발전용 음료수 슬러지로부터 바이오가스 생산에 대한 실험 및 시뮬레이션 분석

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9107(2022) 이 기사 인용

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본 연구에서는 음료 산업에서 발생하는 폐수 슬러지의 바이오가스 및 메탄 생산 가능성을 평가했습니다. 단일 유가식 혐기성 소화조의 바이오가스 생산 잠재력 최적화는 서로 다른 온도(25, 35, 45℃), pH(5.5, 6.5, 7.5, 8.5, 9.5) 및 유기 공급 비율(1)에서 운영되었습니다. :3, 1:4, 1:5, 1:6), 수리학적 체류 시간은 30일입니다. 휘발성 고형물(VS) 및 부피 측면에서 음료수 폐수 슬러지의 메탄 및 바이오가스 생산성이 결정되었습니다. 최적 pH, 온도 8.5, 35℃, 1:3에서 VS와 부피로 비교했을 때 바이오가스 최대 생산량(15.4m3/g VS, 9.3m3)과 메탄 함량(6.3m3/g VS, 3.8m3)이 얻어졌다. 및 유기 로딩 비율입니다. 또한 상온에서 일일 최대 메탄 함량(7.4m3/g VS, 4.4m3)과 바이오가스 생산 잠재력(17.9m3/g VS, 10.8m3)이 달성되었습니다. 35℃(30일)에서 총 바이오가스와 메탄은 각각 44.3과 10.8m3/g VS인 반면, 25℃(48일)에서는 각각 67.3과 16.1m3/g VS로 증가했다. 또한 상온(24일 22.1kWh)과 40일 최적온도(18.9kWh)에서 생산된 바이오가스의 발전 잠재력을 추정했다. 최적 온도에서 바이오가스 및 메탄 생산 측면에서 최적 HRT(25일)를 시뮬레이션한 모델은 실험 결과와 잘 일치했습니다. 따라서 우리는 음료 산업 폐수 슬러지가 바이오가스 생산 및 전기화에 큰 잠재력을 가지고 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.

오늘날 다양한 폐기물은 에너지 효율적인 벽돌1, 포장2, 농업용3 등 유용한 제품으로 지속 가능하게 재활용되고 바이오에탄올5,6, 바이오디젤7,8, 바이오가스9, 연탄 생산10과 같은 다양한 바이오에너지 시스템4,5을 만듭니다. 에너지 공급의 지속 가능한 개발을 가능하게 하고 온실가스 배출을 완화하기 위해 작물, 잔류물, 폐기물(산업, 농업 및 도시 폐기물)과 같은 다양한 공급원료로부터 혐기성 소화를 통한 바이오가스 생산이 중요한 역할을 합니다11. 산업 슬러지로부터 바이오가스를 생산하는 데에는 몇 가지 장점이 있습니다. 지속 가능한 바이오가스 에너지 생산 외에도 유기 폐기물을 처리하는 장점도 있습니다. 또한, 업그레이드된 바이오가스 기술의 개발은 요리 및 운송 부문을 포함한 다양한 응용 분야에서 바이오가스의 활용을 더욱 향상시킬 것입니다12. 혐기성 소화는 미생물이 산소가 없는 상태에서 유기물을 바이오가스로 전환하는 일련의 생물학적 과정입니다. 바이오가스는 약 60%의 메탄(CH4), 40%의 이산화탄소(CO2), 그리고 미량의 기타 가스(예: 수증기(H2O) 및 황화수소(H2S))로 구성됩니다. 따라서 혐기성 소화는 저개발국과 개발도상국을 괴롭히는 앞서 언급한 모든 문제(예: 에너지 및 폐기물 관리)를 해결하는 동시에 농업 생산성을 높이는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

Ngoc 및 Schnitzler(2009)13 및 Goňo et al. (2013)14는 발효로 생산된 바이오가스가 연소되어 생산 과정에서 열병합 발전(CHP)과 조명을 생성할 수 있다고 보고했습니다. 양질의 바이오가스를 갖춘 바이오가스 시스템은 전기 공급원으로 사용될 수 있으며 이는 환경 보호 및 개발에 매우 ​​유익합니다. 식품 및 음료 산업의 폐수는 독성 금속으로 오염되어 급성 또는 만성 질환으로 인간의 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다15,16. 매일 처리장을 통과하는 수백만 갤런의 폐수에는 수백 톤의 바이오솔리드가 포함되어 있습니다. USEPA(1979) 보고서에 따르면 바이오고형물은 혐기성 소화를 통해 바이오가스를 생성하며, 이로 인해 55~70%의 메탄과 25~30%의 이산화탄소가 생성될 수 있습니다17. 그럼에도 불구하고, 바이오매스 폐기물로부터 바이오가스를 생산하고 에너지 응용을 위한 활용은 대사 경로와 메탄 함량에 영향을 미치는 유기 폐기물의 복잡한 물리적, 화학적 특성으로 인해 여전히 어려운 과제입니다. 결과적으로, 바이오가스 생산량과 품질을 더욱 향상시킬 수 있는 기회에 관심이 집중되었습니다18. 따라서 폐수 슬러지는 과학계, 특히 식품 및 음료 산업의 주요 연구 관심 분야입니다. Sreekrishnan 등에 따르면 (2004) 보고서 공급원료는 혐기성 소화 과정에서 메탄 수율을 높이기 위해 때때로 전처리가 필요합니다16. 전처리는 복잡한 유기 구조를 미생물 분해에 더 취약한 단순한 분자로 분해합니다. 더욱이, 바이오가스의 메탄 수율과 함량은 전처리 과정에서 화학 물질(예: CaO2)을 활용하여 향상될 수 있으며, 이는 슬러지 물질의 추가 분해 및 분해를 가능하게 합니다19,20.