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표제지
요약
목차
제1장 서론 12
1.1. 연구 배경 및 목적 12
1.2. 연구 내용 및 범위 12
제2장 이론적 배경 14
2.1. 혐기성 소화 14
2.1.1. 혐기성 소화의 원리 17
2.2. 생화학적 배경 20
2.2.1. 가수분해(Hydrolysis) 20
2.2.2. 산생성단계(Acidogenesis or Fermentation) 23
2.2.3. 메탄생성단계(Methanogenesis) 26
2.3. 혐기성 소화의 영향인자 28
2.3.1. 부하율 28
2.3.2. 소화조의 적정 용량 29
2.3.2. 기질의 발효 시간 및 교반 30
2.3.3. 휘발성 지방산 31
2.3.4. 영양물질 31
2.3.5. 미량물질 32
2.3.6. 온도 32
2.3.7. pH, Alkalinity 34
2.3.8. NH4+-N(이미지참조) 36
2.3.9. 황화물 독성 39
제3장 실험장치 및 방법 40
3.1. 실험재료 40
3.1.1. 식종슬러지 및 대상시료 40
3.1.2. 공정의 구성 및 운전 41
3.1.3. 유입조건 43
3.2. BMP test 44
3.2.1. BMP Test 목적 44
3.2.2. BMP Test 방법 45
3.3. Pilot plant 48
3.4. 분석항목 49
제4장 연구결과 및 고찰 50
4.1. 혐기소화의 공정 효율 50
4.1.1. 유입수의 수질 50
4.1.2. 공정의 처리수질 및 제거효율 51
4.2. BMP test 62
4.3. Pilot plant 64
제5장 결론 67
References 69
ABSTRACT 74
Table 2.1. Step of anaerobic digestion 16
Table 2.2. Advantage and disadvantage of anaerobic digestion 19
Table 2.3. Composition of protein 21
Table 2.4. Limiting anaerobic generation time(at 35℃) 30
Table 2.5. Optimal concentration range of trace element for anaerobic digestion 32
Table 2.6. The toxicity of the free mmonia according to the anaerobic digestion in NH4+-N concentration(이미지참조) 37
Table 3.1. Characteristics of sludge used for this study 40
Table 3.2. Characteristics of Digested sludge used for this study 43
Table 3.3. The purpose and advantage of BMP test 44
Table 3.4. Composition of the culture medium for BMP test 45
Table 3.5. Analytical methods for water quality analysis 49
Table 4.1. Influent characteristics for anaerobic high-rate digestion 50
Fig. 2.1. Anaerobic degradation steps (Malina and Pohland, 1992) 16
Fig. 2.2. Hydrolysis of carbohydrate 21
Fig. 2.3. Hydrolysis of peptide band 22
Fig. 2.4. Hydrolysis of lipid by bacteria exoenzyme(Left) and hydrolysis of lipid by bacteria saponification(Right) 23
Fig. 2.5. Acidogenic phase of glucose fermentation under low and high H₂ partial pressure to form acetic acid, propionic acid, H₂ gas and CO₂ 24
Fig. 2.6. ß-oxidation 25
Fig. 2.7. Effect of HRT and influent wastewater concentration on the volumetric organic loading of an anaerobic process(Pfeffer, J.T 1968) 29
Fig. 2.8. Relation of digestion efficiency and digester volumetric of an anaerobic process (Rankin, R.S.1948, Pfeffer, J.T 1968) 30
Fig. 2.9. Relative growth rate of psychrophilic, mesophilic and thermophilic methanogens (from van Lier et al., 1997) 33
Fig. 2.10. Relation of CO₂-HCO₃-pH(35℃) McCarty, P.L. (1964) 35
Fig. 2.11. Inhibition mechanism of Ammonia 38
Fig. 3.1. Schematic diagram of anaerobic digestion process 42
Fig. 3.2. Experimental steps of BMP test 46
Fig. 3.3. Experimental pictures for BMP test 47
Fig. 4.1. Change on pH, Alkalinity concentration at R1,R2 52
Fig. 4.2. Change on Ammonia concentration at R1,R2 52
Fig. 4.3. Change on pH, Alkalinity concentration at R3,R4 54
Fig. 4.4. Change on Ammonia concentration at R3,R4 54
Fig. 4.5. Change on TCODcr concentration at R1(이미지참조) 56
Fig. 4.6. Change on TCODcr concentration at R2(이미지참조) 56
Fig. 4.7. Change on TCODcr concentration at R3(이미지참조) 58
Fig. 4.8. Change on TCODcr concentration at R4(이미지참조) 58
Fig. 4.9. Change on VS concentration at R1 60
Fig. 4.10. Change on VS concentration at R2 60
Fig. 4.11. Change on VS concentration at R3 61
Fig. 4.12. Change on VS concentration at R4 61
Fig. 4.13. CH₄ accmulation production and yield through BMP test 63
Fig. 4.14. Change on pH, Alkalinity concentration 65
Fig. 4.15. Change on Ammonia concentration 65
Fig. 4.16. Change on TCODcr concentration(이미지참조) 66
Fig. 4.17. Change on VS concentration 66
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유기성폐기물을 처리하는 방법 중 혐기성 소화는 바이오 가스 생산과 폐기물의 안정화라는 장점으로 많이 사용되고 있으나, 혐기성 소화의 단점으로는 소화조내의 높은 알칼리도가 형성되면 pH증가와 함께 고농도의 암모니아가 형성되고 소화조내의 메탄형성 박테리아의 활성도가 저화가 된다. 그러므로 고농도의 유출수를 처리하기 위해 후처리 비용이 증가하게 되고, 메탄 발생이 저해가 된다.
기존 소화조의 단점을 극복하기 위해서는 질소와 알칼리도를 제어하는 것이 중요한데 이는 소화조 용량에 의해 제어가 되고, 이 조건이 질소에 의한 암모니아 독성으로부터 안전한 부하를 유지하는 것이 중요하다. 이때 용량에 적용되는 유기물 부하로부터 에너지를 회수 할 수 있는 조건이어야 한다.
본 연구에서는 생슬러지와 잉여슬러지에 대한 최적 혐기성 소화 방안에 관하여 연구, 검토함을 목적으로 하였으며, 슬러지의 혐기성 소화 방안은 아래의 4가지 방법을 채택하였다.
Reactor 1 :적정 부하율에서의 생슬러지의 혐기성 소화 방안
Reactor 2 :유기물 부하율 증가에 따른 생슬러지의 혐기성 소화 방안
Reactor 3 :적정 부하율 및 혼합비율에서의 생슬러지와 잉여슬러지의 최적 혐기성 소화 방안
Reactor 4 :적정 혼합비율의 생슬러지와 잉여슬러지의 유기물 부하율 증가에 따른 최적 혐기성 소화 방안
본 연구에서 적용되어진 Reactor I, II의 혐기성 소화 방법은 생슬러지만을 단독으로 혐기성 소화를 운영할 때 문제점을 파악해 보고, Reactor III, IV는 미생물의 활성도가 최적으로 유지되는 조건과 이를 기준으로 부하율을 증가시켰을 때 알칼리도와 질소의 측면에서 본 소화효율을 비교·검토하고자 하였다. 또한 BMP Test를 통해 대상 폐기물의 생성 가능한 메탄가스 잠재량을 확인하였다.
연구를 통한 기본성상과 유기물 제거율을 살펴본 결과, 반응조 R1은 유기물 부하율 1.6 kg VS/㎥·d로 유기물 제거율이 평균 21%로 가장 낮았다. 반응조 R2는 유기물 부하율을 3.2 kg VS/㎥·d로 반응조 R1(유기물 부하율 1.6 kg VS/㎥·d) 보다 유기물 제거율은 약 30%정도 효율은 좋았으나, 유출되는 소화조 내의 NH4+-N 농도가 평균 830mg/L로 소화조 내의 적정 NH4+-N 농도인 300~350mg/L를 크게 벗어남을 알 수 있었다. 반응조 R1,2은 1차슬러지만을 운영하면 소화조내의 C/N비가 낮아지기 때문에 소화조 내 질소가 축적되는 것으로 판단되어진다.
반응조 R3,4는 1차슬러지와 2차슬러지를 혼합하여 운영하였다. 그 결과 1차 슬러지의 높은 질소 부하를 2차 슬러지가 낮추어 주는 경향을 보여주었다. 반응조 R3은 유기물 부하율 1.86 kg VS/㎥·d로 유기물제거율이 44%(VS) 가장 높게 나오고, 소화조 내의 유출 NH4+-N 농도가 평균 337mg/L, Alk 2625mg/L as CaCO₃로 적정 농도 범위에 해당되었다. 반응조 R4은 유기물 부하율 3.72 kg VS/㎥·d로 유기물 제거율이 반응조 R3 보다 40%정도 낮게 나왔으며, NH4+-N , Alk는 높은 부하율로 인하여 적정 범위 농도 보다 더 높은 농도값을 나타내었다. 각 혐기소화조의 유출시료로 BMP test를 수행한 결과, 반응조 R3 (유기물부하율 1.8 kg VS/㎥·d)에서 메탄 수율 0.57L CH₄ /g VS, 메탄발생량 0.06L로 가장 높게 나옴을 알 수 있었다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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