국내 하수슬러지의 처리는 문제점으로 대두되었다. 우리나라에서 하수슬러지의 처리방법 중 혐기성 소화가 촉망받는 기술로 여겨진다. 하지만 혐기성 소화에서 부산물로 생기는 황화수소는 낮은 농도에서도 파이프라인, 가스 실린더 등의 부식을 야기할 수 있으며, 혐기성 소화 시스템의 성능 저하와 작동 장애로 이어질 수 있다. 또한 인은 모든 생명에 필수적인 영양소이지만, 혐기성 소화 후 배출되는 인은 부영양화의 원인이 될 수 있는 문제점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 하수슬러지의 혐기성 소화 시 철을 투입하여 황화수소 저감과 동시에 인의 제거에 관해 연구하였다.
생화학적 메탄 발생 잠재량(biochemical methane potential, BMP) 실험에서는 철의 투입량에 따른 영향을 알아보기 위해 형태와 농도를 다르게 하여 반응을 진행하였다. 반연속식 혐기소화 시에는 수리학적 체류시간(hydraulic retention time, HRT)(10-20일)을 다르게 하여 실험을 진행하였으며 HRT 별로 차세대 염기서열 분석을 통해 미생물의 유전 코드를 읽음으로서 미생물 군집 파악하였다. 두 실험 모두 중온에서 진행을 하였다.
BMP 실험 후 황화수소 저감효율은 철을 투입하지 않은 반응기(Control)와 비교하여 철 분말을 투입한 반응기에서 93-99%였다. 인산염 인(PO4-P)의 제거효율은 FeCl2 형태에서 61.6-98.4%이며 분말 형태에서 86.1-96.1%였다. 철 분말과 FeCl2를 주입하면 혐기성 소화에서 황화수소 저감과 동시에 인의 제거에 효과가 있는 것을 확인하였다. 바이오가스 수율은 Control과 비교하여 철 분말로 넣은 반응기는 ±2.7% 차이를 보였다. FeCl2 형태로 1-2 g/L 주입 하였을 때 24.4-66.7% 감소하여 FeCl2를 1 g/L 이상 주입 시 혐기성 소화에 저해가 일어나는 것을 확인하였다. 메탄 함량은 철 분말 형태 57.8-63.9% 범위로 Control(57.1%) 대비 1.2-12.0% 증가하였지만 FeCl2 형태 50.5-56.4% 범위로 Control 대비 1.2-11.6% 감소하였다.
반연속식 혐기소화 실험 결과 모든 HRT에서 철을 주입하지 않은 소화조(Control)와 비교하여 철을 주입한 경우(IR) 황화수소 발생량이 98.4%이상을 감소하였다. 특히, IR의 HRT 10일에서는 황화수소의 농도는 측정되지 않았다. PO4-P의 농도는 Control에서 HRT가 줄어들수록 PO4-P 농도는 증가하였다. IR에서 PO4-P 제거효율은 모든 HRT에서 64.2-71.8%였다. BMP 실험과 마찬가지로 철을 투입하면 황화수소 저감과 동시에 인을 제거 할 수 있었다. HRT 20일과 15일의 경우 바이오가스발생량은 차이가 없었지만, HRT 10일에서 저해를 확인할 수 있었다. 메탄함량은 모든 HRT에서 철을 넣은 반응기가 Control과 비교하여 4.3-13.4% 증가하였다. 두 반응조에서 우위에 있는 미생물은 박테리아의 경우 Bacteroidetes, Proteobacteria, Firmicutes였고 고세균(genus)의 경우 Methanothrix, Methanospirillum으로 나타났다. 본 연구에서 Firmicutes는 HRT가 짧아질수록 비율이 증가하는 모습을 보였고 Proteobacteria는 IR보다 Control에서 상대적으로 높은 비율이었다. Methanoregulaceae는 HRT가 짧아질수록 Control에서는 차이가 없었지만 IR에서는 증가하였다. Methanosarcina는 매우 적었으며 Methanothrix는 HRT가 짧아질수록 감소하였다.

The treatment of domestic sewage sludge has become a problem. The treatment methods of sewage sludge in Korea, anaerobic digestion is considered a promising technology. However, hydrogen sulfide produced by anaerobic digestion. It causes corrosion of pipelines, gas cylinders, etc. Even though low concentrations and can lead to poor performance and operational failure of anaerobic digestion system. In addition, phosphorus is an essential nutrient for all life, but phosphorus released after anaerobic digestion can cause eutrophication. Therefore, in this study, iron was injected during anaerobic digestion of sewage sludge to reduce hydrogen sulfide and remove phosphorus at the same time.
In the biochemical methane potential (BMP) test, the reaction was conducted with different shapes and concentrations to see the effect of iron input. During semi-continuous anaerobic digestion, the experiment was conducted with different hydraulic retention time (HRT) (10-20 days), and the genetic community of microorganisms was identified by reading the genetic code of microorganisms through next-generation sequencing analysis for each HRT. Both experiments were conducted at mesophilic digestion.
After the BMP experiment, the hydrogen sulfide reduction efficiency was 93-99% in the reactors with iron powder reactor compared to those with non-iron reactors(Control). Phosphate(PO4-P) showed removal efficiency of 61.6-98.4% in FeCl2 and 86.1-96.1% in iron powder. Injecting iron powder and FeCl2 has been confirmed to be effective in reducing hydrogen sulfide in anaerobic digestion and removing phosphorus.
Semi-continuous anaerobic digestion experiments confirmed the reduction of hydrogen sulfide when iron was injected compared to Control at all HRTs. Especially, the concentration of hydrogen sulfide was not measured at HRT 10 injected with iron. The concentration of PO4-P increased as the HRT decreased both Control and IR. When iron was injected, the removal efficiency was 64.2-71.8% at all HRTs. As with BMP experiments, iron injection was able to reduce hydrogen sulfide and remove phosphorus at the same time. Although there was no difference in the amount of biogas produced on the HRT 20 and HRT 15, the hazard was identified on HRT 10. Methane content increased 4.3-13.4% in all HRTs compared to control by IR. The superior microorganisms in the two reactors were Bacteroidates, Proteobacteria, and Firmics for bacteria and Methanothrix and Methanospirillum for archaea. In this study, Firmicutes showed increased shorter HRTs, and Proteobacteria was relatively higher in Control than in IR.