[논문]미생물제재를 이용한 혐기성소화조 바이오가스 생산 극대화와 실증화에 관한 연구

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doi:10.17703/jcct.2018.4.2.179

미생물제재를 이용한 혐기성소화조 바이오가스 생산 극대화와 실증화에 관한 연구
Study on maximization and demonstration of biogas production in an anaerobic digester using a microbial agent 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.4 no.2, 2018년, pp.179 - 183

초록
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요즘 음식물쓰레기를 혐기성소화조에서 바이오가스와 유기성 퇴비를 생산하고자 하는 연구가 늘어나고 있다. 본 연구에서는 음식물쓰레기를 미생물제재로 발효시켜 바이오가스와 퇴비를 생산하기 위한 기초실험을 행하였다. 먼저, 각종 미생물을 조합하여 미생물재제를 개발하고, 이를 음식물쓰레기 Batch실험에서 발생하는 바이오가스 발생량을 확인하였다. 또한 실증플랜트에서 바이오가스 발생량과 퇴비화를 통해 혐기성소화조 바이오가스 생산 극대화와 실증화를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, several studies have been conducted on biogas and organic compost production using food waste in an anaerobic digester. In this study, basic experiments were conducted to produce biogas and compost by fermenting food wastes with microbial agents. First, a microbial agent was developed by combining various microorganisms. Then, the amount of generated biogas was identified through a food waste batch experiment. Further, we could maximize and demonstrate biogas production in an anaerobic digester by examining biogas production and composting in a pilot plant.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 미생물제재를 개발하고 혐기성소화조에서 바이오가스 생산 극대화를 위해 Batch 실험에서 적합한 실험조건을 도출하고, 기초 데이터를 바탕으로 실증플랜트 실험을 통해 발생하는 바이오 가스량과 퇴비화 결과를 통해 실증화를 확인하고자 한다.
본 연구에서는 미생물제재를 이용한 혐기성소화조 바이오가스 생산극대화와 실증화를 위하여 미생물제재를 배양하고 Batch 실험을 처친 후 실증플랜트에서 바이오가스 발생량과 비료화 실험결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

본 연구를 위해 Celllulosimicrobium cellulans, Empedobacter breve, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis 및 Clostridium butyricum을 사용하였다. C. cellulans은 Sporulation Agar, B. amyloliquefaciens은 Spizizen Potato Agar, C. butyricum은 Reinforced Clostridial Medium에서, F. breve, B. licheniformis 및 B. subtilis는 Nutrient 배지에서 밤샘 진탕배양 및 도말배양 후, 탁도 0.5로 희석하여 발효조 투입할 균액을 제조하였다.
GC/FID(HP 5890A Ⅱ, Hewlett packard, USA)를 사용하여 Run1-3에서 발생한 가스를 측정하여 발생량(면적)을 분석하였다.
그리고 실측한 가스저장탱크의 압력과 바이오가스 성분분석 시험성적서의 CH₄와 CO₂의 발생 결과(%)로 음식물쓰레기 소화효율(%)을 산출하였다. 또한 바이오가스 생산량을 투입한 음식물 쓰레기양으로 나누어 바이오가스 생산량(단위환산)을 추산하였다. Run1과 2의 바이오가스 생산량은 같으나 Run1 소화효율이 높고 특히 CH4의 발생량이 많아 앞으로의 바이오가스 발생에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
subtilis 등의 미생물 균주를 첨가였다. 미생물에 의한 음식물쓰레기의 신속한 분해를 위해 반응조 하단부위부터 impeller를 이용하여 교반하였다. C.
이 장치는 전기컨트롤부와 반응조로 나누어져 있으며 컨트롤부에서 반응조의 온도와 교반속도를 표시하고, 반응조에는 교반을 위한 모터와 온도 유지를 위한 열선으로 구성되어 있다. 반응조에 약 3kg의 음식물쓰레기를 투입하고 각 미생물의 배양온도(26-37℃) 맞추어 실험을 하였으며 배양기간 31일간을 유지한 다음, 발생가스를 포집하였다.
혐기성소화조에서는 약 19-23일 발효를 시키면서 발생하는 바이오가스를 바이오가스저장탱크에 저장하였다. 발효가 끝나면 발생한 바이오가스를 포집하여 분석을 의뢰하였으며, 발효가 끝난 음식물쓰레기는 고속발효기로 옮겨져 호기성 상태에서 15-20일 경과 후 퇴비를 진행하였다. 퇴비화가 끝나면 퇴비성분 분석과 병원성 미생물 분석을 의뢰하였다.
실증플랜트 실험에서 음식물 쓰레기를 약 30kg을 파쇄하고 혐기성소화조로 옮겨 미생물과 함께 투입한 후각 실험기간에 따라 발효를 진행하였다.
앞에서 배양한 호기성 미생물 5종과 혐기성 미생물 1종을 배양하여 음식물 Batch 실험을 하였으며, 약 3k의 음식물에 조건(표 2.)을 Run1-3으로 나누어 실험을 하였다.
외부의 공인시험기관에 의뢰하여, 발생가스(CH4, CO₂)는 GC/FID로, 퇴비는 농촌진흥청 비료의 품질 검사방법 및 시료채취기준 제10조 제1항의 규정에 따라 공정분석법과 병원성 미생물(병원성 대장균(Escherichia coil O157:H7)와 병원성 살모넬라(Salmonella spp.) )로 분석한 결과를 사용하였다.
발효가 끝나면 발생한 바이오가스를 포집하여 분석을 의뢰하였으며, 발효가 끝난 음식물쓰레기는 고속발효기로 옮겨져 호기성 상태에서 15-20일 경과 후 퇴비를 진행하였다. 퇴비화가 끝나면 퇴비성분 분석과 병원성 미생물 분석을 의뢰하였다. 그림 2.
파쇄된 음식물쓰레기 약 3kg이 포함된 반응조에 탄수화물, 지방, 단백질 등을 가수분해 할 수 있는 C. cellulans, E. breve, B. amyloliquefaciens, B. licheniformis, B. subtilis 등의 미생물 균주를 첨가였다. 미생물에 의한 음식물쓰레기의 신속한 분해를 위해 반응조 하단부위부터 impeller를 이용하여 교반하였다.

대상 데이터

본 연구를 위해 Celllulosimicrobium cellulans, Empedobacter breve, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis 및 Clostridium butyricum을 사용하였다. C.

성능/효과

1. 호기성 미생물 5종과 혐기성 미생물 1종을 배합하여 미생물재제를 만들었으며 이를 Batch 실험 장치에 적용시켜 바이오가스가 많이 발생하는 조건으로 Run1이 결정되었다.
2. 실증플랜트 실험 중 바이오가스의 결과, 조건 Run1의 경우에서 CH₄ 37.0%, CO₂ 15.5%, 소화효율 68.3%, 바이오가스 생산량(단위환산) 189.8m³/ton으로 가장 높은 결과를 나타냈다.
3. 실증플랜트 실험 중 퇴비화 결과, 농촌진흥청의 비료의 품질검사 방법 및 시료채취기준의 규정에 따라 공정분석법으로 분석하였고, 조건 Run1의 경우가 모든 항목에 적합한 것으로 나타났다. 또한 병원성 미생물 분석 결과는 Run1-3 모두 음성으로 판정되었다.
73m³으로 계산하였다. 그리고 실측한 가스저장탱크의 압력과 바이오가스 성분분석 시험성적서의 CH₄와 CO₂의 발생 결과(%)로 음식물쓰레기 소화효율(%)을 산출하였다. 또한 바이오가스 생산량을 투입한 음식물 쓰레기양으로 나누어 바이오가스 생산량(단위환산)을 추산하였다.
)가 Run1-3에 모두 검출되지 않아 기준치를 만족하였다. 병원성 대장균의 검사 결과 청록색 colony가 검출되지 않아 병원성 대장균 음성으로 판정하였소, 병원성 살모넬라의 검사 결과 검은색 colony가 검출되지 않아 병원성 살모넬라 음성으로 판정하려 병원성 미생물 기준도 만족한 것으로 나타났다.
Run1은 기준치를 모두 만족하였으나, Run2와 3은 유기물 함량이 기준치(30이상)보다 약간 낮았으며, 유기물과 질소의 비는 기준치(45이하)보다 높은 것으로 나타났다. 퇴비화의 병원성 미생물 검사 결과는 병원성 대장균과 병원성 살모넬라(Salmonella spp.)가 Run1-3에 모두 검출되지 않아 기준치를 만족하였다. 병원성 대장균의 검사 결과 청록색 colony가 검출되지 않아 병원성 대장균 음성으로 판정하였소, 병원성 살모넬라의 검사 결과 검은색 colony가 검출되지 않아 병원성 살모넬라 음성으로 판정하려 병원성 미생물 기준도 만족한 것으로 나타났다.

후속연구

4. 이와 같은 실험결과를 바탕으로 음식물쓰레기를 바이오가스 생산과 퇴비화를 위한 미생물재제가 개발되었으며, 이를 실증플랜트에 적용시킴으로써 앞으로의 바이오가스 생산 산업에 더 효율적이고 실질적이고 필요한 공정이 개발의 중요한 인자로 인용될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	음식물 쓰레기 Batch 실험 장치의 구성은 무엇인가?	에는 Batch 실험 장치와 반응조 도면을 나타냈다. 이 장치는 전기컨트롤부와 반응조로 나누어져 있으며 컨트롤부에서 반응조의 온도와 교반속도를 표시하고, 반응조에는 교반을 위한 모터와 온도 유지를 위한 열선으로 구성되어 있다. 반응조에 약 3kg의 음식물쓰레기를 투입하고 각 미생물의 배양온도(26-37℃) 맞추어 실험을 하였으며 배양기간 31일간을 유지한 다음, 발생가스를 포집하였다.
	우리나라에서 발생하는 대표적인 유기성폐자원은?	우리나라에서 발생하는 유기성폐자원은 음식물 쓰레기. 축산 분뇨. 그리고 하수슬러지가 대표적이다[1]. 음식물쓰레기와 축산분뇨는 사료화 또는 퇴비화 방식으로 처리되었으나 이 또한 생산되는 퇴비나 사료는 품질이 낮고 판로가 한정이 되어있어서 실제 재활용 효과가 크지 않으며 하수슬러지와 축산 분뇨는 2012년부터 음식물쓰레기폐수는 2013년부터 해양투기가 금지되어 유기 성폐자원에 대한 새로운 처리 방안이 시급한 실정이다.
	음식물쓰레기와 축산분뇨가 실제 재활용 효과가 크지 않은 이유는?	그리고 하수슬러지가 대표적이다[1]. 음식물쓰레기와 축산분뇨는 사료화 또는 퇴비화 방식으로 처리되었으나 이 또한 생산되는 퇴비나 사료는 품질이 낮고 판로가 한정이 되어있어서 실제 재활용 효과가 크지 않으며 하수슬러지와 축산 분뇨는 2012년부터 음식물쓰레기폐수는 2013년부터 해양투기가 금지되어 유기 성폐자원에 대한 새로운 처리 방안이 시급한 실정이다. 현재 국내에서 운영 중인 55개 바이오가스화시설 처리현황을 보면 바이오가스 생산효율이 평균 13 ㎥/ton에 그치는 것으로 나타났다.

참고문헌 (6)

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S. Tafdrup, "Viable energy production and waster recycling from anaerobic digestion of manure and other biomass materials", Biomass Bioenergy, 9(5) pp. 1-14, 1995

상세보기
J.I. Oh, E.J. Yoon, I. Park and Y.M. Kim, "Analysis of Greenhouse Gas Reduction according to Different Scenarios of Zero Food Waste Residential Buildings", J. Korean Soc. Environ. Eng., 38(7), pp. 353-363, 2016

원문보기 상세보기
Establishment and designation of fertilizer process standards [Implementation 2016.6.25.] [Rural Development Administration Notice 2016-26]

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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