하수슬러지의 저온 생물전기화학 혐기성 소화성능

국문 초록 (Abstract)

유기성폐기물을 안정화시키는 동시에 바이오가스를 회수하는 혐기성소화기술은 지난 백여년 이상동안 많은 연구자들에 의하여 연구되어 온 전통기술로서 최근 지구온난화 문제가 전 세계적인 이슈로 부상하면서 새롭게 조명 받고 있다. 그러나, 혐기성소화기술은 여전히 메탄생성균의 느린 성장속도와 환경변화에 대한 민감성에 기인하여 20일 이상의 긴 체류시간을 필요로 하고 유기물 감량율과 메탄생성율이 높지 않다는 단점이 있다. 또한, 혐기성소화조는 성능을 유지시키기 위하여 중온(35℃) 또는 고온(55℃) 조건에서 운전하게 되는데, 소화조의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 가온하는데 많은 에너지를 필요로 한다. 그러나, 혐기성소화조를 저온에서 운전하게 될 경우 가온에 필요한 에너지를 절약할 수 있지만 생화학반응속도가 감소하여 소화성능이 크게 저하하는 결과로 이어지게 된다. 한편, 생물전기화학 혐기성소화(bioelectrochemical anaerobic digestion)는 재래식 혐기성소화가 가진 단점들을 극복하기 위하여 기존의 혐기성소화조에 산화전극과 환원전극으로 이루어진 생물전기화학장치를 설치하고 전극들에 일정한 전위를 인가함으로서 유기물의 혐기성분해 반응을 촉진시키는 기술이다. 본 연구에서는 하수슬러지를 대상으로 25℃의 저온조건에서 생물전기화학 혐기성소화성능을 평가하고, 중온조건에서의 결과와 비교하였다. 또한, 저온소화 성능에 대한 철염의 영향을 조사하였다. 본 연구는 교반기가 설치된 유효용량 12L의 재래식 혐기성소화조에 산화전극과 환원전극을 설치한 생물전기화학 혐기성소화조를 이용하여 수행하였다. 이때 산화전극은 흑연직물섬유의 표면에 탄소나노튜브를 전기영동전착법으로 고정시킨 것을 사용하였으며, 환원전극은 흑연직물섬유의 표면에 탄소나노튜브와 니켈을 동시에 고정시킨 것을 사용하였다. 준비된 생물전기화학 혐기성소화조의 산화전극과 환원전극 사이에는 외부의 직류전원을 이용하여 0.3V의 전압을 인가하였다. 초기운전을 위하여 S 하수처리장 혐기성소화조로부터 채취한 혐기성슬러지를 식종하였으며, Y 하수종말처리장에서 채취한 하수슬러지를 1일 1회 정량 주입하여 수리학적 체류시간은 20일로 유지하였다. 생물전기화학 혐기성소화조를 운전하는 동안 pH, VFA, COD 및 VS 그리고 바이오가스발생량 및 메탄함량과 전류의 변화 등을 관측하였다. 생물전기화학 혐기성소화조를 35℃의 중온에서 운전한 경우 초기운전기간 이후 정상상태에 도달하였을 때 비메탄발생율과 VS 감량은 각각 0.412L CH4/L/d 및 72.5%로서 대단히 우수한 소화성능을 보였다. 그러나, 생물전기화학 혐기성소화조를 저온에서 운전하였을 때 메탄발생량과 유기물 감량율은 전차감소하였으며, 정상상태에서 비메탄발생율과 VS 감량은 각각 0.354 L CH4/L/d 및 61.3%로서 중온조건의 85% 정도 소화성능을 보였다. 그러나, 유입슬러지에 철염을 첨가하여 생물전기화학 혐기성소화조를 운전하였을 때 메탄발생량과 VS 감량율은 빠르게 회복하였으며, 비메탄발생량과 VS 감량은 각각 403L CH4/L/d 및 69.8%로서 중온성능의 98% 가량의 성능을 보였다.