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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

김선원 (인제대학교, 仁濟大學校)

지도교수
權五涉
발행연도
2020
저작권
인제대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수19

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

미생물전기화학기술(MET)을 이용한 돼지분뇨의 혐기성 소화 효율 최적화 연구
김선원 環境工學科 2020.01 학위논문

2017

공급전위변화에 따른 돼지분뇨 이용 미생물전기화학기반의 혐기성 소화공정 효율 비교
김선원 ,  유재철 ,  권오섭 대한환경공학회 학술발표논문집 2017.11 학술대회자료

초록· 키워드

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본 연구에서는 돼지분뇨를 대상으로 혐기성 소화효율을 개선할 수 있는 방법을 확보하기 위하여 볏짚과 돈분을 혼합한 혐기성 병합 소화 공정과 미생물전기화학기반의 혐기성 소화 공정 효율을 평가하였다. 먼저, 각기 다른 온도 (35℃ 및 45℃)에서 유기성 부산물인 볏짚의 첨가에 따른 돼지분뇨의 혐기성 병합 소화 효율을 비교하였다. 병합 소화 결과, 볏짚의 첨가로 COD와 TS, VS가 증가하였지만 제거효율은 볏짚을 첨가하지 않았을 때보다 높았다. 바이오가스의 발생량은 TR(45℃, 볏짚 첨가)에서 11,320 mL/L로 나타나 동일한 온도조건에서는 볏짚을 첨가한 경우가 2.4 ~ 2.8배 높게 나타났다. 또한 MR(35℃, 볏짚 첨가, 42.3%)와 TR(40.6%)의 바이오가스 중 메탄 성분비는 상대적으로 낮았지만, 바이오가스 발생량이 높아 MR(4,450 mL/L)와 TR(4,600 mL/L)의 메탄 발생량은 MN(35℃, 볏짚 미첨가, 2,528 mL/L)과 TN(45℃, 볏짚 미첨가, 2,973 mL/L)보다 1.5 ~ 1.8배 높았다. 하지만 볏짚 첨가 조건에서 메탄수율은 미첨가 시료에 비해 낮게 나타났다. 돼지분뇨에 첨가한 볏짚은 혐기성 병합 소화 시 바이오가스 발생량 증가에는 기여하지만, 온도조건에 따라 메탄 분율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
미생물전기화학기술(MET) 기반의 혐기성 소화실험은 서로 다른 전압(0.1 ~ 0.9V)을 적용하여 35℃의 중온조건에서 운전하였다. MET 기반의 혐기성 소화 시스템의 COD 제거율(69 ~ 72%) 및 TOC 제거율(76 ~ 79%)은 기존 혐기성 소화 시스템(COD 63% 제거, TOC 75% 제거)에 비해 개선되었다. M4(인가전압 0.7 V)에서 메탄생산성(2.96 m3-CH4/m3)과 메탄수율(0.75 m3-CH4/kg-VSremoved)이 가장 높았다. MiSeq 분석을 통해 소화 시스템의 부유미생물과 부착미생물(생물막)의 군집구조가 완전히 다르다는 것을 알았으며, 부유미생물 군집의 종 다양성은 부착미생물 군집보다 더 높았다. 아세트산 영양성 메탄생성균인 Methanosarcina flavescens는 생물막에서 20% 이상(특히, M4의 경우 55%)을 차지하여 가장 우점하여 본 실험의 혐기성 소화 시스템에서 주된 메탄 생성을 담당하는 것으로 나타났다. 따라서 전극과 낮은 전압은 메탄생산경로에 기여하는 미생물군집에 영향을 미쳐 메탄생성반응을 촉진하는 것으로 판단된다.

목차

TABLE OF CONTENTS
List of Tables ⅰ
List of Figures ⅳ
국문초록 ⅶ
Abstract ⅸ
Ⅰ. 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 5
Ⅱ. 문헌고찰 6
2.1 Biogas 생성과 혐기성 소화의 이론 6
2.1.1 Biogas 생성 단계 6
2.1.2 혐기성 소화공정의 문제점 및 개선방안 14
2.2 미생물전기화학기술 17
2.2.1 미생물전기화학기술 개요 17
2.2.2 미생물전기화학 기반의 혐기성 소화공정 19
2.3 메탄생성균 21
Ⅲ. 재료 및 방법 23
3.1. 볏짚과 돈분의 혐기성 병합소화 효율 비교 23
3.1.1 돈분 및 접종원 23
3.1.2 혐기성 소화조 운전 28
3.1.3 분석방법 31
3.2 MET 기반 혐기성 소화조 구축 및 운전조건 34
3.2.1 MET 기반의 혐기성 소화조 34
3.2.2 전위 및 온도변화에 따른 소화조 운전조건 36
3.2.3 분석방법 39
3.3 미생물 군집 분석 41
3.3.1 시료채취 41
3.3.2 DNA 추출 41
3.3.3 MiSeq 분석 41
Ⅳ. 결과 및 고찰 42
4.1. 볏짚과 돈분의 혐기성 병합소화 효율 비교 42
4.1.1 돈분의 혐기성 소화 성상 변화 42
4.1.2 바이오가스 발생량 44
4.1.3 메탄발생량과 수율 46
4.2 MET 기반 혐기성 소화 효율 50
4.2.1 공급전위 변화에 따른 돈분폐수의 성상의 변화 50
4.2.2 공급전위 변화에 따른 바이오가스 발생량 57
4.2.3 공급전위 변화에 따른 메탄 발생량 60
4.2.4 온도 변화에 따른 바이오가스 발생량 63
4.2.5 온도 변화에 따른 메탄 발생량 68
4.3 MET 기반의 혐기성 소화조 내 미생물 군집해석 73
4.3.1 전위 변화에 따른 미생물 군집변화 74
4.3.2 온도 변화에 따른 미생물 군집변화 76
4.3.3 미생물전기화학 혐기성 소화공정에서 예상 메탄생성경로 77
Ⅴ. 결론 83
Ⅵ. 참고문헌 86

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