음식물류폐기물의 중온 및 고온 혐기성 소화 시 철, 코발트, 니켈의 영향 :Effect of Fe, Co and Ni supplementation on the mesophilic and thermophilic anaerobic digestion of food waste

강장현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강장현 (강원대학교, 강원대학교 대학원)

지도교수: 안종화

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

음식물류폐기물의 중온 및 고온 혐기성 소화 시 철, 코발트, 니켈의 영향

강장현 환경공학과 2020.01 학위논문

2019

음식물류폐기물의 중온 혐기성 소화 시 코발트, 철, 니켈의 복합주입량 최적화

강장현 , 안종화 대한환경공학회 학술발표논문집 2019.12 학술대회자료

2018

중온 및 고온 혐기소화를 이용한 음식물류폐기물 처리 시 코발트가 미치는 영향

강장현 , 안종화 대한환경공학회 학술발표논문집 2018.11 학술대회자료

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음식물류폐기물의 양은 점차 증가하는 추세를 보인다. 현재 국내에서 유기성 폐기물의 직매립과 해양배출이 금지되어 혐기성 소화는 촉망받는 처리기술로 여겨진다. 음식물류폐기물은 주요한 영양소와 높은 생분해성을 가지고 있어 혐기성 소화에 적합한 기질이다. 그러나, 미량중금속의 함량이 낮으므로 혐기성 소화 공정의 실패로 이어질 수 있다. 일반적으로 공정에서 음식물류폐기물의 혐기성 소화 시 미량중금속의 보충은 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 음식물류폐기물의 혐기성 소화 시 Fe, Co 및 Ni를 주입하여 최적의 미량중금속 주입량 범위를 도출하고자 하였다.
Fe, Co 및 Ni를 독립변수로 설정하고 단위 부피당 바이오가스 발생량 또는 단위 부피당 메탄 발생량을 종속변수로 하여 수학·통계적 기법인 반응표면설계 중심합성법으로 분석하였다. 중온 및 고온에서 미량중금속의 주입량에 따른 영향을 알아보기 위해 미량중금속의 주입량을 다르게 설정하여 반응기가 안정화되기까지 중온소화에서는 33?38일, 고온소화에서는 47?56일 동안 반응을 진행하였다.
소화 후 미량중금속을 주입한 모든 반응기의 pH는 최적 범위인 6.4-8.2와 유사하게 나타났다. 총 휘발성 지방산은 358 mg as acetic acid/L이 모든 반응기 가운데 최대치로 반응기 내에 소화의 저해를 유발할 수 있는 농도인 500 mg as acetic acid/L 이하로 나타나 혐기성 소화에 큰 저해를 유발하지 않은 것으로 판단하였다. Fe와 Co를 복합으로 주입한 중온소화 시 중심합성법을 이용하여 중온소화에서 [Co, Fe] = [0.23, 4.9]에서 최적점이 도출되었다. 고온소화에서는 주입 농도가 [Co, Fe] = [1.8, 134.7]에서 최적점이 도출되었다. Fe, Co 및 Ni 3개 인자를 독립변수로 하여 단위 부피당 누적 CH4 발생량에 대해 분석한 결과, 최적화를 통해 확인한 최적의 미량중금속 주입량은 중온소화에서 [Co, Ni, Fe] = [0.44, 0.09, 6.34]의 농도에서 최적점이 나타났다. 고온에서는 [Co, Ni, Fe] = [2.34, 5.63, 154.4]의 농도에서 단위 부피당 누적 CH4 발생량의 최적점이 나타났다.

The amount of food waste has been gradually increased. Nowadays, ocean dumping and burying in a landfill have been prohibited since 2005 and 2013 respectively. Therefore, anaerobic digestion is regarding as promising disposal technology. Food wastes are highly desirable substrate for anaerobic digestion because it have major nutrients and biodegradability. However, it could lead to the failure of the anaerobic digestion because food wastes generally have insufficient concentration of trace metals. Supplementation of trace metal is considered as essential strategy for enhancing process of anaerobic digestion of food wastes. In this study, therefore, Fe, Co and Ni were supplemented in the mesophilic and thermophilic digestion to evaluate the effects of multi trace metals on anaerobic digestion of food wastes. The central composite design of the response surface methodology were used to exam the specific biogas production and methane production as dependent variables by setting Fe, Co and Ni as independent variables. The reactors were operated until the pressure in them stopped increasing: MD (35℃) for 33-38 days and TD (55℃) for 47-56 days. The pH of all digesters supplemented trace metals were similar to that of 6.4-8.2 which is the optimum range of a preliminary study. The concentration of TVFA in all digesters was highest at 358 mg as acetic acid/L and it was satisfied with concentration less than 500 mg as acetic acid/L that did not interfere for anaerobic digestion. Within the design boundaries analyzed for central composite design, the optimal range was derived at [Co, Fe] = [0.23, 4.9] in the mesophilic digestion injecting multiple mixture of cobalt and iron that the specific methane production was achieved 5.15 L/L. In the thermophilic digestion, the maximum specific methane production was about 5.15 L/L in the optimal point which was [Co, Fe] = [1.8, 134.7]. Based on the analysis of specific biogas production set 3 factors cobalt, iron and nickel as independent variables, optimal range of trace metals was at [Co, Ni, Fe] = [0.44, 0.09, 6.34] which reached 8.49 L/L for the specific biogas production in the mesophilic digestion. In the thermophilic digestion, the specific biogas production was 8.99 L/L in the optimal point of [Co, Ni, Fe] = [2.34, 5.63, 154.4].

#니켈 #메탄 #바이오가스 #반응표면분석법 #중온소화 #철 #코발트 #혐기성소화 #고온소화

목 차
List of Tables ⅴ
List of Figures ⅵ
I. 서론 1
II. 문헌연구 3
2.1 유기성폐기물 3
2.1.1 유기성폐기물 특성 3
2.1.2. 유기성폐기물 발생 및 처리현황 3
2.1.3. 음식물류폐기물 4
2.2 미량중금속 4
2.2.1. 철 (Fe) 5
2.2.2. 코발트 (Co) 5
2.2.3. 니켈 (Ni) 6
2.3. 혐기성소화 6
2.3.1 혐기성 소화 메커니즘 6
2.3.2 중온 및 고온소화 7
2.4. 반응표면분석법 설계 8
2.4.1. 반응표면설계 8
2.4.2 반응표면설계 분석 9
2.4.3. 중심합성법 9
III. 실험재료 및 방법 11
3.1 대상 시료 11
3.2. 연구 방법 12
3.2.1. 생화학적 메탄가능성 실험 12
3.2.2. 분석방법 12
3.2.3. 가스크로마토그래피 13
IV. 결과 및 고찰 14
4.1. 미량중금속 14
4.2. Fe를 단독으로 주입한 중온 소화 및 고온소화 15
4.2.1. 바이오가스 15
4.2.2. CH4 16
4.2.3. pH 및 알칼리도 17
4.2.4. 휘발성 지방산 18
4.2.5. 휘발성 고형물 19
4.3. Fe와 Co를 복합적으로 주입한 중온소화 및 고온소화 22
4.3.1. 바이오가스 22
4.3.2. CH4 24
4.3.3. pH 및 알칼리도 25
4.3.4. 휘발성 지방산 25
4.3.5. 휘발성 고형물 26
4.3.6. 중온 및 고온소화 시 Fe 및 Co 주입 농도에 따른 최적점 27
4.4. Fe, Co 및 Ni를 주입한 중온 및 고온소화 36
4.4.1. 바이오가스 36
4.4.2. CH4 38
4.4.3. pH 및 알칼리도 38
4.4.4. 휘발성 지방산 39
4.4.5. 휘발성 고형물 41
4.4.6. 중온 및 고온소화 시 Fe, Co 및 Ni 주입 농도에 따른 최적점 42
4.5 미량중금속 주입 농도에 따른 상호작용 고찰 48
V. 결론 49
VI. 참고문헌 50
Abstract 54
본 연구 관련 연구실적 56

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