[COWTT] 하수 슬러지 열가수분해 전처리를 통한 혐기소화 메탄생성 향상
저자: Jae-Min Choi, Sun-Kee Han, Chae-Young Lee, Biosource Technology 259[2018] 207-213
발행정보: Bioresource Technology
❏ 실험목적
- 하수슬러지의 열가수분해 전처리(THP) 최적조건 산정
- THP가 하수슬러지 내 유기물질 특성에 끼치는 영향 조사
- 연속실험을 통한 THP + AD 효율확인
- THP가 혐기소화조 내 생물군집에 미치는 영향 조사
❏ 실험재료 및 실험방법
○ 하수슬러지 식종
- 실험을 위한 식종슬러지는 H시의 하수처리장 내 소화조 유출수 사용
- 슬러지 pH: 6.9, 알칼리도: 2.2 g/L, VS: 19.3 g/L
- THP에 사용된 하수슬러지는 D시의 하수처리장에서 수집
Table 1. Characteristics of sewage sludge before and after thermal hydrolysis pretreatment
○ 열가수분해 전처리
- 열가수분해는 BKT 파일럿 장비(용량: 1ton/cycle) 사용
- TS 14.3%를 충족하기 위해 전처리 전 탈수처리
- 열가수분해는 반응온도 75~225℃, 반응시간 15~105 min 사이에서 진행(Table 2)
Table 2. Design matrix of RSM with CCD in the each thermal hydrolysis pretreatment
○ 실험설계
- 최적조건 산정을 위해 CCD(Central Composite Design) 방법론 적용
○ 회분 및 연속실험
- 회분실험: 200 mL 배양병에 기질이 혼합된 증류수와 식종슬러지가 9:1 의 비율이 되도록 주입, 5M의 NaOH와 3M의 HCl을 이용해 초기 pH 7.0으로 조정, 질소가스 이용하여 잔존기체 제거, 유리주사기를 사용하여 바이오가스 측정
- 연속실험: 3 L의 연속혼합식 탱크에서 수행, 효율 비교를 위해 2개의 반응조(R1, R2) 준비(R1 - 보통의 혐기소화실험, R2 - 전처리 후 혐기소화실험). 연속운전은 바이오가스 생산량 및 메탄함량이 각각 0.1 L/L·d, 및 40%가 되었을 때 시작. 연속혼합식 탱크는 150일간 운전되며 초기부하 1.4 kgCOD/m3·d에서 4.4 kgCOD/m3·d로 증가. 매일 샘플 측정 후 트리플 분석 시행
○ 분석방법
- COD, TS, VS, TN, TP ⇀ APHA 표준 시험법
- 휘발성유기산(VFAs) ⇀ 액체크로마토그래프 시험법
- 가스 조성 분석 ⇀ 가스크로마토그래프 시험법
- 누적메탄생산곡선 ⇀ 수정 곰페츠 등식
❏ 실험결과 및 토의
○ 최대 메탄수율을 위한 THP 조건 최적화
- 반응표면분석법을 통해 모델식 도출
- 모델식과 실험값의 상관성을 평가하기 위해 분산분석법(ANOVA) 이용
- 분산분석법 해석 결과(Table 3)
- 메탄수율에 대해 예측된 수치와 실험을 통한 수치가 일직선상에 거의 일치(Fig 1)
Table 3. ANOVA results for CH4 yield.
Fig 1. The correlation of predicted and experimental CH4 yields.
○ THP에 의한 하수슬러지 성질변화
- THP 전·후로 가벼운 분자의 분율이 높아지고 무거운 분자의 분율이 낮아짐으로써 고분자 물질이 저분자 물질로 전환됨을 알 수 있음(Fig. 3)
Fig 3. Characteristics of sewage sludge before and after THP in terms of molecular weight fraction
○ 최적조건에서의 THP 효율
- 혐기소화 시 전처리를 거친 실험에서 COD 제거율과 메탄수율이 더 높음을 보임(Fig. 5)
Fig 5. Variations of COD removal ate (a) and methane yield (b) with time in continuous reactors (R1: w/o pretreatment; R2: w/ pretreatment)
❏ 결론
- 반응표면방법론(RSM)을 이용하여 THP의 최적 운전조건 도출
- 반응온도: 180℃, 반응시간: 76min
- 하수슬러지에 존재하는 SMPs, EPS와 같은 물질들이 내화물질 생성없이 저분자 물질로 가수분해됨을 확인
- 열가수분해 전처리를 통해 혐기소화 슬러지 VS 감량 및 메탄생성량 향상 효과를 확인