[논문]음폐수 산발효 조건에 따른 바이오가스 생산량에 관한 연구

문광석; 박대원

doi:10.5855/energy.2015.24.4.011

음폐수 산발효 조건에 따른 바이오가스 생산량에 관한 연구
A Study on Biogas Yield According to Food Waste Leachate Acid Fermentation Conditions 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.24 no.4, 2015년, pp.11 - 17

문광석 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원) , 박대원 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원)

초록
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본 연구에서는 음식물류 폐기물 폐수(이하, 음폐수)를 이용하여 혐기성발효 시 부산물로 생성되는 메탄가스의 생산효율을 높이고자 산발효 전처리를 수행하였으며 전처리된 음폐수를 이용하여 BMP 실험을 통해 메탄생산량 증대를 위한 산발효 최적조건을 확인하고자 하였다. 산발효된 음폐수를 이용하여 BMP 실험을 진행한 결과 HRT 3일 조건에서 0.220 L/g VS의 가장 높은 메탄생산량을 확인하였으며, 초기 pH별 BMP실험에서는 pH 6에서 19,920 mg/L로 가장 높은 VFA와 Acetic acid/TVFA(76.2%)를 보였다. 이때 메탄생산은 약 10일 이내로 대부분 생산되어 일반적인 메탄발효(30일 이내)에 비해 약 1/3수준으로 단축됨을 확인하였다. 메탄생성량은 0.294 L/g VS로 대조군 대비 약 1.3배 높은 효율을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study performed acid fermentation pre-treatment to improve production efficiency of methane that is produced as a product in case of anaerobic fermentation by using food waste leachate, and attempted to confirm the acid fermentation optimum through the BMP test by using pre-treated food waste leachate to increase the yield of methane. As a result of the BMP experiment by using acid fermented food waste leachate, the highest yield of methane of 0.220 L/g VS was confirmed in the HRT three-day condition, and in the initial BMP test by pH, pH 6 was 19,920 mg/L that the highest VFA and acetic acid/TVFA(76.2%) were shown. At this time, it was confirmed that the yield of methane was mostly within 10 days that was reduced to around one-third compared to the general methane fermentation (within 30 days). As the yield of methane was 0.294 L/g VS, it showed a high efficiency of around 1.3 times compared to the control group.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 폐자원 바이오가스화 연구의 일환으로 기질로써 음폐수를 사용하였으며 이를 산발효 조건에 따른 처리로 BMP(Biochemical methane potential) 실험을 통한 메탄생산량을 확인하여 바이오가스생산량 증대를 위한 음폐수 산발효 최적조건을 도출하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 음식물류 폐기물의 처리시설에서 자원화처리 단계에서 발생하는 음식물류폐기물 폐수(이하, 음폐수)를 이용하여 생물학적 전환반응을 통해 에너지원을 생산하고자 하였으며, 이를 위해 음폐수에 산발효 전처리를 적용하여 메탄생산량을 확인한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
음폐수 산발효는 총부피 유효부피 5 L의 아크릴재질로 제작된 반응기를 이용하였으며 실험초기 혐기성 소화슬러지로 반응기를 유효부피만큼 채운 후 음폐수를 산발효 처리시간별 실험은 체류시간을 2 ~ 5일에 맞게 정량펌프를 이용하여 반응기에 연속적으로 주입하였으며, pH별 실험은 음폐수를 3N-NaOH와 3N-HCl을 이용하여 pH 조정 후 반응기에 주입하여 진행하였다. 산발효가 완료된 음폐수는 세럼병을 이용하여 유효부피 100 mL 중 식종균 10%로 하여 35℃로 조정된 혼합배양기를 이용하여 BMP 테스트를 수행하였다.
실험은 전처리되지 않은 음폐수와 더불어 희석수와의 1:1, 1:2, 1:3, 1:4 (V/V) 혼합된 시료로 BMP test를 진행하여 30일간 가스생산량과 가스성분을 확인하였다. 그 결과, 이로 인해 음폐수 원액을 혐기성소화(매립지내 메탄생산 메커니즘)에 적용하는 것은 메탄생성균에 저해를 주므로 주입농도의 희석 또는 전처리가 선행되어야 하는 것으로 확인되었다.
음폐수 산발효 최적 pH를 도출하기 위해 산발효 시 HRT(Hydraulic retention time)에 따른 메탄생산량을 확인하기 위해 대조군과 함께 HRT를 3일 ~ 5일까지 각각 달리하여 산발효된 시료로 BMP 실험을 진행하였으며 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
음폐수 산발효 최적 pH를 도출하기 위해 산발효 시초기 pH에 따른 메탄생산량을 확인하기 위해 대조군과 pH를 5 ~ 8까지 각각 달리하여 산발효(HRT 3일)된 시료로 BMP 실험을 진행하였으며 결과를 Fig. 3와 Fig.
음폐수 산발효는 총부피 유효부피 5 L의 아크릴재질로 제작된 반응기를 이용하였으며 실험초기 혐기성 소화슬러지로 반응기를 유효부피만큼 채운 후 음폐수를 산발효 처리시간별 실험은 체류시간을 2 ~ 5일에 맞게 정량펌프를 이용하여 반응기에 연속적으로 주입하였으며, pH별 실험은 음폐수를 3N-NaOH와 3N-HCl을 이용하여 pH 조정 후 반응기에 주입하여 진행하였다. 산발효가 완료된 음폐수는 세럼병을 이용하여 유효부피 100 mL 중 식종균 10%로 하여 35℃로 조정된 혼합배양기를 이용하여 BMP 테스트를 수행하였다.
음폐수 희석비율에 따른 메탄생성 실험은 채취한 음페수를 직접 이용하였고, 희석수로는 증류슈를 이용하였다. 반응기는 세럼병을 이용하였고 유효부피 100 mL 중 식종균 10%(V/V)에 음폐수와 희석수를 각각 (1:1, 1:2, 1:3, 1:4(V/V))로 혼합된 시료를 유효부피의 90%를 채워 세럼병을 질소치환 후 혼합배양기를 이용하여 35℃로 실험을 진행하였다.

대상 데이터

음폐수는 S시 D구음식물중간처리장에서 음식물류폐기물 자원화 시 분리 및 탈수하는 과정 중 발생하는 폐수를 채취하여 사용하였고, 산발효 식종균과 메탄발효 식종균은 S시 물재생센터에서 채취한 혐기성소화슬러지를 이용하였다.

이론/모형

음폐수 및 모든 시료들은 실험 전 후를 기준으로 각 항목들을 분석하였다. TS, VS, SS, VSS, SCODcr, TCODcr은 모두 standard methods[20]를 기준으로 시행하였으며, pH는 pH미터(UB-5, Denver instrument, USA), Volatile fatty acids(VFAs)는 flame ionizationdetector(FID) 검출기가 장착된 Gas Chromatography(Acme 6000 series, Younglin, Korea)를 이용하여 분석하였다. 이때 컬럼은 Innowax (30 m × 0.

성능/효과

3. 음폐수 산발효 시 초기 pH에 따른 메탄생산량을 확인한 결과, pH 6에서 처리한 시료에서 가장 높은 TVFA 생산량과 Acetic acid 비율을 확인하였으며, 이때 메탄생산량은 0.294, L/g VS로 대조군 대비 약 1.3배 높은 생산량을 나타내었다.
HRT별 메탄생산량은 HRT 2일 이후의 실험결과들에서는 큰 차이를 보이지 않았으며 경제성 및 공정운전 효율측면을 고려해 본다면 음페수 산발효 시 체류 시간 조건은 HRT를 3일로 처리하는 것이 메탄생산량을 높일 수 있는 것으로 나타났다.
2. 음폐수 산발효 시 체류시간에 따른 메탄생산량을 확인한 결과, 산발효 전처리를 적용하지 않은 시료에서는 메탄생성이 없었으며 HRT 2일(0.190L/g VS), HRT 3일(0.220 L/g VS), HRT 4일(0.231 L/g VS), HRT 5일(0.235 L/g VS)의 메탄생산량을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 경제성과 공정효율성을 고려한 음폐수 산발효 체류시간 최적조건은 3일 인 것으로 확인되었다.
1. 음폐수 희석 처리를 통해 메탄생산량을 확인한 결과 음폐수 원수를 직접 이용한 샘플에서는 0.01±0.01 L/g VS로 매우 낮은 메탄가스 생산량을 확인하였으나, 일정량의 희석수를 주입한 시료에서는 1:1(0.12 L/g VS), 1:2(0.23 L/g VS),1:3(0.25 L/g VS), 1:4(0.28 L/g VS)로 희석비율이 높을수록 메탄가스 발생량이 높아짐을 확인할 수 있었다. 이는 음폐수가 함유하고 있는 높은 유기물농도에 기인한 것으로 예상된다.
235 L/g VS)의 메탄생산량을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 경제성과 공정효율성을 고려한 음폐수 산발효 체류시간 최적조건은 3일 인 것으로 확인되었다.
이상의 결과로 메탄생산량 증대를 위한 음폐수 산발효 처리는 HRT 3일, 초기 pH 6 조건에서 가장 좋은 효율을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	음폐수란?	음식물류 폐기물 처리시설에서 자원화 시 발생되는 폐수인 음폐수는 2005년 음식물류 폐기물 직매립 금지조치로 인해 퇴비화 및 사료화 등 자원화율이 높아지면서 증가추세에 있다[1]. 이를 육상처리하기에는 기술적으로나 비용적인 측면에서 많은 어려움이 따라 상대적으로 처리가 간단한 해양배출을 선호하여 왔으나 폐기물 해양배출 규제에 관한 국제적 런던협약과 해양생태계에 미치는 영향을 고려하여 국토해양부 및 환경부에서는 해양으로 배출되는 음폐수를 에너지화 및 폐수처리시설 등을 통해 전량 육상처리로 전환시키고 있다[2 ,3].
	음폐수 처리 방안은?	음폐수는 공공하수처리시설 및 소각시설 등 환경기초시설의 증설 및 처리 시설 개선을 통한 병합처리,음폐수 자원화시설 설치 및 운영, 바이오가스 연료화 시설 설치 운영 등의 방안이 대안이 되고 있다. 대부분의 지자체에서는 음폐수 육상처리를 위한 자체 처리시설을 운영 또는 하수처리장 및 매립지 침출수처리시설과의 연계처리를 시도하고 있으나, 방류수 수질 기준 충족 어려움과 시설 투자 및 처리 비용의 증가로 인해 어려움을 겪고 있다.
	음폐수의 해양배출을 선호한 이유는?	음식물류 폐기물 처리시설에서 자원화 시 발생되는 폐수인 음폐수는 2005년 음식물류 폐기물 직매립 금지조치로 인해 퇴비화 및 사료화 등 자원화율이 높아지면서 증가추세에 있다[1]. 이를 육상처리하기에는 기술적으로나 비용적인 측면에서 많은 어려움이 따라 상대적으로 처리가 간단한 해양배출을 선호하여 왔으나 폐기물 해양배출 규제에 관한 국제적 런던협약과 해양생태계에 미치는 영향을 고려하여 국토해양부 및 환경부에서는 해양으로 배출되는 음폐수를 에너지화 및 폐수처리시설 등을 통해 전량 육상처리로 전환시키고 있다[2 ,3].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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