Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 2, April 2012, 228-231
228
판지슬러지와 하수슬러지를 이용한 혐기성 처리 공정에서 메탄 생산
최석순
†
⋅이현민⋅정태영*⋅염승호**세명대학교 바이오환경공학과, *연세대학교 환경공학부, **강릉원주대학교 생명화학공학과 (2012년 1월 31일 접수, 2012년 2월 3일 수정, 2012년 2월 6일 채택)
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Methane Production from the Mixture of Paperboard Sludge and Sewage Sludge in an Anaerobic Treatment Process
Suk Soon Choi
†
, Hyun Min Lee, Tae-Young Jeong*, and Sung Ho Yeom**Department of Biological and Environmental Engineering, Semyung University, Jecheon 390-711, Korea
*Division of Environmental Engineering, Yonsei University, Wonju 220-710, Korea
**Department of Biochemical Engineering, Gangneung-Wonju National University, Gangneung 210-702, Korea (Received January 31, 2012; Revised February 3, 2012; Accepted February 6, 2012)
본 연구에서는 혐기성 생물 반응조에서 35일 동안 배양된 하수슬러지와 판지슬러지를 혼합한 후, 초음파 파쇄기를 이 용한 고농도 유기성 폐기물의 회분식 혐기 소화 공정에서 메탄 생산 특성이 고찰되었다. 초음파 파쇄기의 진폭이 높아 질수록 Soluble Chemical Oxygen Demand (SCOD)가 증가함으로써 판지슬러지의 효과적 가용화가 이루어졌다. 또한, 메탄 생산성 향상을 위한 초음파 파쇄기의 최적 진폭이 142.5 µm임을 구하였으며, 혐기소화 기간이 길러질수록 메탄 생산량은 증가하였다. 그리고, 바이오매스 변화(6000, 9000, 12000 mg/L)에 의한 혐기성 소화처리가 이루어졌을 때, 미 생물 농도가 높아질수록 메탄 생산량이 모두 증가함을 알 수 있었다. 이러한 실험 결과들은 판지슬러지와 하수슬러지가 혼합된 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 공정에 의한 메탄 생산성을 향상시키는 자료로 활용될 수 있을 것이다.
In this work, the mixture of sewage sludge incubated in an anaerobic bioreactor for 35 days and paperboard sludge was treated in a batch anaerobic digester equipped with a ultrasonicator, and methane production during the treatment was investigated. The Soluble Chemical Oxygen Demand (SCOD) increased with increasing the amplitude of ultrasonicator, which help solubilizing paperboard sludge more effectively. The optimum amplitude of ultrasonicator for the enhancing methane productivity was found to be 142.5 µm and the methane production amount increased as the anaerobic digestion period became longer. In addition, the anaerobic digestion was performed with various biomass (6000, 9000 and 12000 mg/L) and methane production increased with higher cell mass. These results will be used as valuable data to enhance the methane production from anaerobic digestion of the high concentration of organic wastes containing the paperboard sludge and sewage sludge.
Keywords: methane production, paperboard sludge, sewage sludge, ultrasonicator, anaerobic treatment process
1. 서 론
1)
각종 산업의 급속한 발전과 함께 인간의 생활수준과 인쇄기술이 지속적인 발달로 인하여, 종이의 사용량이 증가하고 있다. 대표적 종이 다소비 국가들로서 미국, 중국, 일본, 독일에서는 연간 각각 9200, 4300, 3100, 1900 만톤의 종이를 사용하고 있으며, 2020년에는 현재 수준의 약 2배의 종이 소비량을 예측하고 있다[1]. 이러한 종이 를 생산하기 위하여 펄프와 제지 산업의 다양한 공정에서는 여러 가 지 고형폐기물과 슬러지를 발생시킨다[2].
제지 슬러지 처리 방법에서는 소각, 매립, 퇴비화, 혐기발효, 열분 해, 토양개량제로 재활용 및 particleboard로 재활용에 관하여 연구들
† 교신저자 (e-mail: [email protected])
이 진행되었으나[3-8], 아직까지 제지슬러지의 처리문제로 인하여 많은 제지회사들이 어려움을 겪고 있으며 이를 해결하기 위하여 적 절한 기술의 도입 또는 개발을 통하여 최적의 처리방안을 모색하고 있다[1]. 또한, 펄프 및 제지슬러지의 생물학적 처리 공정에서 발생 되는 슬러지들은 낮은 건조 고형물 함량으로 인하여 추가적인 농축 공정을 거친 후, 슬러지 소각 처리가 이루어지고 있으며, 또한 제지 슬러지를 매립할 경우에는 많은 부지가 필요하고 유해물질이 침출 될 수 있다는 문제들을 가지고 있다[2]. 따라서 이러한 제지슬러지 의 문제점들을 해결하기 위한 새로운 생물학적 처리 기술이 요구되 고 있다.
현재까지, 혐기성 소화는 하수 슬러지, 농업 폐기물 및 각종 산업
폐기물과 같은 여러 가지 유기성 고형 폐기물을 처리에 사용되었다
[9,10]. 이러한 혐기성 소화는 생물학적 처리 중에서 높은 에너지 회
판지슬러지와 하수슬러지를 이용한 혐기성 처리 공정에서 메탄 생산 229
Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 2, 2012 Figure 1. A schematic diagram of anaerobic sludge bioreactor.
수가 공정에 연결되었으며, 환경에 대한 영향이 제한적이기에 경제 적이라고 알려졌다[9,11].
한편, 국내에서 하수슬러지는 건조, 감량화, 소각, 탄화, 퇴비화 등 다양한 분야의 하수슬러지 처리기술이 개발 또는 도입되고 있으나, 다양한 기술의 안정성을 입증할 만한 충분한 자료가 제공되지 못하 고, 그 결과 개발된 기술이 제대로 현장에 적용되지 못하고 있다 [12]. 따라서 하수처리장에서 발생되는 하수슬러지에 대한 꾸준한 연구 및 pilot test를 통하여, 다양한 기술이 융합된 복합적 하수슬러 지 처리시스템의 개발이 이루어져야 할 것이다.
본 연구에서는 일정기간 동안 하수슬러지의 혐기성 처리 공정에 의하여 메탄 생산이 비교적 높게 유지되는 혐기성 균주를 배양하였 고 기질로서 제지슬러지 중에서 유기물 함량이 높은 판지슬러지를 사용하였으며, 회분식 혐기성 처리에서 바이오가스인 메탄의 생산 특성에 대하여 고찰하였다.
2. 실 험
2.1. 실험재료
본 연구에서는 제천시 하수처리장의 소화조액을 채취하였으며, 소화조액은 혼합 균주를 사용하였다. 실험에 사용된 혐기성 생물 배 양조는 지름 64 cm, 높이 26 cm, 부피 83.6 L인 아크릴 재질로서 원 통형으로 제작하여 사용하였다(Figure 1 참조). 이 혐기성 배양조의 working volume 은 54.7 L이며, 35 ℃ 중온에서 35일 동안 배양 후 종 오니(Seed sludge)로 사용하였다. 기질은 잉여 슬러지를 농축한 하수 슬러지를 사용하였다. 그리고, 판지 슬러지는 경기도 오산시 판지 제조 공정의 폐수처리장에서 배출되는 것을 사용하였다.
또한 판지슬러지는 초음파 파쇄기(VC 750 HV, Sonics Inc. USA) 를 이용하여 20 KHz 주파수, 15 min간 파쇄 공정을 수행하였으며, 파쇄 된 판지슬러지는 35일 동안 배양된 혐기성 균주와 혼합하여 125 mL serum bottle을 이용한 회분식 혐기 소화 공정이 수행되었다.
2.2. 실험장치 및 분석방법
본 실험에서는 125 mL serum bottle에 종 오니와 판지슬러지를 각
Table 1. Environmental Characteristics of Paperboard Sludge Analysis item Concentration (mg/L)
MLSS 32,750 TCOD 24,020
T-N 159.79
T-P 7.9
각 40 mL 부피로 혼합하였으며, Head-space를 질소로 치환한 후 bottle 을 밀봉하였다. 이 밀봉된 bottle을 이용하여 고농도 판지슬러 지의 혐기성 처리 반응을 수행하였다.
이러한 회분식 혐기 처리에 의하여 발생된 바이오가스를 분석하 기 위하여, 5 mL 주사기를 사용하여 샘플을 채취하였다. 여기서 발 생하는 총가스와 메탄 분석은 TCD-gas chromatograph (GC 6890N, Agilent Technologies, USA) 를 이용하였으며, 이때 carrier gas는 He이 고, oven과 detecter 온도는 각각 50, 200 ℃의 조건에서 분석이 이루 어졌다.
또한 판지슬러지의 환경적인 특성을 파악하고자, Standard Method [13] 에 의하여 Total Chemical Oxygen Demand (TCOD), Mixed Liquor Suspended Solid (MLSS), Total Nitrogen (T-N), Total Phosphorus (T-P)들을 분석하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다.
3. 결과 및 고찰
이 연구에서는 판지제조 공정에서 다량으로 발생되는 고농도 유 기성 슬러지를 효과적으로 처리하고자, 혐기성 생물 반응조에 잘 적 응된 하수슬러지를 이용한 혐기성 소화공정에서 메탄의 생산성 향 상을 위한 실험적 고찰이 이루어졌다.
Table 1 과 같이 판지 슬러지의 환경적 특성치를 파악한 결과, MLSS 와 TCOD가 각각 32750, 24020 mg/L를 나타냄으로써 고농도 유기성 바이오매스임을 알 수 있었다. 따라서, 35일간 배양된 혐기성 하수 슬러지의 기질로서 사용하기에 적합하다고 판단되었다. 또한, 총질 소와 총인은 각각 159.8, 7.9 mg/L로 분석되었기에 총질소가 총인과 비교하여 약 20배 높은 비교적 질소 성분이 높은 유기성 슬러지임이 파악되었다.
혐기성 생물 반응조에서는 기질로서 10000 mg/L glucose를 매일 하수슬러지에 주입하면서 35일 동안 생산된 메탄의 함량(%)을 고찰 하였다. Figure 2에 나타낸 것과 같이, 배양 14일에 도달하였을 때 40% 의 비교적 높게 메탄 함량을 나타내었다. 또한, 배양 31일에서는 50% 최대 메탄함량을 보였으며, 전체 배양 기간에서 평균 메탄 함 량은 45%를 보였다.
또한 35일 동안 잘 적응된 혐기성 메탄 생산 균주를 본 실험의 균 주로 사용하였으며, 판지슬러지 가용화를 위하여 초음파 파쇄기의 진폭변화(114, 143, 171, 200 µm)에 의한 SCOD를 관찰하였다(Figure 3 참조). 진폭이 커질수록 판지슬러지의 가용화가 효과적으로 이루 어졌기 때문에 SCOD 값이 증가되었다. 또한 200 µm 최고 진폭에서 슬러지 파쇄가 진행되었을 때, SCOD는 2340 mg/L를 보임으로써 control ( 초음파 파쇄를 하지 않음)과 비교하여 약 7.3배의 SCOD가 증가되었다. 그리고 143, 171 µm의 진폭에서는 거의 유사한 SCOD 를 나타내었으며, 진폭의 변화가 크게 이루어질 때 슬러지 가용화가 높게 이루어짐을 알 수 있었다.
초음파 파쇄기 진폭 변화(114, 143, 171, 200 µm)에 의한 6일 동안
230 최석순⋅이현민⋅정태영⋅염승호
공업화학, 제 23 권 제 2 호, 2012
Time (Day)
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
CH4 ( % )
0 20 40 60 80 100
Figure 2. Time Course of methane content for the cultivation of sewage sludge in the anaerobic bioreactor.
Amplitude (µm)
control 114 143 171 200
S COD (mg/L)
0 500 1000 1500 2000 2500
Figure 3. Effect of amplitude change on solubilization of SCOD (MLSS; 10000 mg/L).
Time (day)
1 2 3 4 5 6
C H 4 producti on (mL)
0 5 10 15 20 25 30
Control 114 µm 143 µm 171 µm 200 µm
Figure 4. Effect of amplitude change on methane production (MLSS;
10000 mg/L).
(a) Total biogas
1 2 3 4 5 6 15 16 17 18 19 20 21
T o ta l g as (m L )
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
6000 mg/L 9000 mg/L 12000 mg/L
(b) Methane
Time (day)
1 2 3 4 5 6 15 16 17 18 19 20 21
C H 4 pr oduct ion ( m L)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
6000 mg/L 9000 mg/L 12000 mg/L
Figure 5. Effect of cell mass on production of (a) total gas and (b) methane.
혐기성 소화 반응에 의한 메탄 생산량을 Figure 4에 나타내었다. 판 지 슬러지 소화 기간 중 모든 배양 일에서 143 µm로 진폭을 운전하 였을 때, 가장 높은 메탄 생산량을 나타냄으로써, 메탄 생산성 향상 을 위한 최적의 진폭임을 구할 수 있었다. 그러나 비교적 높은 171, 200 µm의 진폭 변화가 이루어질 때, 오히려 메탄 생산량이 감소하 는 경향을 나타내었다.
Figure 5 에 나타낸 것과 같이, 판지 슬러지의 혐기성 소화 반응에 서 바이오매스 변화(6000, 9000, 12000 mg/L)에 의하여 바이오가스 의 생산 특성을 고찰한 결과, 미생물 농도가 높아질수록 총바이오 가스와 메탄 생산량이 모두 향상됨을 알 수 있었다. 이러한 현상은 혐기성 소화조에서 35일 동안 적응된 혼합 균주인 메탄생산 세균들 이 고농도로 가용화된 슬러지를 기질을 매우 효과적으로 이용한다 고 판단되었다. 또한, 판지슬러지의 혐기 발효 과정에 의한 유기물 가수분해가 잘 진행됨으로써 효율적으로 유기산 생성이 잘 이루어 졌으며, 이어지는 메탄 생산과정에서 혼합 균주인 메탄생산 세균이 고농도 유기성 폐기물을 잘 분해함으로써 메탄의 생산량이 증가함 을 알 수 있었다. 그리고 19일 동안 혐기 소화반응이 진행되면, 정상
상태에 도달하였으며, 12000 mg/L의 미생물 농도로 21일 동안 운전
하였을 때, 메탄과 총 가스는 각각 38, 85 mL의 최대 생산량을 나타
내었다.
판지슬러지와 하수슬러지를 이용한 혐기성 처리 공정에서 메탄 생산 231
Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 2, 2012 본 실험에서 나타낸 결과들은 현재 각종 제지회사들이 고민하는
제지슬러지의 효과적 처리 방안이 될 수 있으며, 또한 하수슬러지와 제지슬러지가 결합한 hybrid 혐기성 소화 반응의 메탄 생산 기술로 서 활용될 수 있을 것이다.
4. 결 론
본 연구에서는 혐기성 생물 반응조에서 하수슬러지를 35일 동안 적응시켜서 메탄 평균 함량이 45%를 나타내었다. 이러한 하수슬러 지를 판지슬러지와 혼합한 후, 초음파 파쇄기를 이용하여 고농도 유 기성 폐기물의 회분식 혐기소화 공정에서 메탄 생산 특성을 고찰하 였다. 초음파 파쇄기 진폭이 높아질수록 SCOD가 증가함으로써 슬 러지 가용화가 효과적으로 이루어졌다. 그리고 메탄 생산성 향상을 위한 초음파 파쇄기의 최적 진폭이 142.5 µm임을 구할 수 있었다.
또한, 미생물 농도가 높아질수록 총가스와 메탄 생산량이 모두 향상 됨을 알 수 있었다. 따라서 본 실험 결과들은 판지슬러지와 하수슬 러지가 혼합된 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 처리 공정에서 고효 율 메탄 생산 시스템으로 활용될 수 있을 것이다.
참 고 문 헌
