Response surface methodology (RSM) based on a Box-Behnken Design (BBD) was applied to optimize the thermal-alkaline pre-treatment operating conditions for anaerobic digestion of flotation scum in food waste leachate. Three independent variables such as thermal temperature, NaOH concentration and reaction time were evaluated. The maximum methane production of 369.2 mL CH4/g VS was estimated under the optimum conditions at 62.0°C, 10.1% NaOH and 35.4 min reaction time. A confirmation test of the predicted optimum conditions verified the validity of the BBD with RSM. The analysis of variance indicated that methane production was more sensitive to both NaOH concentration and thermal temperature than reaction time. Thermal-alkaline pretreatment enhanced the improvement of 40% in methane production compared to the control experiment due to the effective hydrolysis and/or solubilization of organic matters. The fractions with molecular weight cut-off of scum in food waste leachate were conducted before and after pre-treatment to estimate the behaviors of organic matters. The experiment results found that thermal-alkaline pre-treatment could reduce the organic matters more than 10kD with increase the organic matters less than 1kD.

기-액 흡수반응에서 기체의 흡수효율은 흡수탑 내에서 가스의 체류시간과 흡수속도에 크게 기인된다. 이에 따라 선행연구자들은 기-액 반응에서 기체의 흡수율을 증진시키고자 흡수장치개발에 초점을 맞추어왔다. 지금까지 개발되어 이용되고 있는 흡수장치로는 packed tower, spray tower, bubble column, agitated vessel 등 여러 종류가 있으며, Bohner 등에 의하여 jet loop reactor가 개발되었다. Jet loop reactor는 draft tube 내부에 설치된 이유체 노즐에서 기체와 액체가 분사될 때 생성되는 액체제트에 의해 미세한 기포가 형성되어 기-액간의 접촉 면적이 넓어지고 난류강도가 증진된다. 또한, draft tube 내부를 하향류로 흐르던 유체가 annular space를 통해 상향류로 올라간 후, 기-액 흐름의 일부가 draft tube 내부로 재순환되어 기포의 체류시간이 증가하게 된다. 이러한 특징에 의하여 jet loop reactor는 타 반응기에 비하여 기-액간의 물질전달율이 높게 나타난다. 최근 jet loop reactor 내부에 설치된 two-fluid nozzle의 구조를 개선하여 가스와 액체가 nozzle tip에서 분사될 때 draft tube 내부와 외부에서 swirling flow가 형성되는 two-fluid swirling nozzle(TSN)이 개발되었다. Two-fluid swirling nozzle이 부착된 jet loop reactor는 기존의 two-fluid nozzle이 부착된 jet loop reactor에 비하여 기포크기가 미세해지며, 기포와 액체가 draft tube와 annular space를 통과할 때 난류강도가 증가하여, 기-액간 물질전달속도가 더욱 증진될 것으로 예상된다. 본 연구에서는 two-fluid swirling nozzle(TSN)이 부착된 jet loop reactor와 기존의 two-fluid conventional nozzle(TCN)이 부착된 jet loop reactor에서 CO₂를 흡수제거하는 과정에서 두 nozzle간의 성능을 비교평가하고자 하였다. 성능평가는 일정 조업조건에서 알칼리용액의 pH가 10.1에서 7.0까지 중화되는 시간과 순간 CO₂ 이용율과 총괄 CO₂ 이용율을 측정하여 비교하였다. 그 결과 동일한 액체 순환유량 조건에서 TCN을 장착했을 때에 비하여 TSN을 장착했을 때가 전체적으로 더 짧은 중화시간을 나타내며, 순간 CO₂ 이용율은 TSN을 장착한 경우가 TCN을 장착한 경우에 비하여 높게 나타났으며, 알칼리 용액의 pH가 높을수록 순간 CO₂이용율도 높아지는 경향을 보였다. 또한, Jet loop reactor에서 초기 pH 10.1인 알칼리 용액을 pH 7로 중화하는데 이용된 총괄 CO₂이용율은 TSN과 TCN을 사용했을 때 모두 97 % 이상이었으며, 동일한 액체 순환유량에서 TSN을 장착하였을 경우가 TCN을 장착하였을 경우에 비하여 높은 총괄 CO₂이용율을 보였다.