본 연구에서는 수도권매립지 반입 음폐수에 대한 성상분석을 통하여 음폐수의 일반적인 특성을 살펴보고, 음폐수 유래 공정(사료화, 퇴비화)에 따른 음폐수 성상 특징을 비교하였다. 음폐수는 고농도의 유기물을 함유한 폐수이며 습식 혐기소화가 가능한 범위의 함수율을 나타내었다. 음폐수는 산성을 띠며 비교적 높은 세부 성상(탄수화물, 단백질, 지방, 에탄올, 아세트산, 프로피온산 등)의 변화율을 나타냈다. 사료화 및 퇴비화 공정 유래 음폐수 성상을 비교한 결과, 평균값 기준으로 사료화가 다소 낮은 농도를 보였으나 분산분석에 따른 통계적 차이는 유의성이 없었다.
본 연구에서는 수도권매립지 반입 음폐수에 대한 성상분석을 통하여 음폐수의 일반적인 특성을 살펴보고, 음폐수 유래 공정(사료화, 퇴비화)에 따른 음폐수 성상 특징을 비교하였다. 음폐수는 고농도의 유기물을 함유한 폐수이며 습식 혐기소화가 가능한 범위의 함수율을 나타내었다. 음폐수는 산성을 띠며 비교적 높은 세부 성상(탄수화물, 단백질, 지방, 에탄올, 아세트산, 프로피온산 등)의 변화율을 나타냈다. 사료화 및 퇴비화 공정 유래 음폐수 성상을 비교한 결과, 평균값 기준으로 사료화가 다소 낮은 농도를 보였으나 분산분석에 따른 통계적 차이는 유의성이 없었다.
This study was conducted to characterize food waste leachate (FWL) and to compare its characteristics according to generation source: feed supplement- and compost-producing facilities. FWL contained high levels of organic compounds such as carbohydrate, protein and lipid. The moisture content of FWL...
This study was conducted to characterize food waste leachate (FWL) and to compare its characteristics according to generation source: feed supplement- and compost-producing facilities. FWL contained high levels of organic compounds such as carbohydrate, protein and lipid. The moisture content of FWL was among the range of conventional wet anaerobic digestion. FWL was acidic (pH of $4.0{\pm}0.3$) and showed high coefficients of variance for specific parameters: carbohydrate, protein, lipid, ethanol, acetic acid and propionic acid. FWL derived from feed supplement-producing facilities showed slightly lower concentrations of most parameters than FWL derived from compost-producers. However, the difference was not significant at 5% significance level according to analysis of variance.
This study was conducted to characterize food waste leachate (FWL) and to compare its characteristics according to generation source: feed supplement- and compost-producing facilities. FWL contained high levels of organic compounds such as carbohydrate, protein and lipid. The moisture content of FWL was among the range of conventional wet anaerobic digestion. FWL was acidic (pH of $4.0{\pm}0.3$) and showed high coefficients of variance for specific parameters: carbohydrate, protein, lipid, ethanol, acetic acid and propionic acid. FWL derived from feed supplement-producing facilities showed slightly lower concentrations of most parameters than FWL derived from compost-producers. However, the difference was not significant at 5% significance level according to analysis of variance.
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문제 정의
특히 탄수화물, 단백질, 지방과 같은 세부 유기물 항목에 대한 자료를 바탕으로, 탄수화물 과부하에 의한 소화조 pH 감소, 단백질 과부하에 의한 암모니아 증가 및 저해, 지방 분해에 따른 고급지방산(long-chain fatty acid)의 축적과 혐기미생물 저해와 같은 상황을 가늠해볼 수 있다. 따라서 각 세부 항목의 평균값은 물론 변동폭에 대한 정보가 중요함을 알 수 있고, 본 연구에서는 이러한 기초자료를 제공하였다.
따라서 본 연구에서는 음폐수의 체계적인 성상 분석을 통하여 음폐수 혐기소화의 공정 설계 및 운영에 기초자료를 제공하고자 하였으며, 특히 사료화 및 퇴비화 시설에서 유래하는 음폐수의 성상을 비교하였다. 시료는 수도권매립지에 반입되는 음폐수를 무작위적으로 27개 선택하였고, 탄수화물, 단백질, 지방과 같은 유기물 성분과 중금속을 포함하여 총 21개 항목을 분석하였다.
본 연구에서는 수도권매립지 반입 음폐수에 대한 장기간의 음폐수 성상 분석을 통하여 음폐수의 일반적인 특징과 음폐수 유래 공정(사료화, 퇴비화)에 따른 음폐수 성상 특징을 비교하였다. 음폐수는 유기물의 함량이 높은 폐수이며 습식 혐기소화가 가능한 범위의 함수율을 가지고 있었다.
제안 방법
음폐수 시료는 수도권매립지로 반입되는 음폐수 이송 차량이 음폐수를 저장조로 내리는 이송 호스에서 채취하였다. 2009년 1월부터 12월 사이에 약 2주 간격으로 1회씩 샘플을 채취함으로써 음폐수의 연중 성상 변동이 실험 결과에 반영되도록 하였다. 채취된 시료의 개수는 사료화 공정 유래 음폐수가 20건, 퇴비화 공정 유래 음폐수가 7건으로서 2009년 당시 수도권매립지 음폐수 반입량 비율을 대변하였다.
pH는 실험실용 전자 pH 측정기를 이용하여 측정하였다. Standard Methods 방법을 이용하여 총고형물(total solids), 휘발고형물(volatile solids; VS) 및 현탁고형물(suspended solids; SS)을 측정하였고11), 전체 시료 중 총고형물을 제외한 질량비를 함수율(moisture content; MC)로 정의하였다. COD(chemical oxygen demand) 및 용존성 COD는 Standard Methods의 “closed reflux, colorimetric method”에 따라 결정하였다.
탄수 화물 농도는 페놀-황산법을 이용하여 분석하였고12), 지방 농도는 클로로포름:메탄올(1:2 v/v)용매를 이용한 추출법으로 분석하였다13). TKN(total Kjeldahl nitrogen) 농도와 암모니아성 질소 농도는 증류-적정법을 이용하여 분석하였고11), 단백질 농도는 TKN과 암모니아성 질소 농도의 차이(유기성 질소)에 6.25를 곱하여 산정하였다. 에탄올, 아세트산, 프로피온산 농도는 FID(flame ionization detector)를 장착한 GC(gas chromatograph)를 이용하여 분석하였다.
2μm 필터를 이용하여 용존성 시료를 분리하여 에탄올, 아세트산, 프로피온산 등의 분석에 이용하였다. pH는 실험실용 전자 pH 측정기를 이용하여 측정하였다. Standard Methods 방법을 이용하여 총고형물(total solids), 휘발고형물(volatile solids; VS) 및 현탁고형물(suspended solids; SS)을 측정하였고11), 전체 시료 중 총고형물을 제외한 질량비를 함수율(moisture content; MC)로 정의하였다.
시료 채취 후 1.2μm 필터를 이용하여 용존성 시료를 분리하여 에탄올, 아세트산, 프로피온산 등의 분석에 이용하였다.
25를 곱하여 산정하였다. 에탄올, 아세트산, 프로피온산 농도는 FID(flame ionization detector)를 장착한 GC(gas chromatograph)를 이용하여 분석하였다. 중금속 및 독성물질(Cu, Cd, Pb, Hg, As, Cr6+, 총Cr, 시안(CN-))은 폐기물공정시험법에 따라 분석하였다.
대상 데이터
따라서 본 연구에서는 음폐수의 체계적인 성상 분석을 통하여 음폐수 혐기소화의 공정 설계 및 운영에 기초자료를 제공하고자 하였으며, 특히 사료화 및 퇴비화 시설에서 유래하는 음폐수의 성상을 비교하였다. 시료는 수도권매립지에 반입되는 음폐수를 무작위적으로 27개 선택하였고, 탄수화물, 단백질, 지방과 같은 유기물 성분과 중금속을 포함하여 총 21개 항목을 분석하였다.
음폐수 시료는 수도권매립지로 반입되는 음폐수 이송 차량이 음폐수를 저장조로 내리는 이송 호스에서 채취하였다. 2009년 1월부터 12월 사이에 약 2주 간격으로 1회씩 샘플을 채취함으로써 음폐수의 연중 성상 변동이 실험 결과에 반영되도록 하였다.
2009년 1월부터 12월 사이에 약 2주 간격으로 1회씩 샘플을 채취함으로써 음폐수의 연중 성상 변동이 실험 결과에 반영되도록 하였다. 채취된 시료의 개수는 사료화 공정 유래 음폐수가 20건, 퇴비화 공정 유래 음폐수가 7건으로서 2009년 당시 수도권매립지 음폐수 반입량 비율을 대변하였다.
데이터처리
두 시료 집단(사료화 및 퇴비화 공정 유래 음폐수)의 평균값이 동일한지 여부는 일원분산분석(one-way analysis of variance)을 통하여 검정하였다. 일원분산분석은 R 프로그램의 "anova" 함수를 이용하여 수행하였다.
일원분산분석은 R 프로그램의 "anova" 함수를 이용하여 수행하였다.
이론/모형
COD(chemical oxygen demand) 및 용존성 COD는 Standard Methods의 “closed reflux, colorimetric method”에 따라 결정하였다.
에탄올, 아세트산, 프로피온산 농도는 FID(flame ionization detector)를 장착한 GC(gas chromatograph)를 이용하여 분석하였다. 중금속 및 독성물질(Cu, Cd, Pb, Hg, As, Cr6+, 총Cr, 시안(CN-))은 폐기물공정시험법에 따라 분석하였다. pH, 중금속 및 독성물질을 제외한 모든 분석은 2반복하였다.
COD(chemical oxygen demand) 및 용존성 COD는 Standard Methods의 “closed reflux, colorimetric method”에 따라 결정하였다. 탄수 화물 농도는 페놀-황산법을 이용하여 분석하였고12), 지방 농도는 클로로포름:메탄올(1:2 v/v)용매를 이용한 추출법으로 분석하였다13). TKN(total Kjeldahl nitrogen) 농도와 암모니아성 질소 농도는 증류-적정법을 이용하여 분석하였고11), 단백질 농도는 TKN과 암모니아성 질소 농도의 차이(유기성 질소)에 6.
성능/효과
0% 이상의 변화율(coefficient of variance)을 나타내어, 시료 간 성상변동이 비교적 컸음을 알 수 있었다. pH는 7.4%의 비교적 작은 변화율을 나타냈으나, pH는 수소이온 농도의 음의 로그값을 나타내므로 수소이온 농도의 변화율을 살펴보면 51.0%로 큰 값을 보였다. 음폐수의 “종합(aggregate) 성상”을 대표하는 휘발고형물, 현탁고형물, COD, 용존성 COD의 변화율은 각각 28.
pH를 제외한 음폐수 성상 항목들은 20.0% 이상의 변화율(coefficient of variance)을 나타내어, 시료 간 성상변동이 비교적 컸음을 알 수 있었다. pH는 7.
4]에 표시하였다. 겨울철 음폐수는 여름철 음폐수에 비하여 pH, 함수율(5.1%), 탄수화물(60.8%), 단백질(5.7%), 에탄올(12.7%) 값이 더 높았고, 휘발고형물(37.6%), 현탁고형물(40.4%), COD(6.7%), 용존성 COD(20.2%), TKN(7.5%), 지방(44.5%), 아세트산(37.9%), 프로피온산(80.0%)은 더 낮은 값을 나타내었다. 일원분산분석 결과 COD, 용존성 COD, 단백질, 에탄올의 4개 항목은 10% 유의수준에서 차이가 없었으며, 나머지 8개 항목에 대해서는 유의성이 있었다([Fig.
3% 가량 농도가 낮은 폐수인 것으로 나타났다. 그러나 일원분산 분석 결과 관찰된 모든 항목에서 사료화 음폐수와 퇴비화 음폐수의 성상이 차이를 보이지 않았다(5% 또는 10% 유의수준). 즉, 사료화 및 퇴비화 음폐수의 성상을 평균값으로 비교했을 시에는 사료화 음폐수가 대부분의 항목에서 농도가 다소 낮은 것으로 나타났지만, 통계적으로 유의할 만큼의 수준은 아니었다.
0%에 해당하였다. 따라서 음폐수의 유기물은 본 연구의 분석 항목인 탄수화물, 단백질, 지방, 에탄올, 아세트산, 프로피온산의 조합으로 대부분 설명됨을 알 수 있다.
이러한 유기물의 발효 시에는 COD의 직접적인 감소보다는 COD를 구성하는 물질간의 전환(예: 탄수화물→에탄올, 아세트산)이 주로 일어난다고 볼 수 있다. 따라서 종합 성상 항목인 COD보다 세부 항목인 탄수화물, 에탄올 등의 시료 간 변이 요소가 더 크며, 이것은 더 높은 변화율로 나타날 수 있다.
083). 본 연구에서 채취된 사료화 공정 음폐수의 시료 수는 20건이었으나, 퇴비화 공정 음폐수의 시료 수는 총 7건으로서 계절별 성상을 통계적으로 유의미하게 비교하기에는 다소 적었다. 후속 연구로서 사료화 및 퇴비화 공정 모두를 계절별로 충분한 시료 수를 확보하여 비교⋅분석한다면 재활용 공정 및 계절의 두 가지 요인에 의한 음폐수 성상 변화를 조사할 수 있을 것으로 사료된다.
음폐수는 산성을 띠며 비교적 높은 세부 성상(탄수화물, 단백질, 지방, 에탄올, 아세트산, 프로피온산 등)의 변화율을 나타냈다. 사료화 및 퇴비화 음폐수 성상을 비교한 결과, 평균값 기준으로 사료화가 다소 낮은 농도를 보였으나 일원 분산분석에 따른 통계적 차이는 유의성이 없었다.
2]에 표시하였다. 사료화 음폐수는 퇴비화 음폐수에 비하여 pH, 휘발고형물(12.4%), 현탁고형물(22.4%), COD(4.7%), 용존성 COD(3.6%) 등 대부분의 종합 성상은 물론, 탄수화물(20.5%), 단백질(4.5%), 지방(9.1%), TKN(2.3%), 암모니아성 질소(16.8%), 에탄올(3.3%), 아세트산(13.9%), 프로피온산(38.3%) 등 대부분의 측정 항목이 낮게 나타났다. 즉, 사료화 음폐수는 퇴비화 음폐수에 비하여 2.
음폐수에 존재하는 중금속 및 독성물질 분석 결과를 [Table 2]에 나타내었다. 음폐수에서 Cu, Cd, Pb, As, Cr6+, 총Cr의 6개 항목이 검출되었고, Hg 및 시안은 모든 시료에서 불검출되었다. 수도권매립지는 Cu, Cd, Pb, As, Cr6+, 총 Cr에 대하여 각각 3.
음폐수의 “종합(aggregate) 성상”을 대표하는 휘발고형물, 현탁고형물, COD, 용존성 COD의 변화율은 각각 28.5, 38.6, 20.1, 24.0%를 나타냄에 반면, 세부 성상 항목인 탄수화물, 단백질, 지방, 암모니아성 질소, 에탄올, 아세트산, 프로피온산은 각각 52.9, 25.6, 42.6, 68.9, 33.6, 36.6, 111.7%의 변화율을 보였다.
4%의 높은 비율을 보였다. 음폐수의 COD 값은 평균 150.6 g/L로서 매우 높은 유기물 함량을 나타내었다. 음폐수의 세부 성상 중 COD 유발 물질인 탄수화물(113%), 단백질(120%), 지방(203%), 에탄올(209%), 아세트산(107%), 프로피온산(151%)의 COD 전환율(괄호 안의 값)16)을 적용하여 합산한 결과, COD 당량의 합계는 평균 143.
6 g/L로서 매우 높은 유기물 함량을 나타내었다. 음폐수의 세부 성상 중 COD 유발 물질인 탄수화물(113%), 단백질(120%), 지방(203%), 에탄올(209%), 아세트산(107%), 프로피온산(151%)의 COD 전환율(괄호 안의 값)16)을 적용하여 합산한 결과, COD 당량의 합계는 평균 143.1 g/L로서 실측 COD인 150.6 g/L의 95.0%에 해당하였다. 따라서 음폐수의 유기물은 본 연구의 분석 항목인 탄수화물, 단백질, 지방, 에탄올, 아세트산, 프로피온산의 조합으로 대부분 설명됨을 알 수 있다.
음폐수의 휘발고형물은 85.0±2.9 g/L로서, 총 고형물 대비 평균 84.4%의 높은 비율을 보였다.
0%)은 더 낮은 값을 나타내었다. 일원분산분석 결과 COD, 용존성 COD, 단백질, 에탄올의 4개 항목은 10% 유의수준에서 차이가 없었으며, 나머지 8개 항목에 대해서는 유의성이 있었다([Fig. 3]과 [Fig. 4]). 여름철 음폐수는 겨울철에 비하여 pH와 탄수화물이 낮고 아세트산과 프로피온산이 높았는데, 그 원인 중 하나로서 보관/수송 중 높은 외기 온도에 의하여 미생물 활성이 증대되어 부분적인 산발효가 일어났을 것으로 추측할 수 있었다5).
3%) 등 대부분의 측정 항목이 낮게 나타났다. 즉, 사료화 음폐수는 퇴비화 음폐수에 비하여 2.3~38.3% 가량 농도가 낮은 폐수인 것으로 나타났다. 그러나 일원분산 분석 결과 관찰된 모든 항목에서 사료화 음폐수와 퇴비화 음폐수의 성상이 차이를 보이지 않았다(5% 또는 10% 유의수준).
여름철 음폐수는 겨울철에 비하여 pH와 탄수화물이 낮고 아세트산과 프로피온산이 높았는데, 그 원인 중 하나로서 보관/수송 중 높은 외기 온도에 의하여 미생물 활성이 증대되어 부분적인 산발효가 일어났을 것으로 추측할 수 있었다5). 한편 COD 중 용존성 COD의 비율은 겨울철 54%, 여름철 64%로서, 여름철 음폐수가 용존성 유기물을 더 높은 비율로 함유하고 있는 것을 알 수 있었다(p value = 0.083). 본 연구에서 채취된 사료화 공정 음폐수의 시료 수는 20건이었으나, 퇴비화 공정 음폐수의 시료 수는 총 7건으로서 계절별 성상을 통계적으로 유의미하게 비교하기에는 다소 적었다.
후속연구
이것은 비록 사료화 및 퇴비화 공정이 서로 다른 단위공정으로 이루어져 있으며 생산물도 서로 다르지만, 음폐수가 주로 발생할 것으로 예상되는 단위공정(세척, 파쇄 등)은 서로 유사하기 때문인 것으로 사료된다10). 다만, 각각의 자원화 시설별 단위공정 구성은 서로 다르기 때문에 개별 자원화 시설의 공정 특성에 따라 서로 다른 성질의 음폐수가 발생할 소지가 있으며, 이에 대해서는 후속연구가 필요할 것으로 생각된다.
중금속은 고농도로 존재할 경우 식물, 어류 등의 진핵생물은 물론 미생물의 생장에 저해를 줄 수 있다18,19). 음폐수에 포함된 Cu 등의 중금속은 혐기소화 미생물의 활성에 영향을 끼칠 수 있으므로 단기/장기적인 저해 효과에 대한 연구가 필요하다고 사료된다.
후속 연구로서 사료화 및 퇴비화 공정 모두를 계절별로 충분한 시료 수를 확보하여 비교⋅분석한다면 재활용 공정 및 계절의 두 가지 요인에 의한 음폐수 성상 변화를 조사할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
혐기소화란?
혐기소화는 유기성 폐자원으로부터 바이오에너지를 생산하는 공정이다. 혐기소화는 혐기성 미생물의 상호작용에 의하여 탄수화물, 단백질, 지방 등의 원류 유기물을 당류, 아미노산, 지방산 등의 중간물질을 거쳐 최종적으로는 메탄, 이산화탄소 등의 바이오가스로 전환시킨다.
혐기소화의 과정은?
혐기소화는 유기성 폐자원으로부터 바이오에너지를 생산하는 공정이다. 혐기소화는 혐기성 미생물의 상호작용에 의하여 탄수화물, 단백질, 지방 등의 원류 유기물을 당류, 아미노산, 지방산 등의 중간물질을 거쳐 최종적으로는 메탄, 이산화탄소 등의 바이오가스로 전환시킨다. 혐기소화는 음식물류폐기물을 비롯하여 축산분뇨, 하수슬러지 등 다양한 유기성 폐자원을 처리하는데 이용되고 있다3).
혐기소화 원료 물질의 성상이 변화율을 고려하여 파악되어야 하는 이유는?
혐기소화 공정의 설계 및 운전에 있어서 원료물질의 성상은 매우 중요한 요소이다. 일반적으로 유기성 폐자원은 유입 성상 편차가 있으므로 유기물 과부하의 위험성이 존재한다. 가령 미생물 분해가 비교적 쉬운 탄수화물이 과량 유입되는 경우 혐기성 세균(bacteria)과 고세균(archaea)간의 생장불균형이 일어나 유기산 축적과 pH 감소 등의 문제가 발생할 수 있다7). 한편 단백질이나 지방의 과부하가 일어날 경우에는 단백질과 지방 분해에서 유래되는 암모니아와 고급 지방산(long chain fatty acid)에 의하여 공정 저해가 일어날 가능성이 있다. 따라서 혐기소화 원료 물질의 성상은 변화율을 고려하여 파악되어야 한다.
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