하수슬러지 처리의 상당부분을 차지하던 해양투기가 금지된 이후 육상처리로 전환되면서 하수슬러지의 처리비용은 2배 수준으로 상승하였다. 따라서 하수슬러지의 발생 저감에 이은 처리비용의 절감, 나아가 효율적인 자원화 및 에너지화가 중요한 과제로 부상하였다. 현재 전국에 설치되어 있는 하수슬러지 처리시설의 공법은 건조(건조연료화, 건조자원화, 건조혼소, 건조화 등을 포함), 고화, 부숙화, 소각, 탄화 등으로 분류할 수 있다. 최근 하수슬러지의 자원화 관심이 증대하면서 부숙화와 건조연료화, 탄화 등의 공법이 주목을 받고 있는데 높은 함수율의 하수슬러지를 건조시키는데 많은 연료비가 필요하다는 점이 문제가 되고 있다. 이에 대한 대책의 일환으로 건조비용을 줄이기 위한 다양한 방법이 강구되고 있으나 하수슬러지 처리시설의 운영 시 이에 대한 분석 자료가 충분히 파악되지 못하고 있는 실정이다. 환경에 미치는 영향과 자원화의 경제성이라는 양면 인자의 분석이 이루어져야 실질적인 자원화 공법의 타당성이 평가될 수 있다. 본 연구에서는 하수슬러지 처리시설에서 채택하고 있는 각종 공법 별 특성을 비교 분석하고, 시범지역의 공법 별 처리시설 운영 실태를 분석함으로써 자원화를 지향하는 현 정책의 문제점과 개선사항을 도출하고자 하였다. 하수슬러지 처리시설의 공법 별 처리용량, 사업비, 개소 당 규모 등 기본 인자를 토대로 현황을 조사하고 시범지역에서 공법 별 하수슬러지 처리시설의 세부 운영 자료를 분석, 평가하였다. 또한 각 처리시설의 문제점을 조사하여 개선사항을 도출하고 효율적인 하수슬러지 처리와 자원화를 위한 전망을 제시하였다.

폐바이오매스를 이용하여 Bio-SRF로 활용을 위해 제시되고 있는 반탄화(Torrefaction) 기술은 대표적인 신재생에너지 활용 방안으로, 원료의 공급 안정성 및 제한적 처리 방법으로 인해 각광받고 있다. 일찍부터 해외에서는 반탄화 기술을 통해 생성된 탄화물의 높은 적용성을 인지하여 상용규모의 기술 개발이 활성화 되어 있으며, 주로 활용 가능한 폐바이오매스가 많이 발생되는 유럽 및 북미 지역에서 활발하게 수행되고 있다. 반면 국내에서는 기존 폐바이오매스는 매립 위주로 처리되어오고 있으며, 최근에서야 폐바이오매스의 자원 인식 전환을 통해 적극적으로 기술개발사업에 노력을 기울이고 있는 추세이다. 이러한 생산된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율로 인해 운송 용이성 확대와 더불어 고정탄소 성분의 증가에 따른 높은 에너지 밀도로 석탄발전 설비에서의 혼합 연소를 통한 활용이 기대되고 있다. 반탄화물은 무산소 조건 상에서 200~300℃의 반응 온도 영역에서 열분해 과정 중 폐바이오매스 내 함유된 수분 및 휘발분 제거를 통해 얻을 수 있다. 반면에 국내에서 시행되고 있는 Bio-SRF 기준은 탄화물을 에너지원으로 활용하는 측면에서 엄격하게 다뤄져 적용 가능한 폐바이오매스 종류가 한정적이다. 이러한 배경은 원료로 사용되고 있는 폐바이오매스 종류별 함유하고 있는 염소, 황분 및 회분 함량이 다양하며, 이러한 성분들은 향후 반탄화물이 적용 될 소각 및 가스화 시스템 내부 부식 등에 따른 연속운전 저해 요소로 작용이 가능하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 적용범위가 제한적인 폐바이오매스를 활용하여 Bio-SRF 규격을 충족시키는 반탄화물을 생산하기 위해 다수의 폐바이오매스의 혼합비율에 따른 반탄화물 특성을 검토하였다. 대상 원료로, 폐목재와 고품질 하수슬러지 및 저품질 하수슬러지별 반응 온도 및 반응 시간에 따라 생산된 반탄화물 특성 실험결과를 이용하여 Bio-SRF 기준을 충족시키는 원료의 최적 혼합비율을 도출하였다. 저품질 하수슬러지와 폐목재를 활용할 경우 습윤 기준 하수슬러지 60% 및 폐목재 40% 의 혼합비율이, 고품질 하수슬러지의 경우 습윤기준 하수슬러지 80% 및 폐목재 20%가 최적조건으로 도출되었다. 본 연구를 통해 처리 방법이 제한적인 폐바이오매스를 이용한 반탄화물 생산이 가능할 것으로 기대되며, 향후 폐바이오매스의 대상 범위를 확대를 통해 혼합 폐바이오매스를 이용한 반탄화물 기술 개발에 중요한 가이드라인으로 제시될 것으로 사료된다.

산업화/도시화에 의해 물 사용량이 증가하여, 하수 및 폐수 처리 후 부산물로 발생하는 슬러지 또한 매년 증가하고 있다. 하지만 기존 처리방식 중 비중이 큰 해양투기는 2012년부터 런던협약에 의해 금지됨으로써, 육상에서 슬러지 처리하기 위한 적절한 대책이 필요한 상태이지만, 매립이나 소각처리 방식은 2차 오염이 발생되므로 한계를 가지고 있어 새로운 방식이 요구되고 있다. 폐기물 에너지화 관점에서 슬러지 폐기물의 유기성 성분을 오일과 가연성 가스로 전화하는 열분해 기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 따라서, 하수슬러지 열분해 특성을 파악하기 위하여 탈수슬러지와 건조슬러지의 열분해 특성을 파악하고자 한다. 슬러지 열분해 실험을 위한 실험 장치를 열분해로, 가스 및 냉각수 라인, 가스와 타르 포집 및 분석라인으로 구성된다. 열분해로는 반응관, 전기로, 전기로 콘트롤러(Model UP35A, Yokogawa), 가스 배출 관으로 구성하였다. 하수처리장에서 발생되는 슬러지의 열적 특성 파악하기 위해서 Ar 분위기 하에서 10℃/min 온도 증가율에서 측정한 TG-DTA 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 하수슬러지는 상온에서 200℃ 이하에서는 수분 증발에 의한 무게감량이 일어나고, 그 이후부터 탈휘구간이 형성된다. 200℃ ~ 400℃에서 급격한 무게감량이 보이며, 약 600℃까지의 무게감량은 유기물의 열분해에 의한 것이며, 600℃ 이상에서는 무기물 열분해에 의한 것이다. 하수슬러지 열분해 시 생성되는 타르, 가스, 촤의 중량비를 Fig. 2에 나타내었다.

IRENA(International Renewable Energy Agency)에 따르면 2014년 말 기준, 전세계 재생에너지 전력 설비용량은 1,829GW로 2000년 대비 1,000GW 증가한 수준으로 지속적인 투자가 이루어질 것으로 예상하였다. 국내의 2015년 신재생에너지 보급목표는 1차 에너지자원 양의 4.3%로 설정하였으며, RPS(Renewable Portfolio Standard) 제도 및 RFS(Renewable Fuel Standard) 제도를 도입하여 2022년까지 바이오연료의 의무율을 10%로 하였다. 2014년 기준으로 산업부에서는 RPS제도를 이행하지 않은 7개 발전사에게 498억 원의 과징금을 부과하였다. 런던협약에 따라 2012년도 하수슬러지의 해양투기가 금지되어 육상처리를 해야 하는 실정이다. 2013년 기준 국내에서 발생하는 하수슬러지는 연간 3,531,250m³이 발생되고 있으며 이 중 재활용량은 41.6%이며, 연료화는 9.9%로 나타났다. 하수슬러지는 해양투기 금지로 인한 육상매립, 소각 등의 방식으로 처리되고 있어, 육상매립에 따른 매립지 부지문제와 소각에 따른 유기성 폐기물로부터의 에너지회수에 대한 문제를 야기하고 있다. 하수슬러지는 탄화공정을 통해 에너지원인 탄화물을 생성하고 있으며, 생성된 탄화물에 대해 탄화도와 탄화속도를 분석하기 위하여 탄화공정에서의 반응속도에 대한 고찰이 필요하다. 탄화공정에서의 반응속도는 실험원료에 따라 다르게 나타나며 반응온도와 시간의 영향을 받는다. 유기성 폐기물을 탄화할 때의 반응속도는 대부분 1차 반응을 통해 해석되어지며 본 연구에서도 1차 반응식을 통해 반응속도를 검토하였다. 시료로 사용한 하수슬러지와 폐목재는 경기도 K하수처리장과 K업체에서 채취하여 전처리 후 105℃에서 24시간 건조하여 사용하였다. 질소가스를 활용한 무산소 조건의 탄화 장치를 이용하여 탄화온도와 탄화시간에 따른 탄화물의 전화율과 반응속도를 검토하였다. 폐기물로부터 탄화물로 전환되는 정도를 나타내는 탄화도(C/H mole ratio)는 원소분석결과를 이용하여 나타내었으며, Arrhenius식을 이용하여 반응속도를 도출하였다. 실험조건으로 탄화온도는 250℃~400℃범위로 설정하였으며, 탄화시간은 5분, 15분, 30분, 60분으로 설정하여 검토하였다.

빈번한 조류 발생으로 인한 수질 악화를 완화시키기 위해 2012년부터 총인의 수질 기준이 강화되었으며, 이에 앞서 2010년부터 기존의 하수처리장에 총인 처리시설을 설치하였다. 총인은 생물학적 처리공정에서도 제거할 수 있으나 질소와는 달리 기체로 전환시켜 대기 중으로 확산시키는 형태로 제거할 수 없기 때문에 혐기･(무 산소)･호기 프로세스를 이용하여 미생물에게 인을 과잉 섭취시켜 슬러지의 형태로 제거하는 방법이다. 그러나 이 방법은 국내의 엄격한 인에 대한 수질 기준을 만족시킬 수 없기 때문에 인과 친화성이 높은 알루미늄 분자가 주 원료인 황산반토, PAC 등과 같은 응집제를 이용하여 침전･분리시켜 슬러지의 형태로 처리하고 있는 실정이다. 이러한 인의 처리는 어떤 처리 방법에 있어서도 슬러지의 형태로 계외로 배출되는 특성을 지니고 있다. 결국 총인처리시설의 도입으로 인해 기존에 용존 상태로 공공수역에 방류된 인이 알루미늄과 결합된 슬러지의 형태로 전환되게 되었다. 이와 같이 알루미늄과 결합된 인은 기존의 슬러지 처리시설에서 최종침전지의 슬러지와 함께 각 처리장의 기존 슬러지 처리시설에서 처리되고 있다. 그러나 응집제의 도입과 인의 함유량 증가와 같은 슬러지의 성상이 기존의 슬러지 처리 공정에 미치는 영향에 대해서는 조사된 사례가 없으며, 특히 부숙화나 고화 처리의 경우는 토양 환원시에 알루미늄과 인의 함유량 변화가 작물의 생장이나 토양 생태계에 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고 이에 대한 기초적인 연구가 전무한 실정이다. 본 연구에서는 총인처리시설 도입 후에 처리장내에서의 인과 계외(처리장 외부)로 배출되는 슬러지(부숙토, 고화토 등)중의 인과 함께 알루미늄의 거동에 대해 검토하였다. 연구 대상으로 한 G하수종말처리장의 처리공법은 DNR이며, 잉여 슬러지는 총인슬러지와 함꼐 탈수 후에 부숙처리하고 있다. 먼저 처리장의 월별 운영자료로 인의 수지를 산정한 결과, 총인처리시설에서 제거되는 인의 양은 4.33 kg/d (28.7%)이었으며, 총인처리시설 이전 단계에서의 인 제거량은 4.65 kg/d(30.9%)로 유입되는 인의 약 41%는 생물반응조내의 미생물에 축적되어 있는 것으로 나타났다. 그리고 총인 처리과정에 발생된 슬러지에는 건조중량 기준으로 알루미늄이 254.6 g/kg, 총인이 40.1 g/kg 함유되어 있고, 완제품의 부숙토에는 알루미늄이 49.5 g/kg, 총인이 30.8 g/kg 함유되어 있는 것으로 나타났다. 이는 전술한 인의 수지에 근거해서 재산정하면 총인처리시설의 도입 후에 부숙토 중의 인함량은 약 2배 정도 증가한 것으로 보인다. 한편 알루미늄은 일반 슬러지중의 알루미늄의 함량이 높지 않음을 감안한다면 대부분이 인의 제거를 위해 투입된 황산반토에서 기인된 것로 판단된다. 이와 같이 총인 처리시설의 도입으로 인해 슬러지 중의 알루미늄과 인의 함량은 급격하게 증가되었음이 확인되었다. 한편, pH 2이하의 조건에서 용출시험 결과, 인(T-P)과 알루미늄의 용출 농도는 각각 80 mg/L과 27 mg/L이었으며 pH 4이상의 조건에서는 알루미늄과 인이 안정된 결합상태로 유지하는 것으로 나타났다.

하수슬러지를 이용한 투수블록 제조에 있어서 하수슬러지 케익 : 황토 : 점토의 최적 혼합비를 결정하기 위해 각 재료를 정해진 혼합비로 혼합한 후 소성하여 제조하였다. 제조된 투수블록의 상태를 육안으로 관찰하여 실험에 이용 가능 여부를 판단해본 결과 혼합비에 따라 일부는 소성 후 투수블록이 부서지거나 갈라지는 현상이 관찰되어 추후 실험에 이용 불가능할 것으로 판단되었다. 하수슬러지 케익과 황토 및 점토의 혼합비에 따라 제조된 투수블록의 압축강도를 측정한 결과 하수슬러지 케익 : 황토 : 점토의 혼합비가 5 : 65 : 30 인 경우와 10 : 65 : 25의 경우 그리고 15 : 65 : 20의 경우 공히 1,600N/mm² (163.3kg/mm²)으로 다른 혼합비로 제조된 투수블록보다 높은 압축강도 값을 나타내었다. 따라서 슬러지의 혼합비가 15% 이상일 경우 부서지는 현상이 발생하였으며, 황토는 65%의 혼합비일 때 높은 압축강도를 나타내었다. 그러나 황토의 함량이 적거나 점토의 함량이 많을 경우 압축강도가 현저히 낮아지는 것을 알 수 있었다. 투수블록의 흡수율 분석을 위하여 제조된 투수블록을 건조기에 넣어 110±10℃에서 24시간동안 건조시켜 데시케이터에서 방랭한 후 흡수율 측정방법에 따라 실험을 실시한 결과 슬러지 함량이 증가할수록 투수블록의 흡수율이 증가하는 경향을 보였다. 또한 같은 슬러지 함량에서 Clay의 함량이 높은 투수블록의 흡수율이 높은 것을 알 수 있었다. 이는 슬러지 함량이 높을수록 소성시 슬러지가 회화되면서 투수블록 내에 기공을 형성하기 때문인 것으로 판단된다. 본 실험에서 가장 높은 흡수율을 보인 투수블록은 37.84%의 흡수율을 보였으며, 가장 낮은 흡수율을 보인 투수블록은 20.68%의 흡수율을 보였다. 소성 공정을 통해 제조된 투수블록 중 강도가 약하여 성형이 힘든 배합비를 제외하고 나머지 혼합비의 투수블록 4개를 붙여 투수계수 측정을 위해 제작한 틀에 부착하였다. 투수블록의 투수계수 측정방법은 제작된 틀상부에 물을 넣어 일정한 수위차에서 10분간 투수되는 물의 양을 측정하였다. 그 결과 슬러지 혼합비가 5% 및 10%인 투수블록은 2.4~3.6×10-4cm/sec으로 아주 작은 값을 보였다. 그러나 슬러지 혼합비가 15%인 투수블록은 16.8~17.9×10-4cm/sec으로 슬러지 혼합비 5%인 투수블록에 비해 매우 높은 값을 보였다. 본 실험 결과 슬러지 함유량이 증가할수록 투수블록의 투수계수 역시 증가하는 경향을 나타내었는데 이는 블록내 슬러지 함유량이 증가하면 투수블록을 소성시키는 과정에서 투수블록내 슬러지가 회화됨으로써 기공을 형성하기 때문인 것으로 판단된다. 슬러지 혼합비가 20%인 투수블록의 경우 투수계수는 24.4~46.3×10-4cm/sec으로 슬러지 혼합비가 15%인 투수블록보다 큰 값을 보였으나 이는 투수블록 표면에 생긴 균열 때문인 것으로 판단된다.

최근 국내 하천 및 호소와 연안해역의 부영양화로 인한 녹조 및 적조현상이 커다란 환경 문제로 대두되고 있으며 용수이용에 지장을 초래하고 있다. 정부의 환경정책이 하수처리체계를 BOD 등 유기물질 처리위주에서 질소･인 처리체계로 전환하여 하천, 호소, 해역의 부영양화를 방지하기 위해 질소･인 등의 방류수 수질기준을 강화하였다. 강화된 방류수 수질기준 준수를 위한 2000년대 이후 하수처리시설의 고도개량사업이 진행되어 2013년말 기준 시설용량 500톤/일이상 하수처리시설의 90%가 고도처리시설을 도입한 실정이다. 본 연구에서는 고도처리공정 도입 전･후의 슬러지 발생량을 비교, 검토하였으며 2013년말 기준 통계자료에 의한 비교, 검토한 결과, 생물학적처리방법으로 처리되는 하수처리시설의 톤당 슬러지 발생원단위는 0.55kg/㎥･일이며 고도처리시설이 도입된 처리시설의 슬러지 발생원단위는 0.48kg/㎥･일로 나타나 고도처리시설 도입후 슬러지 발생량이 저감되는 것으로 분석되었다. 또한 고도처리공법을 크게 A2/O계열, SBR계열, 담체계열, 미생물계열, 막계열, 기타 6계열로 분류하여 고도처리공법 계열별로 슬러지 발생원단위를 비교･검토한 결과 SBR계열 및 담체계열에서 0.50kg/㎥･일의 높은 슬러지 발생원단위를 보였으며 막계열에서 가장 적은 0.30kg/㎥･일의 슬러지 발생원단위를 보였다.

유기성 폐기물인 하수슬러지는 특성상 다량의 수분과 유기물을 함유하고 있어 처리하기가 까다롭다. 우리나라에서는 하수슬러지를 대부분 매립과 해양투기에 의해 처리했으나 2005년 이후 직･매립이 금지되고 최근 해양투기마저 금지됨에 따라 슬러지 처리방법의 개발이 시급하다. 따라서 본 연구에서는 하수슬러지를 재활용하기 위해 열분해 반응 중 하나인 열수가압탄화 반응을 사용하여 Biochar를 생성하였고 생성된 Biochar의 미세기공을 발달시키기 위해 수산화칼륨(KOH)을 이용하여 화학적 활성화 반응을 통하여 활성 Biochar를 생성하였다. 또한 생성된 Biochar 및 활성 Biochar의 특성을 분석하고 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 아연(Zn), 니켈(Ni)에 대하여 중금속 흡착제로써의 흡착능력 실험을 통해 기존에 연구된 lab-scale실험과 비교평가 하였다. 기존연구에 따르면 하수슬러지를 200ml 용량의 반응기에서 열수가압탄화반응을 통해 하수슬러지 Biochar를 생성하고 수산화칼륨(KOH)을 이용하여 화학적 활성화 반응을 거친 후 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 아연(Zn), 니켈(Ni)에 대해 중금속 흡착능력을 평가한 결과 80% 이상의 효율이 나타났다. 본 연구에서는 하수처리장에서 발생되는 슬러지 중 탈수 후 배출되는 탈수cake를 이용하여 130L 용량의 반응기에 하수슬러지 100kg을 넣고 220℃ 온도에서 2시간 반응을 통해 Biochar를 생성하였다. 생성된 Biochar는 수산화칼륨(KOH)을 이용하여 600℃, 60분에서 화학적 활성화를 진행하였으며 이후 생성된 활성화 Biochar에 대해 삼성분, 원소분석, 중금속 용출, 양이온교환수지(CEC), SEM, FT-IR 실험을 진행하여 기본특성을 분석하였다. 그 후, 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 아연(Zn), 니켈(Ni)에 대하여 등온 흡착실험을 수행하여 중금속 흡착제로써 흡착성능을 비교평가 하였다.

For the CLMS using FA as powder and S and SS as fine aggregates, respectively, in order to improve flowability by preventing material separation and securing quantity of minimum unit and to secure maximum strength by repressing bleeding, the most reasonable and optimal combinations of FA+S and FA+SS were f/a 20 and f/a 60, respectively.

This study firstly provides basic data for selection of cultivatable bioenergy grass in barren reclaimed lands applied with solidified sewage sludge. The experimental plots consisted of a plot containing reclaimed land mixed with solidified sewage sludge (MSS 50), a plot covered by solidified sewage sludge (CSS 100), and an original reclaimed soil plot (ORS). The growth, biomass production of bioenergy grasses and soil chemical properties were investigated in each experimental plot for 5 years. The organic matter (OM) and total nitrogen (T-N) content in both MSS 50 and CSS 100 were considerably higher than those in ORS. In bioenergy grasses, M. sacchariflorus cv. Geodae 1 showed an excellent growth and adaptability on reclaimed land applied with solidified sewage sludge. The application of solidified sewage sludge may provided soil nutrition in the reclaimed land due to the fact that bioenergy crops grew better in soils applied with solidified sewage sludge than in untreated soils, and treated soils had higher OM and T-N content than untreated soils. This study suggests that M. sacchariflorus cv. Geodae 1 is the most suitable biomass feedstock crop for biomass production and that solidified sewage sludge may be used as a soil material

This study firstly provides basic data for selection of cultivatable bioenergy grass in barren reclaimed lands applied with solidified sewage sludge. The experimental plots consisted of a plot containing reclaimed land mixed with solidified sewage sludge (MSS 50), a plot covered by solidified sewage sludge (CSS 100), and an original reclaimed soil plot (ORS). The growth, biomass production of bioenergy grasses and soil chemical properties were investigated in each experimental plot for 5 years. The organic matter (OM) and total nitrogen (T-N) content in both MSS 50 and CSS 100 were considerably higher than those in ORS. In bioenergy grasses, M. sacchariflorus cv. Geodae 1 showed an excellent growth and adaptability on reclaimed land applied with solidified sewage sludge. The application of solidified sewage sludge may provided soil nutrition in the reclaimed land due to the fact that bioenergy crops grew better in soils applied with solidified sewage sludge than in untreated soils, and treated soils had higher OM and T-N content than untreated soils. This study suggests that M. sacchariflorus cv. Geodae 1 is the most suitable biomass feedstock crop for biomass production and that solidified sewage sludge may be used as a soil material

2006년 런던 의정서에 의해 가축분뇨는 2012년, 음･폐수는 2013년 해양투기가 전면 금지되었으며 이로 인해 발생하는 하수슬러지의 육상 처리 문제가 대두 되었다. 이에 따라 하수슬러지의 재활용량은 2006년 1,139톤/일(15.3%)에서 2,397.4톤/일(27.4%)로 증가 하였다. 하수슬러지 처리시설에서 처리되고 있는 주된 처리방법으로는 고화, 건조연료화, 부숙화, 탄화, 소각 등이 있다. 특히 단순 소각보다 하수 슬러지를 자원으로서 활용하자는 견해가 증가함에 따라 부숙화 및 건조연료화 방안이 채택되고 있다. 그 중 하수슬러지의 연료화방안의 문제점으로 하수슬러지의 80%에 이르는 높은 함수율로 인해 건조에 따른 연료비가 과다하게 발생되는 단점이 있으며 완전 건조 이후에도 고위 발열량이 4400kcal/kg 정도로 경제성이 문제가 되고 있다. 본 연구에서는 하수슬러지 연료화의 경제성 보완을 위한 대책으로 건조비용을 줄이는 사전처리 방법의 개발과 발열량이 높은 폐기물을 혼합하는 대책을 연구하고자 하였다. 이러한 대책의 일환으로 건조비용을 줄이는 사전처리 방법으로 bio-drying공법을 적용하고 하수슬러지의 발열량을 향상시키기 위해 고발열량의 폐기물을 혼합하였다. 혼합폐기물로서 커피찌꺼기를 이용하여 bio-drying 효과를 이끌어내는 동시에 건조연료화를 위한 발열량 향상 효과를 평가하였다.

유기성폐기물을 안정화시키는 동시에 바이오가스를 회수하는 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 환경변화에 대한 민감성에 기인하여 20일 이상의 긴 체류시간을 필요로 하고 유기물 감량율과 메탄생성율이 높지 않다는 단점이 있다. 또한, 혐기성소화조는 성능을 유지시키기 위하여 중온(35℃) 또는 고온(55℃) 조건에서 운전하게 되는데, 소화조의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 가온하는데 많은 에너지를 필요로 한다. 그러나, 혐기성소화조를 저온에서 운전하게 될 경우 가온에 필요한 에너지를 절약할 수 있지만 생화학반응속도가 감소하여 소화성능이 크게 저하하는 결과로 이어지게 된다. 한편, 생물전기화학 혐기성소화(bioelectrochemical anaerobic digestion)는 재래식 혐기성소화가 가진 단점들을 극복하기 위하여 기존의 혐기성소화조에 산화전극과 환원전극으로 이루어진 생물전기화학장치를 설치하고 전극들에 일정한 전위를 인가함으로서 유기물의 혐기성분해 반응을 촉진시키는 기술이다. 본 연구에서는 하수슬러지를 대상으로 25℃의 저온조건에서 생물전기화학 혐기성소화성능을 평가하고, 중온조건에서의 결과와 비교하였다. 또한, 저온소화 성능에 대한 철염의 영향을 조사하였다. 본 연구는 교반기가 설치된 유효용량 12L의 재래식 혐기성소화조에 산화전극과 환원전극을 설치한 생물전기화학 혐기성소화조를 이용하여 수행하였다. 이때 산화전극은 흑연직물섬유의 표면에 탄소나노튜브를 전기영동전착법으로 고정시킨 것을 사용하였으며, 환원전극은 흑연직물섬유의 표면에 탄소나노튜브와 니켈을 동시에 고정시킨 것을 사용하였다. 준비된 생물전기화학 혐기성소화조의 산화전극과 환원전극 사이에는 외부의 직류전원을 이용하여 0.3V의 전압을 인가하였다. 초기운전을 위하여 S 하수처리장 혐기성소화조로부터 채취한 혐기성슬러지를 식종하였으며, Y 하수종말처리장에서 채취한 하수슬러지를 1일 1회 정량 주입하여 수리학적 체류시간은 20일로 유지하였다. 생물전기화학 혐기성소화조를 운전하는 동안 pH, VFA, COD 및 VS 그리고 바이오가스발생량 및 메탄함량과 전류의 변화 등을 관측하였다. 생물전기화학 혐기성소화조를 35℃의 중온에서 운전한 경우 초기운전기간 이후 정상상태에 도달하였을 때 비메탄발생율과 VS 감량은 각각 0.412L CH4/L/d 및 72.5%로서 대단히 우수한 소화성능을 보였다. 그러나, 생물전기화학 혐기성소화조를 저온에서 운전하였을 때 메탄발생량과 유기물 감량율은 전차감소하였으며, 정상상태에서 비메탄발생율과 VS 감량은 각각 0.354 L CH4/L/d 및 61.3%로서 중온조건의 85% 정도 소화성능을 보였다. 그러나, 유입슬러지에 철염을 첨가하여 생물전기화학 혐기성소화조를 운전하였을 때 메탄발생량과 VS 감량율은 빠르게 회복하였으며, 비메탄발생량과 VS 감량은 각각 403L CH4/L/d 및 69.8%로서 중온성능의 98% 가량의 성능을 보였다.

Toxicity of polymer, Alum, Zeolite, Loess, Koalinite and Chitosan on earthworm and the effects of sewage sludges coagulated by several mixtures of those coagulants on the population growth of earthworm Eisenia andrei were evaluated. Under the concentration of 20,000 mg/L of Zeolite, Loess and Kaolinite, and under 1,000 mg/L of Chitosan were there no acute toxicities on earthworms. The concentration of Polymer over 160 mg/L showed acute toxicity upon earthworm, but the concentration under 80 mg/L showed no toxicity. The concentration of Alum over 125 mg/L showed acute toxicity. The mixture of ‘Polymer 80 mg/L + Kaolinite 500 mg/L + Chitosan 20 mg/L’ had higher coagulating efficiency than the ‘Polymer 80 mg/L + Kaolinite 500 mg/L’ on sewage sludge, And the sewage sludge coagulated by former mixture induced higher growth rate of earthworm population than that coagulated by latter mixture when the sewage sludges were supplied to earthworms.

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.

하수슬러지는 2006년 발표된 국토해양부 ｢육상폐기물 해양투기 관리 종합대책｣에 의거 2012년부터 해양배출이 전면 금지되었다. 2012년 하수슬러지 해양배출 전면 금지에 따라 규정에 의거 매립이 가능한 함수율 75%이하 슬러지는 금고동 매립장에 매립(일 최대 80톤) 건의, 잔여량(함수율 75% 초과)은 민간 폐기물 재활용(복토재 생산)업체에 위탁처리하고 있다. 처리비용 절감을 위한 위탁처리 부산물의 금고동 매립장 복토재 활용 검토와 슬러지 안정적 처리 방안 등을 도출하기 위해 이번 연구를 실시하였다. 본 연구의 내용 및 범위는 민간 폐기물 재활용업체에서 생산된 하수슬러지 부산물의 매립장 복토재 활용 방안이며, 고화토의 기본 물성을 실험하고 역학특성을 평가하여 연구를 진행하였으며 비중시험, pH시험, X-선 형광분석을 이용하여 물성을 실험하였다. 역학특성 평가는 수분함량측정, 일축압축강도시험, 투수시험, 악취시험을 통하여 평가 하였다. 고화물의 복토재 품질 검토 결과 고화처리물의 품질기준에는 만족하여 포설은 가능하나 악취 발생이 심각하여 민원 발생 가능 및 작업자의 안전에 위협을 주므로 반입 가능성은 매우 낮은 것으로 나타났으며, 향후 건조 연료화 시설의 건설/운영 전까지는 다수의 슬러지 처리방법 중 직매립과 고화 복토 방법이 가장 경제적이고 기술적으로 타당한 것으로 판단된다.

하수처리장 운영 시 생성되는 하수슬러지는 하수처리장에서 배출되는 폐기물의 대부분을 차지한다. 발생한 하수슬러지의 처리는 퇴비화, 사료화, 매립, 소각, 에너지화, 재활용, 해양투기 등의 여러 방법으로 이루어졌다. 그러나 2013년 런던 협약 발효에 따라 처리 방법 중 30~40%를 차지하던 해양투기가 금지되었다. 해양투기 다음으로 많이 사용된 방법은 육상매립이나, 육상매립의 경우 부지 확보가 점차 어려워지고 환경규제의 강화로 매립하는 양이 감소되고 있다. 따라서 하수처리장에서 발생하는 슬러지를 최소화 하는 동시에 자원으로 활용할 수 있는 적정 기술의 필요성이 대두되고 있다. 여러 적정 기술 중 혐기성소화는 하수슬러지를 혐기 미생물을 이용하여 메탄을 생성하는 가용화하는 대표적인 방법이다. 혐기소화조 운영에 있어서 하수슬러지를 바로 투입하여 처리하는 경우 낮은 소화 효율을 보이므로 소화조 전단에 전처리 기술을 배치하여 소화 효율을 향상 시킬 수 있다. 이런 전처리 기술에는 효소에 의한 생물학적 처리, 초음파, 오존, 원심분리, 액체전단, 분쇄의 기계적 처리, 산화, 알칼리에 의한 화학적 처리, 열처리가 있다. 그 중 열전처리 공정은 슬러지의 부피 감량과 불필요한 화합물의 분해 뿐만 아니라 슬러지 내의 병원균도 제거 가능한 장점을 가진다. 본 연구를 통해 열전처리 공정의 특성을 확인하였으며 공정 이후 생성된 물질의 특성도 평가하였다. 실험은 회분식 반응기에서 진행 되었으며, 혐기조건을 만든 후 열을 가하여 운전하였다. 실험 조건은 온도, 시간, 슬러지 함량에 따라 설정하였다. 각 조건에 따른 시료를 분석한 결과 건조 중량 1g을 기준으로 휘발성유기물질의 초기 농도가 0.67 g 일 때 최대 0.002 g까지 감소가 확인되었다. 감소한 휘발성 유기물질은 용존 유기물 형태로 변경되었고, COD 0.071 - 0.158 g-C/L 또는 TC 0.04 - 0.085 g-C/L 의 증가가 확인되었다. 이외에 TN은 3 - 22 mg-N/L의 증가가 확인되었고, 질산성 질소 또는 아질산성 질소는 미량 발견되었으며, 암모니아 형태의 N이 0.34 - 10.36 mg-N/L로 존재하는 것이 확인되었다.

하･폐수 슬러지는 퇴비화, 소각, 해양투기, 매립, 건조 에너지화 등 다양한 방법을 통해 처리하였으나,해양배출 금지, 환경 문제 등으로 인해 처리상 어려움이 있다. 하･폐수 슬러지는 건조화 방식을 통해 고형연료로 변환이 가능하며, 이는 신재생에너지로 활용하여 열적 변환을 통해 에너지를 생산과 동시에 효율적으로 처리할 수 있다. 건조된 하･폐수 슬러지는 저위발열량 12-15 MJ/kg, 회분함량 20~30% 로써 열적 변환 방식에 따라 전･혼소용 연료로 충분한 활용이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 건조/고형 슬러지를 대상으로 열중량분석, 열분해, 연소를 통해 연료 특성에 대해 파악하였다. 건조/고형화 슬러지는 산업폐수를 활용하여 열수 건조 후 성형된 고형 연료로써 수분은 5.73%로 나타났다. 회분의 함량은 36.27%, 가연분 함량(휘발분+고정탄소)는 58.0%, 저위발열량 14.28 MJ/kg 이다. 열중량분석은 약 10 mg의 미량의 샘플을 사용하여, 질소분위기에서 800℃까지 5-50℃/min으로 승온율에 따른 무게감소량 등 연료 특성에 대해 분석하였다. 전반적으로 약 100℃ 내외에서 수분이 증발되며, 250-520℃에서 열분해가 진행되는 것을 확인할 수 있었고, 승온율이 증가할수록 열분해 시 온도에 따른 무게감소량이 점점 감소하였다. 슬러지의 저속 열분해는 직경 100 mm, 높이 300 mm의 고정층 반응기를 통해 550℃까지 50℃/min 으로 승온하여 열분해 후 생성된 촤,타르와 합성가스의 양과 조성을 분석하였다. 열분해를 통해 생성된 Tar는 원소 조성을 파악하여 Tar내의 다양한 조성을 측정하였다. 생성된 가스는 연소실험과 동일한 방법을 통해 가스조성, 발열량 등을 파악하였다. 이를 통해 가스화, 연소 모델 개발에 활동 가능한 기초자료를 도출하였다. 건조/고형 슬러지의 연소 특성 실험은 직경 310 mm, 높이 720 mm의 Lab-scale 고정층 반응기를 사용하여 공기유량 100-400 L/min(97-390kg/m2hr)의 범위에 대해 수행해였다. 연소실험의 온도분포는 반응기 내부에서 5 cm 간격으로 설치된 열전대를 통해, 연료 무게 감소량은 로드셀을 통해 무게 감소량을 측정하였다. 이때 생성된 가스는 Online 가스분석기를 통해 CO, CO2, CH4, H2 를 분석하며, Micro-GC를 통해 CxHy 등을 일정 시간마다 분석하였다. 실험결과 해당 유량범위에서 슬러지 연소는 당량비가 1이하인 연료과잉 상태로써 유량이 증가할수록 화염면의 온도가 상승하며, 그 결과로 화염면 하단으로의 열전달이 증가하면서 화염 전파 속도가 증가하였다. 또한 촤의 느린 연소속도로 인해 화염면 상부에 누적되며 화염면이 화격자에 도달한 후 고온의 촤 연소 영역이 형성되었다. 측정된 온도와 가스 조성, 무게 감소 결과는 향후 연소모델 개발을 위한 기초자료로 활용할 수 있다.

In this study the effects of co-digestion of sewage sludge and food waste leachate on the anaerobic digestion efficiencyfrom sewage treatment facilities in S. Korea were investigated. For this study 15 facilities were selected including 9facilities treating sewage sludge only (S-Only) and 6 facilities treating sewage sludge and food waste leachate (S-MIX).The average volatile solid (VS) removal rate of S-Only was 30.7% and that of S-MIX was 45.2%. The COD removalrate of S-MIX (61.3%) was higher than that of S-Only (48.6%). It has been observed that the anaerobic digestion efficiencyof S-MIX was superior to that of S-Only because S-MIX contained more sufficient nutrient with higher VS contents andtotal solid (TS) contents emerging from food waste leachate. Therefore food waste leachate addition in sewage sludgeanaerobic digestion would be the preferred option to treat only sewage sludge.

The objective of this study was to find optimum pretreatment conditions of ozone and microwave for solubilizationof thickened waste activated sludge (TWAS). Response surface analysis was applied to determine the combination of ozoneconcentration (0.03 to 0.1g O3/g total solid (TS)) and microwave temperature (100~170oC). The temperature significantlyaffected the solubilization degree of sludge (p<0.01). Within the design boundaries, the conditions predicted to maximizethe solubilization degree of 41.6% were determined to be 0.065g O3/g TS and 170oC. On the other hand, the solubilizationdegree with the ozone pretreatment alone was 2.7 to 12.2% at 0.03~0.1g O3/g TS. The results show that the combinationof ozone and microwave pretreatments is effective in solubilization of TWAS.