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문제 정의
- 본 연구에서는 55℃의 고온의 회분식 혐기소화과정을 통하여 음식물폐수와 양돈분뇨를 채취하여 이들의혼합비에 따른 이화학적 성상의 변화 및 병원성균을포함한 미생물상의 변화를 파악함으로써 최대의 유기물 제거효율을 도출하기 위한 최적의 혼합비율 및 소화액의 위생성을 점검할 수 있는 기초자료로 활용할목적으로 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 처리현장에서 발생하는 가축분뇨와음식물폐수를 대상으로 대장균을 비롯한 병원성균의존재여부를 파악하였으며, 이들을 여러 비율로 혼합한혼합폐수를 대상으로 55℃의 고온의 회분식 혐기소화를 실시하여 최적의 유기물 분해를 위한 혼합비율 및혐기소 화과 정에서의 미생물의 변화를 파악함으로써소화액의 위생성을 점검할 수 있는 기초자료를 수집하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- BOD5, CODcr, SS, TN, PO4-P, ammonia, C/N비, pH 등을 측정하였다. BOD5 및 SS는 수질오염공정시험방법8)을 이용하였고, CODcr, TN, PO4-P, ammonia는 Spectrophotometer(HACH DR4000U)를 이용하여, HACH사에서 제조된 vials을 이용하였다.
- volume 500mL을 사용하였다. 각 반응조는반응 전 질소가스를 주입하여 10분간 탈기시킨 후 곧바로 밀봉하여 55C의 shaking waterbath을 이용하여실험하였다. 각 시료의 측정은 10일 간격으로 4차례에걸쳐 측정하였으며, 각 회당 10mL을 취하여 측정조건에 맞춰 희석한후 분석하였다.
- 각 반응조는반응 전 질소가스를 주입하여 10분간 탈기시킨 후 곧바로 밀봉하여 55C의 shaking waterbath을 이용하여실험하였다. 각 시료의 측정은 10일 간격으로 4차례에걸쳐 측정하였으며, 각 회당 10mL을 취하여 측정조건에 맞춰 희석한후 분석하였다.
- 고온 회분식 혐기소화 실험은 음식물폐수와 축산폐수를 일정한 비율에 따라 혼합한 후, 10일 간격으로 총 40일간의 반응기간 동안 이화학적 성상변화를 살펴보았다〔Table 3〕. BODs, CODcr, 그리고 SS의 값은 모든반응조에서 반응시간에 따라 감소하는 것을 확인 할수 있었다.
- 소화슬러지의 미생물학적 안정성 평가는 슬러지의혐기소화 전후의 총균수 및 병원성균수를 비교하여 평가하였다. 총 균수(Total Colony)는 종속영양 총세균수를 계수하였으며 각 시료를 적당량 희석한 다음, NA(Nutrient Agar)배지에 도말한 후 37C에서 3일간배양하여 형성된 집락을 계수하였다.
- 총 40일의 고온 회분식 혐기소화기간 동안 각 혼합폐수별 미생물상의 변화를살펴보았다 [Fig. 1]. 초기에유입된 혼합폐수의 총 균수는 R1, R2, R3, R4, R5에서각각 8.
- 총 균수(Total Colony)는 종속영양 총세균수를 계수하였으며 각 시료를 적당량 희석한 다음, NA(Nutrient Agar)배지에 도말한 후 37C에서 3일간배양하여 형성된 집락을 계수하였다. 병원성균으로 식중독의 원인균인 황색포도상구균 (Staphylococcus aureus)은 페트리필름배지 (Petrifilm, 3M Co.
- 1〕에 나타내었다. 축산폐수와 음식물폐수는 각각 80:20, 65:35, 50:50, 35:65, 20:80의 비율로 5개조로 혼합하여 실험하였고, 각각의 혼합폐수에 대해서는 3회 반복시험의 평균값을 알아보았다. 축산폐수와음식물폐수의 혼합 전 BOD5의 평균농도는 각각 33, 675 mg/L, 73, 450 mg/L로 확인되었고, CODcr는각각 78, 100 mg/L, 194, 400 mg/L로 비교적 높은 농도로 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- 총 균수(Total Colony)는 종속영양 총세균수를 계수하였으며 각 시료를 적당량 희석한 다음, NA(Nutrient Agar)배지에 도말한 후 37C에서 3일간배양하여 형성된 집락을 계수하였다. 병원성균으로 식중독의 원인균인 황색포도상구균 (Staphylococcus aureus)은 페트리필름배지 (Petrifilm, 3M Co., USA) 를 이용하여 배양한 후 계수하였다. 대장균 (Escherichia coli), 대 장균군 (Coliform), 장내 세 균 (Enterobacteriaceae) 등의 분변오염 지표세균과 효모 (Yeast) 등은 각 시료를 적당량 희석 후, 페트리필름배지 (Petrifilm, 3M Co.
- 본 실험에 사용된 축산폐수는 P시의 개인양돈농장에서 채취하였고, 음식물폐수는 B시 종합폐기물처리장에서 이물질 선별과 혼합과정을 거친 탈리 액을 사용하였다. 채취한 폐수는 각각 2mm sieve에 체거름 한후, 실험 전까지 4C 냉장보관 하였으며, 실험직전 두폐수를 혼합 교반하여 사용하였다.
- 채취한 폐수는 각각 2mm sieve에 체거름 한후, 실험 전까지 4C 냉장보관 하였으며, 실험직전 두폐수를 혼합 교반하여 사용하였다.
이론/모형
- 등을 측정하였다. BOD5 및 SS는 수질오염공정시험방법8)을 이용하였고, CODcr, TN, PO4-P, ammonia는 Spectrophotometer(HACH DR4000U)를 이용하여, HACH사에서 제조된 vials을 이용하였다. 제공된 vials 중 CODcre Reactor digestion method (Closed Reflux, Titrimetric method), TNe Persulfate digestion method, PO4-P는 PhosVer3 method, ammonia는 Salicylate method에 준한다.
- 제공된 vials 중 CODcre Reactor digestion method (Closed Reflux, Titrimetric method), TNe Persulfate digestion method, PO4-P는 PhosVer3 method, ammonia는 Salicylate method에 준한다. DO 는 YSI(Model-58)을 이용하여 격막전극법으로 분석하였고, C/N비는 carbon과 nitrogen의 비를 나타냄이적합하나, 본 연구에서는 COD/TN비로 계산하였다.
- BOD5 및 SS는 수질오염공정시험방법8)을 이용하였고, CODcr, TN, PO4-P, ammonia는 Spectrophotometer(HACH DR4000U)를 이용하여, HACH사에서 제조된 vials을 이용하였다. 제공된 vials 중 CODcre Reactor digestion method (Closed Reflux, Titrimetric method), TNe Persulfate digestion method, PO4-P는 PhosVer3 method, ammonia는 Salicylate method에 준한다. DO 는 YSI(Model-58)을 이용하여 격막전극법으로 분석하였고, C/N비는 carbon과 nitrogen의 비를 나타냄이적합하나, 본 연구에서는 COD/TN비로 계산하였다.
성능/효과
- 1) 축산폐수는 음식물폐수보다 총 세균의 숫자가 적었음에도 불구하고 대장균 등의 분변성 장내세균이 많이 검출되어 분뇨에 의한 특징적인 장내균총의 분포특성을 보여주었다. 대표적인 병원성균인 황색포도상구균 (S.
- 2) 혼합비율별 고온 회분식 혐기소화과정에서 최대의 유기물 감량효과를 보인 것은 음식물폐수 대축산폐수의 비율이 50:50인 R3 반응조에서 관찰되었고, 두 폐수의 혼합에 의해 이화학적 성상 및 COD/TN비가 적절하게 유지되었다.
- 3) 혼합비율별 고온 회분식 혐기소화과정을 통하여각 반응조 내 총 세균수는 비교적 완만한 감소세를 나타내었고 최종 반응일까지 상당량의 미생물이 존재하는 것으로 나타났다. 반면, 대장균 등의분변성 장내세균의 경우에는 반응 10일째 결과에서 대부분이 사멸된 것으로 나타났으나 대표적인 식중독균인 포도상구균의 경우에는 반응 40 일째에도 1,000~5,000 CFU/mL 정도의 개체수가 유지되는 것으로 관찰되었다.
- 이는 고온에 비교적 강한 Bacillus 등의 유기물 분해세균 및 통성 혐기성 산 발효세균 등의 존재에 기인할 것으로 추측된다. 5개의 혼합반응조 가운데, 혐기소화가 가장 잘 일어난 R3의 경우, 대장균을 비롯한 분변성 장내세균이 반응 후 10일이 지나면서 대부분 사멸되었고 20일경에는 전혀 관찰되지 않았는데 이는 온도에 민감한 장내세균의 특성을 잘 반영하고 있다. 할 것이다.
- 3〕. BODs, CODcr, 그리고 SS의 값은 모든반응조에서 반응시간에 따라 감소하는 것을 확인 할수 있었다. TN과 PO4-P의 경우, 반응기간 내내 모든혼합조에서 다소 높거나 낮은 값으로 거의 변동이 없는 결과를 보여주었으며, 암모니아는 반응기간에 비례하여 그 값이 높아지는 현상을 나타냄으로써 전형적인 회분식 혐기소화의 특징을 보여주었다.
- BODs, CODcr, 그리고 SS의 값은 모든반응조에서 반응시간에 따라 감소하는 것을 확인 할수 있었다. TN과 PO4-P의 경우, 반응기간 내내 모든혼합조에서 다소 높거나 낮은 값으로 거의 변동이 없는 결과를 보여주었으며, 암모니아는 반응기간에 비례하여 그 값이 높아지는 현상을 나타냄으로써 전형적인 회분식 혐기소화의 특징을 보여주었다. 결과적으로 COD/TN비율도 모든 반응조에서 시간의 흐름에 따라낮아지는 결과를 보여주었다.
- TN과 PO4-P의 경우, 반응기간 내내 모든혼합조에서 다소 높거나 낮은 값으로 거의 변동이 없는 결과를 보여주었으며, 암모니아는 반응기간에 비례하여 그 값이 높아지는 현상을 나타냄으로써 전형적인 회분식 혐기소화의 특징을 보여주었다. 결과적으로 COD/TN비율도 모든 반응조에서 시간의 흐름에 따라낮아지는 결과를 보여주었다.
- [Table 2]와 같다. 두 폐수내 총 세균수는 음식물폐수에서 두 배 정도의 높은 수치를 보였으나, 대장균을 비롯하여 대장균군, 장내세균 등의 분변성 세균이검출되지 않았다. 이는 pH가 낮은 음식물폐수에서 산성에 민감한 장내세균들의 생육이 저해되고 있음을 보여주는 결과라 할 것이다.
- 축산폐수와음식물폐수의 혼합 전 BOD5의 평균농도는 각각 33, 675 mg/L, 73, 450 mg/L로 확인되었고, CODcr는각각 78, 100 mg/L, 194, 400 mg/L로 비교적 높은 농도로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, COD/TN비는 축산폐수의 경우 평균 11.0을 보여 CODcr가 TN 에 비해 다소 낮은 것으로 확인되었고, 음식물폐수의경우는 평균 47.2 정도로 비교적 높은 값을 보임으로써 각 폐수의 COD/TN비의 특징을 잘 반영하고 있었다. 축산폐수내 암모니아 농도는 3, 430 mg/L를, pH는 7.
- 존재하는 것으로 나타났다. 반면, 대장균 등의분변성 장내세균의 경우에는 반응 10일째 결과에서 대부분이 사멸된 것으로 나타났으나 대표적인 식중독균인 포도상구균의 경우에는 반응 40 일째에도 1,000~5,000 CFU/mL 정도의 개체수가 유지되는 것으로 관찰되었다. 따라서, 본 세균에 대한 철저한 위생관리 및 위생기준의 제도적마련이 시급한 것으로 사료된다.
- 1]. 초기에유입된 혼합폐수의 총 균수는 R1, R2, R3, R4, R5에서각각 8.8X106, 7.4X106, 6.7X106, 5.1X106, 5.5X106 의 수치를 보였으나 서서히 감소하며 40일이 지난 후에는 3.8X105, 5.1X105, 3.7X105, 3.4X105, 6.2X105 의 수치를 보여 각각 95.7%, 93.1%, 94.5%, 93.4%, 88.9%의 감소율을 보였으나, 여전히 상당량의 미생물들이 존재하고 있는 것으로 나타났다. 이는 고온에 비교적 강한 Bacillus 등의 유기물 분해세균 및 통성 혐기성 산 발효세균 등의 존재에 기인할 것으로 추측된다.
- 이는 pH가 낮은 음식물폐수에서 산성에 민감한 장내세균들의 생육이 저해되고 있음을 보여주는 결과라 할 것이다. 축산폐수는 음식물폐수보다총 세균의 숫자가 적었음에도 불구하고 대장균 등의분변성 장내세균이 많이 검출되어 분뇨에 의한 특징적인 장내균총의 분포특성을 보여주었다. 대표적인 병원성균인 황색포도상구균 (S.
- 축산폐수와 음식물폐수는 각각 80:20, 65:35, 50:50, 35:65, 20:80의 비율로 5개조로 혼합하여 실험하였고, 각각의 혼합폐수에 대해서는 3회 반복시험의 평균값을 알아보았다. 축산폐수와음식물폐수의 혼합 전 BOD5의 평균농도는 각각 33, 675 mg/L, 73, 450 mg/L로 확인되었고, CODcr는각각 78, 100 mg/L, 194, 400 mg/L로 비교적 높은 농도로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, COD/TN비는 축산폐수의 경우 평균 11.
후속연구
- 0을보여 대조적인 차이를 나타냈다, Kayhanian과 Hardy 는 유기성폐수의 효율적인 혐기소화를 위한 적정 C/N ratio가 20~30정도로 보고하고 있으며10), Sterling 등은 암모니아의 농도가 3, 000mg/L 이상일 때 혐기소화에 저해를 일으키고, 수소발생에 영향을 미치는 것으로보고하고 있다11). 따라서 혐기소화에 적절한 조건을 갖추기 위해서는 두 폐수의 적절한 혼합이 요구되며 본실험에서는 음식물폐수와 축산폐수의 비율이 50:50 일때 가장적합한 조건을 충족시키는것으로 사료된다.
- 다른 혼합반응조와 비교하여 R3에서의 상대적으로 높은 반응효과는 두 폐수의 혼합으로 인하여 저해인자인 ammonia, pH 그리고 COD/TN비가 혐기소화 조건을 적절하게 유지시킬 수 있었기 때문인 것으로사료된다. 이와 같은 결과는 추후 현장에서의 유기성폐수의 혼합에 의한 혐기소화 시 이를 반영시킬 수 있는 기초자료로 활용될 것으로 기 대한다.
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