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Microwave를 이용한 폐활성슬러지의 가용화 반응에서 강산과 이온성 물질의 첨가가 미치는 영향
이정민(Jeong Min Lee?),이재호(Jae Ho Lee),임지성(Ji Sung Lim),김영우(Young Woo Kim),변임규(Img Yu Byun),박태주(Tae Joo Park) 大韓環境工學會 2015 대한환경공학회지 Vol.37 No.1
폐활성슬러지의 감량화 및 혐기성소화 효율 향상을 위한 가용화 기술로 microwave (MW)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. MW에 의한 가용화는 유전가열에 의해 가열적, 비가열적 효과 및 이온성 전도를 유도하여 매우 짧은 시간에 반응이 일어나므로 폐활성슬러지의 가용화에 효과적으로 적용될 수 있다. 본 연구에서는 폐활성슬러지 가용화에 대해 전도 가열대비 MW의 우수성을 평가하였고, 고출력 조건에서 수행된 기존 연구들과 달리 저출력 조건에서 MW의 효율 향상을 위해 강산인 H₂SO₄ 및 이온성 물질인 CaCl₂, NaCl을 촉매로 이용하였다. 전도 가열 대비 MW를 이용한 폐활성슬러지의 가용화 효율은 50℃ 조건에서 6.2배, 100℃ 조건에서 1.4배 높게 나타났으며, 본 연구의 MW 저출력 조건에서 최대 COD 가용화율은 10.0%로 나타났다. 동일한 MW 출력 및 반응시간 조건에서 촉매물질인 H₂SO₄ 및 NaCl의 첨가를 통해 폐활성슬러지의 COD 가용화율이 18.1%, 12.7%로 증가하였으며, CaCl₂를 첨가하였을 경우에는 COD 가용화율이 10.7%로 MW의 효율에 향상에 효과가 없는 것으로 나타났다. 이는 가용화 효율을 향상시킬 것으로 예상된 CA₂+가 슬러지 가용화에 따라 발생하는 PO₄3-와 반응하여 침전물 형성에 소모되었기 때문으로 판단된다. 본 연구에서 MW 효율 향상을 위한 가장 적합한 촉매물질은 H₂SO₄인 것으로나타났으며, 0.2 M의 H₂SO₄를 첨가한 MW 조건이 폐활성슬러지의 가용화에 가장 효과적인 것으로 나타났다. The study of waste activated sludge (WAS) solubilization has been increased for sludge volume reduction and enhancing the efficiency of anaerobic digestion. Microwave (MW)-assisted solubilization is an effective method for the solubilization of WAS because this method can lead to thermal, nonthermal effect and ionic conduction by dielectric heating. In this study, the solubilization of WAS by MW heating and conductive heating (CH) was compared and to enhance the MW-assisted solubilization of WAS at low MW output power, chemical agents were applied such as H₂SO₄ as the strong acid and CaCl₂, NaCl as the ionic materials. Compared to the COD solubilization of WAS by CH, that by MW heating was approximately 1.4, 6.2 times higher at 50℃, 100 ℃, respectively and the highest COD solubilization of WAS was 10.0% in this study of low MW output power condition. At the same MW output power and reaction time in chemically agents assisted experiments, the COD solubilization of WAS were increased up to 18.1% and 12.7% with the addition of H₂SO₄ and NaCl, however, that with the addition of CaCl₂ was 10.7%. This result might be due to the fact that the precipitation reaction occurred by calcium ion (CA₂+) and phosphate ion (PO₄ 3-) produced in WAS after MW-assisted solubilization. In this study, H₂SO₄ turned out to be the optimal agent for the enhancement of MW efficiency, the addition of 0.2 M H₂SO₄ was the most effective condition for MW-assisted WAS solubilization.
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음식물쓰레기와 전처리한 폐활성슬러지의 혼합비율에 따른 생물학적 수소생산
이준철(Jun Cheol Lee),김재형(Jae Hyung Kim),최광근(Kwang Keun Choi),박대원(Dae Won Pak) 大韓環境工學會 2007 대한환경공학회지 Vol.29 No.9
본 연구는 대표적인 유기성 폐기물인 음식물쓰레기와 폐활성슬러지를 처리함과 동시에 수소를 생물학적인 방법으로 생성하기 위하여 운전인자인 가용화 방법, pH, VFAs 및 음식물쓰레기와 폐활성슬러지의 최적 혼합비율을 도출하고자 하였다. 폐활성슬러지의 수소 생성량을 높이기 위해 다양한 가용화 방법을 적용하여 그에 따른 수소 수율을 비교한 결과 알칼리와 초음파처리 한 병합처리에서 4.3 mL H₂/g VSconsumed로 가장 높았으며, 음식물쓰레기와 가용화 된 폐활성슬러지를 혼합한 경우에도 병합처리 한 가용화 방법에서 수소 수율이 13.8 mL H₂/g VSconsumed로 가장 높았다. 또한 pH는 5.0∼5.5에서 운전시 가장 높은 수소 생성량을 보였으며, 음식물쓰레기와 가용화 된 폐활성슬러지의 최적 혼합비율은 2 : 1에서 수소 생성량이 5.0 L H₂/L/d로 가장 높았다. 생물학적 수소 생성이 많을수록 VFAs는 프로피온산의 농도가 낮았고, 부티르산이 아세트산보다 높은 비율로 생산되었다. In this study, Bio-hydrogen is produced from organic waste mixtures containing food waste and waste activated sludge(WAS). The effects of different operational factor on hydrogen production, including various solubilization methods for pretreatments of WAS, pH and different ratios of food waste and WAS, were investigated. The highest hydrogen production values are obtained as 4.3 mL H₂/g VSconsumed in the case of applying the mixed pre-treatments of alkali and ultrasonic. The pH value in bio-reactor increased from 4 to 8 after the ultrasonic treatment with alkali and the hydrogen yield touched its highest value in the pH range of 5.0 to 5.5. Similarly, the hydrogen production reached the level of 13.8 mL H₂/g VSconsumed using the same pre-treatment method from the mixture of food waste and WAS. The ratio of 2 : 1 produced a maximum amount of hydrogen of 5.0 L H₂/L/d. The amount of volatile fatty acids(VFAs) including acetate, propionate and butyrate, were also varied considerably. Propionate decreased consistently with rising of hydrogen while butyrate comparing to acetate relatively increased in the effluent.
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폐활성슬러지와 분뇨의 S/I 비에 따른 혐기성 소화 특성에 관한 연구
이관용,이성준,오두영,김대기,박기영 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2014 No.2
하수슬러지를 비롯한 유기성 폐기물의 해양투기는 2013년 이후부터 전면 금지되었으며, 이를 육상처리하기 위한 방법들이 다각도로 연구되고 있다. 특히 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법은 하수슬러지 등의 감량화 뿐만 아니라 부산물로 발생되는 바이오가스(CH<sub>4</sub>, CO<sub>2</sub>)를 이용한 에너지화 공정으로 알려져 있다. 오랜 세월 동안 혐기성 소화를 이용한 다양한 유기성 폐기물의 처리가 진행되어 오면서 공법과 운전 기술의 발달로 세계 각국에서 활용하고 있지만 유기성 폐기물의 다양성과 특성의 변화에 따라 혐기성소화조 환경에 일률적인 적용이 쉽지 않다. 따라서 다양한 유기성 폐기물에 맞는 혐기성소화 조건의 확립이 중요하다 할 수 있다. 본 연구에서는 유기성 폐기물 중 폐활성슬러지와 분뇨의 기질과 혐기성소화 미생물의 비(ratio)에 따른 혐기성 소화특성에 대한 연구를 하고자 하였으며, 각 유기성 폐기물에 따른 적절한 미생물 비를 알아보고자 하였다. 이를 위해 각 기질과 혐기성소화 미생물의 비를 0.3, 0.5, 1, 2, 5로 조절하여 메탄 잠재량 분석방법(BMP; Biochemical Methane Potential)을 통하여 바이오가스 생산량 비교와 메탄 생산량 등을 분석하였다. 또한 전처리에 의한 고형물 감량 효과를 측정하기 위하여 휘발성 고형물 감량율(VSR; Volatile solid reduction)을 분석하였다. 분뇨의 경우 기질과 혐기성 미생물 비가 가장 낮은 0.3일 때 바이오가스 누적량이 가장 높은 약 320 mL/g-VS으로 나타났으며, 폐활성슬러지의 경우 역시 기질과 혐기성소화 미생물비가 가장 낮은 0.3일 때 약 550 mL/g-VS의 바이오가스 발생량을 보였다. 혐기성소화 바이오가스 발생에 있어 기질과 미생물의 비에 따라 최종 바이오가스 발생량이 달라질 수 있으며, 이에 따라 적절한 기질과 미생물 비를 고려한 운전이 주요할 것으로 판단된다.
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혐기성 소화를 위한 폐활성슬러지의 초음파와 알칼리 전처리
박인근(In Geun Park),손한형(Han Hyung Son),이채영(Chae Young Lee) 유기성자원학회 2018 유기물자원화 Vol.26 No.2
가수분해반응에서 율속 단계가 되어 수리학적 체류시간이 길어지고 처리 효율이 떨어지며 불안정한 처리 및 대규모 소화조 크기에 문제가 발생한다. 따라서 처리효율을 높이기 위해서는 하수 슬러지를 방해하는 요소들에 대해 혐기성 소화를 최소화하기 위한 전처리가 필요하며, 본 연구에서는 폐수 처리공정에서 초음파 및 알칼리 처리를 이용한 하수 슬러지의 분해 및 전처리효과를 검토하였다. 초음파 및 알칼리 전처리를 사용한 폐활성슬러지에 대한 혐기성 생분해도 분석결과 지체기의 시간이 감소하는 동안 누적 메탄 생산 및 메탄생성 속도가 증가하였다. 따라서 초음파 및 알칼리 전처리를 이용한 하수 슬러지의 전처리는 율속단계를 작용하는 가수분해단계에서 지체기를 포함한 반응 시간을 줄이고 메탄 생산 속도 및 최종 메탄 수율을 증가시켜 효과적으로 가속화할 수 있다. The hydrolysis of organic solid waste, such as sludge, is the rate-limiting step of the anaerobic digestion. The longer rate-limiting step lead to decrease of treatment efficiency and increase hydraulic retention time and anaerobic digester. Therefore, the pre-treatment has been applied for accelerating the hydrolysis step. This study was investigated the effects of pre-treatment of waste activated sludge using ultrasonic and alkaline integrated treatment simultaneously. The results showed the cumulative methane production and the methane production rate increased while the lag phase decreased. Therefore ultrasonic and alkaline integrated pre-treatment of waste activated sludge resulted in acceleration of hydrolysis step in anaerobic digestion.
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초음파가 폐활성 슬러지의 혐기성 소화에 미치는 영향(I) -초음파 및 알칼리 전처리를 이용한 폐활성 슬러지의 가용화-
한선기,이채영 유기성자원학회 2009 유기물자원화 Vol.17 No.1
본 연구에서는 혐기성 소화 성능 향상을 위해 초음파 및 알칼리 전처리에 의한 폐활성 슬러지의 가용화 효과를 조사하였다. 초음파 및 알칼리 전처리는 세포벽의 파괴로 인하여 모세관 흡입 시간을 증가시킬 뿐만 아니라 상등액의 용존성 화학적 산소요구량, 단백질 및 탁도 농도를 증가키는 것으로 나타났다. 알칼리와 초음파 전처리를 병행한 슬러지 가용화가 초음파 전처리만을 수행한 경우에 비해 용존성 화학적 산소요구량과 단백질 증가가 높은 것으로 나타났다. 알칼리와 초음파 전처리를 동시에 수행한 경우 폐활성 슬러지의 고형물 농도 증가에 따라 가용화 효율이 감소하는 것으로 조사되었다. The effect of ultrasonic and alkaline pre-treatments on waste activated sludge (WAS) disintegration was investigated for improved anaerobic digestion. As WAS was treated by either methods, longer capillary suction time (CST) was required due to the break-up of cell walls, and its supernatant demonstrated increase in soluble chemical oxygen demand (SCOD), protein content and turbidity. Ultrasonic process combined with alkaline pre-treatment demonstrated higher SCOD and protein content in the supernatant as compared with ultrasonic pre-treatment only. However, the degree of disintegration (DDCOD) of WAS decreased with increasing solid concentration as both WAS disintegration methods employed simultaneously.
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