정수슬러지의 발효/고화처리에 의한 Biosoil Lysimeter 평가에 있어서 CO₂및 VFA의 변화 = Change of CO₂and VFA in the Lysimeter evaluation of municipal solid waste with the Biosoil from the fermentation/solidification process of sewage sludge

국문 초록 (Abstract)

정수 및 하수슬러지의 발생량이 증가함에 따라 이에 대한 처리문제가 대두되고 있다. 슬러지의 처리·처분 시스템은 매립, 해양투기를 포함하여 탈수, 소각, 안정화, 탄화 및 재활용 등의 방안이 있다. 현재 슬러지는 매립이 금지되어 대부분 해양투기 되고 있는데, 이 경우에도 앞으로 해양오염 문제로 인해 금지될 예정이다. 슬러지는 소각처리하기도 하며, 일부 매립되기도 하지만, 환경보전과 폐기물의 재활용도를 높일 수 있도록 슬러지의 개발에 의한 폐기물 매립지 복토재 및 다른 제품으로서 재이용 방안 연구가 필요한 실정이다.
생활폐기물 매립장에 있어서 폐기물 중에 함유된 유기물은 미생물에 의해 분해되는 과정에서 여러 가지 가스가 생성한다. 이 분해과정은 호기성분해와 혐기성 분해로 나눌 수 있는데 매립지 내에서 주로 혐기성 분해를 하게 된다. 분해 과정에서 발생하는 가스는 CH₄, CO₂, N₂와 황화수소, 암모니아가스 등 악취성분이 발생한다. 혐기성 분해반응의 기질에 따른 대사경로는 가수분해단계, 유기산 생성단계 및 메탄생성단계로 구성되는 것으로 알려져 있다.
혐기성 분해반응의 첫 단계인 가수분해단계는 단백질, 셀룰로오스와 같은 복합 유기물이 여러 미생물로부터 분비되는 효소에 의해 수용성 단량체로 가수분해 되는 단계이다. 두 번째 단계는 산생성균이 가수분해균에 의해 생성된 당, 아미노산, 지방산 등이 유기산, 알코올, 아세트산, CO₂, H₂등으로 분해된다. 그 다음 단계는 아세트산 생성단계이며, 아세트산 생성세균은 프로피온산 등과 같은 짧은 사슬 지방산과 알코올을 메탄생성균의 기질로 사용되는 아세트산, CO₂와 H₂로 전환한다. 2~3단계에서 CO₂가 증가하게 되며 최대 가스 함유량이 70% 정도 차지하게 되는 것으로 알려져 있다. 마지막 단계는 메탄가스가 생성되는 단계로 CO₂가 점차 감소하게 되며 메탄농도는 높아지게 된다. 매립 후 시간이 경과하면 가스 생성량과 조성이 일정하게 유지되는 정상상태로 되어 CH₄의 조성이 50~70%, CO₂의 조성은 30~50%로 된다.
따라서 본 연구에서는 정수슬러지의 재활용 방안으로서 Lysimeter 실험을 실시하여, 정수슬러지 Biosoil을 복토재화 하였을 경우를 일반 복토재인 흙, 하수슬러지 Biosoil과 비교하여 복토재 가능성을 검토하고자 하였으며, 생활폐기물 혐기성 소화에 따른 CO₂ 및 VFA의 변화에 대해 실험 고찰하였다.
가스발생량과 가스 성상 및 침출수를 분석조사 하였으며, 상호관련성에 대해 실험 고찰하였다. 각 시료를 대상으로 기초성상 분석결과, 일반토양은 약산성을 나타내었으나, 정수Biosoil,·하수Biosoil는 약알칼리성을 나타내었다.
Lysimeter 실험에 있어서 초기에는 침하속도에 큰 차이를 보였으나, 시간이 지나면서 각 시료들이 거의 근소한 차이를 보였다.
가스발생량 측정결과, 초기에 높은 CO₂함유량을 보였으며, 시간이 지남에 따라 CO₂농도가 줄고 CH₄의 함유량이 증가하는 것을 알 수 있었다.
특이한 점은 CO₂가 보통의 Lysimeter 실험 보다 높게 나왔다는 것이며, 유기산을 측정해 본 결과 유기산의 높은 농도의 영향이라고 사료된다.
초기의 BOD, COD 농도는 일반흙과 하수Biosoil에 비해 높은 값을 보였으며, 그리고 후에는 큰 차이를 보이지 않았다. 총인, 총질소, 암모니아성 질소 등의 측정결과 초기 농도에 비해 현저히 줄어든 것을 확인 할 수 있었으며, 구매립지의 범위에 속하는 것으로 알 수 있었다.
더 깊은 연구가 수행된다면 정수Biosoil를 일반흙 대신 복토재로 사용하였을 경우, 우수한 복토재로서의 역할을 할 것이며, 정수슬러지 처리·처분의 효율성을 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The sludge produced from water and sewage treatment plants has been continuously increased with the construction and extension of treatment plants. The disposal and treatment methods were mainly landfill, but recently landfill of sludge was prohibited due to leachate and gas problems. Now most of sludge produced has been treated with ocean disposal method. Near future this ocean disposal also expected to be prohibited which can cause second pollution, ocean pollution problems. As an alternative method, the recycling techniques of sludge should be urgently developed instead of landfill, ocean disposal and incineration methods.
In this research in order to recycle the water sludge, as the landfill covering material, Biosoil was developed and the evaluation of Biosoil was conducted. The Biosoil was pretreated by fermentation and stabilization process to reduce the malodorous compounds and organic composition. The improvement of sludge quality through this processes could use the sewage sludge as landfill covering material in municipal solid waste landfill site in which covering soil supplied was insufficient.
The organic matter of solid waste in the landfill site decomposed by the microbe and the landfill gas, LFG produced from the process. This decomposition process comes to share with aerobic decomposition and anaerobic decomposition, it does anaerobic decomposition mainly from inside landfill. The gas produced from decomposition process are CH₄, CO₂, N₂ and H₂S, the ammonia gas and offensive odor elements occurs.
The metabolism in the substrate of anaerobic decomposition reaction has become known that it will be composed of a hydrolysis, an organic acid phase and methane phase. The hydrolysis phase which is the first phase the protein and the cellulose like that composition organic matter from the microbe of multi type by the enzyme which is secreted is hydrolyzed with the water soluble monomer. The second phase is the phase which the germ which it hydrolyze where the germ which creates the acid by the sugar, amino acid, fatty acid comes to be decomposed to the organic acid, alcohol, acetic acid, CO₂, H₂ etc. Last phase is acetic acid phase. The germ which creates the acetic acid converts acetic acid to CO₂ and H₂ which the substrate of the methane germ creation phase is used the minor chain fatty acid and alcohol.
The CO₂ increases from second, third phase, it has been known the maximum CO₂ quantity approximately 70% degree. The methane gas creates from the last stage, CO₂ diminishes gradually and the methane concentration comes to be high. After reclaiming the time passes, the gas creation quantity and the composition are uniform and it becomes the stationary state which is maintained, the composition of CH₄ becomes 50~70%, the composition of CO₂ 30~50%.
The research as recycling plan of the Biosoil Lysimeter test. Using the Biosoil from water treatment sludge as covering material, it compares the general soil and sewage sludge-Biosoil and it investigates the possibility with the covering activity, it investigated the change of the CO₂ and the VFA which follows in anaerobic digesting of the water sludge. It analyzed the exudation water characteristic of the gas quantity which occurs and the gas, and against it relation test investigated.
The result which analyzes at fundamental element of each sample, the pH of the general soil it was weak acidity, but the pH of the essence sludge-Biosoil and sewage-Biosoil was weak alkalinity. Initial sinkage speed it was visible the difference whose each samples are big, but the hour passed gradually and the difference was not almost visible. The result which measured the gas which occurs, the CO₂ quantity was high to initially, the time passed to follow and the CO₂ quantity decreased and the CH₄ quantity increased. The appearance which is unique was that the CO₂ concentration was shown very high compared with other usual anaerobic experimental results. It was thought the result was from organic acid which measures the organic acid effect of high concentration.
The initial BOD and COD consistency of the essence water-Biosoil compared in the general soil and sewage-Biosoil they appeared highly and to after it was not visible a large difference. The result which measures T-N, T-P and NH₃-N it was more remarkable initial consistency than and it will be able to confirm that it decreases.
If the deep research was accomplished, the case where the essence Biosoil will be used with the effective and excellent, it is expected with the fact that it will be able to augment the efficient characteristic of the disposal against the essence sludge.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• 요약 = ⅲ
• 표목차 = ⅴ
• 그림목차 = ⅵ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구의 필요성 = 1
• 2. 이론적 배경 = 5
• Ⅱ. 실험재료 및 실험방법 = 22
• 1. 실험 재료 = 22
• 2. 실험 항목 = 22
• 3. 일반 복토 흙, 하수 Biosoil, 정수 Biosoil 실험방법 = 23
• 4. Lysimeter 설계제작 = 25
• Ⅲ. 실험결과 및 고찰 = 31
• 1. 생활 쓰레기 성분 분석 결과 = 31
• 2. 일반토양, 하수 Biosoil, 정수 Biosoil 기초 성상분석결과 = 32
• 3. 일반토양과 하수 Biosoil, 정수 Biosoil의 침하량 측정 결과 = 33
• 4. 일반토양과 정수Biosoil, 하수Biosoil의 온도 측정 결과 = 35
• 5. Lysimeter 발생가스 측정 결과 = 36
• 6. Lysimeter의 침출수 발생량 및 농도 측정 결과 = 39
• Ⅳ. 결론 = 50
• 참고문헌 = 52
• ABSTRACT = 55