상하 교반식 일체형 혐기성 소화 반응기를 이용한 수리학적 체류시간별 음식물류폐기물 처리 효율 및 성능평가 :Performance of anaerobic digestion with up and down stirring type according to hydraulic retention time (HRT) using food waste residues from the acidifier

최재혁

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최재혁 (한밭대학교, 한밭대학교 일반대학원)

지도교수: 오세은

발행연도: 2019

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이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2019

상하 교반식 일체형 혐기성 소화 반응기를 이용한 수리학적 체류시간별 음식물류폐기물 처리 효율 및 성능평가

최재혁 환경공학과 2019.01 학위논문

2018

대전광역시 음식물 · 음폐수의 고율 혐기성 소화조 및 유기산 분석을 통한 성능평가

최재혁 , 조경민 , Gayflo 외 6명 대한환경공학회 학술발표논문집 2018.11 학술대회자료

상하 교반식 일체형 혐기성 소화 반응기를 이용한 수리학적 체류시간별음식물류폐기물 처리 효율 및 성능 평가

최재혁 , 조경민 , 오세은 한국도시환경학회지 2018.01 학술저널

2017

상하 교반식 일체형 혐기성 소화 반응기를 이용한 유기산 잔사처리 및 성능평가

최재혁 , 조경민 , 오세은 대한환경공학회 학술발표논문집 2017.11 학술대회자료

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음식물류폐기물은 1997년도 직매립 금지조항이 폐기물관리법에 명시되면서 각 지자체별 분리수거를 통해 자원화체계를 구축하여왔으며, 음폐수 또한 2012년 해양배출 금지에 따른 효율적 육상처리 전환대책마련이 시급하다. 또한 현재 국내 화석 연료 의존률은 80%를 상회하고 있으며, 해외 에너지 의존도는 97%로 경제협력개발기구(OECD) 회원국 중 최상위권에 있다. 이러한 실정에서 재생 에너지 생산에 가장 적합한 방안 중 하나는 유기성 폐자원을 이용한 혐기성소화 공정을 통한 메탄 회수를 말 할 수 있다. 유기성 폐자원으로는 음식물 폐기물, 슬러지, 축산 분뇨 등이 있으며, 이들 유기성 폐자원 량 중 음식물류폐기물의 경우 1,291 ton/day가 발생한다. 이에 본 연구는 음식물류폐기물을 선택하게 되었다.
본 연구에서는 음식물류폐기물의 고액분리하여 액상을 제거한 고상의 음식물류폐기물의 수리학적체류시간의 변화가 Lab 규모 2단 혐기성 소화조에서 바이오가스 발생량과 메탄함량에 미치는 영향에 관하여 고찰하였다.
1. 2단 혐기성 소화조에서의 안전한 운영을 하기 위하여 Lab 규모의 반응조를 제작하였다. 1st stage의 경우 5L, 2nd stage는 20L로 제작하였으며, 1st stage에서 넘치면 하부 2nd stage로 월류 할 수 있는 관을 설치하였다. 반응조 내부 온도의 경우 35℃로 유지하였으며, pH의 경우 7~7.5 사이를 유지, 반응기 속도는 100~150rpm으로 운전하였다.

2. 고액분리 된 고상 폐기물을 1st stage에 HRT(Hydraulic Retention Time) 150d, 100d, 60d, 40d, 30d 순차적으로 증가 시키면서 바이오가스 발생량을 관찰하였다.

3. 음식물류폐기물의 투입량이 증가함에 따라 바이오가스 발생량이 높아지는 경향을 보였으며, HRT 40d에서 가장 높은 메탄 생성 0.25±0.01(m3/kg VSadded)을 보였으나, 40d 이후로는 오히려 매탄 생성에 저하가 되는 것을 확인하였다.

4. 2단 혐기성 반응조에서의 최적량의 경우 HRT 40d에서 가장 높은 효율 운전이 가능하다. 또한 매스가 고상을 사용한 것과 2단 반응조의 운전 결과 메탄 함량은 60% 이하로 바이오가스 정제 기술의 추가 적용으로 인한 메탄 함량을 증가시켜 90~95%의 바이오가스를 구할 수 있었다.

5. 2단 혐기성소화의 연속 운전 시 반응조 내부의 TS, VS의 경우 점차 증가하는 것을 나타냈으며, 최대 TS 15%, VS 12.4%를 나타내고 있었다. pH의 경우는 7~8 사이를 유지하고 있었으며, Alkalinity의 경우 HRT 변화에 따라 점차적으로 증가하는 것을 나타냈다.

6. 반응조의 나트륨과 암모니아의 축적에 따른 저해의 경우, HRT 30d에서 최대 8,095㎎ Na+/ℓ, 5,820㎎ NH4-N/ℓ를 보였으나, 메탄발생에 영향을 끼치지 않는 것으로 판단된다.

Food waste was included in the Waste Management Act of 1997 by the Korean Government for the direct prohibition of landfill, and has established a resource system through separate collection by each local government. In addition, it is imperative to establish measures to effectively convert treated waste to land applicable materials due to the ban on marine dumping in 2012. Additionally, Korea’s dependency ratio on domestic fossil fuel is more than 80%, and the dependency on foreign energy is 97%, which is the highest rank among the member countries of the Organization for Economic Cooperation and Development (OECD). In this context, one of the most suitable methods for the production of renewable energy is methane recovery through anaerobic digestion process using organic waste resources. Organic waste resources include food waste, sludge, and livestock manure. Of these organic waste resources, 1,291 ton / day is generated from food waste. Therefore, this study selected food waste.
In this study, the effect of hydraulic retention time on the biogas production and methane content in Lab - scale two - stage anaerobic digestion tank was investigated.
Lab - sized reactors were constructed for safe operation in the two - stage anaerobic digester. 5L for the 1st stage, 20L for the 2nd stage, and a tube that can be overflowed from the 1st stage to the lower 2nd stage was installed. The internal temperature of the reactor was maintained at 35℃, the pH was maintained between 7 and 7.5, and the reactor agitator speed was operated at 100 ~ 150 rpm. The biogas production was observed while changing the HRT (hydraulic retention time) to 150d, 100d, 60d, 40d and 30d in the 1st stage.
Biogas production tended to increase as the food waste input increased, and the highest methane production was observed in HRT 40d at 0.25 ± 0.01 (m3 / kg VSadded). In the case of the optimum operational parameter in the two-stage anaerobic reactor, the highest efficiency operation was possible at HRT 40d. In addition, the methane content of the mass using the solid phase and the operation of the two - stage reaction tank were less than 60%, and the methane content due to the additional application of the biogas purification technology was increased, so that 90 ~ 95% of the biogas was converted to methane. In case of continuous operation of anaerobic digestion, TS and VS inside the reactor gradually increase. TS 15% and VS 12.4%, respectively. pH was maintained between 7 ~ 8, and Alkalinity was gradually increased due to the nature of the substrate. In the case of inhibition due to the accumulation of sodium and ammonia in the reaction tank, maximum 8,095 mg Na + / ℓ and 5,820 mg NH4-N / ℓ were observed in HRT 30d, but it does not affect methane production.

목 차
표 목 차 ⅲ
그 림 목 차 ⅳ
국 문 요 약 ⅴ
Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 필요성 1
Ⅱ. 이론적 배경 4
1. 혐기성 소화 4
1.1. 혐기성 소화 원리 5
1.2. 혐기성 미생물의 분류 11
1.3. 혐기성 소화 영향인자 14
1.4. 혐기성 소화 공정 분류 26
1.5. 1상과 2상 혐기성 발효공정 30
2. 음식물류폐기물의 처리방법 32
Ⅲ. 실험 재료 및 방법 34
1. 실험 재료 34
1.1. 음식물류폐기물 34
1.2. 식종균 35
1.3. BMP(Biochemical methane potential) 35
1.4. 실험 장비 36
2. 실험 방법 38
2.1. 혐기성 소화조 운전 방법 38
2.2. 분석 방법 38
Ⅳ. 실험 결과 41
1. 성상분석 결과 41
1.1. 음식물류폐기물 41
1.2. 식종균 42
1.3. BMP(Biochemical methane potential) 43
2. 연속 운전 결과 46
2.1. HRT에 따른 메탄 발생량 46
2.2. 메탄 발생량 분석 49
2.3. 반응조의 안정성 평가 50
2.4. 독성물질의 저해 평가 53
Ⅴ. 결론 55
References 57
ABSTRACT 61

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