혐기소화는 산소가 없는 조건하에서 유기물이 혐기성 미생물에 의해 분해되어 CH₄, CO₂ 및 Trace gas로 전환되는 과정을 말한다. 밀폐가 요구되는 공정 특성상 악취제어에 용이하고 소화중 발생하는 바이오가스는 대체에너지원으로, 소화 잔존물은 퇴·액비로 활용이 가능한 장점이 있다 (Appels et al., 2011; Schafer et al., 2006).
고상혐기소화는 처리 원료의 TS 함량이 15% 이상으로 습식혐기소화에 비해 단위 용적대비 보다 많은 유기물을 처리 할 수 있으며, 바이오가스 발생효율이 높은 장점이 있다. 그러나 유기물 부하량이 높아 Start-up 시기가 길고, 암모니아 및 중금속과 같은 혐기소화 저해인자 집적에 의한 안정성 문제가 발생할 가능성이 있다 (Mudhoo and Kumar, 2013). 따라서 본 연구는 위에서 언급한 문제를 개선하기 위해 교반 및 침출수 교환을 실시하였으며 바이오가스 생산효율, 유기물 분해율 및 혐기소화 안정성을 바탕으로 젖소분뇨 및 톱밥깔짚 혼합물 고상혐기소화 시 교반 및 침출수 교환이 미치는 영향을 규명하고 적절한 고상혐기소화 전략을 제시하기 위해 수행되었다.
교반이 미치는 영향을 평가하기 위해 처리구를 무교반과 교반(3일/1회/1분, 3RPM)으로 구분해 혐기소화조를 45일동안 운전한 결과 무교반 조건의 누적 메탄발생량은 73.1N·mL/g-VS로 교반 처리구(56.3 N·mL/g-VS) 보다 약 1.3배 높은 값을 보였으나 통계적으로 유의적인 차이를 보이지 않았다 (p>0.05). 생분해 가능한 휘발성고형물(BVS) 분해율은 무교반이 67%로 교반 처리구(52%)에 비해 약 28% 개선된 결과를 보였다.
pH, ammonia, alkalinity, VFA 등을 바탕으로 젖소분뇨와 톱밥깔짚 혼합물 고상혐기소화의 안정성을 평가한 결과 교반 및 무교반 조건 모두 우려될만한 혐기소화 저해현상은 관찰되지 않았다. 따라서 교반에 들어가는 부대비용과 연구결과를 고려할 경우 젖소분뇨 및 톱밥깔짚 혼합물 고상혐기소화 전략으로는 무교반이 적합한 것으로 판단된다.
고상혐기소화는 유기물 부하량이 높은 특성으로 인해 HRT가 습식혐기소화 대비 3배 이상 소요되며, 암모니아 및 중금속과 같은 혐기소화 저해인자 집적에 의해 안정성에 문제가 발생할 가능성이 있다. 이러한 문제를 해결하고 고상혐기소화 효율을 개선하고자 무교환, 3일, 9일을 주기로 침출수 교환을 수행하였으며, 바이오가스 발생효율 및 유기물 분해율, 혐기소화 안정성을 바탕으로 침출수 교환 및 침출수 교환 주기별 젖소분뇨 및 톱밥깔짚 혼합물 고상혐기소화 효율을 비교평가하였다.
바이오가스 발생량 평가결과 VS 1g당 9일 교환 56.5 N·mL, 무교환 56.3 N·mL, 3일 교환 36.0 N·mL의 메탄이 발생하였다. 무교환 및 9일 교환 처리구의 경우 3일 교환 처리구 대비 약 1.6배 가량 우수한 메탄발생량을 보였다 (p<0.05). 생분해 가능한 휘발성고형물(BVS) 분해율 평가결과 무교환, 9일 교환, 3일 교환 처리구 순으로 72.4%, 72.1%, 54.4%로 무교환 처리구가 가장 높은 유기물 분해율을 보였다 (p>0.05). 반면 3일 교환 처리구의 유기물 분해율은 무교환 및 9일 교환 처리구 대비 24% 가량 감소하였다 (p<0.05).
pH, ammonia, Alkalinity, VFA, TVFA/Alkalinity 비 등을 통한 안전성 평가결과 3일 교환 처리구를 제외한 모든 처리구에서 안정적인 혐기소화가 진행된 것으로 판단된다. 그러나 3일 주기 침출수 교환이 7회 이상 실시 될 경우 alkalinity농도에 영향을 미쳐 혐기소화 안정성에 문제가 발생할 가능성이 있는 것으로 사료된다.
이상의 연구결과를 종합하여 볼 때 젖소분뇨 및 톱밥깔짚 혼합물 고상혐기소화 시 추가적인 시설이나 운영비가 요구되지 않는 무교반, 무교환 조건이 가장 적합한 것으로 사료된다. 다만 혐기소화조 내부에 발생한 혐기소화 저해인자 제어 및 침출수 활용 측면에서 침출수 교환이 요구되는 경우 9일 주기 침출수 교환이 적합한 것으로 보이며, 배출된 침출수의 타 공정 연계 및 활용가능성은 추후 연구를 통해 규명되어야 할 것이다.

Anaerobic digestion (AD) is considered to be more eco-friendly, cost-effective odor control and renewable energy production process (biogas) than conventional waste treatment system.
Although Anaerobic digestion (AD) has variety commercial benefits in anaerobic digestion, it can treat only low solids concentration feedstock (<15%). However, Solid state anaerobic digestion (SS-AD) can handle high solids concentration feedstock (>15%). SS-AD is more effective to digest high solids organic matter with low cost, less water consumption, and various environmental benefits. However, SS-AD has drawback such as long hydraulic retention time (HRT) and inhibitor accumulation. Many researches were performed to improve SS-AD efficiency applying variety methods (Leachate replacement,Co-digestion, Mixing). but SS-AD process still needs further development.
Therefore this study is concentrating on Mixing and leachate replacement in order to improve SS-AD performance and to overcome the drawback. Two separated experiments were conducted to evaluate mixing and leachate replacement effect on SS-AD performance of dairy manure and sawdust bedding mixtures collected from bedded pack barn.
First experiment was conducted to evaluate influence of mixing on biogas production and organic material removal performance of SS-AD of dairy manure and sawdust bedding mixture using 22L volume lab-scale digesters. After 45 days of anaerobic digestion at 37°C, cumulative methane yield of unmixed test unit (73.1 N·mL/g-VS) was almost 1.3 times of that of mixed one (56.3 N·mL/g-VS). The biodegradable volatile solids removal rate of unmixed test unit was 67%, which was almost 28% greater than mixed one. Our results reveal that unmixed condition is better than mixed one in terms of biogas production and organic material reduction.
Second experiment was conducted to evaluate the effect of leachate replacement frequency on SS-AD of dairy manure using 22L volume lab-scale digesters at mesophilic temperature (37°C) in batch mode. Three different leachate replacement strategies (no replacement, once every three days, and once every nine days) were applied and three digesters per each treatment were operated for 45 days. Results showed that leachate replacement test unit every nine days resulted in 1.6 times more methane production (53.8 N·mL/g·vs) from SS-AD compared to test unit every three days (34.0 N·mL/g·vs). No leachate replacement strategy applied group showed slightly higher methane production (56.3 N·mL/g·vs) then every nine days replaced one. When added the methane production potential of replaced leachate itself to the methane produced from digester, leachate replacement every nine days resulted in quite similar methane production (56.5 N·mL/g·vs) to no leachate replacement group. Even though methane production potential of replaced leachate itself added to the methane produced from digester, every three days replacement showed only 34 N·mL methane production per gram of volatile solids. These results suggest that farmers don’t need to replace leachate during SS-AD of dairy manure and sawdust mixture in order to maximize methane production. If there are any concerns with accumulation of inhibiting substances in the digester, leachate replacement frequency needs to be decreased from three days to nine days.
Those experiments suggest that mixture of dairy manure and sawdust does not need to be mixed during anaerobic digestion. However, if leachate replacement needed to manage anaerobic digestion inhibition, every nine days replacement can be considered as an appropriate leachate replacement strategy.