생활수준 향상과 인구 증가 등으로 인해 유기성폐기물(하수슬러지, 음식물류폐기물)은 매년 증가하고 있으며, 이들 대부분은 매립 또는 퇴비·사료화로 대부분 처리되고 있는 실정이다. 이들 처리방법이 에너지를 소비하여 안정화시키는 방법이기 때문에폐기물을 처리함과 동시에 에너지원을 생산할 수 있는 혐기성소화가 그 대안으로서 다양한 방면에서 연가 되고 있다.그중에서도 특히 혐기성 산발효는 기존 혐기성 소화와 달리 짧은 체류시간으로 많은 양의 유기성폐기물을 처리할 수 있으며 유기산 생산을 통해 하수고도처리 공정의 외부탄소원으로 사용되거나 석유화학 제품의 원료로 사용이 가능하다는 장점이 있다.
따라서 본 연구에서는 유기성폐기물을 이용한 혐기성 산발효 공정에서의 전/후처리 영향을 비교하고자 하였다. 다양한 전/후처리 방법 중 경제성과 편의성을 고려하여 열처리(120oC, 30분) 방법을 적용하였고, 하수슬러지/음식물류폐기물 단독 및 혼합 연속 산발효를 통해 총 유기산 회수율과 구성비를 파악하였다.
하수슬러지(SS) 전/후처리 연속 산발효 실험은 HRT를 4, 3, 2일로 조절하여 진행하였다. HRT 3일에서 전/후처리는 안정적인 유기산 생산을 보였고, 이 때 유기산 회수율은 전처리와 후처리에서 각각 0.05∼0.08, 0.10∼0.13 g/g VS로 후처리가 유기산 생산에 있어 전처리보다 적합한 것으로 나타났다. 전/후처리에서 유기산 구성은 주로 아세트산(HAc), 프로피온산(HPr), 부티르산(HBu)으로 나타났고, 전처리의 경우에는 HAc, HPr, HBu가 14.7, 68.8, 16.5%로, 후처리의 경우에는 각각 53.4, 23.9, 22.7%로 상이한 결과를 보였다. 전처리와 후처리의 pH는 각각 7.6, 6.6으로 나타났고, 이는 메탄생성균의 활성도에 저해를 주는데 후처리가 전처리보다 효과적인 것으로 사료된다.
음식물류폐기물(FW) 전/후처리 연속 산발효 실험에서 pH를 6.0으로 조절한 경우에는 전/후처리에 따른 총 유기산 생산량은 0.41∼0.43 g/g VS로 큰 차이가 없었지만, 유기산의 구성비에서는 변화가 관찰되었다. 유기산은 유산(HLa), 포름산(HFo), HAc, HPr, HBu, 발레르산(HVa)으로 구성되었는데, control의 경우에는 순서대로 각각 16.3, 0.4, 26.1, 28.5, 26.0, 2.7%로 나타났고, 전처리의 경우에는 3.8, 0.4, 23.8, 38.0, 26.4, 7.6%, 후처리의 경우에는 5.5, 0.6, 26.6, 26.4, 39.8, 1.2%로 상이하게 나타났다. pH 5.0으로 조절하였을 때는 HLa와 HAc가 감소하며 HBu와 수소가 증가하는 경향이 반복적으로 나타나며 산발효가 안정화되지 않았는데, 이는 HLa와 HAc를 이용하여 HBu과 수소를 생산하는 Megasphaera sp. 에 의한 영향으로 사료된다. 또한, 내부 flux의 흐름을 Flux balance analysis (FBA)를 수행하여 분석한 결과 내부에서 생산된 수소는 0.8∼1.1 mol H2/mol hexoseadded 였지만 수소와 이산화탄소를 이용하여 HAc을 만드는 Homoacetogen 반응으로 인해 실제로는 0.1∼0.2 mol H2/mol hexoseadded로 감소하였다.
하수슬러지와 음식물류폐기물의 전/후처리 연속 혼합 산발효에서는 혼합비율을 다르게 하여 실험을 진행하였는데, SS:FW=90:10, 75:25에서 전/후처리에 따른 유기산 회수율과 구성비에는 차이가 없었다. 90:10과 75:25의 혼합비율에서 유기산 회수율은 전/후처리에 관계없이 각각 0.09, 0.10 g/g VS로 나타났고, 유기산 구성비는 HAc과 HPr이 각각 45.9∼48.8, 35.1∼37.6%로 생산된 전체 유기산의 83%이상을 차지하였다. 하지만 50:50의 혼합비율에서 전/후처리에 따라 유기산 회수율과 구성비는 다르게 나타났다. 전처리와 후처리의 유기산 회수율은 각각 0.18, 0.15 g/g VS였고, 유기산 구성비는 HLa, HAc, HPr, HBu, HVa가 전체 유기산에서 각각 1.5, 10.7, 7.5, 56.3, 24.0%를 차지한 반면, 후처리의 경우에는 각각 1.5, 20.1, 9.9, 54.5, 14.4%로 상이하게 나타났다. 전/후처리에서 이러한 차이가 발생한 원인은 음식물류폐기물의 혼합비율이 증가하면서 pH 이외에 다양한 반응들이 복합적으로 일어났기 때문으로 사료된다. 또한, 전/후처리에 따른 산발효액의 유변학적 특성을 분석한 결과, 전처리의 점도 특성이 후처리보다 낮게 나타나 교반 및 펌핑에 필요한 에너지가 적게 소모되는 것으로 조사되었다.

With the increase in population and living standards, the safe disposal of organic wastes (sewage sludge, food waste) become mandatory. Among various strategies for managing theses organic wastes, anaerobic digestion (AD) is considered as a very promising eco-friendly strategy that can reduce waste volume while recovering energy. However, AD of sludge requires long hydraulic retention time (HRT) and has limited digestion efficiency. To tackle this issue, various types of pre-treatments applied, but its efficiency and economic feasibility are still questioned. On the other hand, acid fermentation could be another option. It requires very short HRT, and the fermented broth can be further used as an external carbon source in the processes of biological nutrients removal. Also, this broth can be used as a raw material for petrochemical industry.
In this study, we investigated the potential for total organic acids production and composition ratios, harvested from the sole continuous acid fermentation for sewage sludge (SS) or food waste (FW), beside duel fermentation for SS and FW. In addition, the pre- and post-treatment continuous acid fermentation of SS were carried out at various HRTs (4, 3, and 2 days). As a pre- and post-treatment method, heat-treatment at 120oC for 30 min was applied. The organic acid production yield was 0.05∼0.08 and 0.10∼0.13 g/g VS in the pre- and post-treatment, respectively. Basically, for both of pre-/post-treatment, the organic acids produced were mainly acetic acid (HAc), propionic acid (HPr) and butyric acid (HBu). The pH values reached 7.55 and 6.60 in pre- and post-treatment, respectively. Interestingly, post- treatment was more effective for inhibiting methanogens than pre-treatment.
Pre- and post-treatment continuous acid fermentation experiments using FW were conducted at pH of 6.0 and 5.0, along with uncontrolled pH experiment. Results referred to that when the pH was adjusted to 6.0, total organic acid production by pre-/post-treatment was not significantly different from 0.41∼0.43 g/g VS. However, a clear difference in the composition was noticed depending on the process type. Organic acids were analyzed in a variety of lactic acid (HLa), formic acid (HFo), HAc, HPr, HBu, and valeric acid (HVa). Intriguingly, it was found that when pH was adjusted to 5, HLa and HAc decreased, while HBu and hydrogen tended to increase reciprocally. Both of total organic acid production and organic acid composition ratio were not stabilized, which is thought to be caused by Megasphaera species. In addition, flux balance analysis (FBA) was performed to study the flow of flux.
Experiments were carried out at different mixing ratios in continuous mixed acid fermentation of SS and FW. Ratios of SS:FW were 90:10, 75:25 and 50:50. No significant difference in the total organic acid production and composition ratio of the organic acid was found between the pre- and post-treatment. Whereas, the organic acid production at the mixing ratios of 90:10 and 75:25 were 0.09 and 0.10 g/g VS, respectively. Composition ratios of HAc and HPr were 45.9∼48.8 and 35.1∼37.6%, respectively. On the other hand, in the 50:50 mixture ratio, the organic acid production and composition ratio were different in the pre- and post-treatment condition. This might be caused by the different metabolites formed in each case. In addition, a detailed interpretation for the fluid properties of the resultant broth was provided based on analyzing rheological properties, which were found to be correlated to the type of the treatment.