본 연구는 고율 연속 생물학적 수소 생산을 위한 모니터링 및 의사결정 지원 도구로서 정량적 실시간 중합효소연쇄반응(quantitative real‐time polymerase chain reaction, qPCR)의 타당성을 조사하였다. 동일한 실험실 규모의 동적 막(dynamic membrane, DM) 생물반응기 3대를 운전 교란 하에서 가동하였고, Clostridium pasteurianum 및 Streptococcus equinus를 포함한 주요 세균 균주의 qPCR 분석과 범용 세균 프라이머(universal bacterial primer)를 사용하여 미생물 동태를 모니터링하였다. 교란 이후 수소 생산의 성능과 대사 플럭스가 유사하였음에도 불구하고, 표적 균주의 qPCR 복제수(copy number)에는 유의한 차이가 나타났다. 범용 프라이머에 대한 C. pasteurianum의 정규화된 풍부도가 2.6 copies/copies 이상인 경우 공정 성능은 결국 회복되었으나, 정규화된 풍부도가 2.6 copies/copies 미만이면 공정 성능이 저하되었다. 또한 S. equinus의 풍부 증가 역시 공정 성능 저하와 연관되었다. 이러한 결과는 핵심 균주에 대한 qPCR 모니터링이 연속 생물학적 수소 생산을 위한 유용한 의사결정 도구임을 시사한다.

하·폐수처리장(WWTPs)은 항생제 내성 유전자(ARGs)를 포함하는 상당한 양의 슬러지 폐기물을 생성하며, 이는 중대한 환경 및 공중보건상의 위험을 초래한다. 이러한 우려를 완화하기 위해 슬러지 용해(solubilization)와 동시에 ARG 분해(decomposition)를 가능하게 하는 효율적인 기술이 시급히 요구된다. 본 연구는 향상된 슬러지 용해 및 동시 ARG 분해를 위해 감마 방사선 조건을 최적화하고자 하였다. 반응표면분석(response surface methodology)을 사용하여 두 가지 목적을 위한 서로 다른 최적 조건을 확인하였다. 최대 슬러지 용해는 pH 11, 총고형물(TS) 2.8 %, 선량 18.2 kGy에서 달성되었다. 반면, 최적의 ARG 분해는 중성 pH 7, TS 7 %, 선량 20 kGy의 서로 다른 조건을 필요로 하였다. 용해에 유리한 조건이 ARG 제거를 낮추는 결과를 보였으므로, 이러한 운전상의 상충(trade-off)은 핵심적인 발견이다. 슬러지 용해는 선량에 따라 선형적으로 증가한 반면, ARG 분해는 선량 의존적 한계가 나타나며 11.8 kGy 이후에는 평형(plateau)에 도달하였다. 분해 효율은 ARGs 간에 유의한 차이를 보였는데, tetA에서 50%인 반면 tetQ, vanA 및 sul1에서는 > 75%였다. ARG 분해 속도는 서로 다른 WWTP들 간에 크게 달랐다. 이는 미생물 군집 구조, 슬러지 특성, 생물막(biofilm) 특성 등의 요인이 분해 효율에 결정적으로 영향을 미친다는 것을 시사한다. 본 연구 결과는 하·폐수처리 맥락에서 슬러지 처리 효율과 ARG 완화를 동시에 최적화하기 위해 운전 조건의 균형을 세심하게 맞추는, 맞춤형 감마 방사선 전략에 대한 중대한 필요성을 보여준다. • 감마 방사선은 슬러지 처리와 ARG 분해를 동시에 가능하게 한다. • 슬러지 용해를 위한 최적 조건은 ARG 분해를 위한 최적 조건과 다르다. • 11.77 kGy를 초과하면 보호적 생물막 구조로 인해 ARG 제거가 평형에 이른다. • 현장 특이적 요인으로 인해 WWTP별 처리 효과가 유의하게 달라진다.

본 연구는 하수 슬러지의 혐기성 소화(AD)에서 에너지 회수 효율을 향상시키기 위한 열 전처리 기술의 적용 가능성과 경제적 타당성을 평가하고자 수행되었다. 최근 해양 슬러지 처분이 금지되었고, 전 세계적으로 탄소중립 사회로의 전환이 진행됨에 따라 하수 슬러지로부터 자원 회수 및 에너지 전환을 위한 선진 처리 기술의 개발 필요성이 더욱 커지고 있다. 특히 서울의 공공 하·폐수 처리장은 악취 민원과 같은 문제로 인해 공동 소화를 구현하는 데 어려움이 있어, AD 공정에서의 바이오가스 생산이 제한되고 있다.</br>이러한 문제를 해결하기 위해 서울의 공공 하·폐수 처리장에서 채취한 하수 슬러지를 대상으로 열 전처리 실험을 수행하였다. 반응표면분석법(Response Surface Methodology, RSM)에 기반한 실험에서는 메탄 수율 및 메탄 생산 속도에 대한 영향을 규명하기 위해 다양한 온도(60–180°C)와 시간(60–180 min) 조건을 평가하였다. 그 결과 최적 열 전처리 조건은 130°C에서 176분으로 확인되었다. 이 조건에서 메탄 수율과 메탄 생산 속도는 무처리 투입 슬러지(대조군)에 비해 각각 35.5%와 95.8% 증가하였다.</br>또한 열 전처리 공정의 경제적 타당성은 현금흐름 분석과 최적 전처리 조건에서의 20년 순현재가치(net present value, NPV) 평가를 통해 검증되었으며, 초기 투자비를 회수할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 전처리 공정이 경제적 관점에서도 유효함을 시사한다.<br>본 연구는 안정적인 하수 슬러지 처리를 보장하고 바이오가스 회수 효율을 극대화할 수 있는 전처리 기술 개발을 위한 실질적인 방향을 제안한다. 본 연구 결과는 향후 탄소중립 하수 슬러지 처리 시스템을 설계하는 데 있어 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.