혐기성 소화의 개요와 원리

혐기성 소화는 절대 혐기성 조건에서 박테리아에 의해 유기물질이 발효되는 과정으로 20세기 초반부터 하수슬러지 안정화를 위한 방법으로 널리 사용되어 왔다. 이 과정에 의해 슬러지의 무해화, 탈수능력 향상 및 메탄이나 이산화탄소를 주성분으로 하는 biogas의 에너지 부산물을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 슬러지의 부피를 감량함으로써 처분이 용이하고 많은 병원성 미생물을 사멸시킴으로써 토양 개량제나 복토제로 사용가능한 안정한 슬러지를 얻을 수 있다. 슬러지 매립 시 병원균의 수준, 휘발성 고형물 함량 및 중금속 농도 등이 중요한 고려 대상이 된다.

혐기성 소화의 장점

슬러지 안정화를 위한 다른 방법과 비교하여 혐기성 소화의 주요 장점은 다음과 같다.

• Biogas 발생 : 혐기성 소화 과정은 소화조 가온이나 교반 등에 소모되는 에너지보다 biogas로 발생되는 에너지가 많기 때문에 잉여에너지를 전력을 생산하거나 가온 등에 사용할 수 있다.
• 슬러지 부피 감소 : 소화 과정에서 슬러지 고형물의 약 25~50%가 파괴되어 결국 슬러지 처분비용을 줄일 수 있다.
• 안정화 : 혐기성 소화의 최종산물은 냄새가 거의 없는 무해한 슬러지로 부패 없이 저장가능하고, 유기물뿐만 아니라 질소, 인 성분을 함유하고 있어 토양을 비옥하게 할 수 있다.
• 위생화(hygienisation) : 혐기성 소화 과정에서 대다수의 병원균이 활성을 잃게 되어 위생적으로 안전해진다.

혐기성 소화의 단점

혐기성 소화의 주요 단점은 다음과 같다.

• 상대적으로 높은 비용 : 밀폐형의 큰 반응조, 슬러지 주입과 반송을 위한 펌프, 열 교환기 및 gas 교반용 압축기(compressor)가 필요하다.
• 긴 체류시간 : 메탄형성 박테리아가 성장하고 유지되기 위해서는 10일 이상의 긴 체류시간이 필요하다.
• 고종도의 상징수 : 혐기성 슬러지의 농축과 탈수에서 발생하는 상징수는 부유물질, 입자성 유기물, 질소, 인 성분 등이 포함되어 있다. 이러한 상징수를 하수처리시스템으로 반송할 경우 고형물, 산소 요구량 및 영양소 부하를 증가시킬 수 있다.

혐기성 소화의 원리

혐기성 소화는 산소가 없는 절대혐기성 조건에서 유기물이 박테리아에 의해 순차적으로 분해되는 과정으로 메탄과 이산화탄소를 주성분으로 하는 biogas가 발생되고 수소, 황화수소 및 무해한 biosolids가 일부 생성된다.

유기물의 혐기성 분해는 서로 다른 세 가지의 박테리아 군집에 의해 연속적으로 일어나는 과정이다. 첫 번째는 산생성 박테리아(acid former)로도 일컫는 fermentative 박테리아 군집으로 고분자 유기물을 저분자의 용해성 물질로 가수분해 시키는 역할을 한다. 이러한 가수분해의 첫 단계는 체외효소에 의한 가수분해로써 설탕, 단백질 및 지질이 각각 탄수화물, 아미노산 및 지방산으로 분해되는 기질 용해가 일어난다. 또한 용존 유기물은 가수분해되어 최종생성물로 포르메이트(formate), 아세테이트(acetate), 프로피오네이트(propionate), 부틸레이트(butyrate), 락테이트(lactate), 썩시네이트(succinate), 에탄올(ethanol), 이산화탄소 및 수소가스가 생성된다.

두 번째 박테리아 군집은 acetogenic으로써 첫 번째 가수분해 단계의 결과로 생성된 물질을 아세테이트(acetate), 이산화탄소 및 수소로 분해시킨다. 메탄형성 박테리아(methanogens)로 알려진 세 번째 박테리아 군집은 중간생성물을 메탄과 이산화탄소의 최종생성물로 분해시킨다. 메탄형성 박테리아는 두 개의 경로를 통해 메탄을 생성한다. 하수슬러지 소화에 의해 발생되는 메탄의 약 70%는 아세테이트의 분해에 의한 것이고 나머지는 수소와 이산화탄소의 이용에 의한 것이다. 전체 혐기성 소화과정에서 보면 두 번째 경로가 중요한데 이것은 수소를 제거하여 아세테이트의 생성에 필요한 낮은 수소분압을 유지하도록 하는 역할을 담당하기 때문이다.