The significant increase of sewage sludge generation from WWTP and prohibition of ocean dumping since 2012 make anaerobic digestion more important as a stabilization and reduction process. However, slow and incomplete degradation of sewage sludge induced by its rigid structure has been considered as major problems of anaerobic digestion of sewage sludge. In order to solve those problems, various pretreatment has been introduced before anaerobic digestion process. Therefore, this study was conducted to figure out effect of various pretreatment methods such as thermal, ultrasound, microwave and alkaline on sludge solubilization and its correlation with methane production. During the experiment, combined pretreatment was also carried out to check whether it has advantages against single pretreatment with same energy input. Furthermore, combining of advantages of UASB and combined pretreatment was suggested to make anaerobic digestion with sludge efficient and economic.
Firstly, performance of various pretreatment methods was evaluated by measuring solubilization improvement indicating acceleration of anaerobic process and increase of methane production. In case of single pretreatment, ultrasonication showed the highest increment of solubilization among 5 different pretreatments. On the other hand, addition of more than 5 g/l of KOH seemed like waste due to no further solubilization increase. In case of combined pretreatment, 3 different combined pretreatments were employed to compare their performance. Alkaline treatment carried out as a base treatment then, thermal, ultrasound and microwave pretreatment was followed with the same operating condition at each single pretreatment. From the certain combinations, positive value named as synergistic effect or negative value caused by re-flocculation of sludge was took place. Maximum positive value around 15% was obtained from combination of alkaline with thermal pretreatment, while highest negative value occurred from combination of alkaline with microwave pretreatment. Therefore, combination of alkaline with ultrasound pretreatment is most recommendable among 3 combinations, while combination of alkaline with microwave pretreatment should be avoided for efficient and economic pretreatment process.
Secondly, determination of correlation between solubilization and methane conversion rate or AD efficiency was conducted to optimize pretreatment intensity in terms of methane production. Thermal and ultrasound pretreatment was employed to solubilizing sludge, and solubilization degree was gradually increased by increasing pretreatment intensity. AD efficiency was initially increased according to increased solubilization until around $20 \sim 25%$ at both reactors, and then decrease and re-increment of AD efficiency was followed from both reactors. Optimum solubilization degree of ultrasoundly and thermally pretreated sludge was around 25%, 20% respectively. Above the optimum solubilization degree, portion of methane production from particulate COD part was getting diminished, and finally absolute no methane production from particulate COD part could be suggested. This interesting result implies possible formation of inhibitors deteriorating conversion process from particulate COD to methane gas rather than conversion of soluble part to methane.
Lastly, from the continuous test I, methane production solely from SCOD part was observed at above certain degree of solubilization. Under this observation, in order to make anaerobic digestion process more efficient and economic, introduction of UASB reactor for methane generation using combined method seems quite natural suggestion due to its superior performance. However, necessity of massive pretreatment removing solid is big obstacle to being popular. Therefore, modified process, changing stabilization and dewatering order from the sludge disposal process, was suggested to overcome limitation of UASB reactor without extra energy input. At the demonstration experiment, reactor initially started with OLR 1kg $COD/m^3/day$, HRT 2day, then OLR and HRT was increased to find out optimal operating condition. Around 42% of COD was converted to methane under operating condition at OLR 2kg $COD/m^3/day$, HRT 3 day. In order to make up for the low COD recovery from UASB reactor, dry digestion using solid residues or production of liquid fertilizer using effluent should be accompanied with.
2003년 슬러지 직매립 금지이후, 하수 슬러지 최종 처분의 대부분(70%이상)은 해양투기에 의존하여 왔으나, 2012년 런던협약에 의거 해양투기 또한 금지될 것이 확실시됨에 따라 이에 대한 연구가 다방면으로 진행되고 있다. 그 중, 혐기성소화공정은 슬러지 감량과 더불어 청정에너지원인 메탄 가스를 회수할 수 있는 장점들로 인하여 가장 큰 각광을 받고 있다. 그러나 하수 슬러지의 대다수를 구성하고 있는 미생물 내부에 존재하는 세포벽 및 세포막에 의해 기인되는 낮은 분해속도($20 \sim 30일$ ) 및 낮은 소화효율($20 \sim 30일$ )은 혐기성 소화의 적용에 큰 걸림돌이 되고 있다. 이와 같이 하수 슬러지의 구조적인 문제들로 인해 기인되는 낮은 가용화율을 증대시키기 위해, 열적, 화학적, 기계적, 생물학적인 방법을 이용한 다양한 슬러지 전처리 방법들이 국내.외적으로 활발히 연구되고 있으며, 본 연구에서는 하수 슬러지의 혐기성 소화율 증대를 위한 전처리 방법의 효과적 적용에 관해 알아보았다.
알칼리, 초음파, 열, 마이크로파등의 전처리 방법과 하수 슬러지 용해도와의 관계를 확인해 본 결과, 가장 높은 용해도는 초음파를 통해 획득할 수 있었으며, 또한 알칼리 전처리시 약 5g KOH/L 이상의 알칼리 주입은 불필요한 것으로 생각된다. 병합전처리(알칼리+초음파)의 경우 대부분의 범위에서 70%이상의 높은 가용화율을 획득하였으며, 4g KOH/l 이하의 전처리 범위에서 5%이하의 적은 시너지효과가 발생하였다. 알칼리와 열처리 조합의 경우, 높은 전처리 강도(8g KOH/L, $100\degC$)에서 약 10% 이상의 높은 시너지효과가 발생하였으며 이는 알칼리 전처리에 의한 슬러지 구조물의 이완현상으로 설명된다. 이와 반대로, 약 $80\degC$ 부근에서 10%정도의 negative value가 발생되었으며, 입도분포를 통해 슬러지 재결합현상에 의한 것으로 확인하였다. 시너지효과 발생유무 및 용해도 결과를 통해 알칼리와 초음파의 조합이 가장 효율적이고 적절한 병합처리 조합임을 확인하였다.
전처리의 효율적 이용을 위해 ASBR연속 반응조를 이용하여 슬러지 용해도와 혐기성소화율과의 관계를 확인하였다. 용해도와 소화율과의 관계는 선형적이지 않았으며, 다른 전처리 방법에 의해 동일하게 가용화된 슬러지의 혐기성소화율 역시 차이가 발생한 봐 용해도와 소화율간의 절대적인 관계는 없는 것으로 확인하였다. 또한 약 $20 \sim 25%$의 용해도 이후, 혐기성 소화율은 오히려 감소하였고, 30% 이상의 용해도범위에서 다시금 증가하였다. 이는 particulate COD 에서 메탄으로의 전환을 저해하는 inhibitor의 발생으로 인한 것으로 추측되며, 확인 결과 $600 \sim 900$의 분자량을 가지는 물질이 과도한 전처리를 통해 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 미지의 물질의 규명은 추후 isotopic pattern 비교를 통해 진행될 계획이다.
용해도와 혐기성소화율과의 관계를 통해, 높은 용해도 범위에서, 오직soluble COD만이 메탄으로 전환되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 실험결과를 통해, UASB와 병합 전처리의 장점을 결합한 새로운 슬러지 처리공정을 제안하였으며, 기존의 슬러지 처리공정 내 탈수공정과 혐기성 소화공정의 순서를 바꿈으로써, UASB 반응조의 기질 제조 시 이용되는 과도한 에너지소모를 막고자 하였다. 현재 HRT 3일, OLR 2kg $COD/m^3/day$ 의 조건으로 운전 중이며, 향후 최적의 운전을 도출할 계획이다.
