미생물연료전지(MFC)는 폐기물 속에 포함된 유기물을 전기로 전환하는 시스템으로 스케일업(scale-up)과 전압 및 전류 향상을 위해서는 미생물연료전지의 스택(stack)이 필요하다. 미생물연료전지의 전압을 향상시키기 위해서는 직렬연결, 전류를 증가시키기 위해서는 병렬연결이 필요하며 각 연결방법에 따른 유기물 제거와 전력생산의 관계는 폐기물 처리와 에너지 전환 효율적인 측면에서 중요한 인자이며 이에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구는 2개의 미생물연료전지(MFC 1, 2) 셀을 미연결, 직렬 연결, 병렬 연결하였을 때 유기물 변화와 전류 발생량을 모니터링한 후 이에 따른 쿨롱효율을 분석하여 각 연결에 따른 유기물 변화와 에너지 전환 효율에 따른 효과적인 스택 방법을 제시하고자 한다. 미연결된 미생물연료전지(MFC unit 1, 2), 직렬 연결된 미생물 연료전지(MFC 1-2), 병렬연결된 미생물연료전지(MFC 1//2)의 하루 동안 변화된 화학적 산소 요구량(COD)는 각각 163mg, 213mg, 194mg으로 직렬 연결된 미생물연료전지에서 가장 높은 유기물 제거율을 보였다. 이 때 발생된 평균 전류는 각각 2.13mA, 2.83mA, 4.14mA로 병렬 연결된 미생물연료전지에서 가장 높은 전류 값을 보였으나 유기물 제거량과 전류 발생량으로부터 계산된 쿨롱효율은 각각 19.8%, 10.5%, 15.2%로 미연결된 미생물연료전지에서 가장 높은 쿨롱효율 값을 나타났다. 비록 각기 다른 유기물 변화, 전류 생산, 쿨롱효율 값을 보였지만 각 연결에 따른 미생물연료전지의 성능을 측정하였을 때 비슷한 전력 값이 생산된 것을 확인할 수 있었으며 이는 각 연결 방법에 따른 에너지 손실이 다르다는 것으로 추측할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 미생물연료전지 스택시 병렬연결 방법이 폐기물 내에 유기물 처리와 에너지 전환 효율 적인 측면에서는 가장 효과적인 방법이라고 판단된다.

우리나라 유기성 폐기물처리의 가장 큰 비중을 차지하던 해양투기 방법이 폐기물 해양배출을 금지하는 런던협약으로 인해 2012년부터 해양투기가 전면 금지됨에 따라 안정적이고 지속적인 육상처리 시설이 요구되고 있다. 환경부는 폐기물 관리법으로 온실가스 발생 억제 및 재활용 촉진을 위하여 유기성 슬러지의 직매립을 금지하였다. 그동안 유기성 폐기물을 자원화하기 위한 방법으로 퇴비화 기술이 많이 연구되어 왔으나 여러 가지 문제점들이 야기되고 있다. 소각방법은 다이옥신과 같은 2차 오염의 우려가 있으며, 퇴비화 과정에서는 발생되는 악취로 인하여 민원이 잦아지고 결국 퇴비화 시설이 폐쇄되는 경우가 많았다. 우리나라에서 쓰이고 있는 퇴비화는 비 연속식 처리로 퇴비 원료(유기성 폐기물)의 제한적 처리와 퇴비화 활성에 요구되는 시간이 길어 부지요구도가 높은 문제, 불안정한 최종 생성물, 감량화 실패, 장시간 온도조절 및 공기주입으로 인한 에너지 소비증가로 상용화에 어려움이 많다. 본 연구에서는 강릉시 하수종말처리장에서 배출되는 하수슬러지를 대상으로, 초고온 호기성 발효과정을 통해 하수슬러지의 퇴비화 진행에 따른 온도변화, 발효가스 분석, pH, C/N비, 수분함량, 고형물 유기물 변화, 부피 및 무게변화, 중금속 분석, 혼합 및 교반과 같은 반응인자들을 도출하여 운전 변수를 알아보았다. 한편 하수슬러지의 퇴비화 진행에 따른 시료와 발효 종료된 퇴비의 중금속 및 유해인자 분석을 통하여 퇴비의 발효 메커니즘 및 안정성을 검증하였다. 초고온 퇴비화 기술의 새로운 정립과 국내 연구가 전무한 초고온 발효공정의 data base 확보를 목적으로 하였다. 또한 퇴비화 과정에서 발생되는 악취도와 악취를 발생시키는 원인물질을 밝히고자 하였다.

국내 대표적인 유기성 폐기물은 음식물류 페기물이며, 음식물쓰레기는 환경적, 경제적, 사회적으로 많은 문제를 나타내고 있다. 음식물쓰레기는 파쇄-탈수-선별 전처리를 통해 고형물과 수분을 분리하여, 고형물은 재활용하고 수분은 음폐수로 배출되어 별도처리하며, 부형제(톱밥, 왕겨 등) 등을 섞어 처리하고 있다. 또한 매립, 소각, 바이오가스화 공법은 각각 2차적으로 대기, 수질, 토양에 오염을 일으킬 수 있다는 점과 최종 부산물(BGP,바이오가스부산물)의 처리가 어려움을 겪고 있다. 그동안 유기성 폐기물을 자원화하기 위한 방법으로 퇴비화 기술이 많이 연구되어 왔으나, 이 역시 퇴비화 과정에서 발생되는 악취로 인하여 민원이 잦아지고 결국 퇴비화 시설이 폐쇄되는 경우가 많았다. 그러나 초고온 호기성 발효공법(발효온도 95℃ 이상)은 수분조절제가 불필요하고, 음폐수가 발생하지 않으며, 악취저감 효과 및 폐기물 감량효과가 기존의 공법과 비교해 탁월하다. 본 연구에서는 강릉시 하수종말처리장에 초고온 호기성 발효 Pilot Plant를 설치하여, 강릉시에서 배출되는 음식물 쓰레기를 대상으로 초고온 호기성 발효공정을 통해 음식물쓰레기의 퇴비화 진행에 따른 온도변화, 발효가스 분석, pH, C/N비, 수분함량, 고형물 유기물 변화, 부피 및 무게변화, 중금속 분석, 혼합 및 교반과 같은 반응인자들을 도출하여 운전변수를 분석하였다. 음식물쓰레기의 퇴비화 진행에 따른 시료와 발효 종료된 퇴비의 중금속 및 유해인자 분석을 통하여 퇴비의 발효 메커니즘 및 안정성을 검증하고, 초고온 호기성 퇴비화 기술의 정립과 데이터베이스 확보를 목적으로 하였다. 또한 퇴비화 과정에서 발생되는 악취물질 및 악취도를 알아보기 위하여 악취방지법에 지정되어있는 복합악취와 지정악취물질 12개 항목을 알아보고자 하였다.

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.

반도체 소자가 초고집적화 되면서 제조 공정은 다양해지고 더욱 복잡해졌으며, 각 공정 후에는 많은 잔류물과 오염물이 웨이퍼 표면에 남게 된다. 따라서 이 잔류물과 오염물을 제거하는 세정공정은 반도체 공정에서 매우 중요한 과정 중 하나이다. 반도체 제조 공정은 약 400개 단계의 제조공정으로 이루어져 있으며 이들 중 적어도 20% 이상의 공정이 웨이퍼의 오염을 막기 위한 세정공정과 처리공정으로 이루어져 있다. 제조과정에서 발생하는 Water mark를 제거하기 위해 IPA(Iso propyl alcohol)를 사용하여 웨이퍼 표면을 세정 및 건조하는데, 공정 후 배출되는 IPA 폐액의 경우 그 독성으로 인해 미생물이 사멸되어 기존의 처리방법으로는 처리가 어려우며, 이를 폐기물로 위탁 처리하고 있다. IPA 세정공정에서 배출되는 폐액의 IPA농도는 30% 수준으로 기존 증류법을 통한 증발농축으로 IPA를 농축하는데 많은 Utility 비용이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 IPA를 95%이상 고농도로 농축하기 위해 분리막을 이용한 증기투과 공정을 설계하였고, Lab scale 장치에서 다음과 같은 조건(공급 IPA 농도 30%, 조작온도 130℃, 유량 3kg/hr)에서 IPA 농도는 99% 수준으로 나타났다. 이를 토대로 Scale-up화하여 Pilot scale 장치에서 공급 IPA 농도, 온도, 유량 등의 운전인자를 변화시켜 IPA를 95%이상으로 농축하기 위한 최적조건을 도출해 보고자 하였다.

지구온난화와 화석원료 고갈의 문제에 대한 해결책으로 다양한 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로 바이오에탄올 생산에 사용되는 원료들은 크게 당질계, 전분질계, 목질계 기반의 원료로 분류된다. 먼저 당질계와 전분질계 원료는 사탕수수, 옥수수, 고구마와 같은 식량자원 들이 대부분으로서 원료의 재배를 위한 부지확보에 있어 식량 작물과 바이오연료용 작물의 토지 이용 경쟁에 따른 윤리적인 문제가 제기된다. 또한 목질계 원료의 경우 비식용작물로서 비교적 높은 에탄올 생산 효율을 보이지만, 이용 가능한 자원이 한정됨에 따라 최근 바이오에탄올 생산을 위한 열대우림 훼손이 일어나고 있어 화석연료 사용량을 줄이기 위한 대체에너지 생산임에도 불구하고 지구온난화의 원인으로 지목되고 있다. 이러한 기존 바이오에탄올 생산 원료들의 단점을 극복하기 위한 수단으로서 미세조류는 최근 많은 연구자들에 의해 관심을 받고 있다. 생물학적 공정 기반의 미세조류 바이오에탄올 전환은 원료로 사용되는 미세조류에 따른 당 용액의 조성이 다르기 때문에 이를 이용하는 미생물의 종에 따라 전체 공정의 효율이 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 따라서 미세조류부터의 당 발효 시 보다 높은 바이오에탄올 생산 효율을 위해서는 적합한 미생물 종의 선정이 반드시 수반되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 바이오에탄올 생산에 널리 사용되는 미생물 균주들을 적용하여 미세조류 당 용액으로부터 바이오에탄올 생산에 가장 적합한 균주를 선정하고자 하였다. 바이오에탄올의 원료로 사용될 미세조류는 HR (Hydrodictyon Reticulatum )을 선정하고 한국화학연구원으로부터 분양 받아 실험에 사용하였다. HR은 글루코스를 다량 함유하고 효소 당화율이 매우 높아 바이오에탄올 생산에 적합한 것으로 알려져 있다. 연구결과 본 연구에 사용된 총 3가지 균주 중 Saccharomyces cerevisiae KCTC7017 (SC7017)가 가장 많은 에탄올을 생산하였으며, HR의 바이오에탄올 생산에 적합한 것으로 확인되었다. 하지만 당 용액의 환원당 농도가 높아질수록 발효 효율이 저하되는 현상이 관찰됨에 따라 고농도 당 용액에서 발효가 가능한 정제 농축방안의 개발이 수반되어야 할 것으로 판단된다.

수분함량과 유기물 함량이 80% 이상으로 매우 높고, 염도가 높은 국내 음식물쓰레기는 저장 및 운송과정에서 쉽게 부패하는 문제가 있어 적정 처리에 대한 효과적 기술 개발 필요성이 증대되고 있다. 유기물질을 분해하는 미생물이 산소를 이용하는 호기성 퇴비화방법은 유기물을 안정화시키는 것으로 미생물이 음식물 쓰레기를 분해하여 부식질인 퇴비물질, 물과 이산화탄소로 전환시킨다. 본 연구에서는 음식물쓰레기 발효 소멸 시스템을 이용 음식물쓰레기를 처리 하여 음식물 쓰레기의 발효특성을 알아보았다. 이를 통해 운전 안정화를 위한 미생물 활성기반 제어인자를 도출 하고자 하였다. 수분 조절을 위한 통기 개량제는 우드칩이 사용되었고 교반기의 혼합은 3rpm으로 진행되었다. 반응온도는 가온없이 자체발열로 운전 하고 흡인송풍으로 공기가 공급되었다. 운전인자 도출을 위한 발효물질 분석은 공업분석, 원소분석 등이 수행되었고 pH, 함수율, 염도 등이 측정되었다.

산업장에서 사용되는 산업용 세척제는 대부분 합성계면활성제를 사용하기 때문에 사람에게 장기간 노출될 경우 피부 갑작자극 면역기 저하를 통해서 비염, 천식, 아토피 등을 유발할 수 있으며, 기계에는 부식성에 의해 기계의 이상을 가져올 수 있다. 가정이나 제조업체에서 대량으로 방출되는 폐식용유를 이용하여 산업용 세척제를 만들 경우 폐자원의 재활용과 수계유입시 발생하는 환경오염을 차단할 수 있다. 또한, 폐식용유는 식물성유지가 대부분의 성분으로 유해화학물질이 거의 없으며 pH가 약알칼리성이기 때문에 산업용 계면활성제로 제조할 경우 인체에 무해하고 기계에 대한 부식성도 없는 특징을 가질 수 있다. 따라서, 본 연구의 목적은 산업용 세척제의 재료로 폐식용유를 사용하여 에스테르의 가수 분해에 의해 카르복실산과 알코올을 생성하는 비누화 반응을 촉진하고 유용성 미생물과 발효기술 등을 접목하여 산업용 세척제를 개발하는 것이다. 이렇게 개발된 세척제는 평가 항목으로 표면장력, pH, 수분 및 휘발성 물질, 메틸알콜, 형광증백제, 석유 에테르 가용성분, 생분해성, TOC, 중금속(As, Pb 등), 부식성 등에 대한 성능을 분석 및 평가하고 생산된 시제품을 산업현장에서 사용하여 제품의 현장 적용성을 확인함으로써 성능의 우수성과 단점을 보완하여 제품에 반영하고자 하였다.

수도권매립지 하수슬러지 반입비용 상승과 2018년도부터 시행되는 폐기물처분부담금제 도입으로 경제적인 하수슬러지 재활용 방안 모색이 필요하다. 하수슬러지를 생물학적 건조하여 연료로 사용하거나 퇴비화하여 퇴비로 사용하는 방식은 처리 비용이 저렴하다. 본 연구에서는 하수슬러지 생물학적 건조 파일럿 및 실증 실험결과를 분석하였다. 하수슬러지 169 kg(50% 중량비)에 음식물 잔재물 84 kg, 미생물활성유도제 55 kg, 코코피트 27kg를 혼합하여 초기 함수율을 55%로 낮추고 반응 1일 후부터 최소 유량으로 공기를 송풍하였다. 반응 1일 후부터 일 3회 교반을 실시하였다. 혼합물 온도가 반응 1일만에 76℃까지 높게 올라가 반응 4일째까지 50℃ 이상 유지되었다. 혼합물 함수율은 초기 56%에서 반응 4일 후 45% 정도로 10% 정도 감소되었다. 하수슬러지 건조물 반송 실험에서는 건조슬러지(173 kg, 51%)를 하수슬러지(150 kg, 44%), 미생물활성유도제(15 kg, 4%)와 혼합하여 건조하였다. 반응 1일 후부터 지속적으로 공기를 송풍하고 교반하였다. 하수슬러지 혼합물 온도가 반응 1일만에 71℃까지 높게 올라갔으나 반응 2일째 대기온도로 낮아졌다. 이는 공기 송풍량을 높인 결과이다. 혼합물의 함수율은 초기 60%에서 반응 2일 후 약 51% 정도로 10% 정도 감소되었다. 미생물의 분해열을 유지하기 위해서는 적정 송풍량에서 공기 공급이 중요하다. 하수슬러지 10톤(53%)에 미생물활성유도제 2톤, 수피 3톤, 1차 발효퇴비 3.7톤을 포크레인으로 1차 혼합하고 혼합기에서 2차 혼합 후 반응로에 투입하였다. 송풍기 연속가동으로 공기 송풍하고 일 1-2회 포크레인으로 뒤집기를 실시하였다. 혼합슬러지 더미 상부 평균 온도는 반응 2일에 70℃까지 높아졌다. 혼합슬러지 함수율은 2일 후 54%로 높아진 후 7일째 44%까지 낮아졌다. 반송 실험으로 하수슬러지 10.2톤에 반송슬러지 5.5톤, 미생물활성유도제, 수피, 1차발효퇴비를 5.4톤을 포크레인으로 1차 혼합하고 혼합기에서 2차 혼합 후 반응로에 투입하였다. 송풍기를 연속으로 가동하고 일 1-2회 포크레인으로 뒤집기를 실시하였다. 혼합슬러지 더미 상부 온도는 반응 5일째 66℃까지 높아졌고 함수율은 반응 10일째 45%까지 낮아졌다. 혼합슬러지 함수율 저감 효율을 높이기 위해 혼합슬러지 더미 위에서 로터리 교반기로 혼합해주고 발생된 수증기를 외부로 배출하여 수증기 증발효과를 높일 필요가 있다.

수도권매립지 자원화시설에서 발생되는 탈수케익은 매립처리하고 있으나 2018년도부터 자원순환기본법에 의한 폐기물처분부담금제 도입으로 매립최소화 및 재활용 극대화 방안 모색이 필요하다. 본 연구에서는 매립되고 있는 자원화시설 탈수케익을 대상으로 물질 특성을 분석하고 안정화 및 생물학적 건조 실험을 수행하고 분석하였다. 침출수 처리장에서 일평균 100톤의 탈수케익과 음폐수 바이오가스화 시설에서 일평균 25톤 정도 탈수케익이 발생된다. 침출수 처리장 탈수케익 함수율은 82%, 음폐수 바이오가스화시설 탈수케익 함수율은 75% 정도이다. 강열감량은 침출수 처리장 탈수케익 11%, 음폐수 바이오가스화시설 탈수케익 20% 정도로 독일 비유해폐기물 매립기준인 강열감량 5% 보다 높다. 침출수처리장 탈수케익 C/N비는 5.4로 낮고 음폐수 바이오가스화 시설 C/N비는 14.8로 약간 높다. 침출수 처리장 탈수케익과 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익에 미생물활성유도제, 코코피트, 음식물 잔재물을 혼합 반응 후 공기 송풍없이 대기 중 자연건조로 주 1회 뒤집기를 실시하였다. 침출수 처리장 탈수케익은 5주간 함수율 변화가 거의 없고 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익 함수율은 약 45%에서 5주 후 약 12%로 낮아졌다. 두 종류 탈수케익의 함수율 저감을 위해서는 코코피트와 미생물활성유도제를 혼합해주는 것이 효과적이었다. 단열반응기(아이스박스)에서 공기 송풍 하에 두 종류 탈수케익의 생물학적 건조 실험을 수행하였다. 침출수 처리장 탈수케익 혼합물 더미 온도 상승은 미미하고 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익 혼합물 온도는 52-71℃까지 높아졌다. 침출수 처리장 탈수케익 함수율 변화는 거의 없으며 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익 함수율은 54%에서 43%로 약 11% 낮아졌다. 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익을 미생물활성유도제 20%와 혼합한 경우 혼합슬러지 감량율은 6일 후 16%이다. 침출수 처리장 탈수케익은 화학적 침전을 위한 응집제 주입으로 인해 유기물 함량이 낮아 생물학적 건조 반응에 적합하지 않고 음폐수 바이오가스화 시설 탈수케익은 유기물 함량이 높아 생물학적 건조로 수분함량을 낮추어 부숙토 등으로 활용가능성이 있음을 알 수 있다.

현재 국내 생활폐기물 고형연료화 시설은 SRF 생산에 초점을 맞춰 생물할적 처리공정이 결여된 MT 시설의 형태로 도입되었는데 이로 인해 설계 운전범위보다 높은 함수율의 생활폐기물 반입시에 선별 효율 감소로 폐기물 반입량 대비 30~45%의 비율로 잔재물이 발생하고 있다. 이런 잔재물은 함수율 40% 이상을 보이고 있어 직매립시에서 오염부하를 증가시키고, 또한 매립에 따른 처분비용 발생으로 전체 시설 운영비의 약 20%를 차지하고 있는 실정이다. 매립지 부하 경감 및 고형연료화 시설의 운영비 저감을 위해 발생 잔재물을 재활용 할 필요가 있는데 양 및 질적인 측면을 볼 때, 함수율을 떨어뜨린 후 선별하게 되면 추가적인 SRF를 회수할 수 있다고 판단하여 잔재물의 함수율 저감을 위해 생물학적 처리공정인 Bio-drying을 적용하였다. 이는 폐기물 내 생분해성 유기물질이 미생물에 의해 호기성 분해시 발생하는 열을 이용해 폐기물의 수분을 건조시키는 방법으로 건조과정에서 자연건조 대비 다량의 배가스(악취 포함)를 배출하게 된다. 이에 본 연구에서는 생활폐기물 잔재물(저품위 혼합폐기물)에 대해 Bio-drying으로 건조하는 과정에서 발생하는 악취 특성 분석 및 해당 악취에 대해 약액세정과 활성탄이 적용된 복합 탈취설비의 성능을 확인하고자 하였다.

국내 하폐수 고도처리 공법 중, A2O 계열이 가장 많은 양의 하폐수를 고도처리하고 있으나, A2O 계열의 공법은 강화된 방류수 수질기준에 비하면 여전히 인 제거효율이 낮다고 할 수 있다. 강화된 수질기준을 만족시키기 위해 응집처리와 같은 물리화학적 처리를 추가적으로 실시하는 실정이며, 그 중에서도 인 제거를 위해 주입되는 응집제는 전체 약품 사용량의 35.8%를 차지하고 있으며, 연간 약 180억원이 사용되고 있어(환경부, 2015), 경제적이고 높은 인 제거효율을 갖는 새로운 기술이 절실히 필요한 실정이다. 미세조류는 하천이나 해수에서 부유하며 성장하는 미생물의 일종이며, 광합성 색소를 가지고 있기 때문에 생태계에서 1차 생산자의 역할을 한다. 미세조류는 물속의 질소와 인을 섭취하면서 성장하기 때문에 녹조나 적조 등의 문제를 일으키기도 하지만, 하폐수 고도처리에 미세조류를 적용할 경우 높은 효율로 영양염류를 제거할 수 있고, 광합성 과정에서 발생하는 산소로 인하여 기존 하폐수 고도처리 공정에서의 폭기 비용을 절감할 수 있다. 또한, 고도처리 후 잉여 미세조류를 수확하여 바이오 에너지로의 활용이 가능하기 때문에 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 미세조류의 성장을 이용한 하폐수 처리는 반세기가 넘도록 연구되어 왔다(Woertz et al., 2009). 그러나 자연계에서 인이 부영양화에 제한인자로 알려져 있음에도 불구하고, 미세조류를 적용한 수처리 연구는 대부분 질소제거에만 집중되고 있다. 이에 본 연구에서는 유기물의 존재 하에 mixotrophic 대사가 가능한 미세조류 Chlorella vulgaris를 이용하여, 인에 대한 제거능을 평가하고자 하였으며, 더 나아가 미세조류의 배양에 있어서 매우 중요한 인자 중 하나인 광도에 따른 미세조류의 인 제거능을 평가하고자 하였다. 연구 결과, autotrophic 조건에서는 광 저해점 이하의 광도 범위에서, 광도가 증가할수록 단위 MLSS 당 인 제거속도는 증가하였으나, 유기물을 주입해 준 mixotrophic 조건에서는 광도가 증가하여도 단위 MLSS 당 인 제거속도에는 유의한 차이가 나타나지 않았다.

생활폐기물 및 산업폐기물로부터 고형연료를 제조하는 과정에서 폐기물 반입량 대비 30 ~ 45%의 비율로 잔재물이 발생되어 매립되거나 일부는 소각장으로 반입되어 처리되고 있다. 이러한 잔재물은 함수율 40% 이상을 나타내어 그대로 매립되었을 경우 오염부하를 증가시킬 수 있으며, 매립에 의한 처분비용으로 전체 시설 운영비의 약 20%가 요구되는 실정이다. 이러한 잔재물은 양 및 질적인 측면에서 볼 때 추가 공정을 통하여 충분히 고형연료로 생산이 가능하다. Bio-drying 기술은 폐기물 내에 존재하는 생분해성 유기물질에 대한 미생물의 호기성 분해열을 이용하여 폐기물의 수분을 건조시키는 건조에너지 소모 및 설치/운영비를 최소화 할 수 있는 경제성이 우수한 기술이다. 본 연구에서는 고형연료화 시설에서 발생된 잔재물을 대상으로 Bio-drying 기술을 적용시켜 생산된 비성형 고형연료의 벤치규모 연소실험을 통해 연소 공기비에 따른 바닥재와 비산재의 발생 특성을 고찰하였다. 또한 기존 시중에 판매되고 있는 비성형 고형연료와의 연소특성 비교/분석을 통해서 Bio-dyring 고형연료의 연소특성을 파악하고 연소 조건의 최적화를 진행하였다. Bio-drying 고형연료와 판매용 고형연료의 연소 바닥재의 XRF 분석 결과 CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3가 주성분을 이루며 그 중에서 CaO 성분이 각각 36.6%와 48.6%로 가장 높게 나타났다.

하수슬러지는 2006년 런던협약이후 해양투기 금지 대상물질로 지정되어 효율적인 처리에 대한 연구가 진행되고 있다. 이에 대한 방안으로 각광 받고 있는 반탄화 공정은 시료의 분쇄성을 높여 혼소에 용이하며, 처리 후 시료가 소수성을 띄기 때문에 미생물에 대한 오염이 적다. 또한 에너지밀도를 높일 수 있어 원시료에 비해 높은 발열량을 가진다. 하지만 다량의 수분을 함유하고 있어 그 이용이 제한적이다. 본 연구에서는 고 함수율 시료인 하수슬러지의 단점을 보완하고자 저 함수율 시료인 폐목재를 1:1로 혼합하여 lab규모 실험을 통해 반탄화 특성을 파악하였다. 반응시간 20분 조건에서 반응온도를 200 ℃에서 50 ℃ 간격으로 550 ℃까지 승온시켰으며, 반응온도 250 ℃, 300 ℃조건에서 반응시간 10분에서 10분 간격으로 50분까지 증가시켰다. 생성된 반탄화물에 대하여 공업분석, 원소분석 및 발열량분석을 진행하였으며, 이를 통해 에너지수율, 연료비, 탄소비 등 반탄화물의 특성을 파악하였다. 반탄화물의 공업분석결과 반응온도 및 반응시간이 증가할수록 가연분은 감소하였으며, 회분과 고정탄소는 증가하는 경향을 보였다. 발열량의 경우 반응온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이다가 반응온도 400 ℃에서 최대 값(5082.7 kcal/kg)을 보인 후, 감소하는 경향을 보였다. 또한 원소분석결과를 기반으로 석탄 종의 O/C와 H/C의 비(Van Krevelen Diagram)을 비교하였다. 수소 및 산소는 반응온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈으며, 탄소함량은 전반적으로 증가하는 경향을 보였다.

고형연료는 사용되는 원료물질에 따라 크게 SRF(Solid Refuse Fuel)와 Bio-SRF로 구분될 수 있다. 또한 성형모양에 따라 Fluff 형태와 펠렛 형태로 나뉜다. 이렇듯 다양한 고형연료의 생산방식에 따라 고형연료를 사용하는 보일러와 관련된 기술은 기존의 보일러 기술에서 일부분을 개선하거나 새로운 아이디어를 추가하는 방식으로 개선되는 것이 일반적이다. 고형연료는 폐기물을 소각 또는 매립처리하면서 발생되었던 폐기물의 보관, 악취, 부산물에 의한 추가적인 오염과 같은 문제점들을 해결하는 많은 방법들 중 하나이다. SRF로 전환된 폐기물은 보관과 운송이 용이하며 일반적인 폐기물에 비해 높은 발열량과 연소효율의 장점이 있다. 런던협약에 의해 2013년부터 슬러지의 해양투기가 금지되었고 2016년에 개최된 파리협정의 신기후변화체제에 대응하기 위한 관련 기술의 개발이 요구되고 있다. 해양투기금지가 대두되었을 당시에는 탈수 후 매립하거나 탈수 후 건조하여 소각하는 방법이 주류를 이루었으며, 미생물을 이용한 바이오가스를 생산하는 기술이 개발되었다. 하지만 하수슬러지의 발생량이 증가하고 있으며 매립을 제외한 처리시설에서의 처리량에 한계가 있어 처리기술의 다변화가 필요하다. 본 연구에서는 Bio-SRF를 이용하는 보일러와 관련된 기술개발의 흐름과 신규기술 또는 개선기술에 대한 특허 출원을 목적으로 기술동향의 흐름을 분석하였다. Bio-SRF는 수열탄화 반응기에서 생산되며 연소보일러에서 발생되는 열에너지는 다시 수열탄화반응기의 반응에너지로 이용된다. 유사기술에 대한 특허출원의 동향을 분석하여 향후 기술개발 및 특허출원의 참고자료로 활용될 예정이다.

본 연구는 전국에서 사육되고 있는 돼지 중 전라북도 내에서만 12%(1,151,406 두수)에 달하는 돼지를 사육하고 있으며, 다량의 악취를 배출하고 있는 돼지 사육두수가 많아 지속적으로 주변지역에 악취 영향을 미치고 있다. 축산시설은 양우, 양돈, 양계, 양견시설 등으로 구분되며, 재래식 소규모 농가부터 대량 사육을 위한 대규모 농가까지 전국적으로 산재되어 있다. 축산시설에서는 분뇨에 의한 악취발생량이 많으며, 주로 양돈 및 양계시설에서 발생한다. 삶의 질 향상 및 악취방지법 등의 영향으로 최근 축사시설에 대한 악취 민원이 증가하고 있으며, 대부분의 축산시설이 주거지역과 인접하여 운영 중으로 축산시설에 대한 종합적인 악취관리방안이 필요하다. 양돈시설은 모돈사, 분만사, 자돈사, 비육돈사 등으로 나누어지며, 수거된 분뇨는 고액분리, 액비화, 퇴비화, 폐수처리, 위탁처리 등의 방식으로 처리되고 있었으며, 암모니아, 황화수소, 메틸머캅탄 등의 다양한 물질이 발생되는 것으로 조사되었으며, 이로 인한 악취 민원 발생이 제기될 수 있으므로 적극적인 악취저감대책 수립이 필요하다. 특히 왕궁 축산단지 주변지역은 익산시 왕궁면, 삼례면과 완주군 봉동읍이 위치해 있어 악취 민원이 지속적으로 발생하는 지역이다. 김제 용지축산단지 주변으로는 전주 혁신도시가 위치하고 있어 민원의 주요 원인으로 제기되고 있으며, 정읍시의 경우는 대규모 밀집농가보다는 여러 지역에 산재되어 존재하고 있다. 환경기초시설과 축사시설의 배출원에서 측정된 악취강도 등을 고려하여 악취배출량을 예측하고, 주변지역에 미치는 악취 영향권 분석을 통하여 효율적인 악취저감을 위한 시설관리방안, 악취저감방안 정책을 제안하였다. 전북도내 지자체 양돈시설의 효율적인 악취관리 사례로 무창 돈사로 축사시설에서의 악취를 차단, 돈사 바닥의 주기적인 청소 및 청결상태 유지, 자동 환기시설의 최적화 시스템, 돈분의 적정 관리를 통해 축산악취저감에 노력, 미생물제제 적정 사용 및 관리방안을 제시하였다.

최근 도시 인구의 증가에 따라 하수 및 분뇨 발생량이 증가하고 있으며, 다양한 오염원으로부터 유입되는 하수에는 질병을 유발할 수 있는 다양한 병원성 미생물이 존재한다고 알려져 있다. 하수처리를 위한 다양한 공정에서는 미생물을 포함하고 있는 bioaerosol이 발생할 수 있으며, 하수 및 분뇨에 포함된 병원성 박테리라 등을 포함하고 있을 가능성이 높다. 따라서 호흡을 통해 하수처리장의 근무자 및 주변 주민에게 위해를 가할 수 있으므로, bioaerosol의 발생 특성 및 감소에 관한 연구가 필요한 현실이다. 하수처리공정 중 bioaerosol이 발생하는 대표적인 환경으로는 활성 슬러지 공정이 있으며, 폭기조에서의 대량 폭기로 인한 높은 농도의 bioaerosol이 발생한다고 알려져 있다. 최근에는 기존의 재래식 활성슬러지 공정(CAS, Conventional Activated Sludge)보다 소요 면적이 적고, 고농도의 미생물 농도를 유지하고 있어 수질 처리 효율이 좋은 호기성 MBR(Membrane bioreactor)의 사용이 증대되고 있다. 그러나 호기성 MBR은 고농도의 미생물 농도 유지 및 멤브레인의 파울링 감소를 위해서는 많은 양의 공기 폭기를 유지해야하므로, 상대적으로 높은 농도의 bioaerosol의 발생이 한정된 공간에서 이루어질 것으로 예상된다. 호기성 MBR의 특성상 운전 조건에 따라서 반응기 내 미생물의 농도 및 특성이 달라질 것이며, 이에 따라 bioaerosol의 발생량 및 특성도 영향을 받을 것으로 예상된다. 그러나 국내에서는 하수처리 과정 중 호기성 MBR 공정에서의 bioaerosol 발생에 관한 연구가 전무하며, 이에 대한 기초 연구 및 발생량 감소를 위한 연구가 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 하수처리장 MBR 공정에서 운전 조건에 따른 반응기 내 미생물 농도 및 특성을 확인하고, bioaerosol 발생량을 비교하고자 하였다. 더불어 bioaerosol 발생량을 저감할 수 있는 방안에 대한 연구를 추가적으로 진행하고자 하였다.

최근 도시화 및 인구 밀집화로 인해 폐기물 발생량이 급격하게 늘어나고 있으며, 매립장 내 수분이 매립된 쓰레기에 침투하여 발생하는 침출수의 양 또한 증가하는 문제가 발생하고 있다. 이러한 침출수 내 함유된 고농도의 암모니아성 질소는 그 자체의 독성으로 인해 비교적 독성에 취약한 질산화 미생물에게 영향을 끼쳐 질산화 반응을 저해한다. 이와같이 생물학적 처리가 어려운 침출수와 같은 경우 화학적 침전법인 Struvite 결정화법이 현실적인 대안이 될 수 있다. Struvite는 MAP(magnesium ammonium phosphate, MgNH4PO4･6H2O)라고 알려져 있으며 고농도의 질소와 인을 동시에 처리할 수 있으며 반응시간이 짧아 별도의 처리시설이 불필요하다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 생물학적으로 처리가 곤란한 침출수를 struvite로 처리하고자 하였으며 제거효율을 극대화하기 위해 결정화 영향인자인 pH와 마그네슘, 인의 몰비에 대해 살펴보았다. Struvite 결정화시 pH 9.0에서 암모니아성 질소의 농도가 가장 낮게 나타났으며, 마그네슘과 인의 몰비가 클수록 암모니아성질소의 제거율이 높아지는 것으로 확인되었다. 또한 struvite 결정성장에 미치는 요인인 교반강도(G) 및 교반시간(td)에 대하여 실험한 결과 교반강도가 높을수록 암모니아성 질소의 제거율이 상승하는 것으로 나타났으며, 교반시간의 경우 5분부터 큰 차이가 없는 것으로 확인되었다.

상향류식 혐기성 생물전기화학 반응조(upflow anaerobic bioelectrochemical reactor, UABE)를 이용하여 주정폐수를 유기물부하율 16 g COD/L.d에서 처리하는 동안 pH, 알카리도, 유기산 등의 상태변수들의 변화와 COD 제거율, 비메탄발생량 및 메탄함량에 대한 전극배치의 영향을 평가하였으며, 그 성능을 UASB 반응조와 비교하였다. 면적이 27 m²/m³인 전극을 나선형으로 UABE 반응조 전체 공간에 고르게 배치하였을 때 비메탄발생율은 5.78 L/L.d로서, 전극을 설치하지 않은 UASB 반응조의 3.49 L/L.d보다 약 65.6%로 높았다. 이것은 UABE 반응조에 전기활성미생물이 성장하여 직접 종간전자전달(direct interspecies electron transfer, DIET) 반응이 활성화됨으로서 메탄생성반응이 크게 향상되었다는 것을 의미한다. UABE 반응조의 상부 1/3의 공간에 위치한 전극을 제거하였을 때, 비메탄발생율은 5.74 L/L.d로서 반응조 전체 공간에 전극을 설치한 경우와 큰 차이가 없으나, UABE 반응조 상부 2/3 공간에 설치한 전극을 제거한 경우 비메탄발생율은 5.34 L/L.d로 약 7.5% 감소하였다. 이 결과는 UABE 반응조에서 전극을 하부 1/3의 공간에만 설치한 경우 전기활성미생물도 감소하여 DIET 반응도 감소하였다는 것을 의미한다. 전극을 UABE 반응조 하부로부터 2/3 이상의 공간까지 설치하였을 때 COD 제거율은 약 91.5%이었으나 반응조 하부로부터 1/3의 공간에만 설치한 경우 COD 제거율은 88.9%로 약 2.6%로 감소하였다.

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.