[논문]메탄발효 효율향상을 위한 하.폐수 슬러지의 전처리 기술

남궁규철; 전체옥

[국내논문] 메탄발효 효율향상을 위한 하.폐수 슬러지의 전처리 기술
Pretreatment of Waste-activated Sludge for Enhancement of Methane Production 원문보기

한국미생물·생명공학회지 = Korean journal of microbiology and biotechnology, v.38 no.4, 2010년, pp.362 - 372

초록
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다양한 하 폐수 처리공정 중 혐기성 소화공정은 이산화탄소 배출을 감소시키고 생성되는 메탄을 에너지로서 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 혐기성 소화공정의 문제점과 보완점에 대해 살펴보았다. 가수분해과정은 혐기성 소화과정 중 율속단계에 해당하여 소화공정과정을 촉진시키고 바이오가스의 생산을 증가시키기 위하여 다양한 전처리 방법이 개발되어왔다. 현재 혐기성 소화공정을 위한 전처리 방법 중 열처리 방법, 초음파 처리, 기계적 처리방법, 화학적 처리방법 등이 상업적으로 이용되고 있으며, 이들 공정은 슬러지 플록 또는 세포의 파괴를 통해 세포분획물이 생물학적으로 분해될 수 있는 형태로 전환시키는 것을 목적으로 한다. 이러한 과정들 모두는 특정 상황에 따른 장점과 단점을 모두 지니고 있으므로 각 공정과정에 대한 이해와 이를 통한 적용을 통해 특정 슬러지에 적합한 최적의 전처리 공정을 도출해 낼 필요가 있다. 또한 혐기성 소화공정의 효율증대와 경제성 확대를 위한 혐기성 소화공정 개발이 필요하다고 할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Although different disposal routes of waste-activated sludge are possible, anaerobic digestion plays an important role for its abilities to further transform organic matter into methane. The potential of using methane as energy source has long been widely recognised and the present paper extensively reviews the principles of anaerobic digestion, the process parameters and hydrolysis. Hydrolysis is recognised as rate-limiting step in the complex digestion process. To accelerate the digestion and enhance the production of biogas, various pre-treatments can be used to improve the rate-limiting hydrolysis. These treatments include mechanical, thermal, chemical and biological interventions to the feedstock. All pre-treatments result in a lysis or disintegration of sludge cells, thus releasing and solubilizing intracellular material into the water phase and transforming refractory organic material into biodegradable species. The reader will finally be guided to extensive discussion for anaerobic digestion processes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 혐기성 소화공정의 기본적 원리와 공정변수, 혐기성 소화공정의 형태, 그리고 슬러지 전처리 등에 대해 다루고자 하며 특히 혐기성 소화공정의 율속단계(rate-determining step)에 해당하는 가수분해 공정 시간을 줄임으로써 위에서 언급한 혐기성 소화공정의 문제점을 어느 정도 극복할 수 있는 전처리 공정을 중심으로 설명하고자 한다.

가설 설정

② 온도: 소화공정에서 온도는 기질의 물리·화학적 특징에 중요한 영향을 주는데, 특히 H2의 분압에 중요하게 작용해 상호 영향적 물질대사(syntrophic metabolism)에 영향을 준다.

성능/효과

② 산화적 슬러지 전처리: 산화적 전처리에 의한 하폐수 슬러지의 파쇄는 미국에서 습식 산화공정으로 개발된 호기적 Zimpro공정에서 처음 채택되었으며, 이 공정에서 높은 온도(260℃)와 압력(10 MPa)에서의 산화적 전처리로 슬러지의 많은 부분이 용해됨을 보여주었다. 그러나 악취, 기기의 부식, 많은 에너지 소비가 이 공정의 실질적인 적용에 문제점으로 지적되어 왔다.
Table 5에 오존 전처리 연구 결과의 개요를 나타내었다. 오존 처리법에 의한 결과를 종합해 보면 오존 처리후 용해성 고형분이 증가하고 메탄 형성이 증가하였지만 비용이 높은 단점이 있다. 이러한 문제의 해결방안의 하나로 혐기성 소화조에 폐회로(closed-loop) 오존 산화장치를 부가한 경우 오존 사용량을 줄이면서도 동일한 가수분해 효과를 얻을 수 있다고 한다.
몇몇 실험 결과를 Table 4에 나타내었다. 이들 방법은 효율적인 방법임에도 불구하고 다시 중화해야 하는 번거로움 때문에 혐기성 소화의 전처리 방법으로 사용하는 데는 제한적이나, 알칼리 처리만으로도 용존성 유기물 농도 증가, 바이오 가스 생산 증가 등 우수한 결과를 보여 주었고 온도처리와 병행하였을 때 더욱 효과가 있음을 보여주었다.
많은 연구자들이 혐기성 소화를 위한 열적 전처리 공정의 이용을 기술하였고 Table 1에 그 결과가 간략히 요약되어 있다. 최적조건이나 향상 정도는 서로 상이함을 보여주고 있으나 모든 연구에서 열적 전처리가 혐기성 소화 효율향상에 기여함을 보여주고 있다. 이것은 슬러지의 특성에 따라 최적 전처리 온도와 기간이 달라질 수 있다고 보고한 연구 결과와 일치하는 것이다[9].
그러나 이러한 장점에도 불구하고 혐기성 소화공정이 지니고 있는 한계를 극복하기 위해서는 더 많은 노력이 필요할 것으로 생각된다. 현재 당면하고 있는 혐기성 소화공정의 문제점을 살펴보면 첫째, 유기물 분획 중 일부만이 분해될 수 있고 둘째, 비교적 반응 속도가 느리기 때문에 소화공정장치가 큰 부피를 차지하여 설치비용이 높으며 셋째, 혐기적 미생물이 다양한 저해 물질에 의해 쉽게 저해 받아 반응이 저하될 수 있으며 넷째, 처리된 수질의 오염도가 비교적 높으며 다섯째, 생산되는 바이오가스가 높은 농도의 CO₂, H₂S, 수분을 함유하고 있으며 여섯째, 미세 실리카의 형성으로 인해 메탄가스 사용자에게 심각한 해를 줄 수 있는 휘발성의 실록산(siloxane)을 함유할 수 있고 일곱째, 소화 공정 동안 유기분획의 부피 감소로 인해 중금속과 산업 오염물의 증가 가능성이 있다는 것이다.
③ 슬러지 및 수리학적 체류시간: 고형분 체류시간(solid retention time, SRT)은 소화조에서 고형분의 평균 체류시간을 나타내고, 수리학적 체류시간(hydraulic retention time, HRT)은 소화조에서 물 분획의 평균 체류시간을 말한다. 혐기성 소화 공정에서 완전한 소화를 위해서는 고형분 체류시간이 최소 5일은 되어야 하고 5일 이하일 경우에는 메탄 생성 미생물의 유실(washout)로 인해 휘발성 지방산의 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 고형분 체류시간이 5-8일 범위인 경우 휘발성 지방산의 농도가 비교적 높고 지질 등의 완전한 분해가 이루어지지 않는다.

후속연구

8에서 제시하는 메탄 발효용 슬러지 처리 공정은 크게 하·폐수 처리장에서 발생하는 농축된 슬러지를 메탄 발효 효율을 증가시킬 수 있는 전처리 장치, 온도가 잘 조절되는 메탄 발효 장치, 메탄발효 후 발생하는 질소 성분과 인 성분이 다량 포함된 상등액을 처리할 수 있는 고도 폐수 처리 시설, 그리고 혐기성 소화조에서 발생하는 소량의 슬러지를 처리할 수 있는 시설로 크게 구분될 수 있다. Fig. 8에서 제시하는 그림은 가장 간단한 형태의 처리 시설 모식도이며 향후 혐기성 소화 효율 및 경제성 증대(시설 규모의 최소화 및 처리비용의 최소화)를 위한 혐기성 소화공정 개발을 위해서는 각각의 시설에 대한 추가적인 연구와 공정 최적화 연구가 필요하다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	혐기성 소화공정이란 무엇인가?	혐기성 소화처리는 오랜 역사를 갖는 전통적인 기술로 비교적 온난한 지역에서 액상 및 반고상폐기물을 처리하는데 자주 이용되었다. 혐기성 소화공정은 미생물을 이용하여 하수 슬러지, 음식 폐기물, 축산 분뇨 등의 유기성 폐기물을 처리하는 것으로써, 폐기물의 양을 효과적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연료로 사용가능한 바이오가스(이산화탄소 및 메탄)를 부산물로 얻을 수 있다[15]. 특히 최근 들어 소각과정에서 발생하는 다이옥신에 의한 환경피해 사례가 커다란 사회적 이슈가 되고, 이산화탄소 배출 저감에 대한 관심이 높아지면서 EU, 일본, 미국 등 선진산업국들은 유기성폐기물의 혐기성 소화처리를 통한 바이오가스(biogas) 생성에 큰 관심을 갖게 되었다.
	혐기성 소화는, 어떤 부분에 사용되어 왔는가?	혐기성 소화라는 용어 내에 포함된 것과 같이 산소가 없는 혐기성 상태에서 분해 가능한 유기물을 분해시켜 메탄으로 전환시키는 것이다. 이 방법은 과거에 중국 등에서 분뇨처리 목적으로 사용되었 으나, 1900년경부터 하수 처리시 슬러지 감량화 기술로 환경 분야에 적용되었으며, 1950년대 후반에는 효모제조 폐수 등의 공장폐수처리에 응용되었다[1]. 초기에는 1개의 반응기에서 처리하는 단상메탄발효조가 주로 이용되었으나, 1970년대 후반부터 산 분해 과정과 메탄생성단계를 분리한 2상식메탄발효조로 발전하였으며, 그 후 미생물 군을 담체에 고정화한 고정상식, 유동상식 등 고효율메탄발효조가 개발되었다.
	슬러지란 무엇인가?	하·폐수 처리 시 가장 중요한 과제는 처리 과정에서 발생하는 슬러지 문제를 해결하는 것이다. 슬러지는 물리적, 화학적, 생물학적 하·폐수 처리 과정에서 발생하는 다량의 부산물로 경우에 따라서는 그 처리비용이 전체 하·폐수 처리 경비의 50% 이상을 차지하기도 한다. 2001년 한 해 동안 국내에서 발생한 슬러지는 일일 평균 27,000톤가량이며, 이 가운데 폐수 슬러지는 71.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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