• 대한환경공학회지
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• 제38권4호
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• pp.201-209
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• 2016

Glucose ($C_6H_{12}O_6$)의 이론적인 최대 메탄수율은 표준상태(1 atm, $0^{\circ}C$)를 기준으로 0.35 L $CH_4/g$ COD이지만, 전통적인 혐기성소화조에서 유기물이 메탄으로 전환되는 양은 연구의 방법이나 유기물의 종류에 따라 매우 다양하게 보고되고 있으며, 대부분의 연구실 규모 실험에서 안정화 후 메탄 수율은 0.35 L $CH_4/g$ COD 이하로 나타난다. 최근, 미생물 전기화학 기술(Microbial Electrochemical Technology, MET)은 지속가능한 신재생에너지 생산 기술로서 큰 주목을 받고 있으며, MET를 혐기성소화조에 적용할 경우 고농도의 유기성폐기물의 빠른 분해가 가능할 뿐만 아니라 전기화학적인 반응에 의해 휘발성지방산(VFAs)이나 독성물질, 생분해 불가능한 물질까지도 분해가 가능하며, 소화조 내 미생물의 활성을 높이고 바이오가스의 생산량을 극대화 할 수 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 MET가 혐기성소화의 메탄발생에 미치는 영향에 대하여 연구하기 위해 음식물 탈리액과 하수슬러지의 원소조성에 따른 이론적인 최대 메탄수율을 분석하였으며, BMP (Biochemical Methane Potential) 실험과 연속식 실험을 통한 메탄수율의 특성을 평가하였다. 그 결과, MET가 적용된 혐기성소화에서의 메탄수율은 일반적인 혐기성소화조에 비하여 기질에 따라 2-3배 정도 높았으며, 이론적인 최대 메탄수율에 미치지는 못하였으나 일부는 거의 근접한 결과가 도출되었다. 또한, 일반적인 혐기성소화조와 MET가 적용된 혐기성소화조의 안정화 후 바이오가스의 조성은 거의 유사하게 나타났다. 결과적으로, MET가 혐기성소화조의 유기물 제거효율을 향상시켜 메탄발생량을 증가시킨 것으로 나타났으며, 향후 추가적인 연구를 통하여 MET에서 메탄발생 메카니즘이 명확히 규명되어야 할 것이다.

• 유기물자원화
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• 제16권4호
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• pp.43-49
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• 2008

본 연구의 목적은 석유화학에너지를 대체하기 위해 바이오가스 생산을 위한 돈분 및 음식물쓰레기 혼용 혐기소화 시 황화수소가스 농도 및 발생비율을 모니터링 한 것이었다. 바이오가스 생산을 위한 혼합혐기 소화는 휘발성 고형물 2%기준 다양한 돈분 및 음식물쓰레기 혼합비율하에서 시럼병을 이용하여 수행하였다. 황화수소가스 발생비율은 처리별 소화기간에 따라 다양하다 할지라도, 수급원료를 돈분만을 이용한 경우는 음식물 쓰레기와 비교할 때 황화수소 발생량은 2.4배 낮게 나타난 것으로 관측되었다. 돈분과 음식물쓰레기 혼합비율에 따른 황화수소가스 농도에 미치는 영향에 대해서는 음식물쓰레기 혼합비율이 높으면 높을수록 황화수소 농도가 높게 나타났다. 황화수소가스 평균 농도는 돈분처리, 0.1452% 에서부터 음식물쓰레기 처리, 0.3420% 까지 다양 하였다. 돈분 및 음식물쓰레기 혼용 혐기발효 시 바이오가스 조성비율은 메탄가스가 53.2%, 이산화탄소 23.9%, 황화수소 0.3% 및 수분을 포함한 기타 22.7%로 이루어져 있는 것으로 나타났다.

• 한국환경농학회지
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• 제27권2호
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• pp.145-149
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• 2008

Anaerobic co-digestion of swine manure and food waste for biogas production was performed in serum bottles at various volatile solids(VS) contents and mixing ratios of two substrates(swine manure:food waste=$100:0{\sim}0:100$). Through kinetic mode of surface methodology, the methane production was fitted to a Gompertz equation. The ultimate methane production potential of swine manure alone was lower than that of food waste regardless of VS contents. However, it was appeared that maximum methane production potentials in 80 : 20 of the mixing rate at VS 3% was enhanced at 144.7%, compared to its only swine manure. The potential increased up to 815.71 ml/g VS fed as VS concentration and food composition increased up to 3.0% and 20%, respectively. The ultimate amount of methane produced had significantly a positive relationship with that of methane yield rate. Overall, it would be strongly recommended that feeding stocks use 20% of mixing ratio of food waste based on VS 3% contents when operating the anaerobic reactor on site at $35^{\circ}C$ if not have treatment of its anaerobic waste water.

• 대한환경공학회지
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• 제31권11호
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• pp.997-1006
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• 2009

본 연구에서는 음폐수를 대상으로 5 톤/일 처리규모의 막결합형 2상 혐기성 소화(TPADUF) 플랜트를 운영하며 유기물 제거효율 및 메탄 발생량을 파악하고, 소화가스를 이용한 발전 가능성 및 분리막 적정 운영방안을 검토하였다. 고온 산발효조, 중온 메탄조 및 UF 막으로 구성된 처리 시스템에서 평균 TCOD가 150 g/L인 음폐수를 유기물 부하 11.1 g COD/L/d까지 증가시키며 처리한 결과 최종 유출수의 TCOD는 6 g/L 이하이었으며, TCOD 및 SCOD 제거효율은 모두 95% 이상이었다. 소화 가스의 메탄 구성비는 65%이었으며, 회수된 메탄량은 시스템에서 일부 가스가 누출되었음에도 39 $m^3/m^3$ 음폐수 주입량, 260 $m^3$/톤 COD유입량, 또는 270 $m^3$/톤 COD제거량 이었다. 소모된 가스량 당 발전량은 0.96 kWh/$m^3$ 가스, 또는 1.49 kWh/$m^3$ 메탄으로 다소 낮았으나 이는 소용량 발전기(15 kW급)의 저효율에 기인한 것이다. 분리막은 평균 flux 10 L/$m^2$/hr에서 운전하였으며, 운전 중 flux가 감소하였을 때는 물 또는 화학적(NaOCl)세정을 실시하여 회복시킬 수 있었다. TPADUF 플랜트에서는 메탄조 내액 또는 분리막 농축액을 산발효조로 반송함으로써 산발효조의 pH를 별도의 약품 주입 없이 적정 수준을 유지할 수 있었으며, 산발효조에서 부분적인 메탄생성을 통해 메탄조의 유기물 부하를 낮추는 효과도 있었다.

• 대한환경공학회지
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• 제34권11호
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• pp.765-771
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• 2012

본 연구에서는 BMP (Biochemical Methane Potential) test를 통해 얼갈이배추, 딸기, 토마토, 오이, 참외 시설농업부산물의 잠재메탄발생량을 조사하였다. 또한, 시설농업부산물을 사일로에 저장하고 저장 전후의 잠재메탄발생량을 비교하여 사일리지 저장기술이 메탄 생산에 미치는 영향을 분석하였다. 대상 시료의 잠재메탄발생량과 생분해도는 각각 149~286 mL-$CH_4/g$-VS, 27~48%(by vol.)의 범위를 나타내었으며 메탄발생량은 얼갈이배추 > 참외 > 딸기 ${\approx}$ 오이 > 토마토 순으로 조사되었다. 사일로 저장 후, 원시료와 비교하였을 때 VS 기준 메탄발생량이 -11~36%(by vol.) 증감하여 시료 별로 상이한 결과를 보였다. 저장기간 중 유기산 증가, 섬유소 분해로 메탄발생량이 증가하고 화학 성분의 변화, 암모니아 저해로 메탄발생량이 감소한 것으로 판단된다.

• 한국환경보건학회지
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• 제21권4호
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• pp.1-9
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• 1995

This study was carried to investigate the biodegradability of phenol in the wastewater with the two sludge blanket-packed bed reactor in series. Each reactor had a dimension of 0.09 m i.d. and 1.5 m height and consisted of two regions. The lower region was a sludge blanket of 0.5 m height and the upper region was a packed-bed of 1 m height. The packed bed region was charged with ceramic raschig rings of 10 mm i.d., 15 mm o.d. and 20 mm length. The reactors were operated at 35$\circ$C and the hydraulic retention time(HRT) was maintained 24 hours. The synthetic wastewater composed of glucose and phenol as major components was fed into the reactor in a continuous mode with incereasing phenol concentration. In addition, the nutrient trace metals($Na^+, Mg^{2+}, Ca^{2+}, PO_4^{3-}, NH_4^+, Co^{2+}, Fe^{2+}$ etc.) were added for growing anaerobes. The phenol concentration of the effluent, the overall gas production, the composition of product gas, the efficiency of COD reduction and the duration of acclimation period were measured to determine the performance of the anaerobic wastewater treatment system as the phenol concentration of the influent was increased from 600 to 2400 mg//l. Successfully stable biodegradation of phenol could be achieved with the anaerobic treatment system from 600 to 1, 800 mg/l of the influent phenol concentration. The upper level of influent phenol loading was high enough to meet most of the practical requirement. The duration of acclimation increased with the phenol loading. At steady state of the influent phenol concentration of 1800 mg/l, the treatment performance indicated the phenol reduction efficiency of 99%, the COD reduction efficiency of 99% and the gas production rate of 37 l/day. At the influent phenol concentration of 2400 mg/l, however, the operation of the treatment system was noted unstable. While the concentration of methane in biogas decreased with increasing the influent phenol loading, the carbon dioxide was increased. However, the concentration of hydrogen was varied negligibly. The concentration of methane was high enough to be used as a fuel. As a result, it is suggested that anaerobic phenol wastewater treament was economical in the sense of energy recovery and wastewater treatment.

• KSBB Journal
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• 제20권6호
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• pp.401-407
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• 2005

본 연구는 C. beijerinckii KCTC 1785의 배양배지(RCM)에서 수소생산을 위한 최적화 조건을 탐색하고 수소생산을 위한 배지성분을 최적화하였다. 수소생산을 위한 최적 초기 pH와 발효온도는 각각 7.0과 $35^{\circ}C$이었고, 교반은 수소생산을 가속화 시켰다. C. beijerinckii KCTC 1785는 6%(w/v)의 glucose 농도까지 성장할 수 있지만 4%의 glucose 농도에서 가장 많은 수소를 생산하였으며, 이 때 바이오가스 중 수소 함량은 37%(v/v)이었다. 그러나 배지내 잔여 glucose 양을 고려할 때 수소생산을 위한 최적 glucose 농도는 1%이었다. 발효가 진행되는 동안 수소가 생산됨과 동시에 acetic acid와 butyric acid가 동시에 생성되었으며, acetic acid와 butyric acid가 각각 5,000 mg/L과 3,000 mg/L 이상의 농도에서 수소생산을 저해하였다. 또한 발효조의 pH를 5.5로 계속 유지하였을 경우 15시간 동안 0.5% glucose로부터 1,728 mL의 수소를 생산하였으며 이 때 수소의 생산수율은 1.23 mol $H_2/mol$ glucose이었다. C. beijerinckii KCTC 1785의 성장에 있어서 yeast extract 또는 tryptose는 반드시 필요한 배지의 성분이었다.

• KSBB Journal
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• 제20권6호
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• pp.431-437
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• 2005

1. 고온 CSTR은 비교적 짧은 start-up 기간과 높은 $H_2$ 수율을 나타내었다. $H_2$ 생산속도와 $H_2$ 수율의 안정화를 근거로 판단컨대 start-up 기간은 30일 이내이었으며, 최고 $H_2$ 수율은 2.4 mol $H_2/mol$ glucose이었다. 2. 비교적 긴 HRT와 침전조를 이용한 biomass의 재순환에도 불구하고, 유입 포도당의 농도가 낮아 biomass 농도는 다른 중온 반응기에서 보고된 것에 비해 낮은 편이었다. 3. 운전 초기에 $CH_4$이 발생하였으나 8일 이후부터는 pH를 1.0 이하로 유지하였더니 14일 이후로는 거의 검출되지 않는 것으로 봐서 메탄생성균이 식종균에 남아 있더라도 반응기 운전조건을 통해 $CH_4$ 발생을 억제할 수 있었다. 4. 식종 미생물과 반응기로부터 취한 시료의 DGGE band 패튼이 다른 것으로 보아 고온 CSTR 조건에서 식종된 미생물 군집의 조성이 변화하였음을 알 수 있었다. 5. DGGE 분석결과 초기 43일간의 운전기간 동안에 관찰된 미생물 군집조성은 동적인 변화를 나타내었다. 약 14일부터는 biogas 조성이 거의 일정하였으나 미생물 군집은 동적 변화를 나타내었다. F. gondwanens와 T. Thermoanaerobacterium과 계통발생학적으로 가장 연관이 있는 개체군들이 운전 21일과 41일째에 각각 우점으로 나타났다. 6. 본 연구에서 식종 슬러지를 열처리하는데 사용한 조건은 메탄생성균을 완전히 제거하는데 불충분하다는 것은 운전 초기에 $CH_4$이 biogas에서 검출되었고, 식종 슬러지와 반응기로부터 취한 시료에서 메탄생성균이 가지는 mcrA 유전자가 PCR로 증폭되었으므로 알 수 있었다. 7. 메탄생성균의 주요 목에 특이적인 primers를 사용하여 PCR을 실시한 결과 식종슬러지에 있는 메탄생성균들은 주로 Methanosarcinales와 Methanomicrobiales 목에 속하였으며, $CH_4$이 발생했던 때의 반응기에 있는 메탄생성균들은 주로 Methanobacteriales 목에 해당되는 것으로 나타났다.

• 청정기술
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• 제17권4호
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• pp.389-394
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• 2011

바이오가스로부터 이산화탄소와 질소를 제거하기 위한 흡착공정은 많이 논의되고 있다. 특히 흡착공정 중에서 압력변동흡착(Pressure swing adsorption)공정은 에너지소모가 적고 가격이 경제적이기 때문에 기체의 분리와 정제를 위한 공정으로 적절하다. 물리적 흡착을 사용하는 PSA공정은 흡착과 탈착이 가능하다. 각 cycle단계의 구성은 가압, 주입 및 흡착, 압력 균등화, 감압 및 세정으로 이루어져있다. 본 실험에서 PSA공정은 이산화탄소와 질소를 제거하기 위한 흡착제로 zeolite 13X와 carbon molecular sieve (CMS)로 구성되어 있으며, 혼합 가스의 농도는 $CH_4/CO_2/N_2$ (75:21:4 vol%)의 비율을 갖고 있다. 각각 zeolite 13X와 CMS는 선택적으로 혼합가스로부터 질소와 이산화탄소를 흡착하여 분리하고 제거한다. 또한 CMS의 경우는 빠르게 분산되는 이산화탄소의 처리량이 높다. 상부탱크, 하부탱크, 주입탱크의 가스 조성은 TCD 검출기를 이용하는 gas chromatography (GC)에 의해서 측정되었다.

• 유기물자원화
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• 제25권4호
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• pp.31-39
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• 2017

2013년 7월~8월 동안 전국 가축분뇨 공동자원화센터 및 액비유통센터 중 180개소에서 생산된 액비를 수집하였으며, 기계적 부숙도 측정기를 통하여 액비의 부숙도 판정을 수행하였다. 본 연구에서는 수집된 180개의 액비 중에서 부숙으로 판정된 46개의 샘플을 이용하여 비효성분 (질소, 인, 칼륨) 및 이화학적 성상과 중금속 함량에 대하여 조사하였다. 조사대상 액비는 경기도 7점, 충청북도 3점, 충청남도 2점, 전라북도 13점, 전라남도 5점, 경상북도 3점, 경상남도 11점, 대전광역시 1점, 제주도 1점으로 전체 46점의 부숙 액비를 이용하였으며 부숙액비의 이화학적 성상 평균은 pH 8.0, EC 11.6 mS/cm, SS 5,188 mg/L, TKN 847 mg/L, ${{NH_4}^+}-N$ 317 mg/L, ${{NO_3}^-}-N$ 170 mg/L, Org-N 360 mg/L, TP 193 mg/L, TK 2,557 mg/L, NPK 성분 합계량은 3,596 mg/L로 조사되었다. NPK 성분 합계량의 경우 1,000~2,000 mg/L에서 2점 (4%), 2,000~3,000 mg/L에서 17점 (37%), 3,000~4,000 mg/L에서 11점 (24%), 4,000 mg/L 이상의 범위에서 16점 (35%)으로서 부숙 액비의 41%가 비료공정규격 (가축분뇨발효액)의 기준(NPK 성분 합계량 0.3%)에 미달하는 것으로 나타났으며, 성분의 대부분이 칼륨농도에 기인하는 저질소 저인산의 불균일한 비효성분 특성을 확인할 수 있었다. 부숙 액비의 중금속함량 평균은 As 불검출, Cd 0.01 mg/kg, Hg 불검출, Pb 0.02 mg/kg, Cr 0.14 mg/kg, Cu 6.89 mg/kg, Ni 0.44 mg/kg, Zn 20.70 mg/kg로 나타났으며, 모든 항목에서 비료공정규격의 기준을 만족하여 안전한 수준인 것으로 판단되었다.