[논문]2상 혐기성 소화에서 음식물쓰레기의 고온 가용화 전처리 pH 영향

이원수; 강영준; 서규태

doi:10.4491/ksee.2016.38.8.452

2상 혐기성 소화에서 음식물쓰레기의 고온 가용화 전처리 pH 영향
pH Effect at Thermophilic Solubilization Pretreatment of Food Waste in Two Phase Anaerobic Digestion 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.38 no.8, 2016년, pp.452 - 458

이원수 (창원대학교 환경공학과) , 강영준 (창원대학교 해양플랜트 FEED 공학과) , 서규태 (창원대학교 환경공학과)

초록
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본 연구는 음식물쓰레기의 2상 혐기성 소화에서 메탄가스 발생량을 높이기 위해 고온 가용화 전처리시 pH를 $7.00{\pm}0.50$으로 조정하여 대조군과 비교하였다. pH에 따른 가용화 효율 회분식(Batch) 실험에서 pH가 $4.20{\pm}0.40$ (pH를 조절하지 않은 것)에서부터 $7.00{\pm}0.50$, $12.00{\pm}0.50$으로 증가시킴에 따라 가용화 효율도 각각 26.2, 47.1, 55.6%로 높게 나타났다. 그러나 pH를 $7.00{\pm}0.50$에서 $12.00{\pm}0.50$으로 증가시켰을 때 가용화 효율은 8.5%증가로 큰 차이가 없었다. 실험실규모 2상 혐기성 소화시스템은 가용화 조건에서 pH를 조절하지 않은 Run1 (pH $4.20{\pm}0.40$)과 pH를 $7.00{\pm}0.50$으로 조절한 Run2로 나누어 운전되었다. pH $7.00{\pm}0.50$의 가용화에 의해 Run2시스템에서 전반적으로 높은 SCOD 및 TVFA농도가 측정되었다. 산생성조에서 TVFA농도는 18.4 g/L로 Run1보다 1.8배 높은 결과를 나타내었다. 그 결과 메탄생성조에서 메탄가스 발생량은 0.333 L/gVS로 Run1의 0.282 L/gVS과 비교하여 18% 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The study on pH control at the themophilic solubilization (pretreatment process) was investigated in order to improve the methane gas production of two phase anaerobic digestion of food waste. From a batch experiment, it was observed that the solubilization efficiency was increased from 26.2% to 47.1% and 55.6% by the pH increament from $4.20{\pm}0.40$ (without pH control) to $7.00{\pm}0.50$, and $12.00{\pm}0.50$, respectively. However there was immaterial increase (8.5%) in solubilization efficiency when the pH was increased from $7.00{\pm}0.50$ to $12.00{\pm}0.50$. The two phase anaerobic digestion system was operated for laboratory scale experiment under the solubilization condition of pH $4.20{\pm}0.40$ (Run1) and $7.00{\pm}0.50$ (Run2). Higher soluble chemical oxygen demand (SCOD) and total volatile fatty acid (TVFA) concentration were observed in Run2 throughout the system resulted by the solubilization effect at the pH $7.00{\pm}0.50$. The TVFA concentration in acidogenic reactor was 18.4 g/L which was 1.8 times higher than the result of Run1. Consequently the methane gas production was enhanced to 0.333 L/g VS in the methanogenic reactor, which is 18% higher than the result (0.282 L/g VS) of Run1.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2 정도⁸⁾인데 반해 pH 12~13의 높은 알칼리 전처리는 그만큼의 알칼리제 주입으로 인해 약품비용이 많이 들며, 2상혐기성 소화공정에서 이렇게 전처리된 음식물쓰레기는 산생성 단계에 영향을 줄 수 있으므로 높았던 pH를 다시 낮춰야 하는 비경제적인 상황이 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 Lab scale의 이상 중온 혐기소화 반응조를 이용해 음식물쓰레기의 고온 가용화조 전처리시 pH가 혐기성 소화효율에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였다.

제안 방법

pH가 높을수록 가용화 효율도 증가하였으나 pH 7.00 ± 0.50과 pH 12.00 ± 0.50은 증가율이 8.5%로 큰 차이를 나타내지 않았으며, 알칼리 과다 주입에 따른 산발효조의 영향을 고려하여 2상 혐기성 소화 시스템의 고온 가용화조 운전은 pH를 4.20 ± 0.40 (Run1)과 7.00 ± 0.50 (Run2)으로 나누어 2상 중온 혐기 소화 반응조를 연속운전하여 가용화 전처리 pH영향을 분석하였다.
가용화조, 산생성조 및 메탄생성조의 유입 및 유출수는 2일에 한번씩 채취하여 TCOD, SCOD, TS, VS, Na⁺ 및 VFAs를 분석하였다. COD 및 VFAs 측정을 위한 전처리로 시료를 5,000 rpm에서 원심분리 후 상등액을 0.
고온 가용화에서 pH 변화에 따른 음식물쓰레기의 가용화 효율을 분석하기 위해 3 L 회분식 반응조에 기질 약 1 L(음식물쓰레기 : 수돗물, 500 g : 500 g)를 넣고 회분식 실험을 하였다. 55 ± 1℃에서 2 M NaOH를 이용하여 pH를 각각 7.
기질은 음식물쓰레기 10 kg과 수돗물 10 kg을 혼합하여 20 L/d로 유입하였고 가용화조의 pH조건에 따라 Run1과 Run2로 나누어 80일 이상 운전하였다. 고온 가용화조의 기본적인 운전조건은 온도 55℃, 교반속도 100 rpm, HRT 1일로 설정하였고, pH 4.20 ± 0.40 (Run1)을 대조군으로 하여 pH 7.00 ± 0.50 (Run2)에서의 가용화 효율과 후단공정(산생성 및 메탄생성)의 효율에 대한 영향을 비교하였다. 산생성 반응조 운전 조건은 온도 35℃, pH 5.
반응조는 가용화조, 산생성조 및 메탄생성조로 구성하였고, 각각의 운전용량은 20 L, 60 L, 300 L로 설계하였다. 기질은 음식물쓰레기 10 kg과 수돗물 10 kg을 혼합하여 20 L/d로 유입하였고 가용화조의 pH조건에 따라 Run1과 Run2로 나누어 80일 이상 운전하였다. 고온 가용화조의 기본적인 운전조건은 온도 55℃, 교반속도 100 rpm, HRT 1일로 설정하였고, pH 4.
음식물쓰레기의 고온 가수분해 단계에서 pH 전처리를 위한 회분식 실험결과 및 이를 적용하여 2상 혐기성소화 반응조를 운전한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

실험에서 사용된 음식물쓰레기는 대학교 구내식당에서 발생하는 음식물쓰레기를 이용하였으며, 뼈, 갑각류, 달걀 껍데기 및 불순물을 제거한 후 음식물쓰레기와 수돗물을 1 : 1 (500 g : 500 g) 비율로 섞어 분쇄 후 체거름(2 mm 이하)하여 사용하였다. Table 1, 2에는 실험에 사용된 음식물 쓰레기의 구성 및 특성을 나타내었다.

데이터처리

그 외 항목은 수질오염공정시험기준¹⁰⁾에 따라 분석하였다. 실험 측정 결과 값은 음식물쓰레기를 연속운전하고 있던 반응기에 본 실험에 사용된 실험기질을 주입하여 고온 가용화조에서 pH를 조절한 후 안정화기간(16일) 이후의 평균값으로 계산하였다.

이론/모형

주입, 칼럼 및 검출기 온도는 각각 100, 40, 100℃로 설정하였으며, 운반가스로 헬륨을 사용하였다. 그 외 항목은 수질오염공정시험기준¹⁰⁾에 따라 분석하였다. 실험 측정 결과 값은 음식물쓰레기를 연속운전하고 있던 반응기에 본 실험에 사용된 실험기질을 주입하여 고온 가용화조에서 pH를 조절한 후 안정화기간(16일) 이후의 평균값으로 계산하였다.

성능/효과

1) 음식물쓰레기의 pH 조정에 따른 고온 가용화 효율은 pH 4.20 ± 0.40에서 26.2%, pH 7.00 ± 0.50에서 47.1%, pH 12.00 ± 0.50에서 55.6%로 pH가 높을수록 가용화 효율이 증가 하였으나 pH를 7.00 ± 0.50에서 pH 12.00 ± 0.50으로 증가시킴에 따른 가용화 효율 증가는 8.5%로 큰 차이를 보이지 않았다.
2) pH 7.00 ± 0.50으로 고온 가용화조를 운전한 결과 대조군보다 각 반응조내 높은 SCOD농도와 낮은 고형물 농도로부터 음식물쓰레기의 가용화 영향을 확인할 수 있었으며, 메탄생성조에서 용존성 유기물은 3배 더 많이 존재하였다.
3) 고온 가용화조의 pH를 7.00 ± 0.50으로 조절한 경우 산생성조내 TVFA/SCOD비는 pH를 조절하지 않은 것보다 1.4배 높았다. 가용화조에서 증가한 SCOD의 대부분이 산생성조에서 HLa로 전환되어 메탄생성조내 HAc 전환을 증대시킴에 따라 메탄생성조의 메탄가스 발생량이 0.
17 g/L였다. SCOD/TCOD는 Run1과 Run2가 각각 0.3, 0.5로 Run2가 용존 상태의 유기물 농도가 높았으며, 대부분 TVFA 형태로 잔류 했다(Fig. 4(b)).
4배 높았다. 가용화조에서 증가한 SCOD의 대부분이 산생성조에서 HLa로 전환되어 메탄생성조내 HAc 전환을 증대시킴에 따라 메탄생성조의 메탄가스 발생량이 0.333 L/gVS로 대조군보다 18% 향상 되었다.
고온 가용화조에 pH를 조절하지 않은 이상 혐기성 소화시스템 운전 Run1의 메탄생성조에서 메탄 발생량은 0.282 L/gVS로 나타났으며 메탄함량은 54%로 측정되었다. 반면 pH를 7.
메탄생성 반응조내 잔류 VFAs 구성 및 농도는 Run1에서 HPr > HBu > HAc순서로 각각 농도가 0.8 g/L > 0.6 g/L > 0.4 g/L로 잔류하고 있는 것으로 나타났고, 산생성조의 VFAs농도와 비교하여 HAc가 가장 많이 감소하였으며, 그 다음은 HBu, HPr순으로 감소하였다. Wang 등¹⁹⁾과 Chu 등²⁰⁾의 연구결과에서도 메탄생성조내 VFAs중 농도가 많이 감소한 것이 HAc이었으며, HBu, HPr 순서로 감소하여, 본 연구에서 나타난 결과와 유사한 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2상혐기소화의 장점은 무엇인가?	1) 고농도 유기성폐기물의 혐기소화는 2상혐기소화를 적용해 산생성 및 메탄생성단계로 분리할 수 있다. 이를 통해 각 미생물이 성장하기 위한 환경조건을 단계적으로 조절하여 미생물의 활성을 높일 수가 있으며, 유기산 생성시 pH저하에 의한 메탄생성미생물의 비활성화를 최소화 하여 유기물 제거 및 바이오가스 생성 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.2) 또한 음식물쓰레기와 같은 입자성 고형폐기물의 전처리 및 가수분해 단계는 혐기성 소화 전체 공정에 영향을 미칠 수 있으므로 음식물 쓰레기의 저분자화, 균질화, pH 및 온도 조절의 전처리 공정을 별도로 적용하여 혐기성 소화가 효율적으로 이루어 질 수 있도록 할 수 있다.
	음식물쓰레기의 전처리 효율을 높이기 위한 알칼리 주입은 어떤 영향을 끼치는가?	2) 또한 음식물쓰레기와 같은 입자성 고형폐기물의 전처리 및 가수분해 단계는 혐기성 소화 전체 공정에 영향을 미칠 수 있으므로 음식물 쓰레기의 저분자화, 균질화, pH 및 온도 조절의 전처리 공정을 별도로 적용하여 혐기성 소화가 효율적으로 이루어 질 수 있도록 할 수 있다.3,4) 이중 음식물쓰레기의 전처리 효율을 높이기 위한 알칼리 주입은 식물체의 셀룰로오스 구조를 파괴해 미생물에 의한 분해를 쉽게 만들어 주며,5) 분자량이 크고 물에 잘 녹지 않는 단백질의 분해를 촉진시킨다.6,7)따라서 전처리 및 가수분해 단계의 개선은 산생성 단계에서 VFAs 생성을 촉진시킬 수 있다.
	고농도 유기성폐기물의 혐기소화는 2상혐기소화를 적용해 어떻게 분리할 수 있는가?	3% 늘이고 있다.1) 고농도 유기성폐기물의 혐기소화는 2상혐기소화를 적용해 산생성 및 메탄생성단계로 분리할 수 있다. 이를 통해 각 미생물이 성장하기 위한 환경조건을 단계적으로 조절하여 미생물의 활성을 높일 수가 있으며, 유기산 생성시 pH저하에 의한 메탄생성미생물의 비활성화를 최소화 하여 유기물 제거 및 바이오가스 생성 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

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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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