HEROS and VFA production system is modeled by modifying standard ASM1 and ADM1. The accuracy of modified model is demonstrated by dynamic simulation and comparing with experimental data. The improvement of current system by MSC-HCDC is tested by simulation.
Type B HEROS reactor for 45 households is modeled as two aerobic packed bed and aerobic CSTR and its dynamic states are simulated to demonstrate its distinguished performance. Fully aerated model shows that final BOD ranges from zero to 90 mg/L. The air supply model is modified as oxygen inhibited model to represent more actual system. Oxygen inhibited model exhibits that final BOD ranges from 75 ~ 150 mg/L. When simulated with 50 % amplitude sine input, the final BOD varies from 25 ~ 160 mg/L. The result fits well with experimental data of actual effluent BOD data of HEROS. When $2n^{nd}$ reactor is extended, final BOD becomes 0 ~ 123 mg/L and thoroughly satisfy the effluent BOD regulation, 125.8 mg/L. When MSC-HCDC is applied to the extended model, final BOD slightly drops to 118 mg/L. In 45 households HEORS system, implementation of MSC-HCDC is difficult because it should treat high loading rate of BOD in relatively short HRT with oxygen inhibition.
VFA production for biofuel is modeled with modified ADM1 standard model. Methane production is inhibited in the model. In singe stage continuous production, VFA concentration was 9.565 g/L and it is half of experimental data which is conducted with food waste. In single stage batch production, VFA concentration is 8.74 g/L and the result coincide with experimental data of untreated MSW/SS. Modified ADM1 model can be used to model and simulation for untreated MSW biomass. For future research, modified ADM1 model can be utilized to simulate effect of MSC-HCDC in series of reactors.
MSC-HCDC는 다단계 고농도 연속배양 공정으로 batch 또는 fed-batch공정의 고농도를 유지하고 생산성을 10 ~ 50 배 향상 시킬 수 있는 기술이다. MSC-HCDC 기술을 활용하여 분쇄기 이용 음식물 처리 시스템인 HEROS 와 VFA 생산 시스템의 생산성을 향상 시킬 수 있는 연구를 수행하였다.
Type B 형태 HEROS는 주방 하수와 분쇄기에 분해된 음식물 쓰레기가 함께 배출되는 평균 BOD 351 mg/L 를 처리한다. 일차 침전조를 거쳐 BOD는 약 28.6 % 제거되며 1.7 $m^3$ 의 호기성 반응기를 통해 유기물이 제거되어 배출된다. 1차호기성 반응기는 1 $m^3$ 의 packed bed 반응기로 3단 CSTR이 배열된 PFR 반응기로 모델링 되었으며 2차 호기성 반응기는 0.35 $m^3$의 CSTR과 같은 부피의 PFR로 모델링 되었다. ADM1 모델 파라미터를 바탕으로 시뮬레이션 한 결과 산소 억제가 없는 경우 최종 BOD는 0 ~ 90 mg/L 으로 실제 상당한 모델과 오차가 있었으며 산소억제 반응을 모델식에 구현하여 얻은 최종 BOD는 75 ~ 150 mg/L 를 얻었다. 이 모델에 50 % 진폭의 유량을 시뮬레이션 하였을 때 BOD 는 20 ~ 160 mg/L의 영역을 나타내며 실제 HEROS의 BOD 측정 결과와 유사한 모습이다. 3 단 반응기로 확장한 시스템에서 최종 농도는 법정 허용 농도인 125. 8 mg/L이하를 유지하며 최종 BOD가 보다 안정화 되었다. MSC-HCDC를 적용하여 HEROS 성능 향상을 1% 바이오매스 이동을 통해 확인한 결과 5 mg/L BOD 감소를 확인하였으나 45 세대의 작은 규모의 호기성 반응기에서는 효과가 크지 않았으며 충분한 산소 공급이 필요함을 시뮬레이션을 통해 확인 하였다.
ADM1 모델의 메탄 생산과정을 억제하여 1단 연속VFA 생산을 시뮬레이션 한 결과 9.565 g/L 가 생산되었으며 음식물 쓰레기를 바이오매스로 하여 VFA생산을 실험 결과의 약 절반이었다. 1단 배치 생산 시뮬레이션 결과와 일반 쓰레기를 바이오매스로 1단 배치생산을 비교한 결과 8.74 g/L의 유사한 결과를 얻었다. MSC-HCDC 이론을 적용한다면 혐기성 반응에서는 HEROS보다 효과가 클 것이라 예상한다
