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문제 정의
- 1) 이러한 처분방법은 바다생태계의 파괴, 토양오염, 대기오염 등과 같은 이차적인 환경오염유발 가능성이 매우 높고, 정부의 단계적 직매립 금지조치 및 해양 오염 방지에 관한 국제협약 등에 의해 해양투기 또한 점차 제한될 예정이므로 그 대체 처리방안이 매우 시급한 상황이다. 가장 환경친화적인 대안으로는 처리된 하수슬러지의 적절한 재활용처를 개발하는 것이다. 이에 따라 하수슬러지의 유기물과 무기물 성분별로 재활용을 위한 연구가 진행되고 있다.
제안 방법
- TPAD-ASBR 공정과 대조구의 연속회분식 운전을 통해 각 유기물부하별로 steady-state에 도달한 시점에서 한 주기에 대한 track study를 수행하여 VFA의 생성과 메탄생성경향을 추적하였다. [Fig.
- TPAD-ASBR의 고온 반응조의 정상상태 도달을 위하여 약 30일간 낮은 유기물부하(0.5g VS/L/d)의 순응기간을 거친 후 유기물부하를 0.8~3.5 g VS/L/d까지 점차 변화시켜 운전성능을 평가하였다. 각 유기물부하에서, 고정된 HRT의 3배 이상의 기간 동안 운전 후 정상상태에 도달한 것으로 간주하여 데이터를 수집하였다.
- 고온 및 중온소화조에 사용한 식종균은 D시 하수처리장내 중온 혐기성소화조(CSTR)의 슬러지(VSS/TSS=0.610)를 채취하여 반응조 내 유효부피의 70%를 채우고 증류수로 유효부피까지 채운 뒤 질소로 purging 한 후 운전을 시작하였다. 고온소화조는 질소 purging 후 바로 55 ℃로 유지되었으며 고온균의 성장을 위해 약 1개월의 순응기간이 소요되었다.
- 기체 발생량을 측정하기 위하여 수위 변위식 gas collector를 이용하였으며, 기체의 조성분석은 thermal conductivity detector (TCD)와 헬륨기체(carrier gas)를 이용하는 gas chromatograph(Gow Mac series 580)를 이용하였다. COD의 측정은 dichromate reflux method12)를 이용하였고, pH는 pH meter (Orion 720A)를 표준 pH 용액(pH 4, pH 7)으로 보정하여 측정하였다.
- 1]과 같이 두개의 CSTR 형태의 반응조가 하나의 시스템으로 구성되었으며, 첫단의 고온소화조와 후단의 중온소화조의 유효부피는 각각 4L 이었고 직렬로 연결하였다. 부가적으로 1개의 feed tank와 고온과 중온 반응조에 연결된 2개의 수위변위식 gas collector를 설치하였으며, 대조구로 TPAD-ASBR 공정과 동일한 구성을 갖지만 중온메탄발효조가 직렬로 연결된 Series-ASBR 시스템을 운전하였다. 시스템의 운전방법은 control panel에 의해 24시간을 한번의 주기로 하여 [Fig.
- 부가적으로 1개의 feed tank와 고온과 중온 반응조에 연결된 2개의 수위변위식 gas collector를 설치하였으며, 대조구로 TPAD-ASBR 공정과 동일한 구성을 갖지만 중온메탄발효조가 직렬로 연결된 Series-ASBR 시스템을 운전하였다. 시스템의 운전방법은 control panel에 의해 24시간을 한번의 주기로 하여 [Fig. 2]와 같이 연속회분식으로 운전되었다. 반응조 시스템은 모두, 35 ℃항온실 내에 위치하였으며 고온소화조의 경우는 water bath circulator(제오텍, RBC-30)와 water jacket을 이용하여 55 ℃를 유지하였다.
- 온도상분리 혐기성 회분식 소화공정(temperature-phased anaerobic sequencing batch reactor, TPAD-ASBR)은 [Fig. 1]과 같이 두개의 CSTR 형태의 반응조가 하나의 시스템으로 구성되었으며, 첫단의 고온소화조와 후단의 중온소화조의 유효부피는 각각 4L 이었고 직렬로 연결하였다. 부가적으로 1개의 feed tank와 고온과 중온 반응조에 연결된 2개의 수위변위식 gas collector를 설치하였으며, 대조구로 TPAD-ASBR 공정과 동일한 구성을 갖지만 중온메탄발효조가 직렬로 연결된 Series-ASBR 시스템을 운전하였다.
- 이에 따라, 본 연구에서는 혐기성 소화효율의 극대화를 위해 앞서 언급한 2단의 온도상분리 공정과 혐기성 회분식 공정을 음식물 쓰레기와 하수슬러지의 혼합기질 처리에 적용한 온도상분리 혐기성 회분식 소화공정(TPAD-ASBR)의 거동 특성을 유기물부하의 변화에 따라 평가하였다.
- COD의 측정은 dichromate reflux method12)를 이용하였고, pH는 pH meter (Orion 720A)를 표준 pH 용액(pH 4, pH 7)으로 보정하여 측정하였다. 휘발성지방산(volatile fatty acid, VFA)의 농도는 Aminex HPX-87H column과 UV (210nm) detector를 갖는 high performance liquid chromatograph (Spectra Physics P2000)를 이용하였다. 원소분석은 dynamic flash combustion oxidation chamber와 TCD를 이용하는 Elemental analyzer (Fisons, EA-1110)를 이용하였으며, 그 외 TS (total solid), VS (volatile solid), TSS (Total suspended solid) 및 VSS(Volatile suspended solid) 등의 기타 실험방법은 Standard Method12)에 준하여 측정하였다.
대상 데이터
- 5 g VS/L/d까지 점차 변화시켜 운전성능을 평가하였다. 각 유기물부하에서, 고정된 HRT의 3배 이상의 기간 동안 운전 후 정상상태에 도달한 것으로 간주하여 데이터를 수집하였다.
이론/모형
- 기체 발생량을 측정하기 위하여 수위 변위식 gas collector를 이용하였으며, 기체의 조성분석은 thermal conductivity detector (TCD)와 헬륨기체(carrier gas)를 이용하는 gas chromatograph(Gow Mac series 580)를 이용하였다. COD의 측정은 dichromate reflux method12)를 이용하였고, pH는 pH meter (Orion 720A)를 표준 pH 용액(pH 4, pH 7)으로 보정하여 측정하였다. 휘발성지방산(volatile fatty acid, VFA)의 농도는 Aminex HPX-87H column과 UV (210nm) detector를 갖는 high performance liquid chromatograph (Spectra Physics P2000)를 이용하였다.
- 휘발성지방산(volatile fatty acid, VFA)의 농도는 Aminex HPX-87H column과 UV (210nm) detector를 갖는 high performance liquid chromatograph (Spectra Physics P2000)를 이용하였다. 원소분석은 dynamic flash combustion oxidation chamber와 TCD를 이용하는 Elemental analyzer (Fisons, EA-1110)를 이용하였으며, 그 외 TS (total solid), VS (volatile solid), TSS (Total suspended solid) 및 VSS(Volatile suspended solid) 등의 기타 실험방법은 Standard Method12)에 준하여 측정하였다.
성능/효과
- 1. TPAD-ASBR 과 대조구의 첫 단에서 대부분의 메탄생성과 유기물 제거가 이루어졌으며, 각 공정의 단위부피당 메탄발생량은 유기물부하 2.7 g VS/L/d일 경우 각각 0.79와 0.59L CH4/L/d 이었다.
- 59 L CH4/L/d로 고온조건에서 운전이 중온대비 34%의 향상된 메탄생성을 보이는 것으로 나타났으며 이는 기 수행된 고온과 중온에서의 biochemical methane potential (BMP) test 결과와 유사하였다.11) 첫 단에 직렬로 연결되어 있는 후단의 경우 생성되는 메탄의 양이 매우 적어 두 공정에서 모두 첫 번째 반응조가 전체 공정의 메탄생성에 중추적 역할을 하는 것으로 사료된다. 각 반응조의 메탄 분율은 standard temperature and pressure (STP) 상태에서 TPAD-ASBR 고온조는 55~62%, 중온조는 27~39% 이었고 대조구의 경우 첫단과 후단 반응조에서 각각 52~62% 와 19~32%를 나타내었다.
- TPAD-ASBR 고온조는 대조구 첫단의 총유기산 농도 40~93 mg COD/L보다 현저히 높은 331~712 mg COD/L를 나타내어 일반적 고온 혐기성소화조의 특징을 나타내었다.13) 하지만, 후단의 중온조를 거친 후 유출수의 TVFA 농도는 25~177 mg COD/L로 부수적인 안정화가 수행되는 것을 확인하였다. 고온조의 일시적 유출수 수질저하가 중온조의 메탄생성과 직접적인 영향인자임을 확인할 수 있었으나 중온조의 평균 메탄생성율은 0.
- 2. TPAD-ASBR 공정의 유기물 제거 효율은 유기물부하 2.7 g VS/L/d에서 약 61% 이었으며 대조구의 첫단 대비 34% 가량 향상되어 고온조를 도입한 TPAD-ASBR 공정이 모든 공정효율 평가 항목에서 대조구보다 우월하였다.
- 하지만 음식물쓰레기의 높음 유기물함량은 타 생물의 영양원이나 대체에너지원으로 이용될 수 있는 높은 잠재력을 갖기 때문에 이를 이용할 수 있는 적절한 기술의 도입이 필요한 실정이다.3) 이렇게 문제시 되는 두 가지 이상의 유기성 도시고형폐기물(organic fraction of municipal solid waste, OFMSW)을 동시처리 하는 혼합소화(co-digestion)는 개선된 기질의 특성으로 인해 대부분의 경우 향상된 메탄수율을 나타내는 것으로 보고되었다.4)
- 3. 하수슬러지의 상대적으로 낮은 VS 농도(1.5%)와 feed 내의 readily biodegradable성분이 낮은 전형적인 특성들을 보완하기 위하여 투입된 음식물쓰레기에 의해 상대적으로 높은 유기물 감량과 메탄회수가 가능하였다.
- 4. ASBR 운전방식에 의한 settling 단계의 도입으로 SRT를 증가시킬 수 있었고, active biomass와 기질과 효율적인 접촉을 도모하여 보다 높은 안정화효율 획득이 가능한 것으로 사료된다.
- 5. 현 혐기성소화공정에 TPAD-ASBR공정과 함께 음식물쓰레기와의 혼합소화를 도입할 경우 처분이 까다로운 두 가지의 폐기물을 고효율로 처리함과 동시에 효율적인 에너지회수가 가능하여 경제적이고 안정적 운전이 될 수 있었다.
- 9,10) 한편, 혐기성 회분식(ASBR)공정은 한번의 주기가 feed, react, settle, decant 단계로 구성되어 연속적인 주기의 반복에 의해 운전되며 부가적 설비의 도입과 복잡한 과정 없이 반응조 자체적으로 settle 단계를 도입함에 따라 메탄생성균을 고농도로 유지할 수 있어 짧은 HRT를 유지하면서 미생물의 washout을 줄여 유기물 감량과 메탄전환율은 최대화 할 수 있다.6) 이러한 두 가지의 고효율 컨셉을 동시에 적용한 최적의 운전이 가능하다면, 기존 공정에 비해 획기적인 효율 향상을 기대 가능하다.
- 첫째, 투입되는 기질의 총유기물(VS기준) 중 40%가 생분해도가 매우 높은 음식물쓰레기였으므로 음식물쓰레기 내에 자체적으로 함유되어 있는 미생물과 가수분해 효소의 투입에 따라 음식물쓰레기 뿐만 아니라 하수슬러지 역시 빠른 가수분해 및 산생성이 가능하였다.9,14) 둘째, 기존의 상분리 공정과는 달리 산발효균과 메탄발효균 간의 공생관계가 유지되었고, 혼합소화에 의해 개선된 기질의 보다 균형 있는 영양분 조건(nutrient condition) 역시 고온메탄발효균의 우월한 활성 유지에 기여하였음을 알 수 있다.9,11) 반면, 대조구의 급격한 유기물제거효율 저하는 foaming의 발생이 그 주요 원인 중 하나로 사료된다.
- 8, 2600~3200 mg/L as CaCO3로 유지되어 안정적인 운전이 가능하였다. TPAD-ASBR 고온조는 대조구 첫단의 총유기산 농도 40~93 mg COD/L보다 현저히 높은 331~712 mg COD/L를 나타내어 일반적 고온 혐기성소화조의 특징을 나타내었다.13) 하지만, 후단의 중온조를 거친 후 유출수의 TVFA 농도는 25~177 mg COD/L로 부수적인 안정화가 수행되는 것을 확인하였다.
- 11) 첫 단에 직렬로 연결되어 있는 후단의 경우 생성되는 메탄의 양이 매우 적어 두 공정에서 모두 첫 번째 반응조가 전체 공정의 메탄생성에 중추적 역할을 하는 것으로 사료된다. 각 반응조의 메탄 분율은 standard temperature and pressure (STP) 상태에서 TPAD-ASBR 고온조는 55~62%, 중온조는 27~39% 이었고 대조구의 경우 첫단과 후단 반응조에서 각각 52~62% 와 19~32%를 나타내었다. 한편, 유기물 부하 2.
- 13) 하지만, 후단의 중온조를 거친 후 유출수의 TVFA 농도는 25~177 mg COD/L로 부수적인 안정화가 수행되는 것을 확인하였다. 고온조의 일시적 유출수 수질저하가 중온조의 메탄생성과 직접적인 영향인자임을 확인할 수 있었으나 중온조의 평균 메탄생성율은 0.1 L CH4/L/d를 넘지 못하는 매우 낮은 수준을 보였다.
- 7 g VS/L/d에 이르러 활발한 메탄생성이 이루어지는 시기가 15시간까지 길어졌는데, 투입된 혼합 기질과 고온조건에 의해 가수분해와 VFA로의 전환이 지속되었기 때문이다. 또한, 누적곡선의 시간당 메탄생성에 있어 대조구는 낮은 기울기를 보이는 반면, 고온조의 경우는 유기물부하의 증가에 따른 시간당 메탄생성으로 대별되는 기울기의 증가가 뚜렷하였다. 이것은 곧, TPAD-ASBR 고온조가 율속단계인 가수분해 효율증가의 수반과 더불어 settling 단계가 도입된 연속회분식 운전에 의해 HRT와 SRT가 효과적으로 분리되었기 때문이다.
- 4]에 유기물 부하에 따른 VS제거 효율을 나타내었다. 메탄생성 경향과 유사하게 부하의 증가에 따라 제거효율의 격차가 증대되었으며, 유기물부하 2.7 g VS/L/d에서 이르러 TPAD-ASBR 공정은 평균 61.3%, 대조구는 40.3%의 VS가 제거되었다. TPAD-ASBR 공정의 높은 유기물 제거 효율은 기존 완전혼합형 공정을 뛰어넘는 높은 수치를 나타내었는데 그 원인은 다음과 같다.
- 3]은 유기물부하의 증가에 따라 TPAD-ASBR과 대조구의 단위부피당 메탄발생률을 보여준다. 유기물부하 1.5 g VS/L/d 이하에서는 TPAD-ASBR 공정과 대조구간의 차이가 크기 않았으나, 이후 지속적인 유기물부하 증가에 따라 TPAD-ASBR 공정에서 보다 맣은 단위부피당 메탄발생율을 보였다. 또한 유기물부하가 점차 증가하여 2.
- TPAD-ASBR 공정의 높은 유기물 제거 효율은 기존 완전혼합형 공정을 뛰어넘는 높은 수치를 나타내었는데 그 원인은 다음과 같다. 첫째, 투입되는 기질의 총유기물(VS기준) 중 40%가 생분해도가 매우 높은 음식물쓰레기였으므로 음식물쓰레기 내에 자체적으로 함유되어 있는 미생물과 가수분해 효소의 투입에 따라 음식물쓰레기 뿐만 아니라 하수슬러지 역시 빠른 가수분해 및 산생성이 가능하였다.9,14) 둘째, 기존의 상분리 공정과는 달리 산발효균과 메탄발효균 간의 공생관계가 유지되었고, 혼합소화에 의해 개선된 기질의 보다 균형 있는 영양분 조건(nutrient condition) 역시 고온메탄발효균의 우월한 활성 유지에 기여하였음을 알 수 있다.
- 각 반응조의 메탄 분율은 standard temperature and pressure (STP) 상태에서 TPAD-ASBR 고온조는 55~62%, 중온조는 27~39% 이었고 대조구의 경우 첫단과 후단 반응조에서 각각 52~62% 와 19~32%를 나타내었다. 한편, 유기물 부하 2.7 g VS/L/d에서의 pH와 총알칼리도는 4개의 반응조 모두 7.5~7.8, 2600~3200 mg/L as CaCO3로 유지되어 안정적인 운전이 가능하였다. TPAD-ASBR 고온조는 대조구 첫단의 총유기산 농도 40~93 mg COD/L보다 현저히 높은 331~712 mg COD/L를 나타내어 일반적 고온 혐기성소화조의 특징을 나타내었다.
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