하수잉여찌꺼기의 전처리 적용에 따른 바이오가스 생산 효율과 가용화물질의 관계 비교

안병규,김태훈,김효전,강석태,윤여명 대한환경공학회 2022 대한환경공학회지 Vol.44 No.2

목적:하수잉여찌꺼기의 혐기성 소화 시 바이오가스 생산 효율 증가를 위해 다양한 물리화학적 방법을 적용한 전처리를 적용하고 있다. 본 연구에서는 하수잉여찌꺼기의 Acid+Heat 및 Alkali+Heat 전처리에 따른 가용화율 증가와 생산된 메탄량의 변화 비교를 통해 전처리 방법 차이에 따른 관계 규명을 목적으로 했다. 방법:하수잉여찌꺼기에 Acid+Heat과 Alkali+Heat 전처리를 각각 적용했다. Acid+Heat 전처리의 경우 3N HCl를 주입하여 pH 2로 고정했으며 Alkali+Heat 전처리는 3N KOH를 이용하여 pH를 10으로 조절 후 130도에서 30분간 열처리를 적용했다. 전처리 전후 SCOD 분석을 통해 가용화율을 측정했으며 BMP test(Biochemical Methane Potential test)를 통해 메탄발생량을 측정했다. 전처리 시 용존성 물질의 성상 변화를 확인하기 위해 High-performance size-exclusion chromatography(HPLC-SEC, LC-20A series, Shimadzu, Japan)및 Fluorescence excitation-emission matrix(FEEM, RF6000를 통해 분자량분석과 FEEM 분석을 수행했다. 결과 및 토의:전처리 적용에 따른 가용화율 분석 결과 Alkali+Heat과 Acid+Heat 전처리 샘플에서 각각 36.3%, 34.1%로 비슷한 결과를 보였다. 그러나 Biochemical methane potential(BMP) test 수행을 통한 메탄 생산 비교 결과 Alkali+Heat 전처리한 샘플과 비교하여 Acid+Heat 전처리 샘플에서 약 26% 높은 수준으로 나타났다. 전처리 방법에 따른 가용화율과 메탄생산량의 차이의 원인 규명을 위해 가용화된 물질을 대상으로 FEEM 분석 및 분자량 분석을 수행했다. 그 결과 Acid+Heat 전처리의 적용을 한 기질 내 고분자 고형물질을 혐기성 미생물이 가용할 수 있는 수준의 저분자 형태의 용존 유기물로의 효과적인 분해를 이룬 것으로 나타났다. 반면 Alkali+Heat 전처리를 적용한 기질의 용존 유기물에서 상대적으로 높은 수준의 고분자 형태 및 방향족 계열의 물질이 포함되어 있었음을 확인했다. 이는 전처리를 통해 기질의 가용화는 증가되었으나 미생물이 흡수할 수 있는 형태의 저분자 물질로의 분해가 이루어지지 않아 상대적으로 낮은 수준의 메탄 생산의 결과로 이어진 것으로 나타났다. 결론:실험은 Acid+Heat과 Alkali+Heat 전처리 적용에 따른 가수분해율과 메탄발생량을 비교함으로써 그 관계규명을 목적으로 진행되었다. 실험결과 전처리를 통해 가수분해율이 증가된다 하더라도 포함된 용존성 물질의 성상에 따라 메탄발생량이 달라질 수 있음을 확인했다. 즉, 전처리에 따른 가용화율의 변화는 메탄생산성과 연계할 수 있는 전처리 효과로 판단하는 절대 지표가 아닐 수 있다는 것을 시사한다.

Effect of Applying Various Time of Retinol Pretreatment on Improve Skin after Herbal Peeling

Seongeun Oh,Chang-Gok Chang 한국피부과학연구원 2020 아시안뷰티화장품학술지 Vol.18 No.4

목적: 본 연구의 목적은 약초필링 이전에 기간이 다른 레티놀 전처리가 필링 후 발생하는 부작용을 최소화하고 피부 개선 효과를 검 증하고자 하였다. 방법: 약초필링 전 레티놀로 전처리 하지 않은 그룹을 Group 1 (G1, 대조군), 약초필링전 4주간(8주-12주) 레티 놀로 전처리한 그룹을 Group 2 (G2), 약초필링전 8주간(4주-12주) 레티놀로 전처리한 그룹을 Group 3 (G3), 약초필링 전 12주간(1 주-12주) 레티놀로 전처리한 그룹을 Group 4 (G4)로 하였다. 연구기간은 총 15주간 진행되었는데, 필링전 레티놀 전처리 기간 시 작점을 달리하여 G 4는 첫 주부터, G 3은 4주째부터, G 2은 8주째부터 레티놀 적용 홈케어를 하였다. 실험 전, 13주차(필링 1 주일) 및 15주차(필링 2 주 후)의 피부 홍반 지수, 수분 함량, TEWL 및 거칠기를 측정하였다. 결과: 본 연구를 통해 기간이 다른 레티놀 전처리가 수분증가와 홍반, TEWL 및 거칠기의 감소를 확인할 수 있었다. 레티놀 전처리 그룹은 미전처리 그룹보다 홍반이 낮으며, 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한 레티놀 전처리 그룹은 미전처리 그룹보다 보습이 높았으며, 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다. 레티놀 전처리 그룹은 미전처리 그룹보다 TEWL 및 거칠기가 낮았을 뿐만 아니라 유의한 차이가 있는 것으로 밝혀졌다. 홍반, 수분, TEWL, 거칠기에서 G4는 G3보다 더 큰 변화가 있었고 G3은 G2보다 더 컸다. 따라서 장기적인 레티놀 전처리 그룹은 홍반, 탈수, 피부 자극 개선 및 완화에 긍정적인 효과가 있는 것으로 확인됐다. 결론: 이상의 결과를 바탕으로 필링 전 기간을 달리 한 레티놀 전처리는 기간이 증가할수록 홍반, 수분 부족, 피부자극증상을 개선, 완화하는데 있어 긍정적인 효과를 나타내므로, 향후 피부 개선에 가장 효과적인 전처리로써의 레티놀 함량에 따른 제제의 안정성, 사용기간에 관한 연구가 좀 더 다양하고 폭넓게 진행 되어 필링 전 전처리 프로그램으로써 대중화가 될 수 있도록 적극 활용되기를 기대한다 Purpose: Retinol, a vitamin A derivative, is used as a pretreatment by applying it multiple times on the affected skin before herbal peeling to minimize side effects and to heal damaged skin. However, the effects of retinol as a pretreatment are unknown. Thus, this study evaluates the effects of retinol as a pretreatment for skin improvement. Methods: Middle-aged women were recruited as participants in this study and were divided into four groups, namely, without retinol pretreatment (G1), retinol pretreatment for 4 weeks (G2), 8 weeks (G3), and 12 weeks (G4). The test was conducted 15 times. Before peeling, participants in the G1, G3, and G4 groups were pretreated with retinol cream on their skin for the indicated time periods, whereas those in G1 did not receive the pretreatment. Skin erythema index, moisture content, transepidermal water loss (TEWL), and roughness were measured before the experiment, on the peeling day, and 1 and 2 weeks after peeling. Results: Significant differences in the skin erythema index, moisture content, TEWL, and roughness were found between the pretreated and non-pretreated groups. The pretreated groups experienced higher moisture content, lesser erythema, lower TEWL, and lesser roughness than the non-treated group. In addition, G4 had a larger improvement than G3, and G3 had a larger improvement than G2. Conclusion: The results showed that long-term use of retinol is effective in relieving erythema, dehydration, and skin irritation.

볏짚으로부터 바이오에탄올 생산을 위한 전처리 및 당화 연구

이준표(Lee, Joonpyo),박지연(Park, Jiyeon),김덕근(Kim, Deogkeun),이진석(Lee, Jinsuk),박순철(Park, Soonchul) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

농산 부산물인 볏짚을 이용하여 수송연료인 휘발유를 대체할 수 있는 바이오에탄올을 생산하기 위한 전단계인 전처리와 당화에 대한 연구를 수행하였다. 볏짚은 농산 부산물 중에서 비교적 발생량이 많으며, 목질계 바이오매스에 비해 소프트하기 때문에 전처리가 용이하다는 장점이 있다. 전처리 방법으로는 여러 가지가 있으나, 본 연구에서는 증기폭쇄에 의한 전처리 방법을 채택하였다. 당화실험은 생물학적 방법인 효소당화를 하였다. 전처리 실험결과 온도가 낮고 처리 시간이 짧을수록 고형물 및 삼성분에 대한 수율이 높은 것으로 나타났다. 삼성분 중의 Glucan 수율은 180?C 실험에서 68-71%를 보였으며, 200?C 실험에서는 59-64%를 보였다. Xylan은 거의 대부분이 소실되어 Xylan을 회수하는 전처리로써는 적합하지 않은 방법으로 나타났다. 반면 Lignin은 거의 제거가 되지 않았다. 당화 실험결과 180?C에서 전처리한 폭쇄재는 당화 수율이 50%에도 미치지 못하였으나, 200?C에서 전처리한 폭쇄재는 70% 내외를 보여 주었다. 특히 분쇄 세척 멸균한 효소당화 수율은 90%가 넘는 높은 수율을 보였다. 전처리 수율과 당화수율을 종합하여 수율을 분석한 결과 200?C 전처리 실험조건에서 효소당화시 미처리 시료와 분쇄 세척 시료보다 멸균까지 실시한 조건에서 Glucan의 종합수율이 55% 내외로 월등히 높은 것으로 나타났다. 증기폭쇄에 의한 볏짚의 전처리는 Glucan의 수율이 낮아 손실이 많은 것으로 나타났으며, 이를 보완할 수 있는 전처리 조건 혹은 다른 전처리 방안이 요구된다.

지질추출 미세조류 폐기물로부터 바이오 수소 생산 향상을 위한 전처리의 적용

김태훈,임병서,박혜숙,윤여명 대한환경공학회 2019 대한환경공학회지 Vol.41 No.9

Objectives : This study was performed to investigate optimal conditions for fermentative hydrogen production of lipid-extracted microalgae waste (LMW) by single and combined pretreatments. Methods : To produce LMW as a feedstock, the lipids were extracted from Chlorella vulgaris by conventional method and the LMW concentration was controlled at 75 g dry cell weight (dcw)/L. LMW pretreatment was performed by single (alkali, acid, and ultrasonic (U/S)) and combined (alkali+ultrasonic, acid+ultrasonic) pretreatment. For performing dark fermentative hydrogen production, LMW was added on the basis of a solid/liquid ratio (S/L ratio) of 1 : 10 and the heat-treated sludge at 90℃ for 20 min was inoculated in batch reactors. After the batch experiment, microbial community analysis was performed by Next Generation Sequencing (NGS). Results and Discussion : The acid pretreatment showed the greatest influence on the increase of the solubilization rate among three single pretreatment methods. On the other hand, the ultrasonication pretreatment did not lead to increasing the solubilization but showed increased hydrogen production (197 mL H2/g (dcw)) as much as the single acid pretreated methods. The combined pretreatment resulted in the highest 6,880 mg COD/L in the sample pretreated by the acid (1.5% HCl) combined with the single ultrasonic method, but the highest hydrogen production of 237 mL H2/g (dcw) was obtained in the sample pretreated by the acid (1.0% HCl) combined with ultrasonic. However, the alkali combined with ultrasonic combined pretreatment method showed a slight increase in hydrogen production compared to control one. Microbial community analysis revealed that the relative abundance of genera Clostridium was 97.1% in the sample pretreated by combined pretreatment (1.5% HCl+ultrasonic). Conclusions : The improvement of hydrogen production was closely related to the increase of SCOD in both samples employed by single and combined pretreatment. Especially, the application of acid pretreatment method was found to be more effective than alkali pretreatment. Ultrasonic pretreatment, on the other hand, did not result in increased SCOD, but improved hydrogen production. This might be due to that physical structure of LMW was disrupted and became easier biodegradable, even if the solubilization of the substrate did not proceed through the pretreatment of the ultrasonic method. According to the result of NGS analysis, high abundance of Clostridium spp. played the main role in hydrogen production. 목적 : 본 연구는 지질추출 미세조류 폐기물(Lipid-extracted microalgae waste, LMW)을 기질로 이용하여 혐기성 수소 암 발효 생산에서 산, 알칼리, 초음파 단독 전처리 및 병합 전처리를 통해 최적의 조건을 연구했다. 방법 : 기질로 선택한 미세조류는 표준방법을 통해 지질추출을 하여 최종 LMW 농도는 75 g dry cell weight (dcw)/L로고정하였다. LMW 전처리는 알칼리, 산, 초음파(Ultrasonication, U/S), 알칼리+초음파, 산+초음파 병합 방법을 진행하였다. 수소 생산 회분식 반응조 세팅을 위해 LMW는 고상 : 액상 혼합비율(Solid/liquid ratio, S/L ratio)을 1 : 10을기준으로 하였고 열처리된 슬러지(90℃, 20분)를 식종했다. 회분식 실험 후, 유기산 분석과 Next generation sequencing (NGS) 방법을 적용한 미생물 군집 분석을 했다. 결과 및 토의 : 단독 전처리 과정에서 산 전처리가 가용화율 증가에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 반면, 초음파 단독 전처리는 가용화율 증가에 큰 영향을 주지 않았지만 산(1.5% HCl) 전처리와 같이 가장 높은 수소 전환율(197 mL H2/g (dcw))을 나타냈다. 병합 전처리의 경우, 산(1.5% HCl)+초음파 전처리 조건에서 가장 높은 6,880 mg COD/L을 보였으나 산(1.0% HCl)+초음파 병합 전처리에서 237 mL H2/g (dcw)의 가장 높은 수소 생산의 결과를보였다. 반면, 알칼리+초음파 병합 전처리 방법은 수소 생산 증가율은 아주 미미했다. 미생물 군집 분석의 결과, 수소 생산 대표 미생물인 Clostridium 속의 상대적 우점도는 대조군에서 91.8%로 가장 낮았던 반면에 산(1.5% HCl)+초음파 병합 전처리가 가장 높은 97.1% 우점도의 결과를 보였다. 결론 : 수소 전환율의 향상은 대부분 단독・병합 전처리 모두 SCOD 증가와 밀접한 관계가 있었으며, 특히 산 전처리 방법의 적용이 알칼리 전처리 적용과 비교하여 효과적임을 확인했다. 반면, 초음파 전처리의 경우 낮은 SCOD 증가에 기인하지 않았지만, 높은 수소 전환율의 결과를 보여주었다. 이는 초음파 전처리를 통해 기질의 완전한 가용화까지 진행되지 않았지만 미생물의 생분해가 쉬운 형태로 전처리가 되어 수소 생산율의 증가에 기인했을 것으로 판단된다. NGS 분석 결과에 따라 Clostridium 속 미생물에 의한 수소 생산이 주가 되었던 것으로 나타났고 이들의 우점도는 수소 생산량과 비례함의 결과를 보였다.

전처리법에 따른 섬유소 기질의 당 함량 변화

진길선(Jin, Kilsun),정승미(Jeong, Seungmi),김용진(Kim, Yongjin),이동훈(Lee, Donghoon) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

세계적인 자원고갈과 지구온난화와 같은 환경문제가 발생됨에 따라 대체에너지 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 섬유소 기질을 이용한 바이오에탄올 생산은 세계적으로 막대한 자원이 있으며 광합성에 의해 재생산되는 무한한 재원으로서 환경적으로도 대기오염물질을 적게 배출하여 유용한 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 섬유소 기질은 cellulose, hemicellulose, lignin과 같은 고분자 화합물이 유기적으로 결합된 단단한 결정구조로 이루어져 있어 이를 분해하여 원하는 물질을 얻기 위해서는 전처리 과정이 필요하다. 전처리 공정은 바이오에탄올을 생산하는 당화 및 발효공정의 효율 및 반응시간 단축에 기여하며, 특히 섬유소 기질일 경우에는 필수불가결한 공정이다. 전처리 공정은 물리적, 화학적, 생물학적 방법으로 나누어지며, 이러한 방법들 중 기질의 특성과 처리효율에 따라 기술들을 병합하여 사용하기도 한다. 이에 본 연구에서는 산 처리, 암모니아 처리, 과산화수소 처리 및 효소를 이용한 생물학적 처리를 단독 또는 병행하여, 전환된 당 성분 및 함량을 조사함으로서 섬유소계 기질인 채소 음식물류 쓰레기를 대상으로 바이오에탄올을 경제적으로 생산하기 위한 적합한 전처리법을 검토하였다. 전처리 방법별 당화율을 살펴보면, 산 처리와 암모니아-과산화수소-계면활성제 처리가 각각 65.3 % 및 65.7 %로 가장 높았으며, 과산화수소 처리는 16.2 %로 가장 낮았다. 반면 전처리 공정 없이 효소를 이용한 당화만을 실시한 경우에는 4.3 %의 낮은 당화율을 나타내었다. 섬유소계 기질의 전처리 효율을 향상시키기 위해 첨가하는 계면활성제의 효과는 암모니아-과산화수소 및 암모니아-과산화수소-계면활성제 처리의 당화율을 비교한 결과, 뚜렷한 효과를 확인할 수 없었다. 전처리 방법별 당의 성분 및 함량을 비교한 결과 육탄당은 암모니아-과산화수소-계면활성제 전처리에서 가장 많이 검출되었다. 오탄당은 산 처리 후 그 함량이 현저히 높았으며, 오탄당 중 xylose의 함량이 60.49 mg/g로 가장 많이 차지하고 있었다. 이 결과로부터 전처리 방법에 관계없이 당화율은 유사한 수준을 보이지만, 당화된 당의 성분 및 함량에는 큰 차이가 있음을 알 수 있었다. 이당류의 경우 과산화수소 및 암모니아-과산화수소 처리를 제외한 나머지 전처리 방법에서 유사한 수준을 나타내었다. 암모니아 처리 및 과산화수소 처리를 순차적으로 병행한 암모니아-과산화수소 처리에서는 각각의 처리시보다 육탄당의 함량은 증가하였으나 암모니아 처리시보다 이당류의 함량은 감소한 것으로 나타났다.

알칼리 전처리에 의한 슬러지 호기성 소화 및 액비 특성 변화

황응주(Eung Ju Hwang) 大韓環境工學會 2008 대한환경공학회지 Vol.30 No.1

슬러지 직매립 금지와 런던협약에 따른 해양투기의 금지로 인해 하수슬러지의 처리 대안 연구가 다방면으로 진행되고 있으며 본 연구에서도 슬러지를 안정화시켜 액비로 재활용하는 기술에 대한 실험연구가 수행되었다. 슬러지 가용화를 위해 알칼리 전처리를 도입하였고 전처리된 슬러지를 호기성 소화조의 기질로 투입하여 유기물 및 질소화합물의 성상 변화를 관찰하였다. 또한 pot test를 통해 처리된 슬러지의 액비 이용 가능성을 평가하였다. 그 결과 알칼리 전처리된 슬러지를 호기성 소화조의 기질로 투입할 경우 전처리되지 않은 슬러지를 투입할 경우에 비해 SS 분해율은 57%에서 66%로 VSS 분해율은 59%에서 69%로 증가하였으며, 슬러지를 전처리할 경우 소화조의 체류시간 감소가 예측되었다. 알칼리 전처리와 호기성 소화를 통해 TCOD의 94.1%가 감소되었고, 최종 SCOD는 220∼230 mg/L로 낮아 유기물이 안정화됨을 나타내었다. 소화조에서 질산화와 이로 인한 pH 저하 현상이 발견되었으며 전처리하지 않은 경우(445.4 mgN/L)가 전처리한 경우(223.1 mgN/L)보다 높은 질산농도와 낮은 pH값(최저 3.0)을 보였다. 슬러지를 액비로 이용할 경우 오이 묘목 잎의 성장은 소화 처리된 슬러지, 전처리 및 소화된 슬러지, 처리되지 않은 슬러지, 증류수의 순으로 높았으며 질산성 질소의 농도, 슬러지 투입량은 잎의 성장과 정의 상관성을 보였다. 전처리와 소화를 병행할 경우 처리하지 않은 슬러지보다 잎과 줄기의 생육 모두를 향상시켰으나, 소화만을 거친 슬러지는 처리하지 않은 슬러지보다 잎의 성장은 크게 향상시키고 줄기의 성장은 다소 저하시켰다. In order to meet the stringent requirement of sludge disposal and to find ecological alternative, aerobic digestion coupled with alkaline pretreatment was studied. The treated sludge was tested for the potential of liquid fertilizer. In the aerobic digestion, it was obvious that the performance of digester B(fed with the sludge pretreated by NaOH) was better than that of digester A(fed with raw sludge) in terms of COD and SS removal. SS and VSS removal rates in digester B were 66% and 69%, respectively. At 5 days, TSS removal rate reached 47% in the digester B, which was 71% of final TSS removal rate. It revealed that the pretreatment process can shorten the retention time of aerobic digestion. 94.1% of TCOD in the raw sludge was reduced by alkaline pretreatment and aerobic digestion. Final SCOD was in the range of 220∼230 mg/L implying the sludge was stabilized. Nitrification and pH drop were observed in the aerobic digestion. Final nitrate concentrations in digester A and B were 445.4 and 223.1 mg/L and final pH in digester B was 3.0. Biological assays reported that leaf size of cucumber seedling increased with nitrate concentration and sludge to soil ratio. The sludge treated by alkaline and aerobic digestion promoted the growth of seedling leaf and stem remarkably compared to raw sludge. In contrast, the aerobically digested sludge without pretreatment improved leaf growth and inhibited stem growth.

하수 및 산업폐수 처리 탈수슬러지의 열 전처리가 혐기성소화에 미치는 영향과 경제적 타당성

김기범 ( Gi-beom Kim ),( Roent Dune A. Cayetano ),박정수 ( Jungsu Park ),조유라 ( Yura Jo ),김상현 ( Sang-hyoun Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

본 연구에서는 열 전처리가 탈수슬러지의 혐기성소화에 미치는 영향과 경제성을 회분식 실험을 통해 비교평가 하였다. 탈수슬러지는 2곳(맥주공장, 공공하수처리장)의 실증화 시설에서 발생하는 탈수슬러지를 사용하여 해당 지역의 실제 발생하는 슬러지를 모사하기 위해 17:13의 중량비로 혼합하였으며, 열 전처리는 40 - 220℃, 1 - 3시간의 조건에서 수행되었다. 전처리 온도와 시간이 증가할수록 COD 가용화율과 EPS도 함께 증가하는 경향을 보였다. 회분식 혐기성소화에서 가장 높은 메탄 수율은 140℃, 3시간의 전처리 조건에서 195 mL CH₄/g VS_feed로 전처리를 하지 않은 탈수슬러지의 메탄수율(107.6 mL CH₄/g VS_feed) 대비 81% 높은 수치를 보였다. 회분식 혐기성소화 digestate에 대한 미생물 군집분석 결과에서도 메탄 수율이 상대적으로 높은 고온 전처리조건에서 메탄생성 고세균이 50.8%에서 98.9%까지 증가하는 결과를 관찰하였다. 고온 전처리 조건에서 가용화율과 메탄수율이 더 높지만, 슬러지 감량화, 전처리에 사용되는 에너지를 고려한 경제성 분석에서는 극도로 높은 온도의 전처리는 에너지 사용량이 높아 경제성이 낮고, 60℃와 100℃의 낮은 열전처리조건을 적용할 시에 혐기성 소화에서 경제적으로 이점을 가질 수 있다고 사료된다.

고속도로 차량검지기 이력자료 활용을 위한 전처리과정 개선

이환필,남궁성,김수희,김진 한국ITS학회 2013 한국ITS학회논문지 Vol.12 No.1

폐목질계 바이오매스의 수소발효 효율 향상을 위한 수열 전처리 특성

이종근(Jongkeun Lee),박기영(Ki Young Park) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계

최근 혐기성발효를 통한 수소 생산 공정의 경제성을 높이기 위해 기질의 공급 안정성을 확보할수 있는 목질계 바이오매스를 이용한 바이오수소 생산이 많은 관심을 받고 있지만, 목질계 바이오매스의 구조적 특징에 기인하는 난분해 특성(recalcitrant nature)은 공정이 갖는 한계점으로 지적되고있다. 이에 목질계 바이오매스에 포함되어 있는 리그닌(lignin)과 헤미셀룰로오스(hemicellulose)를 제거하고 셀룰로오스(cellulose)의 가수분해를 촉진하기 위한 다양한 전처리 기술이 연구되고 있다. 특히 리그닌과 헤미셀룰로오스를 구조적으로 붕괴시켜 혐기성발효에 관여하는 미생물의 기질 이용성을 향상하는 것이 중요한데, 수열 전처리(hydrothermal pretreatment) 공정은 고온⋅고압의 조건에서 이러한목질계 바이오매스 구성 물질들을 파괴함으로써 생물학적 수소발효 효율 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다. 다만, 공정에 투입되는 에너지의 소비와 전처리 과정에서 생성되는 부산물인 퓨란유도체(furan derivatives)가 후속 미생물 공정 활성에 저해를 초래할 수 있는 단점이 있다. 본 연구에서는 수열 전처리된 폐목질계 바이오매스의 수소발효를 실시하고, 전처리 온도에 따른 수소발효 효율 향상과 전처리부산물이 생성되는 양상을 관찰하는 한편, 수열 전처리 대체를 위한 기타 전처리 방법의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.

생물전기화학 혐기 소화조를 이용한 초음파 전처리가 적용된 하수 슬러지의 소화성능 평가

이동환,김진원,서휘진,안용태 대한환경공학회 2022 대한환경공학회지 Vol.44 No.1

목적:본 연구는 초음파 강도 및 시간에 따른 1차 하수슬러지(생슬러지)의 가용화도에 대한 비교 후 회분식 실험을 통해 미생물전기분해전지(Microbial electrolysis cell, MEC)의 운전성능을 조사하였다. 방법:초음파 처리에 따른 생슬러지의 가용화도에 대해 비교하기 위하여 1~4 W/mL energy density로 5~30분간 주사하였다. MEC 운전에서 대조군으로 전처리를 수행하지 않은 생슬러지와 실험군으로 3 W/mL energy density로 30분간 초음파 전처리된 생슬러지를 사용하였다. MEC 운전성능을 비교하기 위하여 바이오가스 생산량, 유기물제거 등을 분석하였다. 결과 및 토의:초음파 전처리에 따른 슬러지 가용화도 실험결과, 에너지효율을 고려할 때 3W/mL, 30분 조건이 최적인 것으로 나타났다. 메탄 생산에서 MEC 3W (초음파 전처리를 수행한 MEC)가 1, 3 사이클에서 평균 4,790 mL/L로 MEC (전처리를 수행하지 않은 MEC) 243 mL/L 더 많이 생산되었다. Modified Gompertz model을 통한 모델분석에서 lag phase는 MEC 3W가 0.46일로 MEC에 비해 0.12일 길었으나 최대 메탄 생산속도가 938 mL/L/day로 더 높았다. 유기물 제거율은 MEC 3W가 대조군에 비해 TS는 1.8%, VS는 2.4%, COD는 2.0% 각각 더 높았다. 메탄 수율은 377.4 mL/g VSin으로 초음파 전처리를 수행하지 않은 MEC에 비해 0.4% 높았다. 결론:MEC에서 초음파전처리한 슬러지를 기질로 사용하여 메탄가스 발생량과 유기물 제거율의 증가가 가능하였다. 향후 전처리가 적용된 하수슬러지를 기질로 하여 최고의 운전성능을 보여주기 위한 최적의 전처리 방법을 찾는 후속 연구가 필요하다.