[논문]하수 슬러지 수열탄화액의 혐기적 유기물 분해 특성 연구

오승용; 윤영만

doi:10.17137/korrae.2017.25.1.35

하수 슬러지 수열탄화액의 혐기적 유기물 분해 특성 연구
Characteristics of Anaerobic Biodegradability in Hydro-thermal Hydrolysate of Sewage Sludge 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.25 no.1, 2017년, pp.35 - 45

오승용 (한경대학교 바이오가스연구센터) , 윤영만 (한경대학교 바이오가스연구센터)

초록
AI-Helper

본 연구는 하수슬러지의 혐기소화 효율 향상을 위하여 유기물 가용화를 위한 수열탄화 최적 온도조건을 규명하고자 170, 180, 190, 200, 210, $220^{\circ}C$의 수열탄화 반응에서 생성된 수열탄화액의 메탄퍼텐셜을 분석하였으며, 병열 1차 반응식(Parallel first order kinetics model)을 적용하여 수열탄화액의 유기물을 이분해성, 분해저항성, 난분해성 유기물로 분획하여 유기물의 구성 특성을 추정하였다. 하수슬러지의 누적 메탄생산곡선은 회분식 혐기반응기 운전 후기까지 지속적으로 증가하는 양상을 보였으며 병열 1차 반응식을 적용하여 합리적인 최종메탄퍼텐셜($B_u$)의 분석이 가능하였다. 하수슬러지 수열탄화액의 최종 메탄퍼텐셜은 수열탄화온도가 170, 180, 190, 200, 210, $220^{\circ}C$로 증가함에 따라 각각 0.39, 0.39, 0.40, 0.44, 0.45, $0.46Nm^3/kg-VS_{added}$로 증가하였으며, 수열탄화 반응온도의 상승은 하수슬러지의 유기물을 가용화 시켜 생분해성 유기물($VS_B$)의 함량을 증가시키는 것으로 나타났다. 이분해성 유기물($VS_e$) 함량은 수열탄화 반응온도 $200{\sim}210^{\circ}C$에서 가장 높게 나타나 하수슬러지의 유기물 가용화를 위한 최적 수열탄화 반응온도는 $200{\sim}210^{\circ}C$의 범위로 나타났다. 또한 수열탄화 반응으로 얻어지는 하수슬러지 수열탄화액에서 생분해성 유기물($VS_B$)과 이분해성 유기물($VS_e$)의 양은 수열탄화 반응온도 $200^{\circ}C$에서 가장 높게 나타나 $200^{\circ}C$의 수열탄화 반응온도가 하수슬러지의 가용화에 최적 온도조건으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve the anaerobic digestion efficiency of the sewage sludge, the methane potential of the hydrolysate generated from the hydro-thermal reaction at 170, 180, 190, 200, 210, $220^{\circ}C$ was analyzed and the constitutional characteristics of the organic materials were estimated by dividing organic materials of hydro-thermal hydrolysate into easily biodegradable, decomposition resistant, and non-biodegradable organic materials applying the parallel first order kinetics model. The ultimate methane potential of sewage sludge hydro-thermal hydrolysate increased to 0.39, 0.39, 0.40, 0.44, 0.45, and $0.46Nm^3/kg-VS_{added}$ as hydro-thermal reaction temperature increased from 170, 180, 190, 200, 210, $220^{\circ}C$. It has been shown that the organic matter of sewage sludge is solubilized to increase the content of biodegradable organic material($VS_B$). The easily degradable organic matter($VS_e$) content was highest at hydro-thermal reaction temperature of 200 and $210^{\circ}C$, and optimum hydro-thermal reaction temperature for organic matter solubilization of sewage sludge was in the range of $200{\sim}210^{\circ}C$. In addition, the amount of biodegradable organic material($VS_B$) and easily biodegradable organic matter ($VS_e$) in the hydrolysate of sewage sludge was the highest at hydro-thermal reaction temperature of $200^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 하수슬러지의 수열탄화 기술을 적용하여, 하수슬러지 유기물의 가용화를 위한 최적 수열탄화 반응온도 조건을 설정하고, 수열탄화를 통한 가용화 유기물의 혐기적 분해특성에 분석하였다. 이를 위해 수열탄화 반응에서 생성된 수열탄화액의 메탄퍼텐셜을 분석하였으며, 병열 1차 반응속도식을 적용하여 수열탄화액의 유기물을 이분해성, 분해저항성, 난분해성 유기물로 분획하여 유기물의 구성 특성을 추정하였다.
본 연구에서는 하수슬러지의 혐기소화 효율 증진을 위한 최적의 수열탄화 반응온도 조건을 도출하기 위하여 수열탄화 반응온도별 하수슬러지 수열탄화액의 메탄퍼텐셜을 분석하였으며, 병열 1차 반응속도식(Parallel first order kinetics)을 이용하여 수열탄화 반응온도별 유기물의 혐기적 분해특성을 분석하였다.

제안 방법

1%를 함유하는 수주차식 가스량 측정기를 사용하였으며^13-14), 발생 바이오가스는 (식 3)과 같이 온도와 수분을 보정하여 표준상태(0℃, 1기압)에서의 건조 가스 부피로 환산하여 누적 메탄생산곡선을 구하였다. (식 3)에서 V_{dry gas}는 표준상태(0℃, 1기압)에서의 건조 가스의 부피, T는 반응기의 운전온도, V_{wet gas}는 반응기 운전온도(38℃)에서의 습윤 가스의 부피, P는 가스의 부피측정 당시의 대기압, P_T는 T℃에서의 포화수증기압(mmHg)이며, 본 연구에서는 P를 760 mmHg로 간주하고 P_T는 38℃서의 포화수증기압으로 계산하였다. 메탄퍼텐셜 산출을 위한 누적 메탄생산곡선은 Modified Gompertz model(식 4)을 이용하여 SigmaPlot(SigmaPlot Version 10.
하수슬러지의 수열탄화 반응기는 2L 용량의 밀폐형 회분식 압력 반응기를 제작하였으며, 반응기는 내부에 기계식 교반기를 설치하여 수열탄화 반응의 균질성을 유지하도록 제작하였다. 또한 반응기는 완전 밀폐구조로 제작하여 반응온도별로 발생하는 내부 포화수증기압으로 내부압력이 유지되도록 하였다. 수열탄화 반응기는 하수슬러지 1kg을 유입하고 170∼220℃(170, 180, 190, 200, 210, 220℃) 온도 범위에서 승온시간 40분, 반응시간 1시간, 냉각시간 30분으로 운전하였다.
5가 되도록 조절하였으며, 상층부 여유공간은 N₂가스를 충진하였으며, 중온(38℃)에서 일일 1회 손으로 반응기를 흔들어 교반을 실시하면서 114일간 배양하였다. 또한 접종액에서 발생하는 메탄가스를 보정하기 위하여 접종액만을 투입한 3반복의 혐기 반응기를 시료와 동일한 조건에서 바탕실험으로 운영하였다. 실험에 사용한 접종액의 성상은 Table 2와 같다.
또한, 본 연구에서는 혐기소화 과정에서 분해되는 기질(Substrate) 중의 유기물(VS_T)을 (식 6)과 같이 혐기소화과정에서 메탄으로 전환되는 생분해성(Biodegradable) 유기물(VS_B)과 메탄으로 전환되지 않는 난분해성(Non-biodegradable) 유기물(VS_NB)로 정의(식 6)하였으며, 난분해성유기물은 (식 7)과 같이 이론적 메탄생산퍼텐셜과 실험적으로 구한 최종메탄생산 퍼텐셜의 비율로 정의 하였다. 또 생분해성 유기물(VS_B)은 (식 8)과 같이 혐기소화과정에서 초기에 쉽게 분해되는 이분해성(Easily biodegradable) 유기물(VS_e)과 분해저항성이 있어 혐기소화 후기에 천천히 분해되는 분해저항성(Persistent) 유기물(VS_p)로 구분하여 정의하였다.
바이오가스의 가스성분 분석은 TCD(Thermal conductivity detector)가 장착된 Gas chromatography(Clarus680, PerkinElmer, Massachusetts, USA)를 이용하였다. 컬럼은 HayesepQ packed column(3 mm × 3 m, 80∼100 mesh size)을 이용하였으며, 고순도 아르곤(Ar) 가스를 이동상으로 사용하여 유속 30 mL/min의 운전 상태에서 주입부(Injector) 온도 150℃, 컬럼부(Column oven) 90℃, 검출부(Detector) 150℃에서 분석하였다(Sorensen et al.
수열탄화 반응기는 하수슬러지 1kg을 유입하고 170∼220℃(170, 180, 190, 200, 210, 220℃) 온도 범위에서 승온시간 40분, 반응시간 1시간, 냉각시간 30분으로 운전하였다.
수열탄화 반응기는 하수슬러지 1kg을 유입하고 170∼220℃(170, 180, 190, 200, 210, 220℃) 온도 범위에서 승온시간 40분, 반응시간 1시간, 냉각시간 30분으로 운전하였다. 수열탄화 후 발생하는 하수슬러지 수열탄화 반응물(Hydro-thermal reactant)은 정성 여과지(Qualitative filter paper No. 1, Advantec, Japan)로 여과하여 고상(Solid phase)의 탄화물을 제거한 후 수열탄화액(Hydro-thermal hydrolysate)을 실험에 공시하였다. 실험에 사용한 하수슬러지의 물리화학적 성상은 [Table 1]과 같다.
시료의 원소분석은 원소분석기(EA1108, Thermo Finnigan, Califonia, USA)를 사용하였으며, 총고형물(TS; Total solid), 휘발성 고형물(VS; Volatile solid), 총화학적산소요구량(COD; Chemical oxygen demand), 용해성 화학적산소요구량(SCOD; Soluble chemical oxygendemand), 총질소(TN; Total nitrogen), 암모니아성 질소(NH4+–N), 알칼리도(Alkalinity), 휘발성지방산(VFA; Volatile fatty acid) 등은 표준분석법19)에 따라 3회 반복 실험을 수행하였다.
반응기의 용적(Total volume)은 160 mL, 유효용적(Working volume)은 80 mL, 상층부 여유공간(Head space)은 80 mL로 하였다. 여기서 투입기질 (Substrate, S)은 기질의 VS 함량과 접종액의 VS 함량의 비율(S/I ratio)이 0.5가 되도록 조절하였으며, 상층부 여유공간은 N₂가스를 충진하였으며, 중온(38℃)에서 일일 1회 손으로 반응기를 흔들어 교반을 실시하면서 114일간 배양하였다. 또한 접종액에서 발생하는 메탄가스를 보정하기 위하여 접종액만을 투입한 3반복의 혐기 반응기를 시료와 동일한 조건에서 바탕실험으로 운영하였다.
본 연구는 하수슬러지의 수열탄화 기술을 적용하여, 하수슬러지 유기물의 가용화를 위한 최적 수열탄화 반응온도 조건을 설정하고, 수열탄화를 통한 가용화 유기물의 혐기적 분해특성에 분석하였다. 이를 위해 수열탄화 반응에서 생성된 수열탄화액의 메탄퍼텐셜을 분석하였으며, 병열 1차 반응속도식을 적용하여 수열탄화액의 유기물을 이분해성, 분해저항성, 난분해성 유기물로 분획하여 유기물의 구성 특성을 추정하였다. 하수슬러지의 누적 메탄생산곡선은 회분식 혐기반응기 운전 후기까지 지속적으로 증가하는 양상을 보였으며, 병열 1차 반응속도식을 적용하여 합리적인 최종메탄퍼텐셜(B_u)의 분석이 가능하였다.
컬럼은 HayesepQ packed column(3 mm × 3 m, 80∼100 mesh size)을 이용하였으며, 고순도 아르곤(Ar) 가스를 이동상으로 사용하여 유속 30 mL/min의 운전 상태에서 주입부(Injector) 온도 150℃, 컬럼부(Column oven) 90℃, 검출부(Detector) 150℃에서 분석하였다(Sorensen et al., 1991).
본 연구에서는 하수슬러지 수열탄화액의 혐기적 분해 특성을 평가하기 위하여 경기도 광주시 곤지암 도척하수처리장에서 발생하는 하수슬러지 탈수 케이크를 채취하여 수열탄화 반응에 사용하였다. 하수슬러지의 수열탄화 반응기는 2L 용량의 밀폐형 회분식 압력 반응기를 제작하였으며, 반응기는 내부에 기계식 교반기를 설치하여 수열탄화 반응의 균질성을 유지하도록 제작하였다. 또한 반응기는 완전 밀폐구조로 제작하여 반응온도별로 발생하는 내부 포화수증기압으로 내부압력이 유지되도록 하였다.
채취한 혐기소화액은 2 mm 체를 통과시킨 후, 38℃ 항온 배양기에서 배양하여 소화액 중의 이분해성의 유기물과 잔여가스를 충분히 제거하여 접종액으로 사용하였다. 회분식 반응기는 serum bottle을 이용하였으며, 처리구당 3반복으로 운전하였다. 반응기의 용적(Total volume)은 160 mL, 유효용적(Working volume)은 80 mL, 상층부 여유공간(Head space)은 80 mL로 하였다.
회분식 혐기반응기의 바이오가스 발생량 측정은 2% 황산에 resazurin 0.1%를 함유하는 수주차식 가스량 측정기를 사용하였으며^13-14), 발생 바이오가스는 (식 3)과 같이 온도와 수분을 보정하여 표준상태(0℃, 1기압)에서의 건조 가스 부피로 환산하여 누적 메탄생산곡선을 구하였다. (식 3)에서 V_{dry gas}는 표준상태(0℃, 1기압)에서의 건조 가스의 부피, T는 반응기의 운전온도, V_{wet gas}는 반응기 운전온도(38℃)에서의 습윤 가스의 부피, P는 가스의 부피측정 당시의 대기압, P_T는 T℃에서의 포화수증기압(mmHg)이며, 본 연구에서는 P를 760 mmHg로 간주하고 P_T는 38℃서의 포화수증기압으로 계산하였다.

대상 데이터

메탄퍼텐셜 실험에 사용한 접종액(Inoculum, I)은 경기도 일죽에 위치하는 5 m³/day 규모 한경대학교 바이오가스 상용화 연구시설에서 혐기 소화액을 채취하여 사용하였다. 채취한 혐기소화액은 2 mm 체를 통과시킨 후, 38℃ 항온 배양기에서 배양하여 소화액 중의 이분해성의 유기물과 잔여가스를 충분히 제거하여 접종액으로 사용하였다.
본 연구에서는 하수슬러지 수열탄화액의 혐기적 분해 특성을 평가하기 위하여 경기도 광주시 곤지암 도척하수처리장에서 발생하는 하수슬러지 탈수 케이크를 채취하여 수열탄화 반응에 사용하였다. 하수슬러지의 수열탄화 반응기는 2L 용량의 밀폐형 회분식 압력 반응기를 제작하였으며, 반응기는 내부에 기계식 교반기를 설치하여 수열탄화 반응의 균질성을 유지하도록 제작하였다.

데이터처리

하수슬러지 수열탄화액의 누적 메탄생산곡선은 각각 Modified Gompertz model과 Parallel first order kinetics를 이용하여 최적화하였으며, 두 수학적 모델에 의한 최적화도는 평균제곱근편차(RMSD; Root mean square deviation)(식 9)를 분석하여 비교하였다.

이론/모형

메탄퍼텐셜 산출을 위한 누적 메탄생산곡선은 Modified Gompertz model(식 4)을 이용하여 SigmaPlot(SigmaPlot Version 10.0, Systat Software Inc., USA)으로 해석하였으며15), Modified Gompertz model에서 M은 누적 메탄생산량(mL), t는 혐기배양기간(days), P는 최종메탄생산량(mL), e는 exp(1), Rm은 최대메탄생산속도(mL day-1), λ는 지체성장시간(lag growth phase time; days)을 나타낸다.
본 연구에서는 하수슬러지 수열탄화액의 반응온도별 유기물의 분포특성을 분석하기 위하여 병렬 1차 반응속도식(Parallel first order kinetics) (식 5)을 적용하였다^16-18). (식 5)에서의 상수k₁, k₂, f_e는 시그마플롯(SigmaPlot Version 10.
이론적 메탄퍼텐셜은 공시시료의 원소분석 결과를 바탕으로 Boyle (1976)의 유기물 분해 반응식 (식 1)을 이용하여 화학양론적으로 계산하였으며, (식 2)를 이용하여 이론적 메탄생산량을 산출하였다.

성능/효과

Table 7은 병열 1차 반응속도식을 이용하여 추산한 반응온도별 수열탄화액의 유기물 분포 특성을 나타내었다. VS 기준으로 생분해성 유기물(VS_B)의 분포는 수열탄화 반응온도 170, 180, 190, 200, 210, 220℃ 각각 85.16, 87.45, 89.32, 96.07, 97.95, 97.63%로 나타나, 수열탄화 반응온도 170℃에서 200℃까지 생분해성 유기물(VS_B) 함량이 증가하였고, 220℃에서 감소하는 것으로 나타났다. 또한 난분해성 유기물(VS_NB)의 분포는 수열탄화 반응온도 170, 180, 190, 200, 210, 220℃에서 각각 14.
36%로 나타나, 수열탄화 반응온도 170℃에서 200℃까지 생분해성 유기물(VS_B) 함량이 증가하였고, 220℃에서 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 수열탄화 반응온도의 상승은 하수슬러지의 유기물을 가용화 시켜 생분해성 유기물(VS_B)의 함량을 증가시키는 것으로 나타났으나, 상대적으로 분해저항성을 지니는 유기물(VS_p)의 함량도 동시에 증가시키는 것으로 나타났다. 또한 이분해성 유기물(VS_e)은 수열탄화 반응온도 200∼210℃에서 가장 높게 나타나 하수슬러지의 유기물 가용화를 위한 최적 수열탄화 반응온도는 200∼210℃의 범위로 나타났다.
63%로 나타나, 수열탄화 반응온도 170℃에서 200℃까지 생분해성 유기물(VS_B) 함량이 증가하였고, 220℃에서 감소하는 것으로 나타났다. 또한 난분해성 유기물(VS_NB)의 분포는 수열탄화 반응온도 170, 180, 190, 200, 210, 220℃에서 각각 14.84, 12.55, 10.68, 3.93, 2.05, 2.37%로 나타나 수열탄화 반응온도 증가와 함께 감소하는 경향을 나타내었다. 분해저항성 유기물(VS_p)의 함량은 수열탄화 반응온도가 170에서 220℃로 증가함에 따라 34.
이분해성 유기물(VS_e) 함량은 수열탄화 반응온도 200∼210℃에서 가장 높게 나타나 하수슬러지의 유기물 가용화를 위한 최적 수열탄화 반응온도는 200∼210℃의 범위로 나타났다. 또한 수열탄화 반응으로 얻어지는 하수슬러지 수열탄화액에서 생분해성 유기물(VS_B)과 이분해성 유기물(VS_e)의 양은 수열탄화 반응온도 200℃에서 가장 높게 나타나 200℃의 수열탄화 반응온도가 하수슬러지의 가용화에 최적 온도조건으로 판단되었다. 따라서 수열탄화를 통해 하수슬러지 등 유기성 폐자원의 유기물을 가용화 하고자 하는 경우 반응온도 조건별 메탄퍼텐셜의 측정과 병열 1차 반응속도식의 적용을 통한 유기물의 분해 특성 분석을 통해 수열탄화 반응온도의 최적화가 가능하였다.
또한 이분해성 유기물(VSe)은 수열탄화 반응온도 200∼210℃에서 가장 높게 나타나 하수슬러지의 유기물 가용화를 위한 최적 수열탄화 반응온도는 200∼210℃의 범위로 나타났다.
41 Nm³ kg^-1–VS_added로 증가하였다. 또한 최대 메탄생산속도(R_m)는 수열탄화 반응온도 170℃에서 14.36 mL/day로 가장 높았으며, 이후 수열탄화온도가 증가함에 따라 점차 감소하여 수열탄화 반응온도 220℃에서는 10.54 mL/day를 나타내었다. 하수슬러지 수열탄화액의 누적 메탄생산곡선을 병열 1차 반응식로 최적화하여 분석한 최종 메탄퍼텐셜(B_u)은 수열탄화온도가 170에서 220℃로 증가함에 따라 각각 0.
병열 1차 반응속도식의 적용에서는 평균제곱근편차가 전체 수열탄화 반응온도에서 3.819∼5.465로 나타나 Modified Gompertz model의 적용에서보다 우수한 최적화도를 보였으며, 반응온도와 관련 없이 안정적인 최적화도를 나타내었다.
46 Nm³/kg–VSadded로 증가하는 경향을 나타내었으며, Modified Gompertz model을 통해 얻은 최종 메탄퍼텐셜과 비교하여 약 8∼39% 높은 값을 나타내었다. 본 연구에서 적용한 Modified Gompertz model과 병열 1차 반응식의 최적화도를 나타내는 평균제곱근편차(RMSD)는 Modified Gompertz model에서 수열탄화 온도가 170에서 220℃로 증가함에 따라 12.593에서 35.452로 증가하여 반응온도의 증가와 함께 모델의 최적화도가 낮아지는 경향을 보였다. 병열 1차 반응속도식의 적용에서는 평균제곱근편차가 전체 수열탄화 반응온도에서 3.
37%로 나타나 수열탄화 반응온도 증가와 함께 감소하는 경향을 나타내었다. 분해저항성 유기물(VS_p)의 함량은 수열탄화 반응온도가 170에서 220℃로 증가함에 따라 34.0%에서 46.2%로 증가하였으며, 이분해성 유기물(VS_e)의 함량은 수열탄화 반응온도 170, 180, 190, 200, 210, 220℃에서 각각 51.19, 51.23, 52.08, 57.08, 57.81, 51.36%로 나타나, 수열탄화 반응온도 170℃에서 200℃까지 생분해성 유기물(VS_B) 함량이 증가하였고, 220℃에서 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 수열탄화 반응온도의 상승은 하수슬러지의 유기물을 가용화 시켜 생분해성 유기물(VS_B)의 함량을 증가시키는 것으로 나타났으나, 상대적으로 분해저항성을 지니는 유기물(VS_p)의 함량도 동시에 증가시키는 것으로 나타났다.
2는 병열 1차 반응속도식을 이용하여 추산한 반응온도별 수열탄화액에 존재하는 유기물 분획량을 나타내었다. 수열탄화 반응으로 얻어지는 하수슬러지 수열탄화액에서 생분해성 유기물(VS_B)과 이분해성 유기물(VS_e)의 양은 수열탄화 반응온도 200℃에서 가장 높게 나타나 200℃의 수열탄화 반응온도가 하수슬러지의 가용화에 우수한 반응 온도로 나타났다. 따라서 하수슬러지 등 유기성 폐자원을 수열탄화하여 혐기소화 효율을 향상시키고자 하는 경우 수열탄화 반응온도에 따른 유기물의 분해특성의 분석으로 최적의 반응온도 조건의 도출이 가능하였다.
20%의 범위로 나타났으며, 수열탄화 반응온도가 170℃에서 220℃까지 상승함에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다. 수열탄화액의 COD는 7.71%에서 8.22%의 범위를 보였으며, SCOD는 7.46%에서 7.95%의 범위를 보였다. 수열탄화액의 TN은 7,675 mg/L∼9,500 mg/L, NH₄⁺–N은 2,559 mg/L∼3,912 mg/L의 범위를 보였으며, 수열탄화 반응온도가 170℃에서 220℃까지 상승함에 따라 점차 증가하는 것으로 나타났다.
수열탄화액의 TN은 7,675 mg/L∼9,500 mg/L, NH4+–N은 2,559 mg/L∼3,912 mg/L의 범위를 보였으며, 수열탄화 반응온도가 170℃에서 220℃까지 상승함에 따라 점차 증가하는 것으로 나타났다.
유기물의 가용화를 통한 메탄생산효율의 증가는 수열탄화를 통한 가용화 유기물의 양과 가용화유기물의 메탄퍼텐셜의 곱으로 나타낼 수 있으며, 이러한 경우 수열탄화 반응온도 210℃는 220℃와 비교하여 가용화 유기물의 메탄퍼텐셜이 약 0.02 Nm3/kg–VSadded 낮은데 비하여 가용화 유기물은 약 6.5% 높게 나타나 210℃의 수열탄화온도가 큰 메탄생산효율의 증가를 나타내었다.
46 Nm³/kg–VS_added로 증가하였으며, 수열탄화 반응온도의 상승은 하수슬러지의 유기물을 가용화시켜 생분해성 유기물(VS_B)의 함량을 증가시키는 것으로 나타났다. 이분해성 유기물(VS_e) 함량은 수열탄화 반응온도 200∼210℃에서 가장 높게 나타나 하수슬러지의 유기물 가용화를 위한 최적 수열탄화 반응온도는 200∼210℃의 범위로 나타났다. 또한 수열탄화 반응으로 얻어지는 하수슬러지 수열탄화액에서 생분해성 유기물(VS_B)과 이분해성 유기물(VS_e)의 양은 수열탄화 반응온도 200℃에서 가장 높게 나타나 200℃의 수열탄화 반응온도가 하수슬러지의 가용화에 최적 온도조건으로 판단되었다.
하수슬러지 수열탄화액의 TS 함량은 3.88∼5.29%, VS 함량은 3.74∼5.20%의 범위로 나타났으며, 수열탄화 반응온도가 170℃에서 220℃까지 상승함에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다.
하수슬러지 수열탄화액의 누적 메탄생산곡선을 병열 1차 반응식로 최적화하여 분석한 최종 메탄퍼텐셜(Bu)은 수열탄화온도가 170에서 220℃로 증가함에 따라 각각 0.39, 0.39, 0.40, 0.44, 0.45, 0.46 Nm3/kg–VSadded로 증가하는 경향을 나타내었으며, Modified Gompertz model을 통해 얻은 최종 메탄퍼텐셜과 비교하여 약 8∼39% 높은 값을 나타내었다.
하수슬러지 수열탄화액의 누적 메탄생산량을 Modified Gompertz model로 최적화하여 분석한 최종 메탄퍼텐셜(Bu)은 수열탄화온도가 170에서 220℃로 증가함에 따라 각각 0.28, 0.36, 0.35, 0.39, 0.39, 0.41 Nm3 kg-1–VSadded로 증가하였다.
하수슬러지 수열탄화액의 최종 메탄퍼텐셜은 수열탄화온도가 170에서 220℃로 증가함에 따라 각각 0.39, 0.39, 0.40, 0.44, 0.45, 0.46 Nm3/kg–VSadded로 증가하였으며, 수열탄화 반응온도의 상승은 하수슬러지의 유기물을 가용화시켜 생분해성 유기물(VSB)의 함량을 증가시키는 것으로 나타났다.
하수슬러지 수열탄화액의 탄소 함량은 51.57∼53.16%, 수소 함량은 6.58∼6.87%, 산소 함량은 27.34∼29.57%, 질소 함량은 11.29∼11.85%의 범위를 보였으며, 황 함량은 수열탄화 온도 170℃, 180℃, 190℃, 200℃에서 각각 0.10, 0.10, 0.11, 0.08%로 나타났다.
이를 위해 수열탄화 반응에서 생성된 수열탄화액의 메탄퍼텐셜을 분석하였으며, 병열 1차 반응속도식을 적용하여 수열탄화액의 유기물을 이분해성, 분해저항성, 난분해성 유기물로 분획하여 유기물의 구성 특성을 추정하였다. 하수슬러지의 누적 메탄생산곡선은 회분식 혐기반응기 운전 후기까지 지속적으로 증가하는 양상을 보였으며, 병열 1차 반응속도식을 적용하여 합리적인 최종메탄퍼텐셜(B_u)의 분석이 가능하였다. 하수슬러지 수열탄화액의 최종 메탄퍼텐셜은 수열탄화온도가 170에서 220℃로 증가함에 따라 각각 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하수슬러지의 혐기소화효율 증진을 위한 유기물 가용화 기술은 어떤 것이 있는가?	특히 하수슬러지는 혐기소화시 분해가 어려워 바이오가스 생산 효율이 낮은 특성이 있다. 따라서 하수슬러지의 혐기소화효율을 증진시키기 위하여 다양한 유기물 가용화 기술이 연구되었으며, 오존과 과산화수소를 이용한 산화처리2), 산 또는 염기 처리3-4), 초음파 및 마이크로파 처리5-6), 분쇄처리7), 열화학적 처리8-9) 등의 기술 적용 사례가 보고되고 있다.
	수열탄화 기술은 무엇인가?	수열탄화(Hydro-thermal carbonization) 기술은 열화학적 처리기술의 하나로서 300℃이내에서 탈수, 탈산소, 압밀작용으로 탄화하고 고열량의 액체연료를 생산하거나 탈수·건조시켜 고열량의 고체연료를 생산하는 기술이다. 최근에는 바이오매스의 에너지 전환효율을 향상시키기 위하여 수열탄화 기술을 적용하여 고밀도의 탄화물은 고체연료로 사용하고, 수열탄화 과정에서 발생하는 열화학적 수열탄화액은 혐기소화를 거쳐 바이오가스로 전환하는 통합 플랜트 기술의 연구가 진행되고 있다.
	하수슬러지의 바이오가스화가 어려운 이유는?	국내 하수슬러지 바이오가스화 시설은 2014년 기준 21개소로 보고되고 있으며, 시설용량은 27,430 톤/일이다1). 기존 하수슬러지 혐기소화에서 하수슬러지는 총고형물 2-4% 수준의 농축슬러지 형태로 소화조에 유입·처리되고 있으며, 대부분의 혐기소화 시설이 바이오가스 생산보다는 슬러지의 유기물 감량화를 목적으로 설치·운전되고 있어 음식물쓰레기, 음폐수, 가축분뇨 혐기소화시설과 비교하여 바이오가스 생산 및 이용효율이 저조한 것으로 보고되고 있다1). 특히 하수슬러지는 혐기소화시 분해가 어려워 바이오가스 생산 효율이 낮은 특성이 있다. 따라서 하수슬러지의 혐기소화효율을 증진시키기 위하여 다양한 유기물 가용화 기술이 연구되었으며, 오존과 과산화수소를 이용한 산화처리2), 산 또는 염기 처리3-4), 초음파 및 마이크로파 처리5-6), 분쇄처리7), 열화학적 처리8-9) 등의 기술 적용 사례가 보고되고 있다.

참고문헌 (20)

Ministry of Environment, "2015 Sewer statistics", (2015).
Hendriks, A.T.W.M., Zeeman, F., "Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass", Bioresour. Techno., 100(1), pp. 10-18. (2008).
Hamzawi, N., Kennedy, K.J., McLean, D.D., "Anaerobic digestion of co-mingled municipal solid waste and sewage sludge", Water Sci. Technol., 38(2 pt 2), pp. 127-132. (1998).

상세보기
Jhang, D., Chen, Y., Zhao, Y., Zhu, X., "New sludge pretreatment method to improve methane production in waste activated sludge digestion", Environ. Sci. Technol., 44, 12, pp. 4802-4808. (2010).

상세보기
Pilli, S., Bhunia, P., Yan, S., Leblanc, R.J., Tyagi R.D., Surampalli, R.Y., "Ultrasonic pretreatment of sludge : A review", Ultrason. Sonochem., 18(1), pp. 1-18. (2011).

상세보기
Luste, S., Luostarinen, S., "Enhanced methane production from ultrasound pre-treated and hygienized dairy cattle slurry", Waste Management, 31, pp. 2174-2179. (2011).

상세보기
Izumi, K., Okishio, Y.K., Nagao, N., Niwa C., Yamamoto, S., Toda, T., "Effects of particle size on anaerobic digestion of food waste", Int. Biodeterior. Biodegrad., 64(7), pp. 601-608. (2010).

상세보기
Kepp, U., Machenbach, I., Weisz, N., Solheim, O.E., "Enhanced stabilisation of sewage sludge through thermal hydrolysis-Three years of experience with full scale plant", Water Sci. Technol., 42, pp. 89-96. (2000).

상세보기
Perez-Elvira, S.I., Fernandez-Polanco, F., Fernandez-Polanco, M., Rodraguez, P., Rouge, P., "Hydrothermal multivariable approach, full-scale feasibility study", Electron J. Biotechnol., 11(4). (2008).
Carlsson, M., Lagerkvist, A., Morgan-Sagastume, F., "The effects of substrate pre-treatment on anaerobic digestion systems: A review", Waste Management, 32(9), pp. 1634-1650. (2012).

상세보기
Bougrier, C., Delgenas, J.P., Carrare, H., "Effects of thermal treatments on five different waste activated sludge samples solubilisation, physical properties and anaerobic digestion", Chem. Eng. J., 139, pp. 236-244. (2008).

상세보기
Ajandouz, E.H., Desseaux, V., Tazi, S., Puigserver, A., "Effect of temperature and pH on the kinetics of caramelistion, protein cross-linking and Mailard reactions in aqueous medel systems". Food chem., 107, pp. 1244-1252. (2008).

상세보기
Williams, A., Amat-Marco, M., & Collins, M.D. "Pylogenetic analysis of Butyrivibrio strains reveals three distinct groups of species within the Clostridium subphylm of the gram-positive bacteria", Int. J. Syst. Bacterol., 46, pp. 195-199. (1996).

상세보기
Beuvink, J.M., Spoelstra, S.F., & Hogendrop, R.J., "An automated method for measuring the time course of gas production of feedstuffs incubated with buffered rumen fluid. Neth", J. Agri. Sci., 40, pp. 401-407. (1992).
Lay, J.J., Li, Y.Y., & Noike, T., "Mathematical model for methane production from landfill bioreactor", J. Environ. Eng., 124(8), pp. 730-736. (1998).

상세보기
Rao, M.S., Singh, S.P., Singh, A.K., & Sodha, M.S., "Bioenergy conversion studies of the organic fraction of MSW: assessment of ultimate bioenergy production potential of municipal garbage", Applied Energy, 66, pp. 75-87. (2000).

상세보기
Luna-delRisco, M., Normak, A., & Orupald, K., "Biochemical methane potential of different organic wastes and energy crops from Estonia", Agronomy Research, 9(1-2), pp. 331-342. (2011).
Shin, K.S., "Factor analysis of methane production potential from crop and livestock biomass", Ph.D. Thesis, Hankyong National University, Anseong, Korea. (2013).
APHA., "Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21th Edition. (2005).
Martins, S.I.F.S., Jongen, W.M.F., & Boekel, M.A.J.S., "A review of maillard reaction in food and implications to kinetic modelling", Trends food Sci. Technol., 11, pp. 364-373. (2001).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증