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[국내논문] 젖소분뇨로부터 최대 바이오가스 생산과 유기물 제거효율을 달성하기 위한 반건식 간헐주입 연속혼합 혐기성반응조의 최적 수리학적 체류시간 도출을 위한 연구
Assessment of Optimum Hydraulic Retention Time (HRT) for Maximum Biogas Production and Total Volatile Solid (TVS) Removal Efficiency of Semi-Continuously Fed and Mixed Reactor (SCFMR) Fed with Dairy Cow Manure 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.37 no.12, 2015년, pp.696 - 704  

강호 (충남대학교 환경공학과) ,  김선우 (충남대학교 환경공학과) ,  정지현 (충남대학교 환경공학과) ,  안희권 (충남대학교 동물자원과학부) ,  정광화 (국립축산과학원)

초록
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본 논문은 톱밥 깔개 젖소분뇨 TS 13%를 반건식 간헐주입 연속혼합 반응조(Semi-Continuously Fed and Mixed Reactor, SCFMR)에 주입하여 신재생에너지인 바이오가스의 생산성과 TVS 제거효율을 비교 평가하여 최적 운전조건을 도출하고자 하였으며, 그 연구결과를 요약하면 다음과 같다. 톱밥 깔개 젖소분뇨 주입 TS 13%의 반건식 SCFMR의 운전결과 HRT 25일(OLR $4.40{\sim}4.50kg\;VS/m^3-day$)에서 최대 바이오가스 발생량 1.44 v/v-d와 $CH_4$ 발생량 1.12 v/v-d를 달성하였으며, 이 때 TVS 제거효율은 바이오가스 발생량 기준 37%이었다. 이는 톱밥 깔개 젖소분뇨 1일 100 kg 주입 시 $3.60m^3$의 바이오가스를 생산하는 결과이다. 높은 유기물 부하율인 OLR $4.45kg\;VS/m^3-day$(HRT 25일)에서 SCFMR의 운전이 안정적인 이유는 주입시료인 톱밥 깔개 젖소분뇨가 갖고 있는 높은 Alkalinity 농도 때문이다. 그 결과 반응조의 Alkalinity는 14,500~15,600 mg/L as $CaCO_3$ 범위이었으며, 반응조의 안정성을 평가하는 V/A 비는 평균 0.11, P/A 비는 평균 0.43을 유지하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study was carried out to evaluate the optimum operational condition of Semi-continuously Fed and Mixed Reactor (SCFMR) to treat the dairy cow manure and saw dust mixture. Step-wise increase in organic loading rates (OLRs) or decrease in hydraulic retention times (HRTs) were utilized until the b...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 반건식(TS 13%) 상태의 시료를 정하고 현재 바이오가스 산업이 활발한 유럽에서 가장 많이 사용하고 있는 간헐주입 연속혼합 혐기성 소화조(Semi Continuously Fed and Mixed Reactor, SCFMR)를 선정하여 운전기간 동안 유기물 부하율(Organic Loading Rate, OLR)을 점진적으로 증가시켜 혹은 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time, HRT)을 짧게 운전하였을 때 바이오가스 발생량과 TVS 제거효율 등의 제반 운전인자간의 상관관계를 평가하여 이를 통해 반건식 젖소분뇨의 혐기성소화공정운전 시 최적운전조건을 도출하고자 하였다.
  • 이는 높은 유기물 부하율로 인하여 VFA가 축적되고 그 결과 반응조 내 pH가 저하되는 것을 방지하여 혐기성 소화균을 순응․적응시키기 위해 단계적인 OLR 증가를 시도하였다. 또한 SCFMR의 운전성능 및 안정성 평가를 실시하여 최적 운전조건을 제시하고자 하였다. 이러한 운전성능을 평가하기 위해 바이오가스 발생량(m3 Biogas/kg TVSfed, m3 Biogas/m3 reactor-day, m3 Biogas/m3 feed-d)과 메탄함량(CH4 %) 그리고 TVS 제거효율과 같은 인자를 중심으로 평가하였으며 반응조의 안정성은 pH, Alkalinity,암모니아 농도, TVFA 농도, V/A 및 P/A Ratio를 평가하였다.
  • 본 논문은 톱밥 깔개 젖소분뇨 TS 13%를 반건식 SCFMR 혐기성소화 반응조에 주입하여 신재생에너지인 바이오가스의 생산성과 TVS 제거효율을 비교․평가하여 최적 운전조건을 도출하고자 하였으며, 그 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

  • 유입시료의 고형물 농도가 낮은 액상시료의 경우COD 방법이 적합하나 고상(Solid State)시료의 경우는 혐기성소화기간 중 분해되지 않는 유기물, 가령 리그닌 등이 분석 시 COD로 포함되기 때문에 COD 기준의 혐기성소화효율평가는 오차를 유발할 수 있다.5) 반면 혐기성소화반응에서 TVS 중 생분해가 가능한 Biodegradable Volatile Solids(BVS)만이 CH4와 CO2로 분해되기 때문에 제거된 유기물의 무게(BVS Mass)는 생성된 건조 바이오가스의 부피와 동일한 것이다. 즉 대부분의 바이오가스 중에 들어있는 1% 미만의 Trace Gas를 제외시키면 바이오가스가 CH4와 CO2의 무게와 동일하다고 가정할 수 있으며 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
신재생에너지에 대한 기술개발이 활발하게 진행되는 분야는? 최근 화석연료의 고갈이 도래되면서 전 세계가 신재생에너지(Renewable Energy) 확보에 총력을 기울이고 있으며 풍력, 태양광, 바이오가스(Biogas) 등의 분야에서 기술개발이 활발히 이루어져 신재생에너지의 공급 비중이 증대되고 있다. 또한 신재생에너지는 화석에너지를 대체함과 동시에 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 감소시키는 장점으로 인해 각광받고 있으며 선진 국가에서는 신재생에너지를 이용한 각종 에너지화 시설이 보급되고 있는 추세이다.
신재생에너지의 장점은? 최근 화석연료의 고갈이 도래되면서 전 세계가 신재생에너지(Renewable Energy) 확보에 총력을 기울이고 있으며 풍력, 태양광, 바이오가스(Biogas) 등의 분야에서 기술개발이 활발히 이루어져 신재생에너지의 공급 비중이 증대되고 있다. 또한 신재생에너지는 화석에너지를 대체함과 동시에 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 감소시키는 장점으로 인해 각광받고 있으며 선진 국가에서는 신재생에너지를 이용한 각종 에너지화 시설이 보급되고 있는 추세이다.1)이러한 신재생에너지 중 유기물의 혐기성소화에 의해 생산되는 바이오가스는 바이오매스(Biomass)로부터 얻어지는 바이오에너지 중의 하나로써 음식물류폐기물, 하수슬러지, 가축분뇨와 같은 유기성폐기물을 처리하는데 주안점을 두었지만 이제는 다량의 신재생에너지인 바이오가스를 회수하기 위하여 각종 에너지작물과의 통합소화공정을 통해 대규모 바이오가스화 시설이 설치 및 운영되고 있다.
국내에서 신재생에너지의 공금비율을 높이기 위한 투자를 해야 하는 이유는? 또한 바이오가스화 시설의 유출/처리수(혐기성소화액, Digestate)에는 식물 성장을 돕는 각종 영양소와 미량원소 및 무기물이 충분히 들어있어 액비로 사용하기에 전혀 손색이 없다. 따라서 우리나라는 신재생에너지의 공급비율을 높이기 위하여 국가 정책적으로 신재생에너지 기술개발에 투자를 꾸준히 확대해 나가야 할 것이다.
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참고문헌 (22)

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  22. Weiland, P., "Personal communication and plant visit," Unpublished data(2012). 

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