• KSBB Journal
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• 제29권4호
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• pp.225-231
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• 2014

A microbial fuel cell (MFC) and bioelectrochemical systems are novel bioprocesses which employ exoelectrogenic biofilm on electrode as a biocatalyst for electricity generation and various useful chemical production. Previous reports show that electrogenic biofilms of MFCs are time varying systems and dynamically interactive with the electrically conductive media (carbon paper as terminal electron acceptor). It has been reported that maximum power point tracking (MPPT) method can automatically control load by algorithm so that increase power generation and columbic efficiency. In this study, we developed logic based control strategy for external load resistance by using $LabVIEW^{TM}$ which increases the power production with using flat-plate MFCs and MPPT circuit board. The flat-plate MFCs inoculated with anaerobic digester sludge were stabilized with fixed external resistance from $1000{\Omega}$ to $100{\Omega}$. Automatic load control with MPPT started load from $52{\Omega}$ during 120 hours of operation. MPPT control strategy increased approximately 2.7 times of power production and power density (1.95 mW and $13.02mW/m^3$) compared to the initial values before application of MPPT (0.72 mW and $4.79mW/m^3$).

• 대한환경공학회지
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• 제31권5호
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• pp.341-345
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• 2009

음식물쓰레기와 종이류로 구성된 유기성고형폐기물(고형물 함량 30% TS)을 대상으로 중온 건식혐기성소화를 시도하였고, 연속 운전 중 수리학적 체류 시간(HRT)을 150일, 100일, 60일, 40일로 감소시켰다. 기질의 고형물 농도를 30% TS (Total Solids)로 고정하였기 때문에 각각의 HRT에 해당하는 고형물 부하는 2.0, 3.0, 5.0, 7.5 kg TS/$m^3$/d였다. HRT를 줄임에 따라 단위용적 당 바이오가스 생산 속도는 증가하였고, HRT 40일에서 3.49${\pm}$0.31 $m^3/m^3/d$로 가장 높은 성능을 보였다. 이 때, 76%의 휘발성 고형물(VS) 분해율이 유지되었고, 0.25 $m^3$/kg $TS_{added}$의 메탄 생산 전환율을 보였으며, 이는 기질의 67.4%에 해당하는 에너지가 메탄 가스로 전환된 것을 의미한다. HRT 100일에서 0.52 $m^3$/kg $TS_{added}$로 가장 높은 바이오가스 전환율을 보였지만, 모든 HRT에서 0.45${\sim}$0.52 $m^3$/kg $TS_{added}$로 큰 차이가 나지 않았다. 고형물 함량이 높은 기질의 원활한 주입을 위해 소화조 발효액의 일부를 기질 투입구로 반송하여 기질과 혼합 후 주입하였다. 주입하고자 하는 기질의 5배에 해당하는 양의 소화조 발효액을 반송하여 혼합하였을 때, 가장 효과적인 기질 주입이 이루어졌다. 중온 건식 조건에서 서식하는 메탄 소화균의 활성도를 측정한 결과, 아세트산, 뷰틸산, 프로피온산을 이용할 경우 각각 2.66, 1.94, 1.20 mL $CH_4/g$ VS/d였다.

• 유기물자원화
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• 제20권1호
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• pp.61-70
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• 2012

본 연구에서는 하수슬러지, 돈분뇨, 음식물쓰레기 탈리액을 단독 또는 혼합 주입한 회분식 혐기성 소화를 수행하여 바이오가스 생산 및 유기물 저감 효율 비교 평가를 통해 병합소화의 타당성을 검토하였다. 타당성 검토 대상은 M시에서 발생하는 하수슬러지 178 톤/일, 돈분뇨 해양 투기량 및 축산폐수처리장 유입량 150 톤/일, 음식물쓰레기 탈리액 소각량 8톤/일이다. 유기성 폐기물 별 혐기성 소화 특성을 회분식 실험을 통해 고찰한 결과, 검토된 보조기질(돈분뇨, 음식물쓰레기 탈리액)이 메탄수율, 메탄 생산성, 유기물 제거 효율 측면에서 하수슬러지에 비해 우수한 성능을 나타내었다. 하수슬러지, 돈분뇨, 음식물쓰레기 탈리액의 병합 소화를 수행한 결과, 대상 유기성 폐기물 전량을 하수처리장 소화조로 투입하는 경우, 하수슬러지 단독 소화 대비, 5.6 배$(530\;m^{3}\;CH_{4}/d\;{\rightarrow}\;2,968\;m^{3}\;CH_{4}/d)$ 높은 메탄생산 잠재량을 보일 것으로 나타났다. 다만 소화조 유출수가 기존에 비해 1.88 배 증가하고, 유출수 내 오염물질 부하(COD, T-N, T-P)가 3.79-4.92배 증가하는 것으로 나타났다. 병합소화는 하수처리장 에너지 자립화에 큰 기여를 할 수 있으나, 적용 시 하수처리장으로의 반송 등 소화조 유출수 처리 방안의 확보 방안이 함께 마련되어야 할 것으로 사료된다.

• 유기물자원화
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• 제24권3호
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• pp.35-43
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• 2016

하수처리장에서 배출되는 잉여슬러지 감량율을 증가시키기 위해 사용된 전처리 가용화시설에서, 가용화율에 따른 COD 성상변화를 살펴보았다. 대상하수처리장의 농축 잉여슬러지에 포함되어 있는 난분해성 COD는 총 COD의 37.0 % 이었다. 전처리 가용화시설에서 배출되는 잉여슬러지의 COD 세부성상 변화를 살펴보면 가용화율(5%, 10%, 20%, 30%, 35%)의 증가에 따라 고형성 생분해성 COD는 점차적인 감소를 보이고 있으며 이로 인한 용존성 생분해성 COD와 고형성 난분해성 COD가 증가하는 것을 볼 수 있었다. 잉여슬러지를 가용화하기 위하여 물리적 전처리시설을 적용할 때 생물학적 2차처리시설의 SRT가 상대적으로 길게 운영되면 잉여슬러지의 고형성 난분해성 COD의 함유율이 높고 상대적으로 고형성 생분해성 COD 농도가 낮게 된다. 고형성 생분해성 COD가 상대적으로 낮은 잉여슬러지의 경우 전처리 시설에 의한 가용화의 효과가 당초 예상보다 낮아질 수 있으므로, 가용화하여 혐기성 소화 할 경우 잉여슬러지에 대한 COD 성상 조사가 요구된다. 가용화율 5%에서 혐기성소화조에서의 COD 제거율은 2.1% 증가하였고, 가용화율 35%에서는 COD 제거율이 15.1% 증가 되었다. 전처리 시설에서 잉여슬러지 고형성 COD를 35% 가용화하였을 때 혐기성소화조에서의 COD 제거율은 25%에서 40%로 향상되었고 메탄가스발생량은 $607m^3$/일에서 $907m^3$/일으로 증가하는 것으로 나타났다.

• 대한환경공학회지
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• 제34권3호
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• pp.155-161
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• 2012

본 연구에서는 고순도 메탄을 회수하기 위해서 Plug Flow Reactor와 External $CO_2$ Stripper를 결합한 중온 Methane Enhancement System을 개발하였다. 반응조 운전인자로서 알칼리도와 Leachate 순환율(LRR, Leachate Recycle Rate)이 바이오가스의 조성과 생성량 및 TVS 제거효율에 미치는 영향을 규명하였다. 고순도 메탄회수 공정 운전결과 OLR 2 g TVS/L-d, 알칼리도 4 g/L as $CaCO_3$, Leachate 순환율 3 v/v-d일 때 평균 94%의 높은 메탄함량을 나타내 고순도 메탄회수를 위한 최적조건임이 밝혀졌다. 이때 1일 반응조 단위 부피당 0.71부피의 메탄이 생성되었으며, TVS 제거율은 79%로서 Control Reactor의 94% 수준을 달성하였다.

• 대한환경공학회지
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• 제22권12호
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• pp.2197-2204
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• 2000

리그닌은 펄프나 제지공장에서 나무의 화학적 처리를 하는 과정에서 생성되는 주요한 부산물이다. 이런 리그닌은 난분해성 물질로서 제지폐수의 생물학적 처리에 어려움을 초래하며, 특히 함량이 높을 경우 혐기성 소화에서 억제(inhibition) 물질로 작용하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 회분실험을 통하여 혐기성 소화에서 온도와 혐기성 소화 슬러지의 양에 따른 고분자 활엽수 리그닌(lignosulfonate, MW $\geq$ 20,000)의 영향을 관찰하였다. 고분자 활엽수 리그닌은 혐기성 소화 초기에는 메탄생성에 강한 억제작용을 하였으나 일정한 시간이 지난 후에는 이런 억제작용은 사라지고 메탄생성이 정상적으로 이루어졌다. 즉, 고분자 활엽수 리그닌은 aceticlastic methanogen에 대해 bacteriocidal 작용보다는 bacteriostatic 물질로서 작용하였다. 리그닌이 첨가되지 않은 대조군의 경우에는 메탄생성이 10일간 이루어지는데 반하여 1.3%, 2.6%와 3.9%의 리그닌이 첨가된 경우에는 같은 양의 메탄올 생성하는데 각각 14.5일, 17.8일 과 21.1일이 소요되었다. 2.6%의 리그닌을 첨가한 경우 초기 8일간은 $30^{\circ}C$ 조건에서의 메탄생성속도가 가장 컸으나 12일째부터 $40^{\circ}C$에서의 메탄생성속도가 급속히 증가하여 14일 후에는 총 메탄생성량이 $30^{\circ}C$를 초과하였다. 그러나 $50^{\circ}C$에서는 줄곧 메탄생성이 거의 이루어지지 않았다. 즉, aceticlastic methanogen에 대한 리그닌의 억제작용을 중온 (mesophilic)보다 고온(thermophilic)에서 더 컸다. 리그닌에 의한 이런 억제작용은 또 리그닌의 양(L)과 초기 혐기성 소화슬러지의 농도(AnS)의 비와 중요한 관계가 있었다. L/AnS의 비가 작으면 작을수록 이런 억제작용은 감소되는 것으로 나타났다. 그리고 본 실험에서 고분자 활엽수 리그닌의 분해와 탈색은 이루어지지 않았다.

• 유기물자원화
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• 제29권4호
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• pp.67-76
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• 2021

바이오가스화는 유기성폐기물을 안정적으로 분해하여 처리하는 과정에서 발생하는 메탄(CH₄)가스를 이용해 환경친화적인 연료를 생산하는 기술이다. 바이오가스화는 수분함량이 높은 유기성폐기물의 에너지화에 가장 많이 활용되는 방법이며, 직매립(2005) 및 해양투기(2013) 등의 금지에 따른 유기성폐기물 처리에 유용한 공법이다. 최근 국내에서 발병한 아프리카돼지열병(ASF, African Swine Fever)으로 습식사료화 재활용이 금지되고, 건조 사료화 및 퇴비화 등의 생산제품 수요처가 부정적으로 인식되면서 음식물류폐기물의 처리에 어려움을 겪고 있다. 이에, 음식물류폐기물의 처리 및 자원화를 위해 바이오가스화가 더욱 주목받고 있다. 우리나라 에너지소비 규모는 268.41 10⁶toe에 이르며 세계 9위 수준이다. 하지만 공급에너지의 약 95.8 %를 해외수입에 의존하고 있는 에너지 빈곤 국가이다. 따라서 국내에서는 신·재생에너지 공급의무화제도(RPS, Renewable energy portfolio standard)를 도입하고 있다. 국내의 RPS 제도는 다른 신재생에너지와 비교하여 폐기물에너지의 신·재생에너지 공급인증서(REC, Renewable energy certificate)의 가중치를 낮게 설정하고 있다. 따라서 폐자원에너지의 활성화를 위한 추가적 인센티브 제도가 요구된다. 본 연구에서는 음식물류폐기물, 음폐수 및 다양한 유기성폐기물이 처리되는 혐기소화조의 운영방식을 알아보고, 일정 기간의 정밀모니터링을 통해 폐자원에너지 인센티브제도를 마련하는 기초자료로써 활용하고자 하였다. 유기성 폐기물로 바이오가스를 생산하여 발전과 중질가스로 활용하는 4개소를 대상시설로 선정하였고, 현장조사 및 시료채취를 실시하였다. 채취된 유기성폐기물의 유입물 시료와 처리공정에 따른 유출물 시료의 기초 성상분석을 수행하였다. 성상분석 결과, 소화조 유입물의 총 고형물은 평 균 12.11 %이며, 총 고형물 중 휘발성 고형물은 85.86 %로 확인되었다. BOD와 CODcr 제거율은 소화조의 유입·유출 대비 각각 60.8 %와 64.8 %로 나타났으며, 유입물의 휘발성지방산은 평균 55,716 mg/L로 나타났으며, 혐기소화 후 감소율이 평균 92.3 %로 대부분 분해되어 제거된 것을 확인할 수 있다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권6호
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• pp.588-597
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• 2016

본 연구는 유기성폐기물의 혼합슬러지를 개량형 단상 혐기성 소화공정에서 각각의 혼합비율에 따른 바이오가스 생산효율 향상에 관한 연구로, 연구에 사용된 유기성폐기물의 종류는 하수 생슬러지, 음폐수 및 가축분뇨이다. BMP test를 통해 잠재적 메탄발생량을 확인한 결과 단일시료의 경우 가축분뇨가 $1.55m^3CN4/kgVS$로 가장 높게 평가되었고, 혼합시료(생슬러지, 음폐수, 가축분뇨)의 경우는 각각의 비율을 50% : 30% : 20%로 하였을 때 $0.43m^3CN4/kgVS$로 가장 높게 나타났다. 반면 실증플랜트에서 혼합슬러지 최적 혼합비율은 생슬러지(68.5) : 음폐수(18.0) : 가축분뇨(13.5)로 나타나 BMP test와 다소 상이한 결과를 보였다. 이는 혼합슬러지 성상변화와 체류시간 등 소화조 운전조건 변화에 기인한 결과로 판단되며, 단상 혐기성 소화조의 바이오가스 생산량이 $2,514m^3/d$, 메탄함량 62.8%로 조사되어 설계능력인 바이오가스 생산량 $2,319m^3/d$ 기준으로 볼 때 최대성능을 발휘하는 것으로 평가되었다. 아울러 본 연구를 통해 혐기성 소화방식에 있어 소화조의 안정적인 운영과 소화효율 측면에서 고효율 방식인 2상 소화방식을 도입하는 것이 유리하나 기존의 단상 소화방식에 있어서도 소화효율 개선 및 성능향상이 가능하다는 것을 알 수 있었다.

• 한국토양비료학회지
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• 제45권4호
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• pp.515-523
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• 2012

본 연구는 메탄생성에 직접적으로 관여하는 혼합 메탄균과 셀롤로스 등의 고분자 물질의 가수분해 반응에 활성이 뛰어난 반추위 내 혐기성 섬유소분해균 중에서 대표적인 Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus flavefaciens 및 Ruminococcus albus를 biochemical methane potential (BMP) 시험에 첨가하였을 때 메탄 발생에 미치는 영향을 조사하고자 수행되었다. BMP시험은 멸균증류수를 첨가한 control과 각각의 미생물 배양액을 첨가한 혼합 메탄균 첨가구 (M), F. succinogenes 첨가구 (FS) R. flavefaciens 첨가구 (RF), R. albus 첨가구 (RA) 및 RA+FS 혼합첨가구와 M+RA+FS 혼합 첨가구로 총 7개 처리구로 각 처리구별 3반복으로 진행되었다. 미생물 배양액의 첨가량은 식종액과 기초혐기배지 (anaerobic basic medium) 혼합액 50 mL에 1% (0.5 mL), 3% (1.5 mL) 및 5% (2.5 mL) 씩 첨가 하였고 배양을 위한 기질로는 cellulose ($2.0g\;VS\;L^{-1}$)이 이용되었다. BMP 시험을 위해 40일간 배양이 지속되었고 중온소화를 위해 $38^{\circ}C$의 배양기에서 수행되었다. 실험의 결과 총 바이오가스 및 메탄 발생량은 5% FS에서 다른 처리구와 비교하여 각각 10.4~22.7% 및 17.4~27.5% 높았다 (p<0.05). 총고형물 (TS) 분해율도 가스발생 결과와 유사하였는데, 전반적으로 FS가 높게 나타났으며, 5% FS에서 64.2%로 가장 높았다. 휘발성 고형물 (VS) 분해율은 5% FS와 5% RF가 각각 68.4 및 71.0%로 가장 높았다. BMP 종료시 배양액내 pH는 모든 처리구가 6.4이상으로 메탄발효에 큰 영향을 주지 않았음을 알 수 있었다. 결론적으로 본 실험의 결과 혐기소화에 대한 회분식 배양에서는 메탄생성단계보다는 가수분해단계에서 특히, F. succinogenes 배양액의 첨가량이 증가할수록 메탄의 생성량을 증가시킴을 알 수 있었다.

• KSBB Journal
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• 제11권2호
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• pp.211-217
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• 1996

난분해성 물질로 알려진 2,4,6-trichlorophenol를 혐기성 미생물의 cometabolism을 이용하여 처리할 경우 높은 탈염소화 속도를 얻기 위하여 전자콩여체 를 선정하기 위하여 회분식 실험을 수행하였다. 회분식 실험은 Serum bottle에서 중량천 폐수처리장 의 1차 소화조에서 채취한 혐기성 소화슬러지를 사 용하여 2,4,6-trichlorophen이의 환원척 탈염소화 반 응을 유도하였다. 탈염소화 과정에셔 중간생성물을 조사하였고 혐기성 미생물의 성장과 유지를 위한 에 너지원인 전자공여체에 따른 탈염소화 속도를 비교 하였다. 회분식 실험결과 2,4,6 - trichlorophenol은 ortho위치의 염소가 치환되어 2,4- Oichlorophenol 로 탈염소화되 었다2,4-dichlorophenol은 다시 ortho위치의 염소가 치환되어 4-chlorophenol로 탈 염소화되 었다. Acetate, ethanol, glucose와 metha nol를 전자공여 체로 사용한 결과 ethanol을 사용한 경우에 서 2,4,6-trichlorophenol의 탈염소화 속도가 가장 빠른 것으로 관찰되었다.