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Pilot-scale 3단계 발효시스템을 이용한 유기성 폐기물로부터 고효율 메탄 생산 기술 개발

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Author(s)
김중곤
Issued Date
2006
Abstract
A novel pilot-scale three stage fermentation system was developed for high-efficiency methane production from food wastes. This system consisted of three reactors and total reactor volume was 2.5 m3. The first stage was a semi-anaerobic hydrolysis/acidogenic process which converted food wastes into variable sugars, amino acids, and volatile fatty acids (VFAs). The operation temperature and pH were 45℃, and 3.8 ~ 4.0, respectively. The hydraulic retention time (HRT) was 2 days. Eleven microbial strains (K1 ~ K11) were isolated and characterized through this stage. Total chemical oxygen demand (tCOD) was 71,234 mg/L. The second stage was an anaerobic acidogenic process which can produce large amounts (14,560 mg/L) of VFAs including acetate, propionate, butyrate, valerate, and lactate. The operation temperature and pH were 35℃, and 3.5 ~ 3.8, respectively. The HRT of this stage was also 2 days. Five strains (KA1 ~ KA5) were isolated and characterized in this stage. The third stage was a strictly anaerobic methane fermentation process producing methane and carbon dioxide from VFAs. The operation temperature and pH were 50℃, and 7.1 ~ 7.5, respectively. The HRT was 12 days. Seventy two percent of methane from total biogas was generated and the yield was 360 L/Kg COD. Through out these stages, 91% of tCOD was removed.
The effects of temperature and HRT on the methanogenesis were examined. Operation temperature was adjusted from 30℃ to 55℃, and the HRTs ranged from 8 to 12 days. The rate of soluble chemical oxygen demand (sCOD) removal correlated with digestion time according to the first-order kinetic model developed by Grau et al[Water Res., 9, 637-642 (1975)]. With liquor food waste, thermophilic digesters showed a higher rate of sCOD removal than mesophilic digesters. The rates of biogas and methane production by thermophilic digesters were higher than those by mesophilic digesters regardless of HRT. Although maximum biogas production occurred when the HRT of 10 days was used, the methane yield was the highest in the reactor when an HRT of 12 days was used (223 L CH4/kg sCODdegraded). However, digestion stability decreased when an HRT of 8 days was used. The concentration of NH3-N generated in this experiment did not inhibit anaerobic digestion.
The process characteristics of anaerobic methane fermentation using several organic wastes were investigated. The substrates used were food wastes, vegetable wastes, cow manures, pig manures and wastewater sludge. The substrates were mixed with inocula (methanogenic fluid) at a ratio of 1:1, and several parameters including total solid (TS), volatile solid (VS), sCOD, and biogas production were monitored. Anaerobic digestion of food wastes and pig manures were occurred rapidly in the initial stage of fermentation, whereas that of vegetable wastes were occurred slowly in the late stage. Cow manures were degraded in the both initial and late stages of digestion.
Total 10 m3 pilot-scale methane fermentation system was operated under the same condition as total 2.5 m3 methane fermentation system. The operation temperature and pH of the first stage were 45℃, and 3.8 ~ 4.0, respectively. The HRT was 2 days. tCOD was 56,734 mg/L. The second stage was an anaerobic acidogenic process which can produce VFAs including acetate, propionate, butyrate, valerate, and lactate. The operation temperature and pH were 35℃, and 5.0 ~ 5.5, respectively. The HRT was 2 days. The third stage was a strictly anaerobic methane fermentation process producing methane and carbon dioxide from VFAs. The operation temperature and pH were 50℃, and 7.3 ~ 7.8, respectively. The HRT was 12 days. Sixty eight percent of methane was contained in the biogas. Through out these stages, total 93.5% of tCOD was removed.
Alternative Title
Development of a pilot-scale three-stage fermentation system for high-efficiency methane production from organic wastes
Alternative Author(s)
Kim, Jung Kon
Affiliation
조선대학교 대학원
Department
일반대학원 생물신소재학과
Advisor
金時郁
Awarded Date
2007-02
Table Of Contents
List of Tables = 5
List of Figures = 7
Abstract = 14
제 1 장 서론 = 1
제 1 절 연구배경 및 목적 = 1
제 2 절 국·내외 기술개발 동향 = 4
제 3 절 이론적 고찰 = 9
1. 바이오에너지기술 = 9
2. 혐기성 소화 = 11
3. 발효조의 동력학적 모델 = 18
4. 생물학적 수소 생산 = 19
5. 에탄올 발효 = 21
제 2 장 연구 내용 및 결과 = 31
제 1 절 소규모 집약형 3단계 메탄 발효시스템의 설계 및 제작 = 31
1. 소규모 집약형 3단계 메탄 발효시스템의 구성 = 31
2. 1차 반혐기성 가수분해/산 발효조의 구성과 제작 = 34
3. 2차 혐기성 산 발효조의 구성과 제작 = 34
4. 3차 혐기성 메탄 발효조의 구성과 제작 = 41
제 2 절 단계별 발효공정 미생물제제 개발 = 45
1. 실험재료 및 방법 = 45
가. 발효균주를 이용한 미생물제제 개발 = 45
2. 결과 및 고찰 = 48
가. 반혐기성 가수분해/산 발효조로부터 분리된 발효균주의 형태학적 특징 = 48
나. 반혐기성 가수분해/산 발효조로부터 분리된 발효균주의 생화학적 특징 = 51
다. 반혐기성 가수분해/산 발효조로부터 분리된 발효균주의 Amylase의 효소 활성 = 51
라. 반혐기성 가수분해/산 발효조로부터 분리된 발효균주의 Protease의 효소 활성 = 55
마. 반혐기성 가수분해/산 발효조로부터 분리된 발효균주의 Cellulase의 효소 활성 = 55
바. 혐기성 산 발효조로부터 분리된 발효균주의 형태학적 특징 = 58
사. 반혐기성 가수분해/산 발효조로부터 분리된 발효균주의 발효능 측정 = 58
카. 미생물제제의 개발 = 65
제 3 절 발효효율 최적화 운전 조건 검토 = 65
1. 실험재료 및 방법 = 65
가. 1차 가수분해/산 발효조의 pH조절을 위한 반송 조건 = 65
나. 회분식 실험에서의 온도에 따른 메탄 발효의 영향 = 66
다. 반연속식 실험에서의 온도에 따른 메탄 발효의 영향 = 68
라. 2.5 m3 규모의 3단계 메탄 발효공정 운전 = 70
2. 결과 및 고찰 = 71
가. 1차 가수분해/산 발효조의 pH조절을 위한 반송 조건 = 71
나. 회분식 실험에서의 온도에 따른 메탄 발효의 영향 = 76
다. 반연속식 실험에서의 온도에 따른 메탄 발효의 영향 = 79
라. 2.5 m3 규모의 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물쓰레기 처리공정 운전 = 94
제 4 절 다양한 재생가능 폐기물의 처리시 발효 효율 검토 = 105
1. 실험재료 및 방법 = 105
가. 사용된 재생가능 폐기물의 종류 = 105
나. 재생가능 폐기물들의 성상 변화 및 소형 메탄 발효조 운전 = 105
2. 결과 및 고찰 = 106
가. 각종 재생가능 폐기물의 성상 변화 = 106
제 5 절 10 m3 규모 Pilot-scale 집약형 고효율 메탄 발효시스템의 설계 및 제작 = 113
1. Pilot-scale 집약형 3단계 메탄 발효시스템의 구성 = 113
2. 1차 반혐기성 가수분해/산 발효조의 구성과 제작 = 117
3. 2차 혐기성 산 발효조의 구성과 제작 = 121
4. 3차 혐기성 메탄 발효조의 구성과 제작 = 121
5. 메탄 저장 탱크 설계 및 제작 = 128
6. 발효시스템의 자동화 공정 제작 = 131
제 6 절 10 m3 규모 Pilot-scale 집약형 고효율 메탄 발효 시스템의 운전 조건 검토 = 136
1. 실험재료 및 방법 = 136
가. 실험 균주 = 136
나. 음식물 쓰레기의 전처리 공정 = 136
다. 3단계 메탄 발효공정내 음식물 쓰레기 성상 변화 = 137
라. 3차 혐기성 메탄 발효조에서 발생하는 가스발생량 및 성분 분석 = 137
2. 결과 및 고찰 = 137
가. 음식물 쓰레기의 성상 = 137
나. 1차 반혐기성 가수분해/산 발효조내 발효액의 성상 변화 = 138
다. 2차 혐기성 산 발효조내의 발효액의 성상 변화 = 141
라. 3차 혐기성 메탄 발효조내의 발효액의 성상 변화 = 141
마. 3단계 메탄 발효공정에서 발생하는 유기산 분석 = 146
바. 3차 혐기성 메탄 발효조에서 발생하는 가스발생량 및 성분 분석 = 146
사. 3단계 메탄 발효시스템의 경제성 검토 = 151
제 3 장 결론 = 153
참고문헌 = 158
부록 : 발효과정 중 유기산, 바이오수소 및 알코올 생산 = 167
부록 1. 유기산 생산 = 169
부록 2. 수소 생산 = 182
부록 3. 알코올 생산 = 197
CURRICULUM VITAE = 215ss
Degree
Doctor
Publisher
조선대학교 대학원
Citation
김중곤. (2006). Pilot-scale 3단계 발효시스템을 이용한 유기성 폐기물로부터 고효율 메탄 생산 기술 개발.
Type
Dissertation
URI
https://oak.chosun.ac.kr/handle/2020.oak/6504
http://chosun.dcollection.net/common/orgView/200000233875
Appears in Collections:
General Graduate School > 4. Theses(Ph.D)
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  • Embargo2008-09-01
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