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문제 정의
- 본 연구에서는 BMP 테스트를 실시하여 실제 하수처리장에서 소화조로 유입되는 슬러지의 병합소화를 통해 발생되는 메탄가스의 발생량을 결정하고, 슬러지의 병합소화 특성을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 측정기간 동안의 메탄발생량은 Eq. (1)과 같이 물질수 지식을 이용하여 가스 시료의 대상채취시간 전에 반응조 상단부에 존재하였던 메탄의 양을 보정하였다.
- 2에 나타내었다. 누적 바이오가스 총량은 음식물폐기물이 상대적으로 많은 것으로 나타났으나 투입된 고형물의 양에 비례하여 증가하는 것을 고려하였을 때 휘발성 고형물(VS) 투입량에 대한 바이오가스 발생량으로 평가하였다. 음식물폐기물의 경우 511.
- 또한 가스 내 메탄 및 이산화탄소 농도는 시린지로 채취한 후 GC-TCD를 이용하여 메탄과 이산화탄소의 농도를 분석하였다. GC-TCD의 분석조건은 Table 3과 같다.
- 1N HCl을 넣어 조절하였다. 미생물 반응에 의한 급격한 산형성에 따른 pH 저하를 억제하기 위해 알칼리 물질인 중탄산염 (NaHCO3) 0.1848 g을 넣어준 후 질소가스로 충분히 purge하여 혐기성 상태가 되도록 만들어 밀봉하였으며, Serum bottle 내부의 온도가 35 ℃가 되었을 때를 실험 시작시간으로 설정하였으며 30일간 실험을 진행하였다. 총 가스발생량은 유리제 시린지와 마노미터를 이용하여 측정하였다.
- 반응조의 상단에는 고무와 실리콘 마개를 끼워놓은 플라스틱 캡을 이용하여 밀봉하여 혐기성 상태를 유지시켰으며, 실리콘 마개에 시린지를 이용하여 발생가스량 및 성분을 측정하였고, 혐기성 소화의 최대효율을 얻기 위하여 35 ± 2 ℃가 유지되는 인큐베이터(iNtRON Biotechnology Co. Ltd., South Korea) 내에서 실험하였다.
- 분뇨/정화조슬러지와 음식물폐기물의 병합소화를 통해 발생하는 메탄가스의 발생량을 결정하고, 슬러지의 병합소화 특성을 파악하기 위하여 생슬러지, 잉여슬러지, 소화슬러지, 분뇨/정화조슬러지(1:1의 비율로 조성), 음식물폐기물(음식물 파쇄물과 희석수의 비=1:1) 및 혼합슬러지의 6개의 슬러지를 대상으로 30일간 BMP 테스트를 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 실험에 사용된 혐기성 미생물은 B 하수처리장의 혐기성 소화조에서 채취하였으며, 투입슬러지는 연계처리계획에 필요한 생슬러지, 잉여슬러지, 소화슬러지, 음식물 침출수, 분뇨/정화조 슬러지를 각각의 시설에서 채취하였다. 음식물폐기물은 쉽게 부패되기 때문에 4 ℃ 이하의 온도에서 냉장 보관하였으며, 혐기성 소화슬러지는 혐기성 상태와 온도를 유지하기 위하여 용기의 기밀을 유지한 후 인큐베이터에 보관하여 사용하였다.
- (2)를 이용하여 0 ℃, 1기압의 표준상태로 전환시킨 후 누적 메탄발생량을 계산하였다. 이는 건조상태의 가스발생량을 구하기 위하여 35 ℃에서의 포화수증기압 42.2 mmHg를 빼주었으며, 폐기물 시료만의 순수 누적가스 발생량을 측정하기 위하여 식 종액만을 포함한 바탕시험용 시료의 누적가수 발생량 값을 측정, 식종액으로 인한 누적가스 발생량 부분을 보정해 주었다.
- BMP 테스트에서 혐기성 미생물이 이용할 영양물질의 공급을 위하여 Shelton & Tiedje(1984)의 방법에 따라 영양배지를 조제하였으며 조제 시 사용된 성분 및 양을 Table 1에 나타내었다. 제조된 영양배지는 고압멸균기를 이용하여 약 10분 정도 멸균시키고 미생물 배지에 포함된 산소를 배출시킨 후, 상온으로 냉각시키는 과정에서 산소의 유입을 막기 위해 가스 상태의 질소를 주입하였다.
- 1848 g을 넣어준 후 질소가스로 충분히 purge하여 혐기성 상태가 되도록 만들어 밀봉하였으며, Serum bottle 내부의 온도가 35 ℃가 되었을 때를 실험 시작시간으로 설정하였으며 30일간 실험을 진행하였다. 총 가스발생량은 유리제 시린지와 마노미터를 이용하여 측정하였다. 메탄가스 발생량은 투입된 폐기물의 휘발성 고형물(VS)당 발생하는 메탄가스의 양을 산출하여 mL CH4/g VS로 표시하는 것이 일반적이며, 반응조 상부 공간에 남아있는 소화가스는 수증기로 포화되어 있다고 가정하여 먼저 수분의 양을 제외해야 한다.
대상 데이터
- 시료의 양은 가수분해 및 산 형성 미생물에 의한 급격한 초기 유기산의 축적으로 인해 메탄생성이 저해되지 않는 범위에서 비율을 결정하였으며, 투입된 시료의 유기물부하는 Table 2와 같다. 슬러지는 생슬러지, 잉여슬러지, 소화슬러지, 분뇨/정화조슬러지(1:1의 비율로 조성), 음식물폐기물(음식물 파쇄물과 희석수의 비=1:1) 및 혼합슬러지로 6개의 슬러지를 대상으로 실험을 진행하였다. 혼합슬러지는 실제 하수처리장에서 유입되는 유입량의 비율로 1 L에 들어가는 양으로 환산하여 생슬러지 276.
- 실험에 사용된 혐기성 미생물은 B 하수처리장의 혐기성 소화조에서 채취하였으며, 투입슬러지는 연계처리계획에 필요한 생슬러지, 잉여슬러지, 소화슬러지, 음식물 침출수, 분뇨/정화조 슬러지를 각각의 시설에서 채취하였다. 음식물폐기물은 쉽게 부패되기 때문에 4 ℃ 이하의 온도에서 냉장 보관하였으며, 혐기성 소화슬러지는 혐기성 상태와 온도를 유지하기 위하여 용기의 기밀을 유지한 후 인큐베이터에 보관하여 사용하였다.
이론/모형
- BMP 테스트에서 혐기성 미생물이 이용할 영양물질의 공급을 위하여 Shelton & Tiedje(1984)의 방법에 따라 영양배지를 조제하였으며 조제 시 사용된 성분 및 양을 Table 1에 나타내었다.
- 메탄생산퍼텐셜의 측정을 위한 회분식 혐기소화 반응기에서 생산된 메탄가스의 누적생산 곡선을 Modified Gompertz model(Lay et al., 1998)과 Exponential model(Owen et al., 1979)을 이용하여 최적화한 후 도출한 단위메탄생산량과 파라미터들을 Table 4에 나타내었다. Modified Gompertz model과 Exponential model은 Eq.
성능/효과
- 71 mL CH4/g VS로 나타났다. Exponential model을 이용하여 구한 단위메탄생산량은 84.51, 82.31, 111.42, 100.87, 97.21, 58.09 mL CH4/g VS로 나타나 Modified Gompertz model을 이용하여 추정한 단위메탄생산량보다 높게 나타났다. 하지만 음식물 폐기물의 경우에는 Modified Gompertz model보다 11.
- Modified Gompertz model에서는 생슬러지, 잉여슬러지, 소화슬러지, 분뇨/정화조슬러지, 음식물폐기물 및 혼합슬러지의 단위메탄생산량이 각각 64.63, 67.49, 66.45, 72.44, 107.85, 46.71 mL CH4/g VS로 나타났다. Exponential model을 이용하여 구한 단위메탄생산량은 84.
- 3과 4는 각각 유기성 폐자원별 누적 메탄생산 곡선을 Modified Gompertz model과 Exponential model을 이용하여 최적화한 것을 나타낸 것이다. Modified Gompertz model을 이용하여 최적화한 메탄생성 곡선은 생슬러지, 잉여슬러지, 소화슬러지, 분뇨/정화조슬러지, 음식물폐기물 및 혼합슬러지의 R2이 각각 0.9933, 0.9974, 0.9929, 0.9966, 0.9996, 0.9976으로 유기성 폐자원별 메탄생산특성을 잘 설명하고 있으나 Exponential model을 이용한 경우 0.9804, 0.9841, 0.9650, 0.9491, 0.9743, 0.9810으로서 Modified Gompertz model에 비해 최적화 정도가 낮은 것으로 나타났다. Cho & Kim(2006)의 연구에서는 음식물쓰레기 등의 메탄생성퍼텐셜 측정에서 Modified Gompertz model을 이용하고 R2이 0.
- 각 시료로부터 생산되는 바이오가스 내의 메탄함유량은 초기에는 낮았으나 소화반응이 진행됨에 따라 증가하였고 바이오가스 발생률이 감소할 때부터 메탄발생량이 유지되는 것으로 나타났다. Modified Gompertz model을 이용한 해석에서 혼합슬러지의 경우 메탄생성퍼텐셜이 1,119.6 mL로 나타났는데 생슬러지, 잉여슬러지, 음식물폐기물 및 정화조/분뇨의 혼합비가 약 4:8:1:1인 것을 감안하면 상대적으로 메탄생성퍼텐셜이 낮은 잉여 슬러지의 투입량으로 인해 낮아질 수 있는 메탄생성퍼텐셜을 음식물폐기물의 높은 메탄생성퍼텐셜이 보완하여 나타난 값으로 해석될 수 있다. 이러한 결과는 음식물쓰레기 혼합에 따른 혼합폐기물의 C/N비 증가와 더불어 쉽게 생분해 가능한 유기성분의 증가로 인하여 소화효율이 향상되었기 때문으로 판단된다.
- 특히 혐기소화공정에서 상대적으로 긴 지체성장기간을 갖고 급격한 대수증식 성장 속도를 보이는 경우 Exponential model 의 R2이 낮아지는 것으로 나타났다. 각 시료로부터 생산되는 바이오가스 내의 메탄함유량은 초기에는 낮았으나 소화반응이 진행됨에 따라 증가하였고 바이오가스 발생률이 감소할 때부터 메탄발생량이 유지되는 것으로 나타났다. Modified Gompertz model을 이용한 해석에서 혼합슬러지의 경우 메탄생성퍼텐셜이 1,119.
- 1에 나타내었다. 각각의 소화반응조로부터 일일 가스발생량을 30일 동안 관찰한 결과, 모든 시료에서의 바이오가스 발생은 초기 2일 이후부터 활발히 시작되어 2주 동안 지속하는 것을 알 수 있었으며 일정 시간이 경과한 후에는 발생량이 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 특히 7～8일 사이에 가스발생량이 최대값을 보여 Angelidaki & Ahring(1994)의 연구에서처럼 7～8일 사이에 혐기성소화의 최적조건이 형성되었음을 확인하였다.
- 특히 7～8일 사이에 가스발생량이 최대값을 보여 Angelidaki & Ahring(1994)의 연구에서처럼 7～8일 사이에 혐기성소화의 최적조건이 형성되었음을 확인하였다. 따라서 20일 이후에는 가스발생량이 급격히 감소하는 것으로 보아 회분식 혐기소화의 경우 체류시간은 20일 정도면 적합할 것으로 사료된다.
- 41 day로 나타났다. 또한 최대메탄생산속도는 음식물폐기물이 492.0 mL/day로서 가장 크게 나타났으며, 혼합슬러지의 경우 80.4 mL/day로 나타나 생슬러지나 잉여슬러지의 최대메탄생산속도보다는 높게 나타났다. Fig.
- 바이오가스 발생은 초기 2일 이후부터 활발히 시작되어 2주 동안 지속되는 것을 알 수 있었으며 일정 시간이 경과한 후에는 발생량이 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 특히 7～8일 사이에 가스발생량이 최대값을 보였으며, Modified Gompertz model을 이용한 생슬러지, 잉여슬러지, 소화슬러지, 분뇨/정화조슬러지, 음식물폐기물 및 혼합슬러지의 단위메탄생산량은 각각 64.
- 1 % 낮게 추산되었다. 지체성장기간은 분뇨/ 정화조의 경우 6.46 day로 가장 컸으며, 음식물폐기물의 경우에는 4.41 day로 나타났다. 또한 최대메탄생산속도는 음식물폐기물이 492.
- 바이오가스 발생은 초기 2일 이후부터 활발히 시작되어 2주 동안 지속되는 것을 알 수 있었으며 일정 시간이 경과한 후에는 발생량이 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 특히 7～8일 사이에 가스발생량이 최대값을 보였으며, Modified Gompertz model을 이용한 생슬러지, 잉여슬러지, 소화슬러지, 분뇨/정화조슬러지, 음식물폐기물 및 혼합슬러지의 단위메탄생산량은 각각 64.63, 67.49, 66.45, 72.44, 107.85, 46.71 mL CH4/g VS로 나타났다. 혼합슬러지의 지체성장기간은 1.
- 999의 범위에 있다고 발표한 바 있어 Exponential model보다 Modified Gompertz model이 메탄생성퍼텐셜 최적화에 적합한 것으로 판단된다. 특히 혐기소화공정에서 상대적으로 긴 지체성장기간을 갖고 급격한 대수증식 성장 속도를 보이는 경우 Exponential model 의 R2이 낮아지는 것으로 나타났다. 각 시료로부터 생산되는 바이오가스 내의 메탄함유량은 초기에는 낮았으나 소화반응이 진행됨에 따라 증가하였고 바이오가스 발생률이 감소할 때부터 메탄발생량이 유지되는 것으로 나타났다.
후속연구
- , 2004). 따라서 메탄생성퍼텐셜을 높이기 위해서는 하수처리장의 혐기성 소화조에 투입되는 음식물폐기물의 혼합비를 조절함으로써 빈부하 문제 해결과 동시에 소화조의 안정적인 운전을 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
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