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문제 정의
- 기질 농도와 F/M 비가 농축 슬러지 회분식 혐기성 소화에 미치는 영향을 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 은 메탄 생성 속도 (mL/d), λ은 지체 시간 (days), and e는 자연상수이다. 각 조건의 메탄 수율(mL CH4 /g VSfeed)은 최대 메탄 생성량과 기질 주입량을 이용하여 계산하였다. 기질 농도와 F/M비가 메탄 수율에 미치는 영향은 아래의 이변수 이차식 (2)을 통해 해석되었다.
- 따라서, 본 연구에서는 다양한 기질 주입 농도(2.0-34.1 g VS/L) 및 F/M 비(0.5-1.35 g VS/g VS)에서 회분식 혐기성 소화를 수행하여 바이오가스 생산 효율을 비교 평가하였다.
- , 2004). 모든 실험은 duplicate으로 수행되었으며, 메탄 발생량 및 수질 분석의 바탕값으로는 기질을 주입하지 않은 blank 조건을 활용하였다.
- 반응 도중 가스 발생량은 유리 주사기로 측정하였으며, headspace의 압력이 2기압을 넘지 않도록 측정 간격을 조절하였다. 가스 분율(N2, CH4, CO2)은 SGI 310 GC-TCD (SRI Instrument)를 이용하였으며, 칼럼은 0.
- 본 연구에서는 기질 농도 2.0 g/L에서 F/M비 가 높은 조건 (Run No. 10, S0 : 2.0 g VS/L, X0 : 2.0 g VS/L, F/M : 1.00 g VS/g VS)과 기질 농도 30 g/L 에서 F/M비가 낮은 조건 (Run No. 3, S0 : 30.0 g VS/L, X0 : 40.0 g VS/L, F/M : 0.75 g VS/g VS) 조건에서 회분식 혐기성 소화 도중의 유기산 농도 변화를 고찰하였으며 나머지 조건들을 포함하여 Fig. 2,3에 도시하였다. Run No.
- 유기산(C1-C5) 농도는 액체 시료를 0.45 μm 막 여과로 거른 후 자외선 검출기 (210 nm) 고성능 액체 크로마토그래피(Waters HPLC, high performance liquid chromatography)로 측정하였다.
- 회분식 실험을 위해 250 mL serum bottle(유효 부피 150 mL)에 Table 2에 해당하는 식종균 및 기질을 투입하고 KH2PO4 500 mg/L, NH4Cl 530 mg/L, CaCl2 ·2H2O 75 mg/L, MgCl2 ·6H2O 100 mg/L, FeCl2 ·4H2O 20 mg/L, NaHCO3 4000 mg/L를 주입하였다.
대상 데이터
- 가스 분율(N2, CH4, CO2)은 SGI 310 GC-TCD (SRI Instrument)를 이용하였으며, 칼럼은 0.9 m × 3.2 mm stainless steel column with porapak Q(80/100 mesh), 운반기체는 헬륨이 사용되었다.
- 회분식 혐기성 소화 실험의 기질과 식종균로 사용된 하수 슬러지와 소화슬러지는 G시 소재 공공하수처리장 내 발생하는 농축 슬러지와 소화슬러지를 사용하였다. 채취 당시 농축 슬러지와 TS, VS는 20.
이론/모형
- 005 M 황산용액을 이용하였다. 그 외 total solids (TS), volatile solids(VS), total suspended solids(TSS), volatile suspended solids (VSS), CODCr (chemical oxygen demands), pH 는 Standard Methods(APHA, 1998)에 따라 분석하였다.
- 2 mm stainless steel column with porapak Q(80/100 mesh), 운반기체는 헬륨이 사용되었다. 누적 메탄 발생량은 0 ℃, 1기압 조건으로 환산된 후 modified Gompertz 식 (1)을 이용하여 해석하였다(Kim and Nam, 2009).
성능/효과
- 1) F/M 비 0.6 g VS/g VS 이하, 기질 주입 농도 12-26 g VS/L에서 90 mL CH4 /g VSfeed 이상의 메탄 수율이 관찰되었다.
- 2) 기질이 고농도로 유입되더라도 F/M 비를 낮게 유지할 경우 유기산 축적을 방지할 수 있었다.
- 3) 소화조 기질 주입 농도 증가 시, 혐기성 미생물의 느린 성장 속도를 고려하여 기질 농도를 순차적으로 증가시키거나, 고액 분리 등을 통해 F/M 비가 갑자기 증가하는 것을 방지해야 한다.
- 에 도시하였다. 기질 농도 12-26 g VS/L, F/M 비 0.6 g VS/g VS 이하에서 90 mL CH4 /g VSfeed 이상의 메탄 수율이 확인되었다. 최대 메탄 수율은 94.
- 50 g VS/g VS였다. 기질 농도가 일정한 범위(회분식 소화시 초기 농도 기준 2.0-34.1 g VS/L)로 증가될 경우 혐기성 미생물의 대사 및 성장에 적합한 조건이 조성되면서 메탄 수율이 향상될 수 있음이 본 실험의 결과로 확인되었다. 그러나, F/M 비(0.
- 따라서, 3.1에서 언급된 바와 같이 소화조 투입 기질 농도를 높일 경우 소화조 미생물 양을 충분히 높게 유지해야 함을 다시 확인할 수 있었다.
- 따라서, 농축시설 확충 등 시설 및 운영 변경을 할 경우, 기질 농도를 순차적으로 증가시키거나, 고액 분리 등을 통해 미리 소화조 내의 미생물 농도를 높이는 방안이 필요할 것으로 판단된다. 또한, 슬러지를 포함한 유기성 폐기물의 고농도 회분식 실 험 시 식종균을 충분히 공급하여 F/M비를 낮게 유지할 필요성도 본 실험 결과를 통해 다시 한번 확인되었다.
- 6 g VS/g VS 이하에서 90 mL CH4 /g VSfeed 이상의 메탄 수율이 확인되었다. 최대 메탄 수율은 94.15 mL/g VSfeed로, 이 때의 기질 농도와 F/M 비는 각각 18.07 g VS/L, 0.50 g VS/g VS였다. 기질 농도가 일정한 범위(회분식 소화시 초기 농도 기준 2.
후속연구
- 그러나 혐기성 미생물은 성장 속도가 매우 느려 정상 상태에 도달하는 기간이 길기 때문에, 갑작스럽게 기질 농도가 높아질 경우 단기간의 높은 F/M 비도 소화조 운영에 문제를 줄 수 있을 것으로 사료된다. 따라서, 농축시설 확충 등 시설 및 운영 변경을 할 경우, 기질 농도를 순차적으로 증가시키거나, 고액 분리 등을 통해 미리 소화조 내의 미생물 농도를 높이는 방안이 필요할 것으로 판단된다. 또한, 슬러지를 포함한 유기성 폐기물의 고농도 회분식 실 험 시 식종균을 충분히 공급하여 F/M비를 낮게 유지할 필요성도 본 실험 결과를 통해 다시 한번 확인되었다.
- 이는 소화조 투입 기질 농도 증가를 통한 메탄 수율 향상은 소화조 내 혐기성 미생물의 농도가 함께 높아져 낮은 F/M 비가 유지될 경우에만 가능함을 의미한다. 따라서, 추가적인 슬러지 농축을 통해 소화조 효율 향상을 꾀할 경우 혐기성 소화조 미생물 농도 또는 F/M비를 적절히 유지하는 운전 방안이 필요할 것으로 사료된다. 소화조 연속 운전 시 기질 농도가 높아지면 바이오매스 성장에 사용되는 양이 늘어나 소화조 내의 미생물 농도가 궁극적으로 높아질 수 있다.
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