[논문]식종슬러지 종류에 따른 이산화탄소 이용 바이오메탄 생산 비교

김태훈; 임병서; 이승주; 윤광수; 안병규; 미치드마; 윤여명

doi:10.17137/korrae.2020.28.1.65

초록
AI-Helper

본 연구는 초기 식종슬러지 종류별 CO₂의 생물학적 바이오메탄 생산 적용 가능성을 비교를 위해 국내 혐기성 소화조로부터 획득한 식종미생물을 종류에 따라 Specific methanogenic activity (SMA) test를 수행한 결과이다. 36일간의 실험 결과 CH₄ yield는 2,434-2,051mL CH₄/g COD의 범위를 얻었고 생산된 가스 내 CH₄ 분압은 맥주공장과 음식물류 폐기물 식종슬러지에서 가장 높은 89.3-91.9% CH₄ 분포를 보인 반면 하수슬러지 식종슬러지로부터 가장 낮은 효율을 나타냈다. 반응조의 CH₄ production rate/CO₂ consumption rate 비교를 통해 CH₄전환 속도 및 CO₂소비율의 간접적 물질 수지 비교가 가능했으며 SMA test 실험 기간 중 반응조 내 아세트산의 농도의 검출이 확인되었다. 이는 식종슬러지 내부의 잔류 유기물들의 분해, 식종미생물의 사멸 및 이들의 분해, Homoacetogenic bacteria의 활성에 의해 반응조 내 Metabolic pathway가 부분적으로 Hydrogenotrophic methanogenesis 단계에서 Acetoclasctic methanogenesis로의 변환됨에 따른 결과로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aims of this study were to compare the biomethanation of CO2 through specific methanogenic activity (SMA) test which was inoculated with four different types of mixed microbial culture obtained from full-scale anaerobic digestion (AD) plants. The experimental results showed that CH4 conversion w...

The aims of this study were to compare the biomethanation of CO2 through specific methanogenic activity (SMA) test which was inoculated with four different types of mixed microbial culture obtained from full-scale anaerobic digestion (AD) plants. The experimental results showed that CH4 conversion was the highest in the samples inoculated by seed sludge taken from ADs of food waste and brewery; under this condition, the produced biomethane contains 89.3-91.9% of CH4. Meanwhile, the lowest level was obtained in the sample from sewage sludge. The measured ratio of CH4 production rate to CO2 consumption rate in all reactors was higher than the theoretical value (1) in the middle of the period and soon dropped to 0.7-0.8. It might be due to changed metabolic pathways in the reactor by the degradation of residual organic matter and the increased activity of homoacetogenic bacteria.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of experimental set-up used for the biomethanation of CO₂.
표 Table 1. Characteristics of Four Different Raw Seed Sludge Used in this Study.
그림 Fig. 2. Cumulative CH₄ production during batch test inoculated with four different seed sludge.
표 Table 2. Performance of the Batch Test Inoculated with Four Different Seed Sludge.
그림 Fig. 3. Profiles of CO₂, H₂, and CH₄ contents during batch test inoculated with (a) seed sludge from AD of food waste, (b) seed sludge from AD of sewage sludge, (c) seed sludge from AD of manure, and (d) seed sludge from AD of brewery wastewater.
그림 Fig. 4. Variations of biomethanation yield (CH₄ production rate/CO₂ consumption rate) during batch test inoculated with seed sludge from AD of food waste, sewage sludge, manure, and brewery wastewater.
표 Table 3. Acetic Acid Concentration During Batch Test Inoculated with Four Different Seed Sludge.
표 Table 4. Gibbs Free Energies of Possible Microbial Reactions in Biomethanation of CO₂.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구는 국내 혐기성 소화조로부터 획득한 식종미생물을 종류에 따라 Specific methanogenic activity(SMA) test를 수행하여 각 슬러지의 Hydrogenotrophic methanogenesis를 평가하였고 그 결과로부터 초기 식종슬러지 종류별 CO₂의 생물학적 바이오메탄 생산 및 바이오가스 고품질화 적용 가능성을 비교⋅분석했다.

제안 방법

99%)를 이용하였다. TS, VS, COD, pH, alkalinity 분석은 APHA Standard Methods를 적용하여 분석하였으며, 유기산은 시료를 0.45μm로 Filtering 하여 고형물을 제거하고, UV (210mm) HPLC (Spectra Physics사의 Spectra system P2000)을 통해 분석하였다⁸⁾. 이동상으로 0.
SMA test를 통해 주입한 혼합가스로부터 CH₄로의 전환을 보다 자세히 알아보기 위해 가스 분압 모니터링을 수행했다(Fig. 3). 36일 차 기준으로 음식물류 폐기물 식종슬러지로부터 최종 CH₄ 91.

대상 데이터

본 실험을 위해 식종 슬러지는 D시 food waste를 기질로 하는 혐기성소화조, D시 sewage sludge를 기질로 하는 하수처리장의 혐기성 소화조, J시 가축분뇨 이용 혐기성소화조, C시 맥주폐수 처리 혐기성소화조에서 각각 샘플링하여 SMA test 수행 이전에 2L의 완전혼합 반응조(Completely Stirred Tank Reactor, CSTR)에 35°C로 온도 유지 하에 2주 동안 기질 주입 없이 운전하였다. C시 맥주폐수처리 식종슬러지는 입상슬러지를 이요했으며 실험에 앞서 믹서기로 분쇄하여 실험에 적용했다.

성능/효과

1). CH₄ 전환율은 맥주공장 식종슬러지에서 가장 높은 메탄 전환율을 얻었다. 반면, 하수슬러지 식종슬러지로부터 가장 낮은 효율을 나타냈다.
2). CH₄ 전환속도를 보다 자세히 알아보기 위해 가스 분압 모니터링을 수행한 결과 음식물류 폐기물 식종슬러지의 경우 가장 빠른 저감 속도를 보였다. 반면 하수슬러지 및 가축분뇨 식종슬러지의 경우 상대적으로 낮은 CO₂ 분압 감소 속도를 보였다.
3). 전체 반응조의 CH₄ production rate/CO₂ consumption rate 비교를 통해 CH₄전환 속도 및 CO₂소비율의 간접적 물질 수지 비교가 가능했으며 Day 6일 이후 일시적으로 CH₄ production rate/CO₂ consumption rate 증가한 이후 반응 중반부터 반응 종료까지 0.7~0.8 수준으로 안정화된 것으로 나타났다.
4). SMA test 실험 기간 중 반응조 내 아세트산의 농도의 검출이 확인되었으며 이는 식종슬러지 내부의 잔류 유기물들의 분해, 식종미생물의 사멸 및 이들의 분해, Homoacetogenic bacteria의 활성에 의해 반응조 내 Metabolic pathway가 부분적으로 Hydrogenotrophic methanogenesis 단계에서 Acetoclasctic methanogenesis로의 변환됨에 따른 결과로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	혐기성소화 공정이란?	혐기성소화 공정은 유기성 폐자원의 감량과 동시에 에너지를 생산할 수 있는 기술로 전 세계적으로 가장 친환경적인 처리방안으로 인식되고 있다. 혐기성소화를 통해 생산된 바이오가스는 대략 CH4 50%, CO2 49%와 수분, H2S 등 1%의 불순물로 구성되며 바이오가스의 이용(도시가스, 수송연료, 전기 등)을 위해서는 정제 및 고품질화(Biogas upgrading) 공정이 필수적이다1).
	혐기성소화 공정을 통해 생산된 바이오가스의 구성 요소는?	혐기성소화 공정은 유기성 폐자원의 감량과 동시에 에너지를 생산할 수 있는 기술로 전 세계적으로 가장 친환경적인 처리방안으로 인식되고 있다. 혐기성소화를 통해 생산된 바이오가스는 대략 CH4 50%, CO2 49%와 수분, H2S 등 1%의 불순물로 구성되며 바이오가스의 이용(도시가스, 수송연료, 전기 등)을 위해서는 정제 및 고품질화(Biogas upgrading) 공정이 필수적이다1). 그러나 현재까지 저장과 공급 문제로 인해 대부분 탈황 공정을 거쳐 현지에서 발전용 연료로 저급 활용되고 있는 실정이다.
	바이오가스 고품질화 기술을 적용할 때 메탄 회수 시 발생하는 손실 비율은?	바이오가스 고품질화를 위해 현재까지 대부분 물리/화학적 방법을 적용하고 있는 상황이나 이는 바이오가스 생산 비용의 1.5~3배 수준의 비용이 필요하며 메탄 회수 시 1~10%의 손실이 발생함에 따라 경제성 확보를 위해 대체 기술 개발 연구가 요구되고 있는 실정이다4-5).

참고문헌 (11)

Yun, Y. M., Sung, S., Shin, H. S., Han, J. I., Kim, H. W. and Kim, D. H., "Producing desulfurized biogas through removal of sulfate in the first-stage of a two-stage anaerobic digestion", Biotechnol. Bioeng., 114(5), pp. 970-979. (2017).

상세보기
Yun, Y. M., Sung, S., Kang, S., Kim, M. S. and Kim, D. H., "Enrichment of hydrogenotrophic methanogens by means of gas recycle and its application in biogas upgrading", Energy, 135, pp. 294-302. (2017).

상세보기
Lee, H., Ko, S. W., Lee, I. D., Jung, I. H. and Ko, J. W., "Development of Biogas Purification System for City Gas Supply", J. Korean Inst. Gas, 23(2), pp. 61-67. (2019).

원문보기 상세보기
Ferella, F., Cucchiella, F., D'Adamo, I. and Gallucci, K., "A techno-economic assessment of biogas upgrading in a developed market", J. Clean. Prod., 210, pp. 945-957. (2019).

상세보기
Meier, L., Martinez, C., Vilchez, C., Bernard, O. and Jeison, D., "Evaluation of the feasibility of photosynthetic biogas upgrading: Simulation of a large-scale system", Energy, 189, p. 116313. (2019).

상세보기
Wiesberg, I. L., Brigagao, G. V., Ofelia de Queiroz, F. A. and de Medeiros, J. L., "Carbon dioxide management via exergy-based sustainability assessment: Carbon Capture and Storage versus conversion to methanol", Renew. Sust. Energ. Rev., 112, pp. 720-732. (2019).

상세보기
Luo, G. and Angelidaki, I., "Integrated biogas upgrading and hydrogen utilization in an anaerobic reactor containing enriched hydrogenotrophic methanogenic culture", Biotechnol. Bioeng., 109(11), pp. 2729-2736. (2012).

상세보기
APHA, 1998. Standard methods for the examination of water and wastewater, 20th ed., USA American Public Health Association. Washington, DC, USA.
Kougias, P. G., Treu, L., Benavente, D. P., Boe, K., Campanaro, S. and Angelidaki, I., "Ex-situ biogas upgrading and enhancement in different reactor systems", Bioresource Technol., 225, pp. 429-437. (2017).

상세보기
Demirel, B. and Scherer, P., "The roles of acetotrophic and hydrogenotrophic methanogens during anaerobic conversion of biomass to methane: a review", Rev. Environ. Sci. Bio., 7(2), pp. 173-190. (2008).

상세보기
Yun, Y. M., Kim, M., Kim, H., Kim, D. H., Kwon, E. E. and Kang, S., "Increased biodegradability of low-grade coal wastewater in anaerobic membrane bioreactor by adding yeast wastes", J. Environ. Manage., 234, pp. 36-43. (2019).

상세보기

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

식종슬러지 종류에 따른 이산화탄소 이용 바이오메탄 생산 비교
Evaluation of different types of mixed microbial culture for biomethanation of CO2 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (8)

표/그림 (8)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

식종슬러지 종류에 따른 이산화탄소 이용 바이오메탄 생산 비교 Evaluation of different types of mixed microbial culture for biomethanation of CO2 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (8) 모든 표/그림 보기

표/그림 (8) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

식종슬러지 종류에 따른 이산화탄소 이용 바이오메탄 생산 비교
Evaluation of different types of mixed microbial culture for biomethanation of CO2 원문보기

초록
AI-Helper

표/그림 (8)

표/그림 (8)

AI 본문요약
AI-Helper