[논문]주방용 오물분쇄기로 처리된 음식물류 폐기물의 혐기성 수소 발효

최재민; 이채영

doi:10.7316/khnes.2014.25.5.468

[국내논문] 주방용 오물분쇄기로 처리된 음식물류 폐기물의 혐기성 수소 발효
Anaerobic Hydrogen Fermentation of Food Waste Treated by Food Waste Disposer 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.25 no.5, 2014년, pp.468 - 474

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to evaluate the characteristics of mesophilic fermentative $H_2$ production from food waste which was treated by food waste disposer. It was found that $H_2$ yield and lag phase were affected by particle size of food waste. The $H_2$ yield decreased with increasing particle size while lag phase increased. The maximum $H_2$ yield was found $0.584{\pm}0.03$ mol $H_2$/mol hexose at particle size smaller than 0.30 mm. The $H_2$ production rate was also affected by chemical composition of food waste. The $H_2$ production rate linearly decreased with increasing proteins to carbohydrates ratio(P/C ratio) where the maximum value was $0.031{\pm}0.006$ mol $H_2$/mol hexose h at 0.17.

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AI 본문요약
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문제 정의

그러나 주방용 오물분쇄기 사용 시 음식물류 폐기물의 입자 크기에 따른 혐기성 수소 발효 특성에 관한 연구는 미비하다. 따라서 본 연구에서는 주방용 오물분쇄기를 이용하여 처리된 음식물류 폐기물의 특성을 평가하고, 이에 이용한 혐기성 수소 발효 특성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 주방용 오물분쇄기로 처리된 음식물류 폐기물의 입자 크기에 따른 혐기성 수소 발효 특성을 평가하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
3) 본 연구는 주방용 오물분쇄기로 처리된 음식물류폐기물의 입자 크기에 따른 혐기성 수소 발효 특성을 평가하였다. 향후 주방용 오물분쇄기 도입시 혐기성 수소 발효 시스템 구축을 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

제안 방법

3g as CaCO₃/L로 나타났다. 채수한 소화슬러지는 식종 미생물로 이용하기 위해 10mm 체를 이용하여 불순물을 제거하였다. 걸러진 소화 슬러지는 수소 소모 미생물과 비수소 미생물의 성장을 억제하기 위해 90℃에서 20분간 열처리를 수행하였다²⁾.
채수한 소화슬러지는 식종 미생물로 이용하기 위해 10mm 체를 이용하여 불순물을 제거하였다. 걸러진 소화 슬러지는 수소 소모 미생물과 비수소 미생물의 성장을 억제하기 위해 90℃에서 20분간 열처리를 수행하였다²⁾.
합성 음식물류 폐기물의 조성은 곡식류(쌀밥) 35%, 야채류(배추) 35%, 과일류(수박 껍질) 25%, 그리고 육류(닭가슴살) 5%이다. 합성 음식물류 폐기물은 주방용 오물분쇄기로 분쇄하였으며 입자 크기는 5개의 체(0.30, 0.60, 0.85, 2.00, 4.75mm)를 이용하여 분류하였다.
혐기성 회분식 수소 발효 장치의 총 체적 및 유효 체적은 각각 560과 300mL이며 아크릴 재질로 제작 하였다. pH 및 가스 측정을 위해 반응조 상단면에 측정구를 장착하였다.
식종은 반응조 유효 체적의 30%를 식종 미생물로 채우고 나머지 부분은 탄수화물의 농도 30g Chemical Oxygen Demand(COD)/L로 채웠다¹³⁾. 식종 완료 후 고순도 질소를 이용하여 5분간 탈기시켜 혐기성 상태로 치환하였다. 초기 pH는 8.
바이오가스 발생량은 유리 주사기를 이용하여 반응조 상단의 가스 배출구를 이용하여 측정하였으며 수소 가스의 함량은 gas-tight syringe를 이용하여 0.2mL 채취한 후 열전도검출기(Thermal Conductivity Detector, TCD)가 장착된 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, Gow Mac series 580, USA)를 이용하여 측정하였다. 가스 크로마토그래피의 운반체로는 초고순도 질소(99.
2mm stainless steel column을 이용하였다. Column, injector 와 detector의 온도는 50, 80 및 90℃로 유지하였다.
그 결과에 따르면 단백질의 비율이 증가할수록 메탄 발생 속도가 감소하는 것으로 나타났다²³⁾. 본 연구에서는 식종 시 탄수화물의 농도를 30g COD/L로 고정하였으며 단백질의 농도는 상대적으로 변화된다. Fig.

대상 데이터

식종 미생물은 하수처리장 소화조에서 유출하는 소화슬러지를 이용하였다. 소화슬러지의 총 부유물질(Total Suspended Solids, TSS), 휘발성 부유물질 (Volatile Suspended Solids, VSS), pH 및 알칼리도는 각각 18.
2mL 채취한 후 열전도검출기(Thermal Conductivity Detector, TCD)가 장착된 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, Gow Mac series 580, USA)를 이용하여 측정하였다. 가스 크로마토그래피의 운반체로는 초고순도 질소(99.999%)를 사용하였으며 유속은 30mL/min으로 고정하였다. Column은 molecular sieve 5A(80/100mesh)를 충진제로 사용한 1.

이론/모형

발생된 수소 가스는 수정된 Gompertz 식을 이용하여 지체 시간, 수소 발생율 및 최대 수소 발생량을 평가하였다(식 (1)).
음식물류 폐기물의 총 고형물(Total Solids, TS), VS 및 COD는 Standard Methods에 준하여 수행하였다¹⁶⁾. 음식물류 폐기물의 원소 분석(C, H, O, N)은 동결 건조 후 원소분석기(EA1110, Italy)를 이용하였으며 탄수화물, 지방, 단백질 분석은 식품공전에 따라 수행하였다¹⁷⁾.
. 음식물류 폐기물의 원소 분석(C, H, O, N)은 동결 건조 후 원소분석기(EA1110, Italy)를 이용하였으며 탄수화물, 지방, 단백질 분석은 식품공전에 따라 수행하였다¹⁷⁾.
소화 슬러지의 TSS, VSS, 및 알칼리도는 Standard Methods에 준하여 수행하였으며 pH는 Orion 8102 BNUWP ROSS Ultra^Ⓡ pH 전극(Thermo scientific, USA)를 이용하였다.

성능/효과

소화슬러지의 총 부유물질(Total Suspended Solids, TSS), 휘발성 부유물질 (Volatile Suspended Solids, VSS), pH 및 알칼리도는 각각 18.7±0.2g/L, 13.8±0.2g/L, 6.7과 2.3±0.3g as CaCO3/L로 나타났다.
Table 1에는 오물분쇄기로 처리된 음식물류 폐기물의 화학적 조성을 제시하였다. 입자의 크기가 클수록 COD 및 VS 농도는 증가하는 경향으로 나타났다. 원소 조성은 0.
4 및 5에는 기질 입도 분포의 중간 값을 이용하여 최대 수소 발생량, 지체 시간 및 수소 발생속도의 상관관계를 제시하였다. 실험 범위 내에서 입자 크기가 증가할수록 최대 수소 발생량은 선형적으로 감소하였다. 반면에 지체 시간은 입자 크기에 비례해 감소하는 경향으로 나타났다.
Zhang 과 Banks(2013)의 연구에 따르면 기질의 입자 크기가 작을수록 표면적이 증가하여 미생물과의 접촉이용이한 것으로 보고 하였다²¹⁾. 본 연구와 선행 연구들의 결과를 종합해 볼 경우, 음식물류 폐기물의 입자 크기가 작아질수록 최대 수소 발생량의 증가의 원인은 분해되기 어려운 물질이 분쇄를 통해 상대적으로 분해되기 쉬운 물질로 전환된 것으로 판단된다. 또한 지체 시간은 음식물류 폐기물의 입자 크기 감소에 따른 비표면적의 증가로 인해 미생물과 접촉이용이해진 것으로 판단된다.
1) 주방용 오물분쇄기로 처리된 음식물류 폐기물의 탄수화물 함량은 2.00~4.75mm 범위의 입자크기에서 가장 높게 나타났으며 단백질 및 지방의 함량은 0.60~0.85mm 범위에서 가장 높게 나타났다.
2) 주방용 오물분쇄기로 처리된 음식물류 폐기물의 지체 시간은 입자 크기에 비례해 선형적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 최대 수소 발생량은 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 수소 발생 속도는 P/C 비에 따라 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다.
2) 주방용 오물분쇄기로 처리된 음식물류 폐기물의 지체 시간은 입자 크기에 비례해 선형적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 최대 수소 발생량은 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 수소 발생 속도는 P/C 비에 따라 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다.

후속연구

3) 본 연구는 주방용 오물분쇄기로 처리된 음식물류폐기물의 입자 크기에 따른 혐기성 수소 발효 특성을 평가하였다. 향후 주방용 오물분쇄기 도입시 혐기성 수소 발효 시스템 구축을 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 발생한 음식물류 폐기물은 어떻게 처리되었는가?	또한, 차량 수거로 인해 CO2, 소음 및 인건비 등이 발생한다2) . 국내에서는 발생되는 음식물류 폐기물은 재활용, 소각 및 직매립 등에 의해 처리되었다. 그러나 2013년부터 음식물류 폐수의 해양투기 금지와 사료화 등의 재활용 기준 강화로 인해 대안이 필요한 상황이다1-3).
	음식물류 폐기물은 주거 환경에 어떤 문제를 일으키는가?	음식물류 폐기물의 발생은 생활수준의 향상과 외식비 증가 등의 요인으로 인해 매년 증가하는 추세를 보이고 있다1) . 음식물류 폐기물은 주거 환경에 미관 및 악취 문제를 유발한다. 또한, 차량 수거로 인해 CO2, 소음 및 인건비 등이 발생한다2) .
	음식물류 폐기물의 혐기성 소화 처리 시 장점은 무엇인가?	최근 신·재생에너지에 대한 관심이 증대됨에 따라 음식물류 폐기물 혐기성 소화 처리가 주목받고 있다2). 혐기성 소화의 경우 음식물류 폐기물의 효율적 처리 및 에너지화를 동시에 달성할 수 있어 연구가 활발히 진행되고 있다4). 또한, 혐기성 소화를 통한 메탄 가스 생산뿐만 아니라 혐기성 수소 발효를 통해 수소가스 생산에 대한 연구도 진행되고 있다.

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