[논문]음식물류폐기물폐수의 혐기성 소화에서 바이오가스의 실록산 농도 특성

이채영; 이세욱; 박수희; 허광범; 김해룡; 이남훈

doi:10.17137/korrae.2011.19.4.2

음식물류폐기물폐수의 혐기성 소화에서 바이오가스의 실록산 농도 특성
Characteristics of Siloxane Concentrations in Bio Gas from Anaerobic Digestion of Food Wastewater 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.19 no.4, 2011년, pp.60 - 65

이채영 (수원대학교 토목공학과) , 이세욱 (수원대학교 토목공학과) , 박수희 (수원대학교 토목공학과) , 허광범 (전력연구원) , 김해룡 (한국환경공단) , 이남훈 (안양대학교 환경공학과)

초록
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실록산은 유기규소화합물로서 혐기성소화조에서 생산되는 바이오가스로 휘발되며, 이러한 실록산은 바이오가스로 이용되는 가스 연소 엔진 고장의 원인이 된다. 따라서, 바이오가스 내의 실록산을 저감시킬 수 있는 방안이 필요하며 우선적으로 실록산의 발생특성에 대한 조사가 필요하다. 이에 본 연구는 음식물류폐기물폐수의 혐기성소화조에서 발생되는 바이오가스에 함유되어 있는 실록산의 농도 특성을 조사하였다. 총 실록산의 농도는 평균적으로 $9.5mg\;siloxane/m^3$로 나타났으며, 고리 구조 D4의 실록산 농도는 $4.0mg\;siloxane/m^3$로 가장 높게 나타났다. 고리구조 및 선형구조 실록산의 농도는 각각 D4>D5>D6 및 L4>L3>L5>L2의 순서로 나타났다. 1월 2월 및 3월의 실록산 농도 측정 결과에서 1월의 총 실록산 농도가 가장 낮게 나타났으며, 3월의 총 실록산 농도가 가장 높게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Siloxane is an organic silicon compound and is volatilized into the bio gas from anaerobic digestion. It causes failure of gas combustion engines using the bio gas. Siloxane emission characteristics should be identified to provide a proper siloxane control. This study focuses on characterizing siloxane emission in bio gas from an anaerobic digester of food wastewater operating from January to March. The concentrations of total average siloxane and cycle-siloxane D4 were detected to be 9.5 and $4.0mg\;siloxane/m^3$, respectively. The concentrations of cycle-siloxane and linear-siloxane were resulted in D4>D5>D6 and L4>L3>L5>L2, respectively. The total siloxane concentration was the lowest in January and the highest in March.

주제어

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 음식물류폐기물폐수의 혐기성 소화 조에서 발생되는 바이오가스의 실록산농도 특성을 파악하고자 수행하였다.

제안 방법

바이오가스를 3시간 동안 100 mL/min 로 용매에 통과시켜 총 18 L 를 흡수하였다 시료 채취를 하는 동안 주기적으로 각 연결관 마다 바이오가스의 누설 여부를 확인하였으며, 습식 가스 미터 (SINAGAHWA, Japan)를 사용하여 총 18 L 의 바이오가스 흡수량을 확인하였다. 또한, 황화수소 및 암모니아는 대기 공정시험법에 따라 흡수액을 각각 제조하여 1 L/min 로총 20 L 를 흡수하였다
1] 에 제시되어 있는 것과 같이 임핀저 (Impinger) 4개를 설치하여 각각의 임핀저에 메탄올을 6 mL씩 채웠다. 바이오가스를 3시간 동안 100 mL/min 로 용매에 통과시켜 총 18 L 를 흡수하였다 시료 채취를 하는 동안 주기적으로 각 연결관 마다 바이오가스의 누설 여부를 확인하였으며, 습식 가스 미터 (SINAGAHWA, Japan)를 사용하여 총 18 L 의 바이오가스 흡수량을 확인하였다. 또한, 황화수소 및 암모니아는 대기 공정시험법에 따라 흡수액을 각각 제조하여 1 L/min 로총 20 L 를 흡수하였다
채취한 시료의 실록산 농도는 GC/MS(Gas Chromatography/Mass Spectrometer, Shimadzu QP-5050, Japan) 로 분석하였으며, 컬럼은 Varian CP-Sil 5/MS(1 zml film thickness, 60 m, 0.32 mm I.D.) 을 이용하여 2회 측정하였다
혐기성소화조에서 발생되는 가스의 조성, 암모니아 및 황화수소 가스의 농도 측정은 휴대용 측정기 LMSxi(COVENTRY, UK) 를 이용하였으며, 측정 시 바이오가스를 5분 이상 충분히 통과 시켜 측정하였다. 황화수소 (H₂S) 및 암모니아 (NH3)의 검출농도한계는 각각 200 ppm 및 6, 000 ppm 이다.
혐기성소화조의 바이오가스 내 실록산의 채취는 1월, 2월 및 3월에 각각 1회씩 수행되었으며, 1월 및 2월은 겨울, 3월은 봄으로 구분하였다.

대상 데이터

본 대상의 혐기성소화조는 고온55℃) 조건의 완전혼합반응조 (CSTR) 형태이며, 유입량은 3-5 m3/일이며, 수리학적 체류시간 (Hydraulic Retention Time, HRT)은 20-23일로 운전되었다 본 대상 혐기성소화조에 유입되는 기질인 음식물류폐기물폐수의 평균 농도는 COD(Chemical Oxygen Demand), VS(Volatile Solids) 및 SS(Suspended Solids) 기준으로 각각 115 g/L, 48 g/L 및 32 g/L이며, pH는 3.7이다. [Table 2]에 음식물류폐기물폐수의 성상을 평균적으로 나타내었다.
본 연구는 인천에 위치한 음식물류폐기물폐수의 혐기성소화조를 대상으로 시료 채취를 수행하였다. 본 대상의 혐기성소화조는 고온55℃) 조건의 완전혼합반응조 (CSTR) 형태이며, 유입량은 3-5 m3/일이며, 수리학적 체류시간 (Hydraulic Retention Time, HRT)은 20-23일로 운전되었다 본 대상 혐기성소화조에 유입되는 기질인 음식물류폐기물폐수의 평균 농도는 COD(Chemical Oxygen Demand), VS(Volatile Solids) 및 SS(Suspended Solids) 기준으로 각각 115 g/L, 48 g/L 및 32 g/L이며, pH는 3.

이론/모형

본 대상 혐기성소화조 내 바이오가스에 함유된실록산의 시료 채취는 [Fig. 1] 에 제시되어 있는 방법으로 바이오가스를 헥산, 메탄올 및 아세톤 등의 용매에 통과시켜 실록산이 흡수되도록 하는임핀저 (Impinger) 방법을 사용하였다8). [Fig.

성능/효과

1. 대상 혐기성소화조의 메탄 가스 발생량은 평균적으로 495 Nm3/ton VS 으로 발생되었으며, 바이오가스 내의 황화수소 및 암모니아의 농도는 각각 683 ppm 및 3, 810 ppm 으류 나타났다.
2. 대상 혐기성소화조에서 발생되는 총 실록 산의 농도는 9.5 mg siloxane/m3 로 나타났으며, D4 형태의 실록산 농도는 4.0 mg siloxane/m3 로 가장 높게 나타났다.
3. 1월, 2월 및 3월의 실록산 농도 특성으로는 3월의 총 실록산 농도가 가장 높게 나타났으며, 1월의 총 실록산 농도가 가장 낮게 나타나 시료 채취 과정에서 각 튜브 (tube) 가 외부 온도에 영향을 받아 실록산의 휘발성이 낮아져 낮게 검출된 것으로 판단된다.
남상철 등 (2011)의 연구는 매립지 연령별에 따른 실록산농도를 분석하였다10). 그 결과, 현재 매립 중인매립지에서는 폐기물의 분해가 활발히 일어나 발생되는 총 실록산 농도는 매립 종료 매립지에서발생되는 총 실록산의 농도에 비해 높게 나타났다. 따라서 음식물류폐기물폐수 또는 음식물류폐기물의 혐기성소화조 내 실록산 농도 분석은 혐기성 소화 조의 유기물 부하율에 따른 실록산 농도의 특성을 파악하는 것이 중요하며, 이에 따라 흡착제의 제거 용량 및 효율의 평가가 중요하다 [Table 4] 에 본 연구의 총 실록산 농도와 기존의 총 실록산 농도를 비교하여 요약하였다 송선호 등(2010)의 연구에서 혐기성 소화조의 실록산농도는 11.
대상 혐기성소화조의 메탄 발생량은 평균적으로 495 Nm3/ton VS 이며, 바이오가스 조성은 평균적으로 메탄(CH₄) 및 이산화탄소(CO₂)의 함량은 각각 약 65% 및 35%로 나타났다. 바이오가스 내의 황화수소 및 암모니아의 농도는 평균적으로 683 ppm 및 3, 810 ppm으로 나타났다
2] 에나타내었다. 총 실록산의 농도는 평균적으로 9.5 mg siloxane/m3로 나타났으며, 고리구조 D 4의 실록 산 농도는 4.0 mg siloxane/m3 로 가장 높게 나타났다. 고리구조 실록산의 농도 크기 순서는 D4>D5>D6 으로 나타났으며, 선형구조 실록 산의 농도 크기 순서는 L4>L3>L5>L2로 나타났다.

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