중온 및 고온 혐기소화를 이용한 음식물류폐기물 처리 시 니켈이 미치는 영향 :Effect of nickel on mesophilic and thermophilic anaerobic digestion of food waste

이기봉

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이기봉 (강원대학교, 강원대학교 일반대학원)

지도교수: 안종화

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

중온 및 고온 혐기소화를 이용한 음식물류폐기물 처리 시 니켈이 미치는 영향

이기봉 환경공학과 2018.01 학위논문

2017

고온에서 음식물류폐기물 혐기성소화 시 니켈이 미치는 영향

이기봉 , 안종화 대한환경공학회 학술발표논문집 2017.11 학술대회자료

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본 연구에서는 음식물류폐기물을 혐기성소화 할 때 Ni에 따른 소화 효율 변화를 평가하고, 소화 온도에 따른 차이를 비교하고자 하였다. 이에 Ni의 주입량을 0, 0.1, 1, 10, 50 mg/L로 조절하여 중온(35℃)에서 34일, 고온(55℃)에서 62일간 소화시켜 생화학적 메탄 잠재량 실험을 통해 소화 효율을 평가하였다. 소화 후 Ni을 주입한 반응기의 평균 pH는 중온소화 시 7.8, 고온소화 시 8.2으로 최적 범위인 pH 6.4-8.2와 유사하게 나타나 혐기소화 중에 pH에 따른 영향은 최소화 되었을 것으로 판단된다. 총 화학적 산소요구량의 경우 중온소화는 Ni을 0.1 mg/L 주입한 반응기에서 98.7%로 가장 높게 나타났으며, Ni을 주입한 반응기에서 모두 90% 이상의 제거효율을 나타냈다. 고온소화는 Ni을 1 mg/L 주입한 반응기에서 86.7%로 가장 높은 제거효율을 나타나 중온소화와 고온소화 모두 Ni을 주입하였을 때 총 화학적 산소요구량의 제거효율이 향상되는 것으로 나타났다. 휘발성 고형물 제거효율의 경우 중온소화에서는 Ni을 50 mg/L 주입한 반응기에서 86%로 가장 높게 나타났으며, 고온소화의 경우 Ni을 1 mg/L 주입한 반응기에서 79%로 가장 높은 제거효율을 나타냈다. 중온소화 시 총 휘발성 지방산의 농도는 중온소화는 Ni을 0.1 mg/L 주입한 반응기에서 104 mg HAc/L로 가장 낮게 나타났으며, 모든 반응기에서 최적 범위인 50-250 mg/L를 만족하는 것으로 나타나 소화에 저해가 없을 것으로 판단하였다. 고온소화의 경우 Ni을 50 mg/L 주입하였을 때 1,382 mg HAc/L로 Ni의 주입량이 증가할수록 누적되는 총 휘발성 지방산의 농도가 감소하였다. 총 바이오가스 발생량은 중온소화의 경우 Ni을 0.1 mg/L 주입한 반응기에서에서 1,858 mL로 Ni을 0.1 mg/L를 주입하였을 때 가장 높게 나타났으며, Ni을 주입하지 않았을 때보다 Ni을 1 mg/L 주입하였을 때 제거된 휘발성 고형물 당 바이오가스 증가율은 13.2%, CH4 발생 증가율은 13.4%로 가장 높게 증가하였다. 고온소화의 경우 Ni을 1 mg/L 주입한 반응기에서 2,198 mL의 바이오가스가 발생하여 가장 높은 발생량을 보였지만, CH4의 발생량은 Ni을 10 mg/L 주입한 반응기에서 1,366 mL로 가장 높았다. Ni을 10 mg/L 주입하였을 때 제거된 VS 당 바이오가스 증가율은 76.4%, CH4의 발생량 증가율은 122.1%로 가장 높았다.
처리효율, 바이오가스 발생량, 소화기간 등을 고려하였을 때 음식물류폐기물의 처리는 고온소화 보다 중온소화가 더 적합하다고 판단된다. 중온 및 고온 혐기성소화에서 Ni의 적절한 주입은 소화효율 향상에 도움을 주는 것으로 나타났으며, Ni의 주입에 따른 영향은 중온소화보다 고온소화에서 더 효과적으로 나타났다. 중온소화의 경우 0.1 mg/L, 고온소화의 경우 1-10 mg/L의 Ni을 주입하였을 때 가장 효과적인 것으로 판단된다.

The purpose of this study was to evaluate the change of digestion efficiency according to Ni during anaerobic digestion of food waste and to compare the difference according to digestion temperature. Therefore, the digestion efficiency was evaluated by the BMP test by adjusting the injection amount of Ni to 0, 0.1, 1, 10, and 50 mg/L for 34 days at mesophilic(35℃) and 62 days at thermophilic(55℃). The average pH of the reactors injected with Ni after digestion was similar to that of pH 6.4-8.2, which is the optimum range of pH 7.8 and 8.2, respectively, at the mesophilic and thermophilic digesters. In the case of TCOD, the mesophilic digestion was the highest at 98.7% in the reactor injected with 0.1 mg/L of Ni, and showed a removal efficiency of more than 90% in the reactor injected with Ni. The highest removal efficiency was 86.7% in the reactor with 1 mg/L of Ni injected at thermophilic digestion, and the removal efficiency of TCOD was improved when Ni was injected in both the mesophilic and thermophilic digestions. VS removal efficiency was the highest at 86% in the reactor injected with 50 mg/L of Ni at mesophilic digestion, and 79% in the reactor with 1 mg/L of Ni at thermophilic digestion. The concentration of TVFA in mesophilic digestion was lowest at 104 mg HAc/L in the reactor injected with 0.1 mg/L of Ni and the optimum range of 50-250 mg/L was satisfied in all the reactors. It was judged that there would be no inhibition. In the case of thermophilic digestion, the lowest concentration of 1,382 mg HAc/L was obtained when Ni was injected at 50 mg/L, and the accumulation of TVFA decreased with increasing Ni dose. Total biogas production was highest at 1,858 mL in 0.1 mg/L injected Ni in the case of mesophilic digestion. The rate of increase of biogas per VS was 13.2% and the rate of CH4 generation increased by 13.4% when 1 mg/L of Ni was injected than when Ni was not injected. In the case of high temperature digestion, the highest amount of biogas was generated at 2,198 mL in the reactor with 1 mg/L of Ni, the amount of CH4 was the highest at 1,366 mL in the reactor with 10 mg/L of Ni. When 10 mg/L of Ni was injected, the rate of increase of biogas per VS was 76.4% and the rate of CH4 generation was 122.1%.
Considering the treatment efficiency, biogas production, and digestion period, it is considered that the treatment of food wastes is more suitable than mesophilic digestion than thermophilic digestion. Proper injection of Ni in mesophilic and thermophilic anaerobic digestion has been shown to improve the digestion efficiency, and the effect of Ni injection was higher thermophilic digestion than mesophilic digestion. 0.1 mg/L for mesophilic digestion and 1-10 mg/L for thermophilic digestion are considered to be the most effective.

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목 차
I. 서론 1
II. 문헌연구 3
2.1. 유기성폐기물 3
2.1.1. 유기성폐기물 특성 3
2.1.2. 유기성폐기물 발생 및 처리현황 4
2.1.3. 음식물류폐기물 4
2.2. 미량중금속 5
2.2.1. 철(Fe) 5
2.2.2. 니켈(Ni) 6
2.2.3. 코발트(Co) 6
2.3. 혐기성 소화 8
2.3.1. 혐기성 소화 메커니즘 8
2.3.2. 혐기성소화 미생물 9
2.3.3. 영향인자 11
2.3.4. 중온 및 고온소화 14
2.3.5. 생화학적 메탄 잠재량 실험 14
III. 실험재료 및 방법 16
3.1. 대상 시료 16
3.2. 실험 방법 17
3.2.1. 생화학적 메탄가능성 실험 17
3.2.2. 연구방법 17
3.2.3. 연속추출법 18
3.2.4. 가스크로마토그래피 19
IV. 결과 및 고찰 20
4.1. 미량중금속 20
4.2. pH 21
4.2.1. 중온소화 21
4.2.2. 고온소화 21
4.2.3. 중온 및 고온소화 비교 21
4.3. 알칼리도 24
4.3.1. 중온소화 24
4.3.2. 고온소화 24
4.3.3. 중온 및 고온소화 비교 24
4.4. 총 화학적 산소요구량 24
4.4.1. 중온소화 24
4.4.2. 고온소화 26
4.4.3. 중온 및 고온소화 비교 26
4.5. 휘발성 고형물 28
4.5.1. 중온소화 28
4.5.2. 고온소화 28
4.5.3. 중온 및 고온소화 비교 29
4.6. 총 휘발성 지방산 30
4.6.1. 중온소화 30
4.6.2. 고온소화 30
4.6.3. 중온 및 고온소화 비교 31
4.7. 가스발생량 33
4.7.1. 중온소화 33
4.7.2. 고온소화 35
4.7.3. 중온 및 고온소화 비교 36
4.8. CH4 수율 38
4.8.1. 중온소화 38
4.8.2. 고온소화 38
4.8.3. 중온 및 고온소화 비교 39
V. 결론 41
VI. 참고문헌 43
Abstract 49
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