가축분뇨 및 음식물쓰레기의 혐기성 소화 병합처리 시 VS 제거효율과 메탄 발생량의 관한 연구 A Study on VS Removal Efficiency and Methane Emission in Combined Anaerobic Digestion of Livestock Manure and Food Waste원문보기
Livestock manure treatments have become a more serious problem because massive environmental pollutions such as green and red tides caused by non-point pollution sources from livestock manures have emerged as a serious social issue. In addition, more food wastes are being produced due to population ...
Livestock manure treatments have become a more serious problem because massive environmental pollutions such as green and red tides caused by non-point pollution sources from livestock manures have emerged as a serious social issue. In addition, more food wastes are being produced due to population growth and increased income level. Since the London Convention has banned the ocean dumping of wastes, some other waste treatment methods for land disposal had to be developed and applied. At the same time, researches have been conducted to develop alternative energy sources from various types of wastes. As a result, anaerobic digestion as a waste treatment method has become an attractive solution. In this study has three objectives: first, to identify the physical properties of the mixture of livestock wastewater and food waste when combining food waste treatment with the conventional livestock manure treatment based on anaerobic mesophilic digestion; second, to find the ideal ratio of waste mixture that could maximize the collection efficiency of methane ($CH_4$) from the anaerobic digestion process; and third, to promote $CH_4$ production by comparing the biodegradability. As a result of comparing the reactors R1, R2, and R3, each containing a mixture of food waste and livestock manure at the ratio of 5:5, 7:3, and 3:7, respectively, R2 showed the optimum treatment efficiencies for the removal of Total Solids (TS) and Volatile Solids (VS), $CH_4$ production, and biodegradability.
Livestock manure treatments have become a more serious problem because massive environmental pollutions such as green and red tides caused by non-point pollution sources from livestock manures have emerged as a serious social issue. In addition, more food wastes are being produced due to population growth and increased income level. Since the London Convention has banned the ocean dumping of wastes, some other waste treatment methods for land disposal had to be developed and applied. At the same time, researches have been conducted to develop alternative energy sources from various types of wastes. As a result, anaerobic digestion as a waste treatment method has become an attractive solution. In this study has three objectives: first, to identify the physical properties of the mixture of livestock wastewater and food waste when combining food waste treatment with the conventional livestock manure treatment based on anaerobic mesophilic digestion; second, to find the ideal ratio of waste mixture that could maximize the collection efficiency of methane ($CH_4$) from the anaerobic digestion process; and third, to promote $CH_4$ production by comparing the biodegradability. As a result of comparing the reactors R1, R2, and R3, each containing a mixture of food waste and livestock manure at the ratio of 5:5, 7:3, and 3:7, respectively, R2 showed the optimum treatment efficiencies for the removal of Total Solids (TS) and Volatile Solids (VS), $CH_4$ production, and biodegradability.
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문제 정의
본 연구에서는 혐기성소화공정을 이용하여 가축분뇨와 음식물쓰레기의 병합처리에 관한 기초 연구를 위해 실험을 시행하였다.
이에 본 연구에서는 혐기성 중온 소화를 바탕으로 한 기존 가축분뇨 처리에 음식물 쓰레기를 병합 처리하여 혼합된 가축분뇨와 음식물쓰레기의 물리적 성상을 파악하고, 혐기성소화 공정에서 발생하는 메탄가스 차집 효율이 최대가 되는 이상적인 혼합비율을 도출하고, 생분해도의 정도를 비교하여 메탄가스 발생량을 증대시키도록 유도하고자 한다.
제안 방법
또한, 반응조의 온도를 중온소화 형태로 유지하기 위해 각 소화조 내부에 온도 센서를 control box에 연결하여 35±2 로 유지하였다. 그리고 각 반응조의 혐기성 슬러지의 물리적 성상(TS, VS 등) 및 발생 가스량과 가스비율을 분석하여 CH4 생성효율을 고찰하였다.
본 연구에서 가축분뇨 폐수와 음식물을 이용한 혐기성소화 공정의 주요 인자에 대한 기초 연구를 진행하였으며 회분식(batch) 공법으로 시운전 1 2일 후 정상 운전기간을 25일로 실시하였다.
본 연구에서 제작된 혐기성소화 장치는 Fig. 1와 같이 단상의 중온소화조로서, 각각의 반응조별 혼합비율을 통한 효율을 알아보기 위해 R1 반응조는 음식물과 가축분뇨 폐수의 비를 5:5, R2 반응조는 음식물과 가축분뇨 폐수의 비를 7:3, R3는 음식물과 가축분뇨 폐수의 비를 3:7로 설정하였고, 혐기성소화 반응 중 CH4 발생량의 경향을 파악하기 위해 회분식(batch) 공법을 사용하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 가축분은 경상남도 김해시에 위치한 A축사에서 사육하는 돼지의 분을 채취하여 사용하였고, 음식물쓰레기의 경우 부산광역시 동의대학교 구내식당에서 발생하는 음식물로서, 음식물쓰레기에 포함된 수분이 충분히 제거된 것을 채취하였다. 본 실험에 적용하기 위해 음식물 속에 포함된 생선뼈, 육류뼈 및 껍데기류 등과 같은 불순물을 제거한 후 시료의 성분이 균일하도록 가정용 믹서기를 이용하여 파쇄한 후 사용하였다.
이론/모형
시료의 sample은 각 항목의 분석방법은 standard method에 따라 Table 2의 방법으로 분석하였다. pH의 측정은 pH meter로 측정하였으며, TS 및 VS는 standard methods 2320B와 2540B에 준하여 측정하였으며, 염분 농도는 측정기 (sekisui SS-31A)를 이용하였다. gas 발생 조성 분석은 매립장 가스측정에 사용하는 GA 2000으로 측정하였다.
성능/효과
(1) 각각의 반응조의 가축분뇨와 음식물쓰레기의 혼합비율을 R1(5:5), R2(7:3), R3(3:7)로 나누어 비교한 결과, R1와 R3에 비해 R2의 TS 및 VS 제거 효율이 보다 높게 나타났다. 이는 음식물류 폐기물이 가축분뇨 폐수보다 단독으로 있을 때 VS의 함량이 더 높게 나타났기 때문이라고 판단된다.
(2) 각각의 반응조에서 CH4 가스의 발생량을 비교한 결과, 각각 최대 함량은 R1 56.2%, R2 58.4%, R3 53.8%로 VS 함량 및 CH4 가스의 발생량은 R2(7:3)에서 가장 높게 나타났다.
(3) 종합적으로, 반응조별 생분해도를 비교했을 때 R1(5:5)일 때 78.7 CH4 N L/VS kg, R2(7:3)일 때 91.8 CH4 N L/VS kg, R3(3:7)일 때 73.2 CH4 NL/VS kg 수준의 비율을 나타내어 R2(7:3)에서 가장 활발한 분해가 이루어졌다고 판단된다.
위의 실험 결과를 바탕으로, 대체로 운전 초반 2~6일의 시점에서 메탄가스의 발생량이 55~60% 수준으로 가장 많이 발생하였으며, 시간이 지남에 따라 반응조 내소화 작용으로 메탄 발생률이 줄어드는 것으로 나타났다.
위의 실험 결과를 바탕으로, 음식물류 폐수와 가축분뇨폐수의 혼합 슬러지에서의 TS 및 VS는 시간이 지남에 따라 전반적으로 감소하는 경향을 나타내었다. TS의 감소율의 변화는 다소 불규칙적인 하향곡선의 형태를 나타내었으나, VS의 감소율을 대체로 일정한 것으로 나타났다.
후속연구
(4) 연속 회분식 공정을 통한 추가 연구를 진행하여 batch 공정에서 나타난 TS, VS 감소율 및 생분해도를 비롯한 메탄가스 발생률 등의 결과와 비교하여 음식물쓰레기와 가축분뇨 폐수의 병합처리 효율을 판단할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
혐기성소화 공법은 무엇인가?
혐기성소화 공법은 산형성균과 메탄형성균으로 분류되는 혐기성 미생물에 의해 생물학적으로 분해 가능한 고농도의 유기물이 메탄 및 이산화탄소의 형태로 분해되며, 암모니아 생성을 통해 질소를 제거하는 공법으로 적정 온도 유지, 적정 pH 조절 및 질소 제거를 위한 외부탄소원 주입을 통해 C/N비 조절을 필요로 한다. 혐기성소화 과정에서 발생하는 메탄가스(CH4)를 이용하여 대체 에너지원으로 활용할 수 있다(Ministry of Environment, 2011).
혐기성소화 공정에서 혐기성 미생물은 어떤 요인에 의해 민감하게 반응하는가?
일반적으로 혐기성소화 공정에서 혐기성 미생물은 약 pH 7 정도에서 원활한 활동을 하는 것으로 알려져 있으며, 이보다 낮거나 높아질 경우 미생물이 사멸하여 혐기성소화 공정이 제대로 일어나지 않는다(Park, 2015). 반응조 내 산소의 유무, 온도 및 pH의 변화에 따라 굉장히 민감하게 반응을 하며, 혐기성소화 공정 중 발생하는 메탄가스의 차집 효율에도 영향을 미치게 된다(Lee,2009).
음식물 쓰레기를 처리하는 데 큰 문제를 나타내는 이유는 무엇인가?
뿐만 아니라 인구 증가와 소득 수준의 향상으로 인해 음식물 쓰레기 또한 증가하는 추세를 나타내고 있다. 그러나 음식물 쓰레기는 함수율이 높아 압축의 효과를 거둘 수 없고, 매립 처리 시 악취와 침출수 발생 및 해충 번식의 문제와 소각 처리 시 보조연료 등이 필요하여 매립장의 반입 및 직매립을 금지하는 등 처리하는 데 큰 문제를 나타내고 있다(Kim, 2000).
참고문헌 (8)
Kim, J. H., 2000, Characteristics of VFAs formation in the acidogenic phase of food waste and sewage sludge co-digestion, Ph. D. Dissertation, Ulsan University, Ulsan, KOR.
Lee, B. G., 2006, The condition and management measure of marine disposal of wastes, The Korean Society Of Marine Environment & Safety, May, 109-115.
Lee, S. W., 2009, A Study on increase of methane product for food waste anaerobic digestion using the sulfate reduction reaction, Ph. D. Dissertation, Dong-Eui University, Busan, KOR.
Ministry of Environment, 2011, A Study on the Economic Analysis and the Improvement of the Installation and Operation of the Livestock Treatment Facilities, Research Service Report, Korea Environment Corporation, Seoul, KOR.
Montero, B., Garcia-Morales, J. L., Sales, D., Solera, R., 2009, Analysis of ethanogenic activity in a thermophilic-dry anaerobic reactor, Use of fluorescent in situ hybridization, Waste Management, 29, 1144-1151.
Park, K. C., 2000, Comparison of anaerobic digestion performance in sewage sludge and livestick wastewater mixing food waste, Ph. D. Dissertation, Dong-A University, Busan, KOR.
Park, S. H., 2015, The characteristics of optimal mixing ratio for anaerobic digestion of livestock and food wastes, Ph. D. Dissertation, Hanbat National University, Daejeon, KOR.
Yang, H. H., 2009, A Study on the operation and performance of anaerobic digesters of STPs in Korea, Ph. D. Dissertation, Korea University, Seoul, KOR.
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