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문제 정의
- 본 연구에서는 Dry Fermentation 적용 가능성을 검토하기 위한 선행연구로 어판장에서 생선 손질 시 발생되는 생선폐기물의 혐기성 생분해도 평가를 위하여 Serum Bottle 이용한 Biochemical Methane Potential(BMP) 실험 (Owen et a/.[1979], Shelton et a/.[1984])을 실시하였다.
제안 방법
- 실험은 500 ml serum bottle에 혐기성 슬러지 100 ml를 넣고 여기에 어판장에서 배출되는 어류폐기물을 각각 50 ml, 100 ml, 150 ml 주입하여 실험하였다. 나머지 부피 분에 대하여는 혐기성 배지로 채워 전체 용량을 300 ml로 하였다.
- 모든 실험은 triplicate로 실시하였고 35℃ 항온 실에서 120 RPM3 운전되는 진탕 기에서 배양하였다. 또한 혐기성 배지와 식종액만을 넣은 대조 시료를 동일한 조건에서 병행 운전하여 보정하였다. 실험 방법의 개략도를 Fig.
- [1979]). 즉, 혐기성 분해에 의한 유기물의 메탄가스 전환율을 파악하기 위하여 일정 시간 간격으로 가스 생성량을 측정하였다.
- 가스 생성량 측정은 주사기와 Manometer!- 이용하였다. 가스가 발생하게 되면 일정한 액면을 유지하고 있던 Manometer 내의 액이 압력 차로 인하여 액면 차가 발생하게 되므로 주사기를 이용 최초 일정한 액면 상태까지 생성된 가스를 제거시키는 방법을 이용하였다.
- 가스내 메탄 함량은 적외선 가스 분석기 (Geotechnical Instrument, GA-94A)> 사용하여 측정하였다. 생분해도 평가를 위하여 시료의 pH는 pH meterf-사용하여 측정하였고, TS(Total Solids), VS(Volatile Solids)는 Standard Methods(APHA[1998])에 준하여 실험하였으며 원소분석은 원소분석기 (Elemental Analyzer, Profile HV-3)을 이용하여 분석하였다.
- 수산물 폐기물에 대한 생분해도 실험 시 적정 부하율을 구하기 위하여 현장에서 가져온 폐기물을 고등어군과 갈치군, 어류 내장 군으로 분리하여 파쇄한 후 별도의 전 처리를 가하지 않고 이를 각각 serum bottle에 50 ml, 100 ml, 150 ml 씩 주입한 다음 시간에 따른 메탄 발생량을 평가하였으며 이들의 결과를 Fig. 2~4에 나타내었다. 발생되는 메탄생성량은 다음과 같은 식(신 등[1993]) 을 이용하여 0℃, 1 atm의 STP 상태의 건조가스로 환산하였다.
- 한편, 실험에 사용한 어류 폐기물의 원소 조성을 파악하기 위하여 어판장에서 가져온 어류 손질 폐기물을 분쇄, 건조하여 원소 분석하였다. 사용된 생선폐기물 3개 군에 대한 최종 메탄생성량은 g・VS당 420-470 ml로 종류에 따라 큰 차이를 나타내지 않았으므로 종류에 관계없이 각 시료를 혼합한 어류 폐기물을 시료로 사용하여 원소분석을 실시하였다.
- 한편, 실험에 사용한 어류 폐기물의 원소 조성을 파악하기 위하여 어판장에서 가져온 어류 손질 폐기물을 분쇄, 건조하여 원소 분석하였다. 사용된 생선폐기물 3개 군에 대한 최종 메탄생성량은 g・VS당 420-470 ml로 종류에 따라 큰 차이를 나타내지 않았으므로 종류에 관계없이 각 시료를 혼합한 어류 폐기물을 시료로 사용하여 원소분석을 실시하였다. 분석된 원소 조성을 통하여 이론적인 메탄생성량을 계산할 수 있다.
- 수산물 폐기물에 대한 생분해 도를 평가하기 위하여 횔(1) 판매장에서 폐기물로 배출되는 고등어, 갈치, 어류내장 시료에 대하여 BMP실험을 실시하였다. 실험 방법은 serum bottle에 시료를 50 ml, 100 ml, 150 mt씩 각각 혐기적으로 주입한 후 BMP를 평가하였다.
- 수산물 폐기물에 대한 생분해 도를 평가하기 위하여 횔(1) 판매장에서 폐기물로 배출되는 고등어, 갈치, 어류내장 시료에 대하여 BMP실험을 실시하였다. 실험 방법은 serum bottle에 시료를 50 ml, 100 ml, 150 mt씩 각각 혐기적으로 주입한 후 BMP를 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 실험에 사용된 시료는 군산시 어판장에서 배출되는 수산계 폐기물을 사용하였다. 지역 특성상 어종별로는 고등어, 갈치에서 유래되는 폐기물이 많았고 부위별로는 내장이 가장 많았으며 기타 머리, 꼬리, 지느러미 등으로 구성되어 있었다.
- 지역 특성상 어종별로는 고등어, 갈치에서 유래되는 폐기물이 많았고 부위별로는 내장이 가장 많았으며 기타 머리, 꼬리, 지느러미 등으로 구성되어 있었다. 따라서 실험에 사용된 시료는 군산시 어판장의 배출 특성을 반영하기 위하여 어종에 관계없이 배출되는 폐기물 중 내장 부분만을 따로 모은 군(Viscera group)과 내장을 제외한 생선폐기물 중 고등어에서 유래된 폐기물군(Mackerel group), 갈치에서 유래된 폐기물군 (Hairtail group)의 3개 군으로 만들어 사용하였다. 각 시료 군은 가 정용 믹서를 이용하여 중분히 slurry 상태가 되게 만든 다음 종류별로 고형물 부하를 달리하여 500 ml 용량의 serum bottle에 주입하였다.
- 본 실험에 사용한 식종액은 군산시 하수처리장 소화 조의 소화 슬러지를 실험실로 이송한 후 100 mesh 체를 사용하여 불순물을 거른 후 농축하여 실험에 사용하였다. 실험에 사용한 식종 소화 슬러지의 특성은 TSS(Total Suspended Solids) 13.
- 본 실험에 사용한 식종액은 군산시 하수처리장 소화 조의 소화 슬러지를 실험실로 이송한 후 100 mesh 체를 사용하여 불순물을 거른 후 농축하여 실험에 사용하였다. 실험에 사용한 식종 소화 슬러지의 특성은 TSS(Total Suspended Solids) 13.1 g/1, VSS(Vblatile Suspended Solids) 9.2 g/1, pH 7.47이었으며 식종량은 serum bottle 용량을 기준으로 약 20%였다.
이론/모형
- 나머지 부피 분에 대하여는 혐기성 배지로 채워 전체 용량을 300 ml로 하였다. 혐기성 배지는 Table 1과 같이 Shelton et [1984]이 혐기성 생분해도 측정에 사용하였던 방법과 같이 제조하여 사용하였다. 주입 방법은 Terry and Wolin [1974]의 방법에 따라 질소가스를 치환시키면서 500 ml serum bottle에 정해진 양을 넣은 후 butyl rubber 마개와 알루미늄 캡을 이용하여 이중으로 봉하였다.
- 혐기성 배지는 Table 1과 같이 Shelton et [1984]이 혐기성 생분해도 측정에 사용하였던 방법과 같이 제조하여 사용하였다. 주입 방법은 Terry and Wolin [1974]의 방법에 따라 질소가스를 치환시키면서 500 ml serum bottle에 정해진 양을 넣은 후 butyl rubber 마개와 알루미늄 캡을 이용하여 이중으로 봉하였다. 알루미늄 캡은 스테인리스 밴드로 고정하였다.
- 메탄생성세균의 활성은 가스 생성속도로 평가하였다(Owen et al.[1979]). 즉, 혐기성 분해에 의한 유기물의 메탄가스 전환율을 파악하기 위하여 일정 시간 간격으로 가스 생성량을 측정하였다.
- 가스내 메탄 함량은 적외선 가스 분석기 (Geotechnical Instrument, GA-94A)> 사용하여 측정하였다. 생분해도 평가를 위하여 시료의 pH는 pH meterf-사용하여 측정하였고, TS(Total Solids), VS(Volatile Solids)는 Standard Methods(APHA[1998])에 준하여 실험하였으며 원소분석은 원소분석기 (Elemental Analyzer, Profile HV-3)을 이용하여 분석하였다.
- 원소분석 자료로부터 구한 분자식과 Buswell의 식을 이용하여 화학 양론적인 메탄 발생량을 계산하였다(Shelton et a/. [1984], 조 등 [1993]).
성능/효과
- 각 시료 군은 가 정용 믹서를 이용하여 중분히 slurry 상태가 되게 만든 다음 종류별로 고형물 부하를 달리하여 500 ml 용량의 serum bottle에 주입하였다. 믹서로 파쇄하여 실험에 사용한 시료의 평균 고형물 농도는 어류 종류에 따라 21~31% 정도의 분포를 보였고 내장의 경우 평균 16.5% 전후였다.
- 운전시간 경과에 따라 각 기질 종류별로 누적 메탄 발생량 및 메탄 발생속도에 다소 차이는 있으나 1 g VS당 약 420-470 ml를 나타내었다. 기질 종류별로 볼 경우 갈치와 고등어군에 비하여 내 장군이 고형물 단위 중량당 메탄 발생량, 분해속도 둘 다 더 높은 것으로 나타났다.
- 이들 계산 결과로부터 생선폐기물 1 g・VS에 대하여 화학 양론에 근거한 이론적인 최종 메탄생성량은 522 ml-CHVg-VSS. 나타났다.
- 운전시간 경과에 따라 각 기질 종류별로 누적 메탄생성량과 발생속도에는 다소 차이가 있었지만 kg VS당 약 420-470 ml를 나타내었다. 기질을 갈치군, 고등어군, 내장 군으로 나누어 실험해본 결과 기질 종류별로 볼 경우에는 고형물 단위 중량당 메탄 발생량 은 주로 어류의 머리 부분과 지느러미, 꼬리 등으로 구성된 갈치 군과 고등어군에서보다 어류의 내장으로 구성된 내장 군이 더 높은 값을 나타내었으며 분해속도 역시 내장 부분이 더 빠른 것으로 나타났다. 대상 시료에 대하여 원소분석을 실시해본 결과 평균 C/N 비는 5.
- 기질을 갈치군, 고등어군, 내장 군으로 나누어 실험해본 결과 기질 종류별로 볼 경우에는 고형물 단위 중량당 메탄 발생량 은 주로 어류의 머리 부분과 지느러미, 꼬리 등으로 구성된 갈치 군과 고등어군에서보다 어류의 내장으로 구성된 내장 군이 더 높은 값을 나타내었으며 분해속도 역시 내장 부분이 더 빠른 것으로 나타났다. 대상 시료에 대하여 원소분석을 실시해본 결과 평균 C/N 비는 5.2로 나타났다. 원소분석 자료를 근거로 계산한 이론적인 최종 메탄생성량은 522 mlCH’/gVS로 나타나 생분해도 는 0.
- 2로 나타났다. 원소분석 자료를 근거로 계산한 이론적인 최종 메탄생성량은 522 mlCH’/gVS로 나타나 생분해도 는 0.847로 나타났다.
후속연구
- 생분해도란 유기성 폐기물의 생물학적 분해가능 정도를 나타내며 생물학적 폐기물 처리 시스템을 설계하는데 가장 중요한 인자로 고려되고 있다. 유기성 폐기물에 대한 혐기성 소화 공정의 개발에 있어서 폐기물의 분해 특성을 완전히 이해하는 것은 공정의 합리적인 설계와 소 화조 운전을 하기 쉽게 하기 위하여 필수적인 것이며(Peres et a/.[1991], Owens et al.[1992]), 유기성 물질의 메탄 전환 수율의 최적화를 가 능하게 할 것이다.
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