열가수분해 처리된 우분의 혐기성 소화기작 이해와 성능 모사

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 건설환경공학부, 2023. 8. 김재영.가축분뇨는 국내 유기성 폐자원 중 80%(습윤중량 기준)를 차지하고 있다. 가축분뇨의 약 86%가 퇴비화로 처리되고 있지만, 퇴비의 수요는 지속적으로 감소할 것으로 전망된다. 혐기성 소화는 유기물을 처리함과 동시에 에너지를 생산할 수 있는 공정으로, 유기성 폐자원의 처리를 위한 방법으로 최근 수십 년간 주목받아 왔다. 혐기성 소화를 통해 가축분뇨를 에너지화 할 경우 그 잠재량은 약 1.7 million TOE/year로 보고되었지만, 가축분뇨의 낮은 혐기성 소화 효율로 인해 공정 운영에 한계가 있다. 본 연구에서는 혐기성 소화 효율 향상을 위한 목적으로 우분 시료를 대상으로 열가수분해 전처리를 적용하고, 혐기성 소화에 대한 영향을 분석하였다. 우분 시료를 대상으로 다양한 온도와 NaOH 주입조건에 대하여 열가수분해 전처리를 수행하고 생화학적 메탄 잠재량을 측정하였다. 또한, 전처리과정 중 발생할 수 있는 난분해성 및 독성 물질(예를 들어, melanoidin과 furfural)의 생성을 확인하고, 공정의 에너지 수지를 계산하였다. 그 결과, 우분의 열가수분해 과정 중 NaOH 농도의 증가는 섬유질 내 리그닌 함량을 감소시켰으며 우분의 가용화율을 증가시켰다. 우분을 2% NaOH, 160도 조건에서 처리한 경우 메탄잠재량이 227.0 ± 11.0 mL-CH4/g-VS로 가장 높았으며, 전처리하지 않은 우분의 메탄잠재량 (182.2 ± 2.5 mL-CH4/g-VS) 대비 약 25% 높았다. 180도 이상의 고온 처리조건에서 난분해성 물질과 furfural의 급격한 증가를 확인하였으며, NaOH 주입량이 증가함에 따라 난분해성 물질의 생성이 촉진되었다. THP 적용에 따른 추가 에너지 생산량은 실험 조건 중 6% NaOH, 180도 조건에서 278.2 ± 43.9 MJ/tonne-CM으로 가장 높았다. 난분해성 물질의 생성을 줄이기 위해 NaOH 주입을 제한할 경우 추가 에너지 생산량은 160도 처리 조건에서 161.4 ± 39.3 MJ/tonne-CM으로 가장 높았다. 실험실 규모의 연속식 완전혼합반응조를 중온의 혐기성 조건에서 고형물체류시간을 점차 단축시키며 약 400일 동안 운전함으로써 열가수분해 전처리 적용에 따른 우분 혐기성 소화조의 고형물체류시간 단축 가능성을 평가하였다. 열가수분해 전처리는 NaOH 주입 없이 160 ℃, 6.1 atm 조건에서 30분간 수행하였으며, 소화조의 고형물체류시간은 36.0일을 시작으로 21.8, 13.2, 8.0일로 점차 단축시켰다. 실험 결과, 열가수분해 전처리를 적용함에 따라 동일한 고형물체류시간을 갖는 대조군 대비 1.4배 이상의 메탄 수율과 휘발성 고형물 제거 성능을 나타내었다. 열가수분해 전처리가 적용된 소화조의 경우 13.2일의 고형물체류시간 조건으로 운전하더라도 36일 조건에서 운전한 대조군 소화조보다 높은 성능을 나타내었다. 하지만, 열가수분해 전처리가 적용된 소화조의 고형물체류시간을 36.0일에서 13.2일로 단축함에 따라 저해 가능성이 있는 휘발성유기산의 농도가 165 mg/L에서 613 mg/L로 상승하였으며, 소화조 미생물 군집이 소화조 성능에 비효율적인 방향으로 변화하였다. 이를 통해 소화조 안정성이 감소할 수 있음을 확인하였다. 본 실험에서는 13.2일 조건에서 세 주기 만큼의 고형물체류시간 동안 안정적인 반응을 확인하였다. 장기 운전에 대한 안정성 확인이 필요하다. 마지막으로, 소화조의 거동 예측 모형인 Anaerobic Digestion Model No.1(ADM1) 모형이 소화조의 고형물체류시간 변화에 따른 미생물의 생물화학적 상수 변화를 예측하여 반영할 수 있도록 개선하였다. 고형물체류시간과 생물화학적 상수 간의 관계를 선형회귀분석한 후 모형에 도입하여 미생물의 생물화학적 상수를 고형물체류시간에 대한 함수로 변경하여 Dynamic ADM1 모형을 구축하였다. 우분 혐기성 소화조의 운전 데이터로 교정한 모델을 이용하여 다른 조건에서 운전된 별도의 소화조 메탄 발생량을 모사하고, 결과를 비교하여 모형의 유효성(validation)을 확인하였다. 기존 ADM1 모형과 새로 개발한 Dynamic ADM1의 비교를 통해 모형의 정확도가 향상되었음을 확인하였다. 열가수분해가 결합된 우분 혐기성 소화조에 대하 동일한 과정을 수행하여 모형의 유효성을 확인하였고, 모사 실험을 통해 열가수분해 전처리에 의한 혐기성 소화조의 영향을 해석하였다. ADM1 모형 개선을 통해 변화하는 고형물체류시간에 대한 예측 정확도가 향상되었으며, 이는 소화조 운전 조건 최적화, 설계 개선, 운영비용 절감에 활용될 수 있다.Livestock manure accounts for 80% (wet weight) of the organic waste generated in Korea. While approximately 86% of this waste is treated through composting, it is expected that the demand for compost will decrease in the future. Anaerobic digestion (AD) is a process that can treat organic waste and produce energy simultaneously and has received considerable attention as a method for treating organic waste in recent decades. Although the energy potential of livestock manure through AD is reported to be approximately 1.7 million tons of oil equivalent per year in Korea, the low anaerobic digestion efficiency of livestock manure limits the process performance. This study aimed to investigate the effect of thermal hydrolysis pretreatment (THP) on the AD of cattle manure (CM). The THP was applied to the CM samples under various temperatures and NaOH addition conditions, and biochemical methane potential (BMP) was measured. The generation of recalcitrant and toxic substances (e.g., melanoidins and furfural) that could occur during the THP was determined, and the energy balance of the process was calculated. The results showed that increasing the NaOH concentration decreased the lignin content in the fiber and increased the solubilization of CM. The highest BMP has observed in CM treated at 160 ℃ with 2% NaOH addition, with a value of 227.0 ± 11.0 mL-CH4/g-Volatile solid(VS), which was 25% higher than that of intact CM samples (182.2 ± 2.5 mL-CH4/g-VS). The generation of recalcitrant substances and furfural was observed at temperatures above 180 ℃, and the production of recalcitrant substances was also promoted with increasing NaOH addition at temperatures below 180 ℃. Therefore, among the THP conditions without the generation of recalcitrant substances, the highest methane potential was observed in CM treated at 160 ℃ without NaOH addition. When applying THP to the AD of CM, it is predicted that an additional 161.4 ± 39.3 MJ/tonne-CM of energy can be produced. A lab-scale continuously stirred tank reactor was operated under mesophilic anaerobic conditions for approximately 400 d while gradually reducing the solid retention time (SRT). The THP was performed at 160 ℃ and 6.1 atm for 30 min without the addition of NaOH. The results indicated that the THP-applied AD (THP AD) exhibited more than 1.4 times higher methane yield and VS removal efficiency than the control AD with the same SRT. Even under the SRT of 13.2 d, the THP AD showed higher performance than the control AD with a 36.0 d of SRT. However, the concentration of volatile fatty acids (VFAs) that could cause inhibition increased from 165 mg/L to 613 mg/L in THP AD as SRT reduced from 36.0 d to 13.2 d, and microbial community shifted towards an inefficient direction for the reactor performance. Thus, the stability of AD could decrease. Regardless of the application of THP, a rapid decrease in methane production was observed after 8.0 d of SRT for both THP AD and control AD. The stable operation was confirmed during the three periods of SRT at 13.2 d in this study, but stability confirmation for long-term operation is required. ADM1 was enhanced to incorporate changes in biochemical parameters resulting from variations in SRT. Linear regression analysis was used to establish the relationship between the SRT and biochemical parameters, which were then incorporated as variables into the Dynamic ADM1. The model was calibrated using experimental data from an AD of CM and validated by simulating methane production of other reactors operated under different conditions and comparing the results. The accuracy of Dynamic ADM1 was improved by comparing it with the conventional ADM1. The same process was applied to an AD of thermally hydrolyzed CM, and the validity of the model was confirmed. According to model simulations, the application of THP resulted in a 1.5-fold increase in average methane production under SRT conditions ranging from 6.6 to 36.0 d. This was due to an increase in biodegradable substrate and maximum growth rate of microorganisms. Furthermore, THP shortened the SRT condition which demonstrated the highest concentration of microorganisms. The Dynamic ADM1 enables more precise prediction of reactor behavior in response to changes in SRT, offering benefits in determining operational conditions, enhancing design, and reducing operating costs.ABSTRACT i TABLE OF CONTENTS v LIST OF FIGURES ix LIST OF TABLES xiii Chapter 1. Introduction 1 1.1 Background 1 1.2 Objectives 4 1.3 Dissertation structure 5 References 7 Chapter 2. Literature Review 9 2.1 Occurrence and treatment of cattle manure 9 2.2 Anaerobic digestion of cattle manure 14 2.2.1 Principal of anaerobic digestion 14 2.2.2 Effect of solid retention time in anaerobic digestion 17 2.2.3 Characteristics of cattle manure 21 2.2.4 Pretreatment of cattle manure for anaerobic digestion 24 2.2.5 Thermal hydrolysis pretreatment of cattle manure 27 2.3 Modeling of anaerobic digestion 33 References 42 Chapter 3. Effects of thermal hydrolysis pretreatment on the formation of refractory compounds and energy balance 58 3.1 Introduction 58 3.2 Materials and Methods 63 3.2.1 Substrate and inoculum 63 3.2.2 Thermal hydrolysis pretreatment 65 3.2.3 Biochemical methane potential (BMP) test 67 3.2.4 Energy analysis 69 3.2.5 Analysis of melanoidins 72 3.2.6 Analytical methods 74 3.3 Results and discussion 75 3.3.1 Physicochemical properties of cattle manure 75 3.3.2 Biochemical methane potential of cattle manure 90 3.3.3 Energy balance analysis 94 3.4 Summary 100 References 101 Chapter 4. Performance and stability of continuous stirred-tank reactor under varied solid retention time 113 4.1 Introduction 113 4.2 Materials and methods 116 4.2.1 Substrate and inoculum 116 4.2.2 Reactor operation 118 4.2.3 Kinetic analysis 120 4.2.4 Analytical methods 122 4.3 Results and discussion 124 4.3.1 Reactor stability 124 4.3.2 Reactor performance 130 4.3.3 Microbial community 135 4.4 Summary 142 References 143 Chapter 5. Enhancement of ADM1 to incorporate changes in biochemical parameters resulting from variations in solid retention time 151 5.1 Introduction 151 5.2 Materials and methods 154 5.2.1 Model development 154 5.2.2 Sensitivity analysis 163 5.2.3 Parameter calibration and validation 165 5.2.4 Dynamic ADM1 168 5.2.5 Reactor operation 172 5.2.6 Analytical methods 173 5.3 Results and discussion 174 5.3.1 Sensitivity analysis 174 5.3.2 Parameter calibration 176 5.3.3 Development of Dynamic ADM1 187 5.3.4 Validation of Dynamic ADM1 190 5.3.5 Simulation of Dynamic ADM1 204 5.4 Summary 208 References 209 Chapter 6. Conclusion 214 국문 초록(ABSTRCT IN KOREAN) 217박

The Performance and Economic Evaluation for Fire and Seismic Resistant Steels

구조물에 발생한 화재는 구조부재의 내력을 저하시키고, 더 나아가 붕괴를 유발하게 된다. 최근의 국내 화재추이와 초대형화 및 초고층화가 되고있는 건축물 동향을 복합적으로 고려하면 앞으로 더욱 큰 규모의 피해를 유발할 것으로 판단된다. 이와 같은 배경과 더불어 지진, 강풍, 폭설 등의 재해에 대비한 구조물 안정성 확보를 위하여 H사는 355MPa급 내화ㆍ내진강재를 개발하였다. 내화ㆍ내진강재는 고온 시의 항복강도 유지성능과 저항복비를 양립시킨 고기능 강재이다. 이러한 개발강재는 인장시험을 통해 재료적인 성능을 만족한 수준이며, 구조부재로 사용되는 형강류에 대한 실물실험은 진행된 바가 없으므로 건축 주요부재로서의 적용 타당성의 확보와 상용화를 위한 내화성능 및 경제성 평가가 필요하다. 이 연구에서는 수치해석적 방법을 이용하여 내화ㆍ내진강의 내화성능을 부재 단위로 평가하였다. 내화성능을 평가하는 내화시험을 구현하기 위해 ABAQUS의 열응력해석 모델을 개발하고, 이를 기존연구의 검증을 통해 타당성을 확보하였다. 개발된 열응력해석 모델을 통해 내화ㆍ내진강 및 비교대상 강재인 일반 탄소강을 적용한 총 36개의 모델에 대하여 해석을 수행하였으며, 국내 내화시험규격(KS F 2257-1)의 하중지지력성능 조건으로 내화성능시간을 산정하였다. 또한, 내화성능시간 당시의 단면온도를 측정하여 한계온도를 산정하였으며, 이를 부재의 기능과 재료에 관계없이 일률적으로 적용되고 있는 기존의 한계온도(538℃)와 비교하였다. 열응력해석으로 산정된 내화성능시간 및 한계온도를 통해 내화ㆍ내진강의 내화성능을 정량적으로 평가하였다. 산정된 한계온도를 비재하가열시험의 내화성능 평가기준으로 설정하고, 피복재를 포함한 2차원 열전달해석을 수행하여 강종별 내화성능을 평가하였다. 그리고 동일한 목표 내화성능시간을 만족하는 최적 피복두께를 산정하였다.|Fire in the structure lowers the strength of the structural member and further causes collapse. Considering the recent trends in domestic fires and building trends that are becoming very large and very tall, it is expected to cause even greater damage in the future. With this background, H corporation developed fire and seismic resistant steels of 355MPa level to secure the structure stability against disaster such as earthquake, strong wind and heavy snow. Fire and seismic resistant steels are a high performance steel that combines the ability to maintain yield strength at high temperatures with low yield ratio. These developed steels have satisfied the material performance through tensile tests, and since the actual test has not been conducted for the shaped steels used as structural members, it is necessary to evaluate the fire resistance performance and economic feasibility to secure the feasibility of application as a major member and to commercialize them. In this study, the fire resistance performance of fire and seismic resistant steels was evaluated in member unit using the numerical method. ABAQUS’s thermal stress analysis model was developed to implement fire resistance test to evaluate fire resistance performance, and the validity of the numerical analysis was secured through the verification of the existing study. Through the developed thermal stress analysis model, a total of 36 models using fire and seismic resistant steels and general carbon steels, which are comparative steels, were analyzed, and the fire resistance performance time was calculated under the load bearing performance of the domestic fire resistance test standard (KS F 2257-1). In addition, the critical temperature was calculated by measuring the cross-sectional temperature at the time of fire resistance time and compared with the existing critical temperature(538℃) which is applied uniformly regardless of the function and material of the member. The fire resistance performance of the fire and seismic resistant steels was quantitatively evaluated through the fire resistance time and limit temperature calculated by thermal stress analysis. The calculated critical temperature was set as a criterion for evaluating the fire performance of the non-load heating test, and the fire performance of each steel type was evaluated by performing two-dimensional heat transfer analysis including fireproofing protection. And the optimum coating thickness which satisfy the same target fire resistance time.목 차 ⅰ List of Tables ⅳ List of Figures ⅵ Abstract ⅸ 초 록 xi 제1장 서 론 1.1 연구배경 및 목적 1 1.2 연구동향 6 1.3 연구내용 및 범위 9 제2장 한계온도법 2.1 Eurocode 3 11 2.2 국내 내화설계기준 16 2.3 고찰 20 제3장 수치해석 모델 개발 3.1 열해석 방법 21 3.2 열전달이론 24 3.2.1 정상상태 열전달방정식 24 3.2.2 비정상 과도상태 열전달방정식 26 3.2.3 대류 및 복사를 고려한 열전달방정식 27 3.2.4 Eurocode 3의 무피복 및 피복강재 표면 온도변화 공식 28 3.3 해석기법 30 3.4 강재의 기계적 및 열적 특성 35 3.4.1 일반 탄소강 35 3.4.1.1 기계적 특성 35 3.4.1.2 열적 특성 43 3.4.2 내화ㆍ내진강 46 3.4.2.1 기계적 특성 46 3.4.2.2 열적 특성 48 3.4.3 비선형 응력-변형률 관계 정의 49 3.5 수치해석 기법 검증 52 3.5.1 열전달해석 검증 52 3.5.2 보부재 열응력해석 검증 55 3.5.3 기둥부재 열응력해석 검증 57 3.5.4 검증결과 고찰 58 제4장 내화ㆍ내진형강의 내화성능평가 4.1 기둥부재 60 4.1.1 초기굽힘(initial bow imperfection) 60 4.1.2 초기굽힘을 고려한 좌굴하중 산정 61 4.1.3 해석조건 65 4.1.4 해석결과 66 4.2 보부재 77 4.2.1 해석조건 77 4.2.2 해석결과 79 4.3 내화ㆍ내진강재 및 일반탄소강의 한계온도 90 제5장 내화ㆍ내진형강의 경제성평가 5.1 내화ㆍ내진형강의 경제성평가 방법 91 5.2 내화피복재 94 5.2.1 내화 뿜칠피복재 관련 기존연구 94 5.2.2 내화 뿜칠피복재 선정 95 5.2.3 CAFCO 300 열적특성 조사 95 5.3 피복재를 포함한 2차원 열전달해석 98 5.3.1 동일 피복두께 적용시의 내화성능시간 평가 98 5.3.2 동일 목표 내화성능시간에 대한 피복두께 평가 101 5.4 철골 내화 피복뿜칠 공사비 산정 103 제6장 결 론 6.1 연구결론 107 6.2 향후연구 108 참고문헌 111Maste

The clinical effectiveness of simulation based airway management education using the Korean emergency airway registry

Introduction. Simulation training with an integrated simulator is appropriate for achieving educational goals in airway management. Thus, we designed this study to evaluate the effectiveness of a simulation based emergency airway management pro-gram (SBEAMP) in actual practice. Method. This is a retrospective sub-group analysis of the Korean Emergency Air-way Management Registry from 2006 to 2010. We categorized all hospitals into two groups. Six hospitals that actively attended SBEAMP were defined as the ‘participant group’, and the others as the ‘non-partici-pant group’. The types of medicines admin-istered, the use of pre-oxygenation, and the rate of first pass success were compared. Result. The ratio of patients with no medi-cine received during intubation showed a decrease in both groups but was more rapid in the participant group (p<0.001). The ratio of intubation with sedatives alone was high in the non-participant group (P<0.001). The ratio of intubation with paralytics alone was high in the non-participant group (p<0.001). In the partici-pant group, a combination of both agents was used more frequently (P<0.001). Cases of intubation with both agents and preoxy-genation were more prevalent in the par-ticipant group (P<0.001). Conclusion. We concluded in this study that SBEAMP had a positive influence on actual clinical outcomes in emergency air-way management.ope

Guidewire-Assisted Nasogastric Tube Insertion in Intubated Patients in an Emergency Center

Background: The purpose of this study is to identify the usefulness of guidewire-assisted nasogastric tube insertion in intubated patients with cervical spine immobilization or unstable vital signs in an emergency center. Methods: Thirty-four intubated patients in an emergency center were enrolled in the study. Patients were randomly allocated to the control group or the guidewire group. All patient necks were kept in neutral position during the procedure. In the control group, the nasogastric tube was inserted with the conventional method. A guidewire-supporting nasogastric tube was used in the guidewire group. The success rates of the first attempts and overall were recorded along with complications. Results: The first attempt success rate was 88.2% in the guidewire group compared with 35.2% in the control group (p < 0.001). The overall success rate was 94.2% in the guidewire group and 52.9% in the control group (p = 0.017). Five cases of self-limiting nasal bleeding were reported in the guidewire group, and two cases occurred in the control group. No statistical differences were identified between groups. Conclusions: Guidewire-assisted nasogastric tube insertion is a simple and useful method in intubated patients with cervical spine immobilization or unstable vital signs.ope

Coupled Noisy Neurons

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초전도 배열의 동역학적 거동

Thesis (doctoral)--서울대학교 대학원 :물리학과,1995.Docto

주식간 연결관계와 POWER LAW 분포에 관한 연구

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Discrete Breathers in Hamiltonian Oscillator Networks

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Stochastic Dynamics and Pattern Formation in Biological and Complex Systens

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중증 외상 환자에서의 응급중재술 시행 예측 인자로서의 호기말 이산화탄소 분압의 유용성

의과대학/석사중증 외상 환자의 생존률 향상을 위해서는 적절한 중재술이 빠른 시간 내에 이루어져야 하며, 따라서 초기에 중재술 필요를 예측할 필요가 있다. 이에 연구자는 호기말 이산화탄소 분압의 응급중재술의 예측 인자로서의 유용성을 알아보고자 하였다. 본 연구는 전향적 관찰 연구로, 중증 외상 환자를 대상으로 호기말 이산화탄소 분압을 비관을 통해 측정하고, 환자의 예후와 관련되어 있다고 알려진 정보들을 수집하였다. 24 시간 이내 응급 수술이나 혈관 조영술을 시행 받은 것을 중재술의 시행으로 정의하여 확인하였고, 환자의 사망 여부를 조사하였다. 1년의 연구 기간 동안 93명의 환자가 연구에 포함되었다. 응급 중재술을 시행한 경우가 수축기 혈압, 호기말 이산환탄소 분압, 젖산, 동맥혈 pH, 동맥혈 중탄산염, 염기과잉, ISS, RTS 등이 유의한 차이를 보였다. 다변량 분석에서는 이산화탄소분압과 ISS만이 응급 중재술의 예측에 관련이 있었으나, 생존 여부와 관계된 인자는 찾지 못하였다. 호기말 이산화탄소분압의 수신기작동특성곡선을 그려 곡선하면적 0.824(0.732-0.917)을 얻었으며 최적의 절편 값은 29 mmHg였다.ope