KR101021898B1 - 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 조사함에 있어서 가스주입 및 pH 조절을 통해 유기성 폐기물의 가수분해 반응을 촉진시킴으로써 바이오가스의 생성 속도 및 수율을 향상시킬 수 있는 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법은 유기성 폐기물에, 초음파를 조사함과 함께 상기 유기성 폐기물 내에 가스를 주입하여 유기성 폐기물의 가수분해 반응을 촉진시키거나, 유기성 폐기물에, 초음파를 조사함과 함께 상기 유기성 폐기물의 pH를 최초 pH보다 낮도록 조절하여 유기성 폐기물의 가수분해 반응을 촉진시키는 것을 특징으로 한다.

유기성 폐기물, 가수분해, 초음파, 가스주입, pH 조절

Description

유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법{Method for enhancement of solubilization and disintegration of particulate organics in organic wastes by ultrasonication}

본 발명은 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파 조사 시 가스주입 및 pH 조절을 통해 유기성 폐기물의 가수분해 반응을 촉진시킴으로써 생물학적 처리 공정 적용 시 미생물의 반응 속도 및 수율을 향상시킬 수 있는 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고농도 유기성 폐기물의 호기성 및 혐기성 생물학적 처리 공정에서 미생물에 의한 반응속도가 느린데 가장 큰 이유는, 유기성 폐기물 내 존재하는 입자성 난분해성 유기물의 가수분해에 시간이 오래 걸리기 때문이다. 가수분해란 유기성 폐기물 내에 존재하는 입자성 물질이 용존화, 분해화되는 것을 일컬으며, 고분자 물질이 저분자화되는 것도 가수분해에 포함된다.

따라서, 생물학적 소화 공정의 율속 단계(rate limiting step)인 가수분해 반응을 촉진시킬 경우, 유기성 폐기물의 저감 효율 및 속도(호기성 생물학적 처리 공정 경우)와 바이오 가스 생성 효율 및 속도(혐기성 생물학적 처리 공정 경우) 증대를 가져올 수 있게 된다.

생물학적 처리 공정의 율속단계인 가수분해 반응을 촉진시키기 위하여 유기성 폐기물의 산 또는 알칼리 처리, 효소를 이용한 미생물 처리, 오존 처리, 열처리 등의 다양한 전처리 방법들이 적용된 바 있으나, 그 효과가 미미한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 초음파 조사 시 가스주입 및 pH 조절을 통해 유기성 폐기물의 가수분해 반응을 촉진시킴으로써 생물학적 처리 공정 적용 시 미생물의 반응 속도 및 수율을 향상시킬 수 있는 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법은 유기성 폐기물에, 초음파를 조사함과 함께 상기 유기성 폐기물 내에 가스를 주입하여 유기성 폐기물의 가수분해 반응을 촉진시키는 것을 특징으로 한다.

상기 가스는 불활성 가스, 산소를 포함하는 가스, 수소를 포함하는 가스 중 어느 하나 또는 이들이 혼합된 가스일 수 있으며, 또한, 상기 가스는 산소가 5vol% 이상 포함된 기체일 수 있다. 또한, 상기 유기성 폐기물은 5∼70℃의 온도로 유지될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법은 유기성 폐기물에, 초음파를 조사함과 함께 상기 유기성 폐기물의 pH를 최초 pH보다 낮도록 조절하여 유기성 폐기물의 가수분해 반응을 촉진시키는 것을 다른 특징으로 한다.

상기 유기성 폐기물은 pH 4.0∼8.5로 조절될 수 있으며, 상기 pH 조절에 사용되는 산(acid)은 HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄, H₂CO₃ 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명에 따른 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

초음파 조사와 함께 가스 주입 또는 유기성 폐기물의 pH 농도 조절을 병행함으로써 초음파 조사시 발생되는 열분해 반응 및 라디컬에 의한 반응이 극대화되어 유기성 폐기물의 가수분해 반응을 촉진시킬 수 있게 된다. 이를 통해, 유기성 폐기물의 생물학적 처리 공정 적용 시 미생물의 반응 속도 및 수율을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따른 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법은 유기성 폐기물에 초음파를 조사함과 함께 유기성 폐기물 내에 소정의 가스를 주입하거나 유기성 폐기물의 pH를 낮춤으로써 유기성 폐기물의 가수분해 반응(용존화 및 분해화)을 촉진시켜 궁극적으로 생물학적 처리 공정 적용 시 미생물의 반응 속도 및 수율을 향상시킴에 그 특징이 있다.

유기성 폐기물에 초음파를 조사하면, 크게 열분해 반응과 라디컬(radical)에 의한 반응이 일어난다. 상기 열분해 반응은 초음파 조사 시 공동기포(cavitation bubble)가 깨지면서 발생되는 에너지에 의해 유기성 폐기물이 열분해되는 반응을 일컬으며, 상기 라디컬에 의한 반응은 초음파 조사 시 공동기포 주변 경계 및 유기성 폐기물의 수용액 상에서 라디컬이 발생되는데 상기 라디컬에 의해 유기성 폐기물이 분해되는 반응을 일컫는다.

이와 같이, 유기성 폐기물에 초음파를 조사하면, 열분해 반응과 라디컬에 의한 반응으로 인해 유기성 폐기물의 가수분해가 일어나는데, 본 발명에서는 상기 열분해 반응과 라디컬에 의한 반응을 촉진시키기 위해 초음파 조사와 함께 다음의 두 가지 반응 조건을 추가함을 특징으로 한다. 즉, 열분해 및 라디컬에 의한 반응을 촉진시키기 위해 유기성 폐기물 내에 가스를 주입하고, 라디컬에 의한 반응을 촉진시키기 위해 유기성 폐기물의 pH를 낮추는 것이다. 이 때, 유기성 폐기물의 pH를 낮추는 이유는 pH가 높을수록 라디컬을 포집하는 스캐빈저(scavenger)인 알칼리도의 농도가 높아지기 때문이며, 상기 가스로는 불활성 가스, 산소를 포함하는 가스, 수소를 포함하는 가스 중 어느 하나 또는 이들이 혼합된 가스가 이용될 수 있으며, 산소를 포함하는 가스 내에는 5vol% 이상의 산소가 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열분해 반응 및 라디컬에 의한 반응을 촉진시키기 위해 부가적으로, 유기물 폐기물의 온도는 5∼70℃로 유지하고, 유기성 폐기물의 pH를 4.0∼8.5 로 유지하는 것이 바람직하며, pH 조절을 위한 산(acid)으로는 HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄, H₂CO₃ 중 어느 하나가 이용될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법을 상세히 설명하기로 한다. 제 1 실시예는 초음파 조사 및 가스 주입의 경우이며, 제 2 실시예는 초음파 조사 및 pH 조절의 경우이다.

제 1 실시예 : 초음파 조사 및 가스 주입

본 연구에 사용된 유기성 폐기물은 경기도 양평의 300톤/1일 이상 유입되는 축산폐수 처리장에서 채취한 축산폐수이며, 360㎛의 체로 고형물을 거른 후 시료로 사용하였다. 시료를 분석한 결과, pH 8.2, 알칼리도 7,060mg/L, 총유기물(TCOD) 9,210mg/L, 용존성 유기물(SCOD) 6,650mg/L로 나타났다. 또한, 초음파 조사가 가능한 초음파 반응조(sono-cell)는 처리용량 300ml의 원통형 유리 재질로 구성되어 있으며, 외부 가스 주입을 위한 산기관이 연결되어 있다.

이와 같은 상태에서, 상기 초음파 반응조 내에 시료를 넣고 시료의 완전 혼합을 위해 150mL/min의 속도로 순환시켰으며, 초음파 반응조의 온도는 20℃로 유지하였고, 초음파는 20kHz, 120W의 조건으로 60분간 조사하였다. 또한, 시료의 가수분해 반응의 촉진 여부를 확인하기 위해 시료가 채워진 4개의 초음파 반응조 내에 아르곤 가스, 공기, 산소 가스를 각각 100mL/min의 유속으로 주입하였다. 참고로, 하나의 초음파 반응조 내에는 가스를 주입하지 않았다. 이와 같은 조건 하에, 초음 파 반응조를 60분간 운전하였다.

<표 1> 시료의 용존화 및 분해화 증대 효율

	용존화 증대효율(%)	분해화 증대효율(%)
시료 1 : 가스 없음	22	63
시료 2 : 아르곤 가스	27	87
시료 3 : 공기	50	70
시료 4 : 산소	46	84

위의 표 1은 4개 시료의 용존화 및 분해화 증대 효율을 나타낸 것이다. 여기서, 용존화 증대효율은 실험 후 증가된 용존성 유기물(SCOD) 농도를 초기(실험 전) SCOD 농도와 비교하여 %로 계산하여 나타낸 것이고, 분해화 증대효율은 입자분석장치를 통하여 입자성 유기물의 평균 입자 사이즈의 감소를 초기 평균 입자 사이즈와 비교하여 %로 계산하여 나타낸 것이다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 산소가 포함된 가스를 주입한 경우 즉, 시료 3 및 시료 4의 경우 용존화 증대효율이 각각 50%, 46%로 아르곤 가스를 주입한 시료 2(27%)에 대비하여 용존화 증대효율이 상대적으로 높음을 알 수 있다. 이는 주입된 산소가 용존상태에서 열분해에 의해 O· 라디컬로 전환되어, OH·, H·, HOO· 등의 라디컬 형성을 증대시키기 때문인 것으로 나타났다.

분해화 증대효율에 있어서도 역시 가스를 주입한 시료 2, 시료 3 및 시료 4가 가스를 주입하지 않은 시료 1에 비해 분해화 증대효율이 상대적으로 높게 나타났다. 또한, 분해화의 경우 가스 내의 산소 유무에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 이는 초음파 조사시 생성되는 에너지에 의한 열분해 반응이 입자성 유기물의 분해화에 가장 큰 영향을 미치기 때문인 것으로 확인된다.

한편, 아르곤 가스를 주입한 시료 2가 가장 높은 분해화 효율을 나타내었는 데, 이는 아르곤 가스의 비열비가 공기, 산소에 비해 높아 열분해 반응을 증진시키기 때문인 것으로 확인된다.

제 2 실시예 : 초음파 조사 및 pH 농도 조절

제 2 실시예의 실험 조건은 제 1 실시예의 실험 조건과 동일하며, 다만 초음파 반응조에 가스를 주입하지 않고 초음파만 조사하였으며, 시료의 pH를 조절하지 않는 것(pH 8.2, 시료 5)과 pH를 pH 6(시료 6), pH 10(시료 7)으로 조절한 시료를 대상으로 하여 실험을 진행하였다. 이 때, pH는 1N 농도의 HCl과 NaOH를 이용하여 조절하였다.

아래의 표 2는 시료의 알칼리도 농도 및 용존화 증대효율을 나타낸 것이다. 여기서, 용존화 증대효율은 제 1 실시예와 마찬가지로 실험 후 증가된 용존성 유기물(SCOD) 농도를 초기(실험 전) SCOD 농도와 비교하여 %로 계산하여 나타낸 것이다.

<표 2> 시료의 알칼리도 농도 및 용존화 증대효율

	알칼리도 농도(mg/L)	용존화 증대효율(%)
시료 1 : pH 조절안함(pH 8.2)	7,060	22
시료 2 : pH 6	5,260	63
시료 3 : pH 10	10,690	18

표 2에 나타낸 바와 같이, 원래 pH 농도(8.2, 시료 1)보다 pH를 6으로 낮게 유지한 시료 2의 경우 용존화 증대효율이 63%로 가장 효과적으로 유기물의 용존화가 증대됨을 알 수 있다. 반면, pH를 10으로 원래 pH 보다 높게 설정한 시료 3의 경우 용존화 증대효율이 18%에 불과하여 pH 조절을 하지 않은 시료 1보다도 낮게 나타났다. 이와 같은 결과는, pH를 낮게 유지할 경우, 제 1 실시예에서 나타난 바와 같이 입자성 유기물의 용존화시 가장 큰 영향을 미치는 라디컬의 농도를 저하시키는 스캐빈저 물질인 알칼리도 농도가 감소되기 때문이다.

따라서, 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 효율을 증대시키기 위해서는 pH를 낮추어 알칼리도 농도를 낮게 유지시키는 방법이 매우 효과적임을 확인할 수 있다.

Claims (7)

1. 유기성 폐기물에, 초음파를 조사함과 함께 상기 유기성 폐기물 내에 가스를 주입하고, 상기 유기성 폐기물의 pH를 최초 pH보다 낮도록 조절하여 유기성 폐기물의 가수분해 반응을 촉진시키는 것을 특징으로 하며,

   상기 가스는 <불활성 가스와 수소를 포함하는 가스 중 어느 하나 또는 이들이 혼합된 가스>인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 내 입자성 유기물의 용존화 및 분해화 효율 증대 방법.
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