도계가공장 폐수처리 슬러지의 열가수분해 전처리가 혐기소화 효율에 미치는 영향

오승용 ( Seung-yong Oh ),이만희 ( Man-hee Lee ),윤영만 ( Young-man Yoon ) 한국환경농학회 2019 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2019 No.-

최근 우리나라는 경제성장과 식생활 패턴의 변화로 육류의 소비가 증가하면서 도축과정에서 발생되는 폐기물의 양도 점차 증가하고 있다. 특히 닭의 도축량은 2018년 474,166,000수로 지난 10년간 지속적으로 증가하여 2008년 대비 약 50% 이상 증가한 것으로 나타나고 있다. 도계가공장 폐수처리 슬러지는 바이오가스 생산을 위한 혐기소화의 기질로 활용이 가능하지만 높은 고형물 함량과 낮은 유기물 분해율로 인하여 혐기소화조에 직접 투입하는 데는 어려움이 있다(Rao and Singh, 2004). 따라서 본 연구에서는 도계가공장 폐수처리 슬러지의 혐기소화 효율을 향상시키기 위하여 열가수분해(hydrothermal hydrolysis) 전처리를 실시하였으며, 열가수분해 전처리 반응온도가 도계가공장 폐수처리 슬러지의 혐기소화 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 공시시료는 충청북도 진천군에 위치한 C사의 도계가공장에서 배출되는 폐수처리 슬러지를 채취하였으며, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220℃에서 열가수분해 전처리를 실시하였다. 열가수분해 반응기는 유효체적 2.0 L의 밀폐식 열가수분해 압력 반응기를 사용하였으며, 열가수분해 반응은 각각의 반응온도별로 승온 0.5시간, 반응 1.0시간, 냉각 0.5시간으로 운전하였다. 열가수분해 후 반응생성물은 BMP(Biochemical methane potential) assay를 통해 메탄생산퍼텐셜을 분석하였다. BMP assay는 160 mL serum bottle을 이용하였고, 완전 밀폐시켜 중온(38℃) 배양기 내에서 90일간 배양하였다. BMP assay의 누적 메탄생산곡선은 Modified Gompertz model을 이용하여 최적화 하였다. 열가수 분해 온도에 따른 최종 메탄생산퍼텐셜(Bu)은 열가수분해 반응온도 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220℃에서 각각 0.292, 0.295, 0.307, 0.281, 0.282, 0.280, 0.282 Nm³/kg-COD_added로 나타나, 열가수분해 반응온도 180℃에서 최종 메탄생산퍼텐셜이 가장 높은 것으로 나타났다. 또한 열가수분해 반응온도 180℃에서 열가수분해 반응생성물의 최종메탄생산퍼텐셜은 도계가공장 폐수처리 슬러지의 최종메탄생산퍼텐셜과 비교하여 약 6% 증가하는 것으로 나타났다. 열가수분해 온도에 따른 혐기소화에서의 지체기간(λ)은 열가수분해 반응온도 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220℃에서 각각 4.04, 4.23, 4.29, 4.59, 10.90, 13.93, 15.20 day로 나타났다.

열가수분해 혐기소화(Pos-THT) 전⋅후 기질 특성 변화 연구

이보원(Bo-Won Lee) 유기성자원학회 2019 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2019 No.춘계

본 연구는 A지자체 하수처리장에서 음폐수, 분뇨(정화조 오니), 하수슬러지를 대상으로 통합소화를 실시하고 있는 상용 플랜트에서 열가수분해 전⋅후의 기질 변화와 열가수분해 혐기소화 전⋅후기질 변화를 분석하였으며, 시료채취는 2주 간격으로 1년간 총 26회의 현장 채취 및 실험실 분석을실시하였다. 본 연구의 통합소화 대상인 각 기질별 특징을 살펴보면 음폐수는 주성분이 탄수화물이며, TS 및 VS 농도가 타 기질에 비해 상대적으로 높고, pH가 낮으며 유분을 함유하고 있으며, 분뇨는 TS 농도는낮고, pH는 중성이며, 하수슬러지는 단백질이 주성분으로 구성되어 있으며, TS 농도가 낮고 pH는중성을 나타내고 있다. 이러한 유기성 폐자원을 단순 혼합하여 통합소화를 실시할 경우 최적 혐기소화 조건을 유지하기에 어려움이 발생한다. 즉, 각 기질별 특성이 상이한 음폐수, 분뇨, 하수슬러지를통합소화 시 적절한 전처리가 없을 경우 안정적인 운영인자 도출이 어려워 소화조 운전시 높은 가동률 확보가 어렵고 바이오가스 발생량 또한 낮다. 본 연구에서는 통합소화를 위한 기질의 전처리 방법으로 열가수분해를 선정하였고, 선정 사유로는열가수분해의 경우 전체 혼합 기질을 고온, 고압(189℃, 10bar)의 스팀을 주입하여 기질내 세포벽 파괴 및 세포중합체 용해를 통해 기질을 균질화 함으로써 혐기소화 최적 조건을 유지할 뿐만 아니라슬러지의 근원적인 악취 저감과 아울러 소화효율 증대를 통해 혐기소화 후 탈수 슬러지 발생량을감소시킬 수 있다. 또한 유입되는 기질의 농도에 관계없이 기질을 균질하게 가용화가 가능하므로 혐기소화조의 안정적인 운전이 가능한 통합소화의 최적 방법이다. 음폐수, 분뇨 및 하수슬러지 혼합 기질를 대상으로 열가수분해 전⋅후 VS 농도 변화를 분석한 결과열가수분해 전 9.5%에서 열가수분해 후 7.5%로 감소하였으며, 열가수분해 전 대비 후 평균 VS 비율은 80.6%로 스팀에 의한 희석효과로 인해 농도가 감소하였다. 열가수분해 전⋅후 COD 농도 변화를 보면 열가수분해 전 165.7g/L에서 열가수분해 후 156.0g/L로 감소하였으며, 열가수분해 전 대비 후 평균 COD 비율은 99.6% VS 감소율 보다 작은 것으로 분석되었다. 이에 따른 가용화율 지표인 VDS/VS비율은 열가수분해 후 평균 292.9% 증가하였고, 평균 SCOD/TCOD 비율은 181.8% 증가하는 것으로 나타나 열가수분해 후 가용화율이 대폭 증가하는 것으로 나타났다. 열가수분해 가용화를 거친 기질을 단상의 혐기소화조에서 탄수화물, 지방, 단백질의 변화를 살펴보면혐기소화 전 탄수화물 20.56g/L(59.3%)~22.18g/L(60.3%), 단백질 4.87g/L(14.0%)~5.77g/L(15.7%), 지방 8.82g/L(24.0%)~9.27g/L(26.7%)에서 혐기소화 후 탄수화물 3.39g/L (52.9%)~3.63g/L(45.1%), 단백질 1.74g/L(27.2%)~2.19g/L(27.2%), 지방 1.28g/L(19.9%)~2.24 g/L(27.8%)로 변화하였으며 이에 따른 탄수화물, 단백질, 지방 평균 감소율은 각각 83.6%, 63.2%, 80.4%로 감소하는 것으로 분석되었다.

하수슬러지 혐기성 소화 효율 향상을 위한 열가수분해-고액분리 결합 공정

이시영(See-Young Lee),한인섭(Ihn-Sup Han) 유기성자원학회 2021 유기물자원화 Vol.29 No.4

본 연구는 혐기성 소화의 전처리로써 열가수분해와 고액분리가 결합된 공정의 성능을 평가하였다. 탈수케이크는 열가수분해를 통해 가용화되며, 이후 고액분리를 수행한다. 고액 분리된 액상은 혐기성 소화에 기질로써 이용되고 고형물은 열가수분해로 회수된다. 열가수분해의 가용화율(COD 기준)은 45.1-49.3%이며 고액분리와 결합한 공정은 76.1-77.6%로 나타났다. Dual-pool two-step model을 통해 도출된 메탄 발생 특성을 살펴보면 고액 분리된 액상의 전체 분해 가능한 물질 중 분해가 빠른 물질의 비(a)는 0.891-0.911로 열가수분해된 시료에 비해 높게 나타났다. 반면에 분해가 빠른 물질의 반응 속도(kF)는 유사하게 나타났다. 이를 통해 열가수분해와 고액분리가 결합한 공정은 열가수분해를 통해 분해가 빠른 물질을 생성하고, 고액분리를 통해 선별하는 것으로 나타났다. The purpose of this study was to evaluate the performance of novel process with thermal hydrolysis and separation as pre-treatment of anaerobic digestion (AD). The dewatered sludge was pre-treated using THP, and then separated. The separated liquid used as substrate for AD and separated solid was returned on THP(Thermal Hydrolysis Process). The degree of disintegration (DD, based on COD) using only THP found 45.1-49.3%. The DD using THP+separation found 76.1-77.6%, which was higher than only THP. As result from dual-pool two-step model, the ratio of rapidly degradable substrate to total degradable substrate found 0.891-0.911 in separated liquid, which was higher than only THP. However, the rapidly degradable substrate reaction constant (kF) of only THP and THP+separation were similar. This results found that dewatered sludge was disintegrated by THP, and then rapidly degradable substrate of hydrolyzed sludge was sorted by separation.

열가수분해-고액분리 결합 공정을 적용한 하수슬러지의 가용화

이시영(See-Young Lee),한인섭(Ihn-Sup Han) 유기성자원학회 2021 유기물자원화 Vol.29 No.4

본 연구는 하수슬러지의 가용화를 위해 열가수분해와 고액분리 공정을 결합하여 적용하였다. 열가수분해-고액분리 공정으로 전처리한 하수슬러지의 D10, D50와 D90은 각각 8.6, 59.2와 425.1 μm로, 열가수분해 단독 처리한 것에 비해 작게 나타났다. 분자량 분포 실험의 결과에 따르면, 열가수분해 단독 처리한 하수슬러지는 10-100kDa 구간의 비율이 가장 높게 나타났다. 반면에, 열가수분해-고액분리된 하수슬러지는 <1kDa 구간의 비율이 48.3%로 가장 높게 나타났다. 단독 열가수분해 처리한 하수슬러지는 10kDa 이상의 구간에서 DOC와 UVA254가 높게 나타났다. 반면에 열가수분해-고액분리한 하수슬러지는 <1kDa 구간의 DOC와 UVA254가 가장 높은 비율로 나타났다. 열가수분해-고액분리한 하수슬러지의 메탄 전환율은 0.287±0.015 L CH4/kg COD로 단독 처리한 것에 비해 1.7배 높게 나타났다. This study applied with pre-treatment combined with thermal hydrolysis and seperation for disintegration of sludge. As results of particle size distribution D10, D50 and D90 of thermal hydrolyzed and centrifuged sludge was 8.6, 59.2 and 425.1 μm, which are lower than those of thermal hydrolyzed. The molecular weight distribution results showed that the thermal hydrolyzed sludge showed the highest proportion in the 10-100kDa range. But, Sludge, treated with combined pre-treatment, showed the highest proportion <1kDa range. Results of DOC and UVA254 found that the organic matters of hydrolyzed sludge composed high molecular weight component above 10kDa. While, the organic matters of sludge, treated by combined pre-treatment, composed relarively low molecular weight below 1kDa. The specific methane yield of hydrolyzed and centrifuged sludge was higher 1.7 times than that of only hydrolyzed sludge.

유기성 폐기물 통합소화 기술

이보원 유기성자원학회 2019 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2019 No.춘계

본 연구는 열가수분해 혐기소화 기술(Pos-THT, POSCO Thermal Hydrolysis Tech nology)에 대한 실증 플랜트의 적용 효과를 검증하기 위해 열가수분해 전·후 기질의물리적 특성 변화를 파악하고 실증 플랜트 운영 현황을 설계값과 비교 분석을 실시하였다. 첫째, 열가수분해 전·후 기질의 물리적 특성을 평가하기 위해 음폐수, 분뇨 및 하수슬러지를 대상으로 열가수분해 통합소화 시설을 운영하고 있는 A지자체 실증 시설에서 열가수분해 설비에 유입되는 기질과 열가수분해 후 가용화 기질에 대하여 각각 현장에서 시료 채취 후 실험실 분석을 실시하였다. 열가수분해 전·후 성상변화에 대한 분석결과 VS 농도의 경우 열가수분해 전·후혼합폐기물의 평균 VS 농도는 각각 9.5±1.2% 및 7.5±0.8%로 분석되었으며, 열가수분해 전 대비 후 평균 VS 비율은 80.6±12.5%로 열가수분해 운전 시 투입되는 스팀에 의한 희석에 따라 열가수분해 후 VS 비율이 감소한 것으로 분석되었다.…

도계폐기물의 열가수분해 반응에 따른 열전달 특성 연구

송형운,정희숙,김충곤 유기성자원학회 2015 유기물자원화 Vol.23 No.4

The purpose of this study was performed to quantitatively measure the thermal conductivity of poultry slaughter waste with variation of reaction temperature for optimal design of thermal hydrolysis reactor. We continuously quantified the thermal conductivity of dehydrated sludge related to the reaction temperature. As the reaction temperature increased, the dehydrated sludge is thermally liquefied under high temperature and pressure by the thermal hydrolysis reaction. Therefore, the bond water in the sludge cells comes out as free water, which changes the dehydrated sludge from a solid phase to slurry of a liquid phase. As a result, the thermal conductivity of the its sludge was more than 2.11 times lower than that of the water at 20℃. However, the thermal conductivity of the sludge approached to 0.677 W/m․℃ of water at 200℃, experimentally substantiating liquefaction of the dehydrated sludge. Therefore, we confirmed that the change in physical properties due to thermal hydrolysis appears to be an important factor for heat transfer efficiency. And the thermal conductivity function related to reaction temperature was derived to give the boundary condition for the optimal design of the thermal hydrolysis reactor. The consistency of the calculated function was 99.69%. 본 연구에서 목적은 열가수분해 반응기에 최적설계를 위해 반응온도에 따른 도계폐기물의 열전도도를 정량하는 것이다. 이에 반응온도에 따른 탈수슬러지의 열전도도를 연속적으로 정량한 결과, 반응온도가 증가할수록 열가수분해 반응에 의한 고온, 고압에 의해 슬러지가 열적으로 가용화된다. 따라서, 슬러지 세포내에 결합수가 자유수로 용출되어 고상의 탈수슬러지가 액상에 슬러리로 상태가 변화된다. 그 결과 반응초기인 반응온도 20℃에서 도계슬러지에 열전도도가 물에 비해 2.11배정도 낮지만 200℃에서는 도계슬러지의 열전도도가 0.677 W/m·℃로 물과 유사하다. 따라서 열가수분해에 의한 슬러지 물리적 특성변화는 열전달 효율에 매우 중요한 인자임을 확인하였고, 열가수분해반응기 최적 설계를 위한 경계조건으로 실험 측정값과 일치도가 99.69%인 반응온도에 따른 열전도도 함수를 도출하였다.

열화학적 가수분해 영향인자에 따른 물리화학적 특성 변화 및 혐기성소화 효율 평가

박세용,한성국,송은혜,김충곤,이원배 유기성자원학회 2019 유기물자원화 Vol.27 No.3

본 연구에서는 음식물류 폐기물과 하수슬러지의 효과적인 병합 혐기성 처리를 위한 열화학적 가수분해 방법의 최적 조건 평가와, 열화학적 가수분해에 따른 병합 혐기성 소화 효율에 대해 평가 하였다. 열화학적 가수분해는 온도 (80, 100, 120, 140, 160, 180℃)와 NaOH ( 5, 20, 40, 60, 100 meq/L) 조건에 따른 solubilization COD, CST(Capillary Suction Time), TTF(Time to Filter), volatile fatty acids (VFAs) 등에 대해 평가를 하였으며, 병합 혐기성 소화 효율 평가는 biochemical methane potential (BMP) test를 통해 평가하였다. 실험결과 음식물류폐기물과 하수슬러지의 열화학적 가수분해 시 온도 140 ℃, NaOH 60 meq/L에서 solubilization COD 20 % 이상, CST와 TTF가 60초 이하, VFAs 농도가 12,000 mg-COD/L 이상으로 최적조건으로 규명되었다. 병합 혐기성 소화 결과도 열화학적 가수분해 조건과 동일한 조건에서 가스발생량이 가장 높았다. 따라서, 음식물류폐기물과 하수슬러지의 효과적인 병합혐기성소화를 위한 열화학적 가수분해 전처리 조건은 온도 140 ℃, NaOH 주입농도 60 meq/L라 판단된다. In this study, thermal-alkali pre-treatment (THAP) optimal condition and co-digestion efficiency with THAP of the mixture food waste and sewage sludge were evaluated for improving the performances of co-digestion for mixed food waste and sewage sludge. The optimal condition of THAP was evaluated for solubilization COD, CST(Capillary Suction Time), TTF(Time to Filter), and volatile fatty acids (VFAs) with THAP temperature and NaOH concentration. In addition, the co-digestion of mixed food waste and sewage sludge were evaluated using biochemical methane potential (BMP) test. The optimal THAP reaction temperature and NaOH concentration of food waste and sewage sludge were 140 ˚C and 60 meq/L to solubilization COD over 20%, CST and TTF under 60sec and VFAs concentration over 12,000 mg-COD/L, respectively. The optimal condition of co-digestion of mixed food waste and sewage sludge equal to THAP condition. Therefore, it was determined that the optimal condition of THAP reaction temperature and NaOH concentration for co-digestion of mixed food waste and sewage sludge were 140 ˚C and 60 meq/L, respectively.

우분의 혐기성 소화를 위한 열가수분해 전처리 조건 최적화

김승환 ( Seunghwan Kim ),이창민 ( Changmin Lee ),조흠 ( Xin Zhao ),이영수 ( Young Su Lee ),박현철 ( Hyun Chul Park ),김재영 ( Jae Young Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

국내에서 발생하는 유기성 폐기물의 대부분을 차지하는 가축분뇨의 발생량은 2018년 기준 185,069 톤/일이며, 이중 소의 분뇨(우분)는 약 65,180 톤/일로 전체 가축분뇨의 35 % (by wet wt.) 를 차지하고 있다. 발생된 우분은 대부분 퇴비화(94 % by wet wt.)로 처리되고 있으나, 우분 퇴비에 대한 수요가 적고, 주변 유역의 지하수 및 하천으로 유출되어 오염을 유발하고 있다. 따라서, 퇴비화를 대체할 처리 방법이 필요하다. 혐기성 소화를 통한 가축분뇨의 바이오가스화는 가축분뇨를 처리함과 동시에 신재생에너지를 얻을 수 있는 친환경 공정이다. 국내에서도 일부 가축분뇨에 바이오가스화가 적용되고 있지만 대부분 돈분에 국한되어 있다. 따라서, 우분에 대한 혐기성 소화의 수요가 증가할 것으로 예상된다. 반추동물의 특성상 우분은 다른 가축분뇨에 비해 lignocellulose와 같은 난분해성 물질을 많이 함유하고 있어서 생분해도가 낮다. 따라서, 우분의 효율적인 혐기성 소화를 위해서는 적절한 전처리를 통해 소화 효율을 향상시킬 필요가 있다. 혐기성 소화는 크게 가수분해, 산 생성, 아세트산 생성, 메탄 생성단계로 나눌 수 있고, 이 중 가수분해단계가 전체 혐기성 소화의 속도를 제한하는 율속단계로 알려져 있다. 따라서 기질의 가수분해를 촉진하기 위한 전처리 방법들이 연구되고 있다. 여러 가지 전처리 방법 중에서 고온ㆍ고압 환경에서 기질을 가수분해하는 열가수분해 공정은 높은 소화 효율 향상 효과로 인해 가장 널리 적용되어 있는 공정이다. 따라서, 본 연구에서는 우분을 대상으로 열가수분해를 수행하고, 회분식 혐기성 소화를 통해 생화학적 메탄 잠재량과 메탄 발생 동역학을 비교하여 최적의 열가수분해 처리 조건을 선정하고자 한다.

하수슬러지 및 음식물류폐기물의 열화학적 가수분해에 따른 특성 변화 및 혐기성 소화 효율 평가

박세용 ( Seyong Park ),송은혜 ( Eunhey Song ),한성국 ( Seongkuk Han ),이은실 ( Eunsil Lee ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

본 연구에서는 음식물류 폐기물과 하수슬러지의 효과적인 병합 혐기성 처리를 위한 열화학적 가수분해 방법의 최적 조건 평가와, 열화학적 가수분해에 따른 병합 혐기성 소화 효율에 대해 평가하였다. 열화학적 가수분해는 온도(80, 100, 120, 140, 160, 180℃)와 NaOH (5, 20, 40, 60, 100 meq/L) 조건에 따른 solubilization COD, CST (Capillary Suction Time), TTF (Time to Filter), volatile fatty acids (VFAs) 등에 대해 평가를 하였으며, 병합 혐기성 소화 효율 평가는 biochemical methane potential (BMP) test를 통해 평가하였다. 실험결과 음식물류폐기물과 하수슬러지의 열화학적 가수분해 시 온도 140℃, NaOH 60 meq/L에서 solubilization COD 20% 이상, CST와 TTF가 60초 이하, VFAs 농도가 12,000 mg-COD/L 이상으로 최적조건으로 규명되었다. 병합혐기성 소화 결과도 열화학적 가수분해 조건과 동일한 조건에서 가스발생량이 가장 높았다. 따라서, 음식물류 폐기물과 하수슬러지의 효과적인 병합혐기성소화를 위한 열화학적 가수분해 전처리 조건은 온도 140℃, NaOH 주입농도 60 meq/L 라 판단된다.

열가수분해(THP)/소화슬러지의 물리화학적 특성 평가

정현태,윤희철,이보원,김현배,유흥민 한국폐기물자원순환학회 2013 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2013 No.2

공공하수처리장의 하수처리과정에서 부산물로 발생하는 하수슬러지는 2011년 현재 우리나라는 5,299톤/일의 하수슬러지가 발생하여 매립 14.8%, 소각 23.2%, 재활용 21.2%, 해양배출 40.8%의 비율로 처리되었다. 하지만 런던협약 발효로 ‘12년 2월부터 유기성 폐기물의 해양배출이 전면금지 됨에 따라서, 전면 소각, 퇴비화, 혐기소화, 연료화 등의 육상처리시설로 처리하고 있다. 또한, 정부에서도 유기성 폐기물의 에너지화를 위한 연구와 사업을 지속적으로 추진하고 있다. 현재까지는 슬러지 등의 유기성 폐기물은 단일 물질처리 위주로 시설을 설치/운영하였다면, ‘12년 이후부터는 여러 가지 유기성 폐기물을 혼합/병합 처리하는데 관심이 높아지고 있다. 병합처리의 효율증가를 위해서 가수분해, 약품주입, 초음파 등의 방법으로 전처리를 하고, 혐기소화를 통해 에너지를 최대한 회수한 후 소각, 연료화 등 기존의 방법으로 처리를 하고 있다. 최근에는 안양시 박달하수처리장 지하화 사업에 탈수슬러지, 음식물, 분뇨를 병합하여 열가수분해/혐기소화 공정으로 처리하는 프로젝트가 추진 중에 있다. 하지만, 국내에는 현재까지 열가수분해(Thermal Hydrolysis Pre-treatment, THP) 공정이 가동되고 있지 않아 열가수분해 이후 소화 슬러지에 대한 특성 분석 자료는 전무한 상황이다. 본 연구에서는 Cambi 공법이 적용된 노르웨이 Lindum plant에서 발생되는 열가수분해/소화슬러지와, 국내에서 발생되는 탈수슬러지와 소화슬러지의 물리화학적 특성과 중금속 특성을 평가하여, 향후 지속적으로 보급될 유기성폐기물 에너지화 시설의 기초자료로 활용하고자 한다.