간행물
한국폐기물자원순환학회 학술대회자료집
- 발행기관 한국폐기물자원순환학회
- 자료유형 학술대회
- 간기 부정기
- 수록기간 1984 ~ 2018
- 주제분류 공학 > 환경공학 공학 분류의 다른 간행물
- 십진분류KDC 539DDC 628
권호리스트/논문검색
2013년 추계학술발표회 논문집 (2013년 11월) 257건
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2013.11
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음식물류폐기물을 처리하는 방법 중 혐기성소화 공정은 부산물로서 메탄이 주성분인 바이오가스를 얻을 수 있기 때문에 국내･외에서 적용하는 사례가 크게 증가하고 있는 추세이다. 따라서 본 연구에서는 남양주시에서 발생하는 음식물쓰레기를 대상으로 고온(55±2℃) 2상 혐기성 소화조를 운전하였다. 산 발효조와 메탄 발효조 내부는 상부 스컴 수집용 Blade가 설치되어 있으며, 상ㆍ하부의 완전 교반 및 순환으로 미생물 접촉시간 증대에 따른 고효율 유기물 제거를 확보할 수 있는 원형 내부 격벽 설치 구조로 되어있다. 또한 내부 격벽 내 저동력 다단형 교반기(VVVF 적용)가 설치되었다. 발생하는 바이오가스 중 제습을 위한 Water trap과 황성분을 제거하기 위해 건식탈황장치를 설치하였다. 정제된 바이오가스는 보일러의 연료로 사용되어 혐기성 소화조 가온에 이용하였으며, 잉여 steam은 소각시설에서 발생하는 steam과 혼합되어 판매하였다. 실증 Plant 운전결과 소화조로 유입되는 음식물의 평균 VS 농도는 76,033mg/L였으며, 평균 VS 제거율은 78.1%로 나타났다. 바이오가스 평균 발생량은 1,079Nm³/day이며, 메탄생성율은 0.7m³/kgVSremoved임을 확인하였다.
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2013.11
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최근 국제적으로 유가상승과 1차 및 2차 에너지의 제한성으로 인한 에너지위기, 에너지사용량의 증가와 산업화에 따른 기후변화, 기후변화에 따른 환경문제가 지속적으로 이어져오고 있다. 이러한 문제들에 대응하기 위한 수단으로 신재생에너지의 활용 및 연구가 활발하게 진행되고 있으며 우리나라에서도 폐기물을 이용한 바이오가스 생성 및 활용에 많은 연구 및 생산이 이뤄지고 있다. 유기성 폐기물을 이용하여 바이오가스를 생성하는 시설이 증가하고 있어 폐기물질을 처리하는 동시에 새로운 에너지를 생성하고 있다. 우리나라에서 이뤄지고 혐기소화를 통한 바이오가스 생성시설은 대부분 중온소화를 통해 이뤄지고 있으며 중온소화 적정온도인 35℃를 유지하기 위하여 추가적인 에너지 활용이 불가피하다. 따라서 유기성폐기물을 이용하여 효율적인 바이오가스를 생성하기 위하여 연구를 진행하였으며 혐기성소화를 통한 바이오가스 생성 시 중온소화 온도를 유지할 수 있는 새로운 방법을 찾고자 하였다. 호기성산화열에 적용되는 유기물질은 톱밥50%, 두부비지40%, 미강%의 비율로 배합하였으며 미생물의 지속적인 소화 및 온도유지를 위하여 각 소화조마다 1kg의 유기물질을 1일 1회 공급하였다. 또한 호기성소화의 적정 수분함량인 50~60%를 유지하였으며 반응조 내 유기물질의 고른 혼합을 위하여 1일 1회씩 교반하였다. 본 실험은 온도센서가 부착된 60L 반응조 6대를 이용하여 실험을 진행하였으며 공기 유량에 따른 호기성 분해 산화열의 변화를 파악하고자 각 반응조마다 공기주입량을 다르게 설정하였다. 초기반응 시 소화조는 각 소화조는 각각 2L/min 의 유량으로 공기가 주입되며 소화조의 온도가 50℃이상이 되었을 때부터 공기유량이 다르게 주입되도록 설정하였다. 호기성소화 반응조에 투입되는 공기량에 따른 발열반응 실험결과 6번 반응조에서 나타나는 온도 변화가 이상적으로 제어됨을 확인하였다. 다른 반응조보다 반응조 내 온도 변화율이 가장 적었으며 평균 온도 값이 49.94℃로 제어 목표 온도인 50℃에 가장 근접한 값을 나타내었다. 공기량의 투입량이 많을수록 외부 공기의 투입으로 인한 온도저하를 예상하였으나 결과는 예상과는 다르게 공기투입량이 가장 많은 6번 반응조에서 호기 성분해 산화열의 발생이 가장 효율적인 모습을 나타내었다.
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2013.11
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최근 하수슬러지의 고형연료화와 관련하여 건조 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 산업용 건조 기술에는 여러 가지가 있으나, 일반적으로 대류 열전달 방법인 열풍 건조가 많이 이용되고 있다. 그러나 열풍 건조는 유지 관리 비용이 크며, 외부 조건에 영향을 받는 등의 운전상 어려움이 있다. 이에 비해 마이크로파 건조는 복사에 의한 내부가열 방식으로 건조시간을 단축시킬 수 있으며, 에너지효율 면에서도 뛰어나다. 그러나 국내에서는 적용 실적 및 성공 사례의 부족으로 인해 활용되지 못하고 있는 실정이다. Batch type의 lab-scale 1 ~ 4kW급 마이크로파 건조기를 사용하였으며, 하수슬러지 건조 시 피건조물의 최적 투입 두께는 2 cm 이하, 마이크로파의 최적 조사 높이는 조사너비의 70%로 도출되었다. 건조효율 평가를 위하여 2.4 kW급 열풍 건조기를 이용하여 비교 실험을 진행한 결과, 열풍 건조에 비해 마이크로파 건조가 동일 조건 하에서 건조시간은 2.7배 단축되었으며, 수분증발효율은 4배 높은 것으로 나타났다. 특히 수분함량 60 ~ 10% 구간의 수분증발효율은 마이크로파가 열풍보다 약 6배 높은 것으로 나타났으며, 피건조물의 초기 수분함량이 낮을수록 마이크로파 건조가 더 유리한 것을 확인하였다.
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2013.11
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현재 폐기물로 분류되는 제지슬러지는 녹생토로 재활용되거나 해양투기되었으나 해양투기금지와 녹생토 수요감소로 제지 슬러지의 폐기물 처리비용이 증가되고 있다. 이런 상황에서 폐기물인 제지 슬러지를 주원료로 회수하여 폐기물 처리의 다원화 방법의 일환으로 육성하고 제지 업종의 기업은 상호 네트워크를 구축하여 폐기물을 저가 원료로 재사용하는 시스템을 구축한다면, 환경적, 경제적인 측면에서 모두 유리하다. 연구개발 방향은 제지 슬러지에서 Ash 및 Dirt, Sticky를 제거하여 Fiber를 회수하며, 회수된 Recycled Fiber를 배합하여 골심지를 생산하는데 있다. Sticky 및 Dirt 제거에 효과적인 Slot Screen을 사용하여 제지 슬러지의 불순물을 제거하였다. Screen Basket Slot Size를 바꿔가며 제거 효율을 측정한 결과 Slot Size를 작게 하면 할수록 Sticky 및 Dirt의 제거효율은 증가하나 Screen Reject가 많이 발생하였다. 따라서 Screen Slot Size 0.25mm에서 Sticky 제거 효율이 가장 우수하며, 수율 또한 95% 이상으로 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 원료 농축 공정에서 사용되는 대표적인 저농축 설비인 Washer를 사용하여 Ash를 추가적으로 제거하였다. 일반적인 Washer 설비인 One Stage Washer는 Ash 제거율이 평균 32% 수준이며, 잉크제거율 또한 평균 19% 수준이었다. 따라서 좀 더 양호한 이물질 제거율을 위해 One Stage Washer보다 고속으로 운전되며 이물질 제거효율이 높다고 알려진 High Speed Washer를 통해 Ash 제거율을 평가한 결과 Ash는 평균 58% 수준의 제거율을 보였으며, 잉크제거율은 평균 50% 수준으로 One Stage Washer보다는 양호한 이물질 제거율을 보였다. 제지 슬러지 회수 Line을 통해 골심지 생산 시 Recycled Fiber의 배합율을 25~30%까지 상향하여 골심지를 생산한 결과 제품 Ash가 증가하나 제품의 주요 품질 항목인 백색도 및 압축강도의 변화가 거의 없어 큰 문제없이 골심지 생산이 가능하였다.
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2013.11
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하수슬러지 자원화 처리 방안 중 하나인 고화처리는 시멘트 및 생석회 등의 무기계 재료를 고화공정의 첨가제로 사용하여 하수슬러지를 고화시켜 인공토양을 제조하는 기술로, 다른 자원화 방법과 비교하여 에너지 사용량이 적은 공법으로 재자원화율이 가장 높은 육상처리 방법이라 말할 수 있다. 환경부 국가환경기술정보센터의 자료에 따르면 2012년 4월 현재 국내 운영 중인 총 89개의 하수슬러지 처리시설 중 고화처리 시설은 12개소이며, 처리 가능 시설 용량은 2,668톤/일으로 전체 시설의 약 30%를 차지하고 있다. 본 연구에서는 슬래그 활성화 메커니즘을 기반으로 하고 자극제로 고칼슘 플라이애시인 열병합발전소 소각재와 제지슬러지 소각재를 활용하여 제조한 하수슬러지 고화재 CMD-SOIL 1000 (형원길 외, 폐기물학회 2012)을 국내 4곳의 하수슬러지 자원화 시설에 적용하여 설비 운용성을 평가하고, 최종 배출 고화물을 매립지의 복토재로 재이용하기 위해 관련 규정에 의거한 적합성을 평가하였다. 평가 결과 자원화 시설에서 설비 가동성과 관련하여 요구하는 항목인 고화재 이송 여부, 시간당 혼합 배치 수 및 배출량 그리고 하수슬러지 중량에 대한 고화재 적정 혼합비율을 모두 만족시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한 유기성 오니를 고화하여 생산한 고화처리물을 매립시설의 복토재로 재활용하기 위한 규정인 ‘폐기물관리법 시행규칙 별표 5의 2’ 에서 정한 수소이온농도 12.4 이하, 수분함량 50% 이하, 투수계수 1.0×10-7cm/sec 이상 1.0×10-3cm/sec 이하, 일축압축강도 0.10MPa 이상 그리고 유해물질 함량 기준인 ‘토양환경보전법 시행규칙 제1조 5’ 에 따른 토양오염우려기준 중 2지역 이내인 기준치를 모두 만족하여, CMD-SOIL 1000은 기존 국내 하수슬러지 자원화 설비에 적합한 하수슬러지 고화재인 것으로 판단되었다.
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2013.11
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전 세계적인 인구증가는 도시하수 및 축산폐수 발생량 증가로 인한 심각한 수질오염과 화석에너지 고갈을 초래하였고, 이에 대한 대응방안으로 에너지 자립형 폐수처리 기술개발이 이슈화되고 있다. 국내 폐수처리 시설의 경우 질소‧인에 의한 부영양화 심화로 폐수고도처리의 필요성이 대두되고 있지만, 기존의 활성슬러지 공법을 이용한 폐수 처리 시 낮은 효율성과 발생된 슬러지 처리 운전비용의 경제적 문제점으로 인해 적절한 대안기술이 필요한 실정이다. 최근 재생에너지 분야 중 바이오매스의 환경/에너지 원천기술 개발이 주목받고 있는 가운데, 폐수처리장 내 미세조류 기술 적용 시 수중 유･무기탄소, 질소, 인 및 중금속 등을 효율적으로 제거하고, 생산된 바이오매스는 바이오연료 생산 원료 (바이오에탄올/바이오디젤)로 이용이 가능하여 기존 공법의 한계점을 개선할 수 있는 대안기술로 모색되고 있다. 본 연구에서는 미세조류 O. multisporus 는 C시 양돈폐수 처리장으로부터 채취하여 분리되었으며, W시 하수종말처리장 내 유입수(유입수), 생물학적 처리 후 배출수(2차 배출수) 및 UV 처리 후 배출수(3차 배출수)와 양돈폐수 방류수에서 배양하여, 폐수 내 유･무기탄소, 질소, 인의 제거 효율과 동시에 생산된 바이오매스의 에너지 전환가능성을 검토하였다. 실험은 SS(Suspended Solid) 측정방법으로 폐수 내 미세조류의 성장을 측정, Chromotropic acid method와 Ascorbic acid method를 이용하여 질소, 인 농도 분석, 그리고 Dubios method와 Direct transesterification method로 탄수화물과 지질함량을 분석하였다. 실험결과, 하수에서 10일 동안 배양 시 바이오매스 생산량은 0.2-0.22 g/L로 양돈폐수에 비해 생산량이 높았으며, 질소, 인 제거효율은 각각 94와 95% 이상으로 나타났다. 바이오매스 내 탄수화물 및 지방산 함량은 하수에서 배양 시 양돈폐수 배출수 적용 시 보다 각각 최대 31 및 9% 증가되었다. 또한, 지방산 성분 중 고품질 바이오디젤 생산에 적합한 올레산 (C18:1n9c) 함량이 하수에서 배양 시 양돈폐수 배출수보다 약 2.5배 이상 증가되어 O. multisporus 종은 하수에서 배양 시 고도폐수처리 및 고품질 바이오연료 전환에 적합하다고 판단된다.
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2013.11
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이산화탄소의 증가에 따른 온실가스 저감방법에 대한 연구들이 활발히 진행이 되고 있다. 이산화탄소는 지구온난화를 야기하는 대표적인 온실가스이다. 이를 저감하기 위한 방안으로는 CCS(Carbon Capture and Storage)를 예로 들 수 있다. 하지만 CCS기술은 에너지의 소비가 비교적 높은 기술이며, 분리된 이산화탄소를 안정적으로 저장하기 위한 방법과 공간의 부재가 문제가 되고 있다. 이를 보완하기 위한 방안으로 CCU (Carbon Capture and Utilization)을 예로 들수 있다. CCU기술은 금속이온이나 생물학적인 방법으로 이산화탄소를 재이용하는 기술을 의미한다. 하지만 이러한 기술의 경우도 고온(500℃ 이상), 고압(20bar 이상)의 에너지 다소비 공정이라는 것과, 고정화를 하기위한 물질들의 안정적인 공급이 뒷받침이 되어야한다는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구는 종래의 CCS/CCU기술의 문제점인 이산화탄소의 저장과 고정화물 feeder의 안정적인 공급을 위하여 이산화탄소 전환 및 고정화에 대한 연구를 수행을 하였다. 또한 연구는 기존의 고온, 고압을 탈피한 상온(30℃), 상압(1bar)의 조건으로 유지를 하여 에너지의 소비가 적은 조건에서의 가능성을 실험하였다. 고정화물을 형성하기 위한 feeder는 정유･석유화학에서 발생되는 petro ash를 사용하였다. petro ash내 포함되어있는 금속양이온은 약 48%를 넘기 때문에 안정적인 탄산염의 생성이 가능할 것으로 예측을 하였다. 실험결과 이산화탄소의 전환량을 5% MEA를 기준으로 0.241 mol-CO₂/mol-MEA였으며, 생성된 탄산염은 대부분 CaCO₃의 형태를 띄는 것으로 확인하였다. 전환용액에 포함되어있는 이산화탄소는 2차 탈거과정을 통하여 대부분이 탄산염의 형태로 전환이 되었다는 것을 확인하였다. 위와같은 실험을 통하여 이산화탄소의 안정적인 저장과 산업부산물로 발생되는 ash등의 재활용이 가능할 것이라 예측할 수 있었다. 더 나아가 생성된 탄산염의 정제과정을 추가 연구하게 된다면 부가적인 이익을 창출할 수 있는 방안이라 생각한다.
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2013.11
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This paper reports on the experimental investigation carried out to evaluate the physical optimal conditions in the absorption column to remove odorous hydrogen sulfide gas. Hydrogen sulfide gas, as a highly undesirable contaminant, is most widely emitted from environmental treatment facilities. The absorbent mixed with natural second metabolites extracted from conifer trees and chemical absorbent of 2-aminoethanol was applied to remove it via chemical neutralization. The absorbent of natural second metabolites was achieved by a removal efficiency of 20 - 40% by itself depending on the treatment conditions, but the complex absorbent mixed with 0.1% amine chemical provides the removal efficiency of 98%. The optimal removal efficiencies have been examined against the two major parameters of temperature and pH. This study shows that the aqueous solution by natural second metabolites can be used as an appropriate absorbent in the column absorbed for the removal of hydrogen sulfide gas. Young G.
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2013.11
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철 킬레이트 화합물을 이용한 친환경 황화수소(H2S) 제거공정은 1960년 영국의 Hartley에 의해 처음으로 소개 되었다. 철 킬레이트 화합물을 이용한 액상 촉매산화법은 황화물 기체의 물에 대한 용해도와 철 킬레이트 화합물의 산화환원 원리를 이용한 방법으로 상온상압 운전이 가능하며, 폐수 및 2차 오염이 없고, 운전 및 설비 비용이 저렴하여 최근에 혐기소화 발생 바이오가스에 응용되고 있다. 철 킬레이트 화합물의 황화수소 제거 메커니즘은 다음과 같다.
H2S (g) = H2S (aq.) : Henry's law
H2S (aq.) + 2Fe(III)-Chelates = 2Fe(II)-Chelates + S(s) + H+.
O2 (g) = O2 (aq.)
4Fe(II)-Chelates + 2H2O+ O2(aq.) = 4Fe(III)-Chelates + 4OH-.
본 연구에서는 상금속 킬레이트 촉매를 이용한 황화수소의 제거에서 가스는 액상 킬레이트용액에 용해되고 용해된 황화수소는 산소와 반응하여 물로 전환된다. 특히 수용액 중 황이온은 산소에 의해 고체황으로 침전되지만 일반적으로 산화작용을 촉진시키기 위하여 금속촉매를 사용하는 경우가 있다. 황화수소제거에서 주로 이용되는 경우는 철염과 킬레이트 EDTA를 사용하며 FeSO4-EDTA촉매를 개발하여 황화수소제거를 위해 흡수탑 공정에 적용하였다. 공정변수별로 철킬레이트 촉매를 이용한 2가나 3가 철을 사용하여 황화수소를 제거하기 위해 철염의 농도, 온도 그리고 pH 등을 달리하여 제거효율을 측정하여 보았다.
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2013.11
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2011년 기준으로 울산지역의 국가산업단지에서 발생하는 폐기물은 5,832 톤/일이며, 이 중 가연성 폐기물은 1,626 톤/일이 발생하였다. 가연성 폐기물의 처리방법은 발생량의 63%를 차지하는 오니류의 영향으로 해역배출이 47%로 가장 높으며, 재활용 24%, 소각 21%, 매립 8% 순으로 나타났다. 울산지역은 사업장에서 발생하는 가연성 폐기물의 배출을 줄이고 발생된 폐기물의 효율적인 재이용, 재활용을 통해 자원 및 에너지 효율을 극대화하는 생태산업단지 구축 사업이 2005년부터 추진되었으며, 폐기물과 에너지 분야에서 다양한 사업화 성과를 달성하였다. 본 연구는 생태산업단지구축 사업의 일환으로 테레프탈산 제조 공정 폐기물에서 방향족산의 회수를 통해 폐기물의 부가가치를 높이는 방안에 대한 실험을 진행하였다. 테레프탈산 폐기물에는 생산품인 테레프탈산을 포함해 아이소프탈산, 벤조산, 파라톨루익산이 각각 10%, 16%, 23%, 9% 함유되어 있다. 테레프탈산 폐기물에서 방향족산을 회수하는 방안은 승화장치와 활성탄 칼럼을 이용하는 방법과 탈수와 증류 공정을 이용하는 방법 등 다양하게 연구되었으나, 과도한 운영비용으로 인해 상용화에 실패하였다. 따라서 본 연구에서는 메탄올을 용매로 하여 아이소프탈산의 회수에 대한 실험을 진행하였다. 메탄올에 대한 용해도는 테레프탈산이 0.792 g/L, 아이소프탈산이 14.62 g/L로 벤조산과 파라톨루익산에 비해 상대적으로 낮아 폐기물을 메탄올에 용해 후 여과하면 대부분 고형물로 회수가 가능하다. 본 실험은 폐기물 200g에 메탄올 400g을 혼합하고 30분간 교반한 후 여과하여 고형물로 50g을 회수하였다. 회수된 고형물은 50% 이상이 아이소프탈산이며, 아이소프탈산의 순도를 높이기 위해 메탄올로 1회 세척을 하면, 용해도가 큰 아이소프탈산이 메탄올에 녹는다. 이를 여과한 후 용매를 증발시킴으로서 아이소프탈산 25g (순도 90% 이상)을 회수하였다. 폐기물 내 아이소프탈산의 함량을 기준으로 회수율은 80%로 나타났다. 아이소프탈산은 폴리에스터수지 및 폴리아마이드수지 등의 원료로 사용됨으로, 폐기물에서 아이소프탈산을 회수하여 원료 물질로 사용이 가능하다. 이를 통해 폐기물의 처리 비용 절감은 물론 버려지던 페기물에서 고부가가치 물질의 회수 및 판매를 통한 경제적 이득도 함께 취할 수 있을 것으로 판단된다.
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2013.11
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고유가 및 국제적 환경규제 강화와 더불어 우리나라는 2013년 온실가스 감축 의무대상국으로의 편입이 가시화되고 있다. 따라서 농업분야의 신재생에너지 사업기반 마련을 위해 가축분뇨를 비롯한 농축산바이오매스의 혐기성소화 방식을 통한 바이오가스 생산 및 에너지화 기술 개발의 필요성이 증대되고 있다. 또한 농업부문의 급속한 시장개방으로 외국산 축산물의 수입이 본격화됨에 따라 국내 축산업의 경쟁력 제고와 축산업 과정에서 필연적으로 발생하는 가축분뇨의 해양배출 금지에 대비한 육상처리시설 기반 확보가 필요하다. 가축분뇨 및 농축산바이오매스의 혐기성소화 기술 적용은 장래 해양배출 금지에 따른 처리시설 기반확보와 동시에 온실가스를 저감하는 환경적 기능, 메탄가스와 같은 재생에너지 생산 그리고 소화슬러지는 퇴･액비화 후 양질의 유기질 비료로 활용하는 등 자원순환 기능을 동시에 달성할 수 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 가축분뇨 및 농축산 바이오매스를 대상으로 회분식 혐기성소화 실험을 통해 각 연구대상 통합시료의 분해속도 및 생분해 특성을 평가하고, 가축분뇨 및 농축산바이오매스의 혐기성통합소화 플랜트 설계 기초자료를 제시하고자 하였다. 혐기성 통합 소화 대상 농축산바이오매스는 동계사료작물 청보리, 하계사료작물 사료용 옥수수, 가축분뇨는 우분을 연구대상으로 하였다. 가축분뇨와 Energy Crop의 혼합비는 VS기준으로 60 : 40이었으며, 식종균은 D시의 하수처리장의 중온혐기성소화균을 채취하여 순응적응시켜 이용하였다. 최종생분해도평가는 Graphical Statistic Analysis Method와 BMP Test를 적용하였다. 실험기간 120일동안 우분의 최종생분해도는 72~73%이었으며 가축분뇨와 사료작물의 혼합비 60:40 조건에서 우분+옥수수 통합시료는 83~85%, 우분+청보리 통합시료는 80%의 최종생분해도를 나타내었다. 우분의 전체 생분해성 유기물 중 빠르게 분해되는 분율(S1)은 78%으로 k1(0.087day-1)의 속도로 25일 안에 빠르게 분해하였으며, 느리게 분해되는 S2 분율은 22%로써 k2(0.004day-1)의 속도로 95일의 긴 시간동안 분해하였다. 우분+사료용 옥수수 통합시료(혼합비 60:40)의 S1은 25일 동안 BVS 중 80%가 0.090day-1(k1)의 속도로 빠르게 분해하였으며, S2는 95일 동안 k2, 0.004day-1의 속도로 BVS의 20%가 분해되었다. 우분+청보리 통합시료(혼합비 60:40)의 S1은 30일 동안 BVS 중 76%가 0.069day-1(k1)의 속도로 빠르게 분해하였으며, S2는 90일 동안 k2, 0.009day-1의 속도로 BVS의 24%가 분해되었다.
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2013.11
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폐기물 매립정책은 단순 매립위주에서 자원화, 에너지화로 폐기물 처리 페러다임이 변화하고 있다. 폐기물 에너지화를 위한 바이오가스는 유기물이 산소(O₂)가 없는 극도의 환원상태에서 미생물에 의해 분해되면서 생성되는 메탄(CH₄), 이산화탄소(CO₂), 기타 황화수소(H₂S), 수소(H₂), 수분, 휘발성지방산(VFA) 가스를 포함하는 기체 혼합물을 말한다. 바이오가스 생성 반응은 자연적으로 일어나는 미생물 반응으로 바이오가스가 생산되는 조건(온도, pH, 알칼리도 등)을 제어하여 공정화한 것이 혐기성 소화공정이다. 혐기성 소화공정은 기본적으로 산생성 단계(Acidogenesis), 메탄생성 단계(Methanogenesis)의 2단계로 나눌 수 있으며, 메탄생성단계에서 아세트산(acetic acid)과 수소 등의 유기물이 메탄으로 전환되면서 실질적인 안정화(stabilization)가 이루어진다. 각 단계에서 작용하는 미생물은 생리적인 특징 및 요구 영양이 다르기 때문에 외부의 조건이 바뀌면 두 생물군 사이의 균형이 깨어져 전체 공정의 효율이 저하된다. 따라서 혐기성 소화공정은 반응조를 산생성 단계와 메탄생성 단계의 두 개의 반응조로 구분하는 2단계 발효(fermentation)공정이 합리적일 것이다. 전통적인 1 단계의 반응공정(1상법)에서는 하나의 반응조에서 산생성과 메탄생성이 동시에 일어나기 때문에 산생성 단계와 메탄생성 단계를 최적 상태로 조절하는 것이 불가능하고, 외부에서 유입되는 원수성상의 변화에 민감하게 반응하여 안정성이 깨지는 문제가 있었다. 이에 반하여, 2상법은 각 단계에서 적합한 환경조건을 용이하게 유지시켜 줄 수 있고, 메탄 반응조의 부하율(loading rate)을 적절히 조절하고, 저급 지방산(fatty acid)의 축적에 의해 급속한 pH의 저하를 방지하여 메탄발효의 저해를 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 2상법은 반응조를 별도로 구비해야 하는 점, 그에 따라 제1 반응조로부터 제2 반응조로 이송을 위한 시스템이 요구되는 점 등 비용면에서 불리하고, 각 반응조의 반응조건을 별도로 조절하여야 한다는 번잡한 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 에너지자원화를 위해 구조적으로 간단한 혐기성소화조를 구성하여 음식물류 처리시 발생하는 탈리액(음폐수)를 처리시 일체형 혐기성소화와 2단 혐기성소화공정의 비교 연구를 통해 기질 제거특성 및 바이오가스발생 특성(CH₄, CO₂ 함량 및 발생량)을 비교하였다.
73.
2013.11
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경제적이면서 친환경적인 오염부지 정화 수단으로 많은 관심을 받고 있는 식물정화공법(Phytoremediation)은 공법의 특성상 오염물질을 포함하는 부산물의 발생이 필연적으로 수반되어 이에 대한 처리가 반드시 고려되어야 한다. 현재는 발생되는 식물정화공법 부산물의 대부분을 압밀 및 열분해를 통한 중간처리와 연소, 직접처분 그리고 회화 등의 최종처분으로 구분하여 처리하고 있다. 이 때 연소와 회화는 낮은 열량으로 인해 폐열 회수가 어려운 단점이 있고, 열분해공정의 경우 식물체부산물의 높은 함수율로 인한 제한 및 외부에서 별도의 에너지원 투입에 따른 효용성 저하가 지적된다. 식물정화공법 부산물은 식물 종에 따라 구성이 다양하지만 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 등의 식물섬유소와 회분으로 구성되어 있어 혐기성 조건에서 소화시킬 경우 가스화를 통해 에너지의 회수는 물론 처분을 필요로 하는 부산물의 양을 감소시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 중금속 오염부지에 식물정화공법을 적용하고 발생된 해바라기 부산물을 이용하여 에너지를 회수할 수 있는 가능성을 판단하고자 혐기성 조건에서 잠재 메탄 발생량을 확인하였다. 잠재 메탄발생량의 확인은 회분식 실험인 BMP(Biochemical Methane Potential) test를 수행하였으며, 실험은 식물정화공법의 부산물로 발생하는 지상부 중 바이오디젤의 원료로 사용 가능한 씨앗을 제외하고 줄기, 잎 그리고 꽃 각각의 부위별로 구분하여 실시하였다. 실험은 50일간 진행되었으며 발생되는 가스의 부피와 조성은 각각 t-type valve system과 TCD(Thermal Conductivity Detector)가 장착된 GC(Gas Chromatography, Younglin ACME 6100, Korea)를 이용하여 분석하였다. 이를 바탕으로 얻어진 시간에 따른 누적메탄발생량에 수정된 Gompertz 식을 적용하여 잠재메탄발생량을 구하였다.
74.
2013.11
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최근 국내외 수질오염문제는 산업, 경제, 사회적으로 큰 이슈가 되고 있으며, 행복한 삶의 추구와도 관련되는 생존의 문제이다. 경제적으로 풍족해지고 생활환경이 개선될수록 깨끗한 물에 대한 관심은 더욱 증가하게 되며, 이러한 상황에 맞추어 생활하수뿐만 아니라 산업폐수의 수질기준은 점차적으로 강화되고 있으며 더욱 심화된 처리시스템의 개발이 필요한 실정이다. 중금속은 비록 미량일지라도 생태계의 먹이사슬을 통해 인체 내에 유입되면, 배출되지 않고 계속 축적되기 때문에 인체 내의 생리 작용에 여러 가지의 악영향을 미친다. 종래에는 하천수, 지하수 및 폐수에 존재하는 중금속의 제거를 위해, 화학적 침전법, 이온교환 수지 및 분리막을 이용한 제거법 등이 제시되었다, 그러나, 화학적 침전법을 이용하는 경우에는 중금속 제거 처리 후에 발생하는 많은 양의 슬러지가 2차 오염물질로 작용하고, 저농도의 중금속을 완전히 제거하지 못하는 문제점이 있다. 또한, 이온교환 수지나 분리막을 이용한 제거법은 고형의 오염물질을 다량 함유하는 오염수의 처리가 어렵고, 비용이 많이 드는 문제점이 있다. 본 연구에서는 환경적으로 무해하며 화학/생물학적으로 안정한 다공성 물질의 한 종류인 alginate bead 기공내에 유/무기오염물질 제거에 탁월한 효과가 있는 나노카본을 첨착하여 중금속 제거에 효과적인 흡착제를 개발하였다. 개발된 흡착제를 이용하여 코발트 [Co(II)] 및 망간 [Mn(II)]에 대한 회분식 실험을 수행한 결과, 초기 4시간 안에 전체의 약 85%의 코발트 및 망간이 빠르게 흡착되었으며, 최대흡착량은 각각 78 및 89.5 mg/g으로 나타났다. 이는 현재 상용화고 있는 탄소나노튜브, 활성탄 등과 비교하여 월등히 높은 제거 효율을 나타낸 것으로 판단된다. 또한 제조된 흡착제의 재사용 여부를 판단하기 위하여 0.1 N HCl을 이용하여 흡/탈착을 5회 동안 연속적으로 수행하였다. 연속적인 재사용 실험 결과, 첫번째 코발트 및 망간의 회수 효율은 각각 99.2와 99.3%로 나타났으며, 5번째 회수 효율은 각각 96.7과 97.8%로 나타났다. 이는 약 2-3%의 아주 적은 회수 효율 저하가 발생한 것으로 판단된다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 흡착제는 중금속 흡착에 탁월한 효과를 나타낼 뿐만 아니라 중금속 폐수의 처리시 발생하는 비용을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
75.
2013.11
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실록산(Siloxanes)은 규소와 산소(Si-O-Si)로 이루어져 있으며 각 규소마다 다른 작용기가 결합된 유기규소화 합물로서 혐기성 소화조 또는 매립지에 폐기물의 분해과정에서 저분자화된 유기규소화합물이 휘발함으로서 바이오가스나 매립가스의 불순물로 존재한다. 실록산은 분자구조상 고리구조(D)와 선형구조(L)로 구분하고 있으며, 바이오가스나 매립가스에는 hexamethyldisiloxane(L2), octamethylt-risiloxane(L3), decamethyltetrasilo-xane(L4), dodecamethylpentasiloxanae(L5), octa-methylcyclotetrasiloxane(D4), decamethylcyclopentasiloxane(D5), dodecamethylcyclo-hexasiloxane(D6) 등의 다양한 형태로 존재한다. 실록산은 바이오가스와 매립지 내에 미량 존재하지만, 가스터빈, 보일러, 내연기관 등의 연소과정에서 산화되어 이산화규소(SiO₂)로 전환되어 연소설비의 고장 원인이 되고 있다. 바이오가스의 효율적인 자원화를 위하여 반드시 전처리가 필요한 물질로 인식되고 있다. 본 실험에서는 Lincoff and Gossett의 닫힌계내 평형실험법(Equilibrium partition experiment in closed system, EPICS)을 이용하여 액체상, 기체상 실록산의 기액 물질분배계수를 도출하고자 하였다. 액체상 실록산 기액 평형실험은 L-EPICS, 기체상 실록산 기액 평형실험은 G-EPICS 실험이라고 명명한다. L-EPICS 실험방법은 20ml glass vial에 액체상 실록산을 2 mL 주입 후 기액평형을 실험하였고, G-EPICS 실험방법은 240mL bottle 반응기에서 기체상 실록산과 액체(증류수)사이에서의 물질전달을 실험하였다. 두 반응기는 25℃에서 3시간 이상 방치시킨 후 평형에 도달한 가스 농도를 FID가 장착된 가스크로마토그래피(GC, YL6100GC, Younglin Co, Korea)로 분석하였다. L-EPICS 실험결과, 액상 실록산의 기액 물질분배계수는 선형 실록산인 L2, L3와 L4는 197, 20.04, 8.82이고 고리형 실록산 D4와 D5는 12.84, 6.76으로 도출되었다. G-EPICS 실험에서는 L2, L3와 L4는 8.808, 2.278, 1.455이고 D4와 D5는 3.435, 0.770로 확인되었다. 두 가지 방법에 의한 실험결과 선형과 고리형 실록산의 분자량에 따라 기액 물질분배계수가 영향을 받는 것으로 확인하였다. EPA의 ChemFinder Datebase에서 참고한 실록산의 기액 물질분배계수와 본 실험에서 도출된 값과 상관관계 분석 결과, L-EPICS 실험방법과는 0.983, G-EPICS 실험방법과는 0.874의 상관계수를 나타내었다.
76.
2013.11
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바이오필터는 미생물의 대사작용을 통해 가스상 오염물질을 제거하는 생물학적 공정이다. 생물학적 공정은 친환경적이며, 2차 오염물질이 생기지 않기 때문에 악취가 발생하는 시설에 많이 적용되고 있다. 바이오필터의 운전성능 측면에서 충전담체는 매우 중요한 인자이다. 본 연구는 세라믹 재질의 담체를 Biofilter와 TBAB(Trickle Bed Air Biofilter)에 적용하여 암모니아를 대상으로 제거 특성을 확인하였다. 본 실험의 Biofilter와 TBAB는 995mL의 아크릴 소재로 제작된 반응기를 이용하였다. 세라믹 재질의 담체는 하수슬러지로 접종시킨 후 500mL를 반응기에 충전하여 실험을 실시하였다. 반응기에 유입되는 공기의 유량은 0.8L/min로 주입되었으며, 영양분은 7mL/day와 80mL/day로 Biofilter와 TBAB에 각각 하였다. 암모니아의 초기 농도는 142ppm(9.6g/m³･hr)으로 주입하였으며, 최대 320ppm(21.5g/m³･hr)까지 단계적으로 농도를 상승시켜 임계부하량 및 최대제거성능을 파악하였다. 유입 및 유출되는 암모니아는 인도페놀법을 이용하여 분석을 실시하였다. 바이오필터는 총 70일 동안 운전되었으며, 운전 후 세라믹 담체의 표면 변화를 확인하기 위하여 사용전의 세라믹 담체와 함께 SEM(Scanning electron microscope) 및 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 분석하였다. 본 연구의 실험결과 TBAB와 Biofilter는 운전초기에 불안정한 제거성능을 보였지만 TBAB의 경우 순응기간(15일)을 지난 후 99% 이상의 처리효율을 보여주었으며, Biofilter의 경우 93%의 처리효율이 확인되었다. 단계적으로 암모니아의 유입 농도를 상승시켜 주입한 결과 TBAB는 270ppm(18.1g/m³･hr)까지 98% 이상의 효율이 확인되었으며, 암모니아 농도를 320ppm(21.5g/m³･hr)으로 주입한 결과 처리효율이 94% 수준으로 낮아졌다. Biofilter의 경우 암모니아 농도 270ppm에서 82%의 처리효율이 확인되었으며, 암모니아 농도를 320ppm으로 상승시켜 주입한 결과 처리효율이 71%로 낮아졌다. 단계적인 농도 상승을 통해 세라믹이 충전된 TBAB와 Biofilter의 임계부하량(Critical load) 결과는 각각 13g/m³･hr와 6g/m³･hr이며, 최대제거성능(Elimination capacity)은 21g/m³･hr와 15g/m³･hr로 나타났다. 세라믹 표면을 SEM으로 관찰한 결과 TBAB와 Biofilter에 사용된 세라믹의 표면은 사용 전의 세라믹과 보다 상대적으로 거친 표면이 관찰되었으며, 표면의 성분 변화를 EDS로 확인한 결과 사용 전의 세라믹에서 확인되지 않은 성분인 인(P)이 확인되었다. 인은 미생물이 포함하고 있는 원소로 생물학적 반응기에 사용된 담체 표면에 생물막(Biofilm)이 형성되었기 때문에 세라믹 표면에 인의 성분이 확인되었다고 사료된다.
77.
2013.11
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바이오가스플랜트를 통한 유기성폐기물의 에너지화가 증가 추세에 있으나 탈리액 처리 문제로 에너지 확보 및 보급에 저해 인자로 작용하고 있다. 기존의 바이오가스플랜트 탈리액 처리를 위한 기술 중 물리․화학적처리와 생물학적처리의 적용은 방류수 수질기준을 확보하는데 있어 기술적 한계가 있어 안정적인 처리수질을 확보하는데 많은 설비비 및 운전비가 소요되는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 바이오가스플랜트 탈리액의 처리기술 및 통합공정 개발을 위해 전기화학적처리와 MBR을 연계한 처리 연구를 수행하였으며 MBR의 안정적인 운영을 위해 생물분리막 fouling 현상을 규명하였다. 이에 바이오가스플랜트 탈리액의 화학적 응집 후 상등수를 이용하여 MBR로 유입 시 분리막의 차압 및 유량 변화를 모니터링 하였으며 이 때 미생물 농도는 8,000 ~ 11,000 mg/L를 유지하였고 초기 차압 및 유량의 30% 감소 시 물리적 세정 및 화학적 세정 후 재실험을 실시하여 초기 차압 및 유량으로의 회복 정도와 최종 fouling시 분리막 표면 분석을 통해 폐색 원인을 규명하였다.
78.
2013.11
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국내의 김치 생산 업체는 2007년 기준 500여개소이며 시장규모는 1조억에 다다르고 있으나 최근 중국 수입 김치의 증가가 상승추세이고 국내 생산단가가 평균 2,000~2,400원/kg 인 것에 반해 수입단가는 900~1,000원/kg으로 상대적으로 낮아 가격경쟁력 확보가 필요한 상황이다. 김치제조공정은 소금(주로 천일염)과 용수를 다량 소비하는 생산구조이기 때문에 절임염수 및 세척수를 생산라인에 재이용하여 생산단가를 줄임과 동시에 염분으로 인한 폐수 발생 절감이 필요하다. 기존 재이용 설비 중 단순 필터 방식의 재이용 방법은 입자성 오염원만을 제거하기 때문에 살균 및 용존성 잔류 유기물 제거가 이루어지지 않으며 오존, UV, 광촉매등에 의한 살균은 현재 김치 제조업체의 영세성을 고려할 시 설비비용과 운전비용면에서 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 살균력을 확보하고 고형물과 유기물을 효과적으로 처리 할 수 있는 기술개발을 통해 절임수의 재이용 횟수를 최대화함으로써 생산단가의 주요 부분을 차지하는 소금 회수 효과 극대화를 위한 실험을 수행하였다. 이에 김치 제조 공정에서 발생하는 절임염수 재이용을 위한 기존 여과 방식의 5회 이하 재이용 횟수를 20회 이상으로 증가시킴으로써 소금사용량, 용수사용량 및 폐수발생량을 저감시킬 수 있는 전기화학반응시스템 및 통합공정의 연구를 통해 현재 김치 제조업체의 설비비용과 운전비용면에서 경제성을 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다.
79.
2013.11
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본 연구에서는 반도체 공정에서 배출되는 유해가스를 선택적으로 분리하여 처리하기 위한 최적화된 막 모듈처리시스템을 구성하고자 한다. 이에 유해가스 처리를 위한 막 모듈 처리시스템의 운전 최적화를 위해서는 막 모듈로 유입되는 유해가스의 유량과 압력이 동일해야 한다. 따라서 분배관에서 분리막 모듈이 연결되는 시점에 특별한 유량계 등에 장치들을 설치하지 않고 오직 배관의 관경과 배치만으로 분리막에 유입 유량을 동일하게할 수 있다면 분리막 모듈 처리 시스템의 배관 구성을 최적화함으로 비용 절감 등에 효과를 동시에 가질 수 있다. 이에 본 연구에서는 실제 현장 여건을 고려한 기준 배치와 변수별 연구를 통해 최적화된 상용급 분리막 모듈 시스템을 구성하고자 한다. 따라서 3차원 수치해석적 연구를 통하여 막 모듈 설비의 유입 배관 내에 가스의 유동 특성을 파악하여 배관 직경 및 배치를 최적화하여 현장 설계에 반영하고자 한다. 배관내 유동 해석을 위해 k-ε 난류 모델을 적용하였고, 배관 벽면부에 형성되는 층류저층을 해석하기 위하여 벽함수를 적용하였다. 이때 상용급 분리막 모듈 시스템에서 처리하는 가스 유량은 3,000ℓ/min이다. 기준 조건으로 제안된 상용급 분리막 모듈 시스템의 배관 구성 최적화를 위한 배관 내의 3차원 유동을 해석한 결과, 배관 내 가스 속도 벡타를 보면 관경이 큰 250A 주배관에서는 유속이 약 1.4m/sec에서 x축 방향으로 유체는 진행되면서 유속은 0.4m/sec 까지 점차적으로 감소하지만 분배관에서는 약 3m/sec 정도의 빠른 유속 특성을 보이고 있다. 이처럼 분배관에서 유속은 빠르게 형성되지만 분배관 30기에 전체적인 유속은 유사한 특성을 보이고 있다. 그리고 속도벡타에서 설명한 바와 같이 곡관에서 속도변화가 크게 형성되고 있지만 xy평면에서 주배관 유체 진행방향으로 속도분포를 보면 중심축을 기점으로 좌우 대칭을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 좌우 축대칭으로 설치된 분배관에 유속이 대칭 방향으로 유속은 고르게 형성될 수 있음 유추할 수 있다. 또한 주배관에서 유효동점도를 보면 강한 난류유동을 나타내는 주배관 상부부에서 높은 유효동점도를 나타내고 있고, 유속이 약해 층류적 흐름이 형성되는 주배관의 끝단부분에서 가장 높은 혼합길이 값을 보이고 있다.
80.
2013.11
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소각처리에서 나오는 잔사는 전체 투입 폐기물 부피의 약 10% 정도로 매립지의 사용연한을 연장시키는 장점을 가지고 있다. 하지만 소각 시 발생되는 비산재와 바닥재에서는 유해중금속(Pb, Cu, Cd 등)이 고농도로 함유되어 있어 매립 시 용출에 의한 2차 토양오염을 유발할 가능성이 높다. 이에 따라 환경부에서는 유해중금속에 대한 배출기준을 마련하였으며 사업장에서는 배출기준 준수를 위해 추가적인 수세 및 약품처리 등을 하고 있는 실정이다. 본 연구는 I시 C광역쓰레기 소각시설에서 발생하는 소각재를 대상으로 유해중금속의 안정적 처리방안과 킬레이트제의 적정사용량 산출을 통해 처리비용을 절감하고 소각재의 재활용 가능성을 파악하기 위하여 수행하였다. 킬레이트제 희석에 따른 바닥재의 Cu 처리효율은 10배 희석 시 91.1%, 11배 희석 시 76.6%, 12배 희석시 60.5%, 13배 희석 시 56.7%로 조사되었으며 소각재(바닥재+비산재)의 Pb 처리효율은 10배 희석 시 72.8%, 11배 희석 시 65.9%, 12배 희석 시 64.9%, 13배 희석 시 61.2%로 조사되었다.
