생물전기화학 혐기 소화조를 이용한 초음파 전처리가 적용된 하수 슬러지의 소화성능 평가

• Published in: Daehan hwan'gyeong gonghag hoeji Vol. 44; no. 1; pp. 13 - 20
• Main Authors: 이동환(Donghwan Lee), 김진원(Jinwon Kim), 서휘진(Hwijin Seo), 안용태(Yongtae Ahn)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한환경공학회 2022
• Subjects: 환경공학; Microbial electrolysis cell; Bio gas; 미생물전기분해전지; Ultrasound pretreatment; 초음파 전처리; 하수 슬러지; 바이오가스; Sewage sludge
• ISSN: 1225-5025; 2383-7810

목적:본 연구는 초음파 강도 및 시간에 따른 1차 하수슬러지(생슬러지)의 가용화도에 대한 비교 후 회분식 실험을 통해 미생물전기분해전지(Microbial electrolysis cell, MEC)의 운전성능을 조사하였다. 방법:초음파 처리에 따른 생슬러지의 가용화도에 대해 비교하기 위하여 1~4 W/mL energy density로 5~30분간 주사하였다. MEC 운전에서 대조군으로 전처리를 수행하지 않은 생슬러지와 실험군으로 3 W/mL energy density로 30분간 초음파 전처리된 생슬러지를 사용하였다. MEC 운전성능을 비교하기 위하여 바이오가스 생산량, 유기물제거 등을 분석하였다. 결과 및 토의:초음파 전처리에 따른 슬러지 가용화도 실험결과, 에너지효율을 고려할 때 3W/mL, 30분 조건이 최적인 것으로 나타났다. 메탄 생산에서 MEC 3W (초음파 전처리를 수행한 MEC)가 1, 3 사이클에서 평균 4,790 mL/L로 MEC (전처리를 수행하지 않은 MEC) 243 mL/L 더 많이 생산되었다. Modified Gompertz model을 통한 모델분석에서 lag phase는 MEC 3W가 0.46일로 MEC에 비해 0.12일 길었으나 최대 메탄 생산속도가 938 mL/L/day로 더 높았다. 유기물 제거율은 MEC 3W가 대조군에 비해 TS는 1.8%, VS는 2.4%, COD는 2.0% 각각 더 높았다. 메탄 수율은 377.4 mL/g VSin으로 초음파 전처리를 수행하지 않은 MEC에 비해 0.4% 높았다. 결론:MEC에서 초음파전처리한 슬러지를 기질로 사용하여 메탄가스 발생량과 유기물 제거율의 증가가 가능하였다. 향후 전처리가 적용된 하수슬러지를 기질로 하여 최고의 운전성능을 보여주기 위한 최적의 전처리 방법을 찾는 후속 연구가 필요하다. Objectives:This study examined the effect of ultrasonic pretreatment on primary sewage sludge (raw sludge) solubilization and its subsequent microbial electrolysis cells (MECs) operation performance. Methods:To compare the effect of ultrasound on raw sludge solubilization, ultrasonic pretreatment was conducted at 1~4 W/mL energy density for 5~30 min. In MECs operation, raw sludge was used as a control group, and ultrasound pretreated sludge was used as an experimental group. For comparing MECs performance, biogas production, and organic matter removal were analyzed. Results and Discussion:The optimal experimental condition for ultrasonic pretreatment were 30 min of sonication time at 3 W/mL. In methane production, MEC with ultrasound pretreatment (MEC 3W) produced 243 mL/L more methane than that of unpretreated MEC (MEC) by 4,970 mL/L at 1, 3 cycles. In the modified Gompertz model analysis, the lag phase of MEC 3W was 0.46 days, which was 0.12 days longer than MEC. The maximum methane production rate of MEC 3W by 938.5 mL/L/day was also higher than MEC. MEC 3W showed a 1.8% higher TS removal rate, 2.4% VS removal rate than MEC. COD removal rate also improved by 2.0% when ultrasound pretreatment was applied. The methane yield of MEC with ultrasound pretreatment (377.4 mL/g VSin.) was 0.4% higher than that of MEC without pretreatment. Conclusion:Ultrasonic pretreatment of sewage sludge im proved the methane production and organic removal in microbial electrolysis cells. It is necessary to find the optimal operating conditions to obtain the maximize the performance. KCI Citation Count: 0