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.

하수슬러지의 발생량은 꾸준히 증가하고 있으며, 하수슬러지의 해양투기 금지로 인해 대체 처리 방안들이 요구되고 있다. 다양한 하수 슬러지 처리 방안들 중, 하수 슬러지를 이용한 활성탄의 제조는 슬러지를 폐기가 아닌 재이용하는 방안으로 제기되고 있다. 활성탄은 탄소 성분을 이용하여 제조되므로, 하수 슬러지를 이용하여 활성탄을 제조하는 것도 가능하다. 기존의 대기오염제어설비에서 쉽게 제거되지 않는 원소 수은은 활성탄 흡착을 통해 제거될 수 있다. 본 연구에서는 국내 하수처리장에서 발생한 건조슬러지를 이용하여 다양한 물리적 특성을 지닌 활성탄을 제조하였고, 수은 흡착 능력을 평가하였다. 그리고 다른 원료에서 제조된 활성탄과 수은 흡착 결과를 서로 비교하였다.

우리나라 유기성 폐기물처리의 가장 큰 비중을 차지하던 해양투기 방법이 폐기물 해양배출을 금지하는 런던협약으로 인해 2012년부터 해양투기가 전면 금지됨에 따라 안정적이고 지속적인 육상처리 시설이 요구되고 있다. 환경부는 폐기물 관리법으로 온실가스 발생 억제 및 재활용 촉진을 위하여 유기성 슬러지의 직매립을 금지하였다. 그동안 유기성 폐기물을 자원화하기 위한 방법으로 퇴비화 기술이 많이 연구되어 왔으나 여러 가지 문제점들이 야기되고 있다. 소각방법은 다이옥신과 같은 2차 오염의 우려가 있으며, 퇴비화 과정에서는 발생되는 악취로 인하여 민원이 잦아지고 결국 퇴비화 시설이 폐쇄되는 경우가 많았다. 우리나라에서 쓰이고 있는 퇴비화는 비 연속식 처리로 퇴비 원료(유기성 폐기물)의 제한적 처리와 퇴비화 활성에 요구되는 시간이 길어 부지요구도가 높은 문제, 불안정한 최종 생성물, 감량화 실패, 장시간 온도조절 및 공기주입으로 인한 에너지 소비증가로 상용화에 어려움이 많다. 본 연구에서는 강릉시 하수종말처리장에서 배출되는 하수슬러지를 대상으로, 초고온 호기성 발효과정을 통해 하수슬러지의 퇴비화 진행에 따른 온도변화, 발효가스 분석, pH, C/N비, 수분함량, 고형물 유기물 변화, 부피 및 무게변화, 중금속 분석, 혼합 및 교반과 같은 반응인자들을 도출하여 운전 변수를 알아보았다. 한편 하수슬러지의 퇴비화 진행에 따른 시료와 발효 종료된 퇴비의 중금속 및 유해인자 분석을 통하여 퇴비의 발효 메커니즘 및 안정성을 검증하였다. 초고온 퇴비화 기술의 새로운 정립과 국내 연구가 전무한 초고온 발효공정의 data base 확보를 목적으로 하였다. 또한 퇴비화 과정에서 발생되는 악취도와 악취를 발생시키는 원인물질을 밝히고자 하였다.

수열탄화 (HTC, Hydrothermal Carbonization)는 수분함량이 높은 바이오매스를 바로 적용하여 닫힌계에서(closed system)에서 승온 시키면 150℃∼250℃범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형물의 유기물 일부가 분해되기 시작하여, 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration)반응이 유도되며 O/C, H/C 비율을 낮추고 탄소고정을 통해 바이오매스 고형연료의 에너지밀도를 높여 연료로서의 특성이 향상된다. 또한 수열탄화 반응시 높은 수분함량을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 물로 분리함으로서 수분 제거시 소비되는 에너지를 일반 건조기술 대비 50%이상 절감함으로서 하수슬러지 고형연료화의 경제성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 분리된 액체생성물에는 유기물 분해에 의해서 용해성 유기물이 다량 농축되어 혐기소화의 전처리 기술로도 적용되고 있다. 본 연구에서는 I시 하수슬러지를 1년간 매달 sampling하여 계절별 하수슬러지 물리화학적 특성 변화와 수열탄화 적용 시 반응 및 연료 특성 변화를 확인하였다. 따라서 상용화 수열탄화 기술을 적용시 계절에 상관없이 안정적인 고형연료 확보 가능성을 확인하였다.

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.

유기성폐기물(음식물, 하수슬러지 등)은 2005년부터 육상 직매립이 금지되었고, 2006년에 발효된 런던협약에 따라 2013년 1월부터 해양투기 또한 금지되어 폐기물의 처리 및 재활용이 시급한 실정이다. 따라서, 이러한 유기성 폐기물의 효과적인 자원화 방법 중 하나인 혐기성소화가 각광받고 있는 실정이며, 혐기성소화조에서 발생되는 바이가스는 일반적으로 CH4 50~90%, CO2 10~50%, 소량의 H2S 및 NH4로 알려져 있다. 이러한 바이오가스의 정제방법으로는 탄소흡착법, 막분리법 등이 있으나 높은 운전비용과 공정구성의 어려움, 2차 폐기물 발생 등 많은 문제를 일으키고, CO2의 재활용이 아닌 폐기시키고 있어 자원순환적인 측면에서 바람직하지 못하다. CH4의 전환방법중 하나인 CO2 methanation반응은 1M의 CO2와 4M의 H2가 반응하여 1M의 CH4와 2M의 H2O가 생성되는 반응이다. CO2는 열역학적으로 매우 안정된 물질로, 반응에 필요한 에너지를 공급하기 위해서는 수소 등과 같은 높은 에너지의 환원제를 같이 반응에 참여시켜 주어야 한다. 그러나 열역학적 평형으로 인해 전환이 제한되는 경우가 많아, 적절한 반응속도와 선택도를 달성하기 위해 촉매가 요구되며, CO2 methanation 반응에 사용되는 촉매는 주로 Ni, Fe, Al 등 금속계 촉매가 주를 이루고 있다. 따라서 본 연구에서는 바이오가스의 정제효율을 높이기 위하여 CO2 methanation 촉매를 다양한 조건에 따라 제조하였으며 각각의 촉매별 CO2 전환율을 평가하였다.

하수슬러지는 2006년 런던협약이후 해양투기 금지 대상물질로 지정되어 효율적인 처리에 대한 연구가 진행되고 있다. 이에 대한 방안으로 각광 받고 있는 반탄화 공정은 시료의 분쇄성을 높여 혼소에 용이하며, 처리 후 시료가 소수성을 띄기 때문에 미생물에 대한 오염이 적다. 또한 에너지밀도를 높일 수 있어 원시료에 비해 높은 발열량을 가진다. 하지만 다량의 수분을 함유하고 있어 그 이용이 제한적이다. 본 연구에서는 고 함수율 시료인 하수슬러지의 단점을 보완하고자 저 함수율 시료인 폐목재를 1:1로 혼합하여 lab규모 실험을 통해 반탄화 특성을 파악하였다. 반응시간 20분 조건에서 반응온도를 200 ℃에서 50 ℃ 간격으로 550 ℃까지 승온시켰으며, 반응온도 250 ℃, 300 ℃조건에서 반응시간 10분에서 10분 간격으로 50분까지 증가시켰다. 생성된 반탄화물에 대하여 공업분석, 원소분석 및 발열량분석을 진행하였으며, 이를 통해 에너지수율, 연료비, 탄소비 등 반탄화물의 특성을 파악하였다. 반탄화물의 공업분석결과 반응온도 및 반응시간이 증가할수록 가연분은 감소하였으며, 회분과 고정탄소는 증가하는 경향을 보였다. 발열량의 경우 반응온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이다가 반응온도 400 ℃에서 최대 값(5082.7 kcal/kg)을 보인 후, 감소하는 경향을 보였다. 또한 원소분석결과를 기반으로 석탄 종의 O/C와 H/C의 비(Van Krevelen Diagram)을 비교하였다. 수소 및 산소는 반응온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈으며, 탄소함량은 전반적으로 증가하는 경향을 보였다.

급속한 경제 성장과 함께 국내 하수처리 시설의 수는 증가하여 왔으며, 이로 인해 하수처리 시설로부터 발생되는 하수슬러지의 양도 꾸준히 증가하여 왔다. 2014년 기준 연간 발생량이 3,651,029 톤에 이르는 하수슬러지는 국제협약과 국내 법제도로 인해 해양투기와 직매립이 금지됨에 따라 이를 처리하기 위한 적절한 방법의 개발이 요구된다. 최근 하수슬러지 처리 방법을 살펴보면 전체 재활용되는 양의 43.8% (w/w)인 상당량의 하수슬러지가 건조 및 탄화의 방법을 통해 연료화 되고 있다. 하지만 슬러지의 경우 높은 함수율로 인해 건조 및 탄화 공정에 많은 양의 에너지가 소모되는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위한 수단으로 슬러지에 함유되어 있는 수분을 열분해 반응에 이용할 수 있으며 비교적 낮은 온도에서 바이오매스의 탄화가 가능한 수열탄화가 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 슬러지의 수열탄화를 실시하고 생성된 바이오차를 이용하여 고형연료로서의 특성을 분석하는 한편 연료특성 개선을 위한 타 바이오매스와의 혼합처리 가능성을 확인하였다. 연구결과 180-270 ℃의 온도조건에서 생성된 바이오차는 모두 국내 바이오고형연료제품의 기준 발열량인 3,000 kcal/kg 보다 높은 4,000 kcal/kg 이상의 발열량을 보였다. 하지만 바이오고형연료제품 기준 중 회분함량에 대한 항목을 살펴보면 원시료 기준 29.11% (w/w)로 관련 기준인 15% (w/w)와 비교할 때 높았던 슬러지내 회분함량이 수열탄화 과정을 거치며 처리 온도에 따라 32.75-47.64% (w/w)로 오히려 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 슬러지를 고형연료로 사용하기 위해서는 회분함량 개선을 위한 혼합물의 투입이 필요할 것으로 판단되었다. 이를 위하여 최근 대량 생산이 용이하여 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 미세조류와의 혼합을 통한 연료특성 개선 가능성을 확인하였다. 미세조류의 경우 슬러지와 동일한 조건에서 수열탄화를 통하여 처리될 경우 회분함량이 1.29-2.96% (w/w)로 현저히 낮고, 발열량 또한 6,740 kcal/kg으로 높은 값을 보였다. 따라서 적절한 비율로 혼합된 슬러지와 미세조류의 수열탄화를 통한 처리 시 생성된 바이오차는 국내 바이오고형연료제품 기준을 만족할 수 있을 것으로 판단된다.

인과 질소는 하천, 호소 등의 부영양화의 주요 인자로 작용하고 있고 특히 하수 중의 인 농도가 1 mg/L 이상일 경우 조류의 급증식이 일어날 수 있다. 현재 우리나라 하수처리 공정은 인을 기준치 이하로 제거하기 위해 총인 처리 공정을 운영하고 있으나, 이 과정에서 제거된 인은 슬러지와 혼합되어 폐기처분되고 있다. 인은 무한자원이 아닌 유한자원으로 비료, 금속표면처리 세정제를 비롯하여 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 우리나라의 경우 전량 수입에 의존하고 있다. 최근 인광석 매장량의 한계로 인하여 인을 회수하여 재이용하는 기술이 반드시 필요한 실정이고, 그 대안으로 축산폐수, 혐기성발효액, 하수처리 시 발생되는 인을 유용한 자원으로 회수하는 방법에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 기존의 연구된 인결정은 100㎛ 이하의 미세 결정으로 고액분리 및 탈수에 어려움이 있다. 본 연구에서는 인제거 기술 중 화학적 침전법 중 하나인 MAP(Magnesium Ammonium Phosphate) 법을 적용하여 부천시와 공동으로 부천시 소재 공공하수처리장에서 발생되는 탈수여액내의 인을 회수하고자 하였으며 다양한 실험조건(pH, 약품, 주입량, Seed적용)에 따라 인회수 및 입상화의 최적 조건을 도출하고 연속반응조를 통하여 2mm 이상의 크기로 입상화가 가능함을 확인하였다. Jar-test 실험결과 pH 9, 몰비 1~9(Mg2+/PO4-P) 범위에서 PO4-P가 55%~90% 제거되었으며, 생성된 결정화물을 seed로 사용하여 최적 약품투입량 도출결과 pH9, 몰비1 조건에서 6회 재사용시 seed 미적용 대비 PO4-P 제거율이 36% 상승하였다. 도출된 조건을 이용하여 2단 상향류(내경이 1.1cm, 1.8cm) 반응조와 침전조로 구성된 Lab Scale 반응조에서 선속도를 변화시켜 입상화를 유도하였다. 입상화시 PO4-P 제거율은 70%~84%, NH3-N 제거율은 20%~28%로 나타났으며, 내경 1.1cm의 반응조 하부에는 2mm~1.5mm, 내경 1.8cm의 반응조 상부에서는 0.6mm~1.2mm로 입상화되었다. 본 연구에서 미립 결정화물을 연속 순환을 통하여 선속도에 따른 입상화를 확인한 결과, 2mm 이상의 인 결정화물의 생성이 가능함을 입증하였다. 이를 통해 탈수 및 건조에 소요되는 에너지를 최소화하고 고순도 입상화로 비료 가치를 향상시켜 경제성 확보가 가능할 것으로 사료된다.

최근 도시 인구의 증가에 따라 하수 및 분뇨 발생량이 증가하고 있으며, 다양한 오염원으로부터 유입되는 하수에는 질병을 유발할 수 있는 다양한 병원성 미생물이 존재한다고 알려져 있다. 하수처리를 위한 다양한 공정에서는 미생물을 포함하고 있는 bioaerosol이 발생할 수 있으며, 하수 및 분뇨에 포함된 병원성 박테리라 등을 포함하고 있을 가능성이 높다. 따라서 호흡을 통해 하수처리장의 근무자 및 주변 주민에게 위해를 가할 수 있으므로, bioaerosol의 발생 특성 및 감소에 관한 연구가 필요한 현실이다. 하수처리공정 중 bioaerosol이 발생하는 대표적인 환경으로는 활성 슬러지 공정이 있으며, 폭기조에서의 대량 폭기로 인한 높은 농도의 bioaerosol이 발생한다고 알려져 있다. 최근에는 기존의 재래식 활성슬러지 공정(CAS, Conventional Activated Sludge)보다 소요 면적이 적고, 고농도의 미생물 농도를 유지하고 있어 수질 처리 효율이 좋은 호기성 MBR(Membrane bioreactor)의 사용이 증대되고 있다. 그러나 호기성 MBR은 고농도의 미생물 농도 유지 및 멤브레인의 파울링 감소를 위해서는 많은 양의 공기 폭기를 유지해야하므로, 상대적으로 높은 농도의 bioaerosol의 발생이 한정된 공간에서 이루어질 것으로 예상된다. 호기성 MBR의 특성상 운전 조건에 따라서 반응기 내 미생물의 농도 및 특성이 달라질 것이며, 이에 따라 bioaerosol의 발생량 및 특성도 영향을 받을 것으로 예상된다. 그러나 국내에서는 하수처리 과정 중 호기성 MBR 공정에서의 bioaerosol 발생에 관한 연구가 전무하며, 이에 대한 기초 연구 및 발생량 감소를 위한 연구가 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 하수처리장 MBR 공정에서 운전 조건에 따른 반응기 내 미생물 농도 및 특성을 확인하고, bioaerosol 발생량을 비교하고자 하였다. 더불어 bioaerosol 발생량을 저감할 수 있는 방안에 대한 연구를 추가적으로 진행하고자 하였다.

우리나라는 지형 특성상 효율적인 수자원 확보가 어려운 실정이기 때문에 안정적이고 지속적인 수자원 공급을 위해 수자원 개발의 필요성이 대두되고 있다. 우리나라의 기존 수자원확보는 대형 댐이나 저수지 형태가 대부분이지만 이는 축조로 인해 대규모 생태계 훼손의 우려가 있어 최근 정부는 해수의 담수화 시스템 개발, 일회성 용수 재사용, 하수 재이용 등 새로운 정책을 시도하고 있다. 우리나라의 하수 재이용율은 매년 꾸준히 증가하는 추세이며 막 분리법, 이온교환 처리법 등 다양한 재이용수 개발공법에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 막 여과는 막의 수명이 비교적 짧고 막 교환비용이 높은 특성을 가지며, 이온교환 공정은 유지관리가 어렵고 용량에 비해 처리 비용이 고가인 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 처리법 외에 전기화학적 처리방법인 전기응집에 대한 연구를 시도하였다. 전기응집 공법은 유입 원수에 큰 영향을 받지 않아 폐수성상을 가리지 않고 오염물질을 효과적으로 처리할 수 있으며, 다른 공정과 비교했을 때 설치면적 당 처리 용량이 커서 경제적이다. 이에 본 연구에서는 전기응집 공법에서 영향인자로 알려진 전류밀도, 전극 간격, 교반속도와 시간에 따른 제거효율을 Jar-test를 통해 확인하고 최적조건을 도출하였다. 또한 도출해낸 최적조건에서 전기응집을 이용해 하수처리수의 재이용수로 이용 가능성에 대해 판단하고자 하였다. 전류밀도는 0.036A/cm², 전극간격은 0.3cm, 교반속도와 시간은 100rpm, 5분에서 가장 높은 제거효율을 보여 이를 최적조건으로 결정하였다.

최근 환경기준이 강화되면서 하수 처리공정에서 생물학적 처리와 탈인시설을 조합한 하이브리드형 고도처리공정이 빠르게 도입되고 있다. 현재 도입되고 있는 탈인시설은 대부분 응집제 투여를 바탕으로 하는 화학적 처리공정이다. 화학적 처리공법은 비교적 처리공정이 간단하고 공정의 유지관리가 간편하여 처리효율의 신뢰도가 높은 장점이 있는 반면에 화학약품 비용과 발생된 슬러지의 처분비용 등이 매우 높다는 단점이 있다. 이에 반해 기존의 생물학적 처리공정과 연계한 고도처리시스템을 구축하는데 있어 가장 단순하고 안정적인 단위공정의 하나로 알려진 흡착법은 질소, 인 또는 중금속 등과 같은 이온성 물질의 동시제거가 가능하면서도 기후 및 농도에 관계없이 처리효율이 비교적 일정하고, 부생독성물질을 생성시킬 위험성이 없을 뿐만 아니라 처리공정과 유지관리가 단순하고 용이하다는 장점을 가지고 있다. 이에 따라 고효율성, 이온 선택성 및 경제성을 갖춘 흡착소재를 개발하기 위해 많은 노력이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 인산 이온에 대한 흡착선택성이 강한 흡착제를 개발하는데 목표를 두고 potassium peroxydisulphate(K2S2O8)를 개시제로 하는 라디컬 중합반응을 통해 glycidyl methacrylate(GMA)를 중합시키고 그 말단의 에폭시기(-COC-)에 아민기(-NH)를 도입하는 방법으로 아민형 poly-GMA 흡착제를 제조한 다음, 회분식과 고정층 컬럼식 흡착실험을 통해 인공폐수와 실폐수를 대상으로 PO4-P에 대한 흡착효율 및 흡착특성을 평가하였다. 실폐수는 M시 NH하수종말처리장에서 처리수(pH 6.9, EC 1.6 mS/cm, PO4-P 1.1 mg/L, NO3-N 3.4 mg/g, Cl- 442 mg/L, SO42- 69 mg/L)를 채취하여 인위적으로 PO4-P를 적정 농도가 되도록 첨가한 다음 흡착실험에 사용하였다. 아민형 poly-GMA 흡착제의 PO4-P에 대한 흡착은 증류수를 바탕으로 하는 인공폐수의 경우 Fruendlich 흡착등온식에, 실폐수의 경우 Langmuir 흡착등온식에 보다 더 잘 일치하였으며, Langmuir흡착등온식으로부터 구한 최대 단일층 흡착량은 인공폐수 222 mg/g, 실폐수 128 mg/g이었다. 고정층 컬럼 실험을 통해 얻은 파과곡선은 인공폐수의 경우 Clark 모델에, 실폐수의 경우 Bohart-Adams 모델에 보다 더 잘 일치하였으며, 이들 모델로부터 구한 최대 흡착량은 인공폐수 134 mg/g, 실폐수 10.4 mg/g이었다. 이처럼 실폐수에서 흡착량이 급격히 감소하는 이유는 공존 음이온 특히, Cl과 SO4이온의 흡착경쟁 때문이다. PO4-P에 대한 Cl과 SO4이온의 흡착경쟁을 평가한 결과 Cl에 비해 SO4이온의 영향이 훨씬 크게 나타났다. 실폐수 중의 SO4이온을 5 mg/L 이하로 제거한 후 컬럼실험을 해본 결과 최대 흡착량이 41 mg/g으로 증가하여 효과적이었으나 여전히 증류수를 바탕으로 하는 인공폐수에 비해 낮았다.

하수슬러지, 음폐수, 가축분뇨 등의 유기성폐기물의 해양투기 금지와 육상처리에 대한 대책 마련이 시급해지면서 유기성폐기물을 통합소화하여 메탄 등의 신재생에너지를 생산할 수 있는 바이오가스화 기술이 대안으로 부각되고 있다. 국내에서 가동 중인 바이오가스화 시설 중 하수슬러지 혐기소화의 경우, 현행 법령에서 제시하는 유기물분해율과 메탄생성율 기준을 만족하지 못하고 있다. 또한 음식물류폐기물의 혐기소화는 다른 유기성 폐기물에 비하여 처리효율은 높으나 안정적인 시설 운영을 도모하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 12개소 하수슬러지 바이오가스화 시설을 대상으로 유기물 분해율, 메탄생성율을 산정하여 음식물류폐기물 투입 비율에 따른 영향을 평가하였다. 소화조 유입 및 유출수에 대한 TS, VS, 영양물질 (탄수화물, 단백질, 지방) 함량을 분석하여 이론적인 메탄생성율을 계산한 후 실제 현장에서 발생되는 메탄생성율과 비교하여 효율성을 판단하였다. 또한 사계절 정밀모니터링에서 도출된 휘발성지방산, 알칼리도, 암모니아성 질소 등 저해인자를 측정･분석하고 대상 바이오가스화 시설의 안정적 운전 여부를 진단하였다.

하수처리장의 증가와 함께 하수슬러지의 발생량 또한 매년 상승하고 있으며, 2025년은 2006년 대비 2배가 더 발생하게 된다. 이러한 하수슬러지는 주로 해양투기와 재활용에 의하여 처리되어 왔으나, 가장 단순하고 저렴한 방식이었던 해양투기가 2012년 01월부터 전면금지가 되었다. 현재 하수슬러지의 처리방법 중 재활용은 약 56% 정도를 차지하고 있다. 이 중 재활용은 매립지의 복토재, 건설자재, 토목자재, 시멘트 원료화 등으로 활용되고 있다. 지금까지 재활용 처리방법 중 매립지의 복토재로 재활용하는 것이 많은 연구가 진행되어 왔으나 친환경적인 처리방법 및 MICP 미생물에 관한 고형화/안정화 연구는 아직 미흡하다고 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 MICP를 형성하는 미생물을 이용하여 하수슬러지를 고형화/안정화 한 후 매립지의 복토재로서 가능성을 보고자 한다. 이에 본 연구는 MICP를 형성하는 미생물의 생물학적 및 광물학적 분석을 하였으며 하수슬러지 및 고화제의 물리화학적 분석을 수행하였다. 본 연구를 위하여 하수슬러지의 고형화적 품질기준인 pH, 수분함량, 투수계수, 일축압축 강도, 유해물질 함량 분석을 실시하였다. 또한, MICP를 형성하는 미생물에 의하여 하수슬러지가 고화처리 된 것인지 확인하기 위하여 탄산칼슘의 광물학적 분석을 병행하여 고형화/안정화에 대한 신뢰성을 갖고자 한다.

Due to the increasing sewage sludge generation from wastewater treatment facilities, sewage sludge has been reconsidered as a renewable energy source in various ways. Lipid extraction from sewage sludge is an applicable method for biodiesel production. Higher biodiesel production yields can be achieved through the improvement of lipid recovery efficiency. Although sewage sludge has different features due to its types and steps in treatment plants, lipid content of sewage sludge generally ranges from 10 to 15%. Among solvent extraction methods, the highest lipid recovery efficiencies were observed for chloroform-methanol extraction: 13.6-14.6% for primary sludge, 10.6-12.1% for waste-activated sludge, and 2.9-4.2% for digested sludge. The extraction residue of sludge can be used as biosolid refuse fuel (bio-SRF). After lipid extraction, the residue had decreased volatile matter and carbon content. Consequently, the calorific value of the residue decreased by 3,000 kcal/kg. The level of calorific value can be available to use bio-SRF.

In response to the water shortage problem, continued attempts are being made to secure consistent and reliable water sources. Among various solutions to this problem, wastewater effluent is an easy way to secure the necessary supply, since its annual output is consistent. Furthermore, wastewater effluent has the advantage of being able to serve various purposes, such as cleaning, sprinkling, landscaping, river management, irrigation, and industrial applications. Therefore, this study presents the possible use of reclaimed industrial wastewater treated with Birm filters and a UF membrane, along with an analysis on membrane fouling. The preprocessing stage, part of the reclamation process, used Birm filters to minimize membrane fouling. Since this study did not consider heavy metal levels in the treated water, the analyses did not include the criterion for irrigation water quality. However, the wastewater reclaimed by using Birm filters and a UF membrane met every other requirement for reclaimed water quality standards. This indicated that the treated water could be used for cleaning, channel flow for maintenance, recreational purposes, and industrial applications. The analysis on the fouling of the Birm filter and UF membrane required the study of the composition and recovery rate of the membrane. According to SEM and EDX analyses of the UF membrane, carbon and oxygen ion composition amounted to approximately 57%, whereas inorganic matter was not detected. Furthermore, the difference in the recovery rates of the distressed membrane between acidic and alkaline cleaning was more than ~78%, which indicated that organic rather than inorganic matter contributed to membrane fouling.

하수슬러지의 열풍건조시 하수슬러지의 특성, 고분자 응집제의 종류 및 주입량 등에 의해 발생되는 점성으로 인해 타공판에 부착성이 상당히 증가하여 건조효율을 낮추는 원인이 되고 있다. 이에 본 연구에서는 고분자 응집제로 인한 하수슬러지(생슬러지, 잉여슬러지, 혼합슬러지)의 부착특성을 평가하기 위하여 고분자 응집제 주입량에 따른 점도 변화를 측정하였으며, 또한 하수슬러지의 열풍건조시 부착성을 상당량 감소시킬 수 있도록 기존 타공판을 대체할 수 있는 다양한 타공판 종류별 부착특성을 평가하였다. 하수슬러지의 열풍건조시 기존 타공판(STS 304재질), 전해연마+티타늄코팅 타공판보다 크롬코팅된 타공판의 부착성이 가장 적게 발생되었으며, 또한 생슬러지 단독건조보다 잉여슬러지 단독건조시 부착성이 더 크게 나타났다.

유기성폐기물 내 존재하는 질소를 회수하여 재이용 또는 재활용 하기 위하여 암모니아탈기 방법을 이용한 질소회수 효율 확보 방안을 연구하였다. 고농도 암모니아 함유 폐수에서(매립장 침출수, 식품폐수, 축산폐수 등) 목적으로 암모니아회수를 위한 탈기 기술 개발사례가 있으며 주로 탈기효율을 높임으로서 동력비용을 절감하는 목적으로 개발되었다. 따라서 암모니아 탈기 운영에서 60%이상을 차지하는 pH조절용 약품비용 절감을 위한 기술이 보급되어야 실질적인 상용화 및 보급이 활발해 질 것으로 판단된다. 암모니아 탈기 시 소요되는 공기는 입자성오염원이 존재할 경우 산소전달의 방해인자로 작용하기 때문에 이를 비교 평가하기 위해 고액분리 전･후를 비교 평가하여 이에 따른 탈기 효율 변화를 관찰하였으며 또한 pH에 따른 적정 NH3 /NH4 비율을 선정하여 pH조정용 약품비용 절감을 통해 경제성을 확보 하였다. 탈기 시 온도가 20℃일 때 소요되는 이론적 공기량은 2,400 L-air/L-water이나 70℃일 때는 이보다 약 10배 감소한 262 L-air/L-water 나타낸다. 이에 온도조건 변화를 통해 탈기 공정에서 대부분의 동력비를 소모하는 공기 주입량 절감을 위한 최적 방안을 도출하였다.

하수슬러지의 발생량은 산업발달 및 인구증가로 꾸준히 증가하고 있으나, 하수슬러지의 해양투기 금지로 대체 할 수 있는 새로운 처리 방법이 요구되고 있다. 특히, 최근에는 건조슬러지를 재이용하는 다양한 방안들이 제기되고 있으며, 그 중 활성탄을 제조하여 이용하는 방법이 있다. 활성탄은 일반적으로 석탄이나 목재와 같은 탄소질 물질을 이용하여 제조된다. 또한 활성탄의 제조는 탄화와 활성화 공정으로 이루어지며, 탄화와 활성화 공정의 인자들의 변화를 통해 활성탄의 특성이 달라진다. 따라서 본 연구에서는 국내 건조 하수처리장에서 발생한 건조슬러지를 이용하여 활성탄을 제조하였다. 탄화시간, 탄화온도, 활성화시간, 활성화온도, 수증기 주입량과 같은 여러 인자들의 변화에 따른 활성탄의 비표면적, 기공분포도의 분석을 통해 활성탄의 최적조건을 도출하여 활성탄을 제조하고자 하였다.

수열탄화(HTC, HydroThermal Carbonization)는 수분함량이 높은 바이오매스를 바로 적용하여 닫힌계에서 (closed system)에서 승온시키면 150℃~250℃범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형물의 유기물 일부가 분해되기 시작하여, 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration)반응이 유도되며 O/C, H/C 비율을 낮추고 탄소고정을 통해 바이오매스 고형연료의 에너지밀도를 높여 연료로서의 특성이 향상된다. 또한 수열탄화 반응시 높은 수분함량을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 물로 분리함으로서 수분 제거시 소비되는 에너지를 일반건조기술 대비 50%이상 절감함으로서 하수슬러지 고형연료화의 경제성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 분리된 액체생성물에는 유기물 분해에 의해서 용해성 유기물이 다량 농축되어 혐기소화의 전처리 기술로도 적용되고 있다. 본 연구에서는 Lab scale과 1ton/day pilot plant를 이용하여 수열탄화를 하수슬러지에 적용하여 반응특성 및 연료 효율 향상을 확인하였다. 반응온도별 각 반응생성물의 특성 파악을 통해서 최적의 반응조건을 도출하였다. 또한 수열탄화 반응물에서 후단의 혐기소화 공정의 저해인자 제거를 위한 질소회수 공정으로 생기는 pH 변화에 따른 탈수특성 변화와 원인을 확인하였다.