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혐기성소화 슬러지에서 전압 공급에 따른 메탄 발생의 비교
양현명 ( Hyeon-myeong Yang ),천아인 ( A-in Cheon ),이의중 ( Ui-jung Lee ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2020 No.2
최근 BEAD는 미량의 전압공급을 통한 높은 유기물 제거율과 메탄수율을 갖춘 소화슬러지 처리기술로 주목받고 있다. 그러나 대부분의 연구에서는 BEAD의 높은 잠재력에도 불구하고 전압이 소화슬러지의 처리에 미치는 영향이 고려되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 BMP(biochemical methane potential) test를 통해 전압이 소화슬러지의 유기물 제거효율 및 메탄 생성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 반응조는 발생 가스량 보정을 위한 Control (C-R) 및 0.2 V의 전압을 공급한 Control (C0.2-R), 각 전압을 공급한 반응조 0 V (0-R), 0.2 V (0.2-R), 0.4 V (0.4-R), 0.6 V (0.6-R), 0.8 V (0.8-R) 7개로 구성되었다. 모든 반응조의 부피 및 실제 운전부피는 500 mL 및 400 mL이며, 중온(35±3℃)에서 SCOD기준 2 kg/m<sup>3</sup>·d의 OLR로 운전되었다. 실험결과 0.4-R에서 유입수의 메탄생산량은 392 ml 및 0.052 L-CH4/g-TCOD로, 메탄생산 및 생분해성은 0-R에 비해 151 mL 및 1.6 % 향상되었다. 또한 0.4-R의 메탄생성률은 5.05 mL/hr로 0-R (2.81 mL/hr)보다 2.24 mL/hr 더 높았다. 하지만 0.6-R 및 0.8-R은 0.4-R보다 메탄생성 및 수율이 낮았는데, 이는 일정이상의 고전압이 미생물의 활동을 저해시키기 때문이라고 판단된다. 그러나 각 반응조의 가수분해율(SCOD/TCOD) 비율을 비교했을 때, 고전압에서 가수분해율이 향상된 것을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구는 전압이 유기물 제거효율 및 소화슬러지의 메탄 생성률 향상에 기여할 수 있음을 확인하였으며, 소화슬러지의 후처리공정으로써 BEAD의 적용가능성을 제공할 수 있다.
보조 미생물전기화학적 혐기성소화조가 고부하 운전에 미치는 영향
양현명 ( Hyeon-myeong Yang ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
최근 혐기성 소화조에 전극을 결합한 미생물 전기화학적 혐기성 소화조(BEAD)는 start-up 단계에서 소화조의 빠른 안정화와 혐기성 소화조의 주요 저해 인자인 VFAs를 빠르게 처리하여 보다 높은 유기물부하에서도 안정적인 운전이 가능하다고 알려져 있으며 미량의 전압공급이 소화조 내의 전자전달 효율을 향상시켜 미생물 종 변화를 유도할 뿐만 아니라 bulk 및 bio-film의 microorganism활성도를 증가시키는 것이 다양한 연구에서 증명되었다. 그러나 이러한 BEAD의 적용을 위해서는 1)전극의 설치를 위한 기존 AD 반응조의 운전조건 파괴, 2)장기운전을 위한 전극의 내구성 및 유지 관리성 확보의 어려움, 3)경제성과 효율성을 겸비한 재질의 선정 등 경제적인 손실로부터의 극복방안이 필요하다. 다양한 선행연구에서 BEAD반응조에 지속적인 전압공급을 통한 운전보다는 전처리 및 후처리로써의 적용, 비상시 성능회복을 위한 적용, 높은 유기물 부하에서 운전의 안정성 확보를 위한 적용 등 적절한 BEAD반응조 운전을 통한 경제적 이익을 확보하는 것이 효과적이라고 하였다. 따라서 본 연구에서는 auxiliary bio-electrochemical reactor(ABER)의 운전을 통한 유기성 폐기물의 처리에 대한 영향을 평가하였다. 본 연구에서 AD와 BEAD 반응기는 교반기가 장착된 유효용량 20L의 아크릴 반응조를 사용하였으며 ABER의 경우 유효용량 0.8L의 아크릴 반응조를 사용하였다. BEAD와 ABER의 electrodes surface area/working volume은 각 4.2, 13.5m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup>이며 음식물 탈리액을 기질로 사용하여 OLR을 단계적으로 증가시키며 운전하였다. AD와 ABER는 펌프를 이용하여 순환시켜 주었다. AD와 BEAD운전에서 BEAD의 경우 AD보다 빠른 안정화와 메탄발생이 가능함을 보였다. 그러나 6kg-COD/m<sup>3</sup>·d의 유기물 부하에서 AD의 경우 VFAs축적으로 인한 Alk. 및 pH저하가 발생하였고 이에 따라 COD제거율 및 CH4발생량 또한 감소하였다. 이때 ABER을 통한 전압의 공급을 통해 AD+ABER반응조의 pH와 Alk.가 안정적으로 유지되었으며 COD 제거율과 CH4발생량 또한 회복됨을 확인하였다. 다시 ABER의 운전을 중지하였을 때 유기물 제거효율은 다시 감소하였으며 pH와 Alk.또한 감소하였다. 이후 ABER의 재운전을 통해 소화조의 안정적인 운전이 가능하였으며 이후 10kg-COD/m<sup>3</sup>·d의 유기물 부하에서도 BEAD와 유사한 COD제거효율을 나타내며 안정적인 운전이 가능하였다. 이는 ABER을 통한 간접적인 전압공급이 VFAs의 빠른 제거를 통해 전체 반응조를 안정적으로 유지함에 기여하였음을 나타낸다. 직접 전압이 공급된 BEAD반응조는 높은 OLR에서도 안정적인 COD제거가 가능하였다. 반면에 AD는 8kg-COD/m<sup>3</sup>·d에서 VFAs 축적 및 pH, Alk.의 저하로 COD제거율 및 메탄 발생량이 급격히 감소하였다. ABER을 통한 간접적인 전압의 공급을 통해 AD+ABER반응조의 pH와 Alk.를 회복함을 확인하였으며 이를 통해 COD제거율 및 메탄발생량이 향상되었다. 따라서 ABER의 적용가능성을 확인하였으며, ABER의 간헐적인 운전을 통해 비상시 소화조의 안정화유지가 가능함을 확인하였다.
보조 미생물전기화학적 혐기성소화조가 고부하 운전에 미치는 영향
양현명 ( Hyeon-myeong Yang ),전항배 ( Hang-bae Jun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
최근 혐기성 소화조에 전극을 결합한 미생물 전기화학적 혐기성 소화조(BEAD)는 start-up 단계에서 소화조의 빠른 안정화와 혐기성 소화조의 주요 저해 인자인 VFAs를 빠르게 처리하여 보다 높은 유기물부하에서도 안정적인 운전이 가능하다고 알려져 있으며 미량의 전압공급이 소화조 내의 전자전달 효율을 향상시켜 미생물 종 변화를 유도할 뿐만 아니라 bulk 및 bio-film의 microorganism활성도를 증가시키는 것이 다양한 연구에서 증명되었다. 그러나 이러한 BEAD의 적용을 위해서는 1)전극의 설치를 위한 기존 AD 반응조의 운전조건 파괴, 2)장기운전을 위한 전극의 내구성 및 유지 관리성 확보의 어려움, 3)경제성과 효율성을 겸비한 재질의 선정 등 경제적인 손실로부터의 극복방안이 필요하다. 다양한 선행연구에서 BEAD반응조에 지속적인 전압공급을 통한 운전보다는 전처리 및 후처리로써의 적용, 비상시 성능회복을 위한 적용, 높은 유기물 부하에서 운전의 안정성 확보를 위한 적용 등 적절한 BEAD반응조 운전을 통한 경제적 이익을 확보하는 것이 효과적이라고 하였다. 따라서 본 연구에서는 auxiliary bio-electrochemical reactor(ABER)의 운전을 통한 유기성 폐기물의 처리에 대한 영향을 평가하였다. 본 연구에서 AD와 BEAD 반응기는 교반기가 장착된 유효용량 20L의 아크릴 반응조를 사용하였으며 ABER의 경우 유효용량 0.8L의 아크릴 반응조를 사용하였다. BEAD와 ABER의 electrodes surface area/working volume은 각 4.2, 13.5m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup>이며 음식물 탈리액을 기질로 사용하여 OLR을 단계적으로 증가시키며 운전하였다. AD와 ABER는 펌프를 이용하여 순환시켜 주었다. AD와 BEAD운전에서 BEAD의 경우 AD보다 빠른 안정화와 메탄발생이 가능함을 보였다. 그러나 6kg-COD/m<sup>3</sup>·d의 유기물 부하에서 AD의 경우 VFAs축적으로 인한 Alk. 및 pH저하가 발생하였고 이에 따라 COD제거율 및 CH4발생량 또한 감소하였다. 이때 ABER을 통한 전압의 공급을 통해 AD+ABER반응조의 pH와 Alk.가 안정적으로 유지되었으며 COD 제거율과 CH4발생량 또한 회복됨을 확인하였다. 다시 ABER의 운전을 중지하였을 때 유기물 제거효율은 다시 감소하였으며 pH와 Alk.또한 감소하였다. 이후 ABER의 재운전을 통해 소화조의 안정적인 운전이 가능하였으며 이후 10kg-COD/m<sup>3</sup>·d의 유기물 부하에서도 BEAD와 유사한 COD제거효율을 나타내며 안정적인 운전이 가능하였다. 이는 ABER을 통한 간접적인 전압공급이 VFAs의 빠른 제거를 통해 전체 반응조를 안정적으로 유지함에 기여하였음을 나타낸다. 직접 전압이 공급된 BEAD반응조는 높은 OLR에서도 안정적인 COD제거가 가능하였다. 반면에 AD는 8kg-COD/m<sup>3</sup>·d에서 VFAs 축적 및 pH, Alk.의 저하로 COD제거율 및 메탄 발생량이 급격히 감소하였다. ABER을 통한 간접적인 전압의 공급을 통해 AD+ABER반응조의 pH와 Alk.를 회복함을 확인하였으며 이를 통해 COD제거율 및 메탄발생량이 향상되었다. 따라서 ABER의 적용가능성을 확인하였으며, ABER의 간헐적인 운전을 통해 비상시 소화조의 안정화유지가 가능함을 확인하였다.