음식물 자원화 시설 폐수의 혐기성 소화: 부유성 유기물 가수분해의 최적화

Abstract

음식물 쓰레기 탈리액(음폐수)은 음식물 쓰레기의 사료화, 퇴비화 과정에서 염분제거를 위한 세척수와 음식물 함유 수분들이 혼합된 폐수로 재활용 과정에서 지속적으로 발생되는 고농도의 유기성 폐기물로서, 2007년 발생량은 8,818 톤/일에 이른다. 현재 음폐수 발생량의 50% 이상이 해양투기로 처리되고 있으며, 2012년 이후 해양투기의 전면 금지가 예상됨에 따라 음폐수의 육상 처리방안 모색이 시급한 실정이다.고부하 음폐수의 유기물은 주로 생분해가 가능한 탄수화물, 단백질, 지질로 구성되어 혐기성 소화과정을 거쳐 유기물 저감에 따른 에너지 생산 및 슬러지 감량효과를 달성할 수 있다. 그러나 이러한 유기물들 중 평균 64% 이상이 부유성 고형물의 형태인 Volatile Suspended Solid (VSS)을 유발하여 고효율 혐기소화 공정법(예: Upflow Anaerobic Sludge Blanket, Anaerobic Fiters) 적용시 불완전한 교반, 관의 막힘 등과 같은 문제점을 야기한다. 따라서 이러한 고효율의 혐기소화 공정의 성공적인 운전을 위해서는 초기 고형물 형태의 유기물의 가수분해와 산생성 단계가 필수적 요소이다.최근 혐기소화공정의 효율성을 극대화하기 위해 산발효조와 메탄발효조를 분리 운전하는 2단 혐기소화공정이 적용됨에 따라, 단계별 미생물의 생리적인 특징 및 영양적 요구 조건을 고려하여 적합한 환경조건을 유지시킬 수 있게 되었다. 2단 혐기소화공정의 산발효조에서 생기는 유기산의 조성과 가수분해 정도는 유입기질의 특성과 공정 운전조건에 영향을 받으며, 특히 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time, HRT), pH, 온도에 가장 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 연구의 목적은 통계-수학적 기법인 반응표면분석법(Response Surface Methodology, RSM)을 적용하여 음폐수의 혐기소화 공정 내 산생성조의 최적화 및 기초 운전조건을 도출함이다.실험계획법으로는 중심합성설계법을 이용하였다. 독립변수의 중심값은 문헌값을 참고하여 HRT 2일, pH 5.0, 35℃에서, 높은 수준과 낮은 수준을 +1과 -1로 설정하였다. 본 연구결과 산발효조의 가수분해 효율을 최대화시키기 위한 VSS 감량율과 총 유기산 생성율의 최적조건은 각각 HRT 3일, pH 6.0, 45℃ 그리고 HRT 1일, pH 5.2, 38℃에서 도출되었다.다음으로는 이러한 가수분해 최적화 조건에서의 산생성조 내 주요 미생물 군집의 구조 분석을 수행하였다. 박테리아 16S rRNA gene을 이용하여denaturing gel gradient electrophoresis (DGGE) 분석을 통해 산생성 미생물 군집구조를 확인하였다. 분석결과, Lactobacillus sp.가 우점으로 확인되었으며 Lactobacillus sp.가 glucose fermentation을 통해 VSS 감량에 역할을 수행하였을 것으로 사료된다. 그 외 산생성 미생물에 속하는 Sporanaerobacter acetigens, Pseudomonas fragi, Eubacterium pyruvivorans가 관찰되어 carbohydrates, protein, lipid 분해에 역할을 수행하였음을 확인하였다. 마지막으로 산생성조를 거치지 않은 음폐수와 산생성조를 거친 유출수의 잠재가스발생량을 비교하기 위하여 Biochemical Methane Test (BMP test)를 수행하였다. 그 수행과정은 Owen(1979), Shelton과 Tiedje(1984)의 방법을 따랐으며 세부적인 실험장치 구성과 실험방법은 여러 문헌 조사를 통하여 충분히 검토 후 가장 적합한 방법을 선정하였다.BMP test에서 일정주기로 발생된 가스의 부피와 농도를 측정하여 원폐수와 산생성조 유출수의 누적 메탄발생량을 구하였으며 또한 누적메탄발생량 자료를 이용하여 최종메탄수율을 산출하였다. 산생성조를 거치지 않은 원폐수의 경우 최종메탄수율은 0.635 ℓ CH4/g VSremoval로 조사되었으며 산생성조 유출수의 경우, 최종메탄수율은 0.988 ℓ CH4/g VSremoval 로 조사되었다.

This paper reports the effects of changing hydraulic retention time (HRT, 1-3 days), pH (4-6) and temperature (T, 25-45℃) on the efficiencies of bacterial hydrolysis of suspended organic matter (SOM) and the rate of total volatile fatty acids (TVFAs) production treating food waste recycling (FWR) wastewater. In addition, the bacterial community responsible for this hydrolysis and biochemical methane potential test (BMP test) for quantifying the effect of hydrolysis optimization were examined. Maximum hydrolysis efficiency (i.e., 47.5% reduction of VSS) was predicted to occur at 3 days HRT, pH 6.0 and T = 45℃ and maximum rate of TVFAs production (i.e., 18.41 g/L production of TVFAs per day) was predicted to occur at 1 days HRT, pH 5.2 and T = 38℃. Acidogenic bacterial community under this condition was investigated. Several band sequences were detected using denaturing gel gradient electrophoresis (DGGE). Lactobacillus sp. seemed to contribute to glucose fermentation during the VSS reduction. These species appear to be important contributors to hydrolysis of suspended organic matter (SOM) in the wastewater. Other acidogenic anaerobes, Sporanaerobacter acetigenes, Eubacterium pyruviorans, and Pseudomonas fragi were also identified at the optimum VSS reduction point.Biochemical methane potential (BMP) test was evaluated to compare the effect of the hydrolysis optimization with the raw FWR wastewater. The experimental results showed that methane yields of raw FWR wastewater and effluent of the acidogenic reactor were 0.635 and 0.988 l CH4/g VSremoval, respectively. The biodegradability of the effluent of acidogenic reactor was superior to that of raw FWR wastewater. This result suggested that hydrolysis optimization in terms of VSS reduction could boost bioconversion process resulting in an accelerated process, increased organics availability, and enhanced biogas production.