KR20160048464A - Anaerobic treatment method of organic waste using biodiesel waste containing glycerin - Google Patents

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Abstract

The present invention discloses a method for anaerobic treatment of organic waste using biodiesel waste containing glycerin. The method for anaerobic treatment of organic waste using biodiesel waste containing glycerin comprises the steps of: (a) adding and mixing biodiesel waste containing glycerin to and with organic waste at a percentage of 30 % (v/v) or less to produce a mixture; and (b) anaerobically digesting the mixture. In the method of the present invention, biodiesel wastewater is reused for anaerobic treatment of organic waste, thereby providing effects of overcoming a cost problem attributable to treatment of biodiesel wastewater and increasing methane generation yield due to anaerobic treatment of organic waste.

Description

글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 재활용한 유기성 폐기물의 혐기적 처리 방법{ANAEROBIC TREATMENT METHOD OF ORGANIC WASTE USING BIODIESEL WASTE CONTAINING GLYCERIN}Technical Field [0001] The present invention relates to a method of anaerobic treatment of organic wastes having recycled glycerin-containing biodiesel wastewater. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은 글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 재활용한 유기성 폐기물의 혐기적 처리 방법에 관한 것으로, 구체적으로 유기성 폐기물 혐기적 처리에 글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 혼합 처리함으로써 바이오가스(메탄) 생성 수율을 향상시킬 수 있는 유기성 폐기물의 처리 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for anaerobic treatment of organic wastes with recycled glycerin-containing biodiesel wastewater, and more particularly, to a method for anaerobic treatment of organic wastes with glycerin-containing biodiesel wastewater, To a method of treating organic wastes.

에너지 자원 고갈의 문제가 없고, 폐식용유 등 폐자원의 활용이 가능하다는 대체에너지로서의 효과와, 분진, 매연, 일산화탄소 등 각종 공해물질 발생을 저감된다는 환경적인 측면에서의 효과 및 2017년까지 바이오디젤 보급률을 5%까지 증가시키겠다는 정책적인 측면 등을 고려하여 대두유, 유채유, 폐식용유, 우지 등 동식물성 유지와 알코올을 반응시켜 제조되는 바이오디젤 제조 사업은 급격하게 증가하고 있다.There is no problem of depletion of energy resources, the effect as an alternative energy that can utilize waste resources such as waste cooking oil, the environmental effect of reducing the generation of various pollutants such as dust, soot, and carbon monoxide, and the biodiesel penetration rate To 5%, the production of bio-diesel produced by reacting soybean oil, rape oil, waste cooking oil and woji etc. with alcohol is increasing rapidly.

이러한 바이오디젤을 생산하는 과정에서 사용되는 세척수로 인해 주성분이 글리세린인 폐수가 대량으로 발생하고, 발생되는 폐수의 CODCr(Chemical Oygen Demand) 농도는 30,000mg/L 이상의 고농도이므로, 이 폐수를 기존의 일반적인 폐수처리 설비(생물학적 폐수처리: 표준활성슬러지 공법, 고도처리공법 등)을 활용하여 처리하기 위해서는 긴 체류시간을 필요로 하고 폐수처리설비의 운영비용 증가 등의 문제 등이 야기될 수 있다. 이러한 이유로 인해 바이오디젤을 생산하는 과정에서 발생되는 폐수를 가능하다면 다른 방법으로 처리하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.Since the wastewater having glycerin as a main component is generated in a large amount due to the washing water used in the process of producing such biodiesel and the concentration of COD Cr (Chemical Oygen Demand) of the generated wastewater is higher than 30,000 mg / L, In order to utilize general wastewater treatment facilities (biological wastewater treatment: standard activated sludge process, advanced treatment process, etc.), a long residence time is required and problems such as an increase in the operating cost of the wastewater treatment facility may be caused. For this reason, it is desirable to treat wastewater generated in the process of producing biodiesel by other methods if possible.

한편 근래 산업발달과 더불어 물질적 생활이 풍요로워 짐에 따라 음식물 쓰레기, 농산물 폐기물, 축산 분뇨 등의 고농도 유기성 폐기물이 대량으로 발생하고 있다. On the other hand, due to recent industrial development and richer material life, high concentration organic wastes such as food waste, agricultural waste, and livestock manure have been generated in large quantities.

이러한 폐기물의 처리는 소각, 매립 이외에 사료화, 퇴비화, 바이오가스 생산 등의 재활용 기술로 나누어지는데, 소각은 소각 전 함수율을 낮춰야 하므로 시간과 처리 비용이 증가하는 문제 이외에도 낮은 발열량과 불완전 연소 등의 문제가 발생하고, 매립은 침출수에 의한 2차적인 토양 오염과 악취 등의 문제가 발생한다. In addition to incineration and landfilling, these wastes are divided into recycling technologies such as feed conversion, composting, and biogas production. Incineration involves lowering the water content before incineration, resulting in problems such as low heating value and incomplete combustion And the landfill causes problems such as secondary soil pollution and odor due to leachate.

따라서 유기성 폐기물의 재활용 기술이 국가 정책적으로 장려되고 있으며, 재활용 기술로서 특히 유기성 폐기물을 혐기적으로 처리하여 바이오가스(메탄 함량이 60~70% 정도임)를 생산하는 기술에 관심이 집중되고 있다. 유기성 폐기물의 혐기성 처리에 의한 바이오가스의 생산은 대기와 차단되어 이루어지기 때문에 악취 문제가 없고, 유기성 폐기물 중 생물분해가 가능한 유기물의 약 90%가 메탄으로 전환될 수 있으며, 혐기적 처리 후 생성되는 슬러지는 환경상 위해가 없어 토양개량제나 비료로서 이용될 수 있다. Therefore, the recycling technology of organic waste is encouraged by the national policy. Especially, as a recycling technology, attention is focused on the technology of producing biogas (methane content is about 60 ~ 70%) by anaerobic treatment of organic waste. Since the production of biogas by anaerobic treatment of organic wastes is blocked by the atmosphere, there is no odor problem, and about 90% of organic wastes which can be biodegradable among organic wastes can be converted into methane, Sludge is not environmentally harmful and can be used as soil amendment or fertilizer.

본 발명은 유기성 폐기물의 혐기적 처리에 바이오디젤 폐수를 재활용함으로써, 바이오디젤 폐수의 처리에 따른 비용적 문제 등을 해결함과 아울러 유기성 폐기물의 혐기적 처리에 의한 메탄 생성 수율을 높일 수 있는 기술을 개시한다.
The present invention rescues biodiesel wastewater for anaerobic treatment of organic wastes, solves the cost problem associated with the treatment of biodiesel wastewater, and improves the methane production yield by anaerobic treatment of organic wastes. .

본 발명의 목적은 바이오디젤 폐수를 재활용한 유기성 폐기물 혐기적 처리 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for anaerobic treatment of organic waste by recycling biodiesel wastewater.

본 발명의 다른 목적이나 구체적인 목적은 이하에서 제시될 것이다.
Other and further objects of the present invention will be described below.

본 발명자들은 아래의 실시예에서 확인되는 바와 같이, 제1차 예비실험에서 글리세린이 함유된 바이오디젤 폐수를 유기성 폐기물(음식물류 폐기물)에 0%(v/v, 무첨가), 15%, 30%, 45%, 60%, 및 100%(유기성 폐기물 없이 바이오디젤 폐수만을 혐기성 소화조에 유입)로 첨가·혼합하고 혐기성 소화조에 유입시켜 혐기적으로 처리할 경우, 30% 이상의 첨가량에서는 바이오가스 발생률(COD 1g 제거시 발생되는 바이오가스 함량임)이 그 첨가량에 비례하여 낮아지지만 15% 첨가할 경우 무첨가한 경우에 비하여 높음을 확인하고, 이를 기초로 제2차 예비실험에서 바이오디젤 폐수의 첨가량을 5%(v/v), 10%, 15% 및 20%로 하고 식종 슬러지(혐기성 소화 미생물)를 글리세린 함유 바이오디젤 폐수에 순응시켜 혐기적 소화를 진행할 경우 모든 첨가량에서 무첨가한 경우에 비하여 바이오가스 발생률이 높을 뿐 아니라 첨가량에 비례하여 증가함으로 확인하였다. 여기서 식종 슬러지(혐기성 소화 미생물)를 글리세린 함유 바이오디젤 폐수에 순응시켜 사용한 이유는 제1차 예비실험에서 사용한 식종 슬러지가 글리세린 함유 바이오디젤 폐수에 순화되지 않음에 따른 오차를 방지하기 위한 것이다.As shown in the following examples, the present inventors conducted a first preliminary experiment in which glycerin-containing biodiesel wastewater was added to organic wastes (food wastes) at 0% (v / v, no addition), 15%, 30% (COD 1 g) at a concentration of 30% or more when the anaerobic digestion tank is anaerobically treated with 45%, 60%, and 100% (biodiesel wastewater flows into anaerobic digester without organic wastes) The amount of biodiesel wastewater added was 5% in the second preliminary experiment based on the increase in the amount of added biodiesel wastewater. (anaerobic digestion microorganism) was adjusted to 10%, 15% and 20%, and anaerobic digestion microorganism was adapted to glycerin-containing biodiesel wastewater, anaerobic digestion was carried out. Was confirmed by gas as well as the higher the rate increases in proportion to the amount added. The reason for using the vegetable sludge (anaerobic digestion microorganism) in compliance with the glycerin-containing biodiesel wastewater is to prevent an error due to the non-purification of the vegetable sludge used in the first preliminary experiment into glycerin-containing biodiesel wastewater.

본 발명자들은 나아가 상기 예비실험 결과를 바탕으로 현장에서의 적용 가능성을 검증하기 위하여, 처리 규모를 레벌-업(level-up)시켜(15.4L 용량의 혐기성 소화조를 사용하였음; 참고로 예비실험에서는 100mL 용량의 bottle를 사용하였음) 글리세린이 함유된 바이오디젤 폐수를 유기성 폐기물에 0%(무첨가), 15% 및 20%로 첨가·혼합하고 대량 혐기성 소화조에 유입시켜 혐기적으로 처리할 경우, 메탄 발생률(혐기적 소화시 생성되는 바이오가스 중 메탄 함량만을 측정하여 계산함, COD 1g 제거시 발생되는 메탄 발생량임)이 무첨가한 경우에 비하여 모든 첨가량에서 높고 특히 20%를 첨가할 경우는 무첨가한 경우에 비하여 10% 이상 높아짐을 확인하였다. Based on the results of the preliminary experiments, the present inventors further investigated the possibility of application in the field by level-up the treatment scale (using a 15.4 L anaerobic digestion tank, ) When anaerobic treatment of biodiesel wastewater containing glycerin is added and mixed with organic wastes at 0% (no addition), 15% and 20%, and into large-scale anaerobic digestion tank, Compared to the case where the amount of methane generated during the anaerobic digestion is calculated by measuring only the methane content of the biogas and the amount of methane generated when the COD is removed by 1 g, 10% or more.

본 발명은 전술한 바의 실험 결과에 기초하여 제공되는 것으로, 본 발명의 글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 재활용한 유기성 폐기물 혐기적 처리 방법은 (a) 유기성 폐기물에 글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 30%(v/v) 이하로 첨가·혼합하는 단계, 및 (b) 그 혼합물을 혐기적으로 소화시키는 단계를 포함하여 구성된다.The present invention provides organic wastes anaerobic treatment method using recycled glycerin-containing biodiesel wastewater according to the present invention, which comprises (a) adding 30% (v) of glycerin-containing biodiesel wastewater to organic wastes, / v), and (b) anaerobically digesting the mixture.

본 발명의 방법에 있어서, "글리세린 함유 바이오디젤 폐수"는 동식물성 유지로부터 얻어지는 트리글리세리드(tryglycerides)를 이용하여 바이오디젤을 생성할 때 부산물로서 글리세린 등이 함께 생성되며, 이때 바이오디젤을 회수한 후, 나머지 부산물인 글리세린, 미반응 트리글리세라라이드 등을 물로 세척하여 폐기시키게 되는데, 이렇게 물로 세척되어 폐기되는 폐수를 말한다. In the method of the present invention, "glycerin-containing biodiesel wastewater" is produced by using glycerin as a by-product when biodiesel is produced using triglycerides obtained from the vegetable oil, and after recovering the biodiesel, The remaining by-products, glycerin, unreacted triglyceride, etc., are washed with water and discarded, which means wastewater which is washed with water and discarded.

일반적으로 동식물로부터 추출되는 에스테르 화합물은 내연기관용 연료로서 사용이 가능한 발열량을 가지나, 실온에서 점성이 강하여 직접 사용이 어렵다. 그런데 대두(soybean), 팜(palm), 면실(cotton seed)로부터 얻어지는 에스테르 화합물인 트리글리세리드를 염기 촉매 하에서 물이나 메탄올과 반응시키면 일반적으로 분자량은 적고, 점성은 상대적으로 낮은 지방산 또는 메틸에스테르를 합성할 수 있는데, 이는 내연기관의 연료로서 사용이 가능하다. 이러한 연료를 바이오디젤이라 하며, 아래의 [반응식 1 및 2]에서 확인되는 바와 같이, 이러한 바이오디젤 생성시 바이오디젤인 3 당량의 지방산 또는 메틸에스테르 이외에 부산물로서 1 당량의 글리세린이 생성된다. 바이오디젤을 회수하고 나머지 성분들은 물로 세척하게 되는데, 이러한 폐수에는 글리세린 이외에 미반응의 트리글리세리드 등이 포함되게 된다. 본 발명에서, "글리세린 함유 바이오디젤 폐수"는 이러한 글리세린 함유 폐수를 의미하는 것이다.In general, ester compounds extracted from plants and animals have a calorific value that can be used as a fuel for an internal combustion engine, but they are difficult to use directly because of their high viscosity at room temperature. However, when triglycerides, which are ester compounds obtained from soybean, palm and cotton seed, are reacted with water or methanol in the presence of a base catalyst, synthesis of fatty acids or methyl esters having a relatively low molecular weight and a relatively low viscosity Which can be used as fuel for an internal combustion engine. These fuels are referred to as biodiesel, and one equivalent of glycerin is produced as a by-product in addition to three equivalents of the fatty acid or methyl ester, which is the biodiesel, during the production of the biodiesel, as shown below in Reaction Schemes 1 and 2. The biodiesel is recovered and the remaining components are washed with water. Such wastewater contains unreacted triglycerides and the like in addition to glycerin. In the present invention, "glycerin-containing biodiesel wastewater" means such glycerin-containing wastewater.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

본 발명의 방법에 있어서, 글리세린 함유 바이오디젤 폐수는 그 글리세린 함량이 2% 내외로 낮아 이를 그대로 유기성 폐기물의 혐기성 소화시 첨가하여 사용할 경우 메탄 생성 수율 측면에서 바람직하지 않다. 글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 가열 농축하여 글리세린의 농도를 5% 이상으로 높여 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 이유로 본 발명자들은 아래의 실시예에서 글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 가열 농축하여 글리세린의 농도를 5% 이상으로 높여 사용하였다. 여기서 %는 v/v를 의미한다.In the method of the present invention, the glycerin-containing biodiesel wastewater has a low glycerin content of about 2%, which is undesirable from the viewpoint of methane production yield when it is added as it is when anaerobic digestion of organic waste is used. It is preferable to heat and concentrate glycerin-containing biodiesel wastewater to raise the concentration of glycerin to 5% or higher. For this reason, the inventors of the present invention used glycerin-containing biodiesel wastewater by heating and concentrating glycerin at a concentration of 5% or higher in the following examples. Where% means v / v.

이러한 글리세린 함유 바이오디젤 폐수가 유기성 폐기물과 혼합될 때 30%를 초과하여 혼합될 경우 아래의 실시예가 보여주듯이 바이오가스 생성율이 첨가량에 비례하여 떨어지므로 30% 이하로 첨가되는 것이 바람직하며, 특히 20% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 아래의 실시예가 보여주는 바와 같이 메탄 생성율을 10% 이상 증가시킬 수 있게 20%로 첨가되는 것이 바람직하다. When the glycerin-containing biodiesel wastewater is mixed with organic wastes, when it is mixed in an amount of more than 30%, the biogas production rate decreases proportionally to the addition amount as shown in the following examples, Or less. And most preferably 20% so as to increase the methane production rate by 10% or more as shown in the following examples.

또 본 발명의 방법에 있어서, 유기성 페기물은 고농도의 유기성 물질을 함유하여 메탄 생성에 재활용될 수 있는 음식물 폐기물, 농산물 폐기물, 축산물 폐기물을 포함하는 의미이다.In the method of the present invention, the organic waste includes organic wastes, agricultural wastes, and livestock wastes which can be recycled to produce methane.

또 본 발명의 방법에 있어서, 혐기성 소화를 촉진하기 위해, 상기 (a) 단계의 혼합물에 영양원을 첨가하여 혼합물 내 유기물에 대한 질소비(C/N비)는 60 이하, 유기물에 대한 인(C/P)비는 300 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 여기서 C/N비의 조절을 위한 질소 공급원은 당업계에 공지되어 있는데, 예컨대 NH4Cl, (NH4)2SO4 등을 사용할 수 있고, C/P비의 조절을 위한 인 공급원도 당업계에 공지되어 있는데, 예컨대 KH2PO4, K2HPO4, H3PO4 등을 사용할 수 있다.In addition, in the method of the present invention, in order to promote anaerobic digestion, a nutrient source is added to the mixture of step (a) so that the quality ratio (C / N ratio) / P) is preferably 300 or less. Nitrogen sources for controlling the C / N ratio are known in the art, such as NH 4 Cl, (NH 4 ) 2 SO 4 , and the phosphorous source for the control of the C / For example, KH 2 PO 4 , K 2 HPO 4 , H 3 PO 4 and the like can be used.

또 본 발명의 방법에 있어서, 유기성 폐기물에 글리세린 함유 바이오디젤 폐수가 첨가·혼합되고 질소 공급원 및/또는 인 공급원이 첨가되어 적절한 C/N비 및 C/P비로 조절한 후에는 상기 (b) 단계의 식종 슬러지에 의한 혐기적 소화를 수행하게 되는데, 이러한 혐기적 소화 단계는 유기물을 혐기적 분해시켜 메탄을 생성하기 위한 과정으로, 이러한 과정은 일반적으로 가수분해 단계, 산 및 아세트산 생성 단계 그리고 메탄 생성 단계로 나누어진다. 이러한 혐기적 소화는 혐기적 미생물이 함유된 식종 슬러지에 의해 수행되는데 이러한 식종 슬러지는 일반 하수처리장의 혐기성 소화 슬러지 등을 사용할 수 있다.In the method of the present invention, after the organic waste is added and mixed with glycerin-containing biodiesel wastewater and the nitrogen source and / or phosphorus source is added to adjust the C / N ratio and the C / P ratio, This anaerobic digestion process is a process for anaerobic digestion of organic matter to produce methane. This process is generally carried out by hydrolysis, acid and acetic acid production, and methane production It is divided into stages. This anaerobic digestion is carried out by sludge containing anaerobic microorganisms. Such sludge can be anaerobically digested sludge of general sewage treatment plant.

이러한 혐기성 소화를 위한 혐기성 소화조로서는 단일 혐기성 소화조(산 발효와 메탄 발효가 하나의 반응기에 일어나는 소화조), 2상 혐기성 소화조(산 발효조와 메탄 발효조가 별도로 구성된 반응조)와 UASB(Upflow anaerobic sludge blanket) 반응조 등을 사용할 수 있다.As an anaerobic digestion tank for anaerobic digestion, there are a single anaerobic digestion tank (a digestion tank in which acid fermentation and methane fermentation occur in one reactor), a two-phase anaerobic digestion tank (a reaction tank in which acid fermentation tank and methane fermentation tank are separately constructed), and an upflow anaerobic sludge blanket Etc. may be used.

혐기성 소화시 단일 혐기성 소화조의 체류 시간과 2상 혐기성 소화조의 메탄 발효조 체류시간은 산 발효와 메탄 발효를 위해 적어도 15일 이상이 될 수 있게 하는 것이 바람직하며(하수도시설기준, 2011), UASB 반응기의 체류시간은 산 발효 및 메탄 발효를 위해 유입 유기물 용적부하가 15kgCOD/m3·일이 이상이 되지 않게(배재호 등, 2010, 폐기물자원화), 유기성 폐기물과 글리세린 함유 바이오디젤 폐수 혼합물의 유입 속도를 조절하는 것이 바람직하다. It is desirable that the residence time of the single anaerobic digestion tank and the residence time of the methane fermentation tank of the 2-phase anaerobic digestion tank during anaerobic digestion should be at least 15 days for acid fermentation and methane fermentation (sewage facility standard, 2011) The retention time is controlled by controlling the inflow rate of organic waste and glycerin-containing biodiesel wastewater mixture to be less than 15 kg COD / m 3 · day for acid fermentation and methane fermentation (Bae Jae-ho, 2010, .

혐기성 소화 촉진 효과를 최대화하기 위해서는 활용 혐기성 소화조 형태에 상관없이, 혐기성 소화조 내 온도는 35~40℃ 범위로, pH는 7.0 이상으로 유지하는 것이 바람직하다. 혐기성 소화조 내 알칼리도는 단일 소화조와 2상 혐기성 소화조의 경우 10,000mg/L 이상, UASB 반응조의 경우 4.000mg/L 이상으로 유지하는 것이 바람직하다. pH가 낮거나 알칼리도가 낮은 경우 pH 조절 및 알칼리도 조절을 위한 약품으로서는 Na2CO3, NaHCO3 등을 사용할 수 있다.
In order to maximize the effect of promoting anaerobic digestion, it is desirable to maintain the temperature in the anaerobic digestion tank within the range of 35 to 40 ° C and the pH to 7.0 or more regardless of the type of the anaerobic digestion tank utilized. It is desirable that the alkalinity of the anaerobic digestion tank is maintained at 10,000 mg / L or more for the single digestion tank and the two-phase anaerobic digestion tank or 4.000 mg / L or more for the UASB reaction tank. When the pH is low or the alkalinity is low, Na 2 CO 3 , NaHCO 3 and the like can be used as the pH adjusting agent and the alkalinity adjusting agent.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 바이오디젤 폐수를 재활용한 유기성 폐기물 혐기적 처리 방법을 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for anaerobic treatment of organic waste by recycling biodiesel wastewater.

본 발명의 방법은 유기성 폐기물의 혐기적 처리에 바이오디젤 폐수를 재활용함으로써, 바이오디젤 폐수의 처리에 따른 비용적 문제 등을 해결함과 아울러 유기성 폐기물의 혐기적 처리에 의한 메탄 생성 수율을 높일 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
The method of the present invention can solve the problem of cost associated with the treatment of biodiesel wastewater by recycling biodiesel wastewater for anaerobic treatment of organic wastes and increase the methane production yield by anaerobic treatment of organic wastes Effect can be provided.

도 1은 제1단계 및 제2단계 BMP 테스트를 수행하였던 혐기성 배양 장치이다.
도 2는 제1단계 예비실험에서 각 Case별 누적 가스 발생량을 보여주는 그래프이다.
도 3은 제2단계 예비실험에서 각 Case별 누적 가스 발생량을 보여주는 그래프이다.
도 4는 레벨-업된 단일 혐기성 소화조에서 메탄 발생률 변화를 관찰한 결과이다.1 is an anaerobic culture apparatus in which first and second BMP tests were performed.
FIG. 2 is a graph showing cumulative gas generation amount for each case in the first stage preliminary experiment. FIG.
FIG. 3 is a graph showing the amount of cumulative gas generation for each case in the second stage preliminary experiment.
FIG. 4 shows the results of observing changes in methane production rate in a level-up single anaerobic digestion tank.

이하 본 발명을 실시예를 참조하여 설명한다. 그러나 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

<< 실시예Example 1>  1> 글리세린 함유 바이오디젤 폐수의 음식물 폐기물의 혐기성 소화 촉진 효과 Effect of accelerating anaerobic digestion of food wastes of glycerin-containing biodiesel wastewater 실험예Experimental Example 1 One

본 실험은 바이오디젤 생산과정에서 발생되는 글리세린이 함유된 폐수가 혐기성 소화 촉진제로써 사용 가능한지에 대한 사전 평가 및 음식물류 폐기물(울산 용연 하수처리장의 SBK에 의해 운전되는 혐기성 소화조 유입 음식물류 폐기물임)과 글리세린이 함유된 폐수의 최적 혼합비 도출을 목적으로 BMP(Biochemical Methane Potential) 테스트가 수행하였다.This experiment was carried out to investigate whether the wastewater containing glycerin produced in the biodiesel production process can be used as an anaerobic digestion accelerator, and to evaluate the efficacy of glycerin in food wastes (SBK-operated anaerobic digestion tank-operated food waste run by Ulsan Yeongyun sewage treatment plant) BMP (Biochemical Methane Potential) test was conducted for the purpose of deriving the optimum mixing ratio of the wastewater contained.

글리세린 함유 바이오디젤 폐수는 SK케미칼로부터 공급받아 사용하였고 글리세린 함량(중량%)을 높이기 위하여 가열·농축하여 글리세린 함량을 5%로 조정하였고 농축 폐수의 구체적 화학 조성은 아래 [표 1]과 같다.Glycerin-containing biodiesel wastewater was supplied from SK Chemicals and heated and concentrated to adjust the glycerin content to 5% in order to increase the glycerin content (wt%). The specific chemical composition of the concentrated wastewater is shown in Table 1 below.

Figure pat00003
Figure pat00003

BMP 테스트는 온도를 일정하게 유지가능하고 교반이 가능한 [도 1]의 배양조(Hanbaek CO., Ltd, HB-201S)를 이용하여 2단계로 구분되어 수행되었다. 1 단계에서는 음식물류 폐기물에 글리세린이 함유된 폐수가 혼합되는 비율을 최대 85%까지 넓게 설정하여 테스트가 수행되었고, 2 단계에서는 1 단계에서의 결과를 기반으로 하여 글리세린이 함유된 폐수가 혼합되는 비율을 20% 이하로 설정하여 테스트가 수행되었다.The BMP test was carried out in two stages using a culture vessel (Hanbaek CO., Ltd., HB-201S) of FIG. 1 capable of keeping the temperature constant and capable of stirring. In the first stage, the mixing ratio of glycerin-containing wastewater to food wastes was set to a maximum of 85%. In the second stage, the ratio of the wastewater containing glycerin was mixed based on the results in the first stage The test was performed with less than 20%.

① 1 단계 BMP 테스트 방법① Step 1 BMP test method

1 단계 BMP 테스트는 아래 [표 2]에서 제시된 바와 같이, 음식물류 폐기물에 글리세린이 함유된 폐수의 혼합비를 달리한 총 6 세트의 평가 케이스를 구성하여 수행되었다. 1 단계 BMP 테스트를 수행을 위한 용기로는 100 mL bottle이 사용되었다. 성공적인 BMP 테스트를 위해서는 주입된 식종 슬러지(혐기성 소화 미생물)에 대한 기질의 비율, 즉 S/I비가 1.0 이상이 되어야 하고 혐기성 소화 미생물의 활성화를 위한 충분한 미량원소 및 영양원의 공급이 이루어져야 한다(Moody et al, 2009, 44th Croatian & 4th International Syposium on Agriculture, 930~934 ). 이에 본 실험에서는 S/I비가 1.0 이상이 될 수 있게 100 mL의 bottle에 식종 슬러지 40 mL와 [표 2]에서 제시된 바와 같이 음식물류 폐기물과 글리세린 함유된 폐수의 혼합비를 달리한 폐수 20mL를 주입하여 총 60mL가 되게 하였고 bottle 내 S/I 비는 1.82 ~ 2.31의 범위로 유지하였다.The first stage BMP test was carried out by constructing a total of six sets of evaluation cases with different mixing ratios of glycerine-containing wastewater to food waste, as shown in Table 2 below. A 100 mL bottle was used as a container for carrying out the first stage BMP test. For a successful BMP test, the ratio of substrate to injected sludge (anaerobic digestion microorganism) should be at least 1.0, and the supply of sufficient trace elements and nutrients for the activation of anaerobic digestive microorganisms should be achieved (Moody et al, 2009, 44 th Croatian & 4 th International Syposium on Agriculture, 930-934). In this experiment, 20 mL of wastewater containing different amounts of food waste and glycerin-containing wastewater as shown in [Table 2] was injected into a 100 mL bottle in order to have an S / I ratio of 1.0 or more, And the S / I ratio in the bottle was maintained in the range of 1.82 to 2.31.

Figure pat00004
Figure pat00004

본 실험에서는 혐기성 소화 미생물의 활성화를 위해 [표 3]에서 제시된 바와 같이 미량원소 및 영양원의 공급이 이루어졌고 bottle 내 혐기 조건을 유지하기 위해 30분간 질소 주입이 이루어졌다. 이후 글리세린이 함유된 폐수의 혼합비율을 달리한 각각의 bottle을 완전히 밀봉 한 후 실험이 수행되었다. 그리고 배양조의 외부 온도는 39.5℃로 설정하여 배양조 내 내부 온도가 35℃로 유지될 수 있게 하였고, 슬러지와 주입된 폐수의 혼합을 위해 80RPM으로 일 1회 교반이 이루어졌다. 각 Case 별 발생되는 가스량은 50cc의 주사기를 사용하여 일 1회 측정이 이루어졌고 가스가 발생되지 않을 때까지 가스 발생량이 측정되었다.For the activation of anaerobic digestive microorganisms, microalgae and nutrients were supplied as shown in [Table 3] and nitrogen was injected for 30 minutes to maintain anaerobic conditions in the bottle. After each bottle with different mixing ratios of glycerin-containing wastewater was completely sealed, the experiment was performed. The external temperature of the incubation tank was set at 39.5 ℃ to maintain the internal temperature of the incubation tank at 35 ℃. The mixture was stirred at 80 RPM for one time to mix the sludge and the injected wastewater. The amount of gas generated in each case was measured once a day using a 50cc syringe and the amount of gas generated was measured until no gas was generated.

Figure pat00005
Figure pat00005

② 1 단계 BMP 테스트 결과② Results of 1st step BMP test

1 단계 BMP test 결과 가스가 발생되지 않을 때까지 약 90일 정도의 기간이 소요되었다. 이 기간 동안 매일 측정된 가스 발생량을 기반으로 음식물류 폐기물과 글리세린이 함유된 폐수의 혼합 비율을 달리한 각 Case별 누적 가스 발생량을 계산한 결과 [도 2]와 같이 나타났다.As a result of the first stage BMP test, it took about 90 days until no gas was generated. Based on the amount of gas produced each day during this period, the amount of cumulative gas generation for each case with different mixing ratios of food waste and glycerin-containing wastewater was calculated as shown in FIG.

각 Case 별 누적된 가스 발생량 즉 총 가스 발생량과 각 Case 별 유입된 COD량을 기준으로 누적 가스 발생률(유입되는 COD량 대비 총 가스 발생량)을 계산하였을 때 아래의 [표 4]와 같이 나타났다. Table 4 shows the cumulative gas generation rate (total gas generation amount relative to the amount of incoming COD) based on the cumulative gas generation amount in each case, ie, the total gas generation amount and the amount of COD introduced into each case.

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 [표 4]를 통해 알 수 있듯이, 음식물류 폐기물의 주입 없이 글리세린 함유된 폐수만 공급하였을 때(Case 2)는 가스 발생률은 0.1700 L gas/g COD add으로 가장 낮게 나타났고, 음식물류 폐기물과 글리세린이 함유된 폐수의 혼합액 내 글리세린이 함유된 폐수의 비율이 15%일 때(Case 3) 가스 발생률은 1.1972 L gas/g COD add로 음식물류 폐기물만 단독으로 공급하는 것(Case 1)에 비해 가스 발생률이 높다는 것이 확인되었다. 하지만 글리세린이 함유된 폐수의 혼합 비율이 30% 이상이 되었을 때(Case 4 내지 6)에는 음식물류 폐기물만 단독으로 공급하는 것에 비해 가스 발생률은 오히려 감소한다는 것이 확인되었다. As shown in [Table 4], when the wastewater containing only glycerin was fed without food waste, the gas generation rate was lowest at 0.1700 L gas / g COD add, and the food waste and glycerin The rate of gas generation was 1.1972 L gas / g COD add when the ratio of wastewater containing glycerin in the mixed wastewater was 15% (Case 3). Compared with the case where only food waste was supplied alone (Case 1) High. However, when the mixing ratio of the wastewater containing glycerin was more than 30% (Case 4 to 6), it was confirmed that the gas generation rate was reduced rather than the food waste alone.

이와 같은 결과는 글리세린을 함유한 폐수를 단독으로 혐기성 소화를 시키는 것보다는 음식물류 폐기물과 같은 유기성 폐기물과 함께 병합처리하는 것이 바이오가스 발생이라는 측면에서 이점이 있다는 것을 보여주는 결과라고 할 수 있다. 그리고 글리세린이 함유된 폐수의 혼합비율이 15%일 때는 바이오가스 발생률이 증가하지만 30% 이상일 때 바이오가스 발생률이 감소한다는 것은 글리세린이 함유된 폐수에 의해 혐기성 소화 촉진 효과가 있기는 하지만, 혐기성 소화 촉진이라는 측면에서 글리세린을 함유한 폐수를 혼합 가능한 한계 비율이 존재한다는 것을 알 수 있었다. 이에 본 실험에서는 글리세린을 함유한 폐수의 혼합 비율 범위를 30% 미만으로 한 2 단계 BMP 테스트를 수행하여 혐기성 소화 촉진 효과를 기대할 수 있는 최소 혼합비율과 최대 혼합 비율을 도출하고자 하였다.These results show that the combined treatment of organic wastes such as food wastes with glycerin-containing wastewater is advantageous in terms of biogas generation rather than anaerobic digestion alone. When the mixing ratio of the wastewater containing glycerin is 15%, the biogas production rate increases but when the biogas production rate is 30% or more, the biogas production rate decreases because the wastewater containing glycerin promotes anaerobic digestion, It can be seen that there is a limit ratio at which the wastewater containing glycerin can be mixed. In this experiment, we tried to derive the minimum mixing ratio and the maximum mixing ratio which can expect the anaerobic digestion promoting effect by carrying out the 2 step BMP test with the mixing ratio range of glycerin containing wastewater less than 30%.

③ 2 단계 테스트 방법③ Two-step test method

2 단계 BMP 테스트는 아래 [표 5]에서 제시된 바와 같이 1 단계 BMP 테스트와 유사하게 기존에 음식물류 폐기물에 글리세린이 함유된 폐수의 혼합비를 달리한 총 6 세트의 평가 케이스를 구성하여 수행되었다. 2 단계 BMP 테스트 또한 100 mL bottle에 S/I비가 1.0 이상이 될 수 있게 혐기성 소화조의 식종 슬러지(혐기성 소화 미생물) 40mL와 [표 5]에서 제시된 바와 같이, 음식물류 폐기물과 글리세린 함유된 폐수의 혼합비를 달리한 폐수 20mL를 주입하였고, bottle 내 S/I비는 2.26 ~ 2.53의 범위로 유지되었다. [표 5]를 통해 알 수 있듯이, 2 단계 BMP 테스트에서는 음식물류 폐기물에 글리세린을 함유한 폐수의 혼합비율을 20% 이하가 되게 글리세린을 함유한 폐수를 주입하였다. 1 단계 BMP 테스트에서는 주입된 슬러지의 경우 음식물류 폐기물에만 순응된 식종 슬러지를 사용한 반면에, 2 단계 BMP 테스트에서는 글리세린에 순응되지 않은 혐기성 소화 미생물의 사용에 의해 기인될 수 있는 오차를 방지하기 위해, 별도의 배양조를 제작하고 음식물류 폐기물에 글리세린이 함유된 폐수를 15% 이상 공급하여 글리세린에도 순응시킨 슬러지를 식종 슬러지로 사용하였다. 미량원소 및 영양원 주입량, BMP 테스트를 위한 배양조의 운전 조건 및 가스 포집 방법 등은 일단계 BMP 테스트와 동일하게 하여 2 단계 BMP 테스트가 수행 되었다.The two-step BMP test was carried out by constructing a total of six sets of evaluation cases, with different mixing ratios of glycerin-containing wastewater to the food waste, similar to the first stage BMP test, as shown in Table 5 below. The 2-step BMP test also requires that 40 mL of the anaerobic digestion sludge (anaerobic digestion microorganism) of the anaerobic digestion tank and the mixing ratio of food waste and glycerin-containing wastewater, as shown in Table 5, 20 mL of different wastewater was injected and the S / I ratio in the bottle was maintained in the range of 2.26 to 2.53. As shown in [Table 5], in the 2-step BMP test, wastewater containing glycerin was injected so that the mixing ratio of the wastewater containing glycerin to the food waste was 20% or less. In the first stage BMP test, the injected sludge used vegetable sludge only adapted to food wastes, whereas in the second stage BMP test, to avoid errors caused by the use of anaerobic digestive microorganisms not compliant with glycerin, And the wastewater containing glycerin was supplied to the food wastes with more than 15% of the wastewater, and the sludge adapted to glycerin was used as the sludge. 2-step BMP test was performed in the same manner as the one-step BMP test, such as the injection amount of trace element and nutrient source, the operation condition of the culture tank for BMP test, and the gas collection method.

Figure pat00007
Figure pat00007

④ 2 단계 테스트 결과④ 2 stage test result

음식물류 페기물에 대한 글리세린 혼합 비율을 0 ~ 20% 범위로 해서 수행된 2 단계 BMP test 결과, 가스가 발생되지 않을 때까지 약 70일 정도의 기간이 소요되었다. 이 기간 동안 매일 측정된 가스 발생량을 기반으로 음식물류 폐기물과 글리세린이 함유된 폐수의 혼합 비율을 달리한 각 Case별 누적 가스 발생량을 계산한 결과 [도 3]과 같이 나타났다.As a result of the 2-step BMP test with the glycerin mixture ratio of 0-20% for the food waste, it took about 70 days until the gas was not generated. The cumulative gas production of each case with different mixing ratios of food wastes and glycerin-containing wastewater was calculated based on the gas production amount measured during this period [FIG. 3].

각 Case 별 누적된 가스 발생량 즉 총 가스 발생량과 각 Case 별 유입된 COD량을 기준으로 누적 가스 발생률(유입되는 COD량 대비 총 가스 발생량)을 계산하였을 때 아래의 [표 6]과 같이 나타났다. Table 6 shows the cumulative gas generation rate (total gas generation amount relative to the amount of COD introduced) based on the cumulative gas generation amount for each case, ie, the total gas generation amount and the amount of COD introduced into each case.

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 [표 6]을 통해 알 수 있듯이, 1 단계 BMP 테스트와 마찬가지로 음식물류 폐기물의 주입 없이 글리세린 함유된 폐수만 공급하였을 때(Case 2)는 가스 발생률은 0.1803 L gas/g CODadd으로 가장 낮게 나타났고, 음식물류 폐기물과 글리세린이 함유된 폐수의 혼합액 내 글리세린이 함유된 폐수의 비율이 20%일 때(Case 6) 가스 발생률은 0.6566 L gas/g CODadd로 가장 높게 나타났고, 5%일 때(Case 3), 10%일 때(Case 4), 15%일 때(Case 5) 각각 0.6027, 0.6248, 0.6301L gas/g CODadd로 나타나, 음식물류 폐기물만 단독으로 공급하는 것(Case 1)에 비해 글리세린 함유된 폐수가 혼합 공급될 때 가스 발생률이 높다는 것이 확인되었다. As shown in [Table 6], as in the case of the first step BMP test, the gas generation rate was lowest at 0.1803 L gas / g COD add when only glycerin-containing wastewater was supplied without feeding food waste (Case 2) , The rate of gas generation was 0.6566 L gas / g COD add when the ratio of wastewater containing glycerin was 20% (Case 6) in the mixture of food wastes and glycerin-containing wastewater, and 5% 3), 10% (Case 4), and 15% (Case 5), respectively, as 0.6027, 0.6248 and 0.6301L gas / g COD add , respectively, compared to the case where only food waste was supplied alone (Case 1) It was confirmed that the gas generation rate was high when the wastewater containing the water was mixed and supplied.

이와 같은 결과를 통해 글리세린이 함유된 폐수를 최소 5%만 혼합 공급하여도 바이오가스 발생률이라는 측면에서 이점이 있어 혐기성 소화 촉진 효과를 기대할 수 있다는 것이 확인되었다. These results show that even if at least 5% of the wastewater containing glycerin is mixed, it is advantageous in terms of the biogas production rate, and thus the anaerobic digestion promoting effect can be expected.

상기 1 단계 BMP 테스트 결과와 함께 고려하여 평가하였을 때 글리세린이 함유된 폐수에 의한 혐기성 소화 촉진은 글리세린이 함유된 폐수를 20 ~ 30% 범위에서 공급한다면 최대로 일어날 수 있고 바이오가스 생산률은 최소 1.12배 이상 증가시킬 수 있다는 결론을 도출할 수 있었다.Given the results of the first stage BMP test, it was found that accelerating anaerobic digestion by wastewater containing glycerin could be maximized if glycerin-containing wastewater was supplied in the range of 20-30% and biogas production rate was at least 1.12 It can be concluded that it can be increased more than twice.

<< 실시예Example 2>  2> 글리세린 함유 바이오디젤 폐수의 음식물 폐기물의 혐기성 소화 촉진 효과 Effect of accelerating anaerobic digestion of food wastes of glycerin-containing biodiesel wastewater 실험예Experimental Example 2 2

본 실험은 상기 <실시예 1>의 예비실험을 기초로, 대량 음식물류 폐기물 처리를 위한 혐기성 소화조(15.4L 용량의 혐기성 소화조를 사용하였음, 처리량은 180톤/일)에서 글리세린 함유 바이오디젤 폐수가 음식물류 폐기물의 혐기성 소화 촉진 효과를 갖는가를 알아보기 위하여 수행되었다. In this experiment, based on the preliminary experiment of Example 1, an anaerobic digestion tank (a 15.4 L anaerobic digestion tank was used and the throughput was 180 tons / day) for treating large quantities of food waste, and glycerin- And to enhance the anaerobic digestion of wastes.

상기 [표 1]의 화학적 조성물을 가진 글리세린 함유 바이오디젤 폐수 15% 및 20%로 하여 아래의 [표 7]과 같이 혐기성 소화조에 음식물 폐기물과 혼합하여 공급하고 단일 혐기성 소화조의 처리 성능 및 바이오 가스 생산량의 변화 등을 평가하였다. 혐기성 소화 시 촉진 효과를 검증하기 위해 적용된 평균 유입수 농도 및 구체적인 운전 조건은 아래의 [표 7]과 같다.As shown in [Table 7], the anaerobic digestion tank was mixed with food wastes at a concentration of 15% and 20% of glycerin-containing biodiesel wastewater having the chemical composition of the above Table 1, and the treatment performance of the single anaerobic digestion tank and biogas production Were evaluated. The average influent concentration and specific operating conditions applied to verify the promoting effect of anaerobic digestion are shown in Table 7 below.

Figure pat00009
Figure pat00009

상기 HRT는 체류 시간임.The HRT is the residence time.

[도 4]는 [표 7]에서 제시된 유입수 농도와 운전 조건으로 단일 혐기성 소화조를 운영 하였을 때 메탄 발생률(COD 제거당 메탄 발생량) 변화를 관찰한 결과이고, 이때 단일 혐기성 소화조의 메탄 발생률(COD 1g을 제거시 발생된 메탄 발생량)은 아래 [표 8]과 같이 요약될 수 있다.[Figure 4] shows the results of observing the methane production rate (methane emission amount per COD removal) when the single anaerobic digester was operated under the influent concentration and operating conditions shown in Table 7. At this time, the methane production rate (COD 1 g Can be summarized as [Table 8].

Figure pat00010
Figure pat00010

바이오디젤 생산 과정에서 발생되는 글리세린이 함유된 폐수의 혐기성 소화 촉진 효과를 평가하기 위해 실험을 수행한 결과, 글리세린이 함유된 폐수를 추가 공급하였을 때 메탄 발생률이 글리세린이 함유된 폐수를 주입됨에 따라 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 메탄 발생률은 글리세린 함유 폐수를 음식물류 폐기물 공급량 대비 15% 공급하였을 때 0.4% 정도 증가하는 반면 20% 공급하였을 때는 10% 이상 증가하는 것이 확인되었다.
Experiments were conducted to evaluate the anaerobic digestion of wastewater containing glycerin produced during the production of biodiesel. As a result of the experiment, it was found that methane incidence was increased when glycerin - containing wastewater was added, . The methane production rate was found to increase by 0.4% when the glycerine - containing wastewater was supplied at 15% of the food waste supply, while it increased by more than 10% at the 20% supply.

Claims (5)

(a) 유기성 폐기물에 글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 30%(v/v) 이하로 첨가·혼합하는 단계, 및 (b) 그 혼합물을 혐기적으로 소화시키는 단계를
포함하는 글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 재활용한 유기성 폐기물의 혐기적 처리 방법.
(a) adding and mixing glycerin-containing biodiesel wastewater to organic wastes at 30% (v / v) or less, and (b) anaerobically digesting the mixture
A method for anaerobic treatment of organic wastes with recycled glycerin-containing biodiesel wastewater.
제1항에 있어서,
상기 글리세린 함유 바이오디젤 폐수는 글리세린의 농도가 5% 이상인 것을 특징으로 하는 글리세린 함유 바이오디젤 폐수를 재활용한 유기성 폐기물의 혐기적 처리 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the glycerin-containing biodiesel wastewater has a glycerin concentration of 5% or more. 2. The method of claim 1, wherein the glycerin-containing biodiesel wastewater has a glycerin concentration of 5% or more.
제1항에 있어서,
상기 글리세린 함유 바이오디젤 폐수는 유기성 폐기물에 5 내지 20%(v/v)로 첨가·혼합되는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 폐수를 재활용한 유기성 폐기물의 혐기적 처리 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the glycerin-containing biodiesel wastewater is added and mixed with organic wastes in an amount of 5 to 20% (v / v).
제1항에 있어서,
상기 유기성 폐기물은 음식물 폐기물인 것을 특징으로 하는 바이오디젤 폐수를 재활용한 유기성 폐기물의 혐기적 처리 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the organic waste is food wastes. 2. The method of claim 1, wherein the organic wastes are food wastes.
제1항에 있어서,
상기 혼합물 내 유기물에 대한 질소비(C/N비)는 60 이하, 상기 혼합물 내 유기물에 대한 인(C/P)비는 300 이하가 되도록 상기 혼합물에 영양염을 첨가하고,
상기 혐기성 소화는 35~40℃의 온도 범위, pH는 7.0 이상에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오디젤 폐수를 재활용한 유기성 폐기물의 혐기적 처리 방법.





The method according to claim 1,
Wherein a nutrient is added to the mixture so that the quality ratio (C / N ratio) to the organic matter in the mixture is 60 or less and the phosphorus (C / P) ratio to the organic matter in the mixture is 300 or less,
Wherein the anaerobic digestion is carried out at a temperature in the range of 35 to 40 DEG C and a pH of 7.0 or more.





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