Response surface methodology (RSM) based on a Box-Behnken Design (BBD) was applied to optimize the thermal-alkaline pre-treatment operating conditions for anaerobic digestion of flotation scum in food waste leachate. Three independent variables such as thermal temperature, NaOH concentration and reaction time were evaluated. The maximum methane production of 369.2 mL CH4/g VS was estimated under the optimum conditions at 62.0°C, 10.1% NaOH and 35.4 min reaction time. A confirmation test of the predicted optimum conditions verified the validity of the BBD with RSM. The analysis of variance indicated that methane production was more sensitive to both NaOH concentration and thermal temperature than reaction time. Thermal-alkaline pretreatment enhanced the improvement of 40% in methane production compared to the control experiment due to the effective hydrolysis and/or solubilization of organic matters. The fractions with molecular weight cut-off of scum in food waste leachate were conducted before and after pre-treatment to estimate the behaviors of organic matters. The experiment results found that thermal-alkaline pre-treatment could reduce the organic matters more than 10kD with increase the organic matters less than 1kD.

The objectives of this paper are to present data to illustrate how an advanced digestion process, two-phase digestion, can provide superior performance in terms of waste stabilization efficiency and net energy recovery. As the result, it is possible to separate enrichment cultures of acidogenic and methanogenic organisms in isolated environments by kinetic control involving manipulation of dilution rates. In single-phase digestion process, HRT and COD loading for effective operation were 14.29 days and 2.33kg $COD/m^3$ day, but two-phase digestion may be conducted efficiently at 7 days of HRT and 5.71kg $COD/m^3$ day of loading. Data from this studies showed that the two-phase process is better than single-phase digestion under all test conditions when compared on the bases of gas yield and production rate, reductions of COD and VS, buffer capacity, and unconverted volatile acids in the effluent.

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.

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.

In this study, waste landfill site was used as a bioreactor landfill for the treatment of anaerobically digested foodwastewater, and a basic study on waste landfill injection of anaerobically digested food wastewater was conducted. To studythe effect of different operating condition on the quality of lysimeter leachate, 3 lysimeters were operated at differentcondition (i.e., Lys 1=no recirculation, Lys 2=leachate recirculation, Lys 3=leachate recirculation after one day aeration),and the results of leachate quality were as followings. pH Level of leachate became similar to the digested food wastewaterafter 63 days of operation(equivalent to the 11.2% of bed volume) and Cl- concentration of leachate was higher than injectedfood wastewater during whole 6 months of operation period. Leachate COD showed stable values after 70 days of operation,and reduction rate of COD concentration after 6 months was 86%, 89, and 90% for Lys 1, Lys 2, and Lys 3, respectively.The reduction rates of TKN concentration were 19, 28, and 65% for Lys 1, Lys 2, and Lys 3. Lys 3 showed the mosteffective TKN reduction. Leachate recirculation after one day aeration resulted effective reduction of cumulative COD andTKN mass, which were 61% and 40% respectively, compared to the no recirculation case.