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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/m<sup>3</sup>·d의 높은 유기물 부하에서 pH가 감소하였다. 반면, BEAD-O(Open circuit) 반응조에서는 4kg-COD/m<sup>3</sup>·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.
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 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 H<sub>2</sub>를 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/m<sup>3</sup>·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.
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 NO<sub>3</sub>-N을 주입함으로써 VFAs의 축적을 제어 및 감소시킴으로써 혐기성 소화 효율을 향상시키고자 하였다. 축적된 VFAs는 주입된 NO<sub>3</sub>-N와 함께 탈질 과정에서 활용되었으며, 그 후 메탄 생산이 이루어졌다. 또한, 축적된 VFA는 탈질 박테리아에 의해 탄소 기질로 사용될 수 있다. 이러한 결과를 통해 NO<sub>3</sub>-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.