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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.26 No.6 pp.825-831
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2012.26.6.825

기질 농도 (S0)와 F/M 비 (S0/X0)가 농축 하수 슬러지 혐기성 소화에 미치는 영향

김상현*, 주현준
대구대학교 환경공학과

Effect of Feed concentration (S0) and F/M ratio (S0/X0) on Anaerobic Digestion of Thickened Sewage Sludge

Sang-Hyoun Kim*, Hyun Jun Ju
Department of Environmental Engineering, Daegu University
Received 2 November 2012, revised 30 November 2012, accepted 5 December 2012.

Abstract

The retrofitting of a thickening unit process is widely considered in municipal wastewater treatment plants in Korea to enhance the anaerobic digestion efficiency. The authors examined the effect of feed concentration (2-34.1 g VS/L) and feed to microorganism (F/M) ratio (0.50-1.35 g VS/g VS) on anaerobic batch digestion of sewage sludge. Methane yield over 90 mL CH4/g VSfeed was found at a feed concentration in the range of 12-26 g VS/L and a F/M ratio below 0.6 g VS/g VS. A high F/M ratio decreased methane yield and rate with oragnic acid accumulation. As sudden increase of sewage sludge concentration prior to anaerobic digestion would jeopardize the digester performance due to the rasied F/M ratio, gradual increase of the sludge feed concentration or an additional biomass retention in the digester is recommended.

1. 서 론

하수 처리 기준 강화에 따라 매년 발생하는 하수슬러지의 양은 지속적으로 증가하고 있다. 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지(탈수케이크) 처분은 2000년 7월부터 시행된 하수슬러지 육상매립 금지로 인하여 발생량의 68.5 %를 해양투기에 의존해왔으나, 2013년으로 예정된 해양투기 금지에 따른 하수슬러지 육상처분 방안이 시급하게 요구 되고 있다(Woo, 2010). 따라서 탈수케이크의 발생량을 저감하고 육상처분에 적합하도록 슬러지 처리 과정에서의 유기물 제거 효율을 극대화할 필요가 있다. 혐기성 소화는 하수슬러지 내 유기물 제거를 위한 가장 일반적인 처리방법이며, 이를 위하여 현재 국내에서 운영 중인 268개 하수처리장 중 64개소에 혐기성 소화조가 설치되고 있다(Lee, 2010). 혐기성 소화가 원활히 진행될 경우 슬러지 내 유기물 중 약 50 %가 감량되고 감량된 유기물이 함유한 화학에너지가 메탄으로 회수된다. 그러나, 적절한 관리와 기술개발이 이루어지지 않아 소화조의 슬러지 감량 및 에너지 회수 효율이 매우 저조한 실정이며(Ministry of Environment, 2005), 구체적으로 낮은 유기물 농도의 투입, 소화조내의 낮은 교반효율, 잉여슬러지 내 고분자성 유기물의 난분해성 등이 문제점으로 지적되고 있다(Owen et al., 1979, Malina and Pohland, 1992, Choi, 1998, Choi et al., 2009). 이러한 소화조 설비 및 운영 상의 문제점이 공론화 되면서 현재 다양한 형태의 소화조 효율 개선 사업이 시행 중이며, 특히 농축 시설 확충을 통한 소화조 유입 농도의 증가가 계획 또는 진행 중이다(Heo et al., 2003, Kim and Sung, 2010). 이에 고농도 조건에서의 슬러지 혐기성 소화에 대한 기본 정보를 제공할 필요가 있다. 회분식 혐기성 소화 실험을 통해 기질 주입 농도(S0)가 슬러지 소화에 미치는 영향을 고찰한 기존 문헌들에서는 대체로 식종균 주입 농도(X0)를 일정하게 유지하여 기질 주입 농도와 F/M 비 (S0/X0)가 동시에 변화하거나, F/M비를 일정하게 유지한채 S0와 X0를 동시에 증가시켰으므로, 두 인자의 영향을 분리하여 해석하지 못한 한계가 존재한다(Shin et al., 2002, Kim and Lee, 2011). 실제 소화조 연속 운전 시 기질 주입 농도와 F/M 비는 상호 연관이 있지만, 별도 조절이 가능한 운전 인자이므로 위 두 인자의 영향을 분리해서 규명할 필요가 있다.

따라서, 본 연구에서는 다양한 기질 주입 농도 (2.0-34.1 g VS/L) 및 F/M 비 (0.5-1.35 g VS/g VS)에서 회분식 혐기성 소화를 수행하여 바이오가스 생산 효율을 비교 평가하였다. 

2. 재료 및 방법

2.1 기질 및 식종균

 회분식 혐기성 소화 실험의 기질과 식종균로 사용된 하수 슬러지와 소화슬러지는 G시 소재 공공 하수처리장 내 발생하는 농축 슬러지와 소화슬러지를 사용하였다. 채취 당시 농축 슬러지와 TS, VS는 20.0 g TS/L, 15.0 g VS/L, 소화 슬러지의 TS, VS는 각각 21.2 g TS/L, 15.5 g VS/L 였다. 본 실험을 위해 농축 슬러지와 소화 슬러지는 각각 건조 (80 ℃, 24 h)와 원심분리 (4,000 rpm, 5분)를 통해 추가적으로 농축하였다. 추가적인 농축 후 기질과 식종균의 성상을 Table 1에 요약하였다.

Table 1. Characteristics of feed (thickened sewage sludge) and seed (digester sludge)

2.2 회분식 혐기성 소화

회분식 실험을 위해 250 mL serum bottle (유효 부피 150 mL)에 Table 2에 해당하는 식종균 및 기질을 투입하고 KH2PO4 500 mg/L, NH4Cl 530 mg/L, CaCl2·2H2O 75 mg/L, MgCl2·6H2O 100 mg/L, FeCl2·4H2O 20 mg/L, NaHCO3 4000 mg/L를 주입하였다. 증류수로 유효부피인 150 mL를 맞추고 초기 pH가 7.0-8.0 사이임을 확인한 후 N2로 headspace를 3분간 sparging하였다(Guo et al., 2010). 이후 butyl rubber와 aluminum cap으로 밀봉 하여 35 ℃ incubator에 30분간 놔둔 후 headspace의 기압을 1기압으로 조절하였다. 이 시점부터 150 rpm으로 교반을 시작하고 주기적으로 가스 발생량 및 분율을 측정하였다(Kim et al., 2004). 모든 실험은 duplicate으로 수행되었으며, 메탄 발생량 및 수질 분석의 바탕값으로는 기질을 주입하지 않은 blank 조건을 활용하였다.

Table 2. Experimental conditions for anaerobic batch digestion of thickened sewage sludge

2.3 분석 방법

반응 도중 가스 발생량은 유리 주사기로 측정하였으며, headspace의 압력이 2기압을 넘지 않도록 측정 간격을 조절하였다. 가스 분율(N2, CH4, CO2)은 SGI 310 GC-TCD (SRI Instrument)를 이용하였으며, 칼럼은 0.9 m × 3.2 mm stainless steel column with porapak Q (80/100 mesh), 운반기체는 헬륨이 사용되었다. 누적 메탄 발생량은 0 ℃, 1기압 조건으로 환산된 후 modified  Gompertz 식 (1)을 이용하여 해석하였다(Kim and Nam, 2009).

 

여기서 M은 누적 메탄 생성량 (mL), Mo는 최대 메탄 생성량 (mL), Rm은 메탄 생성 속도 (mL/d), λ은 지체 시간 (days), and e는 자연상수이다. 각 조건의 메탄 수율(mL CH4/g VSfeed은 최대 메탄 생성량과 기질 주입량을 이용하여 계산하였다. 기질 농도와 F/M비가 메탄 수율에 미치는 영향은 아래의 이변수 이차식 (2)을 통해 해석되었다. 식 (2)에서 βi는 회기분석 계수 βi, S0는 기질농도 (g VS/L), S0/X0는 F/M 비 (g VS/g VS)를 의미한다. 

 

유기산(C1-C5) 농도는 액체 시료를 0.45 μm 막 여과로 거른 후 자외선 검출기 (210 nm) 고성능 액체 크로마토그래피(Waters HPLC, high performance liquid chromatography)로 측정하였다. 칼럼은 300 ×7.8 mm HPLC organic acid analysis column (Aminex), 운반 용매는 0.005 M 황산용액을 이용하였다. 그 외 total solids (TS), volatile solids (VS), total suspended solids (TSS), volatile suspended solids (VSS), CODCr (chemical oxygen demands), pH 는 Standard Methods(APHA, 1998)에 따라 분석하였다 

3. 결과 및 고찰

3.1 기질 주입 농도와 F/M비가 혐기성 소화에 미치는 영향

기질 주입 농도 및 F/M 비에 따른 메탄 발생량 평균값에서 blank의 메탄 발생량 평균값을 뺀 net cumulative methane production 은 Table 3에 나타낸 바와 같이 modified Gompertz 식을 이용하여 잘 모사되었다. 

Table 3에서 도출된 메탄 수율로부터 기질 농도와 F/M비가 회분식 혐기성 소화에 미치는 영향을 정량화한 결과, 식(3)을 유도하였다. 모델의 p값로 0.0029로 높은 유의성을 보였다. 

Table 3. Methane yield and productivity estimated by the modified Gompertz equation

 

기질 농도와 F/M비가 메탄 수율에 미치는 영향을 Fig. 1.에 도시하였다. 기질 농도 12-26 g VS/L, F/M 비 0.6 g VS/g VS 이하에서 90 mL CH4/g VSfeed 이상의 메탄 수율이 확인되었다. 최대 메탄 수율은 94.15 mL/g VSfeed로, 이 때의 기질 농도와 F/M 비는 각각 18.07 g VS/L, 0.50 g VS/g VS였다. 기질 농도가 일정한 범위(회분식 소화시 초기 농도 기준 2.0-34.1 g VS/L)로 증가될 경우 혐기성 미생물의 대사 및 성장에 적합한 조건이 조성되면서 메탄 수율이 향상될 수 있음이 본 실험의 결과로 확인되었다. 그러나, F/M 비(0.50-1.35 g VS/g VS)가 증가할 경우 메탄 수율이 감소하는 현상이 동시에 관찰되었다. 이는 소화조 투입 기질 농도 증가를 통한 메탄 수율 향상은 소화조 내 혐기성 미생물의 농도가 함께 높아져 낮은 F/M 비가 유지될 경우에만 가능함을 의미한다. 따라서, 추가적인 슬러지 농축을 통해 소화조 효율 향상을 꾀할 경우 혐기성 소화조 미생물 농도 또는 F/M비를 적절히 유지하는 운전 방안이 필요할 것으로 사료된다. 소화조 연속 운전 시 기질 농도가 높아지면 바이오매스 성장에 사용되는 양이 늘어나 소화조 내의 미생물 농도가 궁극적으로 높아질 수 있다. 그러나 혐기성 미생물은 성장 속도가 매우 느려 정상 상태에 도달하는 기간이 길기 때문에, 갑작스럽게 기질 농도가 높아질 경우 단기간의 높은 F/M 비도 소화조 운영에 문제를 줄 수 있을 것으로 사료된다. 따라서, 농축 시설 확충 등 시설 및 운영 변경을 할 경우, 기질 농도를 순차적으로 증가시키거나, 고액 분리 등을 통해 미리 소화조 내의 미생물 농도를 높이는 방안이 필요할 것으로 판단된다. 또한, 슬러지를 포함한 유기성 폐기물의 고농도 회분식 실험 시 식종균을 충분히 공급하여 F/M비를 낮게 유지할 필요성도 본 실험 결과를 통해 다시 한번 확인되었다. 

Fig. 1. Contour lines of constant methane yield of thickend sewage sludge (mL/g VS) versus feed concentration (S0, g VS/L) and F/M ratio (S0/X0, g VS/g VS).

3.2 회분식 혐기성 소화 중 유기산 축적 현상 고찰

혐기성 소화 과정에서 기질 내의 유기물은 아세트산, 프로피온산 등 유기산을 거쳐 메탄으로 전환된다. 유기물이 유기산으로 전환하는 미생물 군집, 타 유기산을 아세트산으로 전환하는 미생물 군집, 아세트산을 메탄으로 전환하는 미생물 군집은 각각 다른 성장 및 기질 분해 특성을 가진다(Fang and Liu, 2002, Kim et al., 2003). 일반적으로 아세트산 이용 메탄 생성균은 다른 혐기성균에 비해 느리게 자라고, 반응 조건 변동 및 저해 물질 유입에도 취약한 것으로 알려져 있다(Kim and Shin, 2001). 따라서 연속 운전되는 소화조에서 유출수 중 유기산이 높은 농도로 검출되는 것은 소화조 내에서 메탄 생성균이 정상적으로 활동하지 못하고 있음을 의미한다(Han et al., 2002). 더욱이 축적된 유기산은 pH 저하를 유발하고, 자체로도 독성 물질로 작용한다. 

본 연구에서는 기질 농도 2.0 g/L에서 F/M비가 높은 조건 (Run No. 10, S0 : 2.0 g VS/L, X0 : 2.0 g VS/L, F/M : 1.00 g VS/g VS)과 기질 농도 30 g/L 에서 F/M비가 낮은 조건 (Run No. 3, S0 : 30.0 g VS/L, X0 : 40.0 g VS/L, F/M : 0.75 g VS/g VS) 조건에서 회분식 혐기성 소화 도중의 유기산 농도 변화를 고찰하였으며 나머지 조건들을 포함하여 Fig. 2,3에 도시하였다. Run No. 10에서는 유기산이 축적되었고 이를 통해 메탄 수율과 생산성 역시 감소하였다 (Table 3). 반면, 기질 농도가 15배 높은 Run No. 3에서는 유기산 축적이 관찰되지 않았다. 이는 기질이 고농도로 주입될 경우에도 F/M 비가 적절히 유지될 경우 유기산 축적을 방지할 수 있음을 의미한다. 따라서, 3.1에서 언급된 바와 같이 소화조 투입 기질 농도를 높일 경우 소화조 미생물 양을 충분히 높게 유지해야 함을 다시 확인할 수 있었다.

Fig. 2. Organic acid production at F/M = 0.75 g VS/g VS: (a) Run No. 1 (S0 = 10 g VS/L) and (b) Run No. 3 (S0 = 30 g VS/L).</

Fig. 3. Organic acid production at F/M = 1.00 g VS/g VS: (a) Run No. 10 (S0 = 2 g VS/L) and (b) Run No. 14 (S0 = 8 g VS/L).

4. 결론

기질 농도와 F/M 비가 농축 슬러지 회분식 혐기성 소화에 미치는 영향을 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다. 

1) F/M 비 0.6 g VS/g VS 이하, 기질 주입농도 12-26 g VS/L에서 90 mL CH₄/g VSfeed  이상의 메탄 수율이 관찰되었다.
2) 기질이 고농도로 유입되더라도 F/M 비를 낮게 유지할 경우 유기산 축적을 방지할 수 있었다.
3) 소화조 기질 주입 농도 증가 시, 혐기성 미생물의 느린 성장 속도를 고려하여 기질 농도를 순차적으로 증가시키거나, 고액 분리 등을 통해 F/M 비가 갑자기 증가하는 것을 방지해야 한다. 

사사

이 논문은 2010학년도 대구대학교 학술연구비 지원에 의하여 연구되었음. 

10 김상현 교수님.pdf951.9KB

Reference

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