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하수슬러지처리를 위한 생물전기화학 혐기성소화공정의 성능에 대한 수리학적 체류시간의 영향
송영채,풍경,우정희 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2014 No.-
고농도의 유기오염물질을 안정화시키는 동시에 메탄가스를 회수할 수 있는 혐기성소화는 지난 백여년 이상 동안 많은 연구자들에 의하여 연구되어 온 전통기술로서 최근 지구온난화 문제가 전 세계적인 이슈로 급부상하면서 새롭게 조명받고 있다. 그러나, 혐기성소화기술은 여전히 메탄생성균의 느린 성장속도와 환경인자에 대한 민감성에 기인하여 상대적으로 20일 이상의 긴 체류시간이 필요하고 유기물감량율이 낮으며, 운전조건이 까다롭다는 단점을 지니고 있다. 최근들어 환경생물전기화학자들에 의해 연구되기 시작한 생물전기화학기술(Bioelectrochemical technology)을 혐기성소화공정에 활용하면 전통적인 혐기성소화기술의 단점들이 상당 부분 극복 가능하다. 혐기성소화공정에 활용하는 생물전기화학기술은 소화조 내에 설치하는 산화전극과 환원전극으로 이루어지며, 산화전극과 환원전극 사이에 외부회로를 구성하고 일정한 전위차가 유지되도록 외부전원을 이용하여 전압을 인가한 미생물전해전지(Microbial electrolysis cells, MECs)의 형태이다. 혐기성소화조에서 전기적으로 활성을 가진 미생물들은 유기물이나 유기산을 속도로 분해하여 전자를 산화전극으로 공급하며, 환원전극의 표면에서는 수소나 메탄과 같은 바이오가스 생성반응이 일어나게 되는데 산화전극 및 환원전극에서의 반응은 인가전압에 의해서 촉진된다. 본 연구에서는 생물전기화학기술을 혐기성소화에 활용한 생물전기화학 혐기성소화공정(Bioelectrochemical anaerobic process)의 수리학적 체류시간이 하수슬러지의 혐기성소화성능에 미치는 영향을 평가하였다. 본 연구에서는 교반기가 설치된 유효부피 12L의 원통형 혐기성 소화조에 산화전극과 환원전극을 각각 설치하여 생물전기화학 혐기성소화조를 준비하였으며, 산화전극과 환원전극 사이의 인가전압은 0.4V로 고정하였다. 이 때 혐기성소화조에 설치된 산화전극과 환원전극은 흑연직물섬유의 표면에 탄소나노튜브를 전기영동전착법(Electrophoretic deposition)으로 고정하여 제작하였다. 생물전기화학 혐기성소화조의 초기운전을 위하여 S 하수처리장 혐기성소화조로부터 슬러지를 채취하여 식종하였으며, Y 하수종말처리장에서 채취한 하수슬러지를 1일 1회 정량 주입하여 수리학적 체류시간을 유지하였다. 소화조를 운전하는 동안 총 바이오가스발생량 및 메탄 함량, 유기물 감량율과 전류의 변화 등을 관측하여 10~20일의 범위에서 수리학적 체류시간에 따른 생물전기화학 혐기성소화공정의 성능을 비교평가 하였다. 생물전기화학 혐기성소화조의 VS 감량율은 HRT 20일의 경우 약 70%로서 전통적이 혐기성소화조와 비교하였을 때 큰 값을 보였으나, HRT 15일에서는 약 65%로서 수리학적 체류시간에 영향을 받았다. 바이오가스의 메탄함량(%)은 약 77±2%로서 수리학적 체류시간에 따른 영향이 거의 없었으나, 메탄발생량은 수리학적 체류시간의 감소에 따른 유기물 부하율 증가에 비례하여 증가하였다. 그러나, 외부회로에서 관측한 전류와 메탄가스 발생량으로부터 계산한 쿨롱효율은 수리학적 체류시간이 감소에 따라 오히려 증가하였다. 유기물제거율, 바이오가스의 메탄함량 및 메탄가스발생량으로 평가한 생물전기화학 혐기성소화공정의 안정성은 수리학적 체류시간을 10-20일에서 대단히 높은 것으로 평가되었다.