수열탄화 (HTC, Hydrothermal Carbonization)는 수분함량이 높은 바이오매스를 바로 적용하여 닫힌계에서(closed system)에서 승온 시키면 150℃∼250℃범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형물의 유기물 일부가 분해되기 시작하여, 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration)반응이 유도되며 O/C, H/C 비율을 낮추고 탄소고정을 통해 바이오매스 고형연료의 에너지밀도를 높여 연료로서의 특성이 향상된다. 또한 수열탄화 반응시 높은 수분함량을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 물로 분리함으로서 수분 제거시 소비되는 에너지를 일반 건조기술 대비 50%이상 절감함으로서 하수슬러지 고형연료화의 경제성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 분리된 액체생성물에는 유기물 분해에 의해서 용해성 유기물이 다량 농축되어 혐기소화의 전처리 기술로도 적용되고 있다. 본 연구에서는 I시 하수슬러지를 1년간 매달 sampling하여 계절별 하수슬러지 물리화학적 특성 변화와 수열탄화 적용 시 반응 및 연료 특성 변화를 확인하였다. 따라서 상용화 수열탄화 기술을 적용시 계절에 상관없이 안정적인 고형연료 확보 가능성을 확인하였다.

우리나라는 런던협약 이행을 위하여 2012년부터 하수슬러지의 해양투기를 금지하고, 매립용 복토재, 발전소 보조연료, 바이오가스 생산 원료 등 하수슬러지를 다양한 재활용 물질로써 활용하기 위한 방법을 모색하여왔다. 이중 수열탄화(Hydrothermal carbonization)방법은 닫힌계에서 180℃~250℃온도조건과 이때 생성되는 반응기내 압력으로 운영되는 기술로, 기존 건조기술대비 에너지소비가 적은 연료화 기술이나 수열탄화 공정이후 다량으로 발생하는 탈리액의 처리가 필요하다. 이처럼 수열탄화 공정이후 고액분리된 액체생성물을 효과적으로 처리·활용하고자 본 연구는 하수슬러지 수열탄화 액체생성물의 단독 혐기소화 및 음폐수와의 혼합소화실험을 통하여 바이오가스 생산추이를 비롯한 혐기소화 특성변화를 관찰하였다. 실험은 유효용적 5L 규모의 혐기성소화조를 이용하였고, 35℃ 항온조건을 유지하기 위하여 water jacket형태로 반응기를 구성하였으며, 반응기 내부 균질화를 위하여 80rpm속도로 기계적 교반을 진행하였다. 유기물부하율(OLR)은 1g VS/L-day로 운영후 1.5g VS/L-day까지 증대시켰다. 실험 결과, OLR 1g VS/L-day 조건에서 하수슬러지 수열탄화 액체생성물의 경우 0.17L/g COD의 메탄전환율을 보였고, 음폐수혼합액의 경우 메탄전환율은 0.30L/g COD로 수열탄화 액체생성물 단독소화일 때 보다 높은 값을 보였다. OLR 1.5g VS/L-day 조건에서는 수열탄화액 액체생성물 단독처리시 OLR 1g VS/L-day 조건보다 메탄전환율이 크게 감소하는 경향을 보였고, 음폐수 혼합액은 OLR 1g VS/L-day 조건과 유사한 메탄전환율을 나타냈다.

급속한 경제 성장과 함께 국내 하수처리 시설의 수는 증가하여 왔으며, 이로 인해 하수처리 시설로부터 발생되는 하수슬러지의 양도 꾸준히 증가하여 왔다. 2014년 기준 연간 발생량이 3,651,029 톤에 이르는 하수슬러지는 국제협약과 국내 법제도로 인해 해양투기와 직매립이 금지됨에 따라 이를 처리하기 위한 적절한 방법의 개발이 요구된다. 최근 하수슬러지 처리 방법을 살펴보면 전체 재활용되는 양의 43.8% (w/w)인 상당량의 하수슬러지가 건조 및 탄화의 방법을 통해 연료화 되고 있다. 하지만 슬러지의 경우 높은 함수율로 인해 건조 및 탄화 공정에 많은 양의 에너지가 소모되는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위한 수단으로 슬러지에 함유되어 있는 수분을 열분해 반응에 이용할 수 있으며 비교적 낮은 온도에서 바이오매스의 탄화가 가능한 수열탄화가 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 슬러지의 수열탄화를 실시하고 생성된 바이오차를 이용하여 고형연료로서의 특성을 분석하는 한편 연료특성 개선을 위한 타 바이오매스와의 혼합처리 가능성을 확인하였다. 연구결과 180-270 ℃의 온도조건에서 생성된 바이오차는 모두 국내 바이오고형연료제품의 기준 발열량인 3,000 kcal/kg 보다 높은 4,000 kcal/kg 이상의 발열량을 보였다. 하지만 바이오고형연료제품 기준 중 회분함량에 대한 항목을 살펴보면 원시료 기준 29.11% (w/w)로 관련 기준인 15% (w/w)와 비교할 때 높았던 슬러지내 회분함량이 수열탄화 과정을 거치며 처리 온도에 따라 32.75-47.64% (w/w)로 오히려 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 슬러지를 고형연료로 사용하기 위해서는 회분함량 개선을 위한 혼합물의 투입이 필요할 것으로 판단되었다. 이를 위하여 최근 대량 생산이 용이하여 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 미세조류와의 혼합을 통한 연료특성 개선 가능성을 확인하였다. 미세조류의 경우 슬러지와 동일한 조건에서 수열탄화를 통하여 처리될 경우 회분함량이 1.29-2.96% (w/w)로 현저히 낮고, 발열량 또한 6,740 kcal/kg으로 높은 값을 보였다. 따라서 적절한 비율로 혼합된 슬러지와 미세조류의 수열탄화를 통한 처리 시 생성된 바이오차는 국내 바이오고형연료제품 기준을 만족할 수 있을 것으로 판단된다.

최근 산업발전에 따른 폐기물의 발생량과 재활용되지 못하고 매립되는 폐기물이 증가하고 있다. 우리나라는 국토환경의 제약에 따라 매년 증가하는 폐기물에 대해 “미처리폐기물의 매립제로화”를 주요과제로 추진하고 있다. 또한 2035년 까지 재활용가능 폐기물의 직매립을 금지하고, 매립처리비율 1% 이하로 달성하고자 한다. 따라서 2015년도 “폐기물 발생 및 처리현황(2015)” 에서 매립처리가 23,577 톤/일로 가장 많은 사업장배출시설계 폐기물을 분석하였다. 그중 오니류 폐기물의 매립처리가 8,926 톤/일로 사업장배출시설계폐기물의 매립처리량대비 약 38 %의 비율을 차지하고 있다. 오니류의 경우 유기성과 무기성으로 구분되어지고 하수처리오니, 폐수처리오니 등으로 구분되어진다. 특히 폐수처리오니의 경우 사업장 별 업종이 무수히 다양하기 때문에 매립억제를 위한 특성조사는 한국표준산업분류코드를 이용하여 구분하였다. 본 연구는 매립되는 하･폐수처리오니를 유･무기성으로 분류하고 배출사업장 업종별로 구분한 처리현황과 매립되고 있는 오니류의 에너지회수 대상으로서 가능성을 보기위한 삼성분, 발열량 및 원소분석의 특성을 고찰하였다. 전체 업종의 유기성오니류 평균은 수분함량 71.7 %, VS의 함량은 60.6 %, FS의 함량은 39.4 %이며, 발열량은 2,948 kcal/kg로 나타났다. 무기성오니류의 수분함량은 65.8 %, VS의 함량은 27.1 %, FS의 함량은 72.9 %이며, 발열량은 1,096 kcal/kg로 나타났다. 따라서 유기성오니류의 에너지회수 가능성을 확인하였고 이를 통한 사업장배출시설계폐기물의 매립저감이 예상된다.

하수슬러지, 음폐수, 가축분뇨 등의 유기성폐기물의 해양투기 금지와 육상처리에 대한 대책 마련이 시급해지면서 유기성폐기물을 통합소화하여 메탄 등의 신재생에너지를 생산할 수 있는 바이오가스화 기술이 대안으로 부각되고 있다. 국내에서 가동 중인 바이오가스화 시설 중 하수슬러지 혐기소화의 경우, 현행 법령에서 제시하는 유기물분해율과 메탄생성율 기준을 만족하지 못하고 있다. 또한 음식물류폐기물의 혐기소화는 다른 유기성 폐기물에 비하여 처리효율은 높으나 안정적인 시설 운영을 도모하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 12개소 하수슬러지 바이오가스화 시설을 대상으로 유기물 분해율, 메탄생성율을 산정하여 음식물류폐기물 투입 비율에 따른 영향을 평가하였다. 소화조 유입 및 유출수에 대한 TS, VS, 영양물질 (탄수화물, 단백질, 지방) 함량을 분석하여 이론적인 메탄생성율을 계산한 후 실제 현장에서 발생되는 메탄생성율과 비교하여 효율성을 판단하였다. 또한 사계절 정밀모니터링에서 도출된 휘발성지방산, 알칼리도, 암모니아성 질소 등 저해인자를 측정･분석하고 대상 바이오가스화 시설의 안정적 운전 여부를 진단하였다.

하수처리장의 증가와 함께 하수슬러지의 발생량 또한 매년 상승하고 있으며, 2025년은 2006년 대비 2배가 더 발생하게 된다. 이러한 하수슬러지는 주로 해양투기와 재활용에 의하여 처리되어 왔으나, 가장 단순하고 저렴한 방식이었던 해양투기가 2012년 01월부터 전면금지가 되었다. 현재 하수슬러지의 처리방법 중 재활용은 약 56% 정도를 차지하고 있다. 이 중 재활용은 매립지의 복토재, 건설자재, 토목자재, 시멘트 원료화 등으로 활용되고 있다. 지금까지 재활용 처리방법 중 매립지의 복토재로 재활용하는 것이 많은 연구가 진행되어 왔으나 친환경적인 처리방법 및 MICP 미생물에 관한 고형화/안정화 연구는 아직 미흡하다고 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 MICP를 형성하는 미생물을 이용하여 하수슬러지를 고형화/안정화 한 후 매립지의 복토재로서 가능성을 보고자 한다. 이에 본 연구는 MICP를 형성하는 미생물의 생물학적 및 광물학적 분석을 하였으며 하수슬러지 및 고화제의 물리화학적 분석을 수행하였다. 본 연구를 위하여 하수슬러지의 고형화적 품질기준인 pH, 수분함량, 투수계수, 일축압축 강도, 유해물질 함량 분석을 실시하였다. 또한, MICP를 형성하는 미생물에 의하여 하수슬러지가 고화처리 된 것인지 확인하기 위하여 탄산칼슘의 광물학적 분석을 병행하여 고형화/안정화에 대한 신뢰성을 갖고자 한다.

The effect of mixed oil on the drying characteristics of sewage sludge in oil vacuum evaporation systems was studied. The experimental results showed that the drying rate with cooking oil was faster than that with refined oil due to the difference of thermal conductivity and composition of mixed oil. However, the heating value of all dried sludge was enhanced and the moisture content was below 1% due to penetration of oil into the microbial cells in sludge during the drying procedure. TGA analysis of sludge mixed with the refined oil, which had a higher volatility, showed the slope of the primary falling period was sharply declined. The result of DTA analysis also showed that the first peak was higher than the second peak and corresponded with the phenomena observed in the TGA analysis. In the DTA analysis, the temperature of the primary peak and the secondary peak of dried sludge were comparatively lower than those of raw sludge. Therefore, mixed oil could decrease the self-ignition temperature in an oil-sludge mixing system. In case of waste cooking oil, the TGA and DTA results showed similar results to those of raw sludge, but the DTA results showed that the secondary peaks of dried sludge were narrower and sharper than those of raw sludge. Overall, mixing oil could be a principal factor in controlling the drying efficiency and thermal properties of sludge-derived fuel in oil vacuum evaporation systems.

하수슬러지의 발생량은 산업발달 및 인구증가로 꾸준히 증가하고 있으나, 하수슬러지의 해양투기 금지로 대체 할 수 있는 새로운 처리 방법이 요구되고 있다. 특히, 최근에는 건조슬러지를 재이용하는 다양한 방안들이 제기되고 있으며, 그 중 활성탄을 제조하여 이용하는 방법이 있다. 활성탄은 일반적으로 석탄이나 목재와 같은 탄소질 물질을 이용하여 제조된다. 또한 활성탄의 제조는 탄화와 활성화 공정으로 이루어지며, 탄화와 활성화 공정의 인자들의 변화를 통해 활성탄의 특성이 달라진다. 따라서 본 연구에서는 국내 건조 하수처리장에서 발생한 건조슬러지를 이용하여 활성탄을 제조하였다. 탄화시간, 탄화온도, 활성화시간, 활성화온도, 수증기 주입량과 같은 여러 인자들의 변화에 따른 활성탄의 비표면적, 기공분포도의 분석을 통해 활성탄의 최적조건을 도출하여 활성탄을 제조하고자 하였다.

In this study, hydrothermal carbonization is used to recover energy from sludge. This hydrothermal carbonization is a feasible sustainable energy conversion technology to produce biofuel for renewable energy. The experiments were conducted at 170oC up to 220oC for a 30-min holding period to determine the optimum conditions for hydrothermal carbonization in a lab-scale reactor to apply to a scale-up reactor (1 ton/day). The biochars from sludge were assessed in terms of dewaterability characteristics and fuel properties. The results showed that the optimum temperature of labscale hydrothermal carbonization was 190oC. The 1 ton/day hydrothermal carbonization pilot plant operated at 190oC. The biochar had higher energy content but the char yield sharply decreased. Therefore, an energy of about 49% could effectively be converted from sludge biomass. This sludge from municipal wastewater treatment is a potential energy resource because sludge is composed of organic substances.

This paper assesses the feasibility of producing fuel energy from sewage sludge via four processes: microwave-induced pyrolysis/gasification and conventional pyrolysis/gasification. Both pyrolysis and gasification produced gas, char, and tar. The gas produced for the gasification contained mainly hydrogen and carbon monoxide with a small amount of methane and hydrocarbons (C2H4, C2H6, C3H8). However, the gasification produced higher carbon monoxide instead of the hydrogen. The microwave gasification generated higher heavy tar compared to other processes. As a light tar, benzene generated higher value for both the pyrolysis and gasification. The sludge char showed a vitreous-like texture for the microwave process and a deep crack shape for the conventional heating process. These results indicate that the gas produced from the microwave processes of wet sewage sludge might be usable as a fuel energy source, but this would require removal of the condensable PAH tars. The sludge char produced could also be used as a solid fuel or adsorbent.

In this study, GC-MS linked with an automatic thermal desorber was used to quantitatively analyze the odorous and volatile compounds in the gas emitted from a sewage sludge drying facility. In addition, the removal characteristics of these compounds were investigated by using a pilot-scale packed bed wet scrubber. A quantitative analysis for 58 odorous and volatile compounds in the gas was successfully achieved with GC-MS and GC-FPD. The a quantitative analysis revealed the major odorous compounds were hydrogen sulfide and acetaldehyde. In addition, D-type siloxane compounds such as octamethylcyclotetrasiloxane (D4), decamethylcyclopentasiloxane (D5), and dodecamethylcyclohexasiloxane (D6), were quantitatively measured. The concentrations of siloxane compounds measured in the gas were in the range of 4.54- 7.36 ppmv, higher than those in landfill gas. The average removal efficiency of the odorous and volatile compounds in a wet scrubber was 67.37%. D4, D5, and D6, which are hydrophobic compounds, were also removed by as much as 50.68%, 44.56%, and 70.26%, respectively.

Since sewage sludge has low heating value as an energy source, it is desirable that sewage sludge is mixed with woody waste to enhance energy potential. Among thermal methods for waste to energy, carbonization process is used in this study. In order to estimate reaction kinetics for carbonization process using mixture of woody waste and sewage sludge, the content of sewage sludge is varied from 10 ~ 30% in mixture of woody waste and sewage sludge in carbonization process. Carbonization time is changed from 10 min to 50 min and carbonization temperature is varied from 250oC to 350oC. The carbonization process for mixture of woody waste and sewage sludge was optimized at carbonization temperature of 300oC for 20 min, 20% of sewage sludge content. As increased carbonization temperature, reaction rate constant, frequency factor and degree of carbonization were increased. As increased the content of sewage sludge, conversion, ash content and degree of carbonization were decreased. At optimal conditions for carbonization process, frequency factor and activation energy in Arrhenius equation can be decided by 3.61 × 10−2 min−1, 7,101.8 kcal/kmol respectively.

Methanogenic community shift and comparison were determined by 454 pryosequencing for two different full-scale anaerobic digesters treating municipal sludge. For monitoring long-term of microbial communities, samples were collected for two year at three-monthly basis. The two mesophilic AD bioreactor were operated at similar operating conditions, but different substrate streams. Methanospirillum were identified as the key drivers of methanogenesis in full-scale anaerobic digester treating municipal sludge. In Joongrang (JR) digester, Methanospirillum was dominant (48%±10.3) over almost all period, but the dominant genus move to Methanosaeta and Methanoculleus due to low acetate concentration (0.02 g/L), total ammonia nitrogen concentration, respectively. In Asan digester (AS), Methanospirillum also was dominant (41%±12.6) like JR digester, but methanogenic community shift was examined twice. One of those was from Methanospirillum to Methanophaerula due to pH sharply decrease (<5.5) and second shift was Methanosaeta increase due to low VFAs concentration (0.25 g/L).

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.

Torrefaction is a treatment which serves to improve the properties of biomass in relation to thermochemical processing techniques for energy generation. In this study, the torrefaction of sewage sludge, which is a non-lignocellulosic waste was investigated in a horizontal tubular reactor under nitrogen flow at temperature ranging from 150-600℃. The torrefied sewage sludge products were characterized in terms of their energy yield, ash content and volatile fraction. The energy and mass yields decreased with an increase in the torrefaction temperature. The pelletization and the combustion characteristics of the torrefied sewage sludge was studied in isothermal and non-isothermal conditions.

According to the quality standards of the BIO-SRF(Bio-Solid Fuel Products) in Act on the Promotion of Saving and Recycling of Resources enforcement regulations, chloride is regulated to less than 0.5wt.%. The reason why chloride was regulated may generate HCl and dioxin when bio-solid fuel was burnt. Chloride and chloride compounds can be presented the characteristic of corrosiveness. These materials is reacted with iron to produce ferric chloride. Ferric chloride is oxidized to ferric oxide and ferric oxide can cause a pipe corrosion to short boiler life in combustion facility. There are several reactions to reduce Cl concentration in organic wastes and some wastes can be used in nucleophile reaction as reductive agents. Nucleophile(Nu) material can be represented by phosphate, nitrate, sulfate etc. Nu materials can substitute them for chlorine-based compounds(X-: Cl-, Br-, I-). Nu materials can reduce the harmfulness and chlorine concentration by substituting them for chlorine-based compounds of the solid fuel product produced by carbonization. In order to produce solid fuel product from organic wastes, carbonization among pyrolysis processes is suitable because nucleophile reaction should be an endothermic reaction, which heat must be entered to solid fuel product from outside. In this study, sewage sludge is used as a reductive agent to evaluate the characteristics of the reduction reaction in carbonization process because a large amount of Nu material is contained in sewage sludge. In order to evaluate the effect of Nu materials to control chloride in the residue of carbonization, waste wood mixed with sewage sludge was used in carbonization process.

Experimental studies were carried out on surface area of char during pyrolysis of sewage sludge. To evaluate surface area of resultant char we use iodine number. Increase of iodine number shows that the surface area of char increases. The process parameters, temperature and holding time have significant effect on surface area of char. Increasing temperature above 400℃ surface area of char decreases while slightly increasing when holding time increases. In this study, the optimum conditions for high surface area of resultant char were found 400℃ and 30minutes, respectively.

Dewatering for reduction of moisture content in sludge cake is one of the main procedure in sludge treatment processing. Through dehydration process, the volume of sludge cake are substantially decreased. It led efficiency improvement of further processing such as transport and disposal of sludge as well as drying cake could be utilized as solid refuse fuel. Microwave dryer is energy efficient process in comparison with thermal types. For these reason, we developed microwave dryer for real field applications. Firstly, with 4kW scale microwave dryer, operation conditions were optimized in terms of generator power, shape of drying champer, and height of microwave generator. Based on the results, 10kW scale microwave dryer was designed and manufactured successfully.

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.

Fossil fuel combustion generates large amount of green house gas and it was considered major emission source causingglobal warming. For reducing green house gas, renewable energy resources have been emerged as an alternative energy.Among those resources, waste has been considered major resource as one of renewable energy, but it has been not utilizedsufficiently. In Korea, there are lots of efforts to utilize sewage sludge as one of renewable energy resources due to wasteto energy project of government. In this paper, sewage sludge was utilized as main fuel in order to recover heat energysource using oxy-fuel combustion in 30KWth circulating fluidized bed (CFB) pilot plant. Firstly, basic characteristics ofsewage sludge were analyzed and fuel feed rate was calculated by stoichiometry oxygen demand. For producing 30kwthermal energy in pilot plant, the feeding rate of sewage sludge was calculated as 13kg/hr. In oxy-fuel combustion, oxygeninjection rate was ranged from 21% to 40%. Fluidized material was more suitably circulated in which the rate of U/Umfwas calculated as 8 at 800oC. Secondly, Temperature and pressure gradients in circulation fluidized bed were comparedin case of oxy and air combustion. Temperature gradients was more uniformly depicted in case of 25% oxygen injectionwhen the value of excess oxygen was injected as 1.37. Combustion efficiency was greatest at the condition of 25% oxygeninjection rate. Also, the flue gas temperature was the highest at the condition of 25% oxygen injection rate. Lastly,combustion efficiency was presented in case of oxy and air combustion. Combustion efficiency was increased to 99.39%in case of 25% oxygen injection rate. In flue-gas composition from oxy-fuel combustion, nitrogen oxide was ranged from47ppm to 73ppm, and sulfur dioxide was ranged from 460ppm to 645ppm.