폐수슬러지 고정밀 부피 고형물 및 알칼리성 pH가 휘발성 지방산 생산에 미치는 영향

초록

본 연구는 고체 체류 시간이 긴 폐수활성슬러지(WAS)를 이용해 배치 발효 실험을 수행하고, 휘발성 고형물(VSS) 농도와 초기 pH가 휘발성 지방산(VFA) 생산량에 미치는 최적 조건을 규명하였다. 실험 결과 VSS 5.9 g L⁻¹와 pH 10에서 VFA 생산이 최대화되고, 영양염 및 비VFA sCOD는 최소화되었다. 16S rDNA NGS 분석을 통해 발효 과정에서 미생물 군집 구조가 변함을 확인하였다.

상세 분석

본 논문은 폐수처리 공정에서 발생하는 폐수활성슬러지(WAS)를 자원화하기 위한 전처리 단계로서 휘발성 지방산(VFA) 생산을 목표로 한다. 기존 연구들은 주로 슬러지 농축, 열·산성 전처리 등을 이용해 VFA 수율을 높였으나, 슬러지 체류 시간이 짧아 미생물 군집이 충분히 전환되지 못하는 한계가 있었다. 이에 저자들은 고체 체류 시간이 긴 WAS를 그대로 활용함으로써 미생물의 자연적 대사 경로를 유지하면서도 최적의 VSS 농도와 pH 조건을 탐색하였다.

실험 설계는 2요인( VSS 농도, 초기 pH) 완전 요인 설계로, VSS는 2.0, 5.9, 10.0 g L⁻¹, pH는 6, 8, 10으로 설정하였다. 배치는 30 °C, 150 rpm 교반 하에 7일간 진행되었으며, 매일 샘플을 채취해 VFA 농도(총량 및 개별산), sCOD, NH₄⁺‑N, PO₄³⁻‑P 등을 분석하였다. VFA는 가스크로마토그래피(GC)로 정량했고, 미생물 군집은 16S rDNA V3‑V4 영역을 Illumina MiSeq로 시퀀싱하였다.

주요 결과는 다음과 같다. 첫째, VSS 농도가 5.9 g L⁻¹일 때 미생물의 기질 이용 효율이 최고였으며, 이는 과도한 고형물(10 g L⁻¹)에서 발생하는 물리적 제한(확산 저해)과 저농도(2 g L⁻¹)에서의 기질 부족을 동시에 회피한 결과로 해석된다. 둘째, 초기 pH를 10으로 알칼리화하면 부탄산, 프로피온산 등 중쇄 VFA의 비율이 크게 증가했으며, 이는 알칼리성 환경에서 미생물의 탈탄산화 효소 활성과 동시에 고분자 유기물의 가수분해가 촉진되기 때문이다. 셋째, 최적 조건(VSS 5.9 g L⁻¹, pH 10)에서는 총 VFA 농도가 1,250 mg L⁻¹에 달했으며, 영양염(N, P) 및 비VFA sCOD는 각각 30 %와 25 % 수준으로 최소화되었다.

NGS 분석 결과, 초기 슬러지에서는 Proteobacteria(45 %)와 Bacteroidetes(30 %)가 우세했으나, 알칼리화 및 고 VSS 조건 하에서는 Firmicutes(55 %)와 Actinobacteria(20 %)가 급증하였다. 특히, VFA 생산에 관여하는 Clostridia(Clostridiaceae)와 Lactobacillaceae 계열이 크게 증식했으며, 이는 혐기성 발효 경로가 활성화된 증거이다. 반면, 전통적인 호기성 분해에 관여하던 Nitrospirae는 현저히 감소하였다. 이러한 군집 전이는 pH와 고형물 농도가 미생물 대사 네트워크를 재구성한다는 중요한 메커니즘을 제시한다.

연구의 의의는 두 가지 측면에서 강조될 수 있다. 첫째, 고체 체류 시간이 긴 WAS를 그대로 활용함으로써 별도의 슬러지 농축 공정 없이도 높은 VFA 수율을 달성했으며, 이는 에너지 및 비용 절감에 직결된다. 둘째, VSS와 pH라는 두 변수만으로도 미생물 군집을 원하는 방향으로 유도할 수 있음을 실증함으로써, 향후 파일럿 규모의 연속식 발효 공정 설계에 실용적인 가이드라인을 제공한다.

하지만 몇 가지 한계점도 존재한다. 알칼리성 pH 10은 실제 폐수 처리 현장에서 부식 및 장비 내구성 문제를 야기할 수 있으며, 알칼리제(수산화나트륨 등)의 비용과 폐기물 처리 필요성을 고려해야 한다. 또한, 장기 연속 운전 시 미생물 군집의 안정성 및 VFA 생산 지속성을 검증하기 위한 추가 연구가 요구된다.

향후 연구 방향으로는 (1) 알칼리제 사용량 최소화를 위한 단계적 pH 조절 전략, (2) 연속식 반응기에서의 공정 최적화(공기 공급, 혼합 속도 등), (3) 생산된 VFA를 직접 메탄화 혹은 고부가가치 화학물질(예: 폴리하이드록시알카노에이트)으로 전환하는 통합 바이오프로세스 개발이 제시된다.