본 연구에서는 하수 슬러지를 대상으로 단상 고온($55^{\circ}C$)과 중온($35^{\circ}C$) 혐기성 소화조의 안정성, 고형물 제거 및 메탄생성을 관찰하였다. 실험 결과 별도의 pH 조절 없이 고온($R_{TAD}$, reactor of thermophilic anaerobic digestion) 및 중온 ($R_{MAD}$, reactor of mesophilic anaerobic digestion) 소화조 내 pH의 경우 혐기 소화 시 안정적인 미생물 활성을 나타낸다고 알려진 6.5-8.0 사이의 값을 소화 기간 내내 유지하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, total alkalinity (TA)의 경우 $R_{TAD}$ 및 $R_{MAD}$ 모두 3-4 g $CaCO_3/L$의 높은 값을 안정적으로 유지하였다. 고형물 제거의 경우 순응 기간 후 $R_{TAD}$에서 43.3%, $R_{MAD}$에서 33.6%의 VS 제거율을 보이며 $R_{TAD}$에서 약 10% 높은 VS 제거율은 제거율을 보였다. 유기산의 경우 $R_{TAD}$ 및 $R_{MAD}$에서 순응 기간 직후 검출되지 않았다. $R_{TAD}$ 및 $R_{MAD}$ 모두 순응 기간 후 안정적인 메탄 생성을 보였으며, $R_{TAD}$에서 $R_{MAD}$에 비해 31.4% 향상된 메탄 생성률이 관찰되었다($R_{TAD}$; 243 mL $CH_4/L/d$; $R_{MAD}$ : 185 mL $CH_4/L/d$). 반면, 두소화조 $R_{TAD}$ 및 $R_{MAD}$에서의 메탄 수율은 유사한 값을 보였다.
본 연구에서는 하수 슬러지를 대상으로 단상 고온($55^{\circ}C$)과 중온($35^{\circ}C$) 혐기성 소화조의 안정성, 고형물 제거 및 메탄생성을 관찰하였다. 실험 결과 별도의 pH 조절 없이 고온($R_{TAD}$, reactor of thermophilic anaerobic digestion) 및 중온 ($R_{MAD}$, reactor of mesophilic anaerobic digestion) 소화조 내 pH의 경우 혐기 소화 시 안정적인 미생물 활성을 나타낸다고 알려진 6.5-8.0 사이의 값을 소화 기간 내내 유지하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, total alkalinity (TA)의 경우 $R_{TAD}$ 및 $R_{MAD}$ 모두 3-4 g $CaCO_3/L$의 높은 값을 안정적으로 유지하였다. 고형물 제거의 경우 순응 기간 후 $R_{TAD}$에서 43.3%, $R_{MAD}$에서 33.6%의 VS 제거율을 보이며 $R_{TAD}$에서 약 10% 높은 VS 제거율은 제거율을 보였다. 유기산의 경우 $R_{TAD}$ 및 $R_{MAD}$에서 순응 기간 직후 검출되지 않았다. $R_{TAD}$ 및 $R_{MAD}$ 모두 순응 기간 후 안정적인 메탄 생성을 보였으며, $R_{TAD}$에서 $R_{MAD}$에 비해 31.4% 향상된 메탄 생성률이 관찰되었다($R_{TAD}$; 243 mL $CH_4/L/d$; $R_{MAD}$ : 185 mL $CH_4/L/d$). 반면, 두소화조 $R_{TAD}$ 및 $R_{MAD}$에서의 메탄 수율은 유사한 값을 보였다.
In this study, single-stage continuous anaerobic reactors to treat sewage sludge were operated under different temperature (55 and $35^{\circ}C$; $R_{TAD}$ and $R_{MAD}$) to evaluate the reactor stability and performance of the thermophilic and mesophilic anaerobic d...
In this study, single-stage continuous anaerobic reactors to treat sewage sludge were operated under different temperature (55 and $35^{\circ}C$; $R_{TAD}$ and $R_{MAD}$) to evaluate the reactor stability and performance of the thermophilic and mesophilic anaerobic digestion. During the overall digestion, both anaerobic reactors maintained quite stable and constant pH and total alkalinity (TA) values in the range of 6.5-8.0 and 3-4 g $CaCO_3/L$, respectively. After the start-up period, $R_{TAD}$ showed 10% higher VS removal efficiency than that of $R_{MAD}$ ($R_{TAD}$; 43.3%; $R_{MAD}$ : 33.6%). Although organic acids such as acetic and propionic acid were detected in both anaerobic reactors at the start-up period, all organic acids in $R_{TAD}$ and $R_{MAD}$ were consumed at the steady state condition. Also $R_{TAD}$ showed 31.4 % higher methane production rate (MPR) than that of $R_{MAD}$ at the steady state condition ($R_{TAD}$; 243 mL $CH_4/L/d$; $R_{MAD}$ : 185 mL $CH_4/L/d$). Meanwhile, the experimental results indicated similar methane yield between $R_{TAD}$ and $R_{MAD}$.
In this study, single-stage continuous anaerobic reactors to treat sewage sludge were operated under different temperature (55 and $35^{\circ}C$; $R_{TAD}$ and $R_{MAD}$) to evaluate the reactor stability and performance of the thermophilic and mesophilic anaerobic digestion. During the overall digestion, both anaerobic reactors maintained quite stable and constant pH and total alkalinity (TA) values in the range of 6.5-8.0 and 3-4 g $CaCO_3/L$, respectively. After the start-up period, $R_{TAD}$ showed 10% higher VS removal efficiency than that of $R_{MAD}$ ($R_{TAD}$; 43.3%; $R_{MAD}$ : 33.6%). Although organic acids such as acetic and propionic acid were detected in both anaerobic reactors at the start-up period, all organic acids in $R_{TAD}$ and $R_{MAD}$ were consumed at the steady state condition. Also $R_{TAD}$ showed 31.4 % higher methane production rate (MPR) than that of $R_{MAD}$ at the steady state condition ($R_{TAD}$; 243 mL $CH_4/L/d$; $R_{MAD}$ : 185 mL $CH_4/L/d$). Meanwhile, the experimental results indicated similar methane yield between $R_{TAD}$ and $R_{MAD}$.
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문제 정의
또한, 충분한 TA 농도 유지는 과다한 유기산 축적으로 인한 급격한 pH변화에 대한 완충작용을 함으로써 소화조 안정성에 중요한 역할을 한다. 따라서, 본 연구에서는 각 소화조 내 pH 및 TA 변화 양상을 관찰함으로써 고온 및 중온 혐기성 소화의 안정성을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
) 혐기성 소화반응조의 장치도는 Figure 1과 같다. 본 연구에서는 소화조 운전온도에 따른 유기물 제거 효율 및 안정성을 평가하기 위하여 2개의 CSTR 반응조로 실험을 진행하였다. 자세한 반응조 운전조건은 Table 2에 나타내었다.
본 연구에서는 하수 슬러지를 대상으로 실험실 규모의 연속적인 고온(55 ℃) 및 중온(35 ℃) 단상 혐기성 소화를 진행하였고 그 적용 가능성을 평가하였다. 이를 위하여 고형 유기물 제거 효율, 메탄생성 및 안정성을 관찰하였다.
제안 방법
바이오가스 생성량 및 메탄함유랑은 수위차 및 GC (Model 6890N, Agilent)을 통해 분석하였다. 각 반응조의 pH 변화양상은 pH (405-DPAS-SC-K85, METTLER TOLLEDO)미터를 이용하여 연속적으로 모니터링하였다.
-N) 및 Chemical oxygen demand (COD)는 Standard method[9]에 준하여 분석하였으며, 유기산(organic acid; OA) 분석에는 HPLC (Agilent Technology 1100series)를 이용하였다. 바이오가스 생성량 및 메탄함유랑은 수위차 및 GC (Model 6890N, Agilent)을 통해 분석하였다. 각 반응조의 pH 변화양상은 pH (405-DPAS-SC-K85, METTLER TOLLEDO)미터를 이용하여 연속적으로 모니터링하였다.
본 연구에서는 하수 슬러지를 대상으로 실험실 규모의 연속적인 고온(55 ℃) 및 중온(35 ℃) 단상 혐기성 소화를 진행하였고 그 적용 가능성을 평가하였다. 이를 위하여 고형 유기물 제거 효율, 메탄생성 및 안정성을 관찰하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 식종균은 D시 하수처리장에 위치한 중온 혐기 소화조에서 채취한 후 접종하였다. D시 하수처리장에서 발생되는 잉여농축 슬러지(2차슬러지)를 이용하여 실험이 진행되었으며, 채취한 하수 슬러지는 1.0 mm 체를 이용한 이물질 및 고형물의 균질화 작업 후 3 L 플라스틱 용기에 담아 -25 ℃에서 사용 전까지 보관하였다. 본 연구에 사용된 하수 슬러지의 자세한 물리⋅화학적 성상은 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서 사용된 식종균은 D시 하수처리장에 위치한 중온 혐기 소화조에서 채취한 후 접종하였다. D시 하수처리장에서 발생되는 잉여농축 슬러지(2차슬러지)를 이용하여 실험이 진행되었으며, 채취한 하수 슬러지는 1.
이론/모형
Total solids (TS), Volatile solids (VS), Total alkalinity(TA), Total nitrogen (TN), Total phosphorus (TP), ammonium (NH4+-N) 및 Chemical oxygen demand (COD)는 Standard method[9]에 준하여 분석하였으며, 유기산(organic acid; OA) 분석에는 HPLC (Agilent Technology 1100series)를 이용하였다. 바이오가스 생성량 및 메탄함유랑은 수위차 및 GC (Model 6890N, Agilent)을 통해 분석하였다.
성능/효과
(1) 본 연구에서 별도의 pH 조절 없이 순응 기간 후 RTAD 및 RMAD에서 안정적인 pH 및 TA 값을 유지하였다.
(2) 순응 기간 후 RTAD 및 RMAD 내 고형물 농도는 일정한 값을 유지하는 것을 관찰하였다. 안정된 RTAD에서 RMAD에 비해 약 10% 높은 VS 제거율은 제거율을 보였다.
(3) 순응 기간 동안 RTAD에서 유기산 축적(주로 propionic acid)이 관찰되었으나, 30일 이후에는 모든 소화조에서 유기산이 검출되지 않았다. 따라서 유기산 축적으로 인한 공정 저해 현상은 본 연구에서 발생하지 않았다.
(4) RTAD 및 RMAD 모두 순응 기간 후 안정적인 메탄 생성을 보였으며, RTAD에서 RMAD에 비해 31.4% 향상된 메탄 생성률이 관찰되었다. 반면, 두 소화조 RTAD 및 RMAD에서의 메탄 수율은 유사한 값을 보였다
의 안정화 후 생성된 메탄 생성률(methane production rate; MPR), 바이오 가스 내 메탄 비율 및 메탄 수율을 나타낸다. RTAD 및 RMAD 모두 순응 기간 후 안정적인 메탄 생성을 보였다. RTAD 및 RMAD에서 생성된 바이오 가스 내 메탄 비율은 각각 67.
RTAD 및 RMAD 모두 순응 기간 후 안정적인 메탄 생성을 보였다. RTAD 및 RMAD에서 생성된 바이오 가스 내 메탄 비율은 각각 67.7 및 65.7%로 RTAD에서 RMAD에 비해 2% 높은 메탄 함유량을 가진 바이오가스를 생산하는 것으로 관찰되었다. RTAD 및 RMAD는 각각 243 및 185 mL CH4/L/d의 메탄 생성률을 보였다.
RTAD 및 RMAD는 각각 243 및 185 mL CH4/L/d의 메탄 생성률을 보였다. RTAD에서 RMAD에 비해 31.4% 향상된 메탄 생성률이 관찰되었는데 이는 10% 가량 높은 VS 및 COD 제거와 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다. 두 소화조 RTAD 및 RMAD에서의 메탄 수율은 유사한 값을 보였다.
본 연구에서 RTAD 및 RMAD 모두 3-4 g CaCO3/L의 높은 TA 농도를 유지하는 것으로 관찰되었다. 고온 및 중온 혐기 소화조 내 pH 및 TA를 기반으로 안정성을 평가한 결과 하수 슬러지를 대상으로 안정적인 소화를 할 수 있는 것으로 관찰되었다.
/L의 높은 TA 농도를 유지하는 것으로 알려져 있다[10]. 본 연구에서 RTAD 및 RMAD 모두 3-4 g CaCO3/L의 높은 TA 농도를 유지하는 것으로 관찰되었다. 고온 및 중온 혐기 소화조 내 pH 및 TA를 기반으로 안정성을 평가한 결과 하수 슬러지를 대상으로 안정적인 소화를 할 수 있는 것으로 관찰되었다.
0 사이의 값을 유지하는 것이 중요하다. 본 연구에서 별도의 pH 조절 없이 RMAD의 경우 소화 기간 동안 안정적인 pH (~7.2)를 유지하였다. 반면, RTAD의 경우 순응 기간(0-24 d) 동안 7.
내 고형물 농도(TS 및 VS) 변화 양상은 Figure 3과 같다. 소화 순응 기간에는 고농도의 하수 슬러지 유입에 의한 TS 및 VS농도의 현저한 상승이 관찰되었다. 이 기간에 RTAD의 경우 TS는 20.
8 g/L까지 상승하였다. 순응 기간 후 RTAD 및 RMAD 내 고형물 농도는 일정한 값을 유지하는 것을 관찰하였다. 안정된 RTAD의 TS 및 VS 제거율은 각각 37.
3%을 나타냈다. 안정된 RMAD는 RTAD에 비해 상대적으로 낮은 TS (29.5%) 및 VS (33.6%) 제거율을 보였다. 이러한 현상은 일반적으로 고온 미생물들이 상대적으로 중온 미생물에 비해 높은 분해율을 가지며, 높은 온도에 의해 열 저항력(thermo-tolerant)이 낮은 일부 슬러지의 추가적인 분해로 인한 것으로 생각된다.
5 g/L까지 상승하였다. 안정된 RTAD 및 RMAD의 TCOD 제거율은 각각 43.3 및 37.3%을 나타냈다. 반면, SCOD의 경우 RMAD에 비해 RTAD에서 높은 농도(5 g/L)을 유지하는 것으로 관찰되었다.
내 고형물 농도는 일정한 값을 유지하는 것을 관찰하였다. 안정된 RTAD에서 RMAD에 비해 약 10% 높은 VS 제거율은 제거율을 보였다.
순응 기간 후 RTAD 및 RMAD 내 고형물 농도는 일정한 값을 유지하는 것을 관찰하였다. 안정된 RTAD의 TS 및 VS 제거율은 각각 37.2 및 43.3%을 나타냈다. 안정된 RMAD는 RTAD에 비해 상대적으로 낮은 TS (29.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하수 슬러지의 저감을 위해 어떤 방법을 사용하는가?
고화 및 건조연료화를 통한 하수 슬러지의 저감은 하수 슬러지의 높은 수분함량 때문에 상대적으로 많은 에너지를 필요로 한다. 반면, 혐기성 소화는 슬러지의 생성량이 적다는 점과 더불어 부산물로 메탄을 회수할 수 있다는 장점을 가지고 있으며[3,4], 소화 슬러지를 토양계량제 등으로 활용할 수 있다[5,6].
고화 및 건조연료화로 하수 슬러지를 감소하는 방법은 어떤 단점이 있는가?
고화 및 건조연료화를 통한 하수 슬러지의 저감은 하수 슬러지의 높은 수분함량 때문에 상대적으로 많은 에너지를 필요로 한다. 반면, 혐기성 소화는 슬러지의 생성량이 적다는 점과 더불어 부산물로 메탄을 회수할 수 있다는 장점을 가지고 있으며[3,4], 소화 슬러지를 토양계량제 등으로 활용할 수 있다[5,6].
혐기성 소화 온도가 메탄 생성에 있어 중요한 이유는?
혐기성 소화 온도는 공정 안정도 및 효율적인 측면에서 매우 중요하다. 특히 메탄생성균은 가수분해 및 산생성균에 비해 느린 생장속도를 가지고 있어 온도에 상대적으로 민감하므로 공정 운전 시 적합한 온도를 유지하는 것은 메탄생성에 중요한 역할을 한다. 대부분의 혐기성 소화는 중온범위(35-40 ℃)에서 적용되었으며, 안정적인 공정 운전 및 메탄생성이 보고되었다.
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