본 연구는 고온기 때 사료 내 다른 에너지 수준 및 비테 인 첨가 급여가 육성돈의 영양소 소화율 및 생리학적 변화 에 미치는 영향을 구명하기 위해 실시하였다. 실험동물은 삼원교잡종(L×Y×D; initial body weight, 73.5±0.5kg) 거세 수퇘지 12두를 사용하였고 대사틀에 배치하였다. 실험기간 은 고온기인 7~8월에 실시하였다. 실험계획은 에너지 2수 준(3,300 및 3,400kcal/kg)과 비테인 2수준(0 및 0.5%)이며 4×4 Latin square로 하였다. 조단백질 소화율은 고에너지 사료(3,400kcal/kg)가 저에너지 사료보다 유의적으로 높았 다(p<0.01). 그러나, 비테인급여는 영양소소화율에 영향을 미치지 않았다. 혈액생화학적 분석 결과에서는 에너지 수 준 및 비테인 첨가가 육성돈 내 생리적 변화를 보이지 않 았다. 면역반응을 나타내는 혈중 IgG에서는 고에너지 사료 가 저에너지사료보다 높았으나(p<0.05) 스트레스 지표를 나타내는 cortisol농도에서는 차이가 나지 않았고, 비테인 첨가급여는 IgG 및 cortisol 농도 변화를 나타내지 않았다. 결론적으로 사료 내 비테인 첨가급여보다 에너지 수준을 높이는 것이 돼지 체내에 더 긍정적인 효과를 보이며, 여 름철 고온스트레스를 받는 돼지 사료 내 고에너지를 급여 했을 때 어떠한 결과가 나오는지 추후 더 연구해 볼 만한 것으로 사료된다.

음식물 폐기물 침출수를 처리하는 분리막 결합 고온 혐기성소화공정(생물학적 반응조) (Anaeorobic Membrane Bioreactor, AnMBR)의 파일럿 운전에서 분리막의 교차여과 속도와 막간압력이 파울링에 미치는 영향을 관찰하였다. 연구 결과 정압여과 하에서 교차여과 속도가 증가할수록 파울링의 속도는 현격히 감소되었다. 그러나 이와 같은 영향은 낮은 막간압력에서 더욱 효과적이었다. 막간압력이 증가할수록 여과대상 물질의 압축성으로 인해 투과성이 상대적으로 낮은 파울링층(혹은 케익층)이 분리막 표면에 형성된 것에 기인된 듯하다. 여과대상 시료의 입도분석을 해 본 결과 입자크기는 약 10~100mum 범위에서 분포하였고 이에 따라 브라운확산에 의한 역수송보다 분리막 표면에서 교차여과에 의해 발생하는 전단력이 입자의 역수송에 더욱 기여하고 있음을 예측할 수 있었으며 이는 AnMBR의 연속운전을 통해 재확인할 수 있었다. 운전 후 막 부검을 실시한 결과 유기 및 무기 파울링이 모두 관찰되었으나 어느 것이 지배적인 파울링 기작을 나타내는지는 앞으로 더욱 연구가 필요하다. 무기 파울링의 경우 대부분 분리막 표면에서 스케일링 형성이 지배적이었으며, 따라서 분리막의 공극 막힘에 주로 기여하는 작은 콜로이드성 유기물질의 경우 분리막 표면에서 전단력에 의한 역수송 효과는 그다지 크지 않을 것으로 사료된다.

This study was performed to test the feasibility of thermophilic (55oC) co-digestion of municipal sewage sludge and food wastes. The management variables of co-digestion were the mixed ratios of municipal sewage sludge and food waste hydraulic retention times (HRTs). During the operation of thermophilic co-digestion, the reactor pH ranged from 7.0 to 7.5 and the reactor alkalinity remained above 3,200 to 4,000 mg/L as CaCO3. The volatile fatty acids concentration increased as the HRT shortened from 20 days to 10 days and the mixture ratio increased to 1:4, but did not reach toxic levels for co-digestion of sewage sludge and food wastes. Methane productivity increased gradually as the organic loading rate increased. Maximum methane productivity reached 1.03v/v-d at an HRT of 10 days and at the mixture ratio of 1:4. The TVS removal efficiency decreased from 70.6% to 58.3% as the HRT shortened from 20 days to 10 days. TVS removal efficiency ranged from 57.0% to 77% during the entire operation. It is likely that thermophilic co-digestion of sewage sludge and food wastes is a very effective method both to environmentally treat food waste and to economically produce gas for energy.

하수처리과정에서 발생하는 슬러지의 부피를 줄이는 동시에 이들의 유기물 성분을 메탄 등의 바이오가스로 전환하기 위해 중온(35℃)에서의 혐기소화 공정이 널리 적용되고 있다. 혐기소화공정의 안정성이나 에너지 투입량 측면에서는 중온혐기소화가 적합하다고 알려져 있지만, 높은 유기물 부하량(organic loading rate, OLR)을 처리하기 위해 반응속도를 상승시키거나 SRT(sludge retention time)을 줄이기 위해 고온(55℃) 혐기소화를 적용하기도 한다. 고온 혐기소화공정을 새롭게 시작할 때 접종물을 기존의 고온 혐기소화공정으로부터 얻기 힘든 경우 중온혐기소화액을 고온에서 적응시켜 접종하기도 한다. 이때 온도를 적응시키는 방법에 따라 공정 효율이 달라지는데, 연구에서는 중온혐기소화액으로부터 고온 혐기소화 접종물을 제작하기 위한 방법으로 온도를 올리는 방법을 달리하였을 때 이들의 메탄 생산과 미생물 군집에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 본 연구수행을 위해 광주 제 1 하수처리장에서 중온혐기소화액, 1, 2차 농축 슬러지 등을 샘플링 하여 두 대의 반응기(Working volume : 3L)를 설치하여 회분식(Batch)운전 후 연속교반탱크형반응기(CSTR)로 운전(SRT 20, 40일)하였다. 먼저 한 대의 반응기는 35℃에서 55℃로 한 번에 온도변화를 주었고, 다른 반응기의 경우에는 35℃에서 하루에 1도씩 올려서 약 20일에 걸쳐 55℃로 올린 뒤 55℃로 유지하였다. 반응기의 효율을 확인하기 위해 메탄 발생량, total solids (TS), volatile solids (VS), total chemical oxygen demand (tCOD), soluble chemical oxygen demand (sCOD), soluble components (protein, carbohydrate), pH 등을 측정하였으며, NGS (next generation sequencing)를 활용하여 혐기소화 전/후의 소화액의 미생물 군집변화를 알아보았다.

혐기성소화는 폐기물처리뿐만 아니라 대체에너지인 메탄가스가 발생하여 에너지를 회수할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 혐기성소화 효율을 높이기 위해 미량중금속을 투입하기도 한다. 이는 대표적인 유기성 폐기물인 음식물류폐기물에 미량중금속의 함량이 낮고, 미량중금속이 미생물의 생장에 중요한 역할을 하기 때문이다. 이에 본 연구에서는 미량중금속의 함량이 낮고 대표적인 유기성폐기물인 음식물류폐기물을 기질로 사용하여 혐기성소화를 진행하였고 식종은 음식물류폐기물과 축산폐수를 병합처리하는 혐기성소화조 소화슬러지를 사용하였다. 사용한 시료는 A시의 폐기물자원화시설에서 채취하였으며 음식물류폐기물은 2 mm, 소화슬러지는 0.85 mm 채로 걸러서 사용하였다. Ni는 메탄생성미생물의 성장에 필수적으로 필요하고 아세트산의 이용효율을 증가시키는 효과가 있어 대상 미량중금속을 Ni로 하였다. Ni 투입량은 0, 0.1, 1, 10, 50 mg/L로 변화를 주었으며 소화온도는 중온(35℃)과 고온(55℃)로 실험을 진행하였다. 실험은 음식물류폐기물과 소화슬러지를 휘발성고형물(volatile solid, VS) 기준으로 1:1 비율로 섞어 500 mL serum bottle에 300 mL를 채워 진행하였고, 반응기에 농도별로 Ni를 투입하였다. 이 후 질소를 이용하여 2분간 퍼지하고, 고무마개와 알루미늄씰(aluminium seal)을 이용하여 밀봉하였다. 제작된 반응기를 항온 진탕배양기(VS-8480, VS-8480SF, KR)에서 중온 및 고온에서 소화를 진행하였다. 발생하는 가스는 기압계(Keller LEO-2, Germany)를 이용하여 반응기 내 압력을 측정하여 발생량을 계산하는 방식을 이용하였다. 본 연구는 아직 진행 중에 있어 결과는 추후 학회에서 발표할 예정이다.

전 세계적으로 음식물쓰레기의 에너지 가치 및 바이오에너지화에 관한 연구가 활발히 이루어지면서 혐기성소화에 대한 관심이 더욱 늘어나고 있다. 혐기성소화를 고온에서 운전할 경우 체류시간의 감소, 병원성 미생물의 감소, 바이오가스 생산량의 증가 등의 이점이 있는 것으로 알려져 있으나 아직까지 이에 대한 연구는 부족한 현황이다. 따라서 본 연구에서는 수거된 실제 음식물쓰레기를 중온과 고온에서 혐기소화하여 각 온도에서의 혐기성소화 효율성과 생물학적 안전성을 비교하고 운전 가능성을 검토하였다. 혐기성소화의 시료로 사용된 음식물쓰레기는 서울 G-구에서 발생하는 실제 음식물쓰레기를 수거하여 사용하였다. 사용된 음식물쓰레기가 대표성을 가질 수 있도록 총 4회 채취하였고, 수거된 음식물쓰레기의 불순물을 제거하는 작업 후에 모두 균질하게 갈아서 냉동 보관한 후 사용하였다. 음식물 시료의 수분, 가연분, 회분 함량은 각각 79.58, 18.55, 1.87% (by wet wt.)으로 측정되었다. 식종슬러지는 서울 D-환경자원센터에서 반출하여 사용하였으며, 추가적인 완충제나 알칼리도는 주입되지 않았다. 반응조는 항온 수조내에 위치시켜 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 제작되었으며, 중온 혐기성소화는 35℃, 고온 혐기성소화는 50℃에서 운전되었다. 중온과 고온에서 운전된 반응조는 각각 시료주입 45일, 105일차부터 안정적인 운전이 이루어졌다. 정상상태의 중온과 고온에서 운전된 반응조의 메탄발생량은 각각 207.23, 228.89 mL/g-VS/d 로 측정되었으며, 고온에서 운전된 반응조의 메탄발생량이 중온에서보다 약 10% (by wet volume) 높은 효율을 보였다. 그러나 고온 혐기성소화는 가속된 산생성단계와 메탄생성단계의 불균형으로 인한 지속적인 pH 및 알칼리도의 감소로 반응조 운전 124일차부터 급격한 메탄발생량의 감소가 확인되었다. 고온 혐기성소화의 pH 는 메탄생성균의 활동에 적합한 것으로 알려진 중성 범위 이하로 떨어지면서 휘발성 지방산(VFA)의 축적과 알칼리도의 소모가 확인되었으며, 이로 인한 pH 의 감소 및 FOS/TAC(Flüchtige Organische Säuren/Total Anorganic Carbonate)비의 급증이 반응조 운전 실패의 원인으로 판단된다. 본 연구를 통해 고온 혐기성소화의 메탄가스 발생 측면에서의 높은 효율은 확인 되었으나 가속된 유기물의 분해와 생물학적 안정성의 감소로 인해 반응조 운전은 실패하였다. 이에 음식물쓰레기의 효과적인 고온 혐기성소화의 운전을 위해서는 유기물 부하율(OLR)의 감소, 추가적인 완충제 및 알칼리도의 주입 등의 운전조건에 대한 수정과 보완이 필요할 것으로 사료된다.