우리나라는 에너지 다소비적인 산업구조로 인해 화석연료의 의존도가 높다. 에너지의 약 97%를 수입에 의존하고있는 현 시점에서 우리나라는 국제 어네지가격의 급등에 취약할 수밖에 없다. 이러한 국가적 문제를 해결하기 위해 유기성폐기물의 에너지화기술이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 고농도 유기성 폐기물인 돈분뇨와 음식물류폐기물의 전처리를 통해 액상의 고농도유기물만을 중온혐기성소화조에서 병합처리하여 대체 에너지원인 바이오가스를 생산하는 Pilot Plant의 소화효율을 검토하였다. 혐기성소화조에 투입되는 유기물(VS)농도와 원료배합에 변화를 주어 투입되는 유기물의 용적부하(OLR)를 조절하여 변화에 따른 바이오가스 생산량 및 메탄농도, 메탄수율을 분석하여 혐기성소화 효율을 검토하였으며, 각 CASE별 TS, VS농도는 다음과 같다. 분석결과 투입원료의 유기물(VS)량에 따른 바이오가스 발생량은 CASE1에서 유기물(VS)은 평균 2.69%으로 분석되었으며, 이에 따른 바이오가스 발생량과 메탄농도는 평균 0.45 m³/day, 57%로 나타났다. CASE 2는 유기물(VS) 평균 농도가 1.48%, 바이오가스 발생량과 메탄농도가 평균 0.45 m³/day, 56% 그리고 CASE 3에서는 유기물(VS)농도, 바이오가스발생량, 메탄농도가 각각 6.13%, 0.36 m³/day, 59%로 나타났으며, 이 때 CASE1, 2, 3 각각의 유기물 용적부하는 0.54kg･vs/day･m³, 0.3kg･vs/day･m³, 1.23kg･vs/day･m³으로 나타났다. CASE1과 CASE2에 비해 CASE3에서 투입원료의 VS농도가 6.13%로 높은 농도의 유기물이 투입되어 용적부하가 높게 나타났다. 이에 따라 바이오가스 발생량이 다른 실험군에 비해 줄어든 것이 확인되었으며, CASE1, 2, 3 각 실험군의 메탄수율은 0.55 m³/kg･vs, 0.52 m³/kg･vs, 0.4 m³/kg･vs로 CASE1, CASE2의 수율은 CASE3 대비 약 1.4배, 1.3배 높게 분석되었다. 본 연구를 통해 유기물의 용적부하가 증가함에 따라 바이오가스 발생량과 메탄수율이 줄어든 것을 확인 할 수 있었으며, 유기물부하에 따른 소화효율 변화를 검토하여 적절한 유기물부하를 찾아 소화상태 및 조건 등을 고려하여 최적 유기물부하를 결정하고 실험을 진행한다면 좀 더 나은 소화효율을 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 적정한 유기물부하가 혐기성소화 소화효율에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

지난 수십년간 미세조류 바이오매스를 활용하기 위한 여러 가지 시도들이 있었다. 대표적인 사례로 식품첨가제, 건강보조식품 원료, 바이오 디젤, 바이오 메탄 생산 등에 이용되어 왔으며 적용 분야가 광범위한 것이 미세조류의 특징이라고 할 수 있다. 그 중 혐기성 소화공정은 미세조류를 기질로 이용하여 메탄가스를 생성함으로써 미세조류 내에 고정된 에너지를 회수할 수 있다. 하지만 혐기성 소화는 긴 체류시간이 요구되는 단점이 있으며, 대부분의 경우 가수분해 반응이 전체 과정 중에서 율속 단계인 것으로 알려져 왔다. 이에 따라 가수분해속도를 증가시키기 위한 전처리 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 미세조류(microalgae)를 혐기소화공정에 적용하고자 할 때, 혐기성 소화 효율을 높이기 위한 전처리 방법으로 열수처리공정을 이용하였으며, 이를 확인하기 위해 메탄 잠재량 분석방법(BMP; Biochemical Methane Potential)을 수행하여 바이오가스 생산량 비교와 메탄 생산량 등을 분석하였다. 또한 전처리에 의한 고형물 감량 효과를 측정하기 위하여 휘발성 고형물 감량율(VSR; Volatile solid reduction)을 분석하였으며 탈수성을 평가하기 위해 CST(Capillary Suction Time)를 측정하였다. BMP test 결과 열수처리 온도 280℃에서 전처리한 미세조류의 가스 발생량이 전처리 하지 않은 미세조류의 가스 발생량에 비하여 약 2배 가량 증가한 240mL-biogas/g-VS으로 가장 높은 바이오가스 발생량을 보였으며 전처리에 따른 탈수성의 변화는 뚜렷한 차이를 확인할 수 없었다.

혐기성소화기술은 지난 백여년 이상동안 많은 연구자들에 의하여 연구되어 온 전통기술로서 최근 지구온난화 문제가 전 세계적인 이슈로 부상하면서 새롭게 조명 받고 있다. 그러나, 혐기성소화기술은 여전히 메탄생성균의 느린 성장속도와 환경인자에 대한 민감성에 기인하여 20일 이상의 긴 체류시간을 필요로 하고 유기물감량율이 낮으며, 운전조건이 까다롭다는 단점을 지니고 있다. 최근 들어 환경생물전기화학자들에 의해 연구되기 시작한 생물전기화학기술(Bioelectrochemical technology)을 혐기성소화공정에 활용하면 메탄생성반응과 가수분해반응을 크게 촉진시킬 수 있어 전통적인 혐기성소화기술의 단점들이 상당 부분 극복할 수 있다. 혐기성소화공정에 활용하는 생물전기화학기술은 소화조 내에 설치하는 산화전극과 환원전극으로 이루어지며, 외부회로에 의하여 서로 연결된 산화전극과 환원전극 사이에 외부전원을 이용하여 전압을 인가하여 일정한 전위차가 유지되도록 한 미생물전해전지(Microbial electrolysis cells, MECs)의 형태이다. 혐기성소화조에서 전기적으로 활성을 가진 미생물들은 유기물이나 유기산을 빠른 속도로 분해하여 전자와 양성자를 생성하며, 전자는 산화전극으로 전달된 뒤 외부회로를 통하여 환원전극으로 이동한다. 환원전극의 표면에서는 전자와 양성자 또는 전자와 양성자 및 이산화탄소가 반응하여 수소나 메탄과 같은 바이오가스가 생성된다. 본 연구에서는 완전혼합형 혐기성소화조에 생물전기화학장치가 설치된 반응조 (Bioelectrochemical anaerobic digestion, BEAD)을 이용하여 수리학적 체류시간에 따른 PTA 폐수의 처리특성을 평가하였다. PTA (purified terephthalic acid) 폐수는 A 산업에서 채취한 것으로서 COD 값이 약 6,000-8,000mg/L였으며, 주요 구성성분은 terephthalic acid, p-toluic acid, benzoic acid, acetic acid 등이었으며, pH는 5-6이었다. 먼저, 실험에 사용한 산화전극 및 환원전극은 흑연직물 섬유의 표면에 탄소나노튜브를 초음파분산법으로 고정하여 제작하였다. 교반기가 설치된 유효부피 15L의 원통형 혐기성 소화조에 산화전극과 환원전극을 각각 설치하였으며, 산화전극과 환원전극 사이에 0.3V의 전압을 인가하였다. 하수슬러지를 이용하여 운전 중인 생물전기화학장치가 설치된 혐기성소화조에서 유출 슬러지를 초기 운전을 위한 식종균으로 사용하였으며, PTA 폐수를 1일 1회 정량 주입하여 수리학적 체류시간을 20일로 유지하였다. 소화조가 안정화되었을 때 수리학적 체류시간을 단계적으로 10일, 5일, 2.5일 그리고 1.25일 까지 변화시키면서 총 바이오가스발생량 및 메탄함량, COD 제거율과 전류의 변화 등을 관측하였다. 생물전기화학장치가 설치된 혐기성소화조의 COD 감량율은 수리학적 체류시간에 관계없이 약 60%로서 보였으며, 바이오가스의 메탄함량(%)은 80% 이상을 유지하였다. 그러나, 메탄발생량은 수리학적 체류시간의 감소에 따른 유기물 부하율 증가에 비례하여 증가하였다. 그러나, 외부회로의 전류와 메탄가스 발생량으로부터 계산한 쿨롱효율은 수리학적 체류시간이 감소에 따라 오히려 증가하였다. COD 제거율, 바이오가스의 메탄함량 및 메탄가스발생량으로 평가한 생물전기화학장치가 설치된 혐기성소화공정의 안정성은 수리학적 체류시간 20일부터 1.25일의 범위에서 영향을 받지 않았다.

본 연구에서는 교내 기숙사 식당에서 분리 수거된 음식물류 폐기물을 침출수 순환형 혐기성 소화 공정을 이용하여 신재생 에너지인 메탄가스를 최종적으로 얻기 위한 연구를 수행하였다. 침출수 순환형 혐기성 소화 공법은 혐기성 반응조에서 발생하는 침출수를 고액 분리하여 펌프(Cole-parmer Instument Co. Model No.7520-10)를 이용해 1일 1회 10mL/min의 유량으로 침출수 수집조에 수집하였다가 침출수 인발 완료 후 동일한 유량으로 반응조로 재순환 시켜 반응조 내부의 미생물의 활동을 활발하도록 하였다. 그 결과 기존의 혐기성 소화 공법에 비해 높은 메탄가스 수율을 보였다. 음식물류 폐기물을 이용한 침출수 순환형 혐기성 소화 실험은 메탄가스를 효율적으로 생산하기 위해 음식물류 폐기물/식종 혐기성 슬러지 비와 유기물 부하율을 각각 달리하여 실험을 실시하였다. 음식물류 폐기물/식종 혐기성 슬러지 비가 2:8이고 유기물 부하율이 9 gVS/L인 침출수 순환형 음식물류 혐기성 소화 반응조의 메탄가스 발생 수율이 평균 1.395 m³ Biogas/kg VS added로 가장 뛰어났고, 반응종료 시 가스 중 H2S 및 NH3의 농도는 초기값에 비해 각각 98% 및 80%정도 저감되었다. 이에 비해 음식물류 폐기물/식종 혐기성 슬러지 비가 3:7이며 유기물 부하율이 15 gVS/L인 반응조와 음식물류 폐기물/식종 혐기성 슬러지 비 8:2, 유기물 부하율 90 gVS/L인 반응조에서는 메탄가스 발생이 진행되다가 유기물 과부하로 인해 반응이 멈추는 결과를 얻었다.

The objectives of this research was to evaluate the anaerobic digestibility of waste activated sludge (herein after WAS)and waste beverages (herein after WB) in beverages manufacturing industry using actual plant under various conditions.In this study, anaerobic digestion with WAS and WB were evaluated according to different operating conditions. As thebasis operating conditions for anaerobic digestion, the reaction temperature was controlled at 35 and hydraulic retentiontime 30 days. WAS and WB were mixed at the ratio of 1:0, 9:1, 8:2, 7:3, 5:5, Respectively. The organic loadingrate (herein after OLR) was maintained less than 0.5kgVS/m3·day. Biogas productivity in accordance with VS was fedat the each mixing ratio with WAS and WB was increased from 0.92Nm3/kg VSfeed to 1.28Nm3/kg VSfeed, except mixingratio 5:5 (0.19Nm3/kg VSfeed). Also Biogas productivity in accordance with VS was removed at the each mixing ratiowith WAS and WB was increased from 1.13Nm3/kg VSrem to 1.81Nm3/kg VSrem, except mixing ratio 5:5 (0.35Nm3/kg VSrem). It was judged that pH was reduced with WB addition. From the results, it was judged that anaerobic digestionusing WAS and WB could be feasible.

The objectives of this research was to evaluate the anaerobic digestibility of waste actizvated sludge (WAS) and wastebeverages in beverages manufacturing industry using BMP test under various conditions. Also, the effects of physical(ultrasonic) and biological (lactobacillus) solubilization process on anaerobic digestibility of WAS were thoroughlystudied. The soluble chemical oxygen demand (SCODCr)/total chemical oxygen demand (TCODCr) ratio of WAS was 0.15but the SCODCr/TCODCr ratio after solubilization was increased 17.5% by ultrasonic, 18.8% by lactobacillus respectively.The results of BMP test, methane gas productivity as mixing ratio of WAS and waste beverages were 156ml CH4/gCODCr,164ml CH4/gCODCr and 182ml CH4/g CODCr, respectively 9:1, 8:2, 7:3 before the solubilization of WAS. As themixing ratio of waste beverages increase, VFAs concentration and methane productivity was increased. Also, methanegas productivity as mixing ratio after the solubilization of WAS using ultrasonic and lactobacillus was increased3.3~11.3%, 11.1~15.2% respectively. From the results, it was judged that anaerobic digestion using WAS and wastebeverages could be feasible.

Seaweeds are received high attending as one of new and renewable energy sources. In this study, the effects of organic loading rate (OLR) and hydraulic retention time (HRT) on anaerobic digestion with Laminaria japonica were investigated using labrotory-scale semi-continuous stirred type reactors. The results demonstrated that anaerobic digestion of Laminaria japonica performed stably with OLRs in the range of 1.00 ~ 1.50 g-VS/L⋅d and HRTs in the range of 27 ~ 40 days. The maximum methane production obtained was 251.33 mL-CH4/L⋅d, which was achieved for an OLR of 1.50 g-VS/L⋅d and a HRT of 27 days. However, an OLR of 1.75 g-VS/L⋅d and a HRT of 23 days brought about a decrease in the pH and volatile fatty acids (VFAs) accumulation, causing the destabilization of the reactor and process failure. The reactors operated at a constant influent substrate concentration, i.e., 40 g-VS/L, thus OLR and HRT could not be treated separately and independently. According to the limited results of this study, it seems that the suitable OLR of anaerobic digestion of Laminaria japonica was lower than 1.50 g-VS/L⋅d and suitable HRT was higher than 27 days.

This study has cross checked the change of internal sludge-recycle in Anaerobic-Digestion, and researched about not only the improvement of Bio-gas production from the digested sludge but also the efficient method of sludge minimization. Ultimate object of the study is to reduce the amount of sludge by the improved efficiency of contact with the organic-matter and the microbes in Anaerobic-Digestion. The sludge-recycle fluidized sludge layer and raised the activity of the sludge, the optimal sludge-recycle ratio, VS and COD removal ratio were 1,000%, 28.2% and 27.7%, respectively. Through these results of this study, it may be of use to treat waste sludge by the sludge-recycle ratio in terms of minimization and circulation of resources.

Anaerobically treated food wastewater still contains high concentration of organic carbon and nitrogen. Consequently,subsequent treatments are needed to meet the effluent criteria of wastewater. Injection of treated food wastewater into awaste landfill body could be one alternative for its subsequent treatment. In this study, preliminary experiments wereconducted to inject treated food wastewater into waste landfill body. Firstly, Biochemical Methane Potential (BMP) testwas conducted to evaluate the methane generation potential of the injected food wastewater. Secondly, anaerobicallytreated food wastewater showed clogging problem during the initial stage of laboratory scale lysimeter injectionexperiment. Accordingly, pretreatments were needed, and we experimented the change of viscosity of the wastewater afterchemical injection (1N acid or base solution) or aeration of wastewater. From the results, BMP for the treated foodwastewater showed 373.8mL CH4/g VS, which was 53% of untreated food wastewater’s. Practically feasible solution toreduce the viscosity of treated food wastewater was 1 day aeration before injection into the waste landfill body.

In this study, waste landfill site was used as a bioreactor landfill for the treatment of anaerobically digested foodwastewater, and a basic study on waste landfill injection of anaerobically digested food wastewater was conducted. To studythe effect of different operating condition on the quality of lysimeter leachate, 3 lysimeters were operated at differentcondition (i.e., Lys 1=no recirculation, Lys 2=leachate recirculation, Lys 3=leachate recirculation after one day aeration),and the results of leachate quality were as followings. pH Level of leachate became similar to the digested food wastewaterafter 63 days of operation(equivalent to the 11.2% of bed volume) and Cl- concentration of leachate was higher than injectedfood wastewater during whole 6 months of operation period. Leachate COD showed stable values after 70 days of operation,and reduction rate of COD concentration after 6 months was 86%, 89, and 90% for Lys 1, Lys 2, and Lys 3, respectively.The reduction rates of TKN concentration were 19, 28, and 65% for Lys 1, Lys 2, and Lys 3. Lys 3 showed the mosteffective TKN reduction. Leachate recirculation after one day aeration resulted effective reduction of cumulative COD andTKN mass, which were 61% and 40% respectively, compared to the no recirculation case.

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.

본 연구에서는 혐기성 소화조에서 발생하는 이산화탄소를 충전탑으로 유입하여 MEA, DEA 및 AMP의 화학적 흡수제의 농도변화에 따른 이산화탄소 제거 효율을 검토하여 혐기성 소화조 내에 적용 가능성을 판단하는데 그 목적이 있다. 본 연구에서 실험에 사용된 충전탑은 유리제 Raschig Ring 6×6 mm를 충전한 직경 50 mm, 충전 높이 1.40 m를 사용하였으며, 액체부하는 20 ℓ/hr, 가스부하는 130 ℓ/hr로 고정하여 CO2의 농도를 10%, 20%, 30%로 주입하였을 때 MEA 10% 및 20%에서와 AMP 10의 CO2 제거율을 관찰하였다. 또한 Packed Tower의 지름은 0.288 m, 충전층의 높이는 1 m이며, 실험시스템은 Air, Air/Water 및 Air-CO2/MEA 흡수제로 하였다. 실험결과에 대한 평가는 계산 프로그램을 통하여 추출하였으며, 분리작용 HTUov, 통과단위수 NTUov, 그리고 정확한 농도계산은 측정을 통하여, 가스 그리고 액체부하를 변화시킴으로써 측정범위를 파악하였다. 실험 결과, MEA의 경우 흡수액 농도, 유입 CO2 농도가 높을수록 빠른 파과시간을 가짐을 알 수 있었고, MEA 10%, DEA 10%, AMP 10% 농도에서의 흡수속도는 MEA, DEA, AMP의 순으로 나타났으며, 흡수부하는 AMP, DEA, MEA의 순으로 나타났다. 그리고 흡수액의 모든 혼합비 및 온도 조건에서 MEA의 첨가량이 높아질수록 CO2의 흡수효율이 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 실험결과를 바탕으로 혐기성 소화조에 적용할 CO2 흡수 충전탑 내의 흡수액은 MEA을 적용할 경우 가장 높은 효율을 가지는 것으로 판단되었다.

폐기물 매립정책은 단순 매립위주에서 자원화, 에너지화로 폐기물 처리 페러다임이 변화하고 있다. 폐기물 에너지화를 위한 바이오가스는 유기물이 산소(O₂)가 없는 극도의 환원상태에서 미생물에 의해 분해되면서 생성되는 메탄(CH₄), 이산화탄소(CO₂), 기타 황화수소(H₂S), 수소(H₂), 수분, 휘발성지방산(VFA) 가스를 포함하는 기체 혼합물을 말한다. 바이오가스 생성 반응은 자연적으로 일어나는 미생물 반응으로 바이오가스가 생산되는 조건(온도, pH, 알칼리도 등)을 제어하여 공정화한 것이 혐기성 소화공정이다. 혐기성 소화공정은 기본적으로 산생성 단계(Acidogenesis), 메탄생성 단계(Methanogenesis)의 2단계로 나눌 수 있으며, 메탄생성단계에서 아세트산(acetic acid)과 수소 등의 유기물이 메탄으로 전환되면서 실질적인 안정화(stabilization)가 이루어진다. 각 단계에서 작용하는 미생물은 생리적인 특징 및 요구 영양이 다르기 때문에 외부의 조건이 바뀌면 두 생물군 사이의 균형이 깨어져 전체 공정의 효율이 저하된다. 따라서 혐기성 소화공정은 반응조를 산생성 단계와 메탄생성 단계의 두 개의 반응조로 구분하는 2단계 발효(fermentation)공정이 합리적일 것이다. 전통적인 1 단계의 반응공정(1상법)에서는 하나의 반응조에서 산생성과 메탄생성이 동시에 일어나기 때문에 산생성 단계와 메탄생성 단계를 최적 상태로 조절하는 것이 불가능하고, 외부에서 유입되는 원수성상의 변화에 민감하게 반응하여 안정성이 깨지는 문제가 있었다. 이에 반하여, 2상법은 각 단계에서 적합한 환경조건을 용이하게 유지시켜 줄 수 있고, 메탄 반응조의 부하율(loading rate)을 적절히 조절하고, 저급 지방산(fatty acid)의 축적에 의해 급속한 pH의 저하를 방지하여 메탄발효의 저해를 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 2상법은 반응조를 별도로 구비해야 하는 점, 그에 따라 제1 반응조로부터 제2 반응조로 이송을 위한 시스템이 요구되는 점 등 비용면에서 불리하고, 각 반응조의 반응조건을 별도로 조절하여야 한다는 번잡한 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 에너지자원화를 위해 구조적으로 간단한 혐기성소화조를 구성하여 음식물류 처리시 발생하는 탈리액(음폐수)를 처리시 일체형 혐기성소화와 2단 혐기성소화공정의 비교 연구를 통해 기질 제거특성 및 바이오가스발생 특성(CH₄, CO₂ 함량 및 발생량)을 비교하였다.

고유가 및 국제적 환경규제 강화와 더불어 우리나라는 2013년 온실가스 감축 의무대상국으로의 편입이 가시화되고 있다. 따라서 농업분야의 신재생에너지 사업기반 마련을 위해 가축분뇨를 비롯한 농축산바이오매스의 혐기성소화 방식을 통한 바이오가스 생산 및 에너지화 기술 개발의 필요성이 증대되고 있다. 또한 농업부문의 급속한 시장개방으로 외국산 축산물의 수입이 본격화됨에 따라 국내 축산업의 경쟁력 제고와 축산업 과정에서 필연적으로 발생하는 가축분뇨의 해양배출 금지에 대비한 육상처리시설 기반 확보가 필요하다. 가축분뇨 및 농축산바이오매스의 혐기성소화 기술 적용은 장래 해양배출 금지에 따른 처리시설 기반확보와 동시에 온실가스를 저감하는 환경적 기능, 메탄가스와 같은 재생에너지 생산 그리고 소화슬러지는 퇴･액비화 후 양질의 유기질 비료로 활용하는 등 자원순환 기능을 동시에 달성할 수 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 가축분뇨 및 농축산 바이오매스를 대상으로 회분식 혐기성소화 실험을 통해 각 연구대상 통합시료의 분해속도 및 생분해 특성을 평가하고, 가축분뇨 및 농축산바이오매스의 혐기성통합소화 플랜트 설계 기초자료를 제시하고자 하였다. 혐기성 통합 소화 대상 농축산바이오매스는 동계사료작물 청보리, 하계사료작물 사료용 옥수수, 가축분뇨는 우분을 연구대상으로 하였다. 가축분뇨와 Energy Crop의 혼합비는 VS기준으로 60 : 40이었으며, 식종균은 D시의 하수처리장의 중온혐기성소화균을 채취하여 순응적응시켜 이용하였다. 최종생분해도평가는 Graphical Statistic Analysis Method와 BMP Test를 적용하였다. 실험기간 120일동안 우분의 최종생분해도는 72~73%이었으며 가축분뇨와 사료작물의 혼합비 60:40 조건에서 우분+옥수수 통합시료는 83~85%, 우분+청보리 통합시료는 80%의 최종생분해도를 나타내었다. 우분의 전체 생분해성 유기물 중 빠르게 분해되는 분율(S1)은 78%으로 k1(0.087day-1)의 속도로 25일 안에 빠르게 분해하였으며, 느리게 분해되는 S2 분율은 22%로써 k2(0.004day-1)의 속도로 95일의 긴 시간동안 분해하였다. 우분+사료용 옥수수 통합시료(혼합비 60:40)의 S1은 25일 동안 BVS 중 80%가 0.090day-1(k1)의 속도로 빠르게 분해하였으며, S2는 95일 동안 k2, 0.004day-1의 속도로 BVS의 20%가 분해되었다. 우분+청보리 통합시료(혼합비 60:40)의 S1은 30일 동안 BVS 중 76%가 0.069day-1(k1)의 속도로 빠르게 분해하였으며, S2는 90일 동안 k2, 0.009day-1의 속도로 BVS의 24%가 분해되었다.

음식물류폐기물을 처리하는 방법 중 혐기성소화 공정은 부산물로서 메탄이 주성분인 바이오가스를 얻을 수 있기 때문에 국내･외에서 적용하는 사례가 크게 증가하고 있는 추세이다. 따라서 본 연구에서는 남양주시에서 발생하는 음식물쓰레기를 대상으로 고온(55±2℃) 2상 혐기성 소화조를 운전하였다. 산 발효조와 메탄 발효조 내부는 상부 스컴 수집용 Blade가 설치되어 있으며, 상ㆍ하부의 완전 교반 및 순환으로 미생물 접촉시간 증대에 따른 고효율 유기물 제거를 확보할 수 있는 원형 내부 격벽 설치 구조로 되어있다. 또한 내부 격벽 내 저동력 다단형 교반기(VVVF 적용)가 설치되었다. 발생하는 바이오가스 중 제습을 위한 Water trap과 황성분을 제거하기 위해 건식탈황장치를 설치하였다. 정제된 바이오가스는 보일러의 연료로 사용되어 혐기성 소화조 가온에 이용하였으며, 잉여 steam은 소각시설에서 발생하는 steam과 혼합되어 판매하였다. 실증 Plant 운전결과 소화조로 유입되는 음식물의 평균 VS 농도는 76,033mg/L였으며, 평균 VS 제거율은 78.1%로 나타났다. 바이오가스 평균 발생량은 1,079Nm³/day이며, 메탄생성율은 0.7m³/kgVSremoved임을 확인하였다.

N과 P가 다량으로 함유된 가축폐수, 혐기성 소화조 상등액, 하수처리장 반려수 등 각종 폐수 중의 N, P를 struvite 결정화 반응을 통하여 제거하기 위한 연구가 진행되어왔다. 선행연구에 따르면 struvite 생성에 영향을 미치는 인자로는 Mg2+ : NH4+ : PO43- 의 몰비, 폐수의 pH, 온도 등 다양한 인자가 있으며, 이중 용액의 pH가 struvite 결정화에 주요 인자로 제시된 바 있다. 선행연구에 의하여 struvite의 용해도가 pH가 8.5 - 9.5 범위에서 가장 낮게 나타난다고 알려져 있다. 이러한 이유로 struvite 결정화를 위해서 폐수의 pH를 8.5 - 9.5사이로 조절하기 위하여 폐수에 알칼리(NaOH)를 주입하였으며, 이에 따라 많은 약품비가 소요된다. Cohen and Kirchmann에 의하여 aeration을 하여 폐수 중의 용존 CO2(HCO3-이온)을 줄임으로서 폐수의 pH를 최대 8.53까지 상승시킬 수 있다는 연구결과가 보고되었다. 또한, struvite 결정화연구에서 알칼리를 주입하는 대신 폐수에 aeration하여 폐수의 pH를 상승시키는 방안에 대한 연구도 수행되었으며, 그 결과로 알칼리 사용량을 줄여 약품비를 절감할 수 있다고 보고된 바 있다. 최근 jet loop reactor에서 폐수 중 암모니아를 stripping하거나, CO2를 흡수시켜 고알칼리 폐수의 중화하는 연구가 수행된 바 있으며, Jet loop reactor가 기-액간 반응에서 타 반응기에 비하여 효과적이라고 보고하였다. Jet Loop Reactor는 노즐을 통하여 공기를 주입함으로써 폐수 중의 CO2, NH3를 탈기시킴으로써 폐수의 pH가 상승하여 약품비 절감이 가능하고, 일부 질소저감효과가 있을 것으로 판단되며, 반응기 내의 재순환으로 인하여 갖는 높은 난류강도, 고-액간의 넓은 접촉 면적과 긴 접촉시간에 의하여 Struvite의 생성과 성장을 촉진시킬 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 Struvite생성을 통하여 T-P, NH3를 다량 함유하고있는 폐수 중의 N, P를 제거하는 연구에 최적의 반응기라 판단되는 jet loop reactor를 적용하여 T-P, NH3-N의 제거율을 측정하였다. 그 결과로 Jet Loop Reactor를 이용함으로써 폐수 중 HCO3-를 탈기시킴으로써 폐수의 pH가 7.2에서 8.0까지 상승하였다. 또한 Mg 공급원으로써 MgO를 섞어서 주입할 경우 폐수의 pH는 추가로 상승하는 것을 확인하였으나, MgO의 용해도가 Mg 필요량에 비하여 작기 때문에 다른 공급원과 섞어서 주입할 필요가 있음을 확인하였다. 또한 Jet Loop Reactor 내부의 이유체 노즐에 의한 지속적인 Aeration과 미세하게 형성된 기포들에 의하여 반응기 내부에서 높은 난류강도가 형성되고 이에 따라 Struvite 결정화가 촉진되는 것으로 나타났다.

본 연구는 돈분뇨를 유입수로 하는 퇴비화 공정 중에서 혐기성 소화조의 상등액의 질소와 인의 제거를 위하여 Mg2+의 주입량, pH, 반응시간, 교반속도와 같은 인자를 달리하여 실험하였다. Struvite 형성을 위한 Mg2+ 주입원으로 MgSO4를 사용하였다. 모든 실험은 상온에서 이루어졌으며 교반속도 인자 실험을 제외하고 100 rpm의 속도로 교반하여 실험하였다. Struvite 형성을 위한 최적 pH 조건을 알아보기 위하여 Mg2+: PO43-의 몰비를 1:1로 하여, pH 8부터 13까지 변화를 주고 질소와 인의 최대 제거율을 보이는 최적 pH를 알아보았다. Mg2+의 최적 주입량을 결정하기 위해 최적 pH에서, Mg2+ 주입 몰비를 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 그리고 1.5(mole Mg2+/mole PO43-)로 변화시켰다. NH4+의 경우 Mg2+의 몰비가 커질수록 제거율이 높아졌다. 반면, PO43-는 1몰 반응일 때와 1.1 몰 이상의 반응일 경우에 큰 차이가 없으므로 1:1의 몰비로 struvite 형성을 유도하였다. Struvite 형성을 위한 반응시간 및 교반 속도에 의한 질소와 인의 제거율을 알아보기 위해 10분, 1시간 그리고 24시간의 반응시간과 100 rpm 그리고 200 rpm의 교반속도를 달리하여 실험한 결과 24시간의 반응시간에서 가장 높은 질소와 인의 제거효율을 나타냈으며, 교반속도와 반응시간 10분과 1시간의 경우 질소와 인의 제거효율에 큰 영향을 미치지 않았다.

휘발성 지방산(Volatile Fatty Acids, 약자 VFAs)은 유기화합물이 생물학적으로 분해될 때 생성되는 화합물로 한 개의 카르복실 말단기와 C2-C7의 탄소로 구성되는 지방족 산으로 휘발성을 가진 저급 지방산을 총칭한다. 최근 해양투기가 전면 금지됨에 따라 슬러지의 가장 중요한 처리방법으로 에너지 회수가 가능한 혐기성 소화공정이 큰 관심을 받게 되었으며, 메탄 발효를 위한 전체 반응 진행의 중요 척도로써 가수분해 중간산물인 휘발성 지방산의 함량을 신속하고 정확하게 분석하는 방법에 대한 요구가 대두되었다. 본 연구에서는 휘발성 지방산 중 9개 물질(Acetic acid, Propionic acid, Isobutyric acid, Butyric acid, Isovaleric acid, Valeric acid, Isocaproic acid, Hexanoic acid, Heptanoic acid)을 대상으로 하였다. 휘발성 지방산 인증표준물질을 사용하여 Liquid - Liquid Extraction(LLE), Headspace extraction(HS), Solid Phase Micro extraction(SPME) 방법으로 비교․측정한 결과, 3방법 모두 9개 물질에 대하여 82% 이상의 회수율을 나타냈다. 특히, Acetic acid와 Propionic acid의 회수율은 SPME 방법으로 측정하였을 경우 평균 회수율이 각각 94.2%, 96.7%로써 타 방법과 비교하여 가장 우수하였다. SPME 방법으로 5개시설의 소화조 슬러지의 VFA를 분석한 결과 총 VFAs는 10 ~ 260 mg/L가 검출되었다.

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.