미생물전기화학적 혐기성소화에서 벌크 및 전극에서의 메탄생성

( Weiqi Shi ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

미생물 전기화학적 혐기성소화조 bulk와 bio-film에서의 유기물 분해와 메탄생성 mechanism은 비교적 잘 정립이 되어있지만, 각 반응이 유기물분해 및 메탄생성에 기여하는 정량적인 분석에 대해서는 보다 심도 있는 연구가 필요하다. 미생물 전기화학적 혐기성소화조의 연구초기에는 lab-scale 규모의 비교적 작은 반응조에서 bio-film 내 microorganisms의 확보를 통하여 메탄발생 효율을 향상시키기 위한 연구에 초점을 맞추었다. 전극표면에 bio-film 형성을 극대화하기 위해 carbon brush나 activated carbon 등의 전극을 주로 사용하였고, 이는 bio-film에서의 메탄생성에 중요성이 부각되는 원인이 되었다. 하지만, A/V ratio의 최소화는 실용화를 위해 필연적이며, 낮은 A/V ratio에서 bulk sludge와 bio-film이 유기물분해 및 메탄발생에 기여하는 정량적인 기여도를 연구할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 낮은 A/V ratio (7.0 m²/m³)의 BEAD 미생물 전기화학적 혐기성소화조에서 음식물류폐기물로부터 메탄발생량을 분석하고, BEAD 반응조에서 bulk sludge와 bio-film이 메탄발생에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. AD와 BEAD 반응조의 용량과 유효용량은 각각 25, 20 L이며, BEAD 반응조의 A/V ratio는 7.0 m²/m³이다. BEAD에 공급된 전압은 0.3 V이고, 환원전극으로 이어지는 도선 (Titanium wire) 사이에 1Ω의 외부저항과 함께 digital multi meter (DMM)를 설치하여 실제 전압를 측정하였다. Bulk 슬러지는 약 1,000일 동안 운전된 음식물류폐기물 중온혐기성소화조 내 슬러지를 사용하였으며, 기질은 음식물류폐기물 자원화시설로 유입되는 음식물류폐기물을 150㎛ sieve로 전처리한 후 OLR 8.0 kg/m³·d로 하여 1회/일 주입 및 배출시켰다. Bio-film은 음식물류 폐기물을 기질로 하여 약 1,000일 동안 운전된 미생물 전기화학적 혐기성소화조 내의 전극을 잘라식종하였다. BEAD에서 전체 메탄발생량 중 bulk sludge와 bio-film의 기여도는 각각 70.2, 29.8 %로 나타났으며, Bio-film 중 전류에 의한 직접적인 메탄발생은 전체 메탄발생량을 기준으로 약 8.7 %로 나타남으로서 bio-film 내에서 비전류적인 메탄의 생성 (약 21.1 %)이 우세하였다. BEAD 반응조의 bulk sludge, bio-film, and electrode가 메탄생성에 미치는 기여도는 각각 70.2, 29.8, 0 %이었다. Bulk sludge에 비해 bio-film의 높은 microorganism 활성도는 안정화 및 메탄발생속도 증가에 기여하였으며, 이는 bio-film의 생성 및 유지가 중요함을 나타낸다.

NaOH 용액과 폐 알루미늄의 반응에 의한 수소가스 생산

( Weiqi Shi ),( Thapa Ajay ),이범 ( Beom Lee ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

신에너지 중 하나인 수소 에너지는 많은 에너지를 발생시키며, 다양한 방법을 통해 생성할 수 있어 주목을 받고 있다. 수소는 알칼리용액과의 반응으로써 생성할 수 있으며, 본 연구에서는 폐 알루미늄과 NaOH 용액의 반응에 의한 수소가스 생산을 관찰하였다. 알루미늄 생산 공장에서 공급받은 폐 알루미늄은 잘게 자른 형태(T 4.3 μm×L 0.5 mm×W 0.5 mm)로 준비되었고 NaOH용액은 1~5 M로 제작하였다. 용액의 용량에 따른 차이를 확인하고자 용액의 용량을 60 mL, 500 mL로 하였으며 500 mL의 멸균병 내에서 반응이 진행되었다. 5 g의 폐 알루미늄과 500 mL의 1 M, 3 M, 5 M의 NaOH 용액과의 반응 시 각각 5.7 L, 5.9 L, 6.2 L의 수소가 발생되었으며 발생속도는 각각 0.1 L-H₂/min·5gAl, 1 L-H₂/min·5gAl, 5.6 L-H₂/min·5gAl으로 나타났다. 이를 통하여 용액의 농도에 따라 수소가스의 총 발생량의 차이는 크지 않지만, 가스 발생속도에서는 농도의 영향을 받는 것을 알 수 있다. 또한 10g의 폐 알루미늄과 60 mL의 NaOH 5 M과 반응 시 총 발생량은 15.6 L로 나타났다. 따라서 본 연구를 통하여 용액의 용량이 가스 발생량에 미치는 영향은 미미하며, 수소 발생량은 폐 알루미늄의 양과 용액의 농도에 의해 결정됨을 확인하였다.

미생물전기화학적 혐기성소화에서 벌크 및 전극에서의 메탄생성

( Weiqi Shi ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

미생물 전기화학적 혐기성소화조 bulk와 bio-film에서의 유기물 분해와 메탄생성 mechanism은 비교적 잘 정립이 되어있지만, 각 반응이 유기물분해 및 메탄생성에 기여하는 정량적인 분석에 대해서는 보다 심도 있는 연구가 필요하다. 미생물 전기화학적 혐기성소화조의 연구초기에는 lab-scale 규모의 비교적 작은 반응조에서 bio-film 내 microorganisms의 확보를 통하여 메탄발생 효율을 향상시키기 위한 연구에 초점을 맞추었다. 전극표면에 bio-film 형성을 극대화하기 위해 carbon brush나 activated carbon 등의 전극을 주로 사용하였고, 이는 bio-film에서의 메탄생성에 중요성이 부각되는 원인이 되었다. 하지만, A/V ratio의 최소화는 실용화를 위해 필연적이며, 낮은 A/V ratio에서 bulk sludge와 bio-film이 유기물분해 및 메탄발생에 기여하는 정량적인 기여도를 연구할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 낮은 A/V ratio (7.0 m²/m³)의 BEAD 미생물 전기화학적 혐기성소화조에서 음식물류폐기물로부터 메탄발생량을 분석하고, BEAD 반응조에서 bulk sludge와 bio-film이 메탄발생에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. AD와 BEAD 반응조의 용량과 유효용량은 각각 25, 20 L이며, BEAD 반응조의 A/V ratio는 7.0 m²/m³이다. BEAD에 공급된 전압은 0.3 V이고, 환원전극으로 이어지는 도선 (Titanium wire) 사이에 1Ω의 외부저항과 함께 digital multi meter (DMM)를 설치하여 실제 전압를 측정하였다. Bulk 슬러지는 약 1,000일 동안 운전된 음식물류폐기물 중온혐기성소화조 내 슬러지를 사용하였으며, 기질은 음식물류폐기물 자원화시설로 유입되는 음식물류폐기물을 150㎛ sieve로 전처리한 후 OLR 8.0 kg/m³·d로 하여 1회/일 주입 및 배출시켰다. Bio-film은 음식물류 폐기물을 기질로 하여 약 1,000일 동안 운전된 미생물 전기화학적 혐기성소화조 내의 전극을 잘라식종하였다. BEAD에서 전체 메탄발생량 중 bulk sludge와 bio-film의 기여도는 각각 70.2, 29.8 %로 나타났으며, Bio-film 중 전류에 의한 직접적인 메탄발생은 전체 메탄발생량을 기준으로 약 8.7 %로 나타남으로서 bio-film 내에서 비전류적인 메탄의 생성 (약 21.1 %)이 우세하였다. BEAD 반응조의 bulk sludge, bio-film, and electrode가 메탄생성에 미치는 기여도는 각각 70.2, 29.8, 0 %이었다. Bulk sludge에 비해 bio-film의 높은 microorganism 활성도는 안정화 및 메탄발생속도 증가에 기여하였으며, 이는 bio-film의 생성 및 유지가 중요함을 나타낸다.

스테인레스 스틸 전극이 설치된 미생물전기화학 저온 혐기성소화조에서 메탄발생

사위기 ( Shi Weiqi ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

MEC(Microbial electrolysis cells)는 유기물로부터 바이오가스를 효과적으로 생산해 낼 수 있는 방법이다. 최근 MEC에서 에너지의 소모를 저감시켜 경제적으로 운전하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 그 중 저온 생물 전기 화학적 혐기성 소화(PBEAD)는 중온 및 고온소화에 비해 낮은 에너지를 통해 바이오가스 생산을 향상시키기 위한 유망한 기술이다. 또한, 반응조에 전압을 공급해 주기 위한 전극의 경우 graphite carbon, mesh 등과 같은 전극재질이 주로 사용되어 왔지만, 이는 내구성이 약하고 경제성이 낮다. 따라서 본 연구는 9.8 ± 2.9℃에서 스테인레스 스틸(SUS304) 재질의 회전 임펠러 전극을 장착한 PBEAD를 통하여 높은 유기물 부하의 조건 하에서 메탄 생성율과 미생물 군집의 변화를 관찰하였다. PBEAD는 H₂를 메탄으로 변환시키는 H2-dependent methylotrophic and hydrogenotrophic methanogens에 의하여 높은 부하에서도 VFA의 축적 및 pH의 감소 없이 안정적으로 메탄을 생성할 수 있었다. 또한, 6.0kg/m³·d의 OLR에서, pH 감소와 축적된 VFA로 인해 메탄 생산량이 현저히 감소했지만 알칼리도를 증가시킴으로써 회복됨을 확인하였다. 본 연구에서는 SUS304재질의 회전 임펠러 전극이 장착된 PBEAD를 통해 71.7%의 최대 에너지 효율로서 고성능 운전이 가능함을 확인하였다.

PACl 응집 총인슬러지의 반송을 활용한 하수처리장 고형물 제거특성 평가 연구

사위기 ( Shi Weiqi ),황준석 ( Joon-seok Hwang ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2019 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2019 No.-

잉여슬러지의 수리동력학적 케비테이션 가용화를 통한 혐기성 소화 효율 향상

사위기 ( Shi Weiqi ),황준석 ( Joon-seok Hwang ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2019 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2019 No.-

전극간격에 따른 미생물 전기화학적 메탄발생

사위기 ( Shi Weiqi ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

Microbial methanogenesis cell(MMC)은 Anaerobic digestion(AD)에서 유기물의 효과적인 제거와 동시에 메탄 생산속도를 향상시키기 위해 연구되었다. 하지만, MMC의 실제 현장 적용가능성 및 상업화를 위한 Scale-up 을 위한 추가적인 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 MMC의 운전 인자 중 전극 간격에 따른 운전 효율을 분석하여 적정 전극 간격을 확인하고, 이를 통해 보다 효율적인 MMC의 운전을 도모하고자 하였다. 이때, MMC 내의 내부 저항은 전극 사이의 수소 이온의 전달과 밀접한 관련이 있으며, 내부저항을 줄인다면 보다 효과적인 수소이온의 전달로 빠른 methanation이 가능하다. 본 연구에서는 교반강도에 따른 운전 효율 또한 분석하였는데, 이는 교반을 통한 유기물 및 이온간의 물질전달의 영향을 확인하기 위함이다. 결과적으로, MMC가 장착된 단일 혐기성 소화조에서의 전류밀도 및 메탄 생산 속도, 전극 사이의 거리가 1cm에서 5cm로 증가함에 따라 메탄 생산과 전류 밀도는 각각 51%와 92%로 감소했다. 혼합 속도의 증가가 내부 저항을 감소 시켰지만 그 영향은 전극 간격의 영향에 비해 미미하였다. 더 큰 전극 전극간격에서, 교반속도의 증가는 전류 밀도는 약2.5배 증가시킬 뿐만 아니라 메탄 생산량 또한 약 1.4 배 증가시켰다.

스테인레스 스틸 전극이 설치된 미생물전기화학 중온 혐기성소화조에서 메탄발생

사위기 ( Shi Weiqi ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

본 연구에서는 STS304 재질의 rotating impeller가 장착된 중온 생물 전기화학적 혐기성 소화조(BEAD)에서 유기물 제거에 따른 메탄발생량 및 미생물 변화를 관찰하였다. BEAD에서 메탄 생산은 휘발성 지방산(VFAs)의 축적을 방지하여 pH 및 알칼리도의 저하를 막아 미생물의 활성도에 저해를 미치지 않았으며, 이는 유기물의 안정적인 분해를 통해 빠르게 메탄으로 전환될 수 있었음을 나타낸다. 이후 OLR을 증가시켰을 때 6kg-COD/m³·d의 높은 유기물 부하에서 pH가 감소하였다. 반면, BEAD-O(Open circuit) 반응조에서는 4kg-COD/m³·d 이상의 OLR에서 메탄발생이 저감되었다. 그러나 메탄발생이 저감된 BEAD-O의 반응조에 전압을 공급함으로써 생물전기화학적인 영향을 통해 반응조의 성능을 회복할 수 있었다. Hydrogenotrophic methanogens의 미생물 군집밀도는 높은 OLRs에서도 VFAs 제거 및 수소의 메탄으로의 전환을 통해 BEAD-C(Closed circuit) 반응조에서 73.3%로 증가했다. BEAD-C 반응조의 에너지 효율은 85.6%의 에너지 효율을 가지며 이는 STS304 재질의 회전하는 임펠러 전극이 장착된 BEAD 소화조의 경제성이 타당함을 나타낸다.

탈질반응을 통한 혐기성소화조 내 축적된 유기산 제어

사위기 ( Shi Weiqi ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

혐기성 소화는 호기성 공정에 비해 낮은 슬러지 생산 및 낮은 에너지를 통해 고농도의 유기물을 함유한 폐수를 처리하는 유용한 방법 중 하나이다. 그러나 유유기물의 분해과정에서 중간산물로 발생하는 휘발성 지방산(VFA)은 혐기성 소화조에 축적되면 pH 및 알칼리도를 감소시켜 소화조내 미생물의 활동에 저해를 일으키고, 이는 소화조의 불안정한 성능과 저품질의 바이오 가스 생산을 유발한다. 따라서 본 연구에서는 혐기성 소화조에 NO₃-N을 주입함으로써 VFAs의 축적을 제어 및 감소시킴으로써 혐기성 소화 효율을 향상시키고자 하였다. 축적된 VFAs는 주입된 NO₃-N와 함께 탈질 과정에서 활용되었으며, 그 후 메탄 생산이 이루어졌다. 또한, 축적된 VFA는 탈질 박테리아에 의해 탄소 기질로 사용될 수 있다. 이러한 결과를 통해 NO₃-N의 주입이 VFA를 제어할 수 있는 해결방안으로 사용될 수 있다고 판단된다. 또한 이러한 방법은 축적된 VFAs에 의해 유발되는 메탄 생성 미생물 활동의 억제를 효과적으로 방지하고 혐기성 소화조에서 탈질 및 메탄 생산을 향상시킴을 확인하였다.

Effect of reverse bending deformation of large-span cable-stayed bridge on ballastless tracks’ behaviors

Weiqi Zheng,Xingwang Sheng,Zhihui Zhu,Tao Shi 국제구조공학회 2021 Structural Engineering and Mechanics, An Int'l Jou Vol.80 No.2

Laying ballastless tracks on large-span cable-stayed bridge is a new challenge, and it is particularly important due to the obvious advantages of ballastless track and the high requirements of high-speed railways. Under the complex load conditions in service, cable-stayed bridges have a variety of beam local deformations, and they inevitably affect the performances of the ballastless tracks laid on the bridge. In this work, a series of experimental studies and FEM simulations are carried out based on a large-span cable-stayed bridge and its segmental model. The main conclusions include: Under the most unfavorable reverse bending deformation of the large-span cable-stayed bridge, tensile and compressive deformations occurred at interlayers of the ballastless tracks with different isolation layers. The interlayer deformation variations of the ballastless tracks with EPDM or geotextile isolation layers are the same, and the deformation values of the ballastless tracks with EPDM isolation layers are larger than that of the ballastless tracks with geotextile isolation layers. However, due to the pre-compression of the EPDM isolation layer subjected to its upper structures’ deadweight, it can reduce the influences of the reverse bending deformation on the ballastless tracks, and the gaps and voids at ballastless track interlayers can be avoided. Furthermore, the 5.92 m length ballastless tracks with EPDM isolation layer is recommended to apply on the large-span cable-stayed bridge in high-speed railway to ensure the reliability and durability of the ballastless tracks.