수도권매립지 하수슬러지 반입비용 상승과 2018년도부터 시행되는 폐기물처분부담금제 도입으로 경제적인 하수슬러지 재활용 방안 모색이 필요하다. 하수슬러지를 생물학적 건조하여 연료로 사용하거나 퇴비화하여 퇴비로 사용하는 방식은 처리 비용이 저렴하다. 본 연구에서는 하수슬러지 생물학적 건조 파일럿 및 실증 실험결과를 분석하였다. 하수슬러지 169 kg(50% 중량비)에 음식물 잔재물 84 kg, 미생물활성유도제 55 kg, 코코피트 27kg를 혼합하여 초기 함수율을 55%로 낮추고 반응 1일 후부터 최소 유량으로 공기를 송풍하였다. 반응 1일 후부터 일 3회 교반을 실시하였다. 혼합물 온도가 반응 1일만에 76℃까지 높게 올라가 반응 4일째까지 50℃ 이상 유지되었다. 혼합물 함수율은 초기 56%에서 반응 4일 후 45% 정도로 10% 정도 감소되었다. 하수슬러지 건조물 반송 실험에서는 건조슬러지(173 kg, 51%)를 하수슬러지(150 kg, 44%), 미생물활성유도제(15 kg, 4%)와 혼합하여 건조하였다. 반응 1일 후부터 지속적으로 공기를 송풍하고 교반하였다. 하수슬러지 혼합물 온도가 반응 1일만에 71℃까지 높게 올라갔으나 반응 2일째 대기온도로 낮아졌다. 이는 공기 송풍량을 높인 결과이다. 혼합물의 함수율은 초기 60%에서 반응 2일 후 약 51% 정도로 10% 정도 감소되었다. 미생물의 분해열을 유지하기 위해서는 적정 송풍량에서 공기 공급이 중요하다. 하수슬러지 10톤(53%)에 미생물활성유도제 2톤, 수피 3톤, 1차 발효퇴비 3.7톤을 포크레인으로 1차 혼합하고 혼합기에서 2차 혼합 후 반응로에 투입하였다. 송풍기 연속가동으로 공기 송풍하고 일 1-2회 포크레인으로 뒤집기를 실시하였다. 혼합슬러지 더미 상부 평균 온도는 반응 2일에 70℃까지 높아졌다. 혼합슬러지 함수율은 2일 후 54%로 높아진 후 7일째 44%까지 낮아졌다. 반송 실험으로 하수슬러지 10.2톤에 반송슬러지 5.5톤, 미생물활성유도제, 수피, 1차발효퇴비를 5.4톤을 포크레인으로 1차 혼합하고 혼합기에서 2차 혼합 후 반응로에 투입하였다. 송풍기를 연속으로 가동하고 일 1-2회 포크레인으로 뒤집기를 실시하였다. 혼합슬러지 더미 상부 온도는 반응 5일째 66℃까지 높아졌고 함수율은 반응 10일째 45%까지 낮아졌다. 혼합슬러지 함수율 저감 효율을 높이기 위해 혼합슬러지 더미 위에서 로터리 교반기로 혼합해주고 발생된 수증기를 외부로 배출하여 수증기 증발효과를 높일 필요가 있다.

수도권매립지 자원화시설에서 발생되는 탈수케익은 매립처리하고 있으나 2018년도부터 자원순환기본법에 의한 폐기물처분부담금제 도입으로 매립최소화 및 재활용 극대화 방안 모색이 필요하다. 본 연구에서는 매립되고 있는 자원화시설 탈수케익을 대상으로 물질 특성을 분석하고 안정화 및 생물학적 건조 실험을 수행하고 분석하였다. 침출수 처리장에서 일평균 100톤의 탈수케익과 음폐수 바이오가스화 시설에서 일평균 25톤 정도 탈수케익이 발생된다. 침출수 처리장 탈수케익 함수율은 82%, 음폐수 바이오가스화시설 탈수케익 함수율은 75% 정도이다. 강열감량은 침출수 처리장 탈수케익 11%, 음폐수 바이오가스화시설 탈수케익 20% 정도로 독일 비유해폐기물 매립기준인 강열감량 5% 보다 높다. 침출수처리장 탈수케익 C/N비는 5.4로 낮고 음폐수 바이오가스화 시설 C/N비는 14.8로 약간 높다. 침출수 처리장 탈수케익과 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익에 미생물활성유도제, 코코피트, 음식물 잔재물을 혼합 반응 후 공기 송풍없이 대기 중 자연건조로 주 1회 뒤집기를 실시하였다. 침출수 처리장 탈수케익은 5주간 함수율 변화가 거의 없고 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익 함수율은 약 45%에서 5주 후 약 12%로 낮아졌다. 두 종류 탈수케익의 함수율 저감을 위해서는 코코피트와 미생물활성유도제를 혼합해주는 것이 효과적이었다. 단열반응기(아이스박스)에서 공기 송풍 하에 두 종류 탈수케익의 생물학적 건조 실험을 수행하였다. 침출수 처리장 탈수케익 혼합물 더미 온도 상승은 미미하고 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익 혼합물 온도는 52-71℃까지 높아졌다. 침출수 처리장 탈수케익 함수율 변화는 거의 없으며 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익 함수율은 54%에서 43%로 약 11% 낮아졌다. 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익을 미생물활성유도제 20%와 혼합한 경우 혼합슬러지 감량율은 6일 후 16%이다. 침출수 처리장 탈수케익은 화학적 침전을 위한 응집제 주입으로 인해 유기물 함량이 낮아 생물학적 건조 반응에 적합하지 않고 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익은 유기물 함량이 높아 생물학적 건조로 수분함량을 낮추어 부숙토 등으로 활용가능성이 있음을 알 수 있다.

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.

Because methane-producing bacteria (MPB) and sulfate-reducing bacteria (SRB) compete for anaerobic utilization of organic matter, the methane generation potential (Lo) decreases logarithmically with the decrease in the COD/SO4 ratio. The Lo correction coefficient equals the Lo at a particular COD/SO4 ratio divided by the maximum Lo. An Lo correction coefficient was derived each year based on the COD/SO4 ratios of waste added to the landfill. The methane generation potential was multiplied by the Lo correction coefficient in order to correct the LFG (landfill gas) generation calculation. At the second Sudokwon landfill site (2000 ~ present), the COD/SO4 ratio decreased from 11.6 in 2000 to 4.8 in 2014. Thus, the Lo correction coefficient decreased from 0.89 in 2000 to 0.42 in 2014. The LFG 2008-2014 production correction was calculated using the model equation (Scholl canyon), and was almost the same (91 ~ 113%) as the quantity measured, including LFG that was collected, flared, or allowed to diffuse through the landfill. The methane oxidation correction factor, calculated from the concentrations of nitrogen and oxygen within the landfill gas, was between 0.92 and 1 for the first landfill site and between 0.96 and 1 for the second landfill site. Air ingress into the landfill had a negligible effect on gas generation.

Sulfate produced during anaerobic reduction limits the activity of methanogens but it is not reflected in the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) methodology for estimating CH4 emissions. In this study, CH4 emissions from the Sudokwon landfill site were estimated by adopting a methane correction factor, which was determined through the relationship between the COD/sulfate ratio and CH4 generation. Although the gas originating from the Sudokwon landfill site has not produced any environmental problems in recent years due to gas collection and soil cover maintenance activities, CH4 emissions estimated by the IPCC methodology indicated that only 60% of the CH4 was recovered and the remainder was emitted into the atmosphere, suggesting a potential environmental problem. Accordingly, CH4 estimates determined according to IPCC methodology must be modified by adopting the methane correction factor and considering the effect of sulfate concentration.

우리나라의 폐기물 정책 및 처리방법이 변화됨에 따라 매립지로 반입되는 폐기물들의 유기물함량이 점차 줄어들고 있으며, 매립장내 수분이 낮아져 매립지가 안정화되는데 오랜 시간이 소요되고 있다. 이러한 추세에 따라 매립장의 조기 안정화를 위하여 최근 국내에서는 매립지내 침출수 재순환에 관한 법제화가 이뤄졌다. 한편, 하수슬러지를 고형연료로 생산하기 위하여 수열탄화(Hydrothermal carbonization)공정을 도입시, 해당 공정에서 배출되는 고액분리된 액체생성물 발생량은 투입폐기물량의 80% 정도로 반드시 적정처리 또는 재활용이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 매립장의 조기안정화를 목표로 수열탄화액이 매립장 순환수로써 활용가능한지를 파악하기 위하여 수도권매립지로 반입되는 폐기물 조성을 반영한 폐기물과 수열탄화액 등을 serum bottle에 넣고 35℃ 항온 및 혐기적 조건에서 지속적으로 가스발생량 및 가스 조성을 측정하였다. 실험 결과, 수열탄화 반응후 고액분리된 액체생성물은 기존의 침출수 주입효과와 비교할 때 보다 우수한 메탄가스 발생경향을 확인할 수 있었다. 그러나 암모니아 탈기 후의 수열탄화액은 탈기과정에서 투입된 Na+의 영향으로 순환수를 투입하지 않은 경우보다도 낮은 바이오가스 및 메탄가스 발생량 등을 나타내 폐기물 분해에 긍정적인 영향을 주지 못하는 것으로 평가되었다.

매립지 악취 관리를 위해 매립가스를 적극적으로 포집함에 따라 매립지 내부로 공기가 유입되어 메탄 생성이 저해된다. 본 연구에서는 공기 주입량에 따른 메탄 생성량 변화를 BMP 테스트로 조사하여 매립장 호기화로 인한 매립가스 발생량에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 산소 농도 0-10% 조건에서 메탄 생성량 변화를 BMP 테스트로 분석하였다. 반응기를 A, B 그룹으로 나누어 반응 초기에는 모든 반응기에 0-10% 산소를 주입하였고, B 그룹에는 반응 7일째 0-10% 산소를 추가로 주입하였다. 산소 농도가 2%일 경우 산소 0% 경우와 메탄 생성량이 비슷하며 산소 4%, 6%, 8%, 10% 주입시 메탄 생성량이 96%, 74%, 74%, 74%로 감소되었다. 산소를 1회 주입시(반응 0시간) 보다 2회 주입시(반응 0시간, 7일) 메탄 생성량 감소폭이 높았다. 폐기물 COD 대비 산소 주입량 비율(O2/COD(%))이 높아짐에 따라 메탄생성율은 낮아졌다. 폐기물 O2/COD(%) 대비 메탄생성율의 변화를 선형식으로 도출하였다. 산소 주입량 증가에 따른 황화수소 발생량 변화는 상관관계가 없었다. 수도권매립지 1, 2 매립지의 O2/COD(%)에서 메탄생성율 변화를 선형식을 이용하여 계산하였다. 1매립지는 매립이 종료된 2000년까지 메탄생성율 변화가 1 이상으로 산소 유입에 의한 메탄생성율 변화는 미비할 것으로 예측된다. 2000년 매립 종료 후 매립가스 포집량이 감소되면서 유입되는 산소량이 감소되고 있어 메탄가스 생성량 저하는 미비할 것으로 예측된다. 2매립지는 2011년 이후 메탄생성율 변화가 1 미만으로 낮아져 0.92 정도까지 낮아졌다. 이는 폐기물 매립량 감소로 인한 COD 매립량 감소와 매립가스 포집 강화로 인한 공기 유입으로 소모된 산소량 증가로 인한 결과이다. 매립지 호기화로 인한 메탄생성율의 감소는 2011년부터 2014년까지 0.92-0.99 정도로 그 영향을 크지 않을 것으로 예측된다.