인구 증가 및 도시화, 산업화에 따른 하·폐수의 증가는 하수슬러지 발생량 증가로 이어지며 이전의 육상 매립 및 해양 투기와 같은 처리 방법은 또 다른 환경오염을 발생시킨다. 그에 따른 효율적인 처리 방법이 필요하고 혐기성 소화는 산소가 없는 조건에서 유기성 폐기물을 미생물의 대사에 의한 생물학적 분해 과정을 통해 바이오가스로 전환하는 기술로 고농도 유기성 폐기물을 분해하는 과정에서 슬러지 부피 감량, 바이오가스 생산의 이점을 가져 하수슬러지 자원화 방면에서 다른 처리 방법에 비해 효율적인 기술이다. 그러나 하수슬러지의 혐기성 소화는 슬러지의 구조적 특성에 의한 느린 가수분해로 체류시간이 길고 발생 메탄가스의 수율이 낮아 공정효율이 대략 50%로 높지 않다. 이러한 문제점의 개선을 위해서 슬러지의 다양한 전처리 방법이 적용되고 있으며 이러한 전처리는 하수슬러지의 세포벽을 파괴하고 세포 내 물질의 가용화를 통하여 생분해성 물질로 전환되어 혐기성 소화의 가수분해 속도를 증가 및 생분해성을 높여 메탄가스 수율을 증가시켜 기존 혐기성 소화의 문제점을 개선할 수 있다.
본 연구에서는 Waste Activated Sludge(WAS)와 Aerobic Granular Sludge(AGS) 두 종류의 하수슬러지를 기질로 사용하여 혐기성 소화를 수행하였으며 100, 120, 140, 160, 180, 200, 220, 260℃의 온도에서 열 전처리를 적용하여 하수슬러지의 혐기성 소화에 열 전처리 적용의 영향과 고온의 열 전처리에서 생성되는 난분해성 물질의 생성 여부 및 영향 파악을 목적으로 진행되었다. 혐기성 소화는 38일 동안 수행되었으며 발생하는 바이오가스는 흡수체를 이용해 이산화탄소를 제거하여 순수 메탄가스 발생량만 측정하였다. 실험 결과 WAS의 경우 열 전처리 전 WAS에서 151.07 mL-CH₄/g-VS 발생하였고 열 전처리 온도가 증가함에 따라 단계적으로 발생량이 증가하여 140℃에서 257.46 mL-CH₄/g-VS로 최대 발생량을 나타내었다. 그 이상의 열 전처리 온도에서 추가적인 메탄가스 발생량의 증가는 나타나지 않았으며 200℃에서 229.53 mL-CH₄/g-VS, 260℃에서 148.38mL-CH₄/g-VS 발생하여 단계적인 감소를 보였다. AGS의 경우 처리 전 125.00 mL-CH₄/g-VS에서 140℃열 전처리 AGS에서 285.50mL-CH₄/g-VS로 증가하여 최대 발생을 나타내며 그 이상의 전처리 온도에서 발생량이 단계적으로 감소하여 260℃ 열 전처리 AGS에서 165.86mL-CH₄/g-VS로 감소하였다. 이러한 결과로 열 전처리의 적용을 통한 하수슬러지 혐기성 소화 효율 증가를 확인하였으나 일정 온도 이상의 고온 열 전처리는 Maillard 반응을 통한 멜라노이딘 생성에 의한 효율 저해를 나타낸다. 난분해성 물질인 멜라노이딘의 생성은 혐기성 소화의 생분해도 및 유기물 제거율(VS 감량률)을 낮추고 메탄가스 발생을 방해하여 혐기성 소화 공정 효율의 저해를 일으킨다. 멜라노이딘의 생성은 F-EEM, UV-vis, Fluorescence spectrum 분석을 통하여 확인되었으며 열 전처리의 온도가 증가함에 따라 멜라노이딘의 농도가 단계적으로 증가하며 열 전처리 온도가 140℃를 초과하는 온도에서 크게 증가함을 나타내었다. 추가로 멜라노이딘의 농도 증가가 혐기성 소화에 미치는 영향 파악을 위해 수행된 ATA test 결과, 반응조에 멜라노이딘을 주입하지 않은 경우 378.18 mL-CH₄/g-VS의 메탄가스가 발생하였고 멜라노이딘의 주입 농도가 증가함에 따라 발생량이 감소하여 약 32%의 감소를 나타내었다.
본 연구를 통하여 하수슬러지의 혐기성 소화에서 열 전처리의 적용을 통한 혐기성 소화 효율이 개선되었으며 하수슬러지 열 전처리의 최적 온도는 140℃로 판단할 수 있다. 그 이상의 고온 열 전처리 적용 시 Maillard 반응 생성물인 멜라노이딘의 생성 및 축적에 의한 혐기성 소화의 저해가 나타남을 확인하였으며 기질 특성 및 전처리 조건 등 다양한 변수에 의해 효율이 상이하여 추가적인 연구를 통한 열 전처리 적용 하수슬러지 혐기성 소화 공정 확립이 필요할 것으로 보인다.