독성 및 미량원소가 하수슬러지 열가수분해액의 바이오가스 생산에 미치는 영향

Abstract

전 세계적으로 하수 슬러지의 처리가 심각한 문제로 대두되고 있다. 우리나라의 경우 2000년부터 하수 슬러지의 육상매립이 금지되면서 해양투기에 상당량을 의존하고 있었으나, 런던협약에 의해 2012년부터 슬러지의 해양투기가 전면 금지가 된다. 그러므로 육상에서 하수 슬러지의 효율적인 처리방법이 필요하다. 그 처리방법 중 하나로 혐기성 소화가 있는데, 혐기성 소화는 처리과정에서 발생되는 슬러지 양이 비교적 적고, 바이오가스를 생성 시켜 에너화 할 수 있는 장점이 있다. 반면에 단점으로는 수리학적 체류시간이 20일 정도로 다른 생물학적 처리 과정에 비해 길다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방법으로 혐기성 소화 과정 전에 하수 슬러지를 전 처리 해주는 방법이 있다. 전 처리 방법으로는 기계적, 열적, 전기적 방법 등이 있다. 본 연구에서는 하수 슬러지를 열가수분해 방법으로 전 처리하여 혐기성 소화 방법으로 처리 할 때 영향을 미치는 인자들을 평가하였다. 하수 슬러지 열가수분해액의 혐기적 생분해도를 알기 위해 BMP test를 시행하였다. 또한 독성물질의 영향을 평가하기 위해 ATA test와 합성폐수를 기질로 주입한 BMP test를 진행하였다. 추가적으로 trace metal의 영향을 알기 위해 trace metal을 첨가한 BMP test를 진행하였다. 모든 실험은 중온 혐기성 소화로 35˚C로 유지되었다. 하수 슬러지 열가수분해액의 성상 분석 결과, 높은 SCOD/TCOD 비율이 나타났고 독성물질로 작용할 수 있는 NH4+와 SO42-가 각각 약 9,000mg/L와 1,100mg/L로 높게 나타났다. BMP test는 원수를 1, 2, 5, 10, 20배로 희석해서 실험을 진행하였다. 희석배수가 원수에 가까워질수록 바이오 가스의 발생 속도가 느렸고, 제거 유기물 당 발생되는 CH4 양도 적었다. 이러한 결과를 바탕으로 하수 슬러지 열가수분해액의 독성물질 존재가 의심되어 ATA test를 시행하였다. Calcium Acetate를 기질로 주입한 Control과 앞서 BMP test에서 하수 슬러지 열가수분해액을 희석한 배수대로 실험을 진행하였다. 20배와 10배 희석의 경우만 Control과 비슷한 양의 바이오 가스가 발생이 되었고, 나머지 5, 2, 1배 희석의 경우는 Control의 바이오 가스 발생량에 미치지 못했다. 결국 원수의 5배 희석의 경우부터는 독성물질이 저해농도 이상으로 존재한다고 판단하였다. 독성물질의 영향을 알기 위해서 합성 폐수를 이용한 BMP test를 시행하였다. 그 결과 NH4+의 주입 농도가 3,000mg/L 이상일 때부터 기질과 seed sludge만 주입한 Control보다 적은 양의 바이오 가스가 발생 하였다. 그리고 하수 슬러지 열가수분해액의 NH4+농도와 비슷한 10,000mg/L의 NH4+ 농도에서는 바이오 가스 발생량이 상당히 많이 감소되었다. 반면 SO42-의 경우 1,500mg/L 농도에서도 바이오 가스 발생량이 감소되는 경향은 나타나지 않았다. 결국 많은 문헌에서 보고되고 있는 NH4+와 SO42-의 넓은 범위의 저해 농도는 적용 대상마다 다를 수 있고, 본 연구에서 사용된 seed sludge의 경우는 NH4+가 3,000mg/L 이상일 때 저해작용을 받고, SO42-는 1,500mg/L 이하에서는 독성 영향을 받지 않는다고 판단된다. 추가 실험으로 진행한 trace metal이 혐기성 소화에 미치는 영향을 알아보기 위한 BMP test는 앞서 시행한 BMP test에서 하수 슬러지 열가수분해액을 5배 희석한 것을 기질로 사용했다. 그리고 trace metal을 혼합액 형태와 개별적 trace metal 형태로 나누어서 실험하였다. 그 결과, trace metal 혼합액을 주입한 경우가 주입하지 않은 경우보다 많은 바이오 가스가 발생이 되었다. 또한 Ni, B, Se이 다른 trace metal에 비해 바이오 가스 발생량 증가에 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 즉, 본 연구에서 사용된 seed sludge와 하수 슬러지 열가수분해액의 혐기성 소화 반응에서는 Ni, B, Se을 주입할 경우 바이오 가스 발생량 증가를 기대할 수 있겠다.