The applications of anaerobic biological systems could be a viable option due to low operational costs and energy recovery from organic waste. Systems based on anaerobic biological processes have traditionally been adopted to stabilize both primary and secondary waste sludge. Due to low efficiency of conventional anaerobic digestion resulted from feed characteristics, co-digestion could be one of the most useful strategies. It has been demonstrated that co-digestion of different organic wastes led to distinct enhancement in process performance, however, there are not enough information explaining what the definite factors of enhancements are. The efficiencies of anaerobic co-digestion processes for solid waste treatment were not high due to limitations on reactor performance because biological degradation pathways involved in anaerobic digestion are complex and influenced by various factors. Thus, efforts to improve the performance of anaerobic digester have resulted in several new or modified reactor designs for the high-rate anaerobic biodegradation of solid wastes. The scattered technologies have their own unique target waste or wastewater. If two or more unique technologies are integrated properly, there can be a better access for the solid waste management.
Accordingly, this research was performed to improve the low efficiency of anaerobic digestion of sewage sludge by suggesting integrated high-rate anaerobic digestion (IHAD) systems, mesophilic two-stage anaerobic sequencing batch reactor (MTSASBR) system and temperature-phased anaerobic sequencing batch reactor (TPASBR) system, adopting sequencing batch operation, co-digestion and temperature-phased anaerobic digestion (TPAD).
First, using biochemical methane potential (BMP) assays on the degradation characteristics of the wastes, an optimized substrate condition was suggested using statistical analyses. To overcome the incorrect estimation of linear regression, the complex remodified Gompertz equation was tested to fit the cumulative methane production curve of co-digestion. In all the experiments, the complex remodified Gompertz equation described the cumulative methane production with high correlation. From contours, the confidence fractions of food waste guaranteeing the highest methane production rate (MPR) was 30~40% in mesophilic and 40% in thermophilic conditions, respectively. In addition, it revealed that MPR values were more sensitive to the food waste fraction of VS than the mixed substrate concentration regardless of temperature conditions.
Statistical analysis verified the effects of major constituents in food waste using the Box-Behnken design and response surface optimization in anaerobic co-digestion of sewage sludge and food waste under thermophilic condition. The statistical analyses of the experimental data could estimate response surface models for methane potential (MP), MPR and first-order hydrolytic constant $(k_H)$ effectively. Suggested models were able to explain that the proportion of variability in MP, MPR, and kH were about 73, 84, and 91% based on the values of adjusted $R^2$. The results of analysis of variance (ANOVA) revealed that the increase of grain and meat could contribute to the enhancement of MP and that the increase of vegetable deteriorated MPR worse than any other constituents. In addition, it was confirmed that the increase of meat and vegetable was not preferable for kH. After all, meat mainly consisted of proteins was proved to be the key factor for the enhanced anaerobic co-digestion of sewage sludge and food waste under thermophilic condition. By applying effective optimization technique considering MP, MPR, and kH simultaneously, it was possible to obtain practical operational strategies of anaerobic co-digestion processes. From overlay and desirability contours, estimated optimal conditions of food waste constituents that guarantees the highest MPR were 0.71 g COD/l of grain, 0.18 g COD/l of vegetable, and 0.38 g COD/l of meat (grain : vegetable : meat = 3.9 : 1.0 : 2.1). Corresponding optimal mixing ratio of sewage sludge to food waste was 71: 29 as COD.
Second, to overcome the low efficiency of conventional anaerobic digestion of sewage sludge by combining sequencing batch operation and co-digestion using food waste as a co-substrate based on optimal substrate condition, the behavior of MTSASBR system were evaluated. It was demonstrated that MTSASBR system for the co-digestion of sewage sludge and food waste resulted in high VS reduction (41.6%) and methane production rate $(0.46lCH_4/l/d)$ based on sequencing batch operation and co-digestion technology at the organic loading rate of 3.5 g VS/l/d when corresponding system HRT was 8 day. The enhanced performance of MTSASBR system could be attributed to longer retention time of active biomass and particles as well as balanced nutrient condition by co-substrate. Consequently, it was confirmed that this combination could be one of practical alternative for the bioenergy recovery as well as organic waste stabilization.
Third, the main concept of TPAD, a specific case of staged anaerobic digestion, uses the fast metabolism of thermophilic anaerobes for the high-rate operation. However, high energy cost and sensitivity of microorganisms to the environmental change must be managed. In that sense, TPASBR system was suggested and evaluated for the co-digestion of sewage sludge and food waste as an integrated high-rate anaerobic digestion process by applying TPAD concept to MTSASBR system. As a result, it was demonstrated that TPASBR system for the co-digestion of sewage sludge and food waste resulted in high VS reduction (44.8%) and methane production rate $(1.24lCH_4/l/d)$ based on sequencing batch operation and co-digestion technology at the organic loading rate of 6.1 g VS/l/d. The maximum average methane yield of TPASBR system was best as 0.21±0.01lCH_4/g$ $VS_{added}$. Corresponding methane conversion efficiency ofTPASBR system were 65.4±2.7% of BMP value. In conclusion, this integration of sequencing batch operation, co-digestion, and temperature-phased anaerobic digestion could be a viable option for the simultaneous treatment of two types of OFMSW with high stability.
Consequently, the system resulted in higher methane recovery and methane production rate based on the optimized integration of sequencing batch operation, co-digestion, and temperature-phased anaerobic digestion. The enhanced performance could be attributed to longer retention time of active biomass and particles, fast hydrolysis under thermophilic conditions, higher $CH_4$ conversion rate of thermophilic methanogens, and balanced nutrient condition of co-substrate. Above all, thermophilic reactor of TPASBR system played a significant role in obtaining higher efficiency in the co-digestion of sewage sludge and food waste.
유기성폐기물 처리에 대한 생물학적 혐기성 처리공정의 적용은 낮은 운영비용으로 효과적인 처리효율 획득과 동시에 유용한 에너지원인 메탄가스를 회수할 수 있다는 장점이 있다. 기존의 생물학적 혐기성 처리시스템은 주로 하수처리장에 설치되어 일차 및 이차 슬러지의 처리에 사용되어 왔는데, 합류식 관거가 59% 이상인 국내의 실정에 의해 총 고형물(TS) 대비 휘발성 고형물(VS, 유기물의 간접지표)의 비율이 0.7에 미치지 못하여 그 처리 효율이 매우 낮게 보고되고 있다. 이에 따라 혐기성 공정에서 가장 중요한 인자 중 하나인 기질특성 개선을 위해 한가지 이상의 생분해도가 높은 유기성 폐기물과 하수슬러지를 혼합하여 처리하는 혼합소화가 유용한 대안으로 주목받고 있는데, 그 원인은 두가지 이상의 유기성 폐기물을 동시에 처리함과 동시에 기존의 낮은 처리효율의 향상을 가져오기 때문이다. 이렇게 혼합소화가 메탄회수율의 증가에 기여한다는 보고가 있지만 효율증대 원인은 불명확하여 관련 연구가 필요한 실정이다. 소화효율 증가의 원인규명이 어려운 이유는 유기물의 혐기성 분해 경로가 복잡하고 다양한 영향인자가 동시에 관련되어 있기 때문이다. 따라서 혐기성공정의 효과적인 운전제어를 위해서는 혐기성 발효균의 생화학적 특성과 관련된 중요인자들에 대한 이해가 절실하며, 기질특성에 의한 소화조 거동변화는 유기성폐기물의 혐기성 소화처리시 가장 중요한 인자 중 하나이므로 최적의 성능을 뒷받침하는 기질조건의 도출은 공정효율 극대화를 위한 기초가 된다.
기 보고된 고형 혹은 슬러리형 유기성 폐기물의 혼합소화의 경우는 공정설계상의 한계로 인해 처리효율이 그리 높지 못하며 최근에 이르러 개선형 혹은 새로운 고효율 공정이 연구개발 되고 있다. 이에 따라 특정 유기성폐기물 혹은 유기성 폐수처리에 제한적으로 활용되고 있는 개별 기술들의 고유 특징을 바탕으로 두가지 이상의 기술을 동시에 활용한다면 사회적 문제로 대두되고 있는 음식쓰레기와 하수슬러지와 같은 유기성 고형폐기물의 처리효율 증대와 에너지 회수 증대의 측면에서 유효한 접근방식이 될 것이다.
따라서 본 연구는 기존의 낮은 하수슬러지 처리효율 증대를 위해 다양한 회분식 실험과 통계적 분석기법을 활용하여 최적의 기질 조건을 도출하고 연속회분식 운전방법과 고온/중온 혐기성소화 공정을 동시에 적용한 통합공정인 고온/중온 연속회분식 혐기성소화공정 (Temperature-phased anaerobic sequencing batch reactor system, TPASBR)을 제안하여 그 거동을 평가하고 최적의 운전방법을 제안하였다.
먼저 BMP assay를 활용하여 하수슬러지와 음식쓰레기의 최적 혐기성 혼합소화를 위한 기질조건을 연구하였다. 회분식 실험의 메탄포텐셜과 메탄생성속도 추정을 위한 remodified Gompertz식을 제안하여 정확한 회분식실험 거동의 회귀분석이 가능하였다. 추정된 메탄포텐셜, 메탄생성율, 가수분해 상수에 대한 음식쓰레기 혼합비율, 기질농도 및 주요 구성성분의 효과를 통계적분석법인 실험계획에 의한 반응표면법을 적용하여 고찰하였다. 그 결과 정확한 메탄포텐셜, 메탄생성율, 가수분해 상수 추정이 가능한 경험 회귀식 도출이 가능하였다. 한편, 하수슬러지와 음식쓰레기의 고온 혼합소화시 효율향상은 육류(단백질)의 생물학적 분해율 향상 및 생성부산물의 안정화 효과에 기인하는 것으로 밝혀졌다. 기질 조건, 기질 이용율, 미생물의 적응 정도, 전체 처리효율 및 혐기성 공정의 설계와 밀접하게 관련된 메탄생성율의 극대화를 최적화의 최종 목표로 설정하고 동시최적화 기법을 적용한 결과, 최대의 메탄생성율과 실험 평균 이상의 메탄포텐셜 및 가수분해효율을 나타낼 수 있는 하수슬러지와 음식쓰레기의 최적 혼합비율은 생화학적 산소요구량 (COD) 기준 71:29 로 밝혀졌다. 이때 음식물쓰레기의 최적 구성비는 곡류: 채소류: 육류 = 2.9: 1.0: 2.1 로 판명되었다.
최적 기질조건을 바탕으로 기존 하수슬러지 혐기성 소화 공정의 단점을 극복하기 위해 연속회분식 운전기법과 혼합소화를 결합함으로써 환경제한인자를 개선한 중온이단 연속회분식 혐기성 소화공정 (mesophilic two-stage anaerobic sequencing batch reactor system, MTSASBR)의 거동을 평가하였다. MTSASBR 공정은 기존 공정 대비 높은 유기물 부하율 (3.5 kg VS/㎥/d) 과 짧은 HRT (8 day) 에서 적정 VS 감량효율 (41.5%) 및 메탄전환율 (41.3%)를 보여 상대적으로 우수한 성능 및 거동특성을 나타냈다. 최적 운전 조건에서의 메탄수율은 0.14 ㎥/kg $VS_{added}$였으며, 메탄가스 발생율은 0.46 ㎥/㎥/d 였다. MTSASBR 공정의 주요특징은 연속회분식 운전에 의해 기존 완전혼합형 시스템 대비 운전이 용이하고 HRT와 SRT의 분리에 따른 공정효율 증대와 혼합소화를 동시에 적용한 것으로 하수슬러지와 음식쓰레기의 동시처리뿐 아니라 유용한 에너지회수 측면에서도 유효한 시스템으로 판단된다.
다단형 혐기성 소화공정의 특별한 경우인 고온/중온 혐기성 소화공정(Temperature-phased anaerobic digestion, TPAD)은 고온 발효균 특유의 빠른 물질대사를 바탕으로 고효율 운전이 가능한 것으로 알려졌으나 고온소화조의 높은 에너지비용, 환경인자 변화에 민감한 고온미생물의 특성을 반영한 공정 구성이 필요하다. 따라서 본 연구에서 제안한 MTSASBR 공정에 TPAD의 개념을 조합한 통합형 고효율 혐기성 소화(Integrated high-rate anaerobic digestion, IHAD)인 고온/중온 연속회분식 혐기성 소화(Temperature-phased anaerobic sequencing batch reactor, TPASBR) 공정을 제안하고 거동을 평가하였다. TPASBR 공정은 높은 가수분해, 산발효 및 메탄발효를 위한 1단의 고온소화조와 잔류물로부터 메탄을 회수하여 안정적인 유출수 품질을 나타내는 2단의 중온소화조를 직렬 연결하여 구성하게 되며 최적기질과 연속회분식 운전의 특징과 결합되어 뛰어난 성능 및 거동특성을 보여주었다. 슬러리형 폐기물처리에 있어 문헌상 보고된 가장 높은 유기물부하 (6.1 kg VS/㎥/d) 와 최소의 체류시간 (7 day) 에서도 높은 VS 감량율(44.8%) 및 메탄전환율 (62.9%)를 보였고, 최적 유기물 부하에서 계산된 메탄수율은 0.20 ㎥ $CH_4/kg$ $VS_{added}$였으며 메탄가스 발생율은 1.24 ㎥/㎥/d 로 MTSASBR 대비 매우 우수한 성능을 보였다.
종합하면, 이러한 IHAD 개념에 의한 TPASBR 공정은 혼합소화, 고온/중온 온도상변화 및 연속회분식 운전의 특징을 조화시킴으로써 처리가 곤란한 막대한 유기성폐기물의 고효율 동시처리를 가능케 하는 실용적이며 환경 친화적인 생물학적 처리공정임이 판명되었다.
