KR20160063208A - 유기성 폐기물의 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법 - Google Patents

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Abstract

본원은 유기성 폐기물의 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법에 관한 것으로, 혐기성 메탄 발효시 글리세롤을 사용하여 메탄생성균의 대사 저해를 방지하여 메탄생산 향상 시키는 방법에 관한 것이다. 본원에 따른 방법은 나트륨이 다량으로 포함된 유기성 폐기물을 처리하는 동시에 유용한 에너지인 메탄가스를 효율적으로 생산할 수 있다.

Description

유기성 폐기물의 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법 {Method for Suppressing the Inhibition of Methane Production by Sodium in Anaerobic Process for Digesting Organic Waste}
본 발명은 혐기성 소화 시 높은 나트륨 농도로 인해 발생할 수 있는 메탄 생성의 저해작용을 방지하기 위해 글리세롤을 이용하여 나트륨에 의한 메탄 생산 저해를 억제하여 메탄 생성을 향상키는 기술에 관한 것이다.
현재 인류가 가장 많이 사용하는 에너지인 화석연료는 그 매장량이 제한되어 있고, 연소 시 일산화탄소, 이산화탄소, 황 및 질소 산화물 등의 온실가스 방출로 인해 지구 온난화를 유발시킨다. 따라서 화석연료를 대체할 수 있는 청정에너지원에 대한 연구가 활발히 진행중이며, 그 중 유기성 폐기물을 활용한 청정에너지원이 주목받고 있다.
유기성 폐기물은 미생물에 의해 분해 가능한 물질들로 음식물쓰레기, 하수슬러지, 축산분뇨 등이 이에 해당되며 2008년 유기성 폐기물 에너지화 가용잠재량은 총 6637천 톤/년이다. 이 중 가축분뇨가 40%로 가장 많으며, 유기성슬러지가 32%, 음식물쓰레기가 28%를 차지한다. 그 중 음식물쓰레기는 90% 이상을 재활용(퇴비화, 사료화)하려고 하지만, 생산된 사료 및 퇴비에 대한 수요가 매우 낮으며 사료화 및 퇴비화 과정에서 공기 주입이 필요하기 때문에 상당량의 에너지가 소모되는 공정이다. 따라서 실제 재활용은 18.8%로 매우 낮은 실정이며 대부분을 음폐수(전체 음식물쓰레기 반입량의 62.4%)형태로 해양에 투기하고 있는 실정이다.
혐기소화는 혐기성 박테리아를 이용, 유기물을 혐기 처리하여 CH4와 H2를 생산하는 방법이다. 이는 유기성 폐기물의 처리와 동시에 유용한 에너지원인 메탄가스를 생산할 수 있으며, 전기, 차량연료 또는 냉/난방의 에너지로 활용 가능하다. 또한, 유기성 폐기물 내에 존재하는 병원균 사멸과 악취 유발 물질을 저감하고 고급퇴비 및 액비 생산을 할 수 있다. 그러나 혐기성 소화에는 온도의 영향 또는 고농도 암모니아 및 나트륨 등이 반응조 식종균의 대사활동을 방해하는 문제점이 있다.
유기성 폐기물 내의 나트륨양은 국내의 음식 문화 특성상 다량이 포함되어 식종균의 대사활동에 매우 나쁜 영향을 끼친다. 기존에 보고된 고농도의 미생물이 식종된 건식 반응조의 경우, 10 g/l에서 50%의 저해를 나타내었고 14 g/l 에서 100%의 저해를 나타내는 것으로 알려져 있다. 이를 해결하기 위해 기질을 희석하거나 미생물을 적응 시키는 방법 등이 사용되나, 이는 추가적인 공정을 필요로 한다. 따라서, 유기성 폐기물의 혐기소화과정에서 간단한 공정으로 나트륨에 의한 메탄 생성 저해를 방지할 수 있는 공정개발이 요구된다.
대한민국 등록특허 1092018호는 고온혐기 메탄발효방법에 관한 것으로, 하수종말 처리장의 중온발효 혐기소화조 하수오니를 이용하여 고온 메탄 발효를 위한 고온혐기 발효조건을 만드는 방법이며, 가축분뇨와 유기성 폐기물을 이용하여 메탄발효를 수행하는 전반적인 발효조건을 개시한다.
대한민국 등록특허 0826580호는 유기성 폐기물의 메탄화 처리방법 관한 것으로, 염분을 함유한 유기성 폐기물을 혐기소화시킴에 있어, 상기 유기성 폐기물에 내염제를 첨가하여 혐기소화시킴으로써 메탄가스를 생성시키는 방법을 개시한다.
본원은 국내에서 발생되는 음식물쓰레기와 같은 유기성 폐기물에 포함된 다량의 나트륨이 메탄 발효에 미치는 영향을 억제하여 궁극적으로 메탄가스 생산 효율을 높이는 방법을 제공하고자 한다.
본원은 나트륨을 함유하는 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수; 상기 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수에 혐기성 소화조 식종균을 주입하는 단계; 상기 식종균이 주입된 배양물을 중온에서 30일 이내 혐기 배양하는 단계; 및 상기 배양물에 글리세롤을 추가하는 단계를 포함하는, 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법 또는 혐기성 소화 공정에서 메탄생성 효율 향상 방법을 제공한다.
일구현예에서 본원의 방법에 사용되는 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수와 혐기성 식종균은 1:1의 휘발성 고형물(VS) 비, 또는 COD 기준으로 1:2의 비로 포함될 수 있다.
본원에 따른 일 구현예에서 본원의 방법은 중온, 30 내지 40℃, 특히 37℃에서 수행될 수 있다.
본원은 상기 혐기성 식종균은 하수처리장의 소화슬러지가 사용될 수 있으며,이러한 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수에 함유된 나트륨 농도는 0.5 g Na/L이상이다.
본원에 따른 방법에서 상기 나트륨을 함유하는 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수와 글리세롤의 비율은 COD (Chemical Oxygen Demand, 화학적산소요구량) 기준으로 1:10 내지 10:1로 포함될 수 있으며, 특히 5:5, 7.5:2.5 또는 9:1로 포함될 수 있다.
본원의 방법은 혐기성 소화에서 나트륨에 의한 메탄생성균의 대사 저하를 억제할 수 있어, 유기성 폐기물을 처리하는 동시에 유용한 에너지인 메탄가스를 보다 효율적으로 생산할 수 있다.
도 1은 나트륨 농도에 따른 메탄 전환율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본원에 따른 일 구현예에 따라 혐기소화 반응조 내부 유기산의 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 나트륨 농도별 메탄 전환율에 따른 나트륨의 농도 저해 공석을 나타내는 그래프이다.
도 4는 고농도 나트륨에 포함된 기질을 이용한 혐기성 소화 시 글리세롤 추가 효과를 나타내는 그래프이다.
본원은 음식물쓰레기를 기질로 사용하는 혐기성 반응조 내에 이면물질(compatible solute)로서 글리세롤을 주입하여 나트륨에 의한 메탄 생성균의 저해작용을 방지할 수 있다는 발견에 근거한 것이다.
본 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니나, 본원의 방법에 사용되는 글리세롤은 세포내의 삼투압을 높게 유지함으로써 높은 삼투압 환경에서 세포내의 물의 유출이나 세포내로의 용질의 이동을 막는 삼투압 작용에 의해 나트륨에 의한 메탄 생성균의 저해작용을 방지할 수 있다.
따라서 본원의 방법은 나트륨을 다량 포함하는 유기성 폐기물을 혐기성 소화의 기질로 사용하여 메탄생산 효율을 향상시킬 수 있다.
한 양태에서 본원은 나트륨을 함유하는 유기성 폐기물의 혐기 발효 시 메탄 생성균의 대사 저하를 방지하기 위해 반응조에 글리세롤을 첨가하는 것을 특징으로 하는 메탄생성 향상 방법에 관한 것이다.
일 구현예에서 본원의 방법은 나트륨을 함유하는 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수를 제공하는 단계; 상기 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수에 혐기성 식종균을 주입하는 단계; 상기 식종균이 주입된 배양물을 중온에서 30일 이내 혐기 배양하는 단계; 및 상기 배양물에 글리세롤을 추가하는 단계를 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "유기성 폐기물"이란, 하수 슬러지, 생물슬러지, 축산분뇨 및 음식물쓰레기와 같은 유기물질을 포함하는 폐기물을 일컫는 것이다. 본원의 한 구현예에서는 특히 음식물 쓰레기가 사용되며, 본원의 방법에서 유기성 폐기물은 혐기성 소화시 기질로 사용되며, 폐기물에 포함된 고형분의 크기 또는 형태에 따라 혐기성 미생물의 기질 분해 시간이 오래 걸리므로 적절한 전처리가 필요할 수 있다. 예를 들면 파쇄 및 고-액 분리하여 액상만을 취하여 기질로 사용하거나 또는 분쇄하여 기질로 사용한다. 본원의 한 구현예에서는 음식물 쓰레기가 기질로 사용된다. 나트륨을 함유하는 유기성 폐기물의 처리 폐수란 유기성 폐기물의 혐기성 소화 공정에서 발생되거나 또는 이의 처리에 사용된 폐수를 일컫는다.
본원의 방법에서는 나트륨이 포함된 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수가 기질로서 사용된다. 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수에 함유된 나트륨 농도는 나트륨에 의해 메탄 발효가 저해되는 한, 특별히 제한되지 않으며, 일 구현에에서는 0.5 g Na/L이상이다.
본원에서 사용된 용어 "혐기성 소화"란 미생물을 이용하여, 하수 슬러지, 음식 폐기물, 축산 분료 등의 유기성 폐기물을 처리하는 것으로, 연료로 사용가능한 예를 들면 이산화탄소 및 메탄과 같은 바이오가스가 부산물로 생성된다.
본원의 방법에 사용될 수 있는 혐기성 식종균은 메탄을 생성할 수 있는 균주 또는 혼합 균주로 예를 들면 지역 하수처리장 소화조 슬러지, 혐기성 소화조 슬러지가 사용될 수 있다. 슬러지는 물리적, 화학적, 생물학적 하수 또는 폐수 처리과정에서 발생하는 다량의 부산물을 일컫는 것이다. 본원에 따른 일 구현예에서는 혐기성 소화조 슬러지를 식종균으로 사용된다.
본원의 방법에서 식종균은 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수와 1:1의 휘발성 고형물의 비로 포함된다.
본원의 방법에서 식종균은 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수와 COD (Chemical Oxygen Demand, 화학적 산소요구량) 기준으로 2:1의 비로 포함된다.
본원의 방법에서 식종균 주입 후, 배양물은 중온 조건에서 배양된다. 혐기성 소화조 슬러지내에 포함된 여러 균주 중 중온 조건에 적합한 메탄 생성균들이 활성화되어 메탄생성을 하게 되며 온도의 차이가 클수록 적응하는 시간이 많이 소요된다. 본원의 일 구현예에서는 약 30℃-40℃의 온도, 특히 37℃에서 배양된다.
본원의 방법에서는 글리세롤의 첨가에 의해 음식물 쓰레기의 혐기성 소화시 고농도 나트륨으로 인한 저해 작용을 방지하는 효과를 달성하였다.
본원의 방법에 사용되는 글리세롤의 양은, 나트륨을 함유하는 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수와 글리세롤의 비율은 COD (Chemical Oxygen Demand, 화학적산소요구량) 기준으로 약 1:10 내지 10:1로 포함되며, 일 구현예에서는 5:5, 7.5:2.5 또는 9:1로 포함되며, 특히 1:1의 비율로 포함된다.
본원에 따른 방법은 이로 제한하는 것은 아니나 혐기성 단상 형태의 반응조에서 수행될 수 있다. 반응조 내부에 미생물이 위치해 있고 수직형 교반기가 부착되어 기질과 미생물의 접촉을 진행하는 반응조이다. 본원에서 운전된 반응조의 온도는 중온, 37℃로 (30℃-40℃의 범위) 운전이 되며 기질의 주입은 간헐적(1일 1회, 또는 2회)이 되며 기질로는 음식물쓰레기가 이용된다. 이러한 반응조는 예를 들면 완전혼합반응기(complete mixing reactor)를 포함하는 것으로 이는 혐기성 소화 시 일반적으로 널리 사용되는 것이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1 식종균의 성상 및 반응기 운전 조건
기질로는 나트륨을 함유하는 음식물쓰레기(기질 농도 5 g COD/L, pH 4.1)를 이용하였고 식종균으로는 하수처리장 소화조 슬러지 (Anaerobic digested sludge, 10 g COD/L, pH 6.8)를 주입하여 사용하였다.
반응기는 유리 재질의 시럼병으로 총 부피 180 ml, 유효부피는 100 ml 이었다. 반응기의 온도 조절은 진탕배양기의 항온 시스템을 이용하여 37℃로 조절 하였고 250 rpm 으로 조절하여 교반하였다. 혐기성 식종균과 음식물쓰레기를 1:1의 VS (Volatile Solid)로 주입하고, 농도는 10 g COD/L와 5 g COD/L로 농도 비율은 2:1이 된다.
실시예 2 나트륨 농도에 따른 메탄 발생량
실시예 1에 기술된 바와 같은, 혐기성 식종균을 주입한 후 시럼병을 이용하여 중온 (37℃) 조건에서 약 30일동안 혐기 배양하였다. 배양액에는 다음 조성의 영양물질을 추가하였다: 1g COD당 NH4Cl 60 mg, KH2PO4 10 mg, NiSO4 6 mg, FeCl3·H2O 6mg, CaCl2 15 mg/L 의 농도로 주입하였다. pH는 초기 혼합 후 2N KOH를 주입하여 7.6 ~ 8.0 으로 조절하였다.
나트륨의 농도는 음식물쓰레기에서 초기에 측정한 0.5 g Na/L 외에 추가적으로 0.0, 3.0, 5.5, 8.0, 10.5, 13.0, 15.5, 18.0 g Na/L를 NaCl로 계산하여 가루 형태로 주입하여 각각 상이한 Na 농도에서의 메탄 발생량을 측정하였다.
가스 발생량은 1 ~ 2일에 한번씩 유리 재질의 시린지 (50 mL 용량)를 이용하여 표준 상태 (0℃, 1기압)의 값으로 환산하였고 메탄가스의 농도는 가스크로마토그래피 (Gow-Mac Series 580, USA)를 제조자의 방법대로 이용하여 측정하였다.
결과는 도 1 에 기재된 바와 같이 나트륨의 농도가 높아질수록 메탄 전환율은 낮아지는 것을 확인하였다. 8 g Na/L 이상에서는 메탄 전환율이 59% 이하로 감소하였으며 초기 지체시간도 0.7 일 증가하였다. 나트륨 농도가 가장 높은 18.0 g Na/L 에서는 메탄 전환율이 25.6 %에 그쳤으며 지체시간도 7.5 일로 나타났다.
[표 1]
Figure pat00001
상기와 같은 결과는 높은 나트륨 농도에서는 메탄 발생이 억제되는 것을 나타낸다.
도 2는 상기 반응시 반응조내 유기산의 농도 변화를 나타낸 것으로 유기산의 농도는 초기 5일 까지는 나트륨 농도가 높거나 적은 시료와 상관없이 증가하였다가 나트륨의 농도가 낮은 시료는 유기산이 분해되며 메탄가스가 발생하는 반면 나트륨의 농도가 높은 시료는 유기산의 분해 속도가 늦게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 이는 고농도의 나트륨이 유기산을 생산하는 산 발효 미생물에는 큰 영향이 없고 유기산을 메탄으로 전환시키는 메탄 생산 미생물에 영향을 미친다는 것을 의미한다.
이를 토대로 도 3에서는 나트륨의 농도 저해 곡선을 나타내었으며 바이오가스 생산에 50%의 저해를 미치는 나트륨 농도는 10.5 g Na/L, 100%의 바이오가스 생산 저해를 미치는 농도는 16.5 g Na/L로 나타났다.
고농도의 나트륨 저해를 방지하고자 글리세롤을 추가하여 그 영향을 분석하였다. 이때 나트륨의 농도는 기존 문헌과 실험결과를 참고하여 8 g Na/L로 고정하였고 음식물쓰레기와 글리세롤의 비율을 COD (Chemical Oxygen Demand, 화학적산소요구량) 기준 0:10, 5:5, 7.5:2.5, 9:1, 10:0의 비율로 반응조에 주입하고 실험을 진행하였다. 이 결과는 도 4에 나타내었으며 글리세롤이 전혀 없는 음식물쓰레기와 글리세롤 10:0은 메탄 전환율이 36%에 불과하였으나, 음식물쓰레기와 글리세롤의 비율이 5:5인 경우 메탄 전환율이 62%로 증가하는 것을 확인하였다. 이는 글리세롤로 인해 나트륨에 의한 메탄생성 저해가 억제되었음을 의미하는 것이다.
이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.

Claims (8)

  1. 나트륨을 함유하는 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수;
    상기 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수에 혐기성 식종균을 주입하는 단계;
    상기 식종균이 주입된 배양물을 중온에서 30일 이내 혐기 배양하는 단계; 및
    상기 배양물에 글리세롤을 추가하는 단계를 포함하는, 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수와 혐기성 식종균은 1:1의 휘발성 고형물(VS) 비로 포함되는 것인, 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수와 혐기성 식종균은 COD (Chemical Oxygen Demand, 화학적산소요구량) 기준으로 1:2의 비로 포함되는 것인, 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중온은 30 내지 40℃인, 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 혐기성 식종균은 하수처리장의 소화슬러지인, 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수에 함유된 나트륨 농도는 0.5 g Na/L이상인 것인, 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 나트륨을 함유하는 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수와 글리세롤의 비율은 COD 기준으로 1:10 내지 10:1로 포함되는 것인, 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 나트륨을 함유하는 유기성 폐기물 또는 그 처리 폐수와 글리세롤의 비율은 COD 기준으로 5:5, 7.5:2.5 또는 9:1로 포함되는 것인, 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄생성 저해 억제 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210063925A (ko) 2019-11-25 2021-06-02 한국과학기술원 전도성 탄소나노튜브 구조체를 이용한 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법

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