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.

Relatively low efficiency in anaerobic digestion process is mainly caused by unproper mixing method. In this study, tray motion type agitator was applied in actual anaerobic digestion tank in order to improve the digestion efficiency, equalize the flow velocity distribution and energy saving. The impeller of tray motion type agitator was reciprocated vertically. Gas lift type agitator and tray motion type agitator appears almost same mixing efficiency include digestion rates. However, tray motion type agitator have shown that lower energy consumption compared to the conventional gas lift type agitator. Implementation of tray motion type agitator in the anaerobic digestion tanks contributed to the stabilization of mixing environment, efficiency and energy efficiency of the tank.

The performance of the new aerobic digestion system combined with inorganic sludge separation unit and sludge solubilization unit, CaviTec II, is evaluated. Anaerobic digester effluent sludge is used for feed sludge of CaviTec II system. By addition of CaviTec II, the amount of cake generated is reduced by 27%, and the soluble nitrogen is reduced by 92%.

In this study, we evaluated the effect of the type of sewage sludge (digested, non digested) on drying efficiency according to the polymer injection rate. The drying characteristics were shown using a near-infrared ray (NIR) and a microwave. As a result of the drying characteristics with NIR at a polymer dose ratio of 8%, the heating up period is up to 6 minutes after the start of the drying experiment. Afterwards, the constant rate drying period of the digested sludge (A, C and G sites) was 6 minute → 18 minute, showing a rapid decrease in moisture. On the other hand, non digested sludge (B, D, E, F, H, I, J and K sites) showed gradual drying characteristics compared to digested sludge until complete drying (10%). As the polymer dose ratio of 10% and 12%, the heating up period for digested sludge is up to 6 minute after the start of the experiment. Afterwards, the constant rate drying period of the digested sludge was 6 minute → 20 minute, showing a rapid decrease in moisture. On the other hand, the heating up period of non digested sludge was up to 10 minute after the start of the experiment, and the constant rate drying period was 10 minute → 22 minute, which was shorter than digested sludge. As a result of the drying characteristics with microwave at a polymer dose ratio of 8%, 10% and 12%, the constant rate drying period the digested sludge was 4 minute → 20~22 minute, showing a rapid decrease in moisture. On the other hand, non digested sludge of the constant rate drying period was 4 minute → 22~30 minute, which was longer than digested sludge.

Livestock manure treatments have become a more serious problem because massive environmental pollutions such as green and red tides caused by non-point pollution sources from livestock manures have emerged as a serious social issue. In addition, more food wastes are being produced due to population growth and increased income level. Since the London Convention has banned the ocean dumping of wastes, some other waste treatment methods for land disposal had to be developed and applied. At the same time, researches have been conducted to develop alternative energy sources from various types of wastes. As a result, anaerobic digestion as a waste treatment method has become an attractive solution. In this study has three objectives: first, to identify the physical properties of the mixture of livestock wastewater and food waste when combining food waste treatment with the conventional livestock manure treatment based on anaerobic mesophilic digestion; second, to find the ideal ratio of waste mixture that could maximize the collection efficiency of methane (CH4) from the anaerobic digestion process; and third, to promote CH4 production by comparing the biodegradability. As a result of comparing the reactors R1, R2, and R3, each containing a mixture of food waste and livestock manure at the ratio of 5:5, 7:3, and 3:7, respectively, R2 showed the optimum treatment efficiencies for the removal of Total Solids (TS) and Volatile Solids (VS), CH4 production, and biodegradability.

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.

하수처리시설의 방류수 수질기준은 계속적으로 강화되고 있으며, 이러한 기준을 충족시키기 위해 다양한 공법을 적용하려는 노력들이 증가하고 있다. 지금까지는 질소, 인 처리를 목적으로 활성슬러지 공법을 많이 적용해왔지만, 활성슬러지 공법의 경우 용존산소 및 온도 유지, 미생물의 생장에 필요한 탄소원이 부족할 경우 추가적인 메탄올 공급의 필요 등과 같은 문제점들을 가지고 있어 대안책이 필요한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 응집제 주입을 통해 유기물 뿐만 아니라 질소, 인 등을 제거하여 활성슬러지 공법을 대체할 수 있는 응집-침전 1차 처리(Chemically enhanced primary treatment, CEPT)의 최적화 과정을 진행하였으며, 추가적으로 CEPT 슬러지를 이용하여 혐기성 소화를 진행하였을 때 메탄 생성효율에는 어떠한 영향을 미치는지 확인하고자 하였다. 먼저 문헌조사를 통해 총 7개의 후보군(FeCl2, FeCl3, FeSO4, PACl, Al2(SO4)3, 키토산, glucan)을 선정하였으며, jar-test를 통해 응집제로써의 적용가능성 및 최적 주입량을 확인하였다. Jar-test의 경우 광주 제 1하수처리장으로 들어오는 하수 원수 500ml를 이용하여 진행하였으며, 급속교반(150rpm, 1분), 완속교반(40rpm, 10분), 침전(10분) 순으로 진행한 뒤 상징액을 통해 저감효과를 확인하였다. 90% 이상의 탁도 저감효과를 보인 FeCl3, PACl, Al2(SO4)3 대상으로 CEPT 슬러지를 제작하여 혐기성 소화를 진행하였다. jar-test에서는 PACl이 응집제 주입량 대비 가장 높은 탁도저감효과를 보인 반면, 혐기성 소화 공정에서는 PACl을 이용하여 제작한 CEPT 슬러지의 메탄 발생효율이 가장 낮고, FeCl3를 주입한 경우에 가장 메탄발생효율이 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 PACl의 Al 성분이 미생물의 생장을 저해한 반면, FeCl3의 경우에는 Fe3+가 Fe2+로 환원되는 과정에서 유기물로부터 H+를 받아 유기물의 분해속도를 촉진시켰기 때문인 것으로 추측된다.

2005년부터 음식물류폐기물의 직매립이 금지됨에 따라 이에 따른 처리수단으로 자원화(민간 사료화, 공공퇴비화 위주)시설을 많이 설치하여 운영하였다. 하지만 음식물류폐기물을 이용하여 생산된 사료와 퇴비에 대한 사용자들의 부정적인 인식으로, 생산된 부산물이 다시 폐기물로 되는 악순환이 지속되어 왔다. 또한 런던협약에 의해서 2012, 2013, 2014년에 하수슬러지, 음폐수, 축산분뇨 및 하수슬러지 등 유기성폐기물의 해양배출이 금지됨에 따라 고농도의 유기물을 육상에서 처리해야 했기 때문에 부수적으로 바이오가스를 얻을 수 있는 혐기성 소화에 많은 관심을 갖게 되었다. 그러나 많은 지자체에서 혐기성 소화의 이해와 운전기술의 부족으로 시설 운영에 실패 또는 어려움을 겪고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 음식물류폐기물과 음폐수의 혼합소화 운전을 하고 있는 대전광역시 내 바이오 에너지화 시설의 혐기성 소화 효율을 실험적으로 분석하고 향후 유기성폐기물의 혐기소화를 이용한 처리 가능성을 살펴보았다. 음식물류폐기물과 음폐수의 총 반입량은 평균 353.17 ton/day이며 그 중 296.47 ton/day이 혐기성 소화조에 투입되었으며 나머지 56.7 ton/day는 매립처리하는 것으로 측정되었다. 시설 내 중간 저장조, 혐기성 소화조, 안정화조의 경우 평균 TS 제거 표율은 72.5%, VS는 80.2%로 측정되었으며 평균 바이오 가스 발생량은 26,450 Nm3/day, 이중 CH4 함량은 63.83%로 측정되었다. VS당 바이오 가스 및 CH4 발생량은 0.77 Nm3-biogas/kg-VS, 0.49 Nm3-CH4/kg-VS로 측정되었으며, VS/TS 비는 중간 저장조, 혐기성 소화조, 안정화조에서 각각 87.0%, 72.5%, 62.5%로 나타났다. 이와 같은 결과를 기반으로, 바이오 에너지화 시설 내 혐기성 소화조 및 안정화조에서 메탄생성세균이 활발하게 성장하고 있어 소화조 효율이 높은 것으로 판단되었다.

Since 2005 the landfilling of food waste has been prohibited, and many recycling facilities (private, domestic, animalfeed conversion, public composting) have been constructed and operated as waste-treatment centers. However, due to the negative attitude of users on the domestic animal feed and compost produced from food waste, the byproducts of waste have created a vicious cycle, needing treatment themselves. In addition, the London Convention prohibited the discharge of organic waste such as sewage sludge into the ocean in 2012 and of food-waste leachate in 2013. An alternative to landfilling and incineration is to treat biomass with anaerobic digestion. However, the anaerobic-digestion efficiency of the Daejeon City bioenergy facility, which has adopted a mixed digestion process of food waste and food waste leachate, has not been reproduced in other municipalities due to a misunderstanding of anaerobic digestion and a lack of operating skill. Thus, the anaerobic-digestion efficiency of the bioenergy facility in Deajeon is analyzed, and it provides basic information for the anaerobic co-digestion of organic wastes.

석탄과 철광석은 산업발달의 시작부터 현재까지 지속적으로 사용되고 있다. 이에 따라 수반된 석탄 및 철광석 정제산업의 발달은 석탄철광폐수의 양적 증가를 초래하여 그 처리가 많은 관심 속에 활발하게 연구되고 있다. 석탄철광폐수는 페놀, 시안과 같은 독성 물질 뿐 만 아니라 혐기성미생물과 경쟁관계에 있는 황산염환원균활성증가를 초래하는 SO42-를 고농도로 함유한다. 이 석탄철광폐수의 처리법으로는 물리적, 화학적, 생물학적 처리가 다양하게 연구되어왔는데, 고농도의 폐수처리에 익히 알려진 혐기성미생물을 이용한 석탄철광폐수의 처리는 경제성과 재생에너지 측면에서 최근 큰 관심을 받고 있다. 하지만 폐수에 함유된 페놀, 시안, 등과 같은 독성물질이 생물학적 처리에 심각한 저해를 초래할 수 있어 문제로 지적되고 있으나 그 독성에 대한 현재까지의 연구는 미진한 형편이다. 이에 본 연구는 입상 혐기성미생물이 석탄철광폐수 소화 시 받게 되는 급성독성에 대하여 실험적 고찰을 진행하고 그 적응 방안을 연구하였다. 석탄철광폐수는 석탄철광정제의 완료시점에 실폐수 샘플을 채취하여 사용하였다. 폐수특성 분석결과 pH 7, 페놀 589±23 mg/L, 시안 49 mg/L, 암모니아성질소 39±9 mg/L, SO4-2는 735 mg/L이며 화학적 산소요구량은 3.9 g/L으로 나타났다. 석탄철광폐수에 대한 물벼룩 급성독성시험 결과 TU가 28로 매우 높게 측정되었다. 이 폐수에 UASB의 입상슬러지를 이용하여 혐기성소화를 수행하였다. 약 20일간 유기물 부하 0.6 g COD/L/day에서 초기 적응을 수행하였고, 혐기성소화조의 정상상태에서 COD 제거율은 98%, 메탄수율은 약 80 mL CH4/g COD로 나타났다. 이 혐기성소화조가 석탄철광폐수 유기물부하 0.76 g COD/L/day에 노출 되었을 경우 미생물의 활성을 모니터링한 결과, 폐수유입 즉시 메탄가스발생이 80% 이상 감소되는 강한 독성이 감지되었으며 COD 제거효율은 점차 감소하여 약 20일 후 10%로 낮아졌다. 유출수 내 페놀은 약 210 mg/L로 제거율 60%을 나타났지만 시안은 106 mg/L로 분해되지 않고 축적되어 유입 대비 2배가량 증가하였다. SO4-2 는 2000 mg/L로 급격하게 농도가 증가한 후 약 20일 후 1000 mg/L 이하로 감소하였다. 이로보아 석탄철광폐수 내 시안과 황화합물로 인하여 혐기성미생물 내의 메탄균의 저해가 이루어짐을 짐작할 수 있다. VFA 분석결과는 산발효균과 메탄발효균의 공생관계가 파괴되었음을 보여주었다. 더불어 높은 SO4-2 농도는 황산염환원균과의 경쟁이 유도될 수 있는 농도로 밝혀졌다. 이러한 석탄철광폐수의 급성독성은 고농도의 독성물질 제거를 위한 전처리 혹은 혐기성미생물의 적응기간이 필요함을 나타내었으며, 후자를 선택하여 약 30일 간 단계적인 미생물의 독성적응절차를 거친 결과 급성독성을 극복하고 유기물 및 페놀 분해가 점진적으로 가능함을 확인 하였다.

Livestock manure treatments have become a more serious problem because massive environmental pollutions such as green and red tides caused by non-point pollution sources from livestock manures have emerged as a serious social issue. In addition, more food wastes are being produced due to population growth and increased income level. Since the London Convention has banned the ocean dumping of wastes, some other waste treatment methods for land disposal had to be developed and applied. At the same time, researches have been conducted to develop alternative energy sources from various types of wastes. As a result, anaerobic digestion as a waste treatment method has become an attractive solution. In this study has three objectives: first, to identify the physical properties of the mixture of livestock wastewater and food waste when combining food waste treatment with the conventional livestock manure treatment based on anaerobic mesophilic digestion; second, to find the ideal ratio of waste mixture that could maximize the collection efficiency of methane (CH4) from the anaerobic digestion process; and third, to promote CH4 production by comparing the biodegradability. As a result of comparing the reactors R1, R2, and R3, each containing a mixture of food waste and livestock manure at the ratio of 5:5, 7:3, and 3:7, respectively, R2 showed the optimum treatment efficiencies for the removal of Total Solids (TS) and Volatile Solids (VS), CH4 production, and biodegradability.

우리나라는 4계절이 뚜렷하여 안정적인 중온소화를 진행하기에 환경적 어려움이 있다. 혐기성 소화조의 안정적인 소화를 위하여 가온 에너지는 필수적인 요소이다. 이를 위해 본 연구에서는 이러한 환경에 적합한 소형 혐기성 시설의 개발을 위하여 고농도 유기성 폐기물인 돈분뇨와 음식물류폐기물을 전처리 과정 없이 고액분리만을 통하여 액상의 고농도유기물만을 혐기성소화조에서 에너지원인 바이오가스를 생산하는 Pilot Plant의 성능과 소화효율을 분석하였다. 혐기성 소화조의 가온을 위하여 겉에는 호기성 소화조를 설치하여 호기 발효열을 혐기성 소화 가온 에너지로 이용 가능하도록 설계하였다. 이 호기성 소화조에서는 음식물류폐기물을 이용, 호기성 분해를 통해 퇴비를 생산하였으며, 이 과정 중 발생한 분해열(최대 75℃)을 이용, 혐기성 소화조를 가온하였다. 혐기성 소화의 성분 변화에 따른 바이오가스를 분석하기 위하여 혐기성소화조에 투입되는 유기물(VS)농도, 원료배합(돈분뇨 중 분성분이 30%, 뇨성분이 70%) 등 운전조건의 변화에 따른 유기물(VS) 제거율, CODcr 제거율, 바이오가스 생산량 및 메탄농도, 유기물용적부하에 따른 바이오가스 발생량 등을 분석 하였다. 음식물류 폐기물과 돈분뇨 혼합비에 따라 CASE 1, CASE 2, CASE 3로 분류하였으며, CASE 1의 비율은 음식물류 폐기물 8kg과 돈분뇨 20L, CASE 2 음식물류 폐기물 10kg과 돈분뇨 20L로 진행하였다. 분석결과 호기성 발효조의 평균 온도는 계절에 관계없이 50℃~70℃로 나타났으며, 호기성 발효조의 발효열이 높을수록 혐기성 소화조의 온도 또한 증가하는 경향이 나타났다. 이 결과 혐기성 소화조의 온도는 평균적으로 38℃로 중온소화가 가능한 것으로 확인되었다. 혐기 소화의 경우 투입원료의 유기물(VS)량에 따른 바이오가스 발생량은 CASE1에서 유기물(VS)은 평균 6.09%으로 분석되었으며, 이에 따른 바이오가스 발생량은 0.29~0.31㎥/day로 나타났다. CASE 2는 유기물(VS)평균 농도가 7.7%, 바이오가스 발생량이 0.325㎥/day로 나타났다. CASE1, 2 각각의 CODcr, 유기물(VS) 평균 제거율은 CASE 1이 56%, 76.61%, CASE2가 62%, 81.86%로 분석되었다. 메탄 함유량 또한 60~77%로 측정되어 연료로써의 가치가 확인되었다. 본 연구를 통하여 호기성 산화열을 혐기성 소화의 가온 에너지로서 사용하는 방식의 상용화 가능성을 확인할 수 있었으며, 현재 운영하는 혐기성 소화 시설만이 아닌 마을단위의 유기성 폐기물을 처리할 수 있는 소규모 시설로서도 운영이 가능할 것으로 보이며, 이에 따라 좀 더 효율적인 유기성 폐기물의 처리를 가능하게 할 수 있을 것으로 기대된다.

The purpose of this study was to evaluate the characteristic and efficiency of anaerobic digestion (AD) of various organic wastes, and to find a way to enhance the efficiency of AD. Ten types of organic wastes including slaughterhouse waste (SHW), agricultural by-products (AB), animal manure (AM), sewage sludge, and food waste (FW) were selected. Elementary analysis was carried out to confirm the effect of C/N ratio on AD. Elementary analysis of the AB of maize showed the highest C/N ratio of 42.55. The lowest C/N ratio of 3.41 and 3.46, respectively, appeared from the SHW of the blood from cattle and swine. The cattle rumen content of SHW had a C/N ratio of 19.2, which was included at range of optimum C/N ratio, and AM showed a low C/N ratio because of the lack of a carbon source. The AB of beets had the highest biogas yield of 0.81 m3/kgVS, which was measured by the BMP test. Biodegradability was also calculated based on the BMP test result. FW was found to have the highest biodegradability of 92.14%. However, cattle rumen contents had low biodegradability (34.02%) because their substrate material consists of fibroid, while AM had the lowest biodegradability (15.34%) because of its low C/N ratio.

본 연구에서는 고농도 유기성 폐기물인 돈분뇨와 음식물류폐기물의 전처리를 통해 액상의 고농도유기성폐기물만을 혐기성소화조에서 병합처리하여 Pilot Plant의 바이오가스 발생량 및 유기성폐기물 제거 효율에 대해 검토하였으며, 수리학적 체류시간은 50일로 49일간 실험을 진행하였다. 혐기성소화조에 투입되는 유기물농도, 원료 배합비율 등 운전조건에 따른 유기물 제거효율, 바이오가스 생산량 및 메탄농도 등을 분석한 결과 혐기성소화조로 투입되는 유기물의 VS함량을 약 6.83%로 일정하게 유지하여 안정적으로 혐기성소화를 진행하여 바이오가스 생산량은 220~540L/day･m³로 혐기성미생물의 분해능이 안정화됨에 따라 점차 증가하는 경향을 나타내었으며, 이 때 메탄농도는 62~70%까지 상당히 높은 수준의 메탄함량을 나타내었다. CODcr제거율 및 VS제거율은 각각 49.83~75.84%, 76.83~88.32%로 분석되었으며, VS제거율의 경우 상당히 높은 수준의 유기물제거효율을 나타내어 혐기성미생물에 의한 유기성폐기물의 분해가 활발히 진행되었음을 알 수 있다. 혐기성소화조로 투입되는 원료의 유기물함량이 큰 편차 없이 일정한 함량으로 투입되어 혐기성미생물의 효율적인 활동을 통해 바이오가스 생산량이 점차 증가하는 경향을 보였으며, 안정적인 소화가 이루어진 것으로 판단된다. 또한 실험 23일차부터 바이오가스 생산량은 400~500 L/day･m³로 비슷한 양의 바이오가스 발생하였는데 이를 통해 본 실험의 혐기성소화가 23일 이후부터 안정화되어 유기물분해가 이루어진 것을 알 수 있다.

전 세계적으로 음식물쓰레기의 에너지 가치 및 바이오에너지화에 관한 연구가 활발히 이루어지면서 혐기성소화에 대한 관심이 더욱 늘어나고 있다. 혐기성소화를 고온에서 운전할 경우 체류시간의 감소, 병원성 미생물의 감소, 바이오가스 생산량의 증가 등의 이점이 있는 것으로 알려져 있으나 아직까지 이에 대한 연구는 부족한 현황이다. 따라서 본 연구에서는 수거된 실제 음식물쓰레기를 중온과 고온에서 혐기소화하여 각 온도에서의 혐기성소화 효율성과 생물학적 안전성을 비교하고 운전 가능성을 검토하였다. 혐기성소화의 시료로 사용된 음식물쓰레기는 서울 G-구에서 발생하는 실제 음식물쓰레기를 수거하여 사용하였다. 사용된 음식물쓰레기가 대표성을 가질 수 있도록 총 4회 채취하였고, 수거된 음식물쓰레기의 불순물을 제거하는 작업 후에 모두 균질하게 갈아서 냉동 보관한 후 사용하였다. 음식물 시료의 수분, 가연분, 회분 함량은 각각 79.58, 18.55, 1.87% (by wet wt.)으로 측정되었다. 식종슬러지는 서울 D-환경자원센터에서 반출하여 사용하였으며, 추가적인 완충제나 알칼리도는 주입되지 않았다. 반응조는 항온 수조내에 위치시켜 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 제작되었으며, 중온 혐기성소화는 35℃, 고온 혐기성소화는 50℃에서 운전되었다. 중온과 고온에서 운전된 반응조는 각각 시료주입 45일, 105일차부터 안정적인 운전이 이루어졌다. 정상상태의 중온과 고온에서 운전된 반응조의 메탄발생량은 각각 207.23, 228.89 mL/g-VS/d 로 측정되었으며, 고온에서 운전된 반응조의 메탄발생량이 중온에서보다 약 10% (by wet volume) 높은 효율을 보였다. 그러나 고온 혐기성소화는 가속된 산생성단계와 메탄생성단계의 불균형으로 인한 지속적인 pH 및 알칼리도의 감소로 반응조 운전 124일차부터 급격한 메탄발생량의 감소가 확인되었다. 고온 혐기성소화의 pH 는 메탄생성균의 활동에 적합한 것으로 알려진 중성 범위 이하로 떨어지면서 휘발성 지방산(VFA)의 축적과 알칼리도의 소모가 확인되었으며, 이로 인한 pH 의 감소 및 FOS/TAC(Flüchtige Organische Säuren/Total Anorganic Carbonate)비의 급증이 반응조 운전 실패의 원인으로 판단된다. 본 연구를 통해 고온 혐기성소화의 메탄가스 발생 측면에서의 높은 효율은 확인 되었으나 가속된 유기물의 분해와 생물학적 안정성의 감소로 인해 반응조 운전은 실패하였다. 이에 음식물쓰레기의 효과적인 고온 혐기성소화의 운전을 위해서는 유기물 부하율(OLR)의 감소, 추가적인 완충제 및 알칼리도의 주입 등의 운전조건에 대한 수정과 보완이 필요할 것으로 사료된다.

The objectives of this study were to evaluate biogas production and changes of CH4 contents by trace elements solution dosing to improve the operation efficiency of anaerobic digestion. The solution with trace elements was manufactured by Co, Mo, Ni, and Fe, and the trace elements dosages were gradually increased from reactor R1 to R4. Operation was performed as four modes and organic loading rate was increased from R1 to R4. As a result, digestion efficiency of R2 or R3 was higher than R1 without trace elements solution. Also, it showed that biogas production and CH4 contents of R3 were high compared with R2. However, R4 had a negative effect on the efficiency of anaerobic digestion due to the additional dosing of unnecessary trace elements. Moreover, from the results compared with anaerobic digestion conditions on effect of each trace element, it showed that experiment with the mixture of Co, Ni, Mo, and Fe was the highest digestion efficiency and individual trace element showed high digestion efficiency in the order of Fe, Co, Mo, and Ni. In conclusion, the additional dosing of optimum trace elements is essential to enhance the efficiency of anaerobic digestion.

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.

음식물류폐기물은 2011년 기준 13,429ton/day, 축산분뇨는 2011년 기준 135,653ton/day 발생하였다. 2013년 음식물류폐기물과 축산분뇨의 해양 배출이 전면 금지되었고 육상처리기술 대안 중 하나로서 혐기소화공정기술이 떠오르고 있다. 음식물류폐기물은 유분과 염분이 높고, pH는 낮으며, C/N비 및 COD는 높기 때문에 혐기소화 기간이 길고 처리효율이 낮아 어려움을 겪고 있다. 이에 본 연구에서는 음식물류폐기물의 혐기소화 효율을 높이기 위해서 음식물류폐기물과 축산분뇨의 병합처리를 모색하였고, BMP-test를 통하여 혐기소화 효율을 분석 하였다. 사용된 대상 시료의 TS, VS, CODcr, pH 등 기본성상 분석 결과와 문헌조사를 토대로 병합비율을 산정하여 약 30일간 BMP-test를 진행하였다. 그 결과 단일소화에 비해 병합소화에서 바이오가스 발생량(mL/gVS)이 높았고, 병합시료 속에 음식물류폐기물의 비율이 높을수록 초기 바이오가스 발생이 많았는데 이는 축산분뇨에 비해 가용성 유기물질 성분을 많이 포함하기 때문으로 사료된다. 병합소화에서 병합비율은 가장 중요한 인자 중 하나이나 음식물류폐기물과 축산분뇨의 성상은 지역별로 다르고 계절 및 년도에 따라서도 다르며, 발생량도 다르기 때문에 적절한 병합비율을 결정하기 위해서는 향후 음식물류폐기물과 축산분뇨의 병합처리 뿐만 아니라 유기성폐기물의 다양한 병합처리 연구가 필요하다고 사료된다. 본 연구는 혐기소화공정 설계 및 혐기소화 효율을 높이기 위한 기초자료로서 활용될 수 있을 것이다.

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.