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문제 정의
- 본 연구에서는 ABR과 ASBR을 이용하여 수소 발효 반응조 유출수의 혐 기성 소화 시 초기 운전 기간을 포함한 각각의 반응조의 메탄 발효성능을 평가 하였으며 , 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 ABR과 ASBR을 이용하여 수소 발효 반응조 유출수의 혐기성 소화 시 초기 운전 기간을 포함한 각각의 반응조의 메탄 발효 성능을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 식종 완료 후 N 가스로 반응조의 기상 부분을 5분간 탈기하여 혐기성 상태로 전환하였다. ABR과 ASBR의 기질 유입은 1일 1 회 수행하였으며, ASBR 운전 방식은 기질 주입 1시간, 반응 17시간, 침전 5시간, 유출 1시간으로 나누어 운전하였다.
- ABR과 ASBR의 운전은 유기물 부하율 1.0 kg COD/m3 ・d와 HRT 20일 조건으로 수행하였다. 메탄 발생량은 [Fig.
- 분석하였다. VFAs(Volatile Fatty Acids)는 fast acid column (BIO-RAD)이 장착된 HPLC(YL9100) 장비를 이용하여 분석하였다.
- 메탄 가스 조성은 기질 유입 전 습식 가스 저류조에서 가스를 채취하여 TCD(Thermal Conductivity Detector)가 장착된 GC(Gas Chromatography, Gow Mac series 580, USA)를 이용하여 분석하였다. Columne 1.
- MSM 용액의 조성은 [Table 1]에 나타내었다. 메탄 발생량 측정은 50 mL의 유리 주사기를 이용하였으며 발생된 가스는 온도 및 증기압을 표준상태로 보정하였다. 비메탄 활성도 실험 결과는 식(1)에 제시된 수정 Gompertz 식을 이용하여 산정하였다11>.
- 비메탄 활성도 평가를 위해 식종 슬러지와 운전 30 일 경과 후 ABR의 각 격방과 ASBR의 미생물을 각각 채수하였다. ABR의 격방 2와 3 및 ASBR의 각 미생물을 이용한 비메탄 활성도 평가 결과는 [Table 2]에 요약하였다.
대상 데이터
- 2 mm stainless steel column을 사용하였으며 충진제로는 molecular sieve 5A(80/100 mesh)를 사용하였다. Column,injector 및 detector의 온도는 각각 50, 80 및 90C 로 고정시 켰으며 , 고순도 질소(99.999%)를 운반 기체로 이용하였다.
- 기질은 음식폐기물을 기질로 이용하는 CSTR(Con- tinuous Stirred Tank Reactor) 형태의 혐기성 수소 발효 반응조로부터 발생되는 유출수를 기질로 사용하였으며, TCOD(Total Chemical Oxygen Demand)를 20 g/L로 희석하여 사용하였다. 실험에 사용된 수소 유출수는 평균적으로 VS(Volatile Solids), 탄수화물 및 총 유기산 농도가 각각 23.
- 비메탄 활성도(Specific Methanogenic Activity, SMA) 실험은 총 용량 120 mL의 혈청병을 이용하였다. 식종 슬러지는 10 mL 주입하였으며, 유효 부피 70 mL의 나머지 부분은 수소 발효 반응조 유출수와 MSM(Mineral Salts Medium) 용액으로 채웠다.
- 식종 슬러지는 S시에 위치한 하수처리장 혐기 소화 조에서 유출되는 슬러지를 채수하여 식종하였다. 식종 슬러지의 TSS(Total Suspended Solids)는 18, 060 mg/L이며, VSS(Volatile Suspended Solids)/TSS의 비는 0.
이론/모형
- VS, VSS 및 COD는 Standard Methods에 준해 분석하였으며, 탄수화물은 spectrophotome- ter(Beckman Coulter DU730, USA) 장비를 이용하여 Dubois 등(1956)의 방법으로 분석하였다. VFAs(Volatile Fatty Acids)는 fast acid column (BIO-RAD)이 장착된 HPLC(YL9100) 장비를 이용하여 분석하였다.
- 메탄 발생량 측정은 50 mL의 유리 주사기를 이용하였으며 발생된 가스는 온도 및 증기압을 표준상태로 보정하였다. 비메탄 활성도 실험 결과는 식(1)에 제시된 수정 Gompertz 식을 이용하여 산정하였다11>;.
성능/효과
- 1. 유기물 부하율 1.0 kg COD/m3 ・d와 HRT 20일 조건에서 ABR과 ASBR 연속 운전 결과 정상 상태에 도달하기까지 각각 약 28일과 5일이 소요되는 것으로 나타났다. 초기 운전 기간에는 ABR 및 ASBR에서 평균 메탄 발생량은 각각 0.
- 2. ABR과 ASBR의 COD 제거율은 초기 운전 기간에서 각각 89%와 92%로 나타났으며 , 정상 상태도 달 후에는 각각 93%로 유사하게 나타났다.
- 3. ABR의 격방 2와 3에서 비메탄 활성도는 각각 0.38 g CH4 COD/g VSS・d와 0.15 g CH4 COD/g VSS・d로 나타났다. ABR에서 가장 높게 나타난 격방 2 미생물의 비메탄 활성도는 ASBR 미생물의 비메탄 활성도 보다 낮게 나타났다.
- 2]와 같이 나타났다. ABR과 ASBR 연속 운전 결과 정상 상태에 도달되기까지는 각각 약 28일과 5일이 소요되었으며 초기운전 기간의 차이는 약 23일로 나타났다. 초기 운전 기간에는 ABR과 ASBR에서 평균 메탄 발생량은 각각 0.
- 4] 에 나타내었다. ABR과 ASBR의 COD 제거율은 초기 운전 기간에서 각각 89%와 92%로 나타났으며 , 정상 상태 도달 후에는 각각 93%로 유사하게 나타났다. ABRe 압출형 흐름과 유사하기 때문에 정상 상태에 도달되기 전에는 ASBR 에 비해 원활한 유기물 제거가 이루어지지 않는 것으로 판단된다.
- 15 g CH4 COD/g VSS・d로 나타났다. ABR에서 가장 높게 나타난 격방 2 미생물의 비메탄 활성도는 ASBR 미생물의 비메탄 활성도 보다 낮게 나타났다.
- Mutnan 등(1999)은 4개의 격방으로 구성되어 있는 ABR을 이용하여 각 격방의 미생물에 대한 활성도를 평가하였다. 그 결과, 첫 번째 격방에서는 가수분해와 산 발효 미생물에 대한 활성도가 가장 높게 나타났으며, 격방 2에서는 비메탄 활성도가 가장 높게 나타났다. 본 연구에서도 ABR의 격방 2에서 비메탄 활성도가 가장 높게 나타나 Mutnan 등(1999)의 연구 결과와 유사하나, ASBR 미생물의 비메탄 활성도 보다는 낮게 나타났다.
- Uyanik 등(2002)에 의하면 ABR의 첫 번째 격방에서는 산발효가 진행되는 것으로 보고되어 있으며, 나머지 격방에서는 메탄 발효가 진행되는 것으로 보고되어 있다16>. 따라서 ABR의 격방 1에서는 pH 5.2로 대부분 가수분해 또는 산발효 미생물로 구성되어 있어 비메탄 활성도 평가 결과 메탄은 발생되지 않는 것으로 판단된다. ABR의 격방 2와 3에서 비메탄 활성도는 각각 0.
- 실험에 사용된 수소 유출수는 평균적으로 VS(Volatile Solids), 탄수화물 및 총 유기산 농도가 각각 23.7 g/L, 2.2 g/L 및 12.1 g/L로 나타났다.
- 19 L/L/d로 나타났다. 정상 상태 도달 후에 ABR과 ASBR의 최대 메탄 발생량은 각각 0.25 L/L/d와 0.31 L/L/d로 나타났다. Wang 등(2004)의 연구에 의하면 ABR에서는 반응조 내부가 격방으로 구분되어 있어 격방 순으로 메탄 함량이 증가되는 것으로 보고되어 있다14>.
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