[논문자료]미생물반응기를 이용한 바이오가스에서의 고농도 황화수소 제거와 수치모델

출처: 픽사베이

 

미생물반응기를 이용한 바이오가스에서의 고농도 황화수소 제거와 수치모델

 

최근 유기성폐기물의 혐기성 발효로 생성되는 바이오가스가 유용한 대체에너지로 부각되고 있으나, 바이오가스에 포함된 고농도 황화수소와 같은 불순물이 바이오가스 사용상의 문제점으로 대두된다. 고농도 황화수소 제거를 위한 생물학적 처리방법은 일반적인 물리화학적 처리방법에 비해 유지관리가 쉽고 비용이 저렴한 장점이 있다. 하지만 호기성 미생물을 이용한 생물학적 황화수소 처리는 황산염 이온의 농축에 따라 액상 pH가 낮아지며, 바이오가스의 메탄함량 유지를 위해 산소 공급이 제한되는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 고농도 황화수소 제거를 위한 생물학적 호기산화방법이 갖는 한계를 극복하고자 낮은 pH에서 높은 활성을 갖는 황산화균을 적용하고, 황산화균의 산소와 황화수소 농도에 따른 성장모델을 제시하였다. 또한 흡수컬럼과 산화컬럼으로 이루어진 이단 미생물반응기를 적용하여 액상순환율, 가스 유입유량, 유입 황화수소 농도변화에 따른 황화수소 제거효율을 확인하고, 수치모델 결과와 실험결과를 비교 분석하여 공학적 모델인자를 도출하였다.

먼저 단일 미생물반응기에서 황산화균의 특성 평가를 통해 사용된 황산화균의 적합성 여부를 확인하였다. 사용된 황산화균은 pH 2 이하에서 높은 황화수소 제거효율을 보였으며, 20 g-S/L의 고농도 황산염에서도 높은 황화수소 제거능을 유지하였다. 또한 황산화균은 2 mg/L 이상의 용존산소 농도가 유지되면 높은 황화수소 제거효율 나타내었다. 황화수소와 산소에 의한 황산화균의 생산계수는 각각 0.093, 0.73 mg-DCW/mg으로 측정되었다.

이단 미생물반응기에서의 고농도 황화수소 제거 실험을 통해 생물학적 황화수소 제거의 적용성을 평가하였다. 이단 미생물반응기에는 19일간 500 ppmv의 황화수소가 연속 유입되었으며, 1.5 이하의 매우 낮은 pH에서도 98% 이상의 황화수소 제거효율과 꾸준한 미생물성장을 보였다. 흡수컬럼에서의 용존산소 농도는 0.5 mg/L 이하로 측정되었으며, 유출부에서의 산소농도는 검출되지 않았다. 따라서 이단미생물반응기는 바이오가스의 메탄 분율은 유지를 하면서 고농도 황화수소도 제거할 수 있음을 확인하였다. 또한 이단미생물반응기의 액상순환율, 산화컬럼 가스유량 변화에 따른 황화수소 제거효율을 측정하고, 흡수컬럼에서의 유입부하에 따른 제거능을 확인하였다. 그 결과, 액상순환유량은 0.1 L/min (액상순환율 4 회/hr), 산화컬럼의 액상 용존산소를 2 mg/L이상으로 유지하였을 경우 효과적인 황화수소 제거가 가능하였으며, 황화수소의 최대제거능은 약 534 g-S/m3/hr로 기존연구에서 보다 높게 측정되었다.

이단 미생물반응기의 실험결과를 수치모델 예측과 해석을 통해 검증하고자 하였다. 먼저 이단 미생물반응기에서 황화수소와 산소의 기-액 물질전달 실험을 통해 물질전달율 경험식을 도출하였으며. 기존 경험식과 다르게 액상에서의 기체 상승속도에 의한 영향을 고려할 수 있는 Bodenstein 무차원 변수를 추가하였다. 또한 본 연구에서는 황화수소와 산소에 대한 미생물 성장동역학 모델로써 수정된 Monod-Gompertz 식을 제안하였으며, 모델의 황화수소 및 산소의 반포화상수는 각각 0.15, 1.10 mg/L이었다. 최종적으로, 제시된 물질전달율과 미생물 성장동역학 모델을 적용하여 이단 미생물반응기에 대한 수치모델(two-phase dual-substrate model, TPDSM)을 제안하였다. 본 수치모델은 이단미생물반응기에서의 실험 결과와 매우 일치하였다. 또한 기-액 유량비에 따른 분해 효율을 계산한 결과, 기-액 유량비 1∼3.5의 조건에서 최적 황화수소 제거율을 보였다. 따라서 이단 미생물반응기를 적용하여 바이오가스에 포함된 황화수소의 효과적인 제거를 위해서는, 기상체류시간의 증가 및 유입 기체방울 크기의 세밀화 등을 통해 황화수소 흡수율을 높이고, 기-액 유량비를 적절하게 유지하는 것이 바람직하다.

본 연구에서는 미생물반응기의 효율적인 운전과 모델예측을 위해 반응기에서의 물질전달 경험식, 황산화균의 성장동역학 모델을 제시하였으며, 이단 미생물반응기에서의 수치모델을 제안하였다. 실험결과와 모델예측을 통해 얻어진 여러 실험값과 모델인자들은 이단 미생물반응기를 이용한 기체상 오염물질의 생물학적 처리 결과 예측의 정확도를 높여주고, 이를 기반으로 오염물질의 효과적인 처리를 가능하게 해줄 것으로 기대한다.

 

Recently, biogas generated by anaerobic fermentation of organic waste has been highlighted as a useful alternative energy, but impurities such as high concentration hydrogen sulfide included in biogas are emerging as problems in biogas use.

It compares to the general physicochemical processing method and the maintenance easies and the biological processing method for the high concentration hydrogen sulfide removal has the advantage that the cost is cheap.

However, the biological hydrogen sulfide treatment using aerobic microorganisms has a disadvantage that the liquid pH is lowered according to the concentration of sulfate ions and oxygen supply is limited to maintain the methane content of biogas.

In this study, to overcome the limitations of biological aerobic oxidation methods for the removal of high concentration hydrogen sulfide, sulfur oxidizing bacteria with high activity at low pH were applied and a growth model was presented according to oxygen and hydrogen sulfide concentration of sulfur oxidizing bacteria.

In addition, the efficiency of hydrogen sulfide removal was confirmed by the change of liquid circulation rate, gas inflow flow rate, and inflow hydrogen sulfide concentration by applying a bipolar microbial reactor consisting of absorption column and oxidation column.

First, the suitability of the used sulfide bacteria was confirmed by evaluating the characteristics of sulfide bacteria in a single microbial reactor.

The used sulfide bacteria showed high hydrogen sulfide removal efficiency at pH 2 or less, and maintained high hydrogen sulfide removal ability at high concentration sulphate of 20 g-S/L.

In addition, the sulfuric acid bacteria showed high hydrogen sulfide removal efficiency when the dissolved oxygen concentration of 2 mg/L or more was maintained.

The production coefficients of hydrogen sulfide and oxygen-induced sulfide bacteria were 0.093 and 0.73 mg-DCW/mg, respectively.

The application of biological hydrogen sulfide removal was evaluated through high concentration hydrogen sulfide removal experiment in a bipolar microbial reactor.

The two-stage microbial reactor showed a continuous influx of 500 ppmv of hydrogen sulfide for 19 days, and showed a steady growth of more than 98% of hydrogen sulfide removal efficiency and a very low pH of 1.5 or less.

The dissolved oxygen concentration in the absorption column was measured below 0.5 mg/L, and the oxygen concentration in the outlet was not detected.

Therefore, the heterobiological reactor can remove high concentration of hydrogen sulfide while maintaining the methane fraction of biogas.

In addition, the liquid circulation rate of the heterobiological reactor and the hydrogen sulfide removal efficiency according to the change of the oxidation column gas flow rate were measured and the removal ability according to the inflow load in the absorption column was confirmed.

As a result, the liquid circulation flow rate was 0.1 L/min (liquid circulation rate 4/hr), and the liquid dissolved oxygen of the column oxide was maintained at more than 2 mg/L, and the maximum removal capacity of hydrogen sulfide was measured at about 534 g-S/m3/hr, which was higher than that of previous studies. ...

First, the experimental formula of the mass transfer rate was derived through the experiment of gas-liquid transfer of hydrogen sulfide and oxygen in the heresy microbial reactor.

Unlike the conventional equation, Bodenstein dimensionless variable was added to consider the effect of gas rising speed in liquid phase.

In this study, we proposed a modified Monod-Gompertz equation as a microbial growth dynamic model for hydrogen sulfide and oxygen, and the semisaturated fractions of hydrogen sulfide and oxygen in the model were 0.15 and 1.10 mg/L, respectively.

Finally, we propose a two-phase dual-substrate model (TPDSM) for a dual-phase microbial reactor by applying the proposed mass transfer rate and microbial growth dynamics model.

The numerical model was very consistent with the experimental results of the two-stage microbial reactor.

In addition, the decomposition efficiency according to the ratio of the gas-liquid flow rate was calculated, and the optimum hydrogen sulfide removal rate was shown under the condition of the ratio of the gas-liquid flow rate of 1~3.5.

Therefore, in order to effectively remove hydrogen sulfide contained in biogas by applying a heresy microbial reactor, it is desirable to increase the absorption rate of hydrogen sulfide and maintain the ratio of the gas-liquid flow rate appropriately through the increase of the gas phase stay time and the fineness of the size of the inlet gas droplet.

In this study, we proposed a model of growth dynamics of bacterial sulphide and mass transfer experience in reactors for efficient operation and model prediction of microbial reactors.

The experimental results and model factors obtained through the model prediction are expected to increase the accuracy of prediction of biological treatment results of gaseous pollutants using a heresy microbial reactor and to enable effective treatment of pollutants based on this.

 

출처: http://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=be54d9b8bc7cdb09&control_no=15ffae38c4964823ffe0bdc3ef48d419

 

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