수열액화를 이용한 하수슬러지의 지질회수 효율 증대 및 잔류물의 연료특성 = Enhancement of Lipid Recovery Efficiency from Wastewater Sludge by Hydrothermal Liquefaction and Fuel Properties of Extraction Residue

국문 초록 (Abstract)

생활의 질적 향상은 생활하수의 증가를 가져왔고 그에 따라 하수처리 시설 및 하수 슬러지 발생량도 증가하였다. 증가한 하수 슬러지는 에너지 자원화의 원료로서 재평가 받고 있으며, 다양한 방법이 연구 되고 있다. 그 중 한 방법은 하수 슬러지를 바이오 디젤의 원료로서 활용하는 것이다. 이와 같은 하수 슬러지 내의 지질성분을 이용하여 바이오디젤을 생산하는 기술은 연구 과정에 있으며 많은 연구를 필요로 한다. 또한 하수 슬러지를 이용한 바이오 디젤 생산에서 수율을 높이기 위해서는 하수 슬러지 내의 지질 회수 효율을 높일 필요성이 있다고 판단된다.
하수 슬러지는 종류별 및 처리시설 별로 각각의 특성이 다르지만 평균 함수율 80%(탈수케익 기준)의 고함수율을 갖고 있으며 평균 10~15%의 지질성분을 함유하고 있는 것으로 알려져 있다. 하수슬러지를 이용한 지질추출 회수율은 1차 슬러지의 경우 7.56~14.01%, 2차 슬러지의 경우 5.35~11.55% 등으로 포함된 지질성분에 비해 낮은 회수율을 보이고 있다. 이에 따라 하수 슬러지의 지질 회수효율 향상을 위한 전처리가 필요하다고 판단된다. 또한 1차 슬러지와 달리 2차 슬러지와 소화슬러지의 지질성분은 주로 미생물막의 세포벽에 포함된 성분으로 이를 분해 후 회수하기 위한 전처리가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 적정한 전처리 방법이 필요하며 하수 슬러지와 같은 수분 함량이 높은 시료의 경우 수분함량에 제약이 적은 전처리 방법이 적절하며 그 방법으로 수열액화(Hydrothermal Liquefaction, HTL) 처리가 최적이라고 판단된다. HTL 전처리에 앞서 적정 반응 온도를 찾기 위한 실험을 진행하여 적정온도를 200 ℃로 설정하였고, 200 ℃ 기준으로 하수 슬러지의 종류별 HTL 전처리 후 지질 회수효율을 평가하였다. 실험 결과 2차 슬러지와 소화 슬러지에서 HTL 반응에 의해 지질 회수효율이 225 %, 235 % 증가함을 확인할 수 있었다.
추출 한 지질을 통해 바이오 디젤을 회수하여 성상을 분석하였고, 분석 결과 FAMEs (Fatty Acid Methyl Ester)의 혼합물 중 C16과 C18의 FAMEs 성분이 주를 이루고 이는 팜유를 통해 회수한 바이오 디젤 성상과 유사함을 확인 할 수 있었다. 또한 FAMEs 의 함량이 25.5 %로 기타 문헌들에서 보고 된 함량과 유사하거나 더 높은 결과값을 보임을 확인 하였다.
또한 하수 슬러지의 지질 성분을 회수하여 바이오 디젤을 생산하면 슬러지의 잔류물이 남게 되고 그 양이 고형물 기준 약 80 %임을 확인 할 수 있었다. 따라서 잔류물의 처리·처분을 위한 특성분석을 진행하였으며 그중 연료화 특성에 초점을 맞춰 고형연료로서의 평가를 시행해 보았다. 잔류물의 공업분석 및 원소분석, 발열량, FT-IR 측정 결과 고형연료로서의 활용하기엔 미비한 특성을 보임을 확인할 수 있었다. 그렇기 때문에 잔류물의 고형연료화를 위해서는 보다 많은 연구가 필요 하다고 판단 할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As quality of life was improved, people produced more domestic sewage, and in turn, more sludge from wastewater treatment plants. Currently, the increased sewage sludge is being reconsidered as a source of energy and studied in various ways. One of such is to utilize sewage sludge as a fuel to produce biodiesel. The technology to produce biodiesel by extracting lipids from sewage sludge is currently being in the laboratory stage and more research is needed. And the efficiency of lipid recovery should be improved so that biodiesel produced from sewage sludge will have higher yield.
While sewage sludge has difference features depending on its types and treatment plants, its water content is an average of 80% compared to a dehydration agent and known to have 10 to 15% of lipid components on average. The lipid recovery rates for the first and second steps in a sludge treatment process are at 7.56 to 14.01% and 5.35 to 11.55%, respectively, relatively lower than its lipid content. Therefore, it is necessary to facilitate pretreatment to improve the efficiency of lipid recovery from sewage sludge. Since the lipids of digested sludge and sludge in the second step, unlike those in the first step, contain the elements often found in the cell walls of microbial film, pretreatment is needed to recover the lipids after decomposition. That is why proper pretreatment is needed. Like sewage sludge, if sludge has high water content, the pretreatment measures, which do not limit the content of water, will be proper. That is why Hydrothermal Liquefaction (HTL) is determined to be the most appropriate method. Before proceeding with HTL, we conducted an experiment to find a proper temperature level for reaction and set it at 200︒C. After HTL, we checked the lipid recovery efficiency of various types of sludge at 200︒C. The result showed that HTL pretreatment raised the recovery efficiency of digested sludge and sludge in the second step by 225% and 235%, respectively.
We recovered biodiesel from extracted lipids and analyzed its features, and the results indicated that among the mixtures of FAMEs (Fatty Acid Methyl Ester), most consists of FAMEs of C16 and C18, of which the features were similar to that of biodiesel recovered from palm oil. We also found out that the percentage of FAMEs was 25.5%, similar to or higher than the figure from other studies.
In addition, biodiesel created from the recovered lipids in sewage sludge left its residues, which account for 80% of the average solid matter. Therefore, we continued to analyze the features before treatment and disposal of the residues, and evaluated them to find out whether they can be used as a solid fuel by focusing on their feature as a fuel. After completing proximate and ultimate analysis as well as measuring heating values and FT-IR of the residues, we found out that the residues were insufficient to be used as a solid fuel. Therefore, we concluded that further research should be conducted to produce a solid fuel from sewage sludge. sludge.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 제 1절 연구배경 1
• 제 2절 연구목적 2
• 제 2장 이론적배경 3
• 제 1절 하수슬러지 3
• 1. 하수슬러지의 발생현황 3
• 2. 하수슬러지의 특성 6
• 3. 하수슬러지의 에너지 잠재량 9
• 제 2절 Hydrothermal Liquefaction 11
• 1. 가압열수 처리 이론 11
• 제 3절 바이오디젤 17
• 1. 바이오디젤의 특성 17
• 2. 바이오디젤 사용현황 20
• 제 3장 실험 및 방법 23
• 제 1절 실험 개요 23
• 제 2절 실험 재료 23
• 제 3절 실험 장치 및 방법 25
• 1. Hydrothermal liquefaction(HTL) 반응기 25
• 2. HTL 실험 조건 26
• 3. 지질추출 실험 27
• 4. 바이오디젤 추출 31
• 5. 발열량 32
• 6. 원소분석 33
• 7. 공업분석 34
• 8. FTIR 36
• 제 4장 결과 37
• 제 1절 지질회수 효율 평가 37
• 1. 용매에 따른 지질회수율 비교 37
• 2. 슬러지 종류별 지질회수율 비교 39
• 제 2절 Hydrothermal Liquefaction 처리 40
• 1. Hydrothermal Liquefaction 처리 최적 온도 설정 40
• 2. Hydrothermal Liquefaction 처리에 따른 슬러지 종류별 지질회수율 41
• 제 3절 바이오디젤 42
• 제 4절 잔류물 분석 45
• 1. 화학분석(원소분석, 공업분석) 45
• 2. 발열량 50
• 3. FT-IR 52
• 4. TGA 55
• 제5장 결론 60
• 참고문헌 62
• 국문초록 65