[논문]음식물류 폐기물 특성 및 메탄 발생가능량 평가

이민규; 김경; 신현곤; 배기환; 김충곤; 박준석

doi:10.7464/ksct.2019.25.3.223

음식물류 폐기물 특성 및 메탄 발생가능량 평가
Estimation of Characteristics and Methane Production Rate of Food Waste 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.3, 2019년, pp.223 - 230

이민규 (강원대학교 지구환경시스템공학과) , 김경 (안양대학교 환경에너지공학과) , 신현곤 (신한대학교 에너지환경공학과) , 배기환 ((주)도화엔지니어링 플랜트설계1팀) , 김충곤 (고등기술연구원) , 박준석 (강원대학교 지구환경시스템공학과)

초록
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본 연구에서는 강원도 5개 지자체에서 발생된 음식물류 폐기물의 특성을 분석하고 메탄가스 발생량을 평가하였다. 시료는 2017년 7월과 9월에 걸쳐 총 2회 채취하였다. 메탄가스 발생가능량을 평가하기 위하여 BMP (biochemical Methane potential) 시험과 원소조성을 이용한 계산방법을 이용하였다. 음식물류 폐기물의 겉보기밀도는 평균 $0.758{\sim}0.850g\;cm^{-3}$, pH는 4.29 ~ 4.75이었다. 물리적 조성 중 주성분은 채소류가 56.43 ~ 72.81%로 가장 높았고, 과일류는 5.31 ~ 8.95%, 곡물류는 1.60 ~ 18.73%, 어육류는 4.47 ~ 12.11%, 여액은 1.76 ~ 3.64%이었다. 평균 수분함량은 69.30 ~ 75.87%, 가연분함량은 22.50 ~ 27.98%, 회분함량은 1.63 ~ 2.48%를 나타내었다. 또한 $BOD_5$는 $17,690.3{\sim}33,154.9mg\;L^{-1}$, $COD_{Cr}$은 $106,212.3{\sim}128,695.5mg\;L^{-1}$, 그리고 $COD_{Mn}$은 $51,266.1{\sim}63,426.3mg\;L^{-1}$의 범위를 보였고 NaCl 함량은 0.81 ~ 1.17%의 범위를 나타내었다. 원소분석 결과 C, H, O, N, S 함량은 각각 44.87 ~ 48.16%, 7.12 ~ 7.57%, 40.13 ~ 43.78%, 3.22 ~ 4.14%, 그리고 0.00 ~ 0.02%를 나타내었다. 음식물류 폐기물의 VS 단위질량당 메탄수율을 살펴보면 BMP 시험에 의한 메탄가스 발생누적량(${0.303{\sim}0.354m_{CH4}}^3\;{kg_{VS}}^{-1}$)은 원소조성과 생분해율을 반영하여 예측한 결과(${0.294{\sim}0.352m_{CH4}}^3\;{kg_{VS}}^{-1}$)와 큰 차이가 없었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research was performed to evaluate the characteristics of food waste from 5 areas in Gangwon Province, Korea and to predict the $CH_4$ gas production rate. Food wastes were sampled in July and September, 2017. The amount of methane gas generation was evaluated through the biochemical methane potential (BMP) test and a calculation method using chemical composition. Average bulk density and pH of the food wastes were in the range of $0.758{\sim}0.850g\;cm^{-3}$ and 4.29 ~ 4.75, respectively. By physical composition, vegetables were the highest with 56.43 ~ 72.81% with fruits recording 5.31 ~ 8.95%, cereals 1.60 ~ 18.73%, fish and meat 4.47 ~ 12.11%, and filtrate 1.76 ~ 3.64%. The average water content was 69.30 ~ 75.87%, and VS and ash content were 22.50 ~ 27.98% and 1.63 ~ 2.48%, respectively. In addition, $BOD_5$, $COD_{Cr}$, and $COD_{Mn}$ were in the ranges of $17,690.3{\sim}33,154.9mg\;L^{-1}$, $106,212.3{\sim}128,695.5mg\;L^{-1}$, and $51,266.1{\sim}63,426.3mg\;L^{-1}$, respectively. The NaCl content ranged from 0.81 to 1.17%. The results of elemental analysis showed that the contents of C, H, O, N, and S were 44.87 ~ 48.1%, 7.12 ~ 7.57%, 40.13 ~ 43.78%, 3.22 ~ 4.14%, and 0.00 ~ 0.02%, respectively. In a comparison of the methane production yield per VS mass of food waste, there was no significant difference between the cumulative amount (${0.303{\sim}0.354m_{CH4}}^3\;{kg_{VS}}^{-1}$) by the BMP test and the theoretical amount (${0.294{\sim}0.352m_{CH4}}^3\;{kg_{VS}}^{-1}$) calculated by chemical composition.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Bulk density and pH of food waste
표 Table 2. Physical composition of food waste (Unit : %, wet weight basis)
표 Table 3. Moisture, VS, and ash contents of food waste
그림 Figure 1. Cumulative methane yield by BMP test.
표 Table 4. BOD₅, COD_Cr, COD_Mn of food waste
표 Table 5. Cl^- and NaCl content of food waste (Unit : %, wet weight basis)
표 Table 6. Chemical composition of food waste (Unit : %, VS weight basis)
표 Table 7. Comparison of methane yield from BMP test and chemical composition analysis

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 강원도 5개 지자체에서 발생하는 음식물류 폐기물의 삼성분, pH, 염분농도, 원소분석 등을 분석하여 특성을 파악하고 BMP (biochemical methane potential) 시험과 원소조성을 이용한 계산방법을 통하여 메탄가스 발생가능량을 평가하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 강원도 5개 지자체에서 발생하는 음식물류 폐기물의 삼성분, pH, 염분농도, 원소분석 등을 분석하여 특성을 파악하고 BMP (biochemical methane potential) 시험과 원소조성을 이용한 계산방법을 통하여 메탄가스 발생가능량을 평가하고자 하였다.

제안 방법

유기물 원소조성(C, H, O, N 함량)을 이용하여 이론적 메탄가스 생성량을 계산한 결과를 Table 7에 나타내었다. BMP 시험결과와 비교하기 용이하도록 3회 반복(triplicate) 분석한 평균 원소조성 값을 Equation (1)에 대입하여 a, b, c, d 값을 구하고 이를Equation (2)에 대입한 후 메탄가스 발생량을 계산하였다. 원소조성으로 예측된 이론적 메탄가스 발생발생량은 0.
BMP (biochemical methane potential) 시험은 일반적으로 serum bottle을 이용하여 bottle 내부에 분해과정에 필요한 혐기성 미생물 및 영양물질을 주입하고, 온도, pH 등 최적의 조건을 유지해 주면서 가스 발생량과 조성을 파악하는 방법이다[15]. BMP 시험은 총 5개 지자체(A, B, C, D, E)에서 1차 시료채취한 음식물류 폐기물을 대상으로 하였으며, 각 시료마다 2개의 반응기를 준비하여 실험을 실시하였다. 영양배지 140 mL를 serum bottle에 넣어 멸균하고 상온으로 냉각시킨 후 A하수처리장에서 채취한 식종슬러지를 영양배지 부피의 10%로 주입하였다[15].
여기에 미생물 반응에 의한 급격한 산형성에 따른 pH 저하를 억제하기 위해 중탄산염(NaHCO₃)을 넣어준 후 질소가스로 충분히 퍼징(purging)하고 35 ℃ 항온조에서 시험을 실시하였다[15]. 발생가스는 TCD가 장착된 GC (6000M, Younglin, Korea)를 이용하여 CH₄, CO₂, O₂, N₂의 농도를 분석하고 표준상태(0 ℃, 1기압)로 환산하였다.
1 N HCl을 넣어 조절하였다[15]. 여기에 미생물 반응에 의한 급격한 산형성에 따른 pH 저하를 억제하기 위해 중탄산염(NaHCO₃)을 넣어준 후 질소가스로 충분히 퍼징(purging)하고 35 ℃ 항온조에서 시험을 실시하였다[15]. 발생가스는 TCD가 장착된 GC (6000M, Younglin, Korea)를 이용하여 CH₄, CO₂, O₂, N₂의 농도를 분석하고 표준상태(0 ℃, 1기압)로 환산하였다.
분석은 기본적으로 폐기물공정시험기준(2016)[13]과 수질오염공정시험기준(2014)[14]에 따랐으며 원소조성은 원소분석기(FlashEA 1112, Themo Scientific, USA)를 이용하였고 모두 3반복(triplicate) 실시 후 평균값을 사용하였다. 염분은 이온크로마토그래피(ICS-2100, Themo Scientific, USA)를 이용하여 Cl^-이온을 한 번씩만 분석하였다.
음식물류 폐기물 특성을 평가하기 위하여 pH, 삼성분(수분, 가연분, 회분), BOD₅, COD_Cr, COD_Mn, 염분, 그리고 원소조성을 분석하였다. 분석은 기본적으로 폐기물공정시험기준(2016)[13]과 수질오염공정시험기준(2014)[14]에 따랐으며 원소조성은 원소분석기(FlashEA 1112, Themo Scientific, USA)를 이용하였고 모두 3반복(triplicate) 실시 후 평균값을 사용하였다.
음식물류 폐기물의 물리적 조성을 분석하기 위하여 주성분은 채소류, 과일류, 곡물류, 어육류, 기타로 구분하였으며, 이물질은 플라스틱(대부분이 음식물류 폐기물을 담아 배출하는 비닐류), 종이, 목재, 조개 및 뼈류와 기타로 분류하였다. 채소류는 1차 조사와 2차 조사에서 큰 차이가 없었으나 한여름에 해당하는 기간에 실시된 1차 조사(7월 12 ~ 13일) 결과는 2차 조사(9월 7~8일)에 비하여 상대적으로 과일류 비율이 높았고 곡물류 비율은 낮았다[Table 2].
시료는 2017년 7월과 9월에 걸쳐 총 2회 채취하였다. 저장호퍼에서 음식물류 폐기물을 꺼내어 현장에서 겉보기밀도, 물리적 조성을 측정한 후 다시 혼합하여 대표 시료를 채취하였으며, 채취한 시료는 얼음을 채운 아이스박스에 담아 실험실로 운반한 후 즉시 냉장보관하고 실험분석에 사용하였다.

대상 데이터

강원도에 위치한 5개 지자체에서 운영하고 있는 음식물류 폐기물 처리시설에서 각각 시료를 채취하였으며, 각 지자체명은 각각 A, B, C, D, E로 표기하였다. 시료는 2017년 7월과 9월에 걸쳐 총 2회 채취하였다.
본 연구에서는 강원도 5개 지자체에서 발생하는 음식물류 폐기물의 삼성분, pH, 염분농도, 원소분석 등을 분석하여 특성을 파악하고 BMP (biochemical methane potential) 시험과 원소조성을 이용한 계산방법을 통하여 메탄가스 발생가능량을 평가하고자 하였다. 시료는 2017년 7월과 9월에 걸쳐 총 2회 채취하여 분석하였다. 음식물류 폐기물의 겉보기밀도는 평균 0.
강원도에 위치한 5개 지자체에서 운영하고 있는 음식물류 폐기물 처리시설에서 각각 시료를 채취하였으며, 각 지자체명은 각각 A, B, C, D, E로 표기하였다. 시료는 2017년 7월과 9월에 걸쳐 총 2회 채취하였다. 저장호퍼에서 음식물류 폐기물을 꺼내어 현장에서 겉보기밀도, 물리적 조성을 측정한 후 다시 혼합하여 대표 시료를 채취하였으며, 채취한 시료는 얼음을 채운 아이스박스에 담아 실험실로 운반한 후 즉시 냉장보관하고 실험분석에 사용하였다.

이론/모형

9 mg L^-1의 범위를 나타내었다[Table 4]. COD는 Cr법과 Mn법의 두 가지를 이용하여 측정하였다. 수분을 포함한 음식물류 폐기물에 대하여 CODCr를 측정한 결과 5개 지자체 1차 조사 평균값은 111,672.
, 염분, 그리고 원소조성을 분석하였다. 분석은 기본적으로 폐기물공정시험기준(2016)[13]과 수질오염공정시험기준(2014)[14]에 따랐으며 원소조성은 원소분석기(FlashEA 1112, Themo Scientific, USA)를 이용하였고 모두 3반복(triplicate) 실시 후 평균값을 사용하였다. 염분은 이온크로마토그래피(ICS-2100, Themo Scientific, USA)를 이용하여 Cl^-이온을 한 번씩만 분석하였다.
746을 곱하여 최종 이론적 메탄가스 발생량을 산출하였다[18]. 생분해율은 유기성 폐기물 종류에 따라 다를 수 있으며, 본 연구에서는 음식물류 폐기물 바이오가스화시설 기술지침서(2015)[18]에 언급된 수치를 이용하였다. 생분해율을 고려한 이론적 메탄가스 발생량은 0.

성능/효과

1 ~ 2일차에 메탄가스가 발생되기 시작하면서 꾸준히 증가하였고 약 2주 후에는 모든 반응기에서 더 이상 메탄이 발생되지 않았다. 5개 지자체 음식물류 폐기물에서 발생된 메탄가스 발생누적량은 0.303 ~ 0.354 m_CH4³ kg_VS^-1의 범위를 나타내었으며, 전체 평균값은 0.335 m_CH4³ kg_VS^-1이었다. Park et al.
이는 물리적 성상 조사[Table 2]에서 볼 수 있듯이 1차 시료에서 수분이 높은 것으로 알려진 과일 등의 함량이 높았기 때문으로 판단되며, 여액 함량도 1차 시료가 2차 시료보다 더 높은 것으로 나타났다. 5개 지자체 음식물류 폐기물의 평균 수분함량은 69.30 ~ 75.87%, 가연분함량은 22.50 ~ 27.98%, 회분함량은 1.63 ~ 2.48%를 나타내었다. Kim et al.
VS 100% (가연분 건조질량 기준)에서 C, H, N, S 함량을 뺀 값이 O함량에 해당되며, 이 때 Cl 등 다른 성분은 고려하지 않았다. 5개 지자체에서채취한 음식물류 폐기물의 1차와 2차 평균 C, H, O, N, S 함량은 각각 48.16 ~ 44.87%, 7.12 ~ 7.57%, 40.13 ~ 43.78%, 3.22 ~ 4.14, 그리고 0.00 ~ 0.02%를 나타내었다. 본 원소분석 결과는 다음 절에서 이론적 메탄가스 생성량 산출에 활용되었다.
02%를 나타내었다. BMP 시험결과 메탄가스 발생누적량은 0.303 ~ 0.354 m_CH4³kg_VS^-1의 범위를 나타내었으며, 전체 평균값은 0.335 m_CH4³kg_VS^-1이었다. 원소조성과 생분해율을 고려하여 예측된 이론적 메탄가스 발생량은 0.
75의 범위를 나타내었다. 물리적 조성은 전체적으로 평균값을 살펴보면 주성분 중 채소류는 56.43 ~ 72.81%로 가장 높았고, 과일류는 5.31 ~ 8.95%, 곡물류는 1.60 ~ 18.73%, 어육류는 4.47 ~ 12.11%, 여액은 1.76 ~ 3.64%의 범위를 나타내었다. 이물질은 플라스틱이 1.
2%이었다[16]. 본 연구결과에서 수분함량을 제외하고 건조질량 기준으로 환산한 가연분과 회분 함량은 1차와 2차 분석에서 서로 큰 차이를 나타내지 않음을 볼 수 있다[Table 3]. 건조질량 기준 평균 가연분은 90.
49%의 범위를 나타내었다. 삼성분 분석결과 평균 수분함량은 69.30 ~ 75.87%, 가연분함량은 22.50 ~ 27.98%, 회분함량은 1.63 ~ 2.48%를 나타내었다. 또한 BOD₅는 17,690.
생분해율은 유기성 폐기물 종류에 따라 다를 수 있으며, 본 연구에서는 음식물류 폐기물 바이오가스화시설 기술지침서(2015)[18]에 언급된 수치를 이용하였다. 생분해율을 고려한 이론적 메탄가스 발생량은 0.294 ~ 0.352m_CH4³kg_VS^-1의 범위를 나타내었으며, 전체 평균값은 0.328 m_CH4³kg_VS^-1이었다.
수분을 포함한 음식물류 폐기물에 대하여 BOD5를 측정한 결과 5개 지자체 1차와 2차에서 각각 21,810.8 ~ 35,745.9 mg L-1 와 13,569.7 ~ 33,045.5 mg L -1의 범위를 보였으며, 평균 범위는 17,690.3 ~ 33,154.9 mg L-1의 범위를 나타내었다[Table 4].
COD는 Cr법과 Mn법의 두 가지를 이용하여 측정하였다. 수분을 포함한 음식물류 폐기물에 대하여 CODCr를 측정한 결과 5개 지자체 1차 조사 평균값은 111,672.2 ~ 139,849.6 mg L^-1, 2차 조사 평균값은 106,212.3 ~ 128,695.5 mg L^-1의 범위를 나타내었으며(Table 4), 1차와 2차 조사의 전체 평균값은 112,955.6 ~ 131,684.8 mg L^-1의 범위를 보였다. COD_Mn에서는 1차 조사 평균값은 69,149.
17%의 범위를 보였다. 원소분석 결과 C, H, O, N, S 함량은 각각 44.87 ~ 48.16%, 7.12~ 7.57%, 40.13 ~ 43.78%, 3.22 ~ 4.14%, 그리고 0.00 ~ 0.02%를 나타내었다. BMP 시험결과 메탄가스 발생누적량은 0.
335 m_CH4³kg_VS^-1이었다. 원소조성과 생분해율을 고려하여 예측된 이론적 메탄가스 발생량은 0.294 ~ 0.352 m_CH4³kg_VS^-1의 범위를 나타내었으며, 전체 평균값은 0.328 m_CH4³kg_VS^-1이었다. 음식물류 폐기물의 VS 단위질량당 메탄수율을 비교하여 살펴보면 BMP 시험에 의한 메탄가스 발생량은 원소조성과 생분해율을 이용하여 예측한 결과와 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
BMP 시험결과와 비교하기 용이하도록 3회 반복(triplicate) 분석한 평균 원소조성 값을 Equation (1)에 대입하여 a, b, c, d 값을 구하고 이를Equation (2)에 대입한 후 메탄가스 발생량을 계산하였다. 원소조성으로 예측된 이론적 메탄가스 발생발생량은 0.394 ~ 0.472 m_CH4³kg_VS^-1의 범위를 나타내었으며, 전체 평균값은 0.440 m_CH4³kg_VS^-1이었다. 유기물이 모두 분해되어 메탄가스 생성에 기여하는 것은 아니므로 여기에 생분해도 계수 0.
328 m_CH4³kg_VS^-1이었다. 음식물류 폐기물의 VS 단위질량당 메탄수율을 비교하여 살펴보면 BMP 시험에 의한 메탄가스 발생량은 원소조성과 생분해율을 이용하여 예측한 결과와 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
이온크로마토그래피로 분석한 Cl^-함량은 습윤질량 기준으로 볼 때 1차에서 0.35 ~ 0.70%, 2차에서 0.59 ~ 0.71%의 범위를 나타내었다[Table 5]. 1차와 2차 평균값의 범위는 0.
물리적 조성은 시료채취 기간에 따라 함량이 다소 높거나 낮아져서 지자체별 유의미한 결과를 도출하기는 어려웠다. 전체적으로 평균값을 살펴보면 주성분 중 채소류는 56.43 ~ 72.81%로 가장 높았고, 과일류는 5.31 ~ 8.95%, 곡물류는 1.60 ~ 18.73%, 어육류는 4.47 ~ 12.11%, 여액은 1.76 ~ 3.64%의 범위를 나타내었다. 이물질은 플라스틱이 1.
지자체별 음식물류 폐기물의 VS 단위질량당 메탄수율을 비교하여 살펴보면 BMP 시험에 의한 메탄가스 발생량(0.303 ~ 0.354m_CH4³kg_VS^-1)이 원소조성과 생분해율을 반영하여 예측한 결과(0.294 ~ 0.352 m_CH4³kg_VS^-1) 보다 약간 높았으나 큰 차이는 없었다. BMP 시험에 의한 메탄가스 발생량은 5개 지자체 중 A지역이 0.
이는 원소조성으로 예측한 결과에서도 동일한 경향을 보이는 것으로 보아 원소성분 차이 때문인 것으로 판단된다. 타 지역과 비교할 때 A지역 음식물류 폐기물의 탄소함량은 상대적으로 다소 낮았으며, 산소함량은 상대적으로 높게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	음식물류 폐기물을 매립할 경우 어떤 문제가 발생하는가?	음식물류 폐기물을 소각처리 하는 경우에는 수분함량이 높고 발열량(음식물류 폐기물 평균발열량 : 715 kcal kg-1)이 낮기 때문에 소각온도 저하에 따른 보조연료 추가가 필요하고 소각시 발생하는 다이옥신 등의 대기오염물질로 인해 널리 활용되지 못하고 있는 실정이다[1]. 또한 매립할 경우 침출수가 다량 발생하여 지하수를 오염시키는 등 2차 환경오염을 유발하며, 부패로 악취 및 유해가스가 발생하여 매립지 관리를 어렵게 하는 등 매립지 안정화를 지연시킨다[1].
	음식물류 폐기물은 무엇으로 분류되는가?	음식물류 폐기물은 가정이나 식당에서 배출되는 음식물쓰레기, 식품 제조와 유통 과정 등에서 발생되는 식품찌꺼기 등을 의미한다[1,2]. 음식물류 폐기물은 미생물 분해 가능한 유기물을 다량 함유하고 있어 유기성 폐기물로 분류된다[1,2]. 우리나라 음식물류 폐기물은 수분함량(약 70~80%)과 가연분함량이 높아 부패성이 높으며, 염분 농도가 0.
	음식물류 폐기물은 무엇을 의미하는가?	음식물류 폐기물은 가정이나 식당에서 배출되는 음식물쓰레기, 식품 제조와 유통 과정 등에서 발생되는 식품찌꺼기 등을 의미한다[1,2]. 음식물류 폐기물은 미생물 분해 가능한 유기물을 다량 함유하고 있어 유기성 폐기물로 분류된다[1,2].

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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