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- 저자 : Seongwon Im(임성원) (검색결과 14 건)
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소금 첨가를 통한 돈분 유래 온실가스 저감과 후속 바이오가스 생산 증대
임성원(Seongwon Im),김동훈(Dong-Hoon Kim) 유기성자원학회 2019 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2019 No.춘계
농장에서 배출된 돈분은 최종처리시설로 이송되기 전까지 주로 피트에서 1-3달저장되는데 이 기간 동안 다량의 온실가스가 배출되고 있고 주요 가스 형태는 메탄(CH4)으로 알려져 있다. 온실가스 배출량을 줄이기 위해 황산을 첨가하거나 저장온도를 낮추려는 시도를 하고 있지만, 2차 오염문제가 있거나 전력요구량이 높다는단점이 있다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위해 가격이 저렴한 소금을 돈분에 첨가하여 미생물 활성저해를 통해 온실가스 배출량을 줄이고자 하였으며 저장한 돈분의 바이오가스 잠재량 측정도 함께 진행하였다. 첨가 소금 농도는 1-13 g Na+/L(2 g Na+/L 간격)으로 했고 대조군 및 소금을 첨가한 돈분을 30oC에서 40일 간 혼합과정 없이 저장했다. 발생한 바이오가스는 주 2 회 분석했고 실제 저장조건을 모사하기 위해 가스분석 후 반응기 내부를 공기로 치환했다. 대조군에서는 13.7 kg CO2 eq./ton PS의 메탄이 배출된 반면, Na+ 농도가증가할수록 메탄 배출량은 12.9-4.5 kg CO2 eq./ton PS까지 감소했으며 9 g Na+/L 조건에서 약 50%의 저감율을 보였다. 저장 후 대조군의 COD 농도는 66 g COD/L 으로 대조군(110 g COD/L) 대비 40% 감소했지만 소금을 첨가한 돈분의 COD 농도는 69-87 g COD/L으로 더 많은 양의 유기물이 보존되고 있음을 알 수 있었다. 저장한 돈분(1-9 g Na+/L)을 이용해 연속식 혐기성소화에 적용한 결과, 대조군에서는 4.5 L CH4/L PS의 메탄 잠재량을 보였으며 3-7 g Na+/L 첨가한 돈분에서는 이보다 8-13% 상승한 4.9-5.1 L CH4/L PS를 얻었다. 소금 첨가를 통해 얻은 온실가스 저감량과 바이오가스 추가 생산량을 이용하면 7 g Na+/L 조건에서 대조군 대비약 70% 온실가스(5.5 kg CO2 eq./ton PS)를 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
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임성원(Seongwon Im),김상미(Sangmi Kim),김지민(Jimin Kim),김동훈(Dong-Hoon Kim) 유기성자원학회 2021 유기물자원화 Vol.29 No.1
Nitrogen and phosphorus in livestock manure are environmental pollutants, but also could be valuable industrial resources. In the present study, we (1) introduced various nitrogen removal technologies such as stripping, thermal method, membrane, and electrodialysis, (2) reviewed relevant studies reported in 2011-2020, in particular, full-scale experiences, and (3) assessed each technologies based on the above survey results. In addition, we provided the information on the appropriate range of the pH, temperature, gas and liquid ratio, and so on in ammonia stripping process, and expected mass balance when it is connected to biogasification process. We hope the content herein can be helpful for making policy and operating full-scale plant in Korea. 가축분뇨에 함유된 질소와 인은 환경오염 유발 물질이지만 다양한 산업에서 사용되는 필수 자원이기도하다. 본 연구에서는 가축분뇨에서 질소 회수에 활용되고 있는 스트리핑, 건조 및 탄화, 이온 교환, 전기투석에대해 소개하였고, 2011년부터 2020년도까지 국내⋅외에서 수행한 실규모 연구 현황과 해외 실증플랜트 운영 사례를분석하였으며 상기 조사결과를 바탕으로 공정별 평가를 실시하였다. 또한, 대표적인 기술인 스트리핑의 주요 운전인자인 pH, 온도, 기액비 등의 적정 범위를 제시하였고, 바이오가스화 공정 연계 시 예상되는 물질수지를 제공하였다. 본 연구에서 제시한 정보는 향후 관련 국내 정책 수립 및 실규모 플랜트 운전 시 유용한 자료로 활용이 가능할것으로 판단된다
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하수슬러지를 기질로 하는 미생물전기분해전지에서 전극간 거리가 메탄 생산에 미치는 영향
임성원(Seongwon Im),안용태(Yongtae Ahn),정재우(Jae Woo Chung) 大韓環境工學會 2015 대한환경공학회지 Vol.37 No.12
하수슬러지를 처리하는 미생물전기분해전지(Microbial electrolysis cell, MEC)의 성능에 미치는 전극간 거리의 영향에관한 실험실 규모 실험을 수행하였다. 각각 다른 전극간 거리(16, 32 mm)를 가진 두 쌍의 전극이 설치된 MEC 반응기가 안정적으로 이루어질 때 전류발생량, 메탄발생량, 메탄수율 등 MEC 성능에 미치는 전극간 거리의 영향을 분석하였다. 전극간거리가 16 mm일 때, 전류밀도와 메탄발생량은 각각 3.74 A/m3과 0.616~0.804 Nm3/m3으로 전극간 거리가 32 mm인 조건에서의 1.50~1.82 A/m3과 0.529~0.664 Nm3/m3보다 높게 나타났다. COD 및 VSS의 제거효율은 각각 34~40%와 32~38%의 범위를 가지는 것으로 나타났다. 전류밀도가 증가함에 따라 MEC의 생물전기화학적 성능이 향상되어 VSS 감소와 메탄생성이 증가하는 것으로 나타났으며 전류밀도는 VSS 제거효율보다 메탄수율에 상대적으로 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. Effect of electrode spacing on the performance of microbial electrolysis cells(MECs) for treating sewage sludge was investigated through lab scale experiment. The reactors were equipped with two pairs of electrodes that have a different electrode spacing (16, 32 mm). Shorter electrode distance improved the overall performance of MEC system. With the 16 mm of electrode distance, the current density was 3.04~3.74 A/m3 and methane production was 0.616~0.804 Nm3/m3, which were higher than those obtained with 32 mm of electrode spacing (1.50~1.82 A/m3, 0.529~0.664 Nm3/m3). The COD removal was in the range of 34~40%, and the VSS reduction ranged 32~38%. As the current production increased, VSS reduction and methane production were increased possibly due to the improved bioelectrochemical performance of the system. Methane production was more affected by current density than VSS reduction. These results imply that the reducing the electrode spacing can enhance the methane production and recovery from sewage sludge with the decreased internal resistance, however, it was not able to improve VSS reduction of sewage sludge.
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가축분뇨 저장조 유래 온실가스/악취 저감 및 후단 바이오가스 생산 증대 연구
임성원 ( Seongwon Im ),홍두기 ( Do-giy Hong ),김동훈 ( Dong-hoon Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-
가축분뇨의 긴 저장기간(1-6 개월)으로 인해 가축분뇨 내 유용한 유기물이 미생물에 의해 분해되면서 다량의 온실가스와 악취를 배출하게 된다. 가축분뇨 유래 온실가스 배출량은 축산업에서 배출하는 총 온실가스의 30-50%나 차지하고 있으므로 배출량을 줄일 수 있는 기술 개발이 필요하지만 우리나라에서는 연구사례가 전무하며 악취의 경우는 실태조사를 통한 악취배출특성 위주의 연구가 주를 이르고 있어 가축분뇨로부터 배출되는 악취를 원초적으로 줄이기 위한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 돈분(pig slurry, PS)의 산성화, 저장온도 제어, 소금 첨가를 통해 저장 중 발생하는 온실가스(CH<sub>4</sub>)와 악취 배출량 줄이고자 하였으며 이런 방법이 후단 바이오가스화에 미치는 영향도 조사하였다. 산성화 실험은 농장에서 채취한 돈분(pH 7.8±0.1)의 pH를 5.0-7.0으로 조절한 후 35℃에서 40일 저장하였으며 그 결과, 돈분의 pH를 7.0으로만 낮추더라도 메탄 배출량이 약 50% 감소하였다. 돈분의 저장온도를 20-30℃로 제어할 경우, 대조군(저장온도 35℃) 대비 메탄 배출량이 74-27% 감소하였으며 25℃ 이하의 조건에서는 50% 이상의 저감률을 보였다. 소금 첨가 실험(1-13 g Na<sup>+</sup>/L)에서는 돈분의 염도가 증가할수록 메탄 배출량의 감소폭은 증가하였으며 9 g Na<sup>+</sup>/L 조건에서 약 50% 저감률을 보였다. 위와 같은 저장조건 제어는 악취 배출량 저감에도 긍정적인 효과가 있는 것으로 나타났다. 예를 들어, 돈분의 pH를 7.0으로 낮춰서 저장하면 악취 배출량(NH<sub>3</sub>, H<sub>2</sub>S)이 대조군(pH 7.8) 대비 40% 감소하였고 앞선 조건보다 낮은 pH 6.5에서 저장하면 90% 이상의 악취 저감률을 달성하였다. 또한, 본 기술을 적용하여 돈분을 저장할 경우, 기존 저장 방식보다 돈분 내더 많은 양의 유기물을 보존할 수 있었으며 혐기성소화를 통한 바이오가스 생산량은 15-40% 증가하였다. 결과적으로 저장 중 온실가스 배출 저감과 추가적인 바이오가스 생산을 이용하여 본 기술의 총 온실가스 저감량을 계산해보면 대조군 대비 5-20 kg CO<sub>2</sub> eq./ton PS을 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
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우분의 저장온도, 저장기간, 톱밥의 혼합에 따른 메탄잠재량 변화
임성원(Seongwon Im),김상미(Sangmi Kim),김규형(Hyu hyoung Kim),김동훈(Dong-Hoon Kim) 유기성자원학회 2021 유기물자원화 Vol.29 No.1
국내 유기성고형폐기물 중 우분이 가장 많은 에너지잠재량을 지니고 있으나, 바이오가스화에 대한 연구는 제한적으로 진행되었다. 특히, 우분이 저장 중에 일어나는 유기물의 분해 및 톱밥의 첨가량이 메탄잠재량에 영향을 미치는영향에 대한 연구는 전무하다. 본 연구에서는 신선한 두 종류의 우분(한우분뇨, 젖소분뇨)을 저장 시 온도와 기간에따른 우분내 유기물 함량의 변화, 그리고 그 과정 중에 발생하는 온실가스와 악취를 조사하였고, 저장 후 우분의 메탄잠재량과 톱밥 함유량에 따른 메탄잠재량도 알아보았다. 우분의 저장 온도에 따른 성상(VS, COD) 변화를 90일간 관찰한 결과, 20℃ 조건에서는 초기 우분 대비 약 10% 감소한 반면에 30℃ 조건에서는 약 30% 감소하였다. 유기물의 분해에 따라메탄전환율 측면에서 한우분뇨의 경우 30℃, 90일 조건에서 메탄전환율이 약 10-13% 감소하였고 젖소분뇨의 경우 동일조건에서 약 24% 정도 메탄전환율이 감소한 것으로 나타났다. 한편, 저장 기간 중 30℃에서의 온실가스 배출량이 20℃조건에 비해 약 3.3-3.8 배나 높게 나타났고, 악취 발생량은 29배 더 많았다. 전체 톱밥한우분의 전체 중량대비 톱밥 함유량이25%만 되더라도 메탄전환율은 61% 감소하였으며 톱밥 함유량이 45%와 55%로 증가하면 저감 비율은 각각 69%, 75%으로나타났다. 이는 톱밥의 첨가가 우분에서 전환될 수 있는 메탄잠재량값도 낮추는 즉 저해 작용 때문으로 판단된다. In spite of the highest energy potential among all domestic organic solid wastes. the research on biogas production from cattle manure is limited. In particular, effects of organic content degradation and sawdust addition during storage on biomethane potential have never been investigated. In the present work, we investigated the change of organic content during storage of cattle manure under different temperatures (20℃ and 30℃), and its impact on biomethane potential and odor emissions. 90 days of investigation results showed that 10% of organics in terms of VS and COD were degraded at 20℃ during storage, while 30% were degraded at 30℃. This result impacted on biomethane potential, while 10-13% and 24% reduction were observed from beef and dairy cattle manure, respectively. The temperature also affected on CH4 and odor emissions during storage by 3.3-3.8 times and 29 times. The effect of sawdust on lowering down biomethane potential was found to be substantial, reducing 61-75% compared to the control.
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김지민(Jimin Kim),임성원(Seongwon Im),알사예드(Alsayed Mostafa),프라카시옴(Om Prakash),김동훈(Dong-Hoon Kim) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회지 Vol.43 No.9
목적: 우리나라는 지구온난화의 가속을 줄이기 위해 온실가스 배출량을 저감시키는 방법 중 하나로 화석연료 사용량의 일부를 수소 에너지로 대체하기 위해 지속적으로 노력하고 있다. 수소는 천연가스, 석탄 등의 다른 에너지원에 비해 높은 발열량(122 MJ/kg)을 가지고 있으며 연소 시 온실가스를 배출하지 않는 청정에너지원으로 주목받고 있지만, 현재 국내의 그린수소 생산방법인 재생에너지원을 이용한 수전해 방식은 기후조건에 영향을 받기 때문에 공급량이 불안정하다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 수소 생산량을 보완하기 위한 방법으로 폐자원·바이오매스 중 기존 바이오가스화 시설과 연계할 수 있는 유기성폐기물(음식물류폐기물, 가축분뇨, 하수슬러지)로부터 회수 가능한 수소 잠재량을 산정하였고, 이에 따른 온실가스 저감효과를 파악하고자 하였다. 방법: 유기성폐기물로부터 생산할 수 있는 수소 잠재량을 산정하기 위해 유기성폐기물의 국내 연간 발생량과 일반적인 유기물 성상을 이용하여 암발효와 바이오가스 개질 공정을 통해 생산될 수 있는 연간 수소 잠재량을 산정하였으며, 생산된 수소를 화석연료 대체 에너지원으로 사용하였을 때 저감시킬 수 있는 온실가스양을 산출하였다. 결과 및 토의 : 유기성폐기물의 연간 발생량과 기초 성상을 이용하여 암발효와 바이오가스 개질공정을 통해 생산될 수 있는 수소양은 각각 연간 4만톤, 67만톤이며, 유기성폐기물 종류별 수소 생산량은 가축분뇨 86%, 음식물류폐기물 10%, 하수슬러지 4%순으로 산정되었다. 총 수소 생산량은 연간 72만톤으로 2040년도 국내 수소생산 목표량의 약 14%를 차지할 수 있다. 생산된 바이오수소의 온실가스 저감으로서의 가치는 총 500만톤 CO₂-eq이다. 수소 제조 공정 시 소모되는 전력에 따른 온실가스 배출량을 고려하면, 암발효의 경우 수소생산전력의 7%, 바이오가스 개질은 60%가 전력으로 소비되어 저감 가능한 온실가스 양은 연간 211만톤 CO₂-eq으로 파악되었다. 결론: 본 연구는 국내 대표적 유기성폐기물로부터 생산 가능한 바이오수소 잠재량을 분석한 최초의 결과로서, 향후 폐자원/바이오매스 활용 그린수소 정책 계획에 적극적으로 활용이 가능할 것으로 판단된다. Objectives : To mitigate greenhouse gas (GHG) emissions, our country is trying to replace fossil fuel to hydrogen (H₂). H₂ has higher energy yield (122 MJ/kg) than other energy sources (natural gas, coal, etc.), and is considered a clean fuel that produces only water upon combustion. The water electrolysis using renewable energy is one of the green-H₂ producing methods, but its unstable characteristics depending on weather condition impede its practical application. Therefore, to establish green-H₂ society, the use of waste and biomass is essential to fulfil the demand. Methods : In this study, we estimated the biohydrogen potential of organic solid wastes: food waste, livestock manure, and sewage sludge, which are the main feedstock of domestic biogas plant. For the H₂ generation process, dark fermentation (DF) and steam biogas reforming (SBR) were considered. Results and Discussion : The potential amount of H₂ through DF and SBR was 44,000 ton/y and 675,000 ton/y, respectively. The GHG reducing potential was estimated to be 5 million tons CO₂-eq/year, but it can be lowered down to 2 million tons CO₂-eq/year, considering the energy consumption during H₂ generation process. Among the energy potential of produced H₂, 7% and 60% is required for H₂ production in DF and SBR, respectively. Conclusion : The expected biohydrogen production was 718,000 ton/y which can account for about 14% of the domestic H₂ production target in 2040 (526 million tons). The main source was livestock manure (86%), and minor fraction was from food waste (10%), and sewage sludge (4%). The GHG reducing potential was estimated to be 2 million tons CO₂-eq/year, considering the energy consumption during H₂ generation process.
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