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목적: 하수잉여찌꺼기의 혐기성 소화 시 바이오가스 생산 효율 증가를 위해 다양한 물리화학적 방법을 적용한 전처리를 적용하고 있다. 본 연구에서는 하수잉여찌꺼기의 Acid+Heat 및 Alkali+Heat 전처리에 따른 가용화율 증가와 생산된 메탄량의 변화 비교를 통해 전처리 방법 차이에 따른 관계 규명을 목적으로 했다.
방법: 하수잉여찌꺼기에 Acid+Heat과 Alkali+Heat 전처리를 각각 적용했다. Acid+Heat 전처리의 경우 3N HCl를 주입하여 pH 2로 고정했으며 Alkali+Heat 전처리는 3N KOH를 이용하여 pH를 10으로 조절 후 130도에서 30분간 열처리를 적용했다. 전처리 전후 SCOD 분석을 통해 가용화율을 측정했으며 BMP test(Biochemical Methane Potential test)를 통해 메탄발생량을 측정했다. 전처리 시 용존성 물질의 성상 변화를 확인하기 위해 High-performance size-exclusion chromatography(HPLC-SEC, LC-20A series, Shimadzu, Japan)및 Fluorescence excitation-emission matrix(FEEM, RF6000를 통해 분자량분석과 FEEM 분석을 수행했다.
결과 및 토의 : 전처리 적용에 따른 가용화율 분석 결과 Alkali+Heat과 Acid+Heat 전처리 샘플에서 각각 36.3%, 34.1%로 비슷한 결과를 보였다. 그러나 Biochemical methane potential(BMP) test 수행을 통한 메탄 생산 비교 결과 Alkali+Heat 전처리한 샘플과 비교하여 Acid+Heat 전처리 샘플에서 약 26% 높은 수준으로 나타났다. 전처리 방법에 따른 가용화율과 메탄생산량의 차이의 원인 규명을 위해 가용화된 물질을 대상으로 FEEM 분석 및 분자량 분석을 수행했다. 그 결과 Acid+Heat 전처리의 적용을 한 기질 내 고분자 고형물질을 혐기성 미생물이 가용할 수 있는 수준의 저분자 형태의 용존 유기물로의 효과적인 분해를 이룬 것으로 나타났다. 반면 Alkali+Heat 전처리를 적용한 기질의 용존 유기물에서 상대적으로 높은 수준의 고분자 형태 및 방향족 계열의 물질이 포함되어 있었음을 확인했다. 이는 전처리를 통해 기질의 가용화는 증가되었으나 미생물이 흡수할 수 있는 형태의 저분자 물질로의 분해가 이루어지지 않아 상대적으로 낮은 수준의 메탄 생산의 결과로 이어진 것으로 나타났다.
결론: 실험은 Acid+Heat과 Alkali+Heat 전처리 적용에 따른 가수분해율과 메탄발생량을 비교함으로써 그 관계규명을 목적으로 진행되었다. 실험결과 전처리를 통해 가수분해율이 증가된다 하더라도 포함된 용존성 물질의 성상에 따라 메탄발생량이 달라질 수 있음을 확인했다. 즉, 전처리에 따른 가용화율의 변화는 메탄생산성과 연계할 수 있는 전처리 효과로 판단하는 절대 지표가 아닐 수 있다는 것을 시사한다.
방법: 하수잉여찌꺼기에 Acid+Heat과 Alkali+Heat 전처리를 각각 적용했다. Acid+Heat 전처리의 경우 3N HCl를 주입하여 pH 2로 고정했으며 Alkali+Heat 전처리는 3N KOH를 이용하여 pH를 10으로 조절 후 130도에서 30분간 열처리를 적용했다. 전처리 전후 SCOD 분석을 통해 가용화율을 측정했으며 BMP test(Biochemical Methane Potential test)를 통해 메탄발생량을 측정했다. 전처리 시 용존성 물질의 성상 변화를 확인하기 위해 High-performance size-exclusion chromatography(HPLC-SEC, LC-20A series, Shimadzu, Japan)및 Fluorescence excitation-emission matrix(FEEM, RF6000를 통해 분자량분석과 FEEM 분석을 수행했다.
결과 및 토의 : 전처리 적용에 따른 가용화율 분석 결과 Alkali+Heat과 Acid+Heat 전처리 샘플에서 각각 36.3%, 34.1%로 비슷한 결과를 보였다. 그러나 Biochemical methane potential(BMP) test 수행을 통한 메탄 생산 비교 결과 Alkali+Heat 전처리한 샘플과 비교하여 Acid+Heat 전처리 샘플에서 약 26% 높은 수준으로 나타났다. 전처리 방법에 따른 가용화율과 메탄생산량의 차이의 원인 규명을 위해 가용화된 물질을 대상으로 FEEM 분석 및 분자량 분석을 수행했다. 그 결과 Acid+Heat 전처리의 적용을 한 기질 내 고분자 고형물질을 혐기성 미생물이 가용할 수 있는 수준의 저분자 형태의 용존 유기물로의 효과적인 분해를 이룬 것으로 나타났다. 반면 Alkali+Heat 전처리를 적용한 기질의 용존 유기물에서 상대적으로 높은 수준의 고분자 형태 및 방향족 계열의 물질이 포함되어 있었음을 확인했다. 이는 전처리를 통해 기질의 가용화는 증가되었으나 미생물이 흡수할 수 있는 형태의 저분자 물질로의 분해가 이루어지지 않아 상대적으로 낮은 수준의 메탄 생산의 결과로 이어진 것으로 나타났다.
결론: 실험은 Acid+Heat과 Alkali+Heat 전처리 적용에 따른 가수분해율과 메탄발생량을 비교함으로써 그 관계규명을 목적으로 진행되었다. 실험결과 전처리를 통해 가수분해율이 증가된다 하더라도 포함된 용존성 물질의 성상에 따라 메탄발생량이 달라질 수 있음을 확인했다. 즉, 전처리에 따른 가용화율의 변화는 메탄생산성과 연계할 수 있는 전처리 효과로 판단하는 절대 지표가 아닐 수 있다는 것을 시사한다.
목차
1. 서론
2. 실험 방법
3. 결과 및 고찰
4. 결론
References
참고문헌 (24)
참고문헌 신청
Ministry of environment, Sewerage statistics(2019).
Ministry of environment, Basic plan for energy independence(2010).
W. Gujer, A. J. Zehnder, Conversion processes in anaerobic digestion, Water Sci. Technol., 15(8-9), 127-167(1983).
F. Markis, J. C. Baudez, R. Parthasarathy, P. Slatter, N. Eshtiaghi, Rheological characterisation of primary and secondary sludge: Impact of solids concentration, Chem. Eng. J., 253, 526-537(2014).
T. Noike, G. Endo, J. E. Chang, J. I. Yaguchi, J. I. Matsumoto, Characteristics of carbohydrate degradation and the ratelimiting step in anaerobic digestion, Biotechnol. bioeng., 27(10), 1482-1489(1985).
Ministry of environment, Basic plan for energy independence(2010).
W. Gujer, A. J. Zehnder, Conversion processes in anaerobic digestion, Water Sci. Technol., 15(8-9), 127-167(1983).
F. Markis, J. C. Baudez, R. Parthasarathy, P. Slatter, N. Eshtiaghi, Rheological characterisation of primary and secondary sludge: Impact of solids concentration, Chem. Eng. J., 253, 526-537(2014).
T. Noike, G. Endo, J. E. Chang, J. I. Yaguchi, J. I. Matsumoto, Characteristics of carbohydrate degradation and the ratelimiting step in anaerobic digestion, Biotechnol. bioeng., 27(10), 1482-1489(1985).
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