KR101940062B1 - 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제를 이용한 바이오가스 생산 촉진방법 및 그 정량 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오가스 생산촉진을 위한 혐기성 소화과정에서 기질의 독성을 줄여 유기 화합물의 생분해를 향상시키고, 기질의 수질특성에 기초하여 현장 맞춤식으로 그 주입량이 결정되는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제를 이용한 바이오가스 생산 촉진방법 및 그 정량 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제는 산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3) 및 셀룰라아제(cellulase)의 혼합물로 이루어지고, 상기 산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3)의 정량(주입량)이 기질에 포함된 과잉의 황(S), 과잉의 인(P)으로부터 각각 아래 식에 의해 산출되는 것을 포함하여 이루어진다. 본 발명은 혐기성 소화시설 현장에서 바이오가스 생산을 효율적으로 향상시킬 수 있는 작업 가이드라인으로 활용할 수 있는 효과를 가진다.
CFeCl3 = Se ×(325/96)
CMgO = Pe ×(40/31)
(CFeCl3는 염화제2철의 정량, CMgO는 산화마그네슘의 정량, Se는 과잉의 황(S), Pe는 과잉의 인(P)을 나타내고, 각각의 단위는 mg/L임)

Description

현장 맞춤형 혐기소화 촉진제를 이용한 바이오가스 생산 촉진방법 및 그 정량 시스템{A method for promoting biogas production using site-specific anaerobic digestion booster and its dosing system}
본 발명은 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제를 이용한 바이오가스 생산 촉진방법 및 그 정량 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오가스 생산을 위한 혐기성 소화과정에서 기질의 독성을 줄여 유기 화합물의 생분해를 촉진하고, 기질의 수질특성에 기초하여 현장 맞춤식으로 그 주입량이 결정되는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제를 이용한 바이오가스 생산 촉진방법 및 그 정량 시스템에 관한 것이다.
혐기성 소화과정을 이용하면 산소 없이 유기성 폐기물 및 가축분뇨에서 에너지를 회수할 수 있다. 따라서 이 과정은 하수처리장 및 유기성 폐기물 재활용시설에 주로 적용되고 있다. 그러나 혐기성 소화과정은 느리고 유기물질의 분해 및 에너지 회수에 긴 반응시간을 요구한다.
특히 소화과정 중에 반응기에 부산물이 축적되는 경우, 대량의 바이오가스를 생산하기 위해 시스템을 안정된 상태로 유지하는 것이 어렵다. 따라서 혐기성 소화과정에 대한 지속적인 관리와 전문지식이 요구된다.
우리나라에서 유기성 폐기물의 주된 주입원은 가정용 음식물 쓰레기, 농장의 가축분뇨, 하수처리장의 하수 슬러지로 구성된다.
음식물 쓰레기의 경우 우리나라에서는 2005년 이후 매립하여 직접 처분하는 것이 금지되고 있어 음식물 쓰레기를 위한 별도의 수거 및 재활용 프로그램이 시행되고 있고, 가축분뇨는 냄새오염으로 환경적 위협이 되고 있으며, 하수 슬러지도 2012년 이후 해양투기 금지로 인해 슬러지 처리비용이 증가하고 있다.
따라서 이들 세 가지의 폐기물은 심각한 환경문제가 되고 있으며 많은 처리비용을 요구하고 있다.
바이오가스는 유기물이 단계적 전환과정, 즉 가수분해, 산 발생, 아세트산 생성 및 메탄 생성을 통해 분해되는 혐기성 소화과정을 통해 생산된다. 따라서 소화과정의 운전계획은 각 전환 단계마다 서로 다른 집단에 속하는 혐기성 균의 활동을 증진시키도록 신중하게 설계되어야 한다. 바이오가스의 생산을 위한 혐기성 공정을 촉진하기 위해 기질, 온도 및 pH와 같은 환경요인을 잘 통제해야 한다.
일부 유기 폐기물은 탄소, 질소, 유황 및 미량 원소와 같은 원소 조성과 관련하여 불균형을 나타낸다. 또한, 일부 기질은 혐기성 소화공정 중에 축적되어 낮은 미생물 활성을 초래할 수 있는 많은 양의 독소(예컨대, 부티르산, 유리 암모니아, 황화수소)를 함유한다.
유기성 폐기물의 생분해도를 향상시키기 위해 소화 설비용 히터와 유기 물질 분쇄기와 같은 추가설비가 설치되기도 하지만 이러한 설비는 추가적인 비용과 공간으로 인해 더 많은 재정적 부담을 초래하게 된다. 따라서 바이오가스의 생산을 촉진하기 위한 보충 첨가제가 많은 관심을 끌고 있다. 첨가제는 미생물 활성을 높이고 독성을 감소시키기 위한 작업조건을 유지함으로써 혐기성 소화공정을 개선할 수 있다(Schattauer et al., 2011; Nges & Bjornsson, 2012).
일반적으로 혐기성 소화과정을 위한 보충제에는 광물성 첨가제 및 생물학적 효소가 포함된다(Romero-Guiza et al., 2016). 광물성 첨가제는 또한 다량 영양소와 미량 영양소로 세분화된다.
다량 영양소는 완충제(buffer) 역할을 하며 질소 및 인과 같은 미생물 성장의 필수 성분을 보충한다. 미량 영양소는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co)와 같은 미량 원소의 보충제(supplements)로도 사용될 수 있으나, 종종 이러한 원소들은 다른 용도로 초과 주입되기도 한다.
예를 들어, 혐기성 소화과정에서 부산물로 생성되는 황화수소(H2S)는 메탄 생성균의 성장을 억제할 수 있다. 황화수소(H2S)의 독성을 제어하는 방법 중의 하나는 황화수소(H2S)와 반응하는 철(Fe)을 첨가하여 황화철염의 침전물(FeS)을 형성하는 것이다. 마찬가지로 마그네슘(Mg)은 마그네슘-암모늄-인산염(MAP)의 결정화를 통해 혼합액에서 암모니아(NH3)의 축적을 감소시킬 수 있다(Liu et al., 2013).
바이오가스 생산의 소화효율에 대한 첨가제의 영향이 평가되었으며(Demirel and Scherer, 2011; Zhang et al., 2015; Linville et al., 2016), 철(Fe)과 같은 미량 영양소는 메탄 생성균의 활동을 촉진하고 산화환원전위(ORP)를 감소시킴으로써 바이오가스 생산에 유리한 환경조건을 만들 수 있고(Liu et al., 2012; Zhang et al., 2014), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 몰리브덴(Mo)은 아주 낮은 농도에서도 메탄 생산을 촉진하는데 매우 효과적이며(Schmidt et al., 2014), 생물학적 효소는 유기 화합물의 가수분해 및 메탄 생성 활성을 증가시키는 것으로 보고되었다(Parawira, 2012; Romero-Guiza et al., 2016) .
또한, 종래의 연구문헌은 혐기성 균주가 세포 내 및 세포 외 경로 모두에서 효소를 사용하여 기질을 분해함을 보여주었는데, 유기 폐기물의 화학적 조성은 복잡하며 다양한 미립자, 콜로이드성 및 가용성 기질을 포함하고 있고, 개개의 효소는 특정기질 또는 기질그룹만을 분해할 수 있어 유기 폐기물에 존재하는 기질의 분해를 보장하기 위해서는 다양한 효소가 필요하다. 그러나 혐기성 소화과정에서 안정되고 다양한 미생물 군과 충분한 효소를 유지하는 것은 어려운 것으로 알려져 있다.
효소가 충분하게 이용 가능하지 않으면 혐기성 소화공정이 제한될 수 있으므로 필요한 경우 기질의 생분해를 촉진하고 메탄 생성을 증가시키기 위해 보충효소를 제공할 수 있다(Ariunbaatar et al, 2014; Frigon et al, 2012; Yu et al, 2013).
한편 첨가제가 초과주입되면 혐기성 소화공정의 성능이 저하될 수 있음을 유의해야 한다(Moller and Muuller, 2012). 따라서 보충 첨가제의 양과 종류는 혐기성 소화시스템에 주입되는 기질에 따라 개선된 가스생산을 달성하도록 신중하게 설계되어야 한다(Facchin et al., 2013).
그러나 종래의 연구는 주로 바이오가스 생산의 효율성 측면에서 다양한 첨가제 간의 효능비교에 초점을 둔 것으로서, 실제 현장적용을 위한 다양한 첨가제의 혼합물을 개발하기 위한 연구는 거의 이루어지지 않았다.
또한, 미국 등록특허공보 제4,314,904호(1982. 2. 9.)에 배양 첨가제의 사용에 의한 폐기물과 바이오 매스의 혐기성 분해에 대하여 기재되어 있고, 미국 등록특허공보 제4,981,592호(1991. 1. 1.)에 효소의 첨가를 가진 혐기성 소화에 대하여 기재되어 있으나, 이들은 혐기소화 발생량을 증진할 수 있는 효소를 기반으로 한 촉진제를 적용하여 소화조의 혐기성 소화율 향상을 도모하는 기술로서, 가스 발생량의 개선만을 목적으로 촉진제를 적용하기 때문에, 현장의 운영상태를 반영하기보다는 효소의 주입 여부만을 고려하여 일정한 주입량 및 동일한 방법으로 적용하는 효소적 촉진제의 활용에만 한정되어 있었다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0031515호(2010. 3. 22.)에 제어된 농도의 미량원소를 이용한 바이오가스의 제조방법에 대하여 기재되어 있으나, 이는 미량원소(니켈, 코발트, 몰리브덴, 철, 망간, 구리, 셀레늄, 텅스텐, 아연)의 농도가 표준값에 부합되는 경우에 바이오가스 반응기 내에서 바이오가스 생산이 효율적으로 일어난다는 점에 착안한 기술로서, 관련된 미량원소 및 이들의 농도에 대한 표준값으로 실험실 규모의 플랜트나 현장 규모의 플랜트에서 조사하여 측정된 값을 이용하고 있어 추가적인 조사에 의해 추가적인 사항들이 발견되면 이로 인해 표준값이 자주 변경되는 문제점을 안고 있었다.
또한, 소화효율을 높이기 위한 시판제품으로 단백질 가수분해 및 아미노산 생산에 유용한 중성 프로테아제(Protease), 바이오 가스의 생산을 가속화할 수 있는 유효 미생물 순수 배양물(EM) 등이 알려져 있으나, 이들 시판 첨가제의 성능은 유입 폐기물의 조성 및 유형에 따라 달라지는 문제점을 안고 있었다.
상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 바이오가스 발생량을 증진할 수 있는 미생물 활성 촉진제에 대한 정량(주입량)을 현장의 혐기소화 운영상태를 반영하여 정해진 산출기준에 따라 간편하게 산출하는 방법과 그 주입방법을 혐기성 소화시설의 운전자에게 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 유입 폐기물의 조성 및 유형에 관계없이 유입 폐기물의 수질분석에 의해 현장 맞춤형으로 제조 가능하여 바이오가스 생산을 효율적으로 향상시킬 수 있는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제, 그를 이용한 바이오가스 생산 촉진방법 및 그 정량 시스템을 혐기성 소화시설의 운전자에게 제공함을 목적으로 한다.
본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해 유기성 폐기물의 혐기소화 과정에서 발생하는 유리 암모니아(free ammonia)와 황화수소(H2S)의 독성을 제어하기 위해 마그네슘(Mg)과 철(Fe) 보충제를 선택하고, 셀룰로오스와 리그닌 물질의 가수분해를 촉진하기 위해 셀룰라아제를 선택하여 혼합물을 조성하되, 그 혼합비가 유기성 폐기물의 기질 특성에 기초하여 산정된 혼합물이 혐기세균의 활성을 증진시키고 메탄생성을 증가시키는데 효과적이라는 것을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
이에 따라 본 발명은, 혐기성 소화과정에서 혐기소화 촉진제를 이용하여 혐기소화 미생물의 활성을 극대화하고 유기성 폐기물의 생분해도를 향상시켜 최종적으로 바이오가스의 생산을 촉진하기 위한 방법으로서, 1) 혐기소화 반응기로 유입되는 유입수의 수질특성을 분석하는 단계: 2) 상기 유입수의 수질특성으로부터 기질에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 기질의 독성을 중화하고 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량을 첨가제별로 산출하는 단계; 3) 산출된 첨가제(FeCl3, MgO)별 정량에 따라 첨가제를 혼합하는 단계: 4) 혼합된 첨가제(FeCl3, MgO)를 혐기소화 반응기에 주입하여 바이오가스 생산을 촉진하는 단계;를 포함하는 바이오가스 생산 촉진방법을 제공한다.
여기서 상기 기질에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)에 대한 산출은 혐기소화 미생물의 최적의 생장조건을 유지하기 위한 탄소(C), 질소(N), 인(P), 황(S)의 최적화된 원소 중량비율인 탄소 600 : 질소 15 : 인 5 : 황 3에 기반을 두고 있다.
또한, 여기서 상기 첨가제(FeCl3, MgO)에 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 첨가제로서 셀룰라아제(cellulase)를 기질 1리터당 25mg 추가하여 혼합한다.
또한, 본 발명은 소화반응 후 바이오가스의 발생량이 이전처럼 회복되지 않을 경우, 1) 혐기소화 반응기로부터 유출되는 유출수의 수질을 분석하여 인산염 계열의 인(PO4-P)과 암모니아성 질소(NH4-N)의 농도를 구하는 단계; 2) 구해진 농도의 인산염 계열의 인(PO4-P)과 암모니아성 질소(NH4-N)에 의한 기질의 독성을 중화하고 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 첨가제(MgO)의 정량을 산출하는 단계; 3) 이와 더불어 혐기소화 반응기로부터 유출되는 유출수의 수질을 분석하여 황화물의 황(S)의 농도를 구하고, 구해진 황(S)의 농도로부터 첨가제(FeCl3)의 정량을 산출하는 단계; 4) 산출된 첨가제(MgO, FeCl3)별 정량에 따라 첨가제를 혼합하는 단계; 5) 혼합된 첨가제(MgO, FeCl3)를 혐기소화 반응기에 추가로 주입하여 바이오가스 생산을 촉진하는 단계;를 추가로 포함하는 바이오가스 생산 촉진방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 혐기성 소화과정에서 소화될 기질의 독성을 줄여 기질의 생분해를 촉진하는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제의 정량주입시스템으로서, 1) 혐기소화 반응기로 유입되는 유입수의 수질특성을 분석하는 분석부; 2) 상기 유입수의 수질특성으로부터 기질에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 기질의 독성을 중화하고 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량을 산출하며, 산출된 첨가제(FeCl3, MgO)별 정량을 혐기소화 반응기에 주입할 수 있도록 첨가제(FeCl3, MgO)의 각 저장조를 제어하는 연산 및 제어부;를 포함하여 이루어지는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제의 정량주입시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 혐기성 소화과정에서 소화될 기질의 독성을 줄여 유기 화합물의 생분해를 촉진하는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제의 제조방법으로서, 1) 혐기소화 반응기로 유입되는 유입수의 수질특성을 분석하는 단계: 2) 상기 유입수의 수질특성으로부터 기질에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 기질의 독성을 중화하고 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량을 첨가제별로 산출하는 단계; 3) 산출된 첨가제(FeCl3, MgO)별 정량에 따라 첨가제를 혼합하는 단계:를 포함하는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 혐기성 소화과정에서 소화될 기질의 독성을 줄여 유기 화합물의 생분해를 촉진하는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제로서, 산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3) 및 셀룰라아제(cellulase)의 혼합물로 이루어지고, 상기 산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3)의 정량(주입량)이 기질에 포함된 과잉의 황(S), 과잉의 인(P)으로부터 각각 아래 식에 의해 산출되는 것을 포함하여 이루어지는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제를 제공한다.
CFeCl3 = Se ×(325/96)
CMgO = Pe ×(40/31)
(CFeCl3는 염화제2철의 정량, CMgO는 산화마그네슘의 정량, Se는 과잉의 황(S), Pe는 과잉의 인(P)을 나타내고, 각각의 단위는 mg/L임)
본 발명은 바이오가스 발생량을 증진할 수 있는 미생물 활성 촉진제에 대한 정량(주입량)을 현장의 혐기소화 운영상태를 반영하여 정해진 산출기준에 따라 간편하게 산출하는 방법과 그 주입방법을 혐기성 소화시설의 운전자에게 제공함으로써 바이오가스 생산을 효율적으로 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 유입 폐기물의 조성 및 유형에 관계없이 유입 폐기물의 수질분석에 의해 현장 맞춤형으로 제조 가능하여 바이오가스 생산을 효율적으로 향상시킬 수 있는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제, 그를 이용한 바이오가스 생산 촉진방법 및 그 정량 시스템을 혐기성 소화시설의 운전자에게 제공함으로써 현장의 작업 가이드라인으로 활용할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 자동 메탄 포텐셜 시험 시스템의 개념도이다.
도 2는 음식물 쓰레기와 돈분뇨의 휘발성 지방산의 농도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 보충 첨가제별 메탄 수율의 나타내는 그래프이다.
도 4는 보충 첨가제별 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP)값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 혼합 첨가제의 정량주입 시스템에 대한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 혼합 첨가제와 시판제품의 메탄수율을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 혼합 첨가제와 시판제품의 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP)값 및 생분해도를 비교한 그래프이다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되지 않는다. 또한, 용어 '기질'은 음식물 쓰레기, 돈분뇨, 하수 슬러지 등의 유기성 폐기물을 의미한다.
[실시예]
<실험예 1> 유기성 폐기물의 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험
1. 시험방법
1-1. 시료의 준비
본 발명에서는 음식물 쓰레기, 돈분뇨, 하수 슬러지가 혼합된 유기성 폐기물을 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험용 기질로 사용하였다. 음식물 쓰레기와 돈분뇨는 강원도 원주시와 인근 가축농장에서 얻은 것이고, 하수 슬러지 및 접종물(接種物)로 사용되는 소화 슬러지는 서울의 J 하수처리장 및 소화조에서 수집하였다. 모든 시료는 4℃에서 보관했다.
1-2. 회분식 실험(batch experiments)을 위한 보충 첨가제의 선택
생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험에 적합한 첨가제를 선택하기 위해 우선 유입 기질의 조성을 결정했다.
혐기성 소화과정에서 탄소 : 질소 : 인 : 황 (C : N : P : S)의 이상적인 양분 비율은 600 : 15 : 5 : 3으로 알려져있다.
기질의 과량 질소(N), 인(P) 및 황(S)은 혐기성 소화과정에서 메탄 생성 박테리아에 대해 독성이 있는 암모니아, 인산염 및 황화물로 전환되며, 일반적으로 돈분뇨와 음식물 쓰레기는 많은 양의 질소(N), 인(P), 황(S)을 함유하고 있다.
암모니아와 인산염을 수성 환경에서 마그네슘 암모늄 인산염(MAP)의 결정화를 통해 제거하기 위해 마그네슘(Mg) 보충제로 산화마그네슘(MgO)과 염화마그네슘( MgCl2)을 선택하고, 황화물을 수성 환경에서 철 복합체(침전물)의 형태로 제거하기 위해 염화제1철(FeCl2)과 염화제2철(FeCl3)을 철(Fe) 보충제로 선택하며, 기질의 생분해를 촉진하고 메탄생성을 촉진하는 생물학적 효소로 셀룰라아제(Cellulase)를 선택하였다.
이들 보충 첨가제의 사용량은 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험 전에 분석된 기질의 탄소 : 질소 : 인 : 황 (C : N : P : S)의 비율에 의해 후술하는 바와 같이 결정되었다.
1-3. 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험을 위한 실험절차
생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험은 [도 1]의 자동 메탄 포텐셜 시험 시스템에 의해 이루어지고 35 ℃ 항온조(1)에서 600 mL 유리병(6)을 혐기반응조로 사용하여 수행되었다.
기질로서 음식물 쓰레기, 돈분뇨, 하수 슬러지를 최적 혼합비로 도출된 1 : 3 : 2의 비율로 혼합한 혼합액 400 mL과 시드 슬러지(seeding sludge)로서 소화 슬러지 20 mL를 유리병(6: 혐기반응조)에 채웠다.
기질 혼합물(5)을 120 rpm 믹서(3)로 교반하고 시험을 시작하기 전에 질소(N2) 가스를 퍼지(purging)하여 산소를 제거하였다.
생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험 동안, 유리병(6: 혐기반응조)에서 생성된 바이오가스는 이산화탄소(CO2) 고정용 알칼리 용액이 담긴 유리병(7: 완충조)과 유량 측정을 위한 수조(10)의 플로우 셀(9: flow cell)을 통해 유동하였으며, 바이오 가스의 생성속도가 5 mL/d로 제한되면 시험을 종료하였다. 샘플링은 각 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험의 시작과 끝에서 수행되었다.
1-4. 분석방법
총 화학적 산소요구량(tCOD, sCOD), 총 고형물(TS), 휘발성 고체(VS), 킬달 질소(TKN), 총 암모니아성 질소(NH4 +-N), 총 인산염(TP) 및 알칼리도는 표준방법(APHA, 2005)에 따라 측정되었다. 수용성 수질 파라미터는 샘플이 1.0μm의 구멍 크기를 갖는 GF/C 필터(Whatman, UK)에 의해 여과된 후에 측정되었다.
pH 측정기(Orion Benchtop, Thermo Fisher Scientific, USA)를 사용하여 용액의 pH를 측정하였다. 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N) 및 황(S)에 대한 원소분석은 원자흡수분광광도계 AA-6200(Shimadzu, Kyoto, Japan)을 사용하여 수행되었다. 원소분석 전 모든 시료를 105℃ 오븐에서 24시간 동안 건조시켰다.
이론적 메탄 수율은 원소 조성에 기반한 아래의 식 1 및 식 2를 사용하여 계산되었고(Boyle, 1976; Li et al., 2013), 생분해 잠재력(biodegradation potential)은 아래 식 3에 나타내어지는 바와 같이 이론적 메탄 수율과 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험의 누적 메탄 수율을 비교하여 계산되었다(Raposo et al., 2011).
Figure 112017027969601-pat00001
Figure 112017027969601-pat00002
(식 1)
Figure 112017027969601-pat00003
(식 2)
Figure 112017027969601-pat00004
(식 3)
여기서,
BMPexp : 회분식 실험으로부터 얻어진 생화학적 메탄생성 잠재력,
BMPtheo : 원소분석 결과에 기초한 이론적 메탄생성 잠재력,
BDCH4 : 생분해도(%)를 나타낸다.
휘발성 지방산(VFA)은 불꽃 이온화 검출기(GC 2010, Schimadzu, Kyoto, Japan)를 구비한 가스크로마토그래피(GC)를 사용하여 측정되었다.
이 실험에서 사용된 칼럼은 SH-Rtx-Wax, 30 m x 0.25 mm x 0.25 μm (Shimadzu, Kyoto, Japan)이었다.
작업조건으로는 헬륨 가스를 캐리어 가스로 사용하고, 검출기 온도는 250℃로 하며, 주입 부피는 5㎕, 오븐 온도는 처음에 120℃에서 2분간 유지하고, 이어서 10℃/min 속도로 150℃까지, 5℃/min 속도로 180℃까지, 10℃/min 속도로 240℃까지 순차적으로 상승시킨 후 240℃에서 5분간 유지하였다.
본 실험에서 마그네슘(Mg), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn) 및 니켈(Ni)과 같은 금속 첨가제는 후술하는 바와 같이 유도결합 플라즈마-원자흡광 분석 장치(ICP-AES; ICPE-9800, 시마즈, 교토, 일본)로 측정한 기질의 금속성분에 기초하여 선택되었다.
2. 시험결과
2-1. 3종류 기질의 수질특성
생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험에서 사용된 음식물 쓰레기(FW), 돈분뇨(SS), 하수 슬러지(AS)의 특성을 아래 [표 1]에 나타내었는데, 예상대로 음식물 쓰레기(FW)는 휘발성 지방산(TVFA)이 고농도로 존재하였다.
원소분석에 따르면 모든 기질, 특히 돈분뇨와 하수 슬러지는 과도한 질소(N), 인(P), 황(S)을 가지고 있어 이상적인 비율(C : N : P : S = 600 : 15 : 5 : 3)보다 훨씬 높았다.
따라서 혐기성 소화과정에서 암모니아, 인산염 및 황화물이 축적될 수 있고 바이오가스 생산에 영향을 줄 수 있을 것으로 예상되었다.
마그네슘(Mg)과 철(Fe)의 첨가량은 후술하는 바와 같이 음식물 쓰레기, 돈분뇨, 하수 슬러지를 최적 혼합비로 도출된 1 : 3 : 2의 비율로 혼합한 혼합물 기질의 분석된 특성을 토대로 결정되었다.
3종류 기질의 특성
Parameter Food Waste
(FW)		 Swine Slurry
(SS)		 Activated sludge (AS)
pH 4.9 7.7 7.4
Total Solids(mg/L) 106,530 85,630 22,850
Volatile Solids(mg/L) 88,960 62,530 14,160
tCODcr(mg/L) 112,400 82,520 17,280
sCODcr(mg/L) 43,610 7,360 124
TKN(mg/L) 3,265 4,123 1,320
NH4+-N(mg/L) 1,288 3,514 406
TP(mg/L) 752 979 342
TVFA(mg/L) 23,280 3,990 35
Total sulfur(mg/L) 127 678 104
Ratio of C:N:P:S 600:31.2:7.2:1.44 600:53.3:12.5:9.1 600:81.6:21.1:6.7
또한, 음식물 쓰레기(FW)와 돈분뇨(SS)의 휘발성 지방산(TVFA)은 [도 2]와 같이 현저히 높았다.
아세트산과 프로피온산은 메탄 생산공정에 필요하지만 이소 부티르산과 이소 발레르산과 같은 특정 지방산은 낮은 바이오가스 전환효율을 초래할 수 있어 혐기성 소화공정의 실패의 지표로 알려져있다.
음식물 쓰레기(FW)의 이소 부티르산과 이소 발레르산의 농도는 각각 2,351과 2,030 mg/L이었다. 이소 부티르산과 이소 발레르산의 높은 농도는 이소 부티르산과 이소 발레르산의 농도가 15mg/L을 초과할 때 메탄 생산에 악영향을 미칠 수 있다고 알려져있다(Kanokwan, 2006).
한편, 돈분뇨(SS)는 상대적으로 적은 양의 이소 부티르산 및 이소 발레르산을 함유하였다. 하수 슬러지(AS)의 휘발성 지방산(VFA)은 돈분뇨(SS)의 휘발성 지방산(VFA)보다 훨씬 낮았다.
아래 [표 2]의 기질의 ICP-AES 분석결과에 따르면 기질의 대부분의 미네랄 금속과 미량원소는 정상 농도범위(Osuna et al., 2003)에 있었으며, 이 분석은 이들 기질이 미량원소와 미네랄 원소가 풍부하여 메탄 생산촉진을 위해 더 많은 미량원소를 주입할 필요가 없음을 말해주고 있다.
각 기질의 ICP-AES 분석결과 (단위: mg / kg TS)
Mg Cu Fe Mo Zn Ni Se Co Mn W
FW 859 10.7 174 1.2 51.6 2.9 0.2 3.9 89 0.06
SS 3,235 66.6 2,777 9.8 89.7 16.4 0.5 5.2 165 0.24
AS 4,910 83.4 3,679 7.1 99.8 9.9 0.9 8.7 421 0.18
Recom-mended
range		 100
~1,500		 10
~80		 750
~5,000		 0.05
~16		 30
~400		 4
~30		 0.05
~4		 0.4
~10		 100
~1,500		 0.1
~30
2-2. 첨가제별 메탄 수율
[도 3] 및 [도 4]에 나타내어져 있는 바와 같이 첨가제는 메탄 수율 및 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 값의 증가를 가져 왔으며, 이는 기질에 대한 원소 조성의 조정과 미생물 효소가 혐기성 소화과정의 촉진에 유용함을 말해준다.
염화마그네슘(MgCl2)과 산화마그네슘(MgO) 모두 메탄 수율과 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP)값이 높았으나, 산화마그네슘(MgO)은 그 알칼리 성질이 아래 [표 3] (Romero-Guiza et al., 2016)에 제시된 바와 같이 혐기성 소화공정 동안 기질의 pH를 안정화시키는데 유리하기 때문에 추가의 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP)시험에서는 산화마그네슘(MgO)이 마그네슘 첨가제로 선택되었다.
염화제1철(FeCl2)과 염화제2철(FeCl3)도 비슷한 결과를 보였으며, 염화제2철(FeCl3)이 염화제1철(FeCl2)보다 더 안정된 산화제이기 때문에 추가의 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험에서는 염화제2철(FeCl3)이 철(Fe) 첨가제로 선택되었다.
생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험기간 동안의 운영지표 변화
MgCl2 MgO FeCl2 FeCl3 Cellulase
Methane yield Highest High High High Low
VS removal 25.7% 25.0% 27. 2 % 25.7% 22.8%
TCOD removal 40.4% 40.9% 41. 8 % 39.3% 37.3%
BMP value Highest High Normal Normal High
Acetic Low Lowest Low Low Normal
Propionic Normal High Normal Normal Highest
Butyric
/Iso-butyric		 Normal Lowest Normal Normal Normal
PH control Neutral Alkaline Acidic Acidic No effect
Redox property stable stable Reductant,
unstable		 Oxidant &
stable 		No effect
셀룰라아제(cellulase)의 첨가는 높은 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 값을 나타내었으며 효소가 메탄생성 박테리아의 1차 분해단계와 활성을 증진시킴을 보여주었다.
음식물 쓰레기(FW)에는 셀룰로오스, 리그닌, 지질 및 단백질로 구성된 많은 양의 잔유물을 포함하고 있어 효소를 첨가하면 바이오가스 생산에 필요한 초기분해 단계가 빨라지므로 보다 효과적인 생분해 및 유지시간 단축이 가능하다고 알려져있다(Binner et al, 2011).
일반적으로 효소는 대부분의 유기 거대분자에 대하여 혐기성 균에 의해 이용될 수 있는 작은 분자로 가수분해를 촉진할 수 있으며, 바이오가스의 생산촉진을 위해 일반적으로 적용되는 효소는 셀룰라아제(cellulase), 리그니나아제(ligninase), 리파아제(lipase), 프로테아제(protease)이다.
효소가 유기 기질의 분해를 촉진시킬 수 있지만 한편, 메탄 생성균의 활성을 억제할 수 있는 암모니아 및 황화물의 축적을 수반할 수 있으며, 이러한 현상은 효소가 첨가되면 암모니아와 황화물의 축적을 피할 수 없음을 나타낸다.
따라서 철, 마그네슘 보충제와 같은 다른 첨가제와 함께 셀룰라아제를 적용하는 것이 좋으며, 본 발명에서는 가스생산을 향상시키기 위한 혼합첨가제의 구성 성분으로 산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3) 및 셀룰라아제를 선택하였다.
3. 첨가제의 정량(주입량) 산정 및 정량시스템
3-1. 기질의 원소분석
앞의 실험예에서 메탄 생성을 향상시키는데 도움을 줄 수 있는 것으로 확인된 산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3) 및 셀룰라아제(cellulase)의 사용량은 기질의 특성과 관련이 있으며, 앞의 기질의 원소분석 결과에서는 기질의 독성과 관련될 수 있는 기질의 질소, 인 및 황의 비율을 보여 주었다.
본 발명에서 선택된 상기 3가지 첨가제의 사용목적은 기질의 독성을 줄여 유기 화합물의 생분해를 촉진하는 것으로, 그 사용량은 아래의 몇 가지 요인에 의해 결정된다.
혐기성 과정에서 기질의 과도한 질소(N), 인(P) 및 황(S)은 암모니아, 인산염 및 황화물로 전환되며, 조사한 바에 따르면 혐기소화 미생물의 최적의 생장조건을 유지하기 위한 탄소(C), 질소(N), 인(P), 황(S)의 최적화된 원소 중량비율이 탄소 600 : 질소 15 : 인 5 : 황 3이므로 기질의 과도한 질소(N), 인(P) 및 황(S)을 계산할 수 있다.
본 발명에 따른 별도의 회분식 실험(batch experiment)에서 암모니아의 독성은 기질의 과도한 질소(N)가 1000mg/L에서 시작되고, 황화물의 독성은 기질의 과도한 황(S)이 100mg/L에서 시작됨을 보여주었다.
앞의 [표 1]에서 3가지 기질의 과도한 질소(N)와 황(S)이 각각 1000mg/L와 100mg/L보다 높으므로 시료 기질은 메탄생산을 저해하는 것으로 볼 수 있다.
3-2. 첨가제의 정량(주입량) 산정
3-2-1. 산정을 위한 전제 사항
첨가제의 정량(주입량)은 아래의 전제하에 산정되었다.
(1) 기질은 항상 과도한 질소(N), 인(P) 및 황(S)을 포함하고 있다.
(2) 기질의 유기 탄소는 총 COD(TCOD)에 의해 아래 식 4와 같이 계산된다.
Corg = TCOD × 56% (식 4)
(3) Fe3 +는 황화물과 우선적으로 적절히 반응한다.
(4) Mg2 +는 인산염 및 암모늄과 우선적으로 적절히 반응한다.
(5) 과량의 질소에 비해 인산염은 항상 마그네슘-암모늄-인산염(MAP) 결정화를 위하여 충분하지 않다.
(6) 황화철(FeS)과 마그네슘-암모늄-인산염(Mg(NH4)PO4)은 아래 식 5 및 식 6에 따라 시스템 내에서 침전된 후 다시 용해하지 않는다.
2Fe3 + + 3HS- → 2FeS + S + 3H+ (식 5)
Mg2 + + NH4 + + HPO4 2 - → Mg(NH4)PO4 + H+ (식 6)
3-2-2. 첨가제의 정량(주입량) 산정
지금 기질의 원소분석 결과 질소(N), 인(P) 및 황(S)의 비율이 각각 μn,μp,μs라고 하면 과잉의 질소(N), 인(P) 및 황(S)은 혐기소화 미생물의 최적의 생장조건을 유지하기 위한 탄소(C), 질소(N), 인(P), 황(S)의 최적화된 원소 중량비율인 탄소 600 : 질소 15 : 인 5 : 황 3 및 상기 식 4를 이용하여 각각 다음 식 7, 식 8, 식 9와 같이 계산된다(단위는 mg/L이며, TS는 총 고형물을 나타냄).
Ne = TS ×μn - TCOD × 56% ×(15/600) (식 7)
Pe = TS ×μp - TCOD × 56% ×(5/600) (식 8)
Se = TS ×μs - TCOD × 56% ×(3/600) (식 9)
따라서, 염화제2철(FeCl3) 및 산화마그네슘(MgO)의 정량은 상기 식 5 내지 식 9로부터 각각 다음과 같이 계산된다 :
CFeCl3 = Se ×(325/96) (식 10)
CMgO = Pe ×(40/31) (식 11)
셀룰라아제(cellulase)의 정량과 관련하여, 셀룰라아제(cellulase)는 염화제2철(FeCl3)과 산화마그네슘(MgO)에 비해 고가일 뿐만 아니라 혐기성 소화과정의 매우 낮은 농도에서도 상당히 효과적이므로 25mg/L로 고정하였다.
조사한 바에 따르면 혐기성 소화과정에서 미생물 효소의 사용량은 10-50 mg/L이었다.
본 실험에서 앞의 [표 1]의 음식물 쓰레기, 돈분뇨, 하수 슬러지를 최적 혼합비로 도출된 1 : 3 : 2의 비율로 혼합한 혼합물 기질의 분석된 수질특성을 토대로 산정된 각 첨가제의 정량은 기질 400mL당 염화제2철(FeCl3) 102mg, 산화마그네슘(MgO) 253mg, 셀룰라아제(cellulase) 10mg이었다.
3-3-3. 첨가제의 정량주입 시스템
염화제2철(FeCl3)과 산화마그네슘(MgO)은 모두 강한 전해질이기 때문에 물에 용해시켜 5% 질량농도로 고정하였다.
이때 산화마그네슘(MgO)의 용해도는 용해도 곱 상수(Ksp)가 불과 1.5 × 10-11로서 염화제2철(FeCl3)보다 훨씬 낮기 때문에 산화마그네슘(MgO)의 액체 혼합물은 탁도를 가지게 되어 정량주입시 교반이 필요하다.
셀룰라아제(cellulase)는 생분해성 단백질이므로 열화(deterioration)를 방지하기 위해 4℃로 냉장보관하고 분말 또는 수용액으로 반응기에 주입하였다.
혐기소화 반응기에서 기질의 유입유량을 42L/day로 할 경우 총 주입 질량은 다음과 같이 계산할 수 있다.
MFeCl3 = CFeCl3 × 42 L/day (식 12)
MMgO = CMgO × 42 L/day (식 13)
MCellulase = Ccellulase×42 L/day = 25 mg/L×42 L/day = 1.05 g/day (식 14)
따라서 첨가제의 하루 주입량은 다음과 같이 계산할 수 있다.
VFeCl3 = MFeCl3÷5% = [TS×μs-TCOD× 56%×(3/600)]×42L/day÷5% (식 15)
VMgO = MMgO÷5% = [TS×μp-TCOD× 56%×(5/600)]×42L/day÷5% (식 16)
[도 5]는 본 발명에 따른 혼합 첨가제의 정량주입 시스템에 대한 개념도이다.
본 발명에 따른 혼합 첨가제의 정량주입 시스템은 기질 저장탱크(1)로부터 혐기소화 반응기(2)로 유입되는 유입수(9)의 수질특성을 분석부(3)에서 분석하여 전체 화학적 산소 요구량(TCOD), 전체 고형분(TS) 및 탄소(C), 질소(N), 인(P), 황(S)의 중량비율을 구하고, 이들 분석값들을 연산 및 제어부(4)에 보낸다.
연산 및 제어부(4)에서는 앞의 식 7 ~ 식 9에 따라 기질에 포함된 과잉의 질소(N), 인(P) 및 황(S)의 양을 산출하고, 식 10 ~ 식 11에 따라 첨가제(FeCl3 , MgO)의 정량을 산출하며, 식 12 ~ 식 13에 따라 첨가제(FeCl3 , MgO, cellulase)의 하루 주입량을 산출한다.
그리고 산출된 주입량에 따라 첨가제(FeCl3 , MgO, cellulase)의 각 저장조(5, 6, 7)를 제어하여 하루 주입량을 혼합부(8)로 보내면 혼합부(8)에서 첨가제(FeCl3 , MgO, cellulase)의 혼합물을 제조하여 혐기소화 반응기(2)에 주입하고, 한편 이와 같이 운영하여도 가스 발생량이 이전처럼 회복되지 않으면 혐기소화 반응기(2)에서 반응되지 않고 유출수(10)로 배출되는 인산염 계열의 인(PO4-P), 암모니아성 질소(NH4-N) 및 황화물의 황(S)의 농도를 분석부(3)에 의해 구하고 이를 바탕으로 첨가제(MgO, FeCl3)의 추가량을 앞의 방법에 따라 산정하여 혐기소화 반응기(2)에 추가주입하도록 구성된다.
4. 시판제품과 본 발명에 따른 혼합 첨가제의 성능 비교
본 발명에 따른 혼합 첨가제의 현장성능을 분석하기 위해 시판제품과 소화효율을 비교평가하였다. 시판제품으로는 중성 프로테아제(Protease, Shenzhen Hengsheng Biological technology, 중국), 유효 미생물 순수 배양물(EM, Anhui Guangyu Biotechnology Co., 중국), 그리고 진바오베이(Jinbaobei) 바이오가스 첨가제(JBB, Beijing Healthhead Science & Technology Co. Ltd., 중국)를 사용하였다.
중성 프로테아제(Protease)는 단백질 가수분해 및 아미노산 생산에 유용하고, 유효 미생물 순수 배양물(EM)은 바이오 가스의 생산을 가속화할 수 있으며, 진바오베이(Jinbaobei) 바이오가스 첨가제(JBB)는 바이오가스 생산용 특수첨가제로 알려져 있다.
이들 시판제품과 본 발명에 따른 혼합 첨가제를 함께 회분식 실험(Batch experiments)하여 비교시험하고 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 시험에 의해 성능을 비교평가하였다.
[도 6]은 본 발명에 따른 혼합 첨가제 및 시판제품의 메탄 수율을 비교한 그래프이고, [도 7]은 본 발명에 따른 혼합 첨가제와 시판제품의 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP)값 및 생분해도를 비교한 그래프이다.
[도 6]에서 혼합 첨가제는 첨가제를 사용하지 아니한 시료(Blank)에 비해 23% 이상의 바이오가스 생성능력을 보였다.
[도 7]에서 시판제품 중 프로테아제(Protease) 기반의 첨가제가 484 mL / g VSremoval의 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 값과 75%의 생분해도로 가장 높은 소화효율을 나타내었으며, 본 발명에 따른 혼합 첨가제도 478 mL / g VSremoval의 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP) 값과 77%의 생분해도를 나타내고 있어, 본 발명에 따른 혼합 첨가제가 시판제품과 동등한 정도의 효율을 가지고 바이오가스 생산을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한 시판제품의 성능은 유입 폐기물의 조성 및 유형에 따라 달라질 수 있음에 비하여, 본 발명에 따른 혼합 첨가제는 유입 폐기물의 조성 및 유형에 관계없이 유입 폐기물의 수질분석에 의해 현장 맞춤형으로 제조 가능하여 바이오가스 생산을 효율적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
1: 기질 저장탱크
2: 혐기소화 반응기
3: 분석부
4: 연산 및 제어부
5, 6, 7: 첨가제 저장조
8: 혼합부
9: 유입수
10: 유출수

Claims (12)

  1. 혐기성 소화과정에서 혐기소화 촉진제를 이용하여 혐기소화 미생물의 활성을 극대화하고 유기성 폐기물의 생분해도를 향상시켜 최종적으로 바이오가스의 생산을 촉진하기 위한 방법으로서,
    1) 혐기소화 반응기로 유입되는 유입수의 수질특성을 분석하는 단계;
    2) 상기 유입수의 수질특성으로부터 기질에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 기질의 독성을 중
    화하고 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 첨가제로서 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)의 정량(주입량)을 첨가제별로 산출하되, 상기 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)의 정량을 아래의 식에 의해 산출하는 단계;
    CFeCl3 = Se ×(325/96)
    CMgO = Pe ×(40/31)
    (CFeCl3는 염화제2철의 정량, CMgO는 산화마그네슘의 정량, Se는 과잉의 황(S), Pe는 과잉의 인(P)을 나타내고, 각각의 단위는 mg/L임)
    3) 산출된 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)의 정량을 혼합하는 단계;
    4) 혼합된 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)을 혐기소화 반응기에 주입하여 바이오가스 생산을 촉진하는 단계를 포함하여 이루어지는 바이오가스 생산 촉진방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기질에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)에 대한 산출은 혐기소화 미생물의 최적 생장조건을 유지하기 위한 탄소(C), 질소(N), 인(P), 황(S)의 최적화된 원소 중량비율인 탄소 600 : 질소 15 : 인 5 : 황 3에 기반을 두는, 바이오가스 생산 촉진방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)에 미생물의 활성 및 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 첨가제로서 셀룰라아제(cellulase)를 기질 1리터당 25mg 추가하여 혼합하는, 바이오가스 생산 촉진방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    소화반응 후 바이오가스의 발생량이 이전처럼 회복되지 않을 경우, 아래의 단계를 추가로 포함하는, 바이오가스 생산 촉진방법.
    1) 혐기소화 반응기로부터 유출되는 유출수의 수질을 분석하여 인산염 계열의 인(PO4-P)과 암모니아성 질소(NH4-N)의 농도를 구하는 단계;
    2) 구해진 농도의 인산염 계열의 인(PO4-P)과 암모니아성 질소(NH4-N)에 의한 기질의 독성을 중화하고 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 산화마그네슘(MgO)의 정량을 산출하는 단계;
    3) 이와 더불어 혐기소화 반응기로부터 유출되는 유출수의 수질을 분석하여 황화물의 황(S)의 농도를 구하고, 구해진 황(S)의 농도로부터 염화제2철(FeCl3)의 정량을 산출하는 단계;
    4) 산출된 산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3)의 정량을 혼합하는 단계;
    5) 혼합된 산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3)을 혐기소화 반응기에 추가주입하여 바이오가스 생산을 촉진하는 단계.
  6. 혐기성 소화과정에서 소화될 기질의 독성을 줄여 기질의 생분해를 촉진하는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제의 정량주입시스템으로서,
    1) 혐기소화 반응기로 유입되는 유입수의 수질특성을 분석하는 분석부;
    2) 상기 유입수의 수질특성으로부터 기질에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 기질의 독성을 중화하고 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 첨가제로서 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)의 정량(주입량)을 첨가제별로 산출하며, 산출된 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)별 정량을 혐기소화 반응기에 주입할 수 있도록 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)의 각 저장조를 제어하는 연산 및 제어부를 포함하여 이루어지되,
    상기 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)의 정량을 아래의 식에 의해 산출하는, 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제의 정량주입시스템.
    CFeCl3 = Se ×(325/96)
    CMgO = Pe ×(40/31)
    (CFeCl3는 염화제2철의 정량, CMgO는 산화마그네슘의 정량, Se는 과잉의 황(S), Pe는 과잉의 인(P)을 나타내고, 각각의 단위는 mg/L임)
  7. 삭제
  8. 혐기성 소화과정에서 소화될 기질의 독성을 줄여 유기 화합물의 생분해를 촉진하는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제의 제조방법으로서,
    1) 혐기소화 반응기로 유입되는 유입수의 수질특성을 분석하는 단계;
    2) 상기 유입수의 수질특성으로부터 기질에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 기질의 독성을 중화하고 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 첨가제로서 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)의 정량(주입량)을 첨가제별로 산출하되, 상기 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)의 정량을 아래의 식에 의해 산출하는 단계;
    CFeCl3 = Se ×(325/96)
    CMgO = Pe ×(40/31)
    (CFeCl3는 염화제2철의 정량, CMgO는 산화마그네슘의 정량, Se는 과잉의 황(S), Pe는 과잉의 인(P)을 나타내고, 각각의 단위는 mg/L임)
    3) 산출된 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)의 정량을 혼합하는 단계를 포함하는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 기질에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)에 대한 산출은 혐기소화 미생물의 최적 생장조건을 유지하기 위한 탄소(C), 질소(N), 인(P), 황(S)의 최적화된 원소 중량비율인 탄소 600 : 질소 15 : 인 5 : 황 3에 기반을 두는, 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 염화제2철(FeCl3), 산화마그네슘(MgO)에 기질의 생분해를 촉진할 수 있는 첨가제로서 셀룰라아제(cellulase)를 기질 1리터당 25mg 추가하여 혼합하는, 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제의 제조방법.
  12. 혐기성 소화과정에서 소화될 기질의 독성을 줄여 유기 화합물의 생분해를 촉진하는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제로서,
    산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3) 및 셀룰라아제(cellulase)의 혼합물로 이루어지고,
    상기 산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3)의 정량(주입량)이 기질에 포함된 과잉의 황(S), 과잉의 인(P)으로부터 각각 아래 식에 의해 산출되는 것을 포함하여 이루어지는 현장 맞춤형 혐기소화 촉진제.
    CFeCl3 = Se ×(325/96)
    CMgO = Pe ×(40/31)
    (CFeCl3는 염화제2철의 정량, CMgO는 산화마그네슘의 정량, Se는 과잉의 황(S), Pe는 과잉의 인(P)을 나타내고, 각각의 단위는 mg/L임)
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KR100673831B1 (ko) * 2006-01-27 2007-01-25 (주)전테크 축산폐수, 침출수와 분뇨와 같은 폐수처리방법
JP2015509831A (ja) * 2012-01-12 2015-04-02 ブレイゴウ リミテッド 嫌気性プロセス
JP2015525120A (ja) * 2012-05-29 2015-09-03 ネオザイム インターナショナル，インコーポレイテッド 有機材料を処理するためのプロセス

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남궁규철, 전체옥, Kor. J. Microbiol. Biotechnol, Vol. 38, No. 4, 362-372 (2010. 10. 06.)*

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