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.

가죽제품 제조 산업으로부터 발생되는 피혁폐기물의 양은 투입되는 원료 가죽의 약 50%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이들 피혁폐기물은 적절한 처리 방법이 개발되지 않아 대부분 매립이나 소각을 통해 처리되고 있다. 특히, 매립이나 소각을 통한 처리는 단가가 높아 관련 산업의 경제성을 악화시키고 고형폐기물의 친환경적 처리 관점에서 문제점이 제기되고 있는 실정이다. 최근 화석연료를 대체하기 위한 신규에너지원의 중요성이 높아짐에 따라, 폐기물을 이용한 에너지화에 많은 연구가 진행되고 있으며, 피혁폐기물은 주로 단백질과 지질로 구성되어 있는 특성으로 인해 혐기성소화를 통한 바이오가스 생산이 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 일반적으로 알려져 있는 혐기성소화 공정의 최적 C/N 비 (20-30)를 고려할 때, 피혁폐기물의 높은 C/N비 (약 35)는 공정의 제한요소가 될 수 있다. 본 연구에서는 피혁폐기물과 음폐수를 통합하여 혐기성소화를 실시함으로써 기질의 C/N 비 조절이 혐기성소화 효율에 미치는 영향을 관찰하였다. 기질의 C/N 비 조절을 통한 혐기성소화 효율의 변화는 BMP (Biochemical methane potential) test를 약 40일간 진행하였으며, 바이오가스 발생량을 비교하였다. 실험은 경기도 동두천시에 위치한 가죽제품 제조업체로부터 수거된 pelt scrap과 양주시에 위치한 음식물쓰레기 자원화시설에서 발생되는 음폐수를 각각 채취하여 사용하였다. 개별 기질의 C/N 비는 피혁폐기물이 34.1, 음폐수가 13.5로 확인되었으며, 이들의 무게에 따른 혼합비를 조절하여 통합 혐기성소화 기질의 C/N 비를 20, 25, 30으로 맞춰 실험을 진행하였다. 실험결과 기질을 통합하여 C/N 비를 조절한 소화 조건에서 개별 기질의 단독소화 조건보다 많은 바이오가스 생산량이 관찰되었으며, C/N 비 20에서 바이오가스 생산량이 높은 것으로 나타났다. 이는 통합 기질의 C/N 비 조절효과와 함께 피혁폐기물에 비해 생분해도가 높은 음폐수 함량이 기질의 C/N 비가 낮을수록 더 많이 포함되었기 때문으로 판단된다.

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.

This study was conducted to investigate the feasibility of nutrient recovery and reuse from centrate, which was produced by the centrifugal dewatering of anaerobic digested sludge. A continuous stirred reactor was operated for 3 months to recover phosphorous and nitrogen as magnesium ammonium phosphate (MAP) crystals from the centrate. More than 95% of phosphate could be recovered from the centrate into the crystalline materials. The contents of TP and TN in the crystalline materials were 28.1% and 5.17%, respectively. Some heavy metals were identified, but remained under Korean standards for organic fertilizer. On the other hand, X ray diffraction analysis clearly showed that the crystalline materials was MAP crystals. However, chemical analyses suggested that some undesirable crystals like magnesium potassium phosphate or hydroxyapatite might be formed during the MAP crystallization. Nevertheless, both results strongly confirmed that the MAP crystals could be a useful and valuable nutrient fertilizer, which slowly and continuously releases essential nutrients in response to the demand from farming and planting.

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.

본 연구에서는 음식물 쓰레기를 기질로 하여 수소생산을 수행하였을 때 중금속(구리)의 농도에 따른 수소생산 효율과 반응 조건, 수소생산에 기여하는 미생물 군집 분포의 변화를 살펴보고자 한다. 회분식 반응기가 사용된 이번 실험에서는 sucrose 1%(v/v)와 음식물 쓰레기가 탄소원으로 사용되었으며, 혐기성 조건을 충족하기 위하여 N2가스로 반응기 내를 10분간 purging한 뒤, 이를 완전 밀폐 시켰으며, 교반 속도와 실험 온도는 각각 200 rpm, 30±3℃로 유지되었다. 본 연구에서 수소생산은 실험 후 약 30-90시간 후 종료되는 것으로 나타났다. 수소생산의 yield값은 Cu 0.5ppm, 1ppm, 5ppm, 10ppm에서 각각 5.3016, 6.6363, 28.9388, 4.9398㎖ H2/g COD로 나타났다. 수소가스 발생량(Ph)과 최대 수소 생산률(Rh)은 Table 1에 나타내었다. 중금속의 농도에 따라 수소생산량을 비교해 보았을 때 Cu 5ppm>10ppm>1ppm>0.5ppm의 순서로 수소생산량이 많이 발생되었으며, 이는 약간의 중금속은 미생물의 성장에 촉진작용을 일으켜 수소생산을 활발하게 하는 것으로 판단되어지며, 일정 농도 이상으로 중금속의 농도가 높아지면 수소생산에 저해가 되는 것으로 나타났다. 또한 실험의 여건 상 5, 10ppm실험시기 보다 0.5, 1pmm농도의 실험시기의 온도가 약 3℃ 낮았던 것으로 보아 온도의 영향이 수소생산에 영향을 미친 것으로 판단된다. 16S rDNA의 PCR-DGGE결과 음식물 쓰레기의 수소생산량과 비교하여 적은 수소를 생산한 중금속 첨가 반응액에서 발견된 Band 6과 7은 Lactococcus속으로 규명되었다. 이는 위 미생물들이 Clostridium속의 수소생산 활동을 저해시키는 역할로 작용했다고 판단된다.

화석연료의 고갈로 인한 고유가 상황과 온실가스에 의한 지구온난화가 가시화 되면서 재생 가능한 에너지개발과 자원의 효과적인 이용을 통한 자원순환사회 구축, 나아가 친환경적인 사회구현이라는 목표를 달성하기 위하여 선진국을 중심으로 환경과 에너지 문제를 해결하기 위한 연구가 진행되어 왔다. 이러한 전망을 토대로 국가적 부담을 최소화하고 실리를 추구할 수 있는 적극적이고 능동적인 대처방안을 강구할 필요성이 절실한 시점이다. 최근 신재생에너지의 확충과 기후변화 협약에 대한 적극적인 대응이 요구됨에 따라 단순 매립되던 폐기물을 에너지로 전환하여 처리하는 방식이 각광받으며 정부 계획 하에 적극적으로 추진되고 있다. 이러한 대응의 일환으로 1990년대 후반에는 유렵을 중심으로 연성에너지 체제에 부합하면서 지방자치단체 지역 공동체, 지역 주민들의 에너지 생산 활동 참여를 중시하는 지역에너지 체제가 대안으로 제시되었다. 에너지자립마을은 화석연료에 대한 의존도가 낮으며 지속가능한 마을과 유사한 것으로, 환경문제와 미래에너지 문제를 함께 고려한 개념으로 마을에서 발생되는 자원을 최대한 이용하고, 그 자원을 순환시키는 마을로 이해될 수 있다. 국내에서는 2009년부터 농림수산식품부, 환경부, 지식경제부 등 정부부처가 합동으로 각종 바이오매스를 이용하여 에너지 자립형 마을 시범사업을 추진하면서 축산 바이오매스를 이용하는 바이오가스화 기술은 농촌 지역에 도입할 수 있는 가장 실행 가능한 기술로 평가받고 있다. 본 연구에서는 농촌형 에너지자립마을에서 발생될 수 있는 다양한 유기성폐기물을 대상으로 혼합 원료의 특성과 병합 혐기성소화의 효율을 평가하기 위하여 biochemical methane potential test(BMP test)를 진행하였다. 또한, 본 연구를 바탕으로 혐기성소화와 C/N비의 관계를 알아보고자 하였다.

혐기성소화는 폐기물처리뿐만 아니라 대체에너지인 메탄가스가 발생하여 에너지를 회수할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 혐기성소화 효율을 높이기 위해 미량중금속을 투입하기도 한다. 이는 대표적인 유기성 폐기물인 음식물류폐기물에 미량중금속의 함량이 낮고, 미량중금속이 미생물의 생장에 중요한 역할을 하기 때문이다. 이에 본 연구에서는 미량중금속의 함량이 낮고 대표적인 유기성폐기물인 음식물류폐기물을 기질로 사용하여 혐기성소화를 진행하였고 식종은 음식물류폐기물과 축산폐수를 병합처리하는 혐기성소화조 소화슬러지를 사용하였다. 사용한 시료는 A시의 폐기물자원화시설에서 채취하였으며 음식물류폐기물은 2 mm, 소화슬러지는 0.85 mm 채로 걸러서 사용하였다. Ni는 메탄생성미생물의 성장에 필수적으로 필요하고 아세트산의 이용효율을 증가시키는 효과가 있어 대상 미량중금속을 Ni로 하였다. Ni 투입량은 0, 0.1, 1, 10, 50 mg/L로 변화를 주었으며 소화온도는 중온(35℃)과 고온(55℃)로 실험을 진행하였다. 실험은 음식물류폐기물과 소화슬러지를 휘발성고형물(volatile solid, VS) 기준으로 1:1 비율로 섞어 500 mL serum bottle에 300 mL를 채워 진행하였고, 반응기에 농도별로 Ni를 투입하였다. 이 후 질소를 이용하여 2분간 퍼지하고, 고무마개와 알루미늄씰(aluminium seal)을 이용하여 밀봉하였다. 제작된 반응기를 항온 진탕배양기(VS-8480, VS-8480SF, KR)에서 중온 및 고온에서 소화를 진행하였다. 발생하는 가스는 기압계(Keller LEO-2, Germany)를 이용하여 반응기 내 압력을 측정하여 발생량을 계산하는 방식을 이용하였다. 본 연구는 아직 진행 중에 있어 결과는 추후 학회에서 발표할 예정이다.

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.

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.

육류소비는 가축사육의 비약적인 증가를 초래함과 동시에 조류독감과 구제역 등의 전염병 발병으로 인해 오염된 닭, 오리, 소, 돼지 등이 대량 폐사되는 사례가 늘어나고 있다. 이로 인해 폐사축을 처리 및 처분하여 매몰지를 소멸화 하는 방법들이 강구되고 있다. 그 중 렌더링공정을 이용하여 고온 고압 하에서 폐사축을 전처리하여 발생된 지방을 전이에스테르화하여 바이오디젤을 생산하는 방법이 주목 받고 있는데, 이 역시 바이오디젤을 생산할 수 있는 반면 글리세롤이 폐기물로 발생된다는 단점이 있다. 본 연구는 이 글리세롤을 혐기성 소화의 탄소원과 에너지원으로 사용하여 바이오가스로 전환하는 가능성을 평가하기위해 생화학적 메탄 포텐셜(biochemical methane potential, BMP)테스트를 시행하였다. 반응조 COD농도를 1g으로 설정하고 섭씨 37도 배양기에서 혐기성 입상슬러지를 식종균으로 14일 동안 바이오가스 발생을 모니터링한 결과, 글리세롤로 부터 약 50~58 mL/g COD의 메탄수율 획득이 가능함을 밝혔다. 또한 글리세롤의 바이오가스 전환이 7일 이내에 종료되는 것으로 나타났으며, AI 폐사축으로부터 바이오디젤을 생산 후 나온 부산물인 글리세롤을 자원화하는 혐기성소화 시 메탄생성속도는 7.0~8.3 mL/gCOD･d로 나타났다.

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.

A bioelectrochemical anaerobic digester for food waste was developed by installing an anode (−250 mV vs. Ag/AgCl) and a cathode (−550 mV vs. Ag/AgCl) inside a conventional lab-scale anaerobic digester. The performance of the bioelectrochemical anaerobic digester was investigated at different organic loading rates of 0.70-4.25 g VS/L.d. The bioelectrochemical anaerobic digester was rapidly stabilized within 25 days after start up, and at an organic loading rate of less than 1.97 g VS/L.d., state variables such as pH (7.0-7.8) and alkalinity (10-12 g/L as CaCO3) were very stable. The volatile fatty acids were maintained at 400-500 mg HAc/L with their main component being acetic acid (80%). At an organic loading rate of 1.97 g VS/L.d, the performance was significantly high in terms of the specific methane production rate (1.37 L CH4/L.d) and the methane content in the biogas (around 74%). The removal efficiencies of volatile solid and chemical oxygen demand were also as high as 80.1% and 85.1%, respectively, and the overall energy efficiency was 91.2%. However, the process stability deteriorated at an organic loading rate of 4.25 g VS/L.d.

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.

본 연구에서는 바이오메탄을 생산하는 혐기성 소화에 대한 연구를 다루었다. 특히 여러 원료의 병합소화가 단일소화에 비해 높은 효율을 보였으며, 이를 기반으로 병합소화의 효율을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 병합소화의 원료로는 도축폐기물, 도축하수슬러지 및 탈수케이크, 가축분뇨, 그리고 농업 부산물을 사용하였으며, 각 원료의 기초성상분석과 성분분석을 통하여 최적의 혼합비율을 찾아내는 것이 목적이다. 혼합비율 최적화는 C/N비를 기반으로 하여 진행하였으며, 각 원료의 단일 혐기성소화 효율 및 혼합비율별 병합 혐기성소화 효율을 BMP test를 통하여 확인하였다. 질소의 함량이 높은 도축 및 분뇨 폐기물과 탄소원이 많은 농업 부산물의 병합 혐기성소화는 적절한 C/N비를 도출하는 데에 있어서 가장 적합하다고 판단되며, 이를 이용하여 다양한 유기성 폐기물의 혼합처리 기술의 개발이 가능할 것으로 예상된다.

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.

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.