• 대한토목학회논문집
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• 제6권4호
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• pp.21-28
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• 1986

인공(人工)슬러지를 이용하여 혐기성중온소화(嫌氣性中溫消和)의 고온소화(高溫消化)에로의 전환방법(轉換方法)에 대하여 연구하였다. 부하(負荷)를 계속하며 온도증가율(溫度增加率) 2, 1 및 $0.5^{\circ}C/day$로 온도를 상승시킨 결과, 온도증가율(溫度增加率) 이 클수록 메탄발효(醱酵)가 급속하게 악화되었으며, 세경우 모두 고온(高溫)에 도달하였을 때는 메탄발효(醱酵)가 중지되고 산발효(酸醱酵)만이 일어났다. 이러한 산발효상태(酸醱酵狀態)에서 부하(負荷)를 끊고 중화(中和)를 행한 후 6개월간(個月間)의 휴지기간중(休止期間中)에도 메탄발효(醱酵)는 이루어지지 않았다. 이로부터 메탄생성균(生成菌) 온도충격(溫度衝擊)의 크기에 비례하여 급속하게 활성(活性)을 잃는 반면 산생성균(酸生性菌)은 영향을 덜 받아 고온하(高溫下)에서 적응될 수 있다고 판단할 수 있다. 반면에 무부하상태하(無負荷狀態下)에서 온도(溫度)를 상승시켰을 때, 정상적(正常的)인 고온소화(高溫消化)가, 온도증가율(溫度增加率) $1^{\circ}C/day$의 경우 고온(高溫)에 도달한 후 1일(日)의 휴지기간(休止期間)으로도 가능하였고 일시(一時)에 상승시킨 경우도 20일간(日間) 휴지기간(休止期間)으로 가능하였다. 따라서 고온(高溫)에로의 전환(轉換)은 무부하상태하(無負荷狀態下)에서 용이(容易)함을 알 수 있는 동시에, 온도증가율(溫度增加率)이 작은 경우 고온(高溫)도달 후 짧은 휴지기간(休止期間)으로 전환(轉換)이 가능하며, 온도증가율(溫度增加率)이 매우 커서 급격한 온도충격(溫度衝擊)이 발생하는 경우에도 메탄생성균(生成菌)이 산생성균(酸生性菌)과 균형을 이루기에 충분한 휴지기간(休止期間)이 주어지면 고온소화(高溫消化)에로의 전환(轉換)이 가능함을 알 수 있다. 한편 산발효상태(酸醱酵狀態)의 고온소화조(高溫消化槽)에 중온소화(中溫消化)슬러지를 식종(植種)한 결과 신속하게 정상정(正常的)인 고온소화(高溫消化)가 이루어질 수 있었다. 따라서 중온소화(中溫消化)슬러지에 의한 식종(植種)은 고온소화(高溫消化)의 초기운전시(初期運轉時)나 정상정(正常的)인 소화(消化)의 정지시(停止時) 매우 유효(有效)한 전환(轉換) 및 회복방법(回復方法)이 될 수 있을 것이다. 또한 온도상승(溫度上昇) 및 중온(中溫)슬러지식종(植種)에 의한 정상정(正常的)인 고온소화결과(高溫消和結果)로부터 중온하(中溫下)에서도 상당량(相當量)의 고온균(高溫菌)이 존재하고 있음을 알 수 있다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제17권4호
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• pp.379-388
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• 2006

Two mesophilic trickling bed bioreactors filled with two different types of media, hydrophilic- and hydrophobic-cubes, were designed and conducted for hydrogen production under the anaerobic fermentation of sucrose. Each bioreactor consisted of the column packed with polymeric cubes and inoculated with heat-treated sludge obtained from anaerobic digestion tank. A defined medium containing sucrose was fed by the different hydraulic retention time(HRT), and recycle rate. Hydrogen concentrations in gas-phase were constant, averaging 40% of biogas throughout the operation. Hydrogen production rate was increased till $10.5\;L{\cdot}h^{-1}{\cdot}L^{-1}$ of bioreactor when influent sucrose concentrations and recycle rates were varied. At the same time, the hydrogen production rate with hydrophobic media application was higher than its hydrophilic media application. No methane was detected when the reactor was under a normal operation. The major fermentation by-products in the liquid effluent of the both trickling biofilters were acetate, butyrate and lactate. In order to run in the long term operation of both reactor filled with hydrophilic and hydrophobic media, biofilm accumulation on hydrophilic media and biogas produced should be controlled through some process such as periodical backwashing or gas-purging. Four sample were collected from each reactor on the opposite hydrogen production rate, and their bacterial communities were compared by terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) analysis of PCR products generated using bacterial 16s rRNA gene primers (8f and 926r). It was expressed a marked difference in bacterial communities of both reactors. The trickling bed bioreactor with hydrophobic media demonstrates the feasibility of the process to produce hydrogen gas. A likely application of this reactor technology can be hydrogen gas recovery from pre-treatment of high carbohydrate-containing wastewaters.

• 대한토목학회논문집
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• 제5권4호
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• pp.31-44
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• 1985

팽창형 혐기성(嫌氣性) 생물막공법(生物膜工法)(AAFEB)을 고온(高溫)($55^{\circ}C$)에서 부유물질(浮遊物質)이 많은 경우에 적용시킨 것은 최근의 일이다. 폐활성(廢活性)슬러지(WAS)는 이 공법(工法)으로 약 6 시간의 짧은 체류기간으로 효과적(效果的)으로 소화(消化)될 수 있다는 사실이 밝혀지고 있다. 만약 이러한 고율(高率)의 소화법(消化法)이 개발적용(開發適用)된다면, 현(現) 소화조(消化槽)의 소요체적(所要體積)을 99% 가량 감소(減少)시킬 수 있기 때문에 슬러지 처리분야(處理分野)에 매우 흥미로운 사실(事實)이 아닐 수 없을 것이다. 본(本) 논문(論文)은 이 공법(工法)에 대한 최근(最近) 1년(年) 반(半)동안의 연구결과를 요약한 것이다. 본(本) 연구(硏究)에 있어서 연속적(連續的)으로 주입(注入)되는 3개(個)의 실험실(實驗室) 소화조(消化槽)($55^{\circ}C$)가 사용(使用)되었다. 그 중(中) 1개(個)의 소화조(消化槽)는 AAFEB 소화조(消化槽)와의 비교(比較)를 위한 완전혼합형(完全混合形) 소화조(消化槽)였다. 2개(個)의 AAFEB 소화조(消化槽) 중에 1개(個)는 가수분해조(加水分解槽)를 별도(別途)로 설치(設置)한 2단(段)의 경우와 가수분해조(加水分解槽)가 없는 1단(段)의 경우로 구분시켜 비교하였다. 실험(實驗)에 사용(使用)된 WAS는 실험실(實驗室) 활성(活性)슬러지 반응조(反應曺)와 실제의 하수처리장(下水處理場)으로부터 채취한 것이었다. 1단(段)의 AAFEB의 경우, 결과를 보면 WAS 내의 생물분해가능(生物分解可能) 유기물질(有機物質)의 60%가 15시간의 체류기간으로 분해(分解)되였으며, 2단(段)의 경우에는 같은 체류기간에서 95%의 분해효율(分解效率)을 보였다. 고온소화(高溫消化)의 실제적용가능성(實際適用可能性)과 아울러 적용시(適用時)의 문제점 등을 검토(檢討)하였다.

• 대한환경공학회지
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• 제30권8호
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• pp.781-788
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• 2008

본 연구는 실험계획법과 통계학적 분석을 이용하여 세가지 유기성 폐기물(축산폐수, 하수슬러지, 음식물쓰레기)의 혼합 산발효를 위한 최적 운전 조건을 구하였다. 먼저, 세가지 기질의 최적 혼합비 도출을 위해 15회의 회분식 실험을 진행하였고, 획득한 실험 값의 통계학적 분석 결과 도출된 최적 혼합비는 chemical oxygen demand(COD) 기준으로 축산폐수, 하수슬러지, 음식물쓰레기 순으로 0.4 : 1.0 : 1.1로 나타났다. 도출된 최적 혼합비율로 준비된 기질을 대상으로 산발효 연속 운전 최적화를 수행하였다. 중요 운전 인자로서 hydraulic retention time(HRT)과 기질 농도를 설정하고, 실험계획법의 일종인 반응표면법(Response surface methodology, RSM)을 적용하였다. 3단계의 실험 계획에 의거한 연속 운전 결과, total volatile fatty acids(TVFA) 생성을 극대화 할 수 있는 최적 운전 조건은 HRT 2일, 기질 농도 29,237 mg COD/L로 밝혀졌고, 제시된 2차 경험적 모델식을 통해 최적 운전 조건에서 73%의 TVFA 증가율을 예상할 수 있었다. 도출된 모델식의 정확도 검증을 위한 실험 결과, 약 4%의 상대오차를 나타내 반응표면법을 비롯한 실험계획법과 통계학적 분석 방안이 성상 변화가 큰 실 폐기물의 최적화에도 효과적으로 적용될 수 있는 것으로 나타났다.

• 유기물자원화
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• 제24권1호
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• pp.21-29
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• 2016

혐기성 소화의 주요 조건 중 하나인 C/N비의 경우 하수슬러지는 5.40으로 낮게 나타난 반면 음폐수(Food waste leachate)는 21.84로 높게 나타났다. C/N비가 낮을 경우 혐기성소화의 저해 요인으로 작용될 수 있기 때문에 음폐수의 높은 유기물 농도 및 C/N 비를 활용하여 메탄가스 발생량 증가시킬 수 있었다. Tchobanoglous이 제안한 이론적 메탄가스 발생량 예측수식을 적용하여 메탄 및 바이오가스 발생량을 산정한 결과 하수슬러지 단일 혐기소화의 경우 $305.6mL{\cdot}CH_4/g{\cdot}VS$, $689.4mL{\cdot}CH_4/g{\cdot}VS$의 메탄, 바이오가스가 발생하였고 음폐수 : 하수슬러지를 1:9로 혼합한 시료는 약 $322mL{\cdot}CH_4/g{\cdot}VS$, 3:7시료에서는 약 $354mL{\cdot}CH_4/g{\cdot}VS$, 5:5시료에서는 약 $386mL{\cdot}CH_4/g{\cdot}VS$의 메탄가스가 발생하는 것으로 분석되었다. BMP 실험 결과 1:9, 3:7, 5:5 비율로 병합 처리한 경우 각각 약 233, 298, $344mL{\cdot}CH_4/g{\cdot}VS$의 메탄가스가 발생하였다. 따라서 음폐수의 혼합비율이 높아질수록 메탄가스 발생량은 증가하였고 하수슬러지와 음폐수의 혼합비율에 따른 병합처리 시 하수슬러지 단독처리에 비해 다량의 메탄가스가 발생되었다. BMP 실험을 통해 생산된 메탄가스의 누적생산 곡선을 Modified Gompertz model과 first order kinetic model에 적용하여 추정한 결과, 메탄생성량은 Modified Gompertz model에서는 238.5, 302.3, $353.6mL/g{\cdot}VS$ 발생하였고 first order kinetic model에서는 242.8, 312.5, $365.5mL/g{\cdot}VS$로 음폐수와의 혼합비율이 증가할수록 높게 나타났으며, 최대 메탄생성속도의 경우 3:7비율에서 $48.2mL/gVS{\cdot}day$로 최대 메탄생성 속도를 보였다. first order kinetic model의 1차 반응속도상수 k값은 1:9, 3:7, 5:5 비율에 따라 0.32, 0.22, $0.08day^{-1}$ 나타났다. 1차 반응속도 상수의 경우 음폐수의 혼합비율이 낮을수록 높게 나타났다. Modified Gompertz와 first order kinetic model 모두 실험결과를 잘 모사하였으며, 실험결과와 모의결과의 적합도를 나타내는 상관계수($R^2$)의 경우 0.92~0.98으로 높은 상관성을 나타내었다.

• 대한환경공학회지
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• 제37권1호
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• pp.60-68
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• 2015

폐활성슬러지의 감량화 및 혐기성소화 효율 향상을 위한 가용화 기술로 microwave (MW)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. MW에 의한 가용화는 유전가열에 의해 가열적, 비가열적 효과 및 이온성 전도를 유도하여 매우 짧은 시간에 반응이 일어나므로 폐활성슬러지의 가용화에 효과적으로 적용될 수 있다. 본 연구에서는 폐활성슬러지 가용화에 대해 전도 가열대비 MW의 우수성을 평가하였고, 고출력 조건에서 수행된 기존 연구들과 달리 저출력 조건에서 MW의 효율 향상을 위해 강산인 $H_2SO_4$ 및 이온성 물질인 $CaCl_2$, NaCl을 촉매로 이용하였다. 전도 가열 대비 MW를 이용한 폐활성슬러지의 가용화 효율은 $50^{\circ}C$ 조건에서 6.2배, $100^{\circ}C$ 조건에서 1.4배 높게 나타났으며, 본 연구의 MW 저출력 조건에서 최대 COD 가용화율은 10.0%로 나타났다. 동일한 MW 출력 및 반응시간 조건에서 촉매물질인 $H_2SO_4$ 및 NaCl의 첨가를 통해 폐활성슬러지의 COD 가용화율이 18.1%, 12.7%로 증가하였으며, $CaCl_2$를 첨가하였을 경우에는 COD 가용화율이 10.7%로 MW의 효율에 향상에 효과가 없는 것으로 나타났다. 이는 가용화 효율을 향상시킬 것으로 예상된 $Ca^{2+}$가 슬러지 가용화에 따라 발생하는 ${PO_4}^{3-}$와 반응하여 침전물 형성에 소모되었기 때문으로 판단된다. 본 연구에서 MW 효율 향상을 위한 가장 적합한 촉매물질은 $H_2SO_4$인 것으로 나타났으며, 0.2 M의 $H_2SO_4$를 첨가한 MW 조건이 폐활성슬러지의 가용화에 가장 효과적인 것으로 나타났다.

• 한국토양비료학회지
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• 제45권4호
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• pp.532-539
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• 2012

BMP 시험을 통한 최종메탄생산퍼텐셜 ($B_u$)의 측정은 바이오매스로부터 전환할 수 있는 바이오에너지 양을 추산하고 혐기소화조를 설계하는데 중요한 인자이다. 본 연구에서는 $B_u$의 측정에 있어 기질과 접종액의 비율 (S/I ratio)이 미치는 영향을 분석하기 위하여 기질의 유기물 특성이 다른 양돈 슬러리의 탈수여액 (LF), 양돈슬러지 탈수케이크의 열가수분해액 (TH), 탈수여액과 열가수분해액의 혼합액 (Mix)을 이용하여 BMP 시험을 실시하였으며, 각각의 시료의 이론적 메탄생산퍼텐셜 ($B_{th}$)과 혐기적 유기물 분해율을 구하여 비교하였다. TH 시료의 $B_u$는 S/I 비율 0.1, 0.3, 0.5에서 각각 0.27, 0.44, $0.46Nm^3\;Kg^{-1}-VS_{added}$로 나타났으며, 이론적메탄생산퍼텐셜 ($B_{th}$) 대비 최종메탄생산퍼텐셜 ($B_u$)의 비율 ($B_u/B_{th}$)로 나타낸 혐기적 유기물 분해율은 S/I 비율 0.1, 0.3, 0.5에서 각각 50.04, 82.46, 86.47%이었으며, LF 시료의 경우 S/I 비율 0.1, 0.3, 0.5에서 $B_u$은 각각 0.64, 0.53, $0.40Nm^3\;Kg^{-1}-VS_{added}$이었으며, 혐기적 유기물 분해율은 각각 152.07, 122.67, 95.71%로 나타났다. Mix 시료의 경우 최종 메탄생산 퍼텐셜과 혐기적 유기물 분해율에서 LF 시료와 유사한 경향을 보였다. 본 연구에서는 양돈슬러리의 BMP시험에서 S/I비율에 따라 상이한 최종 메탄생산 퍼텐셜이 나타나며, 낮은 S/I 비율에서 최종 메탄생산 퍼텐셜이 과대평가되었다.

• 유기물자원화
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• 제26권1호
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• pp.65-78
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• 2018

본 연구는 유기성폐자원(가축분뇨, 음식물류폐기물, 음식물류폐수 등)의 바이오가스 이용에 대한 적정 설계 및 운전 기술지침서 마련하고자 현장조사와 정밀모니터링 등을 실시하였다. 정부의 중장기 바이오가스화 정책에 따라 폐자원의 자원화 시설 확충이 활발히 추진되고 있다. 하지만 생산된 바이오가스를 이용하여 발전 및 스팀으로 활용하는 시설은 효율이 아직은 저조하고 잦은 고장이 발생되고 있다. 전국 11개소 유기성폐자원 바이오가스화 시설을 대상으로 정밀모니터링을 실시하였다. 사계절 평균으로 정밀모니터링 결과를 정리하였을 때, 유기성폐자원 별 효율성 분석에서 유기성분해율은 VS기준 음식물/음폐수는 68.2 %, 가축분뇨는 66.8 %, 하수슬러지의 경우 46.2 %로 전체 평균 58.8 %로 분석되었다. 전처리 전후 바이오가스 성상을 분석한 결과 철염 및 탈황(건식, 습식)을 이용하여 전체 시설의 $H_2S$ 평균은 560 ppm으로 측정되었으며, 저감효율이 90% 이상인 경우 약 40 ppm 까지 감소할 수 있는 것을 확인하였다. 특히 소화조 내에 철염을 투입하면 처리효율 약 93 %이며, 평균 150 ppm까지 감소하는 것을 확인하였다. 제습의 경우 노점온도를 적용한 절대습도와 가스온도에 따른 상대습도를 분석하였으며, 제습설비가 유지보수가 잘되어 가동 중인 시설의 노점온도는 $14^{\circ}C$, 절대습도는 $12.6g/m^3$이며, 상대습도는 35 %로 측정되었다. 따라서 유기성폐자원의 바이오가스화 시설의 단점을 보완하고 바이오가스 이용 최적화 방안을 마련하기 위하여 정밀모니터링을 실시하였다.

• 유기물자원화
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• 제26권2호
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• pp.95-103
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• 2018

바이오가스 이용 최적화를 위해 탈황 및 제습 전처리시설 가이드라인으로 $H_2S$ 농도는 철염으로 처리가능한 150 ppm으로 설정하고, 제습은 발전기 운전 적정수분 값이며 EU회원국에서 바이오가스 활용 시 적용하는 상대습도 60 %로 설정하였다. 국내 바이오가스 평균 온도인 $31^{\circ}C$에서 상대습도 60 %으로 적용한다면 노점온도 $22^{\circ}C$, 절대습도 $20.57g/m^3$으로 나타낼 수 있으며, 전처리 설비가 적절히 가동된다면 가이드라인에 만족하여 바이오가스의 이용이 최적화 될 것으로 사료된다. 바이오가스 이용 최적화를 위해 발전기 설비 가이드라인을 설정하고자 하였다. 바이오가스 적정 이용량으로는 전체 가스 발생량의 90 % 이상을 이용해야하며, 발전기 시설의 용량은 여유율을 10~30 %로 설정해야 한다. 발전기에 유입가스의 압력을 균등화하기 위해서는 가스 균등조(buffer tank)를 설치하며, 발전실 평균온도는 $45^{\circ}C$이하로 유지한다. 소화조에서 일정한 메탄농도로 가스가 생성되지 않아 효율이 저하되므로 메탄농도에 변화에 따른 공기연료비 제어시스템을 설치가 요구된다. 본 연구에서는 유기성폐자원의 바이오가스 생산 및 이용을 최적화를 위해 현장시설의 정밀모니터링과 시설별 에너지수지를 분석하고, 현장문제 해결방안에 대해서 조사하여 전처리시설 및 발전기 등의 설계 및 운전 가이드라인을 제시하고자 한다.

• 유기물자원화
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• 제27권1호
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• pp.77-85
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• 2019

바이오가스화는 유기성폐기물을 처리하는 과정에서 발생되는 메탄가스를 포함하는 환경 친화적인 연료를 생산하는 기술이다. 바이오가스화는 유기성폐기물의 해양투기 금지 이후 안정적인 육상처리일 뿐만 아니라 신재생에너지원으로 인정받으면서 세계적인 관심을 받고 있다. 최근에는 생산된 바이오가스를 고품질화하여 도시가스 및 수송용으로 이용하는 추세가 증가하고 있다. 바이오가스화 현장시설에서는 아직도 잦은 고장으로 바이오가스 생산이 저하되고, 또한 생산된 바이오가스를 효과적으로 정제하여 이용하는 것이 미흡한 실정이다. 이 연구에서는 바이오가스 생산 및 이용 시설에서의 문제점들을 파악하고, 최적으로 바이오가스를 도시가스 및 수송용으로 활용 가능하기 위한 가이드라인 및 기술지침을 마련하고자 하였다.