슬러지의 안정화, 휘발성 고형물 감소, 바이오가스 생산을 위해 혐기성 소화공정이 슬러지의 처리 방안으로 연구됐다. 본 연구에서는 하 폐수 슬러지(MWS, IWS), 혼합슬러지(Mix), 탈수슬러지(MWSC)를 대상으로 바이오가스 생산 가능성을 살펴보기 위해 Total solids, Volatile solids, 원소분석, BMP 실험을 하였다. Total solids 함량은 11.2~20.6 %의 값을 가지며 Volatile solids의 함량은 TS의 62.1~83.1 %의 값을 가지고 있다. C/N비는 4.96~8.33의 값을 나타났다. BMP test를 한 결과 혼합슬러지의 경우 약 20일, 하 폐수 슬러지의 경우 약 16~17일에 메탄발생이 종료되었다. 탈수케이크는 약 10일까지 메탄이 발생하였으며 가장 빨리 메탄발생이 종료되었다. 누적 메탄발생량의 경우 혼합슬러지가 395.50 mL $CH_4/g$ VS으로 가장 높은 누적 메탄 발생량을 가진다. 누적 이산화탄소 발생량은 탈수케이크를 제외하고 비슷한 값을 보이고 있다.
슬러지의 안정화, 휘발성 고형물 감소, 바이오가스 생산을 위해 혐기성 소화공정이 슬러지의 처리 방안으로 연구됐다. 본 연구에서는 하 폐수 슬러지(MWS, IWS), 혼합슬러지(Mix), 탈수슬러지(MWSC)를 대상으로 바이오가스 생산 가능성을 살펴보기 위해 Total solids, Volatile solids, 원소분석, BMP 실험을 하였다. Total solids 함량은 11.2~20.6 %의 값을 가지며 Volatile solids의 함량은 TS의 62.1~83.1 %의 값을 가지고 있다. C/N비는 4.96~8.33의 값을 나타났다. BMP test를 한 결과 혼합슬러지의 경우 약 20일, 하 폐수 슬러지의 경우 약 16~17일에 메탄발생이 종료되었다. 탈수케이크는 약 10일까지 메탄이 발생하였으며 가장 빨리 메탄발생이 종료되었다. 누적 메탄발생량의 경우 혼합슬러지가 395.50 mL $CH_4/g$ VS으로 가장 높은 누적 메탄 발생량을 가진다. 누적 이산화탄소 발생량은 탈수케이크를 제외하고 비슷한 값을 보이고 있다.
Anaerobic digestion was investigated for the stabilization of sludge, decrease of volatile solids, production of biogas for wastewater sludge. In this study, total solids and volatile solids, elemental analysis were conducted to determine characteristics of various types of sludges and investigate t...
Anaerobic digestion was investigated for the stabilization of sludge, decrease of volatile solids, production of biogas for wastewater sludge. In this study, total solids and volatile solids, elemental analysis were conducted to determine characteristics of various types of sludges and investigate the feasibility of biogas production of Municipal Wastewater Sludge (MWS), Industrial Wastewater Sludge (IWS), mixed sludge (Mix), and Municipal Wastewater Sludg Cake (MWSC). Total solids, volatile solids, and C/N ratio were determined in the range of 11.2~20.6 %, 62.1~83.1 % of TS and 4.96~8.33 %. Using the biochemical methane potential (BMP test), mixed sludge and wastewater sludge finished the methane production within approximately 20 day and 16~17 day. Sludge cake finished within 10 day. Mixed sludge produced 395.5 mL $CH_4$ per g of Volatile Solid (VS) and resulted in the highest methane production. For carbon dioxide production, five sludges had similar value of accumulated carbon dioxide production except for sludge cake.
Anaerobic digestion was investigated for the stabilization of sludge, decrease of volatile solids, production of biogas for wastewater sludge. In this study, total solids and volatile solids, elemental analysis were conducted to determine characteristics of various types of sludges and investigate the feasibility of biogas production of Municipal Wastewater Sludge (MWS), Industrial Wastewater Sludge (IWS), mixed sludge (Mix), and Municipal Wastewater Sludg Cake (MWSC). Total solids, volatile solids, and C/N ratio were determined in the range of 11.2~20.6 %, 62.1~83.1 % of TS and 4.96~8.33 %. Using the biochemical methane potential (BMP test), mixed sludge and wastewater sludge finished the methane production within approximately 20 day and 16~17 day. Sludge cake finished within 10 day. Mixed sludge produced 395.5 mL $CH_4$ per g of Volatile Solid (VS) and resulted in the highest methane production. For carbon dioxide production, five sludges had similar value of accumulated carbon dioxide production except for sludge cake.
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문제 정의
본 연구는 도시하수처리장에서 최종적으로 생산된 탈수 케이크와 하수슬러지, 산업폐수종말처리장의 폐수슬러지와 슬러지 혼합물의 추가 감량화를 통한 처리효율성을 높이기 위하여 혐기성 소화공정이 진행되었으며, 이를 통한 바이오가스 회수 가능성을 알아보았고 각 슬러지별 최대 메탄 및 이산화탄소 생산량을 first-order kinetic model과 Modified Gompertz model을 이용하여 모델 적용성에 대해 비교･검토하였다. 추가 감량화를 통해 유기물의 제거가 원할히 이루어진다면 하･폐수 슬러지의 매립 및 재활용에 많은 제한이 없어져서 추후 활용범위의 확대를 기대할 수있다.
본 연구에서는 하･폐수 슬러지, 혼합슬러지, 탈수케이크를 대상으로 한 바이오가스 생산 가능성을 살펴보기 위해 Total solids, Volatile solids, 원소분석, BMP test를 수행하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
가설 설정
슬러지 별 단위 유기물 당 메탄 및 이산화탄소 퍼텐셜을분석하기 위해 먼저 누적메탄 및 이산화탄소 발생량곡선을 구하였다. 입자상 유기 물질의 분해를 일차반응으로 가정하여 누적메탄 및 이산화탄소 발생량곡선을 Eq. (5)와 같은 first-order kinetic model을 이용하여 분석하였다(Kang et al.
제안 방법
/g VS)을 산출하였으며 측정기간 동안의 발생량은 Eq. (3)과 같이 물질수 지식을 이용하여 해당 가스시료의 채취시간 전에 반응조 상단부 공간에 존재했던 메탄 및 이산화탄소의 양을 보정 하였다.
2 g/L 주입하였다. 대상시료, 영양배지, 식종액 등을 주입한 Serum bottle 은 Butyl rubber septum과 Aluminum cap을 이용하여 밀봉한 후 35 ℃로 유지되는 항온조(Incubator)에서 폐기물의 혐기성 분해를 유도하도록 하였다.
(1979)에 의해 사용된 2 g Volatile Solid(VS)/L를 기준으로 각각의 도시하수 슬러지와 공장 폐수 슬러지 시료 5개를 주입하였다. 또한 반응조안의 pH를 7로 만들기 위해 1N NaOH와 1N HCl을 사용하였으며 pH의 저하를 막기 위해 알칼리도 물질인 중탄산염(NaHCO3)을 1.2 g/L 주입하였다. 대상시료, 영양배지, 식종액 등을 주입한 Serum bottle 은 Butyl rubber septum과 Aluminum cap을 이용하여 밀봉한 후 35 ℃로 유지되는 항온조(Incubator)에서 폐기물의 혐기성 분해를 유도하도록 하였다.
TS는 폐기물공정시험법에 따라 105∼110 ℃의 건조기 안에서 4시간 건조시켜 측정하였으며, VS는 600 ± 25 ℃에서 30분간 강열하고 황산데시케이터 안에서 방냉한 사기제도가니에 시료 20 g 이상을 취하여 25 % 질산암모늄용액을 넣어 시료를 적시고 천천히 가열하여 탄화시킨 다음 600 ±25 ℃의 전기로 안에서 3시간 강열한 후 측정하였다. 또한 원소분석은 건조, 분쇄와 같은 전처리를 한 후 Vario Macro and Micro Elemental Analyzer(Elementar, Germany)을 사용하여 C, H, O, N, S의 함량(%)을 분석하였다. 분석에 사용된 시료는 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 BMP test를 위해 600 mL의 serum bottle 에 질소가스를 주입한 후 영양 배지 300 mL와 식종액으로 2차 소화 슬러지를 30 mL를 주입하였다. 이때 혐기성 미생물을 위한 영양물질 공급을 위하여 Shelton & Tiedje(1984) 의 방법에 따라 영양배지를 조제하였다.
슬러지 별 단위 유기물 당 메탄 및 이산화탄소 퍼텐셜을분석하기 위해 먼저 누적메탄 및 이산화탄소 발생량곡선을 구하였다. 입자상 유기 물질의 분해를 일차반응으로 가정하여 누적메탄 및 이산화탄소 발생량곡선을 Eq.
이때 채취된 각각의 슬러지는 실험실로 운반하여 4 ℃에서 냉장보관 후 성분분석 및 잠재메탄발생량 실험을 실시하였다. 시료의 기본적인 특성을 파악하기 위해 실험에 사용된 혼합폐기물, 하･폐수슬러지, 탈수케이크와 2차 소화슬러지에 대하여 Total Solids(TS), Volatile Solids(VS), 원소분석을 실시하였다. TS는 폐기물공정시험법에 따라 105∼110 ℃의 건조기 안에서 4시간 건조시켜 측정하였으며, VS는 600 ± 25 ℃에서 30분간 강열하고 황산데시케이터 안에서 방냉한 사기제도가니에 시료 20 g 이상을 취하여 25 % 질산암모늄용액을 넣어 시료를 적시고 천천히 가열하여 탄화시킨 다음 600 ±25 ℃의 전기로 안에서 3시간 강열한 후 측정하였다.
채취된 2차 소화 슬러지는 실험을 위해 중력 침전한 후 상등액을 모아 미생물 식종액에 사용하였다. 이때 채취된 각각의 슬러지는 실험실로 운반하여 4 ℃에서 냉장보관 후 성분분석 및 잠재메탄발생량 실험을 실시하였다. 시료의 기본적인 특성을 파악하기 위해 실험에 사용된 혼합폐기물, 하･폐수슬러지, 탈수케이크와 2차 소화슬러지에 대하여 Total Solids(TS), Volatile Solids(VS), 원소분석을 실시하였다.
총 가스 발생량은 실리콘 마개(silicon cap)에 유리제 syringe 와 마노미터를 이용하여 측정하는데 마노미터 내에 압력차로 인해 발생한 액면차를 주사기를 이용해 최초 일정한 액면 상태까지 생성된 가스를 제거시키는 방법을 이용하였다.
대상 데이터
시료를 과다 주입할경우 가수분해 및 산 형성 미생물에 의한 급격한 초기 유기산의 축적으로 인해 메탄생성이 저해되므로 본 실험에서는 Owen et al.(1979)에 의해 사용된 2 g Volatile Solid(VS)/L를 기준으로 각각의 도시하수 슬러지와 공장 폐수 슬러지 시료 5개를 주입하였다. 또한 반응조안의 pH를 7로 만들기 위해 1N NaOH와 1N HCl을 사용하였으며 pH의 저하를 막기 위해 알칼리도 물질인 중탄산염(NaHCO3)을 1.
본 연구에 사용된 탈수케이크는 부산광역시 환경시설공단 남부사업소에서 채취하였다. 남부사업소는 주로 생활하 수를 처리하며 처리규모는 334,126 m3/day이고 발생되는 탈수슬러지의 양은 85 m3/day이다.
하수슬러지는 전라북도 김제 하수종말처리장 슬러지 저장소와 격포 하수처리장에서 채취하였다. 폐수슬러지는 전라북도에 위치한 식음료 산업의 폐수처리시설과 육류식품공장의 폐수처리장에서 채취하 였다. 혐기성 미생물을 접종하기 위한 식종액을 준비하기 위해 부산광역시 환경시설공단 남부사업소에서 2차 소화 슬러지를 채취하였다.
남부사업소는 주로 생활하 수를 처리하며 처리규모는 334,126 m3/day이고 발생되는 탈수슬러지의 양은 85 m3/day이다. 하수슬러지는 전라북도 김제 하수종말처리장 슬러지 저장소와 격포 하수처리장에서 채취하였다. 폐수슬러지는 전라북도에 위치한 식음료 산업의 폐수처리시설과 육류식품공장의 폐수처리장에서 채취하 였다.
폐수슬러지는 전라북도에 위치한 식음료 산업의 폐수처리시설과 육류식품공장의 폐수처리장에서 채취하 였다. 혐기성 미생물을 접종하기 위한 식종액을 준비하기 위해 부산광역시 환경시설공단 남부사업소에서 2차 소화 슬러지를 채취하였다. 남부사업소는 표준 활성슬러지법을 이용 하여 하수를 처리하며 중온혐기성 소화법으로 슬러지를 처리한다.
데이터처리
first-order kinetic model에서의 Bu, k와 Modified Gompertz model에서의 Bu, Rmax, λ는 MS Excel 2007에서 해찾기 프로그램을 통해 실험값과 모델값의 차이를 제곱오차 하여 그 합을 최소화함으로써 곡선을 그려 추정하였으며, 실험값과 모델값의 상관계수(R2 )도 함수를 이용하여 계산하였다.
이론/모형
(1)과 휘발성 고형물을 기초로 하는 경우 Eq. (2)를 이용하여 이론적인 가스 발생량을 계산하였다(Tchbanoglous et al., 1993; Owen et al., 1979; Shin et al., 2011). 이 식은 유기물질의 성분 중 질소와 황이 포함되어 있을 경우 이용되며 메탄과 이산화탄소, 더불어 암모니아와 황화수소 부분까지 추청이 가능하다.
입자상 유기 물질의 분해를 일차반응으로 가정하여 누적메탄 및 이산화탄소 발생량곡선을 Eq. (5)와 같은 first-order kinetic model을 이용하여 분석하였다(Kang et al., 2013; Kim et al., 2010).
(6) 과 같은 Modified Gompertz model을 이용하여 계산하였다 (Lee & Park, 2008; Kafle et al., 2013)
이때 혐기성 미생물을 위한 영양물질 공급을 위하여 Shelton & Tiedje(1984) 의 방법에 따라 영양배지를 조제하였다.
성능/효과
(1) Total solids 함량은 11.2∼20.6 %의 값을 가지며 건식소화 조건에 적합하며 Volatile solids의 함량은 TS의 62.1∼83.1 %의 값을 가지고 있다.
(2) BMP test를 한 결과 누적 메탄발생량의 경우 혼합슬러지, 폐수슬러지, 하수슬러지, 탈수케이크 순으로 나타났 으며 혼합슬러지(Mix)가 395.50 mL CH/g VS로 가장 높은 누적 메탄 발생량을 가진다. 누적 이산화탄소 발생량은 탈수슬러지를 제외하고 비슷한 값을 보이고 있다.
(3) 최종메탄수율은 Modified gompertz model(R2=0.994∼0.995)이 적합하며 혼합슬러지(Mix)가 417.8 mL CH4/g VS 으로 가장 높았으며 최종이산화탄소 수율은 first-order kinetic model(R2=0.945∼0.981)이 상대적으로 더 적합하며 first-order kinetic model이 Modified gompertz model 보다 3.4∼13.6 % 정도 높게 나타났다.
C의 함량을 비교한 결과 MWS의 값은 34.01∼40.30 %, IWS는 46.14∼50.67 %의 값을 가지는데 IWS가 MWS보다 약간 탄소함량이 높은 것을 알 수 있다.
First-order kinetic model에서의 최종이산화탄소 수율은 Modified gompertz model에서 보다 3.4∼13.6 % 정도 높게 나타났다.
대상 슬러지에 대한 C, H, O, N, S 원소 함량 분석한 결과를 Table 2에 정리하였다. MWSC는 다른 슬러지에 비해서 C, N, S의 함량이 다소 낮지만 O의 함량은 23.82 %로약 2배 이상 높은 것으로 나타났다. C의 함량을 비교한 결과 MWS의 값은 34.
Mix 의 경우 약 20일까지 메탄이 발생하였으며 MWS와 IWS의경우 약 16∼17일 까지 메탄이 발생하였다. MWSC의 경우약 10일까지 메탄이 발생하였으며 가장 빨리 메탄발생이 종료되었다. MWSC를 제외한 모든 시료들은 약 6일 정도의 지체기를 가져 미생물이 기질에 순응하는데 시간이 소요된 것으로 판단된다.
TS의 함량은 11.2∼20.6 %의 값을 가지며 VS/TS의 함량은 MWS1의 경우 57.5 %로 가장 낮으며 IWS2의 경우 83.1 %로 가장 높았다.
3 %정도 높게 추산되었으며 다소 낮은 최적화도를 보인다고 보고하였다. 또한 음식물의 경우 지체성장시간이 9.11 day로 first-order kinetic model을 이용하여 단위메탄생산량을 추산이 불가하다고 밝혔으며 최종 메탄수율은 146 mL CH4/g VSadded 이라고 하였다. 하수의 경우 최종 메탄수율이 86 mL CH4/g VSadded, 가축분뇨의 경우 147 mL CH4/g VSadded라고 보고하였다.
또한 Namkung & Jeon(2010)에 따르면 탄소(C)와 질소(N) 비의 비율이 10:1이하일 경우 암모니아의 방출로 pH가 증가하여 메탄 형성 미생물을 저해하는 것으로 알려져 있다고 하였다. 본 연구에서 최대 C/N비가 8.33인 것을 보아 pH 증가로 인해 메탄형성에 방해가 되었다고 볼 수 있다. Li et al.
(2013)은 혐기성 소화공정을 위한 최적의 C/N 비가 20∼30이라고 보고하였다. 본 연구에서는 Mix의 C/N 비가 8.33으로 가장 높았다
(2001)에 의하면 하수 슬러지만 주입한 반응조에서 40 mL CH4/g VS가 생성되었으며 음식물쓰레기를 혼합한 반응조에서 72∼85 mL CH4/g VS의 메탄이 생성 되었다고 보고하였다. 본 연구의 결과와 같이 단일성상의 슬러지를 주입하는 것보다는 여러 성상의 혼합슬러지를 주입하는 것이 혐기성 소화에 효율적일 수도 있다는 것을 알려주고 있다.
Table 4는 이론적인 가스 발생량과 BMP test를 통한 누적 메탄 발생량과 이산화탄소 발생량을 나타내었다. 슬러지 종류별 이론적 메탄 발생량은 IWS1(854.7 mL CH4/g VS), IWS2(696.9 mL CH4/g VS), Mix(687.5 mL CH4/g VS), MWS1(666.1 mL CH4/g VS), MWS2(638.6 mL CH4/g VS), MWSC(446.9 mL CH4/g VS) 순으로 나타났다. 하지만 BMP test를 통한 누적 메탄발생량은 Mix(395.
원소함량 분석 결과에 따른 슬러지별 이론적 이산화탄소 발생량은 404.93∼530.27 mL CO2/g VS의 범위를 가진다하지만 누적 이산화탄소 발생량은 Mix(64.8 mL CH4/g VS), MWS2(64.2 mL CH4/g VS), IWS2(52.4 mL CH4/g VS), IWS1 (50.2 mL CH4/g VS), MWS1(47.9 mL CH4/g VS), MWSC (20.5 mL CH4/g VS) 순으로 나타났다
(2013)에서는 혐기성 소화 공정에서 바이오가스로 전환되는 유기물 지표인 휘발성 고형물(Volatile Solids, VS)이 높을수록 바이오가스화 가능성이 높다고 하였다. 이번 실험에서는 IWS1과 MWS1의 경우 VS/TS는 각각 62.1 %와 57.2 %의 값을 보이고 있으므로 바이오가스화의 가능성이 높을 것으로 판단하고 있다. 대상 슬러지에 대한 C, H, O, N, S 원소 함량 분석한 결과를 Table 2에 정리하였다.
995)이 더 적합하다고 할수 있다. 최종 메탄수율은 MWSC가 26.9 mL CH4/g VS으로 가장 낮으며 Mix는 417.8 mL CH4/g VS으로 가장 높은 값을 나타내고 있다. Kim et al.
후속연구
(4) 이론적 메탄 및 이산화탄소 발생량과 실제 실험값과는 차이가 보이며, 또한 혼합슬러지의 메탄발생량이 가장 높은 것으로 보아 슬러지 혼합비의 최적조건을 도출하여 바이오가스의 발생량을 증가시키기 위한 추가 연구가 필요하다고 사료된다.
본 연구는 도시하수처리장에서 최종적으로 생산된 탈수 케이크와 하수슬러지, 산업폐수종말처리장의 폐수슬러지와 슬러지 혼합물의 추가 감량화를 통한 처리효율성을 높이기 위하여 혐기성 소화공정이 진행되었으며, 이를 통한 바이오가스 회수 가능성을 알아보았고 각 슬러지별 최대 메탄 및 이산화탄소 생산량을 first-order kinetic model과 Modified Gompertz model을 이용하여 모델 적용성에 대해 비교･검토하였다. 추가 감량화를 통해 유기물의 제거가 원할히 이루어진다면 하･폐수 슬러지의 매립 및 재활용에 많은 제한이 없어져서 추후 활용범위의 확대를 기대할 수있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
슬러지의 혐기소화 특성은 무슨 분석으로 나타 낼 수 있는가?
슬러지의 혐기소화 특성은 메탄 생산 퍼텐셜(BMP, Bio chemical Methane Potential) 분석으로 나타낼 수 있다. BMP test는 혐기성 회분식 실험방법으로 혈청병에 혐기성 분해 과정에서 필요로 하는 미생물 및 영양물질을 주입하고 외부 온도, pH 등 최적조건을 유지하면서 원료의 종류 및 특성별로 바이오가스 및 메탄 생산 효율을 평가하고 혐기소화 과정에서 나타날 수 있는 다양한 독성 및 저해 효과를 검토하는 중요한 정보를 제공한다(Song et al.
국내의 하수처리과정에서 발생되는 하수슬러지의 양은 2011년 기준으로 몇 tonf 인가?
, 1997). 2011년을 기준으로 국내의 전체 지정폐기물 발생량은 총 3,657,767 tonf로 전년도(3,463,240 tonf)보다 5.6 % 증가하였다.
일반적으로 혐기성 소화 공정은 어떤 단계를 거치는가?
, 2010). 일반적으로 혐기성 소화 공정은 거대 유기물(탄수화물, 지방, 단백질)로부터 메탄가스가 생성되기까지 가수분해 단계, 산 생성 단계, 초산생성 단계를 거치며 각각의 혐기소화 단계마다 서로 다른 역할을 하는 미생물이 관여하고 있기 때문에 미생물의 성장, 군집, 상호 반응의 안전성 등에 의해서 영양을 받는다(Shin et al., 2011; Liu et al.
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