일체형 2상 혐기성소화 방식은 기존 분리형 2상 혐기성소화의 단점을 보완할 수 있는 기술로 산발효조와 메탄발효조가 병합된 형태의 일체형으로 구성되어 유기물 부하변동 대처 용이, 설치부지면적 감소 등의 이점이 있다. 본 연구는 음폐수를 기질로 일체형 2상 혐기성소화의 유기물 분해효율 및 바이오가스 생산량 등에 대한 실험을 실시하여 기존 분리형 2상 혐기성소화와의 효율 비교를 통해 대규모 플랜트 설치의 타당성 여부를 검토하였다. 5ton/일 규모의 Pilot Plant를 구성하여 약 130일 간 소화조 내 유기물 변화, 바이오가스 생산량 및 메탄함량 등의 실험을 실시하였다. 실험 결과, 평균 음폐수 투입량은 $4.1m^3$/일이었으며, 이때 VS 제거효율은 약 77%로 나타났다. 바이오가스는 평균적으로 투입 음폐수 ton당 약 $63.0m^3$($0.724m^3/kg-VS_{added}$)가 발생되었으며, 메탄함량은 약 61.3%로 분석되었다. 일체형 2상 혐기성소화는 기존 산발효조와 메탄발효조가 분리된 소화방식과 유기물 제거 측면에서 다소 높게 나타났다. 결과적으로 일체형 2상 혐기성소화 방식은 충분히 고농도 유기성 폐수인 음폐수 처리에 있어서 상용화가 가능하다는 결론을 내릴 수 있었다.
일체형 2상 혐기성소화 방식은 기존 분리형 2상 혐기성소화의 단점을 보완할 수 있는 기술로 산발효조와 메탄발효조가 병합된 형태의 일체형으로 구성되어 유기물 부하변동 대처 용이, 설치부지면적 감소 등의 이점이 있다. 본 연구는 음폐수를 기질로 일체형 2상 혐기성소화의 유기물 분해효율 및 바이오가스 생산량 등에 대한 실험을 실시하여 기존 분리형 2상 혐기성소화와의 효율 비교를 통해 대규모 플랜트 설치의 타당성 여부를 검토하였다. 5ton/일 규모의 Pilot Plant를 구성하여 약 130일 간 소화조 내 유기물 변화, 바이오가스 생산량 및 메탄함량 등의 실험을 실시하였다. 실험 결과, 평균 음폐수 투입량은 $4.1m^3$/일이었으며, 이때 VS 제거효율은 약 77%로 나타났다. 바이오가스는 평균적으로 투입 음폐수 ton당 약 $63.0m^3$($0.724m^3/kg-VS_{added}$)가 발생되었으며, 메탄함량은 약 61.3%로 분석되었다. 일체형 2상 혐기성소화는 기존 산발효조와 메탄발효조가 분리된 소화방식과 유기물 제거 측면에서 다소 높게 나타났다. 결과적으로 일체형 2상 혐기성소화 방식은 충분히 고농도 유기성 폐수인 음폐수 처리에 있어서 상용화가 가능하다는 결론을 내릴 수 있었다.
In the Integrated Two-Phase Anaerobic Digestion (ITPAD) process, acid and methane fermentation take place in one reactor, which has advantages to cope with organic load variation and reduce foot-print required, compensating disadvantages of Conventional Separated Two-Phase Anaerobic Digestion (CSTPA...
In the Integrated Two-Phase Anaerobic Digestion (ITPAD) process, acid and methane fermentation take place in one reactor, which has advantages to cope with organic load variation and reduce foot-print required, compensating disadvantages of Conventional Separated Two-Phase Anaerobic Digestion (CSTPAD). In the present work, organic matter degradation efficiency and biogas generation amount and other performance parameters of the ITPAD fed with food waste leachate were analyzed. In addition, feasibility study on the ITPAD method was performed by comparing its digestion efficiency with that of the CSTPAD. Organic matter alteration and biogas generation of the integrated method were examined for approximately 130 days based on the 5ton/day scaled pilot plant. Experiment results revealed that organic matter removal rate was 80% for mean food waste leachate input amount of $4.1m^3/day$. The biogas generation rate was $63.0m^3$ per ton of food waste leachate input, corresponding to the input VS amount of $0.724m^3/kg-VS_{added}$, and methane content of generated biogas was approximately 61.3%. The ITPAD has a comparable or higher organic matter removal efficiency compared to the conventional separated two-phase anaerobic digestion method. Consequently, the ITPAD method has a great need to commercialize a food waste leachate treatment technology against highly concentrated organic waste leachate.
In the Integrated Two-Phase Anaerobic Digestion (ITPAD) process, acid and methane fermentation take place in one reactor, which has advantages to cope with organic load variation and reduce foot-print required, compensating disadvantages of Conventional Separated Two-Phase Anaerobic Digestion (CSTPAD). In the present work, organic matter degradation efficiency and biogas generation amount and other performance parameters of the ITPAD fed with food waste leachate were analyzed. In addition, feasibility study on the ITPAD method was performed by comparing its digestion efficiency with that of the CSTPAD. Organic matter alteration and biogas generation of the integrated method were examined for approximately 130 days based on the 5ton/day scaled pilot plant. Experiment results revealed that organic matter removal rate was 80% for mean food waste leachate input amount of $4.1m^3/day$. The biogas generation rate was $63.0m^3$ per ton of food waste leachate input, corresponding to the input VS amount of $0.724m^3/kg-VS_{added}$, and methane content of generated biogas was approximately 61.3%. The ITPAD has a comparable or higher organic matter removal efficiency compared to the conventional separated two-phase anaerobic digestion method. Consequently, the ITPAD method has a great need to commercialize a food waste leachate treatment technology against highly concentrated organic waste leachate.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 음폐수를 기질로 하는 일체형 2상 혐기성소화의 유기물 제거효율, 바이오가스 생산량, 그리고 미생물 군집분석을 통해 일반적인 2상 분리형 방식과의 비교 분석을 실시하였으며, 이를 통한 일체형 2상 혐기성소화 방식의 상용화 가능성 여부를 검토하였다.
제안 방법
5ton/일 처리규모 Pilot 플랜트의 운전조건으로서는 플랜트의 가동률을 고려하여 일평균 4.1ton의 음폐수를 2시간당 1회, 총12회 간헐 분할 주입하였으며, 이에 소화조 유기물질 투입률(OLR)은 4.3kg-VS/㎥⋅일로 하였다. 가온에너지는 1차로 바이오가스를 활용하여 온수보일러를 통해 간접 순환식 열교환기를 사용하여 가온하였으며 2차 예비로 LNG를 사용하였다.
QPCR set는 16S rRNA 유전자 서열을 RDP 데이터베이스에서 확보하였으며, Primrose 소프트웨어를 이용하여 후보 primer 및 probe 서열을 탐색하고, 그 결과를 최종적으로 RDP의 probe match 기능을 이용하여 in silico 검증하였다. 끝으로 유기물 분해효율, 가스발생량 등의 분석결과를 I시 음폐수 분리형 2상 혐기성소화시설과 환경부 가이드라인에 제시된 수치를 비교하여 본 일체형 2상 혐기성소화의 음폐수 혐기성소화 효율성을 검토하였다.
일반적으로 혐기성소화의 효율 여부는 산발효와 메탄발효 단계에 존재하는 미생물군과 상관관계가 있다. 따라서 본 연구에서는 혐기성소화에 대표적으로 존재하는 미생물군에 대한 종다양성 및 개체 수에 대한 분석을 실시하였으며, 그 결과를 분리형 2상 혐기성소화 시설에서의 처리수 내 미생물군 특성과 비교 분석하여 다음 [Table 4]에 나타내었다.
소화조 구조는 혐기성소화조 내에 산발효조가 위치하는 일체형으로 제작되었으며, 완전혼합 반응조(CSTR) 형태의 중온 소화방식(33℃∼36℃)을 적용하였다. 분석 대상은 초기 투입된 음폐수와 일체형 2상 혐기성소화조 유출수의 TS, VS, TCODCr, SCODCr, 분석을 통해 유기물 제거율을 산정하였으며, 그 외 T-N, T-P 등의 농도 및 제거율을 분석하여 전체적인 폐수처리 효율을 검토하였다. 모든 분석은 수질오염공정시험법 및 Standard Methods에 따라 분석하였으며, 유기물질(VS) 제거 당 바이오가스 생산효율, 그리고 생산 바이오가스 내 메탄 함량은 현장설치 된 가스분석기기를 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
실험에 사용한 기질은 경기도 K시에 위치한 음식물 퇴비화시설에서 발생되는 음폐수로 하였다. 소화조 구조는 혐기성소화조 내에 산발효조가 위치하는 일체형으로 제작되었으며, 완전혼합 반응조(CSTR) 형태의 중온 소화방식(33℃∼36℃)을 적용하였다.
데이터처리
QPCR set는 16S rRNA 유전자 서열을 RDP 데이터베이스에서 확보하였으며, Primrose 소프트웨어를 이용하여 후보 primer 및 probe 서열을 탐색하고, 그 결과를 최종적으로 RDP의 probe match 기능을 이용하여 in silico 검증하였다. 끝으로 유기물 분해효율, 가스발생량 등의 분석결과를 I시 음폐수 분리형 2상 혐기성소화시설과 환경부 가이드라인에 제시된 수치를 비교하여 본 일체형 2상 혐기성소화의 음폐수 혐기성소화 효율성을 검토하였다.
이론/모형
분석 대상은 초기 투입된 음폐수와 일체형 2상 혐기성소화조 유출수의 TS, VS, TCODCr, SCODCr, 분석을 통해 유기물 제거율을 산정하였으며, 그 외 T-N, T-P 등의 농도 및 제거율을 분석하여 전체적인 폐수처리 효율을 검토하였다. 모든 분석은 수질오염공정시험법 및 Standard Methods에 따라 분석하였으며, 유기물질(VS) 제거 당 바이오가스 생산효율, 그리고 생산 바이오가스 내 메탄 함량은 현장설치 된 가스분석기기를 이용하여 분석하였다.
혐기성미생물 분석에 있어서는 총 2개의 domain set, 4개의 order set, 2개의 family set 및 3개의 genus set를 이용하여 미생물 동정을 모니터링 하였으며, 총 11종의 QPCR set 중 일부는 Yu et al. (2005), Lee et al. (2009), Heilig et al. (2002), Frake-Whittle et al. (2009)에서 보고된 set를 인용하였다.
성능/효과
1. 평균 음폐수 투입량은 4.1㎥/일이었으며, 이때 유기물 제거효율은 약 76.9%로 나타났다.
2. 바이오가스는 평균적으로 투입 음폐수 ton당 약 63.04m³ (0.724 ㎥/kg-VSadded)가 발생되었으며, 메탄함량은 약 61.3%로 분석되었다.
3. 본 실험에서 바이오가스 발생량은 일반적으로 음식물 및 음폐수 혐기성소화 시 설계기준으로 참고하는 문헌상 발생 범위인 0.30∼0.48㎥/kg-VSadded을 상회하는 수치이며, 메탄함량 역시 평균 범위 수준인 것으로 나타났다.
4. 각 발효조 내 미생물 군집 특성에 있어서 메탄 생성이 기인하는 주요 미생물군의 종류와 개체수는 일반적인 2상 혐기성소화조 보다 더 많은 것으로 나타났다.
6로 큰 차이가 없었다. VS와 TS 제거율은 일체형이 분리형보다 다소 높은 결과를 보였으며, 환경부 지침 상 기준인 65%를 상회하는 것으로 나타났다.
반면, 안정적인 소화조 내 미생물 활성 조건 유지를 위한 미생물 종류와 개체수는 분리형 보다 유리한 것으로 나타났다. 결과적으로 본 연구에서 다루는 일체형 2상 혐기성소화 방식은 충분히 고농도 유기성 폐수인 음폐수 처리에 있어서 상용화가 가능하다는 결론을 내릴 수 있으며, 지금까지의 분석 결과는 Scale Up 플랜트의 설계 ⋅ 제작 인자로 사용 가능하다고 판단된다.
본 Pilot Scale 실험의 경우 메탄생성균인 MBT (Methanobacteriales), MMB (Methanomicrobia), MSL (Methanosarcinales) 등의 혐기성미생물이 다양하게 존재하고, 개체수 또한 월등한 수치를 보였다. 하지만, 본 실험의 처리대상 음폐수와의 대조 분석을 위해 실시한 G시 음폐수 에너지화 실증화시설(분리형)에서 채취한 음폐수 분석결과, 수소자화성메탄생성균인 MBT 및 MMB는 분석되었으나 초산자화성메탄생성균인 MSL이 발견되지 않았다.
7∼9]에 나타내었다. 실험 결과를 보면, 유기물질(VS) 일일 평균투입량은 356kg VS였으며, VS 평균제거율 77%를 보임에 따라 일일 평균제거량은 273kg VS로 분석되었다. 이에 따른 바이오가스 생산효율은 평균적으로 63.
5kg VS/㎥⋅day 보다는 다소 높고 대상 기질의 농도와 운전조건이 서로 상이하여 정확한 대조군 비교는 다소 어렵지만, 전체적으로 음폐수 내 유기물 제거 측면에서는 대등한 효율을 보이는 것으로 나타났다. 아울러 VS제거율, 바이오가스 발생량 등의 본 실험 결과는 환경부 지침상 제시된 주요 설계운전인자를 모두 만족하는 것으로 분석되어 일체형 2상 혐기성소화의 음폐수 처리효율성은 긍정적인 것으로 판단된다.
이상의 결과를 정리하면, 일체형과 분리형의 유기물 부하량에 있어서 일체형이 3.5kg VS/㎥⋅day로 분리형 2.5kg VS/㎥⋅day 보다는 다소 높고 대상 기질의 농도와 운전조건이 서로 상이하여 정확한 대조군 비교는 다소 어렵지만, 전체적으로 음폐수 내 유기물 제거 측면에서는 대등한 효율을 보이는 것으로 나타났다. 아울러 VS제거율, 바이오가스 발생량 등의 본 실험 결과는 환경부 지침상 제시된 주요 설계운전인자를 모두 만족하는 것으로 분석되어 일체형 2상 혐기성소화의 음폐수 처리효율성은 긍정적인 것으로 판단된다.
이상의 실험 결과를 정리하면, 일체형 2상 혐기성소화는 기존 산발효조와 메탄발효조가 분리된 소화방식 대비 유기물 제거 효율은 다소 높게 나타났으며, 바이오가스 생산량은 분리형이 보다 높게 분석되었다. 반면, 안정적인 소화조 내 미생물 활성 조건 유지를 위한 미생물 종류와 개체수는 분리형 보다 유리한 것으로 나타났다.
본 Pilot Scale 실험의 경우 메탄생성균인 MBT (Methanobacteriales), MMB (Methanomicrobia), MSL (Methanosarcinales) 등의 혐기성미생물이 다양하게 존재하고, 개체수 또한 월등한 수치를 보였다. 하지만, 본 실험의 처리대상 음폐수와의 대조 분석을 위해 실시한 G시 음폐수 에너지화 실증화시설(분리형)에서 채취한 음폐수 분석결과, 수소자화성메탄생성균인 MBT 및 MMB는 분석되었으나 초산자화성메탄생성균인 MSL이 발견되지 않았다. 이는 상당히 시사하는 바가 큰데, MSL이 우점시 바이오가스 생성량과의 상관관계를 성립하였는데 이는 바이오가스 플랜트를 운영하는데 중요한 요소로 여겨진다.
후속연구
그러나, 음폐수 유입 ton 당 바이오가스 발생량은 자체 보고자료에 의하면 25∼30㎥/ton으로 본 실험에서 측정된 바이오가스량에 미치지 못하는 것으로 조사되었다. 이는 혐기성소화미생물중 메탄생성균의 종류 및 개체수와 바이오가스 생성량의 상관관계가 명확히 존재함을 의미하고 있으며, 추후 연구에서는 이에 대한 상관관계 검증이 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 연간 음폐수 발생량은 어떠한가?
현재 국내 연간 음폐수 발생량은 2014년 기준 약 8,274ton/일이 발생되며, 이중 하수처리장과의 연계처리량은 6,034ton/일로 가장 많은 비율을 차지한다1). 음폐수 해양배출 금지에 따른 육상처리로의 전환을 계기로 다수의 지자체는 음폐수 육상처리 체계 구축을 위해 많은 노력을 기울였으며, 이에 따라 음폐수와 같은 고농도 유기성폐수 처리에 적합한 혐기성소화를 신규로 설치하는 사례가 증가하는 추세이다.
유입 기질 부하변동에 따른 소화조 내 미생물의 활성도 저하가 끼치는 악영향은?
음식물 또는 음폐수와 같이 유기물함량이 높은 기질의 혐기성소화 시 예상되는 문제점 중 가장 큰 부분은 유입 기질 부하변동에 따른 소화조 내 미생물의 활성도 저하이다4). 이는 결과적으로 유기물 분해효율을 저하시키며, 바이오가스 생산에도 직결된다는 점에서 미생물의 생장 환경을 최적의 조건으로 유지하는 것은 혐기성소화에 있어서 매우 중요한 운전 인자라고 판단된다.
우리나라 음식물류 폐기물 발생량은 어떠한가?
우리나라 음식물류 폐기물은 2014년 기준 하루 13,221ton이 발생되었으며, 약 97%가 사료화, 퇴비화 및 혐기성소화 등의 방식으로 자원화되었다1). 국내 음식물류 폐기물은 물리적 특성상 함수율이 대략 80∼85%이상으로 높고 염분함량이 높아 자원화를 위한 탈수 또는 염분저감을 위한 세수 등의 공정이 불가피하다.
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