The object of this study is to feasibility assesment for co-digestion efficiency of food waste recycling wastewater(FWR) with thermal hydrolysis process dehydration cake (THP Sludge). As a result of THP pre-treatment experimental conditions to 160oC and 30 minutes, the solubility rate(conversion rate of TCOD to SCOD) of the THP sludge increased by 34%. And the bio-methane potential in the THP sludge increased by about 1.42 times from 0.230 to 0.328 m3 CH4/kg VS compared to the non-pre-treatment. The substrates of the co-digestion reactor were FWR and THP sludge at a 1:1 ratio. Whereas, only FWR was used as a substrate in the digestion reactor as a control group. The experimental conditions are 28.5 days of hydraulic retention time(HRT) and 3.5 kg VS/m3-day of organic loading rate(OLR). During the 120 days operation period, the co-digestion reactor was able to operate stably in terms of water quality and methane production, but the FWR digestion reactor deteriorated after 90 days, and methane production decreased to 0.233 m3 CH4/kg VS, which is 67% of normal condition. After 120 days of the experiment, organic loading rate(OLR) of co-digestion reactor was gradually increased to 4.5 kg VS/m3-day and operated for 80 days. Methane production during 80 days was evaluated to be good at the level of 0.349 m3 CH4/kg VS. As a result of evaluating the dehydration efficiency of the sludge before/after 150-180oC THP using a filter press, it was confirmed that the moisture content of the sludge treated before THP at 180oC was 75% and improved by 8% from 83-85% level. Therefore, it is expected that the co-digestion reactor of FWR and THP sludge will ensure stable treatment water quality and increase bio-methane production and reduction effect of dehydration sludge volume.

막 분리 운전방식에 따른 음폐수 소화가스의 도시가스용 바이오메탄 생산연구를 상업용 시설을 대상으로 수행하였다. 연구결과 바이오메탄의 순도는 4SBR과 3SDR 모두 98.9%를 달성할 수 있었다. 소화가스 내 메탄 회수율은 4SBR 88.1%, 3SDR 79.4%이었고, 처리 소화가스량 대비 바이오메탄 생산율도 4SBR이 53.5%로 3SDR의 49.4%보다 높았다. 그러나 막 분리시설에 공급되는 가스 중 반송 가스의 비율은 4SBR이 56.5%로 3SDR 보다 두 배가량 컸으며, 이로 인해 최대 처리량에 있어서는 3SDR이 양호한 결과를 보였다. 따라서 소화가스 200 Nm3/day 이하는 4SBR, 240 Nm3/day 이상에서는 3SDR이 경제성이 좋은 것으로 판단되었다. 공정 운전변수들의 평균값 대비 운전 값들의 상대편차는 전반적으로 4SBR이 컸으며, 또한 주 운전조절 수단인 바이오메탄 인출압력 대비 주요 지표들의 상관관계에 있어서는 3SDR가 보다 직접적인 관계를 보여주었다.

Acetate, propionate, butyrate are the major soluble volatile fatty acids metabolites of fermented food waste leachates. This work investigate the effects of volatile fatty acid on the growth rate and NH4-N, PO4-P removal efficiency of mixotrophic microalgae Chlorella vulgaris to treat digested food waste leachates. The results showed that acetate, propionate and butyrate were efficiently utilized by Chlorella vulgaris and microalgae growth was higher than control condition. Similar trends were observed upon NH4-N and PO4-P consumption. Volatile fatty acids promoted Chlorella vulgaris growth, and nutrient removal efficiencies were highest when acetate was used, and butyrate and propionate showed second and third. From this work it could be said that using mixotrophic microalgae, in this work Chlorella vulgaris, fermented food waste leachates can be treated with high efficiencies.

VFAs like acetate are the major soluble metabolites of food waste leachates after digested. Therefore this study investigates the effect of acetate on growth rate and nutrient removal efficiency of Chlorella vulgaris to treat digested food waste leachates. The initial acetate concentration varied from 0 to 20 mM. As a result, Chlorella vulgaris growth rate was increased as high as the concentrations ranged from 0 to 20 mM. The same trend was observed with NH4-N and PO4-P consumption. The highest growth rate and the highest NH4-N, PO4-P removal rate were observed at acetate concentration of 20 mM. The microalgae growth rate and NH4-N, PO4-P removal rates were 1.5, 1.8, 2.3 times higher than the condition without acetate.

This study was performed to measure the concentration of odorous compounds and dilution ratio values at each part of the anaerobic digester process with composting facilities using swine manure and food waste. Complex odors, ammonia, volatile fatty acids and sulfur compounds were measured at each part of the process. Complex odors measured during swine manure storage, food waste storage and in the digested liquid tank, were 35,312 Odor Unit(OU), 39,086 OU and 17,733 OU, respectively. The odor contribution index was calculated by the concentration of odorous compounds during each process divided by the threshold limit. As a result, the major odorous compound that appeared during swine manure storage, food waste storage and in the digested liquid tank was hydrogen sulfide. On the other hand, the major odorous compound in the other processes was ammonia. The overall average concentrations of ammonia were highest in the digested liquid tank(337 ppm) and the separated liquid tank(131 ppm). Wastewater treatment process(10.9 ppm) and deodorization process(11.6 ppm) revealed the lowest concentration of ammonia. The overall average concentration of total volatile fatty acids(TVFAs) was 102.8 ppb during food waste storage and among the TVFAs, the main element was propionic acid(66.1 ppb). Sulfur compounds were only detected during swine manure storage, food waste storage and in the digested liquid tank. The dominant sulfur compound was hydrogen sulfide during swine manure storage(96.3 ppm) and methyl mercaptan during food waste storage(17.7 ppm) and dimethyl sulfide during food waste storage(34.5 ppm).

Food waste leachate (FWL) is a serious pollutant waste coming from the food waste recycling facilities in Korea. FWL has a high organic matter content and high COD to nitrogen (COD/N) ratio, which can disturb efficient methane production in the anaerobic digestion of FWL. In the present study a microalga, Clorella vulgaris (C.V), was used as co-substrate for the FWL anaerobic digestion in order to supply nutrients, decrease the COD/N ratio and increase its methane yield. Different co-digestion mixtures (COD/N ratios) were studied by using biochemical methane potential test and modified Gompertz equation for kinetic study. Mixed substrate of FWL and C. vulgaris in the co-digestion clearly showed more the biomethane yield than the sole substrates. The maximum methane production, 827.7 mL-CH4/g-VS added, was obtained for COD/N ratio of 24/1, whereas the highest improvement of methane yield was found for COD/N ratio of 15/1.

Herein , the effect of changes in the organic loading rate in anaerobic digestion was evaluated. The experiment was carried out by a laboratory -scale semi-continuous stirred tank reactor, and feedstock was food-waste leached. The organic loading rate was increased by 0.5 kgVS/m3 in each phase from 1.0 kgVS/m3 to 4.0 kgVS/m3. At the end of the operation, to check the failure of the reactor, the organic loading rate was increased by 1.0 kgVS/m3 in each phase and reached 6.0 kgVS/m3. This shows that the biogas yield decreased as organic loading rate increased. Biogas production seemed to be unstable at 3.5–6.0 kgVS/m3. Moreover, biogas production dramatically fell to approximately 0 mL at 6.0 kgVS/m3, which was decided as the operation failure on the 16th day of the las tphase. The result of the reactor analysis shows that the cumulation of volatile fatty acid increased as the organic loading rate increased. This seems to occur due to the decreasein pH in the reactor and led to extinction of anaerobic bacteria, which were the biogas products. Although the buffer compound (alkalinity) could prevent the decline in pH, the concentration of alkalinity was found to be lacking at a high organic loading rate

국제적으로 런던협약에 의하여 2013년 이후 음폐수의 해양 투기가 금지되어 육상에서의 처리가 시급한 실정이다. 이에 따라 국내외에서 유기성 폐기물의 혐기성 소화를 통한 부피 저감과 에너지화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에 대하여 독일 등 유럽국가와 중국 등이 유기성 폐기물을 이용한 혐기성 소화가 활발히 진행되어오고 있으며, 해외의 혐기성 공법으로 Dranco, Valorga, SEBAC, Schwarting 공법 등이 있다. 국내에는 이러한 공법을 기반으로 한 혐기성 소화시설이 적용되어 가동 중에 있으나 해외의 인정받은 공법 임에도 국내에 적용된 시설에서의 운전상의 미숙 문제나 유기성 폐기물 성상 차이에 의한 소화 효율의 저하 및 가동 중지 등 운전상에 문제가 발생하고 있어 국내 음폐수 특성에 맞는 공법과 운전 방법에 관한 연구가 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 음폐수의 처리에 대한 방안 마련을 위하여 혐기성 소화 공법 중 독일의 Schwarting 공법을 응용하였다. 기존 다공판이 설치된 내부 구조에 층 분리 효과를 더 강화하여 혐기성 소화를 촉진하고자 다공판을 추가하여 이중으로 엇갈린 다공판이 설치된 소화조를 설계하여 비교하는 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 시료는 D시에서 발생되는 음폐수를 대상으로 하였으며, 혐기성 미생물의 식종은 D시의 혐기성 소화조의 미생물을 활용하여 독일의 Schwarting 공법이 응용된 공법의 효율성을 검토하고자 하였다.

가죽 제조 산업의 현황을 살펴보면 가공에 사용되는 원료피의 50%가 폐기물로 발생되어 진다. 가죽 원료에서 많은 부분이 폐기물로 발생하기 때문에 해당 공정의 폐기물 처리와 함께 자원으로서의 활용적 측면이 함께 고려되어야한다. 하지만 현재 대부분의 피혁폐기물은 주로 매립과 소각 방법으로 처리되고 있어 보다 지속가능하고 환경 친화적인 처리 방법이 요구되고 있는 실정이다. 본 연구에 사용된 피혁폐기물은 가죽 제조 공정 중 탈모공정(Liming) 후에 발생하는 Pelt scrap으로, 주성분이 지질과 단백질로 구성되어 있어 혐기성 소화를 통한 처리 시 효율적인 메탄 생성 기질로 사용될 수 있다. 다만, 피혁폐기물은 pH와 C/N 비가 높아 혐기성 소화 시 메탄 생성 과정에 저해를 줄 수 있어 이에 대한 조절이 필요하다. 일반적으로 피혁폐기물의 pH는 12 부근으로 알려져 있으며, 혐기성소화 공정에서 기질의 pH가 6이하 또는 8.5이상인 경우 메탄 생성에 영향을 줄 수 있다. 이에 효율적인 피혁폐기물 처리와 메탄가스 생산을 위해서는 기질의 pH 조절이 필요하다. 본 연구에서는 피혁폐기물의 높은 pH를 혐기성소화에 알맞은 중성으로 조절해주기 위해 pH가 낮으면서 생분해도가 높은 음폐수를 통합 기질로 사용해 혐기성소화를 실시하였다. 실험에 사용된 피혁폐기물과 음폐수의 pH는 각각 12.4와 4.2였으며, 이를 VS기준 0.13:0.87의 비율로 혼합하여 혼합기질의 pH를 7.7로 만들었다. 250mL serum bottle에 하수슬러지 100mL를 식종하고 기질 1g VS를 주입하였고 35℃, 150rpm으로 유지되는 항온교반기에서 진행하였다. 기질 pH 조절에 의한 소화 성능 확인을 위해 피혁폐기물과 음폐수 단독소화를 실시하고, 이를 pH 7로 조절한 통합소화 조건과 비교하였다. 이때 소화성능은 유기물 감량과 바이오가스 생산량 및 메탄함량을 통해 평가하였다. 실험 결과, 단독 소화와 비교해 기질의 pH를 조절해 통합소화에서 바이오가스 생산량과 메탄 함량이 증대되는 경향을 보였다. 결론적으로 혐기성소화 시 기질 혼합을 통한 중성 pH 조성은 바이오가스 생산량과 메탄 함량의 증가에 영향을 주는 것으로 판단된다.

가죽제품 제조 산업으로부터 발생되는 피혁폐기물의 양은 투입되는 원료 가죽의 약 50%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이들 피혁폐기물은 적절한 처리 방법이 개발되지 않아 대부분 매립이나 소각을 통해 처리되고 있다. 특히, 매립이나 소각을 통한 처리는 단가가 높아 관련 산업의 경제성을 악화시키고 고형폐기물의 친환경적 처리 관점에서 문제점이 제기되고 있는 실정이다. 최근 화석연료를 대체하기 위한 신규에너지원의 중요성이 높아짐에 따라, 폐기물을 이용한 에너지화에 많은 연구가 진행되고 있으며, 피혁폐기물은 주로 단백질과 지질로 구성되어 있는 특성으로 인해 혐기성소화를 통한 바이오가스 생산이 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 일반적으로 알려져 있는 혐기성소화 공정의 최적 C/N 비 (20-30)를 고려할 때, 피혁폐기물의 높은 C/N비 (약 35)는 공정의 제한요소가 될 수 있다. 본 연구에서는 피혁폐기물과 음폐수를 통합하여 혐기성소화를 실시함으로써 기질의 C/N 비 조절이 혐기성소화 효율에 미치는 영향을 관찰하였다. 기질의 C/N 비 조절을 통한 혐기성소화 효율의 변화는 BMP (Biochemical methane potential) test를 약 40일간 진행하였으며, 바이오가스 발생량을 비교하였다. 실험은 경기도 동두천시에 위치한 가죽제품 제조업체로부터 수거된 pelt scrap과 양주시에 위치한 음식물쓰레기 자원화시설에서 발생되는 음폐수를 각각 채취하여 사용하였다. 개별 기질의 C/N 비는 피혁폐기물이 34.1, 음폐수가 13.5로 확인되었으며, 이들의 무게에 따른 혼합비를 조절하여 통합 혐기성소화 기질의 C/N 비를 20, 25, 30으로 맞춰 실험을 진행하였다. 실험결과 기질을 통합하여 C/N 비를 조절한 소화 조건에서 개별 기질의 단독소화 조건보다 많은 바이오가스 생산량이 관찰되었으며, C/N 비 20에서 바이오가스 생산량이 높은 것으로 나타났다. 이는 통합 기질의 C/N 비 조절효과와 함께 피혁폐기물에 비해 생분해도가 높은 음폐수 함량이 기질의 C/N 비가 낮을수록 더 많이 포함되었기 때문으로 판단된다.

In accordance with the 1996 London Protocol, the marine dumping of wastewater generated from food was totally banned from 2013. Therefore, establishing a food wastewater bio-gasification facility for stable and continuous food wastewater treatment is necessary. The biogas produced from the wastewater can be used as fuel for electricity generation or for heating in power plants and can be sold as gas in cities as well as fuel for vehicles after undergoing a refining process. Thus, the South Korean government is trying to expand the bio-gasification facility of wastewater generated from food. In this study, we try to obtain information about the public value of such an expansion. For this purpose, the household willingness to pay (WTP) for the expansion is determined by applying the contingent valuation (CV) approach. A total of 1,000 South Korean households were involved in the CV survey, which had questions with dichotomous choices. The mean yearly public value WTP for expansion is estimated at 2,564 KRW per household. If this WTP is extrapolated from the sample to the nation’s population, the expansion in the national value is worth 50.1 billion KRW per year. These results indicate that the expansion of food wastewater bio-gasification facility is supported by Korean households.

우리나라는 런던협약 이행을 위하여 2012년부터 하수슬러지의 해양투기를 금지하고, 매립용 복토재, 발전소 보조연료, 바이오가스 생산 원료 등 하수슬러지를 다양한 재활용 물질로써 활용하기 위한 방법을 모색하여왔다. 이중 수열탄화(Hydrothermal carbonization)방법은 닫힌계에서 180℃~250℃온도조건과 이때 생성되는 반응기내 압력으로 운영되는 기술로, 기존 건조기술대비 에너지소비가 적은 연료화 기술이나 수열탄화 공정이후 다량으로 발생하는 탈리액의 처리가 필요하다. 이처럼 수열탄화 공정이후 고액분리된 액체생성물을 효과적으로 처리·활용하고자 본 연구는 하수슬러지 수열탄화 액체생성물의 단독 혐기소화 및 음폐수와의 혼합소화실험을 통하여 바이오가스 생산추이를 비롯한 혐기소화 특성변화를 관찰하였다. 실험은 유효용적 5L 규모의 혐기성소화조를 이용하였고, 35℃ 항온조건을 유지하기 위하여 water jacket형태로 반응기를 구성하였으며, 반응기 내부 균질화를 위하여 80rpm속도로 기계적 교반을 진행하였다. 유기물부하율(OLR)은 1g VS/L-day로 운영후 1.5g VS/L-day까지 증대시켰다. 실험 결과, OLR 1g VS/L-day 조건에서 하수슬러지 수열탄화 액체생성물의 경우 0.17L/g COD의 메탄전환율을 보였고, 음폐수혼합액의 경우 메탄전환율은 0.30L/g COD로 수열탄화 액체생성물 단독소화일 때 보다 높은 값을 보였다. OLR 1.5g VS/L-day 조건에서는 수열탄화액 액체생성물 단독처리시 OLR 1g VS/L-day 조건보다 메탄전환율이 크게 감소하는 경향을 보였고, 음폐수 혼합액은 OLR 1g VS/L-day 조건과 유사한 메탄전환율을 나타냈다.

Biological nitrogen removal is generally accomplished by aerobic nitrification coupled with anoxic denitrification. Many commercial wastewater treatment plants (WWTPs) use external carbon source, such as methanol, to support heterotrophic denitrification process. Using organic wastes as an alternative to commercial carbon sources could thus be beneficial by saving the expense as well as reducing the environmental footprint. Here we report a full-scale (treating 2300 m3 wastewater/d) WWTP that previously utilized a butanediol-based organic waste as the sole external carbon source, which diversified the carbon sources by using a second organic waste generated from food waste recycling. Process parameters were extensively monitored for seven months at all biological unit processes, the aerobic and anoxic tanks, as well as the recirculation flow. Bacterial community structures were analyzed at anoxic tank using next-generation sequencing. The WWTP showed a stable nitrogen-removing performance over the seven months period. The estimated COD/N utilization ratio for food waste-recycling wastewater (FRW) was near 30. The bacterial populations significantly shifted during the operation. Lactobacillaceae and Prevotellaceae were the major bacterial families in the FRW, whereas the denitrification tank was populated by many families including Saprospiraceae, Nannocystaceae, Chitinophagaceae, Eubacteriaceae, and Rhodocyclaceae. Detailed discussion of the results will be presented at the conference.

부영양화 및 적조현상의 발생 등에 따라 최근 영양염류에 대한 방류수 규제 기준이 점차 강화되고 있으며, 이에 따라 방류를 위해 영양염류 제거가 필요하다. 따라서 여러 가지 질소제거 방법들이 사용되고 있으며, 이중 하,폐수처리를 위해 사용되는 생물학적 질소제거 방법이 물리/화학적 처리공법에 비해 친환경적이고, 경제성을 갖춘 방법으로 평가되어 널리 사용되고 있다. 생물학적 질소제거는 두 가지 단계에 의하여 이루어진다. 이 중 첫 번째 단계(질산화)에서는 암모니아가 질산성질소로 산화되고 이 후 두 번째 단계(탈질소화)에서는 종속영양미생물(heterotrophic bacteria)들에 의해 질산성질소가 전자수용체로 사용되어 질소가스로 제거되어진다. 탈질 공정 이전에 질산화 과정에서 유기물이 대부분 소모되기 때문에 종속영양 탈질공정에서는 전자공여체로서의 유기탄소원이 부족하고, 이는 주로 메탄올, 에탄올 등을 사용하여 보충해 준다. 이 실험에서는 음폐수를 제철폐수의 탈질을 위한 대체탄소원으로 음폐수를 사용하여 탈질효율을 평가하였다. 음폐수는 탄수화물, 단백질, 지방 모두 포함된 복합 유기성 폐수이며,이를 탈질공정의 핵심 미생물인 탈질화 박테리아들의 생장에 필요한 탄소원으로 이용가능하기 때문에 적용되기에 용이한 대상물질이다. 다시 말해, 대체탄소원으로 사용 가능한 대상 물질이다. 실험은 duplicate로 수행하였고, 대체탄소원의 종류, 즉 RCS45와 음폐수가 독립변수이며, 탈질속도를 종속변수로 설정하였다. 결과적으로, RCS45와 음폐수를 대체 탄소원으로 사용했을 때, 탈질 속도는 각각 57.6과 36.4로 얻을 수 있었다.

2005년부터 육상 매립 시 발생하는 침출수 및 악취 등의 환경적 영향 때문에 유기성폐기물의 육상 직매립이 금지되었고 2006년 발효된 런던협약에 따라 유기성폐기물의 해양투기(‘13.1)가 전면 금지되고 있다. 따라서 육상처리 및 재활용처리 등의 방안마련이 시급한 시점이며 사료화와 퇴비화의 경우 음식물의 높은 함수율로 인해 실효성이 낮은 것으로 평가받고 있어 정부는 바이오가스화 방식을 확대하려 하고 있다. 바이오가스 생산기술의 경우 유기성폐기물의 에너지 생산･활용을 통해 에너지 자급률을 높일 수 있으며, 폐기물 발생량을 감소시킴으로써 폐기물 처리비용 절감을 통한 원가상승률을 낮추는 효과를 얻을 수 있다. 유럽의 경우 단일 유기성폐기물을 대상으로 처리하기 보다는 생분해성 폐기물을 하나로 통합 관리하는 방안을 적극적으로 추진하고 있다. 따라서 본 연구에서는 유기성폐기물 해양투기 금지에 따른 대안 마련 및 유기성폐기물의 에너지화를 통한 국가 에너지원 확보를 위해 생활계의 음폐수와 사업장의 음료제조업(맥주제조업, 유가공제조업) 폐수처리슬러지, 하수슬러지를 대상으로 바이오가스화 가능성을 평가하였다. 음폐수의 병합 소화 가능성 평가를 위한 BMP 실험결과 음폐수와 유가공 제조업에서 발생하는 폐수처리슬러지를 1:9, 3:7, 5:5 혼합한 병합시료에서 각각 117.87, 175.36, 222.85 CH4 mL/g VS의 메탄가스가 발생하는 것으로 나타났으며, 음폐수와 맥주제조업의 폐수처리슬러지의 경우 1:9, 3:7, 5:5 혼합시료에서 각각 175.72, 232.57, 263.41 CH4 mL/g VS의 메탄가스가 발생하는 것으로 나타났다. 음폐수의 혼합비율이 높아질수록 메탄가스 발생량은 커졌고 대상 업체에서 발생하는 폐수처리슬러지와 음폐수의 혼합 비율에 따른 병합처리 시 폐수처리슬러지 단독 처리에 비해 다량의 메탄가스가 발생되었다. 따라서 단독 혐기소화에 비해 병합혐기소화를 통한 바이오가스화 가능성이 높은 것으로 분석되었다. 생분해도는 폐수처리슬러지 단독소화의 경우 유가공제조업은 40.6%, 맥주제조업은 50.7%로 음폐수와의 병합비율이 증가할수록 생분해도는 증가하였다.

유기성슬러지는 바이오가스를 생산할 수 있는 우수한 원료물질로서 선진국에서는 이를 이용한 에너지 생산이 급증하고 있다. 국내의 경우 음식물쓰레기, 가축분뇨 및 하수슬러지를 대상으로 하는 바이오가스 생산 및 공급을 상용화하는 단계에 있다. 하지만 산업폐기물의 경우 에너지 가용 잠재력은 많으나 활용이 미흡하고, 산업단지에서 발생하는 유기성슬러지를 비롯한 유기성 폐자원은 일부 대규모 사업장에서 자체 에너지화 등을 통해 발생된 폐기물을 활용하고 있으나 대부분의 중･소규모 사업장은 일정 비용을 지불하고 위탁처리하고 있는 실정이다. 일부 대규모 사업장에서 생산된 적은 양의 바이오가스는 자체적으로 소각 또는 보일러용으로만 사용하고 있어 잉여 가스를 이용한 수익창출이 어려운 실정이다. 유럽의 경우 단일 유기성폐기물을 대상으로 처리하기 보다는 생분해성 폐기물을 하나로 통합 관리하는 방안을 적극적으로 추진하고 있다. 따라서 본 연구에서는 유기성폐기물 해양투기 금지에 따른 대안 마련 및 유기성폐기물의 에너지화를 통한 국가 에너지원 확보를 위해 생활계의 음폐수와 사업장의 음료제조업(맥주제조업, 유가공제조업) 폐수처리슬러지를 대상으로 바이오가스화 가능성을 평가한 결과, BMP 실험의 경우 1:9, 3:7, 5:5 비율로 병합 처리한 경우 각각 약 233, 298, 344 CH4 mL/gVS의 메탄가스가 발생하였다. BMP 실험을 통해 생산된 메탄가스의 누적생산 곡선을 Modified Gompertz model과 first order kinetic model에 적용하여 추정한 결과, 메탄생성량은 Modified Gompertz model에서는 238.5, 302.3, 353.6 mL/gVS 발생하였고 first order kinetic model에서는 242.8, 312.5, 365.5mL/gVS로 음폐수와의 혼합비율이 증가할수록 높게 나타났으며, 최대 메탄생성속도의 경우 3:7비율에서 48.2 mL/gVS·day로 최대 메탄생성 속도를 보였다. first order kinetic model의 1차 반응속도상수 k값은 1:9, 3:7, 5:5 비율에 따라 0.32, 0.22, 0.08day-1 나타났다. 1차 반응속도 상수의 경우 음폐수의 혼합비율이 낮을수록 높게 나타났다. Modified Gompertz와 first order kinetic model 모두 실험결과를 잘 모사하였으며, 실험결과와 모의결과의 적합도를 나타내는 상관계수(R2)의 경우 0.92∼0.98으로 높은 상관성을 나타내었다.

우리나라의 음식물류폐기물은 수분함량이 80~85% 정도로 높고 부패되기 쉬운 유기성 물질로서 수집과 운반과정에서 악취 및 침출수 유출로 인해 심각한 환경오염을 유발하고 있으며, 특히 음식물자원화 공정에서 고농도의 유기성 폐수(이하 “음폐수”라 함)가 다량 발생되고 있다. 현재 음식물자원화 공정에서 발생하는 음폐수는 공공수역 방류를 위해 자체처리 또는 하수처리장 등 환경기초시설과의 연계처리가 필요하나, 방류수 수질기준 준수부담으로 인해 음폐수를 자체처리한 후에 그 처리수를 하수처리장으로 연계 이송시켜 처리하는 방법이 육상처리법으로 주로 사용되고 있다. 하지만 처리비용 부담 및 처리시설 부족 등으로 육상처리보다 해양배출을 선호하고 있는 실정이다. 그러나 2013년부터 런던협약 󰡔‘96 의정서󰡕의 발효에 따라 해양배출의 제약사항이 강화되었고, 이에 따라 가축분뇨 및 하수오니, 음식물류폐기물 등이 순차적으로 해양배출이 금지되어 앞으로 이들 폐기물의 육상처리가 불가피해진 상황에 처해 있다. 이러한 이유로 정부에서는 “음식물류폐기물 처리시설 발생폐수 육상처리 및 에너지화 종합대책(2008~2012)”을 마련하여 추진하고 있으나 현재까지 실증설비가 없어 업체와 정부가 확실한 공법과 수행 가능한 사업비 예측에 어려움을 겪고 있다. 또한 외국의 사례를 바탕으로 음식물류폐기물을 고형폐기물로 혐기성 소화 처리하는 방법을 도입하여 국내에 적용하고 있지만 음식물류폐기물 성상이 상이하여 부적절한 전처리, 혐기성 소화에 대한 이해 부족, 유기물부하, 낮은 메탄회수율, 소화조 운영 경험미숙 등의 기술적 한계로 인한 운영상 어려움을 격고 있는 실정이다. 따라서 해양배출 금지라는 측면과 더불어 기술･경제적인 측면에서도 음폐수를 바이오가스로 전환․자원화하기 위한 혐기성 공정의 개발이 시급한 상태이다. 본 연구에서는 “고순환형 고온 혐기성 소화공정(N-HTAD, High circulating type Thermophilic Anaerobic Digestion System)” 이라 불리우는 고농도 유기성 음폐수의 처리공정을 개발하였으며, 공정구성은 음폐수 유입 → 음폐수집수조 → 음폐수집진기 → 산생성조 → 메탄생성조 → 가압부상조 → 연계처리조 → 방류의 순서로 이루어져 있다. 또한 본 연구에서는 실증시설(음폐수 처리 설계용량 258.4㎥/일)의 실험을 통해 N-HTAD System의 음폐수 처리특성 및 효율을 평가하였으며, 그 결과는 다음과 같다. 1. 음폐수 일일 평균 투입수량은 261.8㎥였고, 이에 따른 VS 평균 부하량은 11,906kgVS/일, VS 평균 제거율은 86.6%로써 이때 바이오가스 생산효율은 1.15㎥/kg투입VS와 1.18㎥/kg제거VS로 나타났다. 2. 본 처리공정에서는 33.6~63.4㎥/㎥음폐수(평균 50.4㎥/㎥음폐수, 표준편차 6.3㎥/㎥음폐수)의 범위로 바이오가스가 발생되었고, 메탄(CH4)함량은 64.1~69.6%(평균 66.9%, 표준편차 1.4%)로서 시스템이 매우 안정적으로 운전되고 있음을 보여주었다. 3. 약 12개월의 실증실험 기간 동안에 산생성조와 메탄생성조의 pH는 각각 5.0~5.8 및 7.2~7.7이고 온도는 각각 55±2℃및 54±2℃로써 자동계측․제어장치를 통해 이들 운전인자들의 안정성을 높일 수 있었다.

According to the elementary analysis on organic wastes, the C/N ratio, a major condition for anaerobic digestion, is 5.40 to 9.23, except for food waste leachate (FWL). Defined by Tchobanoglous’ mathematical biogas prediction model, methane gas and biogas productions increased, depending on the mixing rate of FWL. Furthermore, anaerobic digestion both wastewater sludge and food waste leachate based on the right mixing ratio, increases methane gas productions compared to digesting wastewater sludge alone. In other words, co-anaerobic digestion is more likely to realize biogasification than single anaerobic digestion. We mix food waste leachate and wastewater sludge from the dairy and beer manufacturing industry by the proportion of 1 : 9, 3 : 7 and 5 : 5. It turns out that they produced 118, 175 and 223 CH4 mL/g VS in the dairy manufacturing and 176, 233 and 263 CH4 mL/g VS in beer manufacturing of methane gas. The result suggests that as the mixing rate of food waste leachate rises, the methane gas productions increases as well. And more methane gas is made when co-digesting wastewater sludge and food waste leachate based on the mixing ratio, rather than digesting only wastewater sludge alone. Modified Gompertz and Exponential Model describe the BMP test results that show how methane gas are produced from organic waste. According to the test, higher the mixing rate of food waste leachate is, higher the methane gas productions is. The mixing ratio of food waste leachate that produces the largest volume of methane gas is 1 : 9 for the dairy industries and 3 : 7 for brewery. Modified Gompertz model and Exponential model describe the test results very well. The correlation values (R2) that show how the results of model prediction and experiment are close is 0.920 to 0.996.

수중생태계는 하수방류수와 비점오염원 등에 의해 유입되는 다양한 유기물질로 인해 물속에 질소(N), 인(P)과 같은 영양물질이 많아짐으로써 부영양화를 초래하게 된다. 특히 산업폐수나 축산폐수와 같이 고농도의 암모니아를 함유하고 있는 폐수의 경우에는 수계에 방출되기 전에 충분한 처리가 필수적이다. 또한 고농도의 유기물을 함유한 축산폐수나 음식물 쓰레기와 같은 폐기물을 처리하는 기술인 혐기성 소화 공정의 운전에서 암모니아는 공정운영에 있어 선택적인 제거가 필요한 실정이다. 제거 방법 중 하나는 암모니아 stripping 방법이 모색되고 있다. 암모니아 스트리핑 방법은 유입 하폐수의 pH를 10~11 이상으로 높인 후, 수중의 암모늄이온(NH4)을 암모니아 기체 분자(NH3)형태로 변형시켜서 공기와 접촉시켜 제거하는 방법이다. 그 중 pH는 자유 암모니아의 분율을 결정하는 매우 중요한 인자이다. pH가 8.0이하에서는 free암모니아의 비율이 10%미만일 경우 air stripping에 의한 암모니아 탈기는 거의 이루어지지 않으며 반면 pH가 10이상에서는 거의 90%이상이 free 암모니아로 존재하여 암모니아 탈기효율을 증진시키기 위해서는 가능한 pH를 높여야 한다. pH가 10이상으로 높아질수록 암모니아 탈기효율은 증가되지만 pH 10 이전보다 매우 많은 양의 pH 조절제(NaOH, CaCO3)가 사용된다. 기초 실험 결과 pH 조절제 각각의 단일 사용 보다 혼합 주입 시 pH 증가에 필요한 사용양이 감소하였다. 따라서 pH증가를 위한 혼합 첨가제의 최적비율과 경제적 사용양의 확인을 위해 적정 pH값을 12로 설정하여 실험 하였다. 본 연구는 pH 8.3, NO3-N 1.56mg/L NH4+-N 1,135mg/L의 음폐수를 원수로 사용하였고, 원수 1L 당NaOH는 0, 1.5, 3.0, 4.5, 6.0, 7.5, 9.0, 10.5일 때, CaCO3 각각 0.3, 0.6, 0.9, 1.2, 1.5의 비율로 혼합하였다. 혼합비율에 따른 암모니아 스트리핑 반응조 실험결과 pH를 12까지 높이는데 필요한 NaOH와 CaCO3의 경제적인 최적의 비율은 15:1로 나타났다.

2013년 폐기물 해양배출 금지로 인하여 음폐수 육상처리가 의무화되었으며, 그로 인하여 음폐수 육상처리방안에 대한 새로운 방안들이 제시되고 있다. 음폐수와 같은 고농도의 폐수는 많은 유기물을 함유하고 있기 때문에, 이러한 유기물로부터 에너지를 회수하는 방안들이 연구되고 있으며, 그중 하나가 미생물 에너지 전환기술이다. 미생물연료전지는 혐기성 조건에서 미생물을 이용하여 유기물질을 에너지발생원으로 이용하여 전기를 생산한다. 따라서, 화학에너지를 전기에너지로 변화시키므로 별도의 오염물질을 발생시키지 않아 친환경 에너지 전환기술로 주목 받고 있다. 본 연구에서는 Single Chamber인 미생물연료전지를 이용하여 음폐수 초기 pH 및 기질교체율에 따른 미생물 연료전지의 성능에 대해 알아보기 위하여 실험을 진행하였다. 대상폐수는 수도권매립지관리공사 내 음폐수처리장 혐기성소화조 처리수(pH 7.56, SCODcr 956 mg/L)를 사용하였다. 산화전극과 환원적극으로 각각 Graphite felt, Carbon cloth를 사용하였으며, 분리막은 Ceramic막을 사용하였고, 외부저항 1,000Ω, 운전온도 35℃이었다. 실험은 초기 pH를 5~9로 설정하여 batch로 진행하였으며, 그 결과 중성 조건 즉, pH 6, 7에서 전력발생량이 가장 안정적으로 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 기질교체율을 1%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%의 경우로했을 경우, 10%일 때 기질교체시 충격부하에 의해 미생물연료전지의 성능이 저하되는 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로, 기질교체율을 충격부하의 영향을 받지 않는 1%, 2%, 4%, 6%, 8%로 설정하였고 초기 pH를 6~7로 조절하여 각 pH 별 기질교체율에 따른 미생물연료전지의 전력발생량을 비교하였다. 실험은 매일 같은 시간 기질을 교체하는 Fed-batch로 진행하였다. 음폐수 초기 pH 및 기질교체율에 따른 미생물연료전지의 성능을 비교한 결과, pH 6일 경우 기질교체율 1%, 2%, 4%, 6%, 8%에서 평균 0.552 V ~ 0.605 V의 범위를 보였으며, 최대값은 기질교체율 6%에서 나타났다. 또한 pH 7, 기질교체율 1%, 2%, 4%, 6%, 8%에서 전력발생량은 평균 0.486 V ~ 0.569 V의 범위이었으며 pH 6의 경우와 마찬가지로 기질교체율 6%에서 최대값을 나타내었다.