나타났다.
- 1(B)) 잉여 슬러지의 가용화율을 나타내었다. 가용화율은 하수 잉여 슬러지의 경우 열처리에서 40%의 효율을 보이고 초음파처리에서는 44% 그리고 열-알칼리 병합 처리한 경우에는 67%가 가용화되어 전처리방법 중에서 가장 높은 효율을 보였다. 폐수처리장 잉여슬러지의 경우 열처리에서는 30%의 효율을 보이고 초음파처리에서는 42% 그리고 열-알칼리를 같이 처리한 경우에는 70%가 가용화되어 하수 슬러지와 처리방법에 따라 비슷한 가용화 경향을 보였다.
- 따라서 초음파 처리는 열처리에 비해 온도는 낮지만 높은 가용화율을 나타내었다. 그리고 열-알칼리 동시처리를 하는 경우 역시 열처리 효과와 더불어 알칼리의 효과가 더해져 높은 가용화율을 보였다. 알칼리에 의한 슬러지의 가용화 현상은 단백질이 알칼리 조건에서 분해되는 것과 같은 현상이다.
- 산업폐수 슬러지의 메탄 함량 변화 역시 하수 슬러지와 비슷한 결과를 보였다. 다른 전처리 방법에 비해 초음파 처리에서 초기 메탄 함량 및 최종 메탄 함량이 높은 것으로 나타났다.
- 가스 발생량은 가용화율에 비례하는 경향을 보였으며 최종적으로 열-알칼리 처리가 가장 높은 가스 발생량을 보였고 그다음으로 열처리와 초음파 처리가 비슷한 수준의 발생량을 기록하였다. 다른 전처리 방법에 비해 초음파 처리와 열처리의 경우는 초기 가스 발생량이 많은 것으로 나타났다. 특히 하수 슬러지 초음파처리에서는 실험 시작 1, 2일 만에 전체 가스 발생량의 1/3 정도가발생되었다 (Fig.
- 비례하는 경향을 보였다. 또한 메탄 생산량은 하수 슬러지의 경우 열처리, 초음파 처리, 열-알칼리를 같이 처리한 경우 controle 비해 각각 2.6, 2.7, 3.5 배, 폐수 슬러지는 열처리, 초음파처리, 열-알칼리를 같이 처리한 것이 control 비해 각각 3.5, 4.1, 4.2배 증가하였다.
- 2(B)). 또한 열-알칼리 전처리한 폐수 슬러지가 초기에는 가스발생량이 다른 전처리에 비해 상대적으로 낮았다가 실험후반부에 다른 전처리 방법에 비해 큰 폭으로 증가하는 것을 확인하였다. 열-알칼리 처리에서 다른 전처리 방법에 비해 혐기소화에시간이 상대적으로 더 걸리는 것은 혐기소화 미생물의 화학적 환경 조건이 다른 슬러지 전처리 방법에 비해 다르기 때문으로 판단된다.
- 4에서는 하수 및 폐수 잉여 슬러지의 전처리 방법에 따른 메탄 가스 생산량을 슬러지가 대부분 안정화된 21일을 기준으로 정량적으로 비교한 것이다. 메탄 생산량은 하수 슬러지를 전처리하지 않은 경우 90.3 g/kg VSS, 열처리는 231.0 g/kg VSS, 초음파 처리는 241.6 g/kg VSS, 열-알칼리를 같이 처리한 경우에는 313.2 g/kg VSS 가 생산되어 contr이에 비해 각각 2.6, 2.7, 3.5 배의 높은 값을 보였다 (Fig. 4(A)).
- 반면에 열-알칼리 처리에서는 상대적으로 느리게 가스 발생량이 증가하였다. 산업폐수 잉여 슬러지에서도 초음파 처리가 슬러지의 혐기소화 안정화 시간을 줄이는데 기여함을 확인하였다(Fig. 2(B)).
- 초음파 처리한 슬러 지의 신속한 혐기소화 진행은 기존 혐기소화조의 긴 체류시간을 보완할 수 있는 좋은 특성이다. 열처리의 경우에는 다른 전처리 방법에 비해 상대적으로 가용화율에 비해 가스발생량이 많아 혐기소화 효율증대에 기여하는 것을 확인할 수 있다.
- 열처리에 비해 우수한 감량 효과를 보였다. 위의 결과로부터 전처리가 메탄 생산량에서 뿐만 아니라 슬러지 처리와 처분 비용 절감에 있어서도 중요한 역할을 함을 확인할 수 있었고 열-알칼리처리를 같이한 경우가 가장 우수한 결과를 보였다.
- 26 g NaOH/g VSS로 다소 낮지만 그 효율은 비슷한 값을 보였다. 위의 실험 결과로부터 슬러지 가수분해를 향상시키기 위한 전처리가 메탄 생산에 직접적으로 영향을 끼침을 확인할 수 있다.
- 폐수 슬러지의 경우도 하수 슬러지와 거의 비슷한 감량 효과를 보였다 (data not shown). 이 결과로부터 슬러지 감량 효과는 슬러지 가용화 비율과 메탄 생산량에 각각 비례한다는 것을 알 수 있다. 즉, 전처리에 의해 슬러지의 VSS가 감소하며 가용화된슬러지는 혐기소화에 의해 메탄으로 전환되고 메탄 생산량이 많을수록 슬러지의 VSS 감량은 큰 것이다.
- 슬러지에 따른 메탄 함량은 전처리한 슬러지 모두가 처리하지 않은 controle 비해 높게 나타나고 있다. 이것으로 보아 전처리 슬러지의 혐기소화 대사가 controle 비해 신속히 진행되고 있음을 확인할 수 있다. 산업폐수 슬러지의 메탄 함량 변화 역시 하수 슬러지와 비슷한 결과를 보였다.
- 즉, 슬러지 감량 효과는 메탄 생산량에 비례하며 혐기소화에 의한 슬러지 감량은 슬러지의 최종처분 비용에서 대부분을 차지하고 있어 매우 중요하다. 전처리한슬러지의 혐기소화 감량이 전처리하지 않은 것에 비해 5~19% 포인트까지 차이가 나고 있어 전처리가 메탄 생산량에서 뿐만 아니라슬러지 처리와 처분 비용 절감에 있어서도 중요한 역할을 함을 확인할 수 있다. 슬러지 처리 성능면에서 열-알칼리 동시 처리한 것이 가장 효과적이었는데 향후 투자비와 운전비를 고려한 최적 처리조건에 대한 연구가 추가적으로 필요하다.
- 이 결과로부터 슬러지 감량 효과는 슬러지 가용화 비율과 메탄 생산량에 각각 비례한다는 것을 알 수 있다. 즉, 전처리에 의해 슬러지의 VSS가 감소하며 가용화된슬러지는 혐기소화에 의해 메탄으로 전환되고 메탄 생산량이 많을수록 슬러지의 VSS 감량은 큰 것이다. 즉, 슬러지 감량 효과는 메탄 생산량에 비례하며 혐기소화에 의한 슬러지 감량은 슬러지의 최종처분 비용에서 대부분을 차지하고 있어 매우 중요하다.
- 가용화율은 하수 잉여 슬러지의 경우 열처리에서 40%의 효율을 보이고 초음파처리에서는 44% 그리고 열-알칼리 병합 처리한 경우에는 67%가 가용화되어 전처리방법 중에서 가장 높은 효율을 보였다. 폐수처리장 잉여슬러지의 경우 열처리에서는 30%의 효율을 보이고 초음파처리에서는 42% 그리고 열-알칼리를 같이 처리한 경우에는 70%가 가용화되어 하수 슬러지와 처리방법에 따라 비슷한 가용화 경향을 보였다. 초음파 처리 시 온도는 상온에서 투입 에너지에 따라 약 70℃ 전후까지 상승하게 되는데 [12] 이러한 온도 증가는 초음파의 기계적 에너지가 열로 소멸되면서 일어나는 현상으로 초음파 처리는 공동화 기포 (cavitation bubble) 에 의한 현상과 온도 상승에 의한 열적 처리가 결합된 것으로 볼 수 있다.
- 혐기소화에 의한 슬러지의 감량 효과는 21일 간의 혐기소화 기간을 기준으로 초기에 투입된 슬러지의 VSS와 실험이 끝난 후의 VSS를 측정하여 계산하였다. 하수 슬러지의 경우 전처리하지 않은 슬러지는 VSS 기준 50%, 열처리 55.4%, 초음파처리 61.8%, 열-알칼리 처리 68.9%의 감량효과를 보였다 (Fig. 6). 폐수 슬러지의 경우도 하수 슬러지와 거의 비슷한 감량 효과를 보였다 (data not shown).
후속연구
- 초음파로 슬러지를 전처리하는 경우 슬러지 전부를 전처리하는 것보다 일부 만전 처리하여 처리하지 않은 것과 혼합하여 혐기소화조에 투입하는 것이 초음파 에너지 비용 절감과 메탄 생산을 증대하는 효과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. Fig. 5(B)와 ©에서는 각각 열처리와 열-알칼리 처리 비율에 따른 메탄 생산 비율 결과를 보여 주는데 초음파 처리 결과와는 달리 시너지 효과는 거의 발생하지 않아서 전처리 비율에 거의 비례하여 메탄 생산량이 증가하므로 부분 전처리에 의한 메탄 생산 시너지 효과는 발생하지 않아 투입에너지 비용을 절감하는 효과는 기대할 수 없지만 전처리에 의한 메탄 생산량이 2배 이상 증가하여 전처리에 필요한 에너지 비용을 메탄으로 일부 회수할 수 있을 것으로 기대된다.
- 전처리한슬러지의 혐기소화 감량이 전처리하지 않은 것에 비해 5~19% 포인트까지 차이가 나고 있어 전처리가 메탄 생산량에서 뿐만 아니라슬러지 처리와 처분 비용 절감에 있어서도 중요한 역할을 함을 확인할 수 있다. 슬러지 처리 성능면에서 열-알칼리 동시 처리한 것이 가장 효과적이었는데 향후 투자비와 운전비를 고려한 최적 처리조건에 대한 연구가 추가적으로 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.