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개량형 단상 혐기성 소화공정에서의 혼합슬러지를 이용한 바이오가스 생산효율 증대방안 연구
A Study on Increasing the Efficiency of Biogas Production using Mixed Sludge in an Improved Single-Phase Anaerobic Digestion Process 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.6, 2016년, pp.588 - 597  

정종철 (호서대학교 기후변화융합기술학과) ,  정진도 (호서대학교 환경공학과) ,  김산 (호서대학교 기후변화융합기술학과)

초록
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본 연구는 유기성폐기물의 혼합슬러지를 개량형 단상 혐기성 소화공정에서 각각의 혼합비율에 따른 바이오가스 생산효율 향상에 관한 연구로, 연구에 사용된 유기성폐기물의 종류는 하수 생슬러지, 음폐수 및 가축분뇨이다. BMP test를 통해 잠재적 메탄발생량을 확인한 결과 단일시료의 경우 가축분뇨가 $1.55m^3CN4/kgVS$로 가장 높게 평가되었고, 혼합시료(생슬러지, 음폐수, 가축분뇨)의 경우는 각각의 비율을 50% : 30% : 20%로 하였을 때 $0.43m^3CN4/kgVS$로 가장 높게 나타났다. 반면 실증플랜트에서 혼합슬러지 최적 혼합비율은 생슬러지(68.5) : 음폐수(18.0) : 가축분뇨(13.5)로 나타나 BMP test와 다소 상이한 결과를 보였다. 이는 혼합슬러지 성상변화와 체류시간 등 소화조 운전조건 변화에 기인한 결과로 판단되며, 단상 혐기성 소화조의 바이오가스 생산량이 $2,514m^3/d$, 메탄함량 62.8%로 조사되어 설계능력인 바이오가스 생산량 $2,319m^3/d$ 기준으로 볼 때 최대성능을 발휘하는 것으로 평가되었다. 아울러 본 연구를 통해 혐기성 소화방식에 있어 소화조의 안정적인 운영과 소화효율 측면에서 고효율 방식인 2상 소화방식을 도입하는 것이 유리하나 기존의 단상 소화방식에 있어서도 소화효율 개선 및 성능향상이 가능하다는 것을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we attempted to improve the biogas production efficiency by varying the mixing ratio of the mixed sludge of organic wastes in the improved single-phase anaerobic digestion process. The types of organic waste used in this study were raw sewage sludge, food wastewater leachate and lives...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 기존 혐기성 소화설비를 개량한 단상 혐기성 소화조에 생 슬러지 외에 음폐수와 가축분뇨를 혼합한 혼합슬러지를 소화기질로 이용하여 바이오가스 생산 효율과 메탄수율의 향상 및 슬러지 감량화의 증대방안을 모색해 보고자 하였다. 이상의 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
  • 본 연구에서는 기존의 하수처리시설에 설치되어 운영중인 혐기성 소화시설을 개량한 바이오가스 생산 및 에너지화 시설인 실증플랜트에서 바이오가스 생산효율 분석을 통해 최적 운전인자 및 영향인자와의 상관관계를 파악하여 바이오가스 생산효율을 향상 시키고자 하였다.
  • 첫째, 생 슬러지를 단일 소화기질로 실시한 실험단계를 대조군으로 control mode 운전단계로 명시하였다. 이는 생 슬러지와 혼합슬러지(생 슬러지+음폐수+가축분뇨)를 각각 소화기질로 이용할 경우 바이오가스 생산량과 메탄발생 효율을 비교분석해 보기 위한 목적이었다.
  • 특히, 개량형 단상 혐기성 소화공정에서의 소화효율과 관련하여 주요 소화기질로 사용하는 하수슬러지 외의 유기성 폐기물인 음식물 폐기물과 가축분뇨를 혼합한 혼합슬러지(하수생슬러지+음폐수+가축분뇨)를 투입하였을 경우 소화효율 및 바이오가스 생산에 미치는 영향을 분석해 보고 유기성 폐기물의 적정 혼합 비율을 산출하여 바이오가스 생산효율 향상 및 슬러지 감량화의 증대 방안을 모색해 보고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
혐기성 소화란 무엇인가? 혐기성 소화는 용존산소가 없는 상태에서 혐기성균을 이용하여 분해 가능한 유기물을 분해시켜 유기물의 액화, 가스화의 단계적 생화학반응을 거쳐 최종적으로 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)로 분해되는 과정이라 정의할 수 있으며 일명 “메탄발효”라고도 한다〔1〕.
혐기성 소화공정은 반응단계에 따라 어떻게 구분할 수 있는가? 또한 호기성 소화에 비해 기질의 5∼15%만이 미생물로 변환되기 때문에 폐 슬러지 처리비용이 적고 동력비 및 유지관리비가 적게 들어 고농도의 유기성 폐기물 처리에 유리하나 혐기성 소화미생물의 성장속도가 느려 긴 체류시간이 요구됨에 따라 반응조의 크기가 커지는 문제점도 있다〔3〕. 혐기성 소화공정은 반응단계에 따라 전통적인 단상 소화방식과 2상 고율 소화방식으로 구분할 수 있으며, 단상 소화방식은 하나의 반응조에서 산생성과 메탄생성이 동시에 일어나므로 각 단계를 최적의 상태로 유지하기가 곤란하며 외부에서 유입되는 기질의 특성에 따라 민감하게 반응한다. 또한 발효 속도가 늦어 메탄생성과정이 율속 되기 때문에 반응조는 대형화되고, 반응조내 온도유지와 혼합을 빠르게 하기 위한 가온 및 교반장치가 필요하며, 분뇨, 도시 하수슬러지, 가축분뇨 처리에 응용 사례가 많고 메탄의 함유량은 일반적으로 60∼70% 범위를 보여주고 있다〔4〕.
혐기성 소화공정의 장점은 무엇인가? 혐기성 소화공정은 기본적으로 산생성 단계와 메탄생성 단계의 2단계로 구분되며 각 단계에 작용하는 미생물은 생리적 특성 및 영양 요구 성이 매우 다르므로 외부의 환경조건에 따라 소화효율에 영향을 줄 수 있다〔2〕. 또한 호기성 소화에 비해 기질의 5∼15%만이 미생물로 변환되기 때문에 폐 슬러지 처리비용이 적고 동력비 및 유지관리비가 적게 들어 고농도의 유기성 폐기물 처리에 유리하나 혐기성 소화미생물의 성장속도가 느려 긴 체류시간이 요구됨에 따라 반응조의 크기가 커지는 문제점도 있다〔3〕. 혐기성 소화공정은 반응단계에 따라 전통적인 단상 소화방식과 2상 고율 소화방식으로 구분할 수 있으며, 단상 소화방식은 하나의 반응조에서 산생성과 메탄생성이 동시에 일어나므로 각 단계를 최적의 상태로 유지하기가 곤란하며 외부에서 유입되는 기질의 특성에 따라 민감하게 반응한다.
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참고문헌 (11)

  1. Angelidaki I. and Ahring B. K., "Anaerobic digestion of manure at different ammonia loads : effect of temperature", Water Research, Vol. 28, 727-731, 1994. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0043-1354(94)90153-8 

  2. Gerardi M. H., "The microbiology of anaerobic digesters", Wily-Interscience, 99-103, 2003. 

  3. Odeegard H., "Treatment of anaerobically pretreated effluents", Proc. 5th International Symp. On Anaerobic Digestion, 225-230, 1988. 

  4. Kim, N.C, Yoo, K.Y., Ahn, J.W., Kim, Y.J., Heo, K., Jung, Y.G., Bae, J.G., " Principles and applications of biogas production technology by anaerobic digestion", J. of KOWREA, Vol. 10(1), 7-23, 2002. 

  5. Demirer, G.N, Chen, S., "Two-Phase anaerobic digestion of unscreened dairy mamure", Process Biochem., Vol. 40, 3542-3549, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.procbio.2005.03.062 

  6. Ministray of Environment, "Environmental Assessment and Activation Plan of Renewable Energy", Korea Environment Institute, 2010. 

  7. Ministray of Environment, "Comprehensive research on Waste-to-Energy measures", Korea Environment Institute, 2008. 

  8. Jules B. van Lier, Katja C. F., Alfons J. M. S., Everly C. M., Gatze L., "Start-up of a thermophilic upflow anaerobic sludge bed(UASB) reactor with mesophilic granular sludge", Applied Microbiology Biotechnology, Vol. 37, 130-135, 1992. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/BF00174217 

  9. Owen, W.F., Stuckey, D.C., Healy, J.B., Young, L.Y., McCarty, P.L., "Bioassay for monitoring biochemical methane potential and anaerobic toxicity", Water Res., Vol. 13, 485-492, 1979. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0043-1354(79)90043-5 

  10. Stainer R. Y., Adelberg E. A. and Ingraham J. L., The Microbial World 4th ed., 705-706, Prentice Hall Inc. New Jersey, 1976. 

  11. Pfeffer J. T., "Temperature effects on anaerobic fermentation of domestic refuse", Biotech. and Bioeng., Vol. 16, 771, 1974. 

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