[논문]해조류 첨가를 통한 음식물쓰레기의 혐기성소화 효율 증대

신상룡; 이모권; 권오태; 김지훈; 한규현; 김동훈

doi:10.17137/korrae.2017.25.3.55

해조류 첨가를 통한 음식물쓰레기의 혐기성소화 효율 증대
Enhanced Anaerobic Digestion Efficiency of Food Waste by Seaweed Addition 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.25 no.3, 2017년, pp.55 - 62

신상룡 (인하대학교 사회인프라공학과) , 이모권 (인하대학교 사회인프라공학과) , 권오태 (인천과학고등학교) , 김지훈 (인천과학고등학교) , 한규현 (인천과학고등학교) , 김동훈 (인하대학교 사회인프라공학과)

초록
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본 연구는 해조류 첨가를 통한 음식물쓰레기의 소화효율 증대효과를 알아보기 위해 다양한 농도(2.5~10.0 g VS/L)와 혼합비율(FW:SW=100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100, VS 농도 기준)에서 회분식 실험을 수행하였다. 음식물쓰레기의 단일소화의 경우 농도가 증가함(2.5~10.0 g VS/L)에 따라 메탄전환율이 394, 377, 276, $49mL\;CH_4/g\;VS_{added}$로 감소하는 경향을 보였다. 음식물쓰레기에 해조류의 첨가 비율이 높아질수록 낮은 기질농도(2.5~5.0 g VS/L)에서는 메탄전환율이 감소하였으나(최대 15% 감소) 높은 기질농도(7.5~10.0 g VS/L)에서는 메탄전환율이 증가하였다(최대 240% 상승). 또한 음식물쓰레기와 해조류의 단일소화 시 발생된 메탄가스의 양을 기반으로 상승효과에 의한 메탄발생량을 계산한 결과, 2.5, 5.0 g VS/L에서는 상승효과가 없었고, 7.5, 10.0 g VS/L의 경우에는 해조류의 비율이 높아질수록 상승효과가 최대 25 % (= 상승효과에 의한 메탄발생량/혼합소화 시 실제 발생한 메탄발생량, 기질농도 10.0 g VS/L, 혼합비율 50:50)까지 상승하였다. 음식물쓰레기의 농도가 10.0 g VS/L로 높은 경우 단일소화 시(FW=SW=100:0) 유기산 축적량이 7,426 mg COD/L까지 증가하였고, 해조류를 첨가하면(FW:SW=50:50) 유기산 축적량이 2,346 mg COD/L로 감소하였다. 이는 비교적 생분해도가 낮은 해조류를 첨가함으로서 유기산 생산속도의 조절을 통해 유기산이 축적되는 것을 억제하여 상승효과가 발생한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated the effect of seaweed (SW) addition on the anaerobic digestion of food waste (FW). Anaerobic batch experiments were carried out at various substrate concentrations (2.5 to 10.0 g VS/L) and mixing ratios (FW:SW=100:0, 75:25, 50:50, 25:75 and 0:100 on VS basis) of FW and SW. The methane yield of FW alone was 394, 377, 276, $49mL\;CH_4/g\;VS_{added}$ at each substrate concentration (2.5 to 10.0 g VS/L). In cases of co-digestion, methane yield decreased (up to 15 %) with increasing mixing ratio of SW at low substrate concentration (2.5 to 5.0 g VS/L), while it increased (up to 240 %) at high substrate concentration (7.5 to 10.0 g VS/L). The synergistic effect was calculated based on the amount of methane generated from the single-feedstock digestion of FW and SW. The synergistic effect was not found at 2.5 and 5.0 g VS/L. However, the synergistic effect increased (up to 25% = synergistic increment/total methane production at 10.0 g VS/L, FW:SW=50:50) with increasing the ratio of seaweed at 7.5 and 10.0 g VS/L. At 10.0 g VS/L of FW alone, the accumulated amount of organic acids was 7,426 mg COD/L, which was decreased to 2,346 mg COD/L by seaweed (FW:SW=50:50) addition. The reason for the synergistic effect was to control the production rate of the organic acids by adding SW that has a relatively lower biodegradability compared to FW.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 위에서 언급한 바와 같이 해조류를 이용해 바이오에너지를 생산하는 연구가 활발히 진행되고 있는 반면, 해조류를 유기성폐기물과의 혼합소화에 대한 연구는 많이 진행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 음식물쓰레기와 해조류의 다양한 기질농도와 혼합비율 조건의 혼합소화를 통해 고농도의 음식물쓰레기 혐기성소화 시 낮은 소화효율의 증대효과에 대한 연구를 진행하였다.

가설 설정

production)을 계산하였다. 그리고 실제 메탄발생량과 비교하여 추가적으로 생산된 메탄발생량을 상승효과에 의한 메탄발생량(Extra CH₄ production)으로정의하였다.

제안 방법

다양한 기질의 농도에서 음식물쓰레기와 해조류의 비율을 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100으로 하여 혼합소화 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 유효부피 100 mL(총 부피 280 mL)의 serum bottle에 식종슬러지의 농도를 7.5 g VS/L,혼합기질의 농도를 2.5, 5.0, 7.5, 10.0 g VS/L, 각 혼합기질의 농도에서 음식물쓰레기와 해조류의 비율을 VS 기준으로 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100으로 하였다. 초기 pH를 2 N KOH 용액으로 7.
음식물쓰레기와 해조류의 단일소화 시 발생한 실제 메탄발생량(Actual CH₄production)을 기반으로 혼합비율별 추정 메탄발생량(Estimated CH₄ production)을 계산하였다. 그리고 실제 메탄발생량과 비교하여 추가적으로 생산된 메탄발생량을 상승효과에 의한 메탄발생량(Extra CH₄ production)으로정의하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 식종슬러지는 I 지역 하수처리장 혐기성소화조에서 유출되는 소화슬러지와 D지역 맥주공장의 폐수처리공정에 이용되는 그래뉼슬러지를 동일한 부피비로 혼합하였고, 그래뉼슬러지는 혼합 시 균일성을 높이기 위해 믹서로 분쇄 후, 2 mm체로 걸러 사용하였다. 혼합소화에 이용된 기질로는 I 지역의 대학 내에 위치한 학생식당의 음식물쓰레기를 믹서로 분쇄 후 2 mm체로 거르고, 해조류는 거대 해조류의 하나인 다시마(Laminaria japonica)를 사용하였다.
컬럼은 6 ft ˟ 1/8 inch stainless steel column with porapak Q(80/100 mesh)를 이용하였고, GC 측정 조건으로 INJECTOR, COLUMN, DETECTOR의 온도를 각각 50, 80, 90℃ 로 하였다. 운반기체는 고순도질소(N₂, 99.999 %)가스를 사용하였으며 유속은 30mL/min으로 유지하였다. 유기산의 분석은 실험 후 반응기 내부의 상등액을 0.
본 연구에서 사용된 식종슬러지는 I 지역 하수처리장 혐기성소화조에서 유출되는 소화슬러지와 D지역 맥주공장의 폐수처리공정에 이용되는 그래뉼슬러지를 동일한 부피비로 혼합하였고, 그래뉼슬러지는 혼합 시 균일성을 높이기 위해 믹서로 분쇄 후, 2 mm체로 걸러 사용하였다. 혼합소화에 이용된 기질로는 I 지역의 대학 내에 위치한 학생식당의 음식물쓰레기를 믹서로 분쇄 후 2 mm체로 거르고, 해조류는 거대 해조류의 하나인 다시마(Laminaria japonica)를 사용하였다. 다시마는 흐르는 물에 염분을 씻어낸 후 105℃에서 2시간 동안 건조시켜 믹서로 분쇄하여 가루형태로 만들어 증류수 1 L에 혼합하여 사용하였다.

이론/모형

식종슬러지, 기질에 대한 TS(Total solids),VS(Volatile solids) 및 TCOD(Total chemical oxygen demand)는 standard methods에 따라 측정하였고,¹³⁾pH는 pH meter(HM-30R, DDK-TOA)로 측정하였다. 바이오가스 발생량은 가스포집용 실린지를 이용하여 채취한 후 표준압력-온도 조건 STP(Standard temperature and pressure, STP)으로 환산하였고, 메탄가스의 함량은 serum bottle의 기상부분의 가스를 GAS-TIGHT SYRINGE로 0.

성능/효과

1. 음식물쓰레기의 단일소화 시 기질 농도가 2.5∼10.0 g VS/L로 증가할수록 메탄전환율이 422, 395, 282, 103 mL CH₄/g V_Sadded로 감소하였다.
2. 해조류를 첨가하여 혼합소화 시 해조류의 비율이 증가할수록 낮은 기질 농도(2.5∼5.0 g VS/L)에서는 메탄전환율이 최대 15 % 감소한 반면, 높은 기질 농도(7.5∼10.0 g VS/L)에서는 최대 240 % 증가하였다.
2). 2.5, 5.0 g VS/L에서는 해조류의 비율이 증가할수록 메탄발생량도 감소하고 상승효과도 없는 것으로 나타났지만, 7.5, 10.0 g VS/L에서는 해조류의 첨가로 인해 메탄발생량도 증가하고 상승효과에 의한 메탄발생량도 크게 증가하는 것으로 나타났고, 10.0 g VS/L, FW:SW=50:50에서 최대 25%(= 혼합소화 시 상승효과에 의한 메탄발생량/혼합소화 시 실제발생한 메탄발생량)상승하였다.
4. 이는 음식물쓰레기의 빠른 산 생성 속도를 해조류의 첨가를 통해 조절하여 메탄생성단계와 균형을 이루었기 때문에 초기 유기산의 축적이 감소하면서 상승효과가 발생한 것으로 판단된다.
0 g VS/L에서는 상승효과가 미미하거나 발생하지 않았다. 반면, 7.5, 10.0 g VS/L에서는 해조류에 비율이 높아질수록 상승효과에 의한 메탄생산량이 증가하는 경향을 나타내었다. 10.
0 g VS/L(FW:SW=25:75)에서 음식물쓰레기의 단일소화(FW:SW=100:0)와 비교하여 최대 약 15 % 감소하는 것으로 나타났다. 반면, 7.5, 10.0 gVS/L에서는 음식물쓰레기의 단일소화(FW:SW=100:0) 시 누적 메탄발생량이 급격히 감소하였고 해조류의 첨가 비율이 증가할수록 메탄발생량이 증가하는 경향을 보이고, 혼합비율 FW:SW=25:75에서 음식물쓰레기 단일소화에 비해 약 240 % 증가하였다. 메탄발생량의 증가는 단순히 소화효율이 다른 기질을 혼합하였기 때문에 발생할 수 있고, 상승효과에 의해 발생할 수 있다.
위에서 살펴본 결과, 해조류의 첨가를 통한 상승효과는 음식물쓰레기의 농도가 낮은 경우에는 발생하지 않고 오히려 소화효율이 감소하였고, 높은 농도에서만 상승효과가 발생하여 소화효율이 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 실험종료 후 남은 유기산의 농도를 측정한 결과(Table 2), 낮은 농도(2.
음식물쓰레기의 단일소화(FW:SW=100:0)의 경우 각 기질농도에서 메탄전환율이 422, 395, 282, 103 mL CH₄/gVS_added로서 이는 이론적 메탄전환율(COD 기준)의 89 %, 83 %, 60 %, 22 %에 해당한다. 한편, 음식물쓰레기와 해조류의 혼합소화(FW:SW=75:25, 50:50, 25:75)의 경우 기질 농도 2.5, 5.0, g VS/L에서는 음식물쓰레기의 단일소화(FW:SW=100:0) 시 메탄발생량이 106, 198 mL로 가장 높았고 해조류의 비율이 증가할수록 메탄발생량이 감소하는 경향을 보였다. 예를 들어 5.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생분해도가 높은 음식물쓰레기의 경우 혐기성소화 효율은 어떠한가?	일반적으로 생분해도가 낮은 슬러지와 가축분뇨의 경우 가수분해단계의 속도가 다른 단계에 비해 느리기 때문에 전체반응속도를 좌우하는 율속단계가 되며4), 생분해도가 높은 음식물쓰레기의 경우 고세균에 의한 메탄생성단계가 율속단계가 된다.5) 이에 따라 음식물쓰레기는 농도가 높은 경우 산생성 단계와 메탄생성단계의 불균형으로 인해 혐기성소화 효율이 낮아지게 되고 이를 극복하기 위해 다른 기질과의 혼합소화가 연구되어져 왔다. 혼합소화는 서로 다른 특징을 가지는 유기성폐기물을 혼합하여 적정 C/N 비, 영양물질의 보충, 유해물질의 희석 등의 효과를 통해 단독기질의 단점을 보완하여 소화효율을 증가시키는 방법으로 기존에는 음식물쓰레기를 하수슬러지, 축산분뇨와 같은 다른 유기성폐기물을 첨가하여 혼합소화 하는 연구가 많이 보고되었다.
	혐기성소화에서 가수분해단계가 율속단계인 이유는 무엇인가?	혐기성소화는 가수분해, 산 생성, 메탄 생성의 3단계로 이루어져 있으며 기질의 특성에 따라 가수분해와, 메탄생성단계가 율속단계로 알려져 있다. 일반적으로 생분해도가 낮은 슬러지와 가축분뇨의 경우 가수분해단계의 속도가 다른 단계에 비해 느리기 때문에 전체반응속도를 좌우하는 율속단계가 되며4), 생분해도가 높은 음식물쓰레기의 경우 고세균에 의한 메탄생성단계가 율속단계가 된다.5) 이에 따라 음식물쓰레기는 농도가 높은 경우 산생성 단계와 메탄생성단계의 불균형으로 인해 혐기성소화 효율이 낮아지게 되고 이를 극복하기 위해 다른 기질과의 혼합소화가 연구되어져 왔다.
	혐기성소화의 3단계는?	혐기성소화는 가수분해, 산 생성, 메탄 생성의 3단계로 이루어져 있으며 기질의 특성에 따라 가수분해와, 메탄생성단계가 율속단계로 알려져 있다. 일반적으로 생분해도가 낮은 슬러지와 가축분뇨의 경우 가수분해단계의 속도가 다른 단계에 비해 느리기 때문에 전체반응속도를 좌우하는 율속단계가 되며4), 생분해도가 높은 음식물쓰레기의 경우 고세균에 의한 메탄생성단계가 율속단계가 된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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