혐기성 소화 효율

Report
㈜ 안나비니 테즈
The Energy Zone
Ⅰ.질소안정화의 개요 및 하수 슬러지의 특성
Ⅱ. 최적의 혐기성 소화 및 방안
Ⅲ. 혐기성 소화의 영향인자
Ⅳ. 질소안정화(ANS) 공법
Ⅴ. 결론
Ⅵ. 지식재산권 , 참고문헌
2
※ VS Loading Rate → 소화조의 안정성에 주는 영향을 monitoring 하기 위해 TA, VA를 분석
음식물/하수슬러지
H 2O
단백질, 지방산, 탄수화물
T-N (Org-N)
Fermentative
Bacteria
가수분해
NH4+-N
Acetogenic
Bacteria
산발효
유기산 생성
Methanogenic
Bacteria
메탄발효
Biogas : CH4, CO2
HCO3—(bicarbonate ion)
Total Alkalinity
(mg/L as CaCO3)
Volatile Acid Alkalinity
(mg/L as CaCO3)
0
Bicarbonate Alkalinity
(mg/L as CaCO3)
알칼리도 단위로 환산
3
☞ 유기물 부하율 1.6~6.4 kg VS/m3ㆍday
⇒ 4.0 kg VS/m3ㆍday 이상 혼합에 문제점
⇒ Total Solids ≤ 6.0 %
Total Alkalinity
(mg/L as CaCO3)
0
Volatile Acids
(mg/L as CH3COOH)
0
1,000
하수슬러지
100
질소 농도가 높은 유기성 폐기물
음식물/음폐수의 경우 NH4+-N ≤ 500 mg/L
Organic Loading rate max. 2.1 kg VS/m3ㆍday
음식물/음폐수
2,000
3,000
최적범위 : 1,050 ~ 3,800
200
300
농도변동에 대처
4,000
400
5,000 5,350
500
최적범위 : 50 ~ 300
Volatile Acids × 0.71
Volatile Acids
Alkalinity
(mg/L as CaCO3)
0
100
200
300 350
최적범위 : 35 ~ 210
Total Alkalinity - Volatile Acids × 0.71
Bicarbonate
Alkalinity
(mg/L as CaCO3)
0
1,000
하수슬러지
2,000
3,000
최적범위 : 1,000 ~ 3,700
4,000
음식물/음폐수
5,000
pH 7.5
4
유기성 폐기물
고형분
상징액
소화조 미생물
고형분
상징액
5
T-N
(NH4+-N)
TS ≤ 6%
Biogas
Production
VS
Loading
Rate
CH4
Bicarbonate
Alkalinity
* VS Loading Rate (kg VS/m3 ㆍday)
6
CaHbOcNd +
pCH4
CaHbOcNd +
pCH4
혐기성 미생물 : Org-N (35/55℃)
eH2O
NH4+-N (Supernatant)
+ qCO2
eH2O
+ qCO2
+ rC5H7O2N + sNH4+ + tHCO3-
혐기성 미생물 : Org-N (35/55℃)
NH4+-N (3,500 mg/L 이상)
+ rC5H7O2N + sNH4+ + tNH3
+ uHCO3-
7
메탄생성 박테리아의 활성도가 극대화될 수 있는 조건
운전의 50 % 이상
혐기성 소화조의 형상
이상 혐기성 방법
‘건식 혐기성 소화’ 표현
기타의 혐기성 소화 공법
초기SEED내의 질소와 알칼리도 조건
질소 부하율
유기물 부하율
혐기성 소화조의 용량
8
단위 용량의 유기물 : 예) 음폐수 100 m3/일
알칼리도 생성량 (kg)
ANS 공법
기존 공법
100
100
높은 순수 알칼리도 농도
15,000~
25,000
mg/L
효율저하/유기물 축적
바이오 가스 생산저하
최적 순수알칼리도 농도
1,000~
5,000
mg/L
알칼리도 농도는
유입유기물의 부하와
소화조 용량에 좌우됨
Methanogenic
Activity ↑
최적의 조건
에너지 생산
질량보전
법
칙
유기물
∥
바이오
가 스
+
미생물
+
총알칼리도
(순수 알칼리도)
9
유기물 부하율이 증가할수록
←
알칼리도는 증가(mg/L as CaCO3)
바
이
오
가
스
발
생
량
수중의 유기물 축적
알칼리도 증가 →
유기물 부하율 →
바이오 가스 생산량 저하
10
(1) 주로
주
공
정
기
술
로서
등의 에너지화에 적용
(2) 혐기성 소화조 내에서
(3) 최적의
하
수
처
리
공
정
(1)
를 제공하여
하수처리 공정의 운영을 원활하게 함 또는 호기성 후처리의 처리용량 산정
(
)
11
55℃
35℃
메
탄
발
생
량
35℃
55℃
높은 알칼리도
유기물 부하율
질소농도를 고려하지 않은 소화조의 설계
메
탄
발
생
량
적정 알칼리도
유기물 부하율
질소농도를 고려한 소화조 설계
12
→ 유기물 : N : P = 100 : 1.43 : 0.29
① 1차 슬러지(유기성 폐기물)에 포함된
질소(T-N)의 총량 : 소화조 내에서 T-N은
NH4+-N으로 모두 전환됨
② 2차 슬러지 상징액의 NH4+-N의 양
③ 소화조 내 미생물을 제외한 상징액에서
NH4+-N의 양
※ 질소부하율 = 미생물을 제외한 조건 산출
= (①+②+③)/소화조 용량
= 0.5 kg Nitrogen/m3·day
혐기성 소화조에서 예상되는 조건
COD : 1,000 ~ 4,000 mg/L
NH4+-N : 350~410mg/L (10~65 mg/L)
PO43--P : 220~230 mg/L (3~11 mg/L)
 예) 소화조 내 예상 COD : 3,500 mg/L
(1) 유기성 폐기물 유입시
소화조 내에서의 NH4+-N 농도
약 350~410 mg/L로 유지
(2) 미생물 증식에 사용되는 질소는
NH4+-N 농도 기준으로 10~65 mg/L
(3) 미생물 증식에 사용되지 않는 질소
(소화조 내에 항상 일정량 유지)
300~350 mg/L의 NH4+-N 농도
(4) 소화조 내에 축적되는 NH4+-N 농도
(5~20 mg/L)
13
※ 소화조 내부에서 상징액 미생물을 배제한 조건을 산출하여야 함
유입 유기물에 의한
→ COD 1,000~4,000 mg/L 상승에 기여
유입 유기물
(COD)
식종슬러지 보유
COD 300~900 mg/L
식종슬러지가 보유한
NH4+-N 300~350 mg/L
유기물 유입으로 소화조에서 증가됨
NH4+-N 20~65 mg/L 정도
COD : N 비율= 100 : 1.43 에 의해
유기물의 흰색부분과
NH4+-N의 일부분(빗금 친 부분)이
바이오가스와 미생물로 증식되어 안정화
NH4+-N의 일부분(흰색바탕)은 지속적으로 축적
(5~20mg/L)
14
질소 부하율을 기준으로 설계
유기물 부하율을 기준으로 설계
초기 SEED의 NH4+-N와 알칼리도 조건
높은 부하율 (kg VS/m3·day) 적용
질소 부하율 ≤ 0.5 kg
Nitrogen/m3·day
소화조 용적이 작아짐
적정 부하율 (kg VS/m3·day)인지 검토
높은 부하에서
높은 알칼리도 농도와 양이 형성되는데
작아진 소화조에서는
알칼리도 농도가 더 높게 형성된다.
적정 알칼리도 농도가 유지되는
소화조 용량
높은 알칼리도 농도로 인한 pH 증가
고농도의 NH4+-N 농도 배출
최적의 바이오 가스 생산
소화효율 저하 / 바이오 가스 생산 감소
※ 최적의 순수 알칼리도 농도 (Bicarbonate Alkalinity)
단위 유기물 부하에 대하여 형성되는 알칼리도의 양은 모두 동일하나,
혐기성 미생물은 적정한 알칼리도 농도에서 최적의 바이오 가스를 생산하게 된다
15
상징액의 농도
COD
200,000mg/L
IN
100 m3/d
소화효율
COD
10,000 mg/L
OUT
Org-N NH4
=
INPUT - OUTPUT
INPUT
× 100 (%)
+
미생물
소화효율
=
INPUT 상태의 소화조 상징액의 유기물 상승 농도 – 소화 후 농도
INPUT 상태의 소화조 유기물 상승 농도
× 100 (%)
INPUT = 유입된 유기물의 총량 + 소화조 내 미생물을 제외한 상징액 유기물의 양
OUTPUT = 유기물 유입으로 소화조 내 미생물이 받는 부하 (미생물을 제외한
상징액에서 유기물의 양이 다음 유입시점까지 분해되고 남은
유기물의 양 - 유기물 유입으로 배출된 유기물의 양 배제)
16
※ 시운전 종료 후의 소화효율(비정상 가동시 : 체류시간 30일 기준)
Fermentative Bacteria, Acetogenic Bacteria
Methanogenic Bacteria
17
※ 시운전 종료 후의 소화효율(질소 부하율로 설계 후)
소화조 용량 : 6,900 m3
상징액 COD : 300~900 mg/L
Fermentative Bacteria, Acetogenic Bacteria
Methanogenic Bacteria
18
CO2 in digester gas, %
50
40
LIMITS OF
NORMAL
ANAEROBIC
30
TREATMENT
20
10
0
250
500
1,000
2,500
5,000
10,000
25,000
Bicarbonate Alkalinity, mg/L as CaCO3
McCarty, P.L. (1964)
19
Bicarbonate Alkalinity = Total Alkalinity – Volatile Acid Alkalinity
BA =
에서
로 유지될 때
CO2 35%, CH4 60%로 이론적 가스 생산 가능
Bicarbonate Alkalinity
BA =
2,500 mg/L 일 때
5,000 mg/L 일 때
10,000 mg/L 일 때
13,000 mg/L 일 때
16,000 mg/L 일 때
에서
pH 7.2
pH 7.5
pH 8.2
pH 8.5
pH 8.7
→
→
→
→
→
CO2 35%
CO2 25%
CO2 10%
CO2 7%
CO2 5%
일때
CO2 35% →
약 70% 저해로 인한 감소
CH4 60% →
약 70% 저해로 인한 감소
20
pH
1,000 mg/L
2,000 mg/L
3,000 mg/L
4,000 mg/L
6.5
7.0
7.5
8.0
6.5
7.0
7.5
8.0
6.5
7.0
7.5
8.0
6.5
7.0
7.5
8.0
Free Ammonia 농도(NH3, mg/L)*
25℃
35℃
55℃
2
4
12
6
11
36
17
34
4
12
34
8
22
24
6
18
51
12
33
36
8
24
16
44
48
212
 높은 알칼리도가 전제된 경우이나, pH 조절을 통해 독성의 완화가 가능하지만
과다한 약품비용으로 오히려 운전비용의 경제성 저하를 초래
21
기존 공법에 의한 혐기성 소화
 NH3 Stripping 설비 비용 증가
 약품비용 증가 (pH 조절)
 소화조 유출수에 대하여 NH3 Stripping 공정을 적용
→ pH조절용
 처리되지 않은 소화조 유출수로 인하여
하게 함
→ 최적 운전조건에 비해
22
a. Alkalinity ∝ NH4+-N 농도
b. NH4+-N 농도 ∝ COD 농도
c. Alkalinity↗…..Biogas ↘
d. NH4+-N 농도↗…..Biogas ↘
운전 시작 후 약 1~2개월
바
이
오
가
스
발
생
량
소화조 운전에 빈번한 영향을 줌
주기적 인발
높은 알칼리도와 NH4+-N
최적 범위 조건을 벗어남
소
화
효
율
적정 알칼리도와 NH4+-N
최적 범위 조건의 유지
운전일수
23
C10H19O3N + 4.69H2O
5.74CH4
1차 슬러지
TS 4.5% 기준
1차 슬러지
TS 6.0% 기준
+ 2.45CO2
혐기성 미생물 : Org-N (35/55℃)
NH4+-N (Supernatant)
+ 0.2C5H7O2N + 0.8NH4+ + 0.8HCO3-
• NH4+-N 농도 : 2,520 mg/L Release
• NH4+-N 농도 : 3,360 mg/L Release 될 것으로 예상
SRT 증가 → Release 되는 NH4+-N 농도 증가 ( TS 4.5% 기준 2,700mg/L)
24
2차(잉여)
슬러지

주로 미생물로 구성

혐기성 소화 효율 매우 낮음

소화조에 유입 시
- 미생물 주변에 잔존하는 용존 유기물과
사멸되는 미생물만 소화에 관여

소화효율 3~5% 정도로 예상
※ 잉여슬러지는 주로 통성 미생물로 주로 호기성 조건 하에서 역할을 수행.
혐기성 소화조에 유입 시 짧은 시간 안에 혐기성 미생물의 역할로 전환되나,
이러한 이유로 2차 슬러지의 안정화 즉, 혐기성 소화 효율 매우 낮음
25
하수처리장 2차(잉여)슬러지의 TS 농도 : 0.8~1.2 %
 TS 1.2 % (12,000mg/L)를 기준으로 할 때 (VS 함량 65%) VS 농도 : 7,800mg/L
 보통 VS 농도中, 미생물의 약 12%는 Org-N 농도로 가정할 때
→ Org-N 농도 = (7,800mg/L) (0.12) = 936 mg/L → cell wall 100% 파괴
 소화조 유입기준 TS 4% 기준으로 농축하는 경우 Org-N 농도는
→ (4.0% TS / 1.2% TS) × (936 mg/L) = 3,089 mg/L
(소화조 내에서 NH4+-N 농도로 모두 전환됨)
 2차 슬러지 상징액에서의 NH4+-N 농도 약 30mg/L로 가정하면
→ 가용화 후 소화조 내에서 생성되는 총 NH4+-N 농도는 3,119 mg/L
26
2차(잉여) 슬러지 가용화 하지 않고 안정화를 위해 소화조에 유입
 질소 또는 유기물 부하는
- 사멸되는 미생물에서 배출되는 유기물과 NH4+-N 농도
- 상징액에서의 용존 유기물 (Actual Organic Load)
- 상징액에서의 NH4+-N 농도
→ 위 3가지가 혐기성 소화에 관여함
 1, 2차 슬러지를 혼합해서 혐기성 소화를 하는 경우
→ 1차 슬러지의 높은 질소 부하를 2차 슬러지가 낮추어 주는 역할이 가능함
27
예) 1차 슬러지의 특성 ① 유량 : 160m3/d, ② TS 6% (VS/TS*100=60%)
③ 비중 1.02
④ T-N 3,360 mg/L
- 고형물 = (160m3/d)(60kg/m3) = 9,600 kg TS/d
- 유기물 = (9,600 kg TS/d)(0.6 kg VS/kg TS) = 5,760 kg VS/d
- 설계용량 =
- 설계용량 =
- 설계용량 =
5,760 kg VS/d
4.5 kg
VS/m3∙day
5,760 kg VS/d
2,400 m3
5,760 kg VS/d
4,800 m3
= 1,280 m3
체류시간 :
8일
= 2.4 kg VS/m3∙day
체류시간 : 15일
= 1.2 kg VS/m3∙day
체류시간 : 30일
28
유기물 부하율
(kg VS/m3ㆍd)
소화조 내 NH4+-N
(mg/L)
예상 알칼리도
(mg/L as CaCO3)
소화조 상태
4.5
1,295
11,000
질소는 3,000mg/L
정도까지 축적
2.4
1,150
5,500
질소는 3,000mg/L
정도까지 축적
1.2
1,080
3,000
알칼리도와
질소 지속적 축적
질소 부하율
(kg/m3ㆍd)
0.35
1차 슬러지 + 2차 슬러지
소화조 내 NH4+-N
(mg/L)
예상 알칼리도
(mg/L as CaCO3)
소화조 상태
≤ 400 mg/L
1,000~2,500
질소 안정화 공정
※ 1차 슬러지 단독 혐기성 소화의 경우 C/N비가 낮기 때문에 혐기성 소화조 내 질소가 축적됨
29
신개념 공법 INPUT
CSTR
OUTPUT
하수슬러지
TS
2~6%
NH4+-N : 400 mg/L 이하
가축분뇨
TS
3~4%
CODcr : 150~1,500 mg/L
음식물쓰레기 TS 10~18%
음폐수
TS 10~12%
Anaerobic
Digester
Volatile Acid : 50~500 mg/L
순수 알칼리도 ≤ 5,000 mg/L
유출수의 최적 농도는 대상 유기물이 다르더라도 모두 같은 최적 범위
소화조 내에서 운전에 영향을 주는 parameter는 알칼리도와 NH4+-N 농도
결국 질소와 알칼리도는 소화조 용량에 의해 제어됨
30
식종 미생물의 다양한 형태
식종 미생물의 특성
항
ROD TYPE
COCCUS TYPE
FILAMENTOUS TYPE
목
농
도 (mg/L)
pH
7.0
TS(%)
2.10
VS(%)
1.18
VS/TS×100
56%
총 알칼리도
2,050
휘발성 유기산 농도
250
CODCr
770
BOD
200
T-N
370
NH4+
300
T-P
250
PO43-
230
Na+
70
K+
30
Ca2+
50
Mg2+
40
31
pH
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
Solids(%)
11.0
10.5
TS
VS
10.0
9.5
9.0
8.5
T-N(mg/L)
5,000
4,500
4,000
3,500
3,000
NH4+-N(mg/L)
800
700
600
500
400
0
20
40
60
80
100
120
운전일수(일)
음폐수의 저장기간에 따른 특성
32
11.0
10.5
Inf. TS
10.0
Inf. VS
9.5
Solids(%)
9.0
8.5
<
2.4
>
Steady State
TS-Expected
2.0
Avg. 1.9
1.6
Eff. TS
VS-Expected
1.2
Eff. VS
Avg. 1.1
0.8
Biogas Production
(Nm3/day)
90.0
1.05 Nm3/kg VS
80.0
<
70.0
destroyed
0.92 Nm3/kg VS destroyed
Steady State
Avg. 82.8
Avg. 71.0
Biogas
60.0
>
Methane
50.0
Avg. 49.7
40.0
0
20
40
60
80
100
120
운전일수(일)
혐기성 소화조의 운전 특성
33
pH
7.7
<
7.5
7.3
Avg. 7.33
7.1
6.9
4,000
Avg. 3740
3,500
<
3,000
2,500
>
Steady State
2,000
1,500
400
COD
VA
Avg. 260
300
<
200
100
>
Steady State
Avg. 85
-
COD (mg/L)
Bicarbonate Alkalinity Total Volatile Acids
Total Alkalinity
(mg/L as CaCO3) (mg/L as CH3COOH) (mg/L as CaCO3)
>
Steady State
Avg. 3680
4,000
3,500
3,000
2,500
2,000
1,500
<
0
20
>
Steady State
40
60
80
100
120
운전일수(일)
34
T-N(mg/L)
5,000
4,500
4,000
3,500
3,000
<
NH4+-N(mg/L)
375
>
Steady State
Anaerobic Digester
Avg. 357
Initial
350
Range of Uptake Concentration
Avg. 50
325
300
Final
Avg. 307
275
0
20
40
60
80
100
120
운전일수(일)
혐기성 소화조에서 NH4+-N농도의 Uptake 특성
35
INPUT
부하
균등조
Biogas
혐기성
소화조
ANS
- NC
소화조
유출수
저장조
탈수
저장조
(1일)
증식미생물 배출
대체수
Biogas
A’’
ANSMS2
(1일)
호기성
퇴비화
OUTPUT
주약탈수/저장
호기성 연계처리(MBR)
(화학적 처리)
ANS-MS1
(35℃/4~7일)
미생물 공급+질소 및 유기산 안정화
36
혐기성 소화조 운전인자
분석항목
ANS® 공법
pH
6.8 이상, 7.0~7.5
(1) Total Alkalinity (mg/L as CaCO3)
1,050~5,350 mg/L
(2) 소화조의 유기산 농도 (as CH3COOH)
50~300 mg/L, max. 500 mg/L
(1) – 0.71 * (2)
Bicarbonate Alkalinity (mg/L as CaCO3)
1,000~5,000
혐기성 소화조 유출수 상징액
분석항목
ANS® 공법
COD
150~1,500 mg/L
NH4+-N 농도
400 mg/L 이하
37
≤ 500 mg/L
적정한 순수 알칼리도 유지 가능
NH4+-N 농도
500~1,000 mg/L의 NH4+-N 농도범위에서는
순수 알칼리도가 7,000~10,000 mg/L의 범위로 형성되어
혐기성 미생물의 질소농도 안정화 효율을 점차 저하시킴
≥ 1,000 mg/L as CaCO3
유기산 농도의 축적으로 pH 저하 방지(완충작용)
순수 알칼리도
(Bicarbonate
Alkalinity)
≤ 5,000 mg/L as CaCO3
적정 순수알칼리도를 초과하면 pH 증가에 의한 free NH3 형성
으로 메탄형성 미생물에 독성을 유발하여, 바이오 가스 생산이
감소되고 , 미생물에 의한 질소 안정화 효율을 점차 저하시킴
유기산 농도 ≤ 300 (500) mg/L as CH3COOH
38
TS 13% 전처리 후 : 음폐수 : TS 약 10.9%, VS 약 9.5%,
항
음폐수
(100 m3/일)
목
단
위
질소부하율 =
0.41
kg NH4+expected /m3 · 일
소화조 용량 =
6,100
m3
60
일
체류시간 =
바이오 가스 생산 =
8,005
Nm3 biogas/일
메탄 =
4,803
Nm3 CH4/일
1일 발전 가능한 양 =
16,520
kW/일
보일러 사용 가스 양 =
시간당 발전량 =
Nm3/일
689
kWh
※ 하수슬러지의 에너지화를 통한 바이오가스 생산 : 0.9~1.0 kg Nm3/kg VS
removed
39
항
하수슬러지
(생슬러지+잉여슬러지)
(470 m3/일)
목
질소부하율 =
0.370
단
kg NH4+expected /m3 · 일
유기물 부하율 =
1.2~1.4
Kg VS / ㎥ ∙ 일
소화조 용량 =
14,000
m3
28
일
체류시간 =
바이오 가스 생산 =
9,003
Nm3 biogas/일
메탄 =
6,032
Nm3 CH4/일
1일 발전 가능한 양 =
20,750 (20MW)
보일러 사용 가스 양 =
시간당 발전량 =
위
kW/일
Nm3/일
865
kWh
※ 하수슬러지의 에너지화를 통한 바이오가스 생산 : 0.9~1.0 kg Nm3/kg VS
removed
40
1. 본 공법을 통해서 하수 슬러지에서의 유기물과 NH4+-N 농도를 동시에 저감시키는 방법
으로의 적용이 가능하다.
2.
기준치(0.92 Nm3/kg VSdestroyed) 보다 많은 바이오가스를 생산 하는 것이 가능하다.
3. 미생물의 활성도를 극대화하고, 암모니아 독성이 일어나지 않는 적정한 알칼리도 환경 조
성을 통해서 혐기성 소화조의 최적운전이 가능하다.
4. 최종수 수질의 최적화가 가능하여 반류수의 수질을 개선하여 하수처리 공정에 주는 부담
을 줄여주며, 음식물 에너지화 공정의 경우 호기성 후처리 공정의 처리용량의 최적화가
가능하게 된다 (COD 150~1,500 mg/L, NH4+-N ≤ 400 mg/L).
5. 하수처리장의 경우 자립형 에너지화 사업과 연계가 가능하며, 국산화된 저탄소 녹색성장
에 기여하는 기술로 적용이 가능할 것으로 사료된다.
41
42
43
(kcal/kg VS · day)
Energy Production
Energy Production = 0.24 B-Alk + 710
2,000
o
r2 = 0.95
1,500
o
o
o
1,000
o
500
0
o
-1000
0
1,000
2,000
3,000
Bicarbonate Alkalinity
4,000
5,000
(mg/L as CaCO3)
44
(1) 가축분뇨, 하수슬러지 등의 혐기성 소화시 1,000 mg/L as CH3COOH 이상의 휘발성
유기산 농도(Volatile Acids)는 500 mg/L (as CH3COOH) 이하의 허용 가능한 수준으로
낮춰져야 한다.
☞ Speece, R.E., et al., "Methane Fermentation of Industrial Wastewaters", presented at
the 6th International Fermentation Congress, London, Ontario, Canada, July, 1980.
(2) 바이오 가스의 생산은 bicarbonate alkalinity 농도가 5,000 mg/L as CaCO3 부근일
때 최적화된 에너지 발생량을 얻을 수 있다.
☞ Brovko, N. and Chen, K.Y., "Optimizing Gas Production, Methane Content, and Buffer Capacity in Digester
Operation", Environmental Engineering Program, Water & Sewage Works, July, 1977.
(3) 혐기성 소화조는 다음과 같은 항목을 통해 운전의 안정성이 평가된다. 각 항목별로
최적 운전은 pH 7.0~7.45, 총알칼리도는 2,540~2,930 mg/L, 휘발성 유기산 농도는
110~270 mg/L, NH4+-N 농도는 400~465 mg/L의 범위에서 나타난다.
☞ Clair N., Sawyer and Jay S., Grumbling, "Fundamental Considerations in High Rate
Digestion", Proceedings of the American Society of Civil Engineering, Journal of
Sanitary Engineering Division, March, p49-63, 1960.
45
☞ C.N Sawyer and H.K. Roy, "A Laboratory Evaluation of High-rate Sludge
Digestion, Sewage and Industrial Wastes, Vol. 27, No. 12, p1356-1363, 1955.
(4) VS loading rate와 HRT의 관계는 유입 고형물(VS) 농도에 의존하는데, 유입고형물
농도가 증가할수록(VS농도 ~10%) HRT는 증가하며(~70days), 소화조에서 VS의
감량(소 화효 율) 은 HRT에 의 존 하는데 , HRT 가 증가 할수 록 VS 제 거(소 화)효 율이
높아진다.
☞ Pfeffer, J.T., "Increased Loadings on Digesters with Recycle of Digested Solids", Journal of the Water
Pollution Control Federation, Vol. 40, p. 1920, 1968.
☞ Rankin, R.S., "Digestion Capacity Requirements", Sewage Works Journal, Vol. 20, p.478, 1948.
High-Rate Digester에서의 Mixing (설계 고려사항)
※ 소화조 내부에서는 TS 농도가 6% 부근에 도달할 때 혼합에 문제가 발생하는 것으로
나타났다.
☞ Sawyer, C.N. and Grumbling, J.S., "Fundamental Considerations in High- Rate Digestion", Journal of the
Sanitary Engineering Division, ASCE, 86, SA2, 49, 1960.
46
(1) 혐기성 소화조 내에서 질소 농도는 미생물의 증식에 필요한 필수 영양소이기도 하지만
pH에 따라서는 독성을 유발하기도 한다. (Total Ammonia Nitrogen = NH4+-N + NH3-N)
☞ McCarty, P.L., "Anaerobic Waste Treatment Fundamentals : Ⅰ. Chemistry and Microbiology;
Ⅱ. Environmental Requirements and Control; Ⅲ. Toxic Materials and There Control; Ⅳ.
Process Design", Public Works, Nos. 9-12, Sept.-Dec., 1964.
(2) Total ammonia nitrogen은 pH와 온도변화에 따라 존재하는 형태(NH4+-N 와 NH3N의 비율)가 달라지며, NH3-N의 독성은 고온 혐기성 소화에서 더욱 뚜렷하게 나타난다.
☞ Sawyer, C.N., and McCarty, P.L., Chemistry for Environmental Engineering, 3rd ed.,
McGraw-Hill, New York, N.Y., 1978.
(3) 혐기성 소화조에서의 독성 유발은 NH4+-N 농도에 의한 것이라기보다는 free
ammonia(NH3-N)에 의해 일어나며, free ammonia로 인하여 100mg/L 이상에서 극심한
독성이 유발된다. 또한 소화 후 예측된 free ammonia의 농도가 130 mg/L 이상에서
소화조는 'died'(운전실패의 상태를 나타냄)임을 나타낸다.
☞ Kroeker, E.J., et al., "Anaerobic Treatment Process Stability", Journal of Water
Pollution Control Federation, Vol. 51, p718, 1979.
47
☞ McCarty, P.L. and McKinney, R.E., "Salt Toxicity in Anaerobic Digestion", Journal of the Water Pollution
Control Federation, Vol. 33, No. 4, p. 399-415, 1961.
(4) pH 7 부근을 유지하여 100mg/L 이하에서 free ammonia 농도를 유지하면 암모니아
독성을 경감시킬 수 있다. 물론 고농도의 total ammonia nitrogen으로 생긴 소화 공정상
발생된 문제는 free ammonia나 NH4+-N 모두 독성에 기여한 것이다.
☞ Kugelman, I.J., and Chin, K.K., "Toxicity, Synergism, and Antagonism in Anaerobic Waste Treatment Processes",
Anaerobic Biological Treatment Processes, Advances in Chemistry Series 105,
American Chemical Society, 1971.
☞ McCarty, P.L., "Anaerobic Waste Treatment Fundamentals : Ⅰ. Chemistry and Microbiology;
Ⅱ. Environmental Requirements and Control; Ⅲ. Toxic Materials and There Control; Ⅳ.
Process Design", Public Works, Nos. 9-12, Sept.-Dec., 1964.
※ 고농도 total nitrogen이 함유된 유기물이 혐기성 소화조로 유입되어 생긴 문제점은 거의 free
ammonia나 NH4+-N 농도로부터 생긴 암모니아 독성 때문인데, 이는 소화조 내의 높은
알칼리도 형성이 독성 유발에 직접적인 원인이 되는 것이 다. 이와 같은 현 상은
음식물쓰레기/음폐수, 가축분뇨, 하수슬러지, 매립장 침출수 등의 혐기성 소화에서
나타난다.
48
↑
49
적용대상
COD
(mg/L)
NH4+-N
(mg/L)
안정화 농도
순수알칼리도
(Org-N, mg/L)
(mg/L)
음식물쓰레기/
음폐수
3,000~4,000
410
50~65
4,000 부근
가축분뇨
1,500~2,500
400
10~30
2,000 부근
음식물/가축
분뇨병합처리
2,000~3,000
410
20~45
2,500 부근
가용화한
하수슬러지
2,000~4,000
400
10~50
3,500~4,000
* 가용화한 하수슬러지 = 1차 슬러지 + 가용화한 잉여슬러지
50
유기물 부하율만 고려해서 설계
NH4+-N 부하율로 설계 후
질소농도가 높은 유기성 폐기물에는 부적합
(음식물/음폐수, 축산분뇨, 하수슬러지, 매립장 침출수 등)
미생물의 활동에 적합한 환경 하에서 처리 가능한
농도 만큼만 유지되도록…. → 그때의 유기물 부하율로
혐기성 소화조의 운전이 가능한지 검토 (시설비 등)
높은 알칼리도 형성
적정 알칼리도 유지
NH4HCO3 형성에 기여 (NH4+-N : 2,000~4,000 mg/L)
소화조 내에서 NH4+-N 농도 ≤ 400 mg/L
pH 8~10 증가 : NH3 생성
pH 7.0~7.5
메탄형성 미생물에 암모니아에 의한 독성 유발
메탄형성 미생물의 활성도 극대화
유기산 농도 2,000~4,000 mg/L
적정 유기산 농도 300(500) mg/L
바이오 가스 생산량 저하
최적 운전에 기여, 바이오 가스 생산량 극대화
(혐기성 소화조 운전실패)
(저탄소 녹색성장에 기여)
51
NH4+-N 부하율로 설계
음폐수로 인해 소화조 내부에서
음폐수 및 소화조 포함한 NH4+-N 농도 부하 ≤ 500 mg/L
증가되는 NH4+-N 농도 50~65 mg/L
최적 알칼리도 유지
혐기성 미생물의 Growth Yield와 관련
미생물의 활동에 적합한 환경의 알칼리도 만큼만
유지되도록 함 : NH4+-N 농도 ≤ 400 mg/L
소화조 내에서 가수분해에 의해 NH4+-N 농도 생성
pH 7.0~7.5
NH4+-N → Org-N으로 전환
메탄형성 미생물의 활성도 극대화
적정 알칼리도 범위에서 50~65, 최대 85 mg/L
적정 유기산 농도 ≤ 300(500) mg/L
음폐수, 음식물로 인해 유입된 질소
COD ≤ 900 (1,500) mg/L
최적 운전에 기여, 바이오 가스 생산량 극대화
1.2~1.6 kg VS/m3·day에서 안정화 되는 질소 농도
NH4+-N 의 완벽한 안정화 가능
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