The objective of this paper is to assess the applicability of heat recovery at aerobic landfill as a geothermal heat source.This paper presents a case study of installing gas source heat recovery system at an aerobic landfill to collect landfillgas heat. The system consists of three subsystems, i.e., the air injection system including a biofilter, the heat pump systemand the thermal storage tank. A biofilter is necessary to remove the content of harmful compounds in the gas that entersthe heat pump. The field test results showed that temperature for landfill gas was increased slightly from 29 to 38oC inthe phase of aeration because of decomposition of organic carbon. The biofilter effectively treated CH4, H2S and NH3in the gas to prevent the corrosion of the heat pump. The coefficient of performance (COP) of the heat pump was 3.2,which means that 3.2kW of heat energy could be obtained by 1kW of electrical energy used for the heat pump. Thisstudy estimated the energy cost for the different heating systems. As a result, the heat pump can reduce the energy costby 75% compared with kerosene and diesel. Therefore, it is concluded that aerobic landfills are a suitable resource forheat recovery.

Heat is generated from decomposition of wastes as a result of chemical and biological processes in aerated landfills. The purpose of this study was to assess temperature and predict its variations in an aerated landfill. In the phase of aeration, temperature was increased slightly from 30 to 34oC until 65 days and then increased significantly from 34 to 74oC by termination of aeration. It indicates that the amount of oxygen supplied in the starting phase of aeration was insufficient to decompose organic carbon because oxygen supplied in the landfill was only consumed for methane oxidation. Additionally, to minimize the risk of self-ignition, drying and process inhibition, aerated landfills should be operated in a temperature range of 54 ~ 66oC through cooling by water addition and terminating or excessive oxygen supply. In this study, a stoichiometric modeling approach considering methane oxidation and decomposition of organic carbon has been suggested for predicting temperature variations in aerated landfills. As a result, the predicted temperature variations obtained the stoichiometric modeling led to similar results compared with measured temperature in aerated landfill. Therefore, it showed that the stoichiometric approach was appropriate for predicting temperature variation in aerated landfills. In addition, heat generation rates for methane oxidation and decomposition of organic carbon were 89.5 and 387.8 MJ/m3·yr, respectively.

지속적으로 발생하는 폐기물을 처리하기 위하여 다양한 처리 방법들이 개발되어 적용되고 있다. 그러나 재활용되지 못하는 폐기물 및 처리되지 못하는 폐기물들은 지속적으로 발생하고 있다. 이러한 폐기물의 발생 특성 때문에 미래에도 폐기물 매립지는 폐기물 처리에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 그러나 이러한 폐기물 매립지의 중요성이 강조됨에도 불구하고, 폐기물 매립 시 무분별한 매립에 대한 적절한 관리가 이루어지지 않아 많은 문제점들이 발생하고 있는 실정이다. 대표적으로 폐기물 매립지에 반입된 폐기물은 계량대에서 중량을 측정한 후 매립되어 진다. 그러나 매립 후에는 폐기물 매립지의 용량을 부피로 관리함으로 인하여 중량으로 반입된 폐기물에 밀도를 적용하여 부피로 환산하나 밀도의 부정확성으로 인하여 매립량 통계에 오차가 발생하거나 신뢰성이 저하되는 문제점이 발생하고 있다. 이외에도 매립작업 시 다짐 밀도 및 잔여용량 관리가 이루어지지 않아 향후 매립가능 연한 산정 및 폐기물 매립지 수요 예측의 문제점이 있다. 이에 본 연구에서는 매립지 진척 상황을 실시간으로 모니터링 하여 데이터베이스화할 수 있는 3D 레이저 스캐너를 개발하였다. 3D 레이저스캐너는 카메라 멀티 측정을 이용한 삼차원 영상취득 방법과 비교하여 더욱 정밀하고 주변 조명에 대한 영향을 받지 않아 낮과 밤 구분 없이 옥외에서 지형정보 등의 삼차원 형상 측정이 가능한 방법이다. 본 연구에서 개발한 3D 레이저 스캐너를 실제 폐기물 매립지 현장에 적용한 결과 기존의 측량방식과 비교하였을 때 정확성은 평균 97.5%, 표준편차는 평균 3.8%로 나타나 매우 높은 정확성을 나타내었다. 또한 기존의 측량방식은 정해진 시간동안 측량이 가능한 측정 지점의 수가 하루 몇 지점 정도로 한정되어 있으나 레이저 스캐너는 그 단점을 극복하고 같은 시간 동안 측량 가능한 측정 지점의 수가 수천 지점 이상 가능하므로 매립용량 측정에 훨씬 효과적이며, 지속적으로 매립용량을 측정함으로서 폐기물 매립지의 침하량도 측정이 가능하다. 따라서 본 연구에서 개발한 시스템을 이용하면 페기물 매립지 용량에 대한 데이터베이스를 구축할 수 있고, 이를 바탕으로 국가적으로 폐기물 매립지의 정확한 사용가능연수 파악 가능 및 구체적인 폐기물 매립지의 필요 지자체가 파악이 가능하며 그에 따라 효율적인 국토의 사용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 폐기물 매립지에서의 매립밀도 관리가 가능하게 되었으며 지속적인 부피 및 침하량의 측정은 폐기물 매립지 내부에서 발생하는 여러 물리화학적 반응 및 생물학적 반응과 연계한 폐기물 매립지의 구조적 특성을 이해하는 것에 많은 도움을 줄 것으로 판단된다.

The IPCC methodology for estimating methane emissions from a solid waste landfill is based on the first order decay (FOD) method. One emission factor in the model is the methane generation potential (L0) that is estimated from the amount of decomposable degradable organic carbon (DOC) in a solid waste landfill. L0 is estimated based on the fraction of DOC in the waste, the fraction of the degradable organic carbon that decomposes under anaerobic conditions (DOCf), methane correction factor (MCF), and the fraction of methane in generated landfill gas (F). The other emission factor is the methane generation rate constant (k). The IPCC recommended that every country needs to develop country-specific key parameters (DOC, DOCf, k) more appropriate for its circumstances and characteristics. The objective of this research was to investigate the greenhouse gas emission factor (k) and parameters (DOC, DOCf) for wood wastes in a solid waste landfill. To investigate DOC, DOCf, and k for wood wastes, the biodegradable rate of wood wastes was determined by comparing the composition of excavated samples (L-1, L-2) with their fresh ones (F-1, F-2). The DOC values were found to be 48.36% and 45.27% for F-1 and F-2, respectively. It showed that the IPCC default value of DOC for wood wastes is appropriate for estimating methane emission. The maximum DOCf (0.17 and 0.18) or each wood waste excavated from G landfill was found to be lower compared with those for IPCC. The IPCC provided that default values of DOCf 0.5. The k values were found to be 0.0055 and 0.0058 year−1 for F-1 and F-2, respectively. The result confirmed that the biodegradation rate of wood wastes was very slow due to its lignin.

경제성장과 급격한 산업화는 생활수준을 향상시켰으며 인구증가와 맞물려 세계적으로 물 사용량을 증가시켰고 결과적으로 하수슬러지의 발생량을 증가 시켰다. 국내의 하수도보급률을 85%를 상회하며 이로 인해 발생되는 하수슬러지의 양은 2006년 2,717,790 톤/년에서 2013년 말 기준으로 3,995,290 톤/년으로 3배가량 증가하였으며 하수슬러지의 양은 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 하수슬러지를 처리하기 위해 선진국에서는 육상 처리를 전제로 여러 가지 처리 기술들을 개발하고 있으며 국내에서도 여러 가지의 처리 방법이 연구되고 있는 상황이다. 하수슬러지를 처리하는 방법으로는 매립과 해양투기 이외에 소각, 용융, 탄화, 퇴비화, 시멘트 자원화 등의 여러 기술 등이 있다. 하지만 기술적, 경제적인 이유로 국내에서는 쉽게 적용되지 못하고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 환경부에서는 공공하수처리장의 혐기성 소화조 효율을 향상시킴으로서 하수슬러지의 감량화를 통한 바이오가스의 생산량 증대를 위한 다양한 전처리 기술들이 연구되고 있다. 혐기성 소화단계는 가수분해, 산생성, 초산생성, 메탄생성 단계로 구분되어 있으며 이 중 가수분해 단계는 혐기성 소화의 율속 단계로서 혐기성 소화 전체 과정의 소화효율과 속도를 조절한다. 따라서 본 연구에서는 공기주입과 영가철(ZVI)을 이용한 산화 반응을 이용하여 하수슬러지속 세포벽을 파괴시켜 세포내의 각종 유기물을 용출시킨 후 가수분해 단계 촉진을 위한 가용화를 이용한 전처리 공정을 적용하고자 한다. 실험방법으로 슬러지 1kg 당 0.015 L/hr의 사전 공기 주입 후 0.1%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 3%의 영가철(ZVI)을 투입하여 전처리를 실시한다. 전처리 실시 후 실험결과 가용화율은 영가철(ZVI) 1.5% 투입시에 85%까지 상승하였으며 2% 투입 이후 부터는 더는 증가하지 않았다. 이를 통하여 산소주입과 영가철(ZVI)을 이용한 전처리가 하수슬러지의 가용화에 효과가 있는 것으로 나타났으며, 최종적으로 바이오가스 생산량 증가에 효과가 있을 것으로 판단된다. 향후 추가실험을 통해 하수슬러지의 오염부하의 저감 가능성을 평가하고 공기주입과 영가철(ZVI)을 이용한 전처리가 바이오가스 생성에 방해가 되는 H2S의 생성 억제에 미치는 영향에 대하여 연구하고자 한다.

18세기 산업화 이후 전 세계적으로 기후변화가 가속화되어 급격한 기후 변화를 초래하였다. 그로 인해 지구의 평균기온과 해수면이 상승하였고, 가뭄과 홍수 등의 잇따른 자연재해가 발생하고 있다. 온실가스는 주로 이산화탄소와 메탄으로 구성되어 있으며, 지구온난화에 주된 영향을 미치는 요소이다. 그 중 주요 온실가스 배출원에 해당하는 폐기물매립지는 인위적 배출원으로서 이에 따른 관리가 필요한 상황이다. 이러한 온실가스를 적정 관리하기 위하여 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)가이드라인에서 온실가스 배출량 산정모델을 통해 온실가스 발생량을 산정하도록 하고 있다. 폐기물매립지 표면 발산량에 대하여 일차분해모델(FOD, First Order Decay)을 적용하고 있으며, 이 모델에 적용되는 매개변수 중 하나인 메탄산화계수(OX)는 일차분해 모델에서 온실가스 배출량 산정에 필요한 기초자료로서 IPCC 지침서에 따라 기본값인 0과 잘 관리된 위생매립지에 대하여 1을 적용하고 있다. 메탄산화에 대한 영향인자는 복토층의 두께, 토양의 온도, 질감, 함수율 등이 있으며, 본 연구에서는 그 중 토양의 온도에 따른 메탄산화계수의 차이를 비교하기 위한 연구를 실시하였다. 일교차가 큰 요즘 온도의 차이를 나누기 위하여 실험은 낮과 밤으로 나누었으며, 폐기물매립지에서의 측정방법은 휴대용 레이저메탄검지기(Laser Methane Detector)를 이용하여 폐쇄형 챔버법을 통해 메탄플럭스를 측정하였고, 데이터 신뢰도 향상을 위하여 3-5회 반복 측정을 실시하였다. 이산화탄소는 Air Sampler를 이용하여 포집 후 TCD(Thermal Conductivity Detector)로 분석 실시하였으며, 메탄과 이산화탄소를 측정한 위치의 지하 50cm정도 깊이에서 GA5000(Geotechnical Instruments Co.)을 이용해 메탄, 이산화탄소의 농도를 계측하였다. 표면발산 가스 플럭스와 복토 밑의 매립가스 플럭스의 비를 통하여 메탄산화계수를 산정하였으며, Kriging법을 적용하여 Surfer(Golden software, Inc.) 소프트웨어로 공간 적분값을 구하여, 계측된 영역 전체를 공간평균화 하여 메탄산화계수 값을 계산하였다. 폐기물매립지에서는 메탄산화에 대한 영향인자가 기상조건에 특히 많은 영향을 받기 때문에 이를 적용하여 추가적 연구를 진행하여 보다 더 정확한 메탄산화계수 산정을 통해 더욱 신뢰성 있는 폐기물매립지에서의 온실가스 발생량 예측이 가능할 것으로 판단된다.

In this study, the effect of hydrogen peroxide (H2O2) pre-treatment for sewage sludge prior to anaerobic digestion wasassessed using a batch test with an objective to decrease nitrogen, dissolved sulfide and siloxane in sewage sludge. Atotal of 6 sets of experiments (Blank, 20, 40, 60, 80 and 100g H2O2/kg wet sludge) were carried out, each with duplicates.To assess the effect of different dosages of H2O2 on anaerobic digestion, the treated sewage sludge was used for biochemical methane potential (BMP) test and SCODcr concentration. Due to the H2O2 pre-treatment, solubilization of SCODcr in pretreated sludge increased by 89% compared to raw sewage sludge, whereas T-N and NH3-N concentrationdecreased. Cumulative methane yields were increased for all pretreated samples due to increased sludge solubilizationthrough H2O2 pre-treatment. In addition, dissolved siloxane concnetrations were decreased for all pretreated samples. Thus,a reduction in dissolved siloxane concenrtation can decrease the siloxane generation potential of sludge during anaerobicdigestion. However, dissolved sulfide concentration remained same. Although H2O2 dosage did not show any furtherimpact on dissolved sulfide, they have significantly decreased T-N, NH3-N and dissolve siloxane concentrations beforeanaerobic digestion.

2011년말 기준으로 공공하수처리시설은 505개소로 2001년 184개소, 2010년 470개소 등 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 하수처리시설에서 발생하는 슬러지량도 증가하고 있다. 슬러지를 처리하는 방안으로 고화, 매립, 해양배출, 혐기성 소화 등의 방법이 있으나, 고화 및 매립은 2차 환경오염에 대한 우려가 있고 해양배출은 2012년부터 전면 금지되었다. 이에 환경부에서는 공공하수처리시설에 설치된 혐기성 소화조의 효율 개선사업을 통해 소화효율을 향상시켜 메탄의 생산량 증대와 슬러지 감량화를 도모하고 있다. 슬러지의 감량화 및 바이오가스 발생량의 증대를 위해 혐기성 소화 전에 슬러지를 전처리시키는 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다. 혐기성 소화 공정은 가수분해, 산 생선, 초산생성 및 메탄생성 단계로 구분될 수 있으며, 이 중 가수분해 단계는 율속단계로서 전체 혐기성 소화공정의 효율 및 속도를 조정하기 때문에 가수분해 단계가 쉽게 이루어지기 위해 가용화라는 슬러지의 전처리를 수행하는 것이다. 전처리 공정의 방법으로는 열적처리, 화학적 산화, 기계적 처리, 생물학적 처리 등이 있다. 이 중 생물학적 처리 공정은 고온 호기성 박테리아를 배양시킨 후 소화조에 주입하여 슬러지의 혐기성 소화효율을 향상시키는 방법과 소량의 산소를 주입하지만 일정한 혐기 조건과 낮은 환원 조건을 유지하면서 미생물의 성장과 효소 합성 및 활성을 유발시켜 슬러지의 가용화 및 소화효율을 향상시키는 방법이 있다. 이에 본 연구에서는 공기의 주입을 통한 생물학적 전처리 방법이 슬러지 내에 존재하는 유기물뿐만 아니라 질소와 실록산 등의 거동에 미치는 영향을 분석하여 공기 주입을 통한 생물학적 전처리 방법이 혐기성 소화효율 향상과 반류수질, 바이오가스 정제시설 중 실록산 제거시설 등에 미치는 오염부하의 저감 가능성을 평가하고자 하였다. 실험결과, ORP는 공기 주입기간이 길어질수록 약간씩 증가하였으나 -247 ~ -268 mV의 환원조건을 나타내었으며, DO는 0.00 ~ 0.22 mg/L로 나타났다. 따라서 슬러지 전처리를 위해 공기를 주입하여도 소화조 내의 혐기성 조건에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단된다. SCODcr의 경우에는 공기를 주입에 따라 SCODcr의 농도가 증가하여 공기주입에 의한 가용화 효과가 있는 것으로 나타났다. 총 질소와 암모니아성 질소의 경우 공기주입기간이 길어질수록 농도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 DO 농도가 1 mg/L 이하의 조건을 유지하고 있어 공기주입에 의한 동시 질산화 및 탈질 현상이 발생한 것으로 판단된다. 따라서 공기주입에 의한 전처리 방법이 슬러지 내 질소의 부하를 감소시켜 암모니아성 질소로 인한 혐기성 소화의 저해 가능성과 혐기성 소화 후 반류수 및 방류수에 영향을 미치는 질소 부하를 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다. 실록산의 경우 공기주입 기간 증가에 따라 공기를 주입하지 않은 슬러지 내의 실록산 농도가 6.06 mg/kg에서 공기주입 4일째에는 3.43 mg/kg으로 감소하여, 공기주입 전처리 방법을 통해 바이오가스 정제 시설 중 실록산 처리 공정에 미치는 실록산 부하를 저감시킬 수 있을 것으로 사료된다.

In order to accelerate the biodegradation of easily organic materials in landfilled waste before excavating a closed solid waste landfill and prevent to be dried the landfilled wastes at the same time, this study has suggested the Dual Step Biostabilization System (DSBS), which could inject air with dry fog into its body. In addition, the applicability of the DSBS was estimated by means of field test at a closed landfill. As a result of field test, the reduction of oxygen consumption rate for landfilled wastes (48%) stabilized by air with dry fog was higher than that of landfilled wastes (38%) stabilized by only air. Three lysimeter experiments were, also, performed for the landfilled wastes sampled from the closed landfill. The production of cumulative carbon dioxide for landfilled wastes stabilized by air with dry fog was estimated to be highest (1,144.8 mL). In case of lysimeter that moisture was not introduced was found to be 1,051.9 mL, while another lysimeter that moisture was introduced through horizental trenches was 1,095.8 mL. It is clear that the DSBS can accelerate the biodegradation of organic compounds. In terms of volatile solids, the reduction amount of volatile solids for air with dry fog was higher than that of the other conditions.

The objective of this research was to suggest the estimation method of air injection quantity for pre-stabilization of landfilled wastes in a sustainable landfill. A study on the determination of oxygen demand quantity of landfilled wastes, therefore, was conducted in two different experiments. Firstly, a batch test was performed in order to measure the oxygen quantity required to oxidize easily degradable organic matter under aerobic conditions. Secondly, a lysimeter experiment was carried out to assess the air injection period according to moisture content (20%, 30%, 40%, 50%) and to validate the oxygen demand quantity obtained by the batch test. This study assumed that landfilled wastes contain two different organic matters and two matters are sequentially utilized by microorganism. The first one provides the faster oxygen uptake rate that called the “easily degradable organics”. During the second phase of the aerobic decomposition, the other one provides the slower oxygen uptake rate that called the “moderately degradable organics”. Also, in this study, a modified logistic equation divided two terms (fractions of easily degradable organic and moderately degradable organic) was suggested to determine the oxygen demand quantity for easily degradable organic of landfilled solid waste. As a result, the oxygen demand quantity obtained by the batch test led to similar results compared with that of lysimeter experiment. Therefore, it showed that the modified logistic equation and batch test were appropriate for determination of oxygen demand quantity for decomposition of easily degradable organic matter. Also, air injection period for decomposition of easily degradable organic decreased with the increase of moisture content.

In this study, anaerobic digestion tests for municipal solid wastes were performed in order to estimate their methane production rates. To simulate methane production rate, the first derivatives of the sigmoidal equations were calculated. The sigmoidal equations used were Gompertz and Logistic equations. Also, diauxic growth was employed to simulate methane production rate from municipal solid wastes. The equations were fitted to simulate methane production rate by nonlinear regression with a Marquardt-Levenberg algorithm. This is a statistical analysing methodology to minimize the sum of the squares of the differences between the predicted and measured values. Data fittings obtained by using the equations were compared statistically by using the RMSE (Root mean square error) and AIC (Akaike's information criterion). The equations derived from sigmoidal equations successfully described methane production rate for municipal solid wastes. RMSE and AIC were decreased significantly for the equations considering diauxic growth, compared to the equations without diauxic growth. These results showed that the equations derived from sigmoidal equations with diauxic growth can be a useful tool to simulate methane production rate for municipal solid wastes.

In this study, anaerobic co-digestion experiments for mixtures consisting of sewage sludge with food wastewater and livestock wastewater were conducted to assess the methane yields, the volatile solids (VS) removal rates and the dynamic kinetics. An augmented simplex centroid design (ASCD) was employed to design the mixing rate of organic wastes for the anaerobic co-digestion. Also, synergistic effects on the anaerobic co-digestion were studied using models obtained by the ASCD. As a result, synergistic effects were not observed in terms of methane yield and VS removal rate. It was just showed that there was a linear relationship between the cumulative methane yield and the mixing rate of food wastewater. The results might be attributable that the sewage sludge and the livestock wastewater had very lower C/N ratio compared with food wastewater that had a C/N ratio within a range required for a correctly operating anaerobic co-digestion. Therefore, increasing mixing rates of food wastewater increased the methane yield and VS removal rate, but there was not a synergistic effect by the anaerobic co-digestion.

In this study, optimization of anaerobic co-digestion for food and livestock wastes was studied by an experimental design method. A central composite design (CCD) was applied in designing experiments. Selected two independent variables for this study were initial substrate concentration and mixing rate of livestock wastes. The ranges of experiment for initial substrate concentration and mixing rate of livestock wastes were 2~10 g-VS/L and 0~100%, respectively. Selected responses were methane yield, maximum methane production rate and volatile solids (VS) removal rate. The experimental design was analyzed using a response surface methodology (RSM). Models obtained by the RSM were analyzed by analysis of variance (ANOVA). ANOVA demonstrated that the models were highly significant. Optimal conditions obtained for the models were initial substrate concentration of 2.1 g-VS/L and mixing rate of livestock wastes of 48.8%, respectively. The measured values under the optimal conditions were well in agreement with the predicted values from the models. Thus, it showed that the CCD and RSM were appropriate for determination of an optimal mixing condition in the anaerobic co-digestion process for food and livestock wastes.

The objective of this study was to assess the affects of various solid waste landfill methods on mass balance of carbon. Four lysimeters simulated a conventional landfill (Lys-A), a landfill recirculated only fresh leachate (Lys-B), and two landfills recirculated leachate after pretreating with ASBR (Lys-C and Lys-D) were operated over 1,600 days. Lys-D was recirculated two times of pretreated leachate volume than that of Lys-C. Mass balance of carbon was calculated considering leachate and biogas production for each lysimeter. Lys-C and Lys-D showed that there was an increase of about 3 times in total amount of COD recovered as methane than Lys-A. This results might be attributable to the activated methanogenic bacteria and the high pH of pretreated leachate. In terms of mass balance of carbon, amount of carbon converted to landfill gas in Lys-B (25.20 g/kg-dry waste) was bigger than that of Lys-A (23.64 g/kg-dry waste), while carbon conversion rate to landfill gas for Lys-A and Lys-B showed 4.80% and 4.71%, respectively. It is assumed that only fresh leachate recirculation method can increase amount of carbon converted to landfill gas resulting from the biodegradation of organic carbon in recirculated leachate. However, in comparison with the conventional landfill method, this method should not accelerate hydrolysis of carbon from the wastes. Carbon conversion rate in the landfill recirculated leachate after pretreating with ASBR was increased due to accelerated anaerobic metabolism processes of the microbes. In Lys-C and Lys-D, about 5.9% of carbon was converted to landfill gas. Therefore, it could be seen that the landfill recirculated leachate after pretreating with ASBR could enhance carbon conversion to landfill gas more than the conventional landfill or the landfill recirculated only fresh leachate.