2.1. Substrates and Inoculum

본 연구에서 사용된 CEPT 슬러지는 부산의 A 하수처리장 에서 2019년 5월부터 2020년 5월까지 1년 동안 2주에 한 번 씩 정기적으로 채취하여 4계절의 동안 30개의 시료를 확보 하였다. 그리고 잉여슬러지와 혐기성 소화 식종슬러지는 부 산의 B 하수처리장의 혐기성 소화조와 탈수동에서 각각 채 취하였고, 동일 기간 동안 28개 시료를 확보하였다. 확보된 슬러지의 유기물 함량분석을 위하여 총 고형물(Total Solids, TS), 휘발성 고형물(Volatile Solids, VS), 총 산소요구량 (Total Chemical Oxygen Demand, TCOD), 용존성 산소요구 량(Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD)을 분석하였 다. 슬러지들의 성상 변화를 최소화하기 위해 4°C 이하의 온 도에서 냉장 보관되었다. 실험에 사용할 시에는 슬러지의 품 질 유지를 위해 2주 안에 채취된 신선한 슬러지를 사용하였 다. 식종 미생물은 협작물 제거를 위해 ⦽130×L295 mm의 체에 걸러 사용했고, 활성의 유지를 위해 500 mL 삼각플라 스크에 식종 슬러지와 기질슬러지를 각각 150 mL로 1:1의 비율로 접종하여 고무마개로 밀봉한 후 교반배양기(NB205, N-BIOTEK, Korea)에 배양되었다. 용존성 산소요구량 (SCOD)과 휘발성 고형물(VS) 농도를 측정하기 위해, 1.2 um 공극의 GF/C 필터(GF/C, Whatman, UK)를 사용하여 필 터링하였다.

2.2. Biochemical Methane Potential Test

본 연구에서는 125 mL의 혈청병(Wheaton, USA)의 100 mL를 반응을 위한 실 용량으로 사용하였고, 식종 슬러지와 기질슬러지는 각각 50 mL로 1:1의 비율로 접종하였다 (^{Chakraborty et al., 2018}). CEPT 슬러지를 식종슬러지에 반 복 적용하여 순응시키는 실험에서는 SBR(Sequencing Batch Reactor) 형태로 120 mL의 부피를 이용하였으며, 식종 슬러 지 30 mL, 기질 슬러지 90 mL로 1:3 비율을 이용하였다. 최 종적으로 혈청병은 고무마개와 알루미늄 덥개로 밀봉한 후 상부 기체를 3분간 질소 퍼징하여 혐기 상태로 만들어 주었 으며, 35±2°C의 온도에서 150 rpm의 조건으로 교반배양기 (NB205, N-BIOTEK, Korea)에서 배양되었다. 가스 발생량 측정은 10-50 mL 유리 주사기로 측정하였고, CH₄ 농도의 측 정은 Gas Chromatography(GC) 용 Gas Tight Syringe (Syringe 81530, HAMILTON, USA)로 1 mL 채취하여 Thermal Conductivity Detector가 부착된 GC(GC-2030, Shimadzu, Japan)를 사용하였다. 분석 조건은 Table 1에 나 타내었다. 모든 실험은 3회 반복 측정하였다.

2.3. Cumulative Gas Production

메탄의 누적 가스 발생량을 계산할 때에는 3개의 혈청병에 서 발생한 메탄가스의 양을 평균을 내어 사용하였으며, 기질 슬러지 없이 식종미생물을 담은 Blank 병을 만들어 같은 조 건에서 배양한 후 발생하는 가스량을 대조군으로 사용하여 실험군의 메탄 생성량에서 차감하였다. 메탄 발생량(V_CH4)은 식 1과 같이 계산하였다.

여기에서,

V_CH4 : 생성된 메탄의 부피(L)

C ₁ : 샘플링 시 메탄의 함량(L/L)

C ₀ : 이전 샘플링 시 메탄의 함량(L/L)

V ₁ : 유리주사기로 측정된 바이오 가스의 부피(L)

V ₀ : Head space의 부피(L)

식 2와 같이, 메탄발생량을 0°C, 1기압의 표준상태로 보정 하여 누적 메탄생산량을 최종적으로 산출하였다. 그리고 메 탄발생량을 제거된 슬러지의 휘발성 고형물(kg-VS_removed)로 나누어 메탄잠재력(m³-CH₄/kg-VS_removed)을 산출하였다.

2.4. Salinity Test

실험에 사용된 CEPT 슬러지는 연안에 위치한 지리적 특 성상 높은 염 농도를 보이고 있어, BMP가 영향을 받을 것으 로 예상되었다. 염에 의한 영향을 알아보기 위해, 0.20%의 염도를 나타내는 잉여슬러지에 NaCl을 첨가하여 염도를 0.70%로 상승시켜 BMP를 평가하였다.

2.5. Chemical Analysis

총화학적 산소요구량(TCOD), 용존성 화학적 산소요구량 (SCOD), 총질소(T-N), 암모니아성 질소(NH₃-N), 총인(T-P) 는 수질분석 키트(Humas Co, Ltd., Korea)인 HS-COD-M, HS-COD-M, HS-T-N-H(CA), HS-NH₃(N)-H, HS-TP-H와 UV-VIS 분석기(Humas 3300, Humas Co, Ltd., Korea)를 사 용하였다. 용존성 물질인 암모니아성 질소와 용존성 화학적 산소요구량은 GF/C 필터로 감압여과한 시료를 사용하였다. pH와 염분 측정은 pH Meter(AB150plus, Fisher Scientific, USA)와 염도계(Salt Free1000, CAS, Korea)를 각각 사용하 였다. 그리고 A 하수처리장 CEPT 공정의 하수 처리효율을 확인하기 위해 3주에 걸쳐 주 1 회씩 유입, 유출수를 분석하 였다. CEPT 공정의 유입수와 유출수의 TCOD, SCOD, T-N, T-P와 Suspended Solids(SS), Dissolved Solids(DS)는 수질오 염공정시험기준(^{ME, 2017})과 Standard Method(^{APHA, AWWA, WEF, 2005})에 따라 측정되었다. TCOD와 SCOD는 적정법- 산성과망간산칼륨법을 이용하여 측정되었고, 이때 염소이온 이 과망간산에 의해 정량적으로 산화되어 양의 오차를 유발 하기 때문에 염소이온의 당량만큼 황산은을 첨가하여 간섭 을 제거해주었다. T-P와 T-N은 자외선/가시선 분광법을 따 라 각각 880 nm, 220 nm에서 측정되었다.

3.1. Characteristics of Substrate Sludges

A 하수처리장에 설치된 CEPT 공정의 하수처리 효율을 평가 하기 위하여 7일 간격으로 3회 유입수와 유출수를 분석하였다 (Table 2). TCOD와 SCOD의 제거율은 각각 63.55±20.04%와 46.70±11.29%로 나타났다. A 하수처리장 CEPT 공정에서 사 용하는 AlCl₃와 PAC의 투여를 통한 화학적 침전법은 콜로이 드에 대해 효과적인 제거 효율을 보이는데, 특히 1.2 um크기 의 입자 크기에는 제거 효율 98.1%로 매우 높았으나 용존성 상태인 0.2 um 이하의 물질은 제거 효율이 매우 낮았다(^{Xu et al., 2006}). 동일한 CEPT 공정이 B 공정과 함께 에너지 자 립화를 목표로 하는 하수처리장에 설치될 경우, 회수된 60% 의 하수 유기물을 이용하여 최대 71.5%의 에너지 자립율을 달성가능할 것이라 예상한 바 있다(^{Bae, 2018}). 그러나, 또 다른 유기물 지표인 VS의 제거율은 13.58±2.48%로 낮게 나 타났으며, VSS의 제거율은 66.68±18.03%, VDS의 제거율은 10.15±2.61%로 나타났다. AlCl₃와 PAC의 투여를 통한 화학 적 침전법인 CEPT 침전공정의 제거효율이 VSS와 같은 부 유성 물질에게만 효과적이고 용존성 물질에 대해서는 낮은 제거효율을 나타낸다고 판단된다. COD와 Soild 기준 제거효 율 다른 이유에 대하여는 하수성상과 관련된 더욱 고도화된 연구를 통한 검증이 필요하다. 본 연구에서 SCOD를 측정을 위한 필터는 1.2 um 공극의 GF/C 유리섬유 필터를 사용하였 는데, 1.2 um 보다 작은 콜로이드성 유기물질이 550°C 소각 을 이용하는 VS 측정법과 화학산화를 이용하는 COD에 대 한 반응성이 서로 다른 것으로 추측된다.

CEPT는 영양염류 제거에도 큰 기여를 하는데, T-N과 T-P 의 경우 각각 38.35%와 53.71%의 제거효율을 나타내어서 후단 생물학적 공정에서의 영양염류 제거공정이 간편화 될 수 있다. 이를 통해 기존의 생물학적 질소제거 공정에 필요 한 많은 산소소모를 줄일 수 있다(^{Makabifard et al., 2018}). 즉, 산소 폭기비용의 절감을 통해 에너지 자립화에도 크게 기여할 것이라 예상된다. 그러나, 에너지자립화를 위해 혐기 성소화를 시행한다면 질소와 인은 슬러지에 함유된 상태로 혐기성 소화조에서 분해되어 반류수의 질소, 인 농도를 증가 시키기 때문에 반류수 공정에서 발생한 오염부하 및 비용 증 가에 대해서는 면밀한 평가가 시행되어야할 것이다. 염도는 5.57%가 제거되어 다소 낮아졌으나, 해안가에 위치한 A 하 수처리장의 원수 염도가 0.91%로 높은 수준이기 때문에 유 출수의 염도 또한 0.85%로 여전히 높게 나타났다.

CEPT 공정에 의해 생산되는 슬러지(n=30)의 유기물 함유 량을 평가하기 위하여 B 하수처리장의 잉여슬러지(n=28)와 비교하였다(Fig. 1). 잉여슬러지의 TS 농도는 42,300±7,042 mg/L를 보였고, VS 농도는 33,352±5,351 mg/L로 나타났다. 이에 비하여 CEPT 슬러지의 TS는 60,501±8,217 mg/L로 잉 여슬러지보다 43% 높게 나타났고, VS는 37,597±5,239 mg/L 로 잉여슬러지보다 13% 높은 수준으로 나타났다. CEPT 슬 러지의 VS/TS 비율은 61.7%로 TS의 절반 이상이 메탄전환 이 가능한 유기물로 판단되었다. CEPT 슬러지의 TCOD 농 도는 57,129±8,280 mg/L로 이중 SCOD는 1,458±640 mg/L 로 2.6%가 용존성 유기물이였다. TCOD, SCOD 분석에서도 VS 분석과 유사하게 CEPT 슬러지가 잉여슬러지보다 다소 높은 유기물 함량을 나타냈다.

Fig. 1. The organic carbon contents of CEPT and excessive sludges analyzed by solids (a) and chemical oxygen demand (b) concentrations.

하수로부터 유기물을 추출하기 위한 방안으로 CEPT 공법 과 HRAS 공법을 “에너지 Positive”형 하수처리 관점에서 비 교할 필요가 있다. 보편적으로 CEPT 공법은 HRAS 공법에 비하여 운영이 간편하고 에너지가 적게 소요되므로, CEPT 가 선호될 수 있다. 그러나 CEPT 공법은 용존성 유기물 제 거 효율이 HRAS에 비해 낮으므로 면밀한 상대 평가가 필요 하다.

3.2. Biochemical Methane Potential

CEPT 슬러지는 하수에 포함된 유기물을 미생물로 전환하 지 않고 침전시킨 형태이므로, 분해가 어려운 미생물의 형태 로 존재하는 잉여슬러지와 비교했을 때 메탄잠재력이 높을 수 있다. 본 가설에 따라 다음과 같이 메탄잠재력을 비교하 였다. CEPT 슬러지와 잉여슬러지의 메탄잠재력을 평가하기 위하여 각각 50일, 35일간 혐기성 소화 반응을 수행하였다. Fig. 2에 나타난 바와 같이 CEPT 슬러지와 잉여슬러지의 초 기 7일간 메탄생성량은 동일하게 나타났다. 그러나 이후 잉 여슬러지의 메탄생성은 점차 느려져 0.26 L-CH₄(STP) 포화 값에 다달았으나, CEPT 슬러지는 메탄생성 반응이 지속되어 이보다 46.86% 높은 0.39 L-CH₄(STP)의 포화값을 나타내었 다. CEPT 슬러지의 메탄생성이 활발한 것은 CEPT 슬러지에 포함된 화학적 성분과 생분해도와 관련이 깊다. 예를 들어, ^{Labatut et al. (2011)}은 지질의 함량과 생분해도가 높은 탄수 화물은 높은 메탄잠재력을 나타내고 Lignocellulose와 같은 분해가 어려운 물질은 메탄잠재력을 낮춘다고 보고하였다.

Fig. 2. Methane production from CEPT and excessive sludges.

Table 3에 정리한 바와 같이, CEPT 슬러지의 초기 VS는 22,400 mg-VS/L이었는데, 50일간 30.67%가 분해되어 15,533 mg-VS/L로 감소하였다. 잉여슬러지는 초기 VS 농도 22,867 mg-VS/L가 35일간 31.72% 분해되어 최종농도 15,600 mg-VS/L를 나타내었다. 이로서 혐기성소화는 CEPT 슬러지와 잉여슬러지에 대하여 유사한 VS 분해효율을 보이 는 것으로 파악되었다. 본 연구에서는 잉여슬러지보다 생분 해성이 높은 CEPT 슬러지가 메탄잠재력이 높은 것을 가정 하였는데, Fig. 2에서 생성된 메탄가스의 양을 VS_removed로 표준 화하였을 때, CEPT 슬러지의 메탄잠재력이 0.57 m³-CH₄(STP)/ kg-VS_removed로 다소 높게 나타났고 이에 비해 잉여슬러지는 다소 낮은 0.36 m³-CH₄(STP)/kg-VS_removed를 보였다. 따라서 CEPT 슬러지는 잉여슬러지에 비해 혐기성소화를 통한 에너 지 생산에 유용한 자원으로 판단되었다. 선행연구에 따르면 CEPT 슬러지는 중온조건에서 메탄잠재력이 0.69 m³-CH₄/ kg-VS_removed로 나타났는데, 이는 본 연구에서 평가된 수치와 유사하다(^{Jang et al., 2017}). 그러나, 이 선행연구는 CEPT 슬 러지의 성상이 다소 다를 수 있고, Substrate:Inoculum 비율 이 VS 기준으로 1:2로 실험이 되어졌다는 점에서 본 연구와 직접적으로 비교하기에 한계가 있다.

CEPT 공정에 응집제로 사용되는 철은 메탄균의 성장에 도움을 주고, 바이오가스 생산량증가 시키는 것으로 보고되 었다(^{Ünal, 2012}). 반면 알루미늄은 1000 mg/L의 농도에서 아세트산 생성균과 메탄 생성균의 활동에 영향을 미치는 것 으로 알려져 있으나, 수소기반(Hydrogenotrophic) 메탄생성 균에 대한 억제는 시간이 지남에 따라 감소하여 미생물 적응 의 가능성이 충분히 있는 것으로 알려져 있다(^{Carbirol et al., 2003}). 따라서, 적용되는 CEPT 응집제가 혐기성 소화에 주 는 영향에 대한 면밀한 연구가 필요하다.

3.3. Effect of Salinity

일반적으로 우점하는 메탄생성 고세균은 Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales 등 으로 보고되고 있다(^{Shin et al., 2007}). 반면, 염도에 적응하 는 메탄생성 고세균은 Denualiella tertiolectra 등으로 알려져 있고, 일반적으로 염도에 적응하는 고세균의 메탄생성 활성 은 담수형 고세균에 비하여 낮은 것으로 보고되고 있다 (^{Mottet et al., 2014}). 또한, 산생성 단계에서도 염도가 주요 한 악영향을 나타내는 것으로 보고되었다(^{Zhang et al., 2017}; ^{Zhao et al., 2017}). 본 연구에서 수집된 모든 CEPT 슬 러지와 잉여슬러지의 염도를 비교한 결과 각각 0.60±0.15% 와 0.07±0.01%를 나타내었다. 이와 같이 높은 염도를 보이는 CEPT 슬러지를 혐기성소화에 적용하기 위해서는 혐기성 소 화 미생물이 염도를 극복하고 안정적인 메탄생성 능력을 보 이는지 검증해야 한다. 이를 위하여, 2주간 주 1회씩 CEPT 슬러지를 새롭게 투여하는 SBR 방식으로 혐기성 소화를 시 행하였다. 이때 사용된 염도는 1주차에는 0.56%로 진행되었 고 2주차에는 0.75%로 진행되었다. 1주차 반응에서 7일 기 준 0.05 L-CH₄(STP)가 생성되었으나, 2주차에서는 동일 반 응기간에 0.04 L-CH₄(STP)가 생성되어 20% 가량 저감되었 다. 이러한 결과는 CEPT 슬러지의 다회 적용시에 서서히 미 생물 군집이 악영향을 받는 것을 의미한다. 이를 검증하기 위한 앞으로의 연구로서, CEPT 슬러지를 반복 적용하는 연 속형 혐기성 소화 반응기의 미생물 군집 동적변화를 분자생 물학적으로 분석할 필요가 있다.

염도 0.57%가 적용된 3주차 CEPT 혐기성소화 반응 시점 에서는 Fig. 3과 같이 장기간 혐기성 소화를 시행하여 신선 한 혐기성 소화 접종 미생물(염도 0.46% 적용)의 활성과 비 교하였다. 메탄생성은 신선한 혐기성 소화 접종원이 훨씬 빠 른 속도의 메탄 축적속도를 보였고, 최종 메탄발생량은 0.27 L-CH₄(STP)이었다. 이에 반해 CEPT에 반복 적용된 슬러지는 0.17 L-CH₄(STP)에 지나지 않았다. 이에 따라 메탄잠재력은 신선한 접종원이 0.55 m³-CH₄(STP)/kg-VS_removed로 높았으나, CEPT 3회 반복적용에 의해 0.28 m³-CH₄(STP)/ kg-VS_removed로 저감되었다. 이와 같이, CEPT 장기적용에 의한 활성저감이 명확히 나타났는데, 이를 극복하기 위해 효과적인 염도 적응 대책이 필요한 것으로 판단된다. Table 4.

Fig. 3. Cumulative methane production from CEPT sludge in a continuous SBR reactor using anaerobic digestion inoculum adapted to the CEPT sludge.

주의해야 할 바는, 본 연구에서 사용한 CEPT 슬러지의 다 소 높은 염도는 해안에 위치한 A 하수처리장의 특성이므로 염도영향을 일반화해서는 안된다는 것이다. 하수원수의 염도 는 0.91%에 달하며(Table 2), CEPT 슬러지의 염도는 0.60±0.15%로 나타났다. 이에 대한 대조군으로서, 염도가 낮 은 CEPT 슬러지를 이용하여 혐기성소화 공정을 장기운영하 여 본 연구의 결과와 상호 비교가 되어야 할 것이다.

염도의 악영향을 재검증하기 위하여, 잉여슬러지 일반염도 조건 0.20%와 NaCl로 염도를 조정한 0.70% 조건에서 메탄 잠재력을 비교하였다(Fig. 4, Table 5). NaCl을 첨가한 0.70% 의 조건에서는 최종 메탄 생성량은 0.03 L-CH₄(STP)로 일반 조건에서의 0.28 L-CH₄(STP) 보다 89.28% 낮아졌다. 또한, 염 에 의한 저해로 메탄잠재력이 0.42 m³-CH₄(STP)/kg-VS_removed에 서 0.17 m³-CH₄(STP)/kg-VS_removed로 매우 낮게 나타났다. 이 로서, 혐기성 소화 미생물은 염도에 의해 큰 악영향을 받는 다는 것을 알 수 있었다. 기존 보고에 의하면 염도 악영향은 장기운영과 미생물 순응츨 통해 극복 가능하다는 것이 보고 되어 있고, HRT, 산도, 보조 기질 투여 등을 통해 악영향을 완화할 수 있으므로 A 하수처리장 CEPT 슬러지의 혐기성 소화 적용을 위한 보다 면밀한 연구방법론이 적용될 필요가 있다(^{Feijoo et al., 1995}).

Fig. 4. Change in methane production from excessive sludge by elevated salinity.

3.4. Estimation of methane potential for co-digestion using excessive and CEPT sludges

CEPT 슬러지의 염도 악영향은 잉여슬러지 혼합에 의하여 완화될 수 있다. 본 연구에서는 CEPT 슬러지와 잉여슬러지 를 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100으로 조정하여 메탄잠재 력을 평가하였다. Table 6과 같이 최종 메탄 발생량은 CEPT 슬러지 함량이 100%일 때 0.47 m³-CH₄(STP)로 가장 높게 나타났다. 그러나, CEPT 슬러지의 함량이 낮아질수록 각각 0.42, 0.23, 0.20, 0.19 L-CH₄(STP)로 낮아졌다. 이는 CEPT 에 포함된 생분해가 쉬운 성분의 증가에 의해 메탄잠재력이 증가한 것으로 사료된다. 상대적 메탄잠재력으로 평가하였을 때에, CEPT 함량이 50%보다 낮아졌을 때에 메탄잠재력이 급격히 감소하였다(Fig. 5). 따라서, 병합소화의 적절한 CEPT의 혼합비율은 약 75%로 판단된다. CEPT 슬러지를 반 복 적용한 Fig. 3의 결과에서와 같이, CEPT와 잉여슬러지의 병합소화를 SBR로 반복 적용할 때에 염도에 따른 저해현상 이 더욱 심해질 수 있다. CEPT 슬러지와 잉여슬러지의 혼합 비율 100:0에서부터 0:100까지 적용된 염도는 각각 0.44, 0.41, 0.34, 0.28, 0.19%이다. 75:25의 염도 0.41%는 혐기성 소화에 현저한 악영향을 줄 수 있으므로, 각 CEPT 함량에 대하여 반복된 SBR을 실험을 수행하여, 최적의 메탄 발생량 과 메탄잠재력이 발굴되어야 할 것이다.

Fig. 5. Change in methane production according to the mixing ratios of CEPT and excessive sludges.

CEPT 슬러지의 생산량이 별도의 혐기성 소화 반응조를 건설하기에는 부족할 때에, CEPT 슬러지를 기존의 혐기성소 화 반응조에 투여하여 병합소화를 시행하는 것이 적절하다 고 판단된다. 이러한 접근을 통해 CEPT 슬러지의 건조 및 폐기 비용을 절감할 수 있으며, 하수처리장의 에너지 생산량 도 증진시킬 수 있다. 다만, 혐기성 소화 처리 시 CEPT 슬러 지의 이송이 필요하다면 경제성이 낮아진다. 100%의 CEPT 슬러지를 이용한 혐기성 소화가 최고의 메탄잠재력을 나타 내는 것을 감안한다면, CEPT 공법을 이용하고 있는 소형/중 형 하수처리장에서 별도의 소형 혐기성 소화 반응기를 구축 하는 방안에 대하여 비용경제성 분석을 시행할 수 있다 (^{Diamantis et al., 2013}).