[논문]혐기성소화 슬러지 비율에 따른 미생물전기분해전지의 식종 특성

송근욱; 백윤정; 서휘진; 장해남; 정재우; 이명은; 안용태

doi:10.17137/korrae.2019.27.4.51

혐기성소화 슬러지 비율에 따른 미생물전기분해전지의 식종 특성
Startup of Microbial Electrolysis Cells with different mixing ratio of Anaerobic Digested Sludge and Buffer solution 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.27 no.4, 2019년, pp.51 - 59

송근욱 (경남과학기술대학교 에너지공학과) , 백윤정 (경남과학기술대학교 에너지공학과) , 서휘진 (경남과학기술대학교 에너지공학과) , 장해남 (경남과학기술대학교 에너지공학과) , 정재우 (경남과학기술대학교 환경공학과) , 이명은 (경남과학기술대학교 환경공학과) , 안용태 (경남과학기술대학교 에너지공학과)

초록
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실험실 규모 회분식 미생물전기분해전지 반응기 (유효부피 20 mL)를 이용하여 수소가스 생산 및 식종기간 특성을 조사하였다. 총 6 cycle 동안 0.9 V를 인가하여 식종슬러지 혼합 비율 (혐기성소화 슬러지:50 mM PBS)에 따른 수소생산 및 식종기간을 분석한 결과 혼합비 1:1 반응기에서 9.8-20.9 mL 수소를 생산하였으며, 수소함량은 66.8-79.6%로 가장 높게 나타났다. 식종기간에 있어서는 혼합비 1:1 반응기 기준으로 약 12일 정도부터는 수소생산 및 전류밀도가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 혼합비 1:2, 1:3, 1:4 반응기의 경우 cycle (2-6 cycle)에 따라 수소가스 생산량이 3.7-7.1 mL, 농도 5.8-65.8%로 변화하였으며, 혼합비 1:5, 1:6, 1:7 반응기의 수소가스 생산량은 0.5-0.7 mL, 농도 1.8-7.1%로 나타나 최대 혼합비 1:4까지 식종하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the influence of anaerobic digested sludge and 50 mM PBS (phosphate buffer solution) mixing ratio (1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7) on hydrogen production and inoculation period were examined. MECs were operated in fed-batch mode with an applied voltage of 0.9 V. As a result, in the 1:1 mixing ratio reactor, 9.8-20.9 mL of hydrogen was produced with the highest hydrogen content of 66.8-79.6%. Hydrogen gas production and power density increased from after 12 days of inoculation for the 1:1 mixing ratio reactor. In case of 1:2, 1:3 and 1:4 mixing ratio reactor, the hydrogen gas production was 3.7-7.1 mL and the hydrogen gas content was 5.8-65.8%. The hydrogen gas yield in 1:5, 1:6 and 1:7 ratio reactors, was 0.50-0.69 mL and hydrogen content range was 1.8-7.1%. The mixing ratio was found to be suitable for hydrogen production and inoculation period by mixing ratio up to 1:4.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Parameters of Anaerobic Digested Sludge, 50 mM PBS and Seed Sludge Mixing Ratio
그림 Fig. 1. Hydrogen production characteristics during inoculation period of MECs.
표 Table 2. Hydrogen Production Content During Inoculation Period of MECs
그림 Fig. 2. Biogas contents during inoculation period of MECs.
그림 Fig. 3. Current density during start-up of MECs.
그림 Fig. 4. TCOD (a) and VS (b) in reactors effluent at seed sludge mixing ratio.
표 Table 3. Influent and Effluent Concentrations of TCOD and VS

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서 실험실규모의 single chamber membraneless 반응조에서 하수처리장의 혐기성소화 슬러지를 식종원으로 사용하는데 있어 슬러지와 PBS의 혼합비율에 따른 식종기간 동안의 수소발생 및 유기물변화 등 성능을 비교하여 최적의 식종비율 및 기간을 찾고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 식종슬러지의 비율 (혐기성소화슬러지:50 mM PBS)에 따른 수소생산 및 식종기간의 특성을 알아보기 위해 1:1, 1:2, 1:3. 1:4, 1:5, 1:6,1:7로 혼합하여 6 cycle 동안 실험을 진행하여 얻어진 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 회분식 단일반응기를 이용하여 혐기성소화슬러지와 50 mM PBS의 식종 비율에 따른 수소가스 발생을 비교하였다. Fig.
식종 비율 변화에 따른 유기물 농도, pH, 전도도변화를 분석하였다. Fig.
5 g/L; trace minerals 와 vitamins)에 1 g/L Sodium acetate를 슬러지 비율별로 사용하였다. 실험에 사용된 슬러지와 PBS는 각각의 반응기의 초기 유입농도를 Table 1과 같이 슬러지와 PBS의 혼합비를 각각 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7로 구성하여 각 조건별로 2 개의 반응기를 운전하였으며 혼합액을 매 cycle마다 20 mL씩 주입하였다. 반응기는 항온실에서 35 ℃ 조건으로 진행하였으며 10 Ω의 외부저항을 연결하고 전압 공급장치 (OPM-93 4CH,ODA Technologies Co.

대상 데이터

식종원은 J시 하수처리장의 소화가 끝난 혐기 소화 슬러지를 사용하였고, 기질은 50 mM PBS (NH₄Cl0.31 g/L; KCl 0.13 g/L; NaHCO₃ 16.8 g/L; K₂HPO₄5.36 g/L; KH₂PO₄ 2.5 g/L; trace minerals 와 vitamins)에 1 g/L Sodium acetate를 슬러지 비율별로 사용하였다. 실험에 사용된 슬러지와 PBS는 각각의 반응기의 초기 유입농도를 Table 1과 같이 슬러지와 PBS의 혼합비를 각각 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7로 구성하여 각 조건별로 2 개의 반응기를 운전하였으며 혼합액을 매 cycle마다 20 mL씩 주입하였다.

이론/모형

유입⋅유출수의 TSS, VSS, TCOD, SCOD, pH, Ion conductivity를 분석하였으며 TCOD, SCOD는 Standard method에 따라 적정법을 이용하여 분석하였다¹⁸⁾.

성능/효과

1) 가장 높은 수소발생량과 전류밀도를 보여주었던 식종비율은 혼합비 1:1에서 가장 좋았으며 슬러지와 50 mM PBS의 혼합비는 최대 1:4 이하로 혼합하는 것이 적절한 것으로 나타났다.
2) 가장 좋은 성능을 보였던 혼합비 1:1에서는 4 cycle부터 안정적인 성능을 보여주었으며 이 때 수소가스 발생량은 19.3 mL, 수소함량은 77.3%였다.
문헌에 따르면 소화조가 정상상태에 도달하였을 때 약 55-75% 정도의 메탄가스가 발생되는 것으로 보고되었으며, 바이오가스에 포함되어 있는 이산화탄소와 메탄가스의 구성비는 혐기성 소화공정의 운전지표이고, 이산화탄소는 주로 외부 환경의 영향을 적게 받는 발효균에 의하여 생성되어, 반응조 내 이상상태가 발생할 경우 메탄함량이 감소하고, 상대적으로 이산화탄소의 비율이 증가하게 된다¹⁹⁾^,20). 따라서 본 연구 결과에서는 50 mMPBS의 혼합비 1:4 이상부터 이산화탄소의 발생량이 증가하는 것으로 나타나, 혼합비 1:4 이상부터 반응기내에서 안정적으로 수소생산 및 바이오가스 발생을 하지 못하는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소의 특징은 무엇인가?	수소는 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 사용 후 오염물이 없는 청정한 에너지원이다1),2). 현재 수소는 주로 물 전기분해와 탄화수소 개질을 통해서 생산되고 있다1),3),4).
	현재 수소는 주로 어떻게 생산되고 있는가?	수소는 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 사용 후 오염물이 없는 청정한 에너지원이다1),2). 현재 수소는 주로 물 전기분해와 탄화수소 개질을 통해서 생산되고 있다1),3),4). 바이오매스를 통해 수소를 생산하는 기술 중 하나인 미생물전기분해전지 (MEC,microbial electrolysis cell)는 다양한 생물전기화학기술 (MET, microbial electrochemical technology)의 대표적 기술 중 하나로 하⋅폐수의 유기물을 처리하며 동시에 수소와 메탄 등의 바이오가스를 생산할 수 있는 기술이다5),6).

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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].

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