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.

This study was performed to measure the concentration of odorous compounds and dilution ratio values at each part of the anaerobic digester process with composting facilities using swine manure and food waste. Complex odors, ammonia, volatile fatty acids and sulfur compounds were measured at each part of the process. Complex odors measured during swine manure storage, food waste storage and in the digested liquid tank, were 35,312 Odor Unit(OU), 39,086 OU and 17,733 OU, respectively. The odor contribution index was calculated by the concentration of odorous compounds during each process divided by the threshold limit. As a result, the major odorous compound that appeared during swine manure storage, food waste storage and in the digested liquid tank was hydrogen sulfide. On the other hand, the major odorous compound in the other processes was ammonia. The overall average concentrations of ammonia were highest in the digested liquid tank(337 ppm) and the separated liquid tank(131 ppm). Wastewater treatment process(10.9 ppm) and deodorization process(11.6 ppm) revealed the lowest concentration of ammonia. The overall average concentration of total volatile fatty acids(TVFAs) was 102.8 ppb during food waste storage and among the TVFAs, the main element was propionic acid(66.1 ppb). Sulfur compounds were only detected during swine manure storage, food waste storage and in the digested liquid tank. The dominant sulfur compound was hydrogen sulfide during swine manure storage(96.3 ppm) and methyl mercaptan during food waste storage(17.7 ppm) and dimethyl sulfide during food waste storage(34.5 ppm).

This study investigated microbial communities and their diversity in a full-scale mesophilic anaerobic digester treating sewage sludge. Influent sewage sludge and anaerobic digester samples collected from a wastewater treatment plant in Busan were analyzed using high-throughput sequencing. It was found that the microbial community structure and diversity in the anaerobic digester could be affected by inoculation effect with influent sewage sludge. Nevertheless, distinct microbial communities were identified as the dominant microbial communities in the anaerobic digester. Twelve genera were identified as abundant bacterial communities, which included several groups of syntrophic bacteria communities, such as Candidatus Cloacimonas, Cloacimonadaceae W5, Smithella, which are (potential) syntrophic-propionate-oxidizing bacteria and Mesotoga and Thermovigra, which are (potential) syntrophic-acetate-oxidizing bacteria. Lentimicrobium, the most abundant genus in the anaerobic digester, may contribute to the decomposition of carbohydrates and the production of volatile fatty acids during the anaerobic digestion of sewage sludge. Of the methanogens identified, Methanollinea, Candidatus Methanofastidiosum, Methanospirillum, and Methanoculleus were the dominant hydrogenotrophic methanogens, and Methanosaeta was the dominant aceticlastic methanogens. The findings may be used as a reference for developing microbial indicators to evaluate the process stability and process efficiency of the anaerobic digestion of sewage sludge.

혐기성소화는 환경에 민감하기 때문에, 이에 항상 일정한 환경을 유지해 주는 것이 혐기성소화의 열쇠라고 할 수 있다. 이번 연구에서는 혐기성소화조의 온도를 중온소화영역(30~37℃)을 유지할 수 있도록 해주는 장치를 개발, 설치하여 이의 효용성에 대한 연구를 진행하였다. 설치대상 혐기성소화조는 1m³의 부피를 가진다. 여기에 가온은 총 2가지의 방식으로 진행하였다. 첫 번째는 호기소화열을 이용하였고, 두 번째는 태양열을 이용하여 생산된 온수를 이용하였다. 온수를 이용하여 혐기성소화조를 가온키 위해 태양열을 집열하는 진공관과 온수탱크를 설치하였다. 그리고 온수탱크와 혐기성소화조의 하단부를 자켓으로 연결하여 가온할 수 있도록 하였다. 호기소화열의 제어는 무리가 있어, 온수를 제어하여 혐기성소화조의 온도를 제어하였다. 온도를 제어하기 위해 온수탱크와 혐기성소화조, 진공관에 온도센서를 중앙제어장치와 연결하여 설치하였다. 중앙제어장치에서는 온도센서로부터 측정한 온도를 이용하여 연산을 진행하였다. 진공관의 온도가 온수탱크보다 10℃가 높을 때 온수를 순환시켰고, 온수탱크의 온도가 45℃를 넘고 혐기성소화조가 35℃ 미만이 되었을 때 온수를 순환시켰다. 실험결과 태양열온수장치를 이용하기 전 혐기성소화조, 호기성소화조, 실내의 평균 온도는 각각 33, 49.8, 34.1℃였고, 태양열온수장치를 이용했을 때 혐기성소화조, 호기성소화조, 실내의 평균온도는 각각 33.1, 44, 22.1℃로 측정되었다. 태양열온수장치를 이용했을 때의 호기성소화조의 온도와 실내의 평균온도가 장치를 이용하지 않을때의 호기성소화조와 실내의 평균온도보다 훨씬 낮음에도 불구하고 혐기성소화조의 온도가 더 높게 측정된 것은 태양열온수장치의 가온효과가 고무적으로 보인다고 사료된다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.