음식폐기물 산발효액 내 존재하는 유기산은 산업 원료로 가치가 있으나 분리 비용이 높은 문제점이 있다. 본 연구에서는 저에너지 유기산분리를 위해 전기투석공정에서 산발효액 내 유기산의 이동현상과 운전조건 (전압, 희석율, pH) 간의 상관관계를 연구하였다. 아세트산과 부틸산으로 주로 구성된 음식물 산발효액 원액 (COD 기준 유기산 67.3 %) 을 실험실 규모 전기투석기를 사용하여 분리전압을 5 V ~ 12 V로 변화시켰을 때, 분리전압 8 V에서 최대 유기산 회수율 (COD 기준 89.4 %, 순도 86.8 %) 을 보였으며, 이 때 분리에 사용된 에너지는 0.286 kWh/kg-COD of VFAs로 나타났다. 전기투석과정에서 분자량 차이에 따른 유기산 간의 이동현상 차이는 발견되지 않았다.

The rapid development of some industries generates a huge amount of useless biowastes. Recently, biosorption, which can use biowastes as biosorbents, has attracted attention as an environmentally friendly method for the removal of ionic pollutants from wastewaters. For this reason, many researchers have investigated the biosorption capacities of various biowastes. In this study, fermentation waste (Escherichia coli) was used as a biosorbent for the removal of various organic and inorganic pollutants: i.e., cationic dye (methylene blue (MB)), anionic dye (Reactive Red 4 (RR4)), cationic metal (cadmium (II)), and anionic metal (arsenic (V)). The uptake of the cationic pollutants by the biosorbent increased as solution pH was increased. The RR4 uptake increased with a decrease in solution pH. In the case of the anionic metal (As (V)), it was not well removed in the range of pH 2-7. To examine adsorption rates and mechanisms, kinetic and isotherm experiments were conducted, and various kinetic and isotherm models were used to fit the experimental data. The maximum adsorption capacities of MB and RR4 were predicted to be 231.3 mg/g and 257.6 mg/g, respectively. In conclusion, fermentation waste (E. coli) is a cheap and abundant resource for the manufacture of effective biosorbents capable of removing both cationic and anionic (in) organic pollutants from wastewaters.

수분함량과 유기물 함량이 80% 이상으로 매우 높고, 염도가 높은 국내 음식물쓰레기는 저장 및 운송과정에서 쉽게 부패하는 문제가 있어 적정 처리에 대한 효과적 기술 개발 필요성이 증대되고 있다. 유기물질을 분해하는 미생물이 산소를 이용하는 호기성 퇴비화방법은 유기물을 안정화시키는 것으로 미생물이 음식물 쓰레기를 분해하여 부식질인 퇴비물질, 물과 이산화탄소로 전환시킨다. 본 연구에서는 음식물쓰레기 발효 소멸 시스템을 이용 음식물쓰레기를 처리 하여 음식물 쓰레기의 발효특성을 알아보았다. 이를 통해 운전 안정화를 위한 미생물 활성기반 제어인자를 도출 하고자 하였다. 수분 조절을 위한 통기 개량제는 우드칩이 사용되었고 교반기의 혼합은 3rpm으로 진행되었다. 반응온도는 가온없이 자체발열로 운전 하고 흡인송풍으로 공기가 공급되었다. 운전인자 도출을 위한 발효물질 분석은 공업분석, 원소분석 등이 수행되었고 pH, 함수율, 염도 등이 측정되었다.

2005년도부터 전국적으로 음식물류폐기물이 분리･배출됨에 따라 음식물류폐기물의 발생억제 및 감량, 분리 배출 및 수거, 자원화를 위한 다양한 제도 및 정책이 시행되었고, 대부분의 국내 음식물류폐기물은 퇴비화, 사료화, 바이오가스화 등의 방법으로 자원화되고 있다. 그러나 배출에서 자원화까지 소요되는 높은 비용 부담률은 음식물류 폐기물 배출자 및 재활용 종사자들의 편익 저해 요인으로 꼽히고 있는 상황이며 도시 외지, 도서 및 산간 지역에 위치한 가정 및 상업시설 (펜션, 요식업소 등) 의 경우 지정학적 위치로 인한 수집운반 비용이 높게 형성되어 있어 음식물류 분리수거 환경 조성을 어렵게 하고 있다. 이러한 문제점들을 해결하고자, 본 연구에서는 도시 외곽 및 산간지역에 위치한 가정 및 상업시설의 음식물류폐기물을 ‘자가 재활용형 도시 음식물 류폐기물 발효소멸 퇴비화장치’ (이하 소형퇴비화장치)를 개발하여 해결하고자 하였다. 본 연구에서는 5kg 내외의 음식물류폐기물을 발효･소멸화시켜 퇴비를 생산하는 장치를 제작하고, 이에 대한 최적 운영조건 도출과, 사용자의 편의를 위한 무인자동화운전 시스템의 운영 가능성을 살펴보았다. 소형 퇴비화 장치는 약 180L의 용적을 가진 밀폐형 육각원통으로 제작하였으며, 구동모터를 설치하여 육각원통을 360°회전시켜 교반작업을 수행할 수 있도록 제작하였고, 내부에 블로워 설치를 통해 1.3L/min의 공기를 주입･배출하는 공기주입구를 제작하여 호기성 반응에 필요한 공기량을 조절 할 수 있도록 제작하였다. 장치운영에 필요한 전력은 단결정 태양광 패널로써 충당하였다. 실험 방법은 퇴비화 장치 내 호기성 소화를 돕는 호기성매질(톱밥+호기성퇴비)을 최초 1회 생성 후 음식물류 폐기물을 5kg/day 투입하였으며, 장치운영 조건은 음식물류폐기물 1회 5kg/day 투입, 교반 작업 6h/1회, 블로워 작동주기 10~15min/h로 하여 소화조 내 호기성 산화 반응에 따른 온도 변화량 및 내부물질의 성분, pH, 염도 변화를 살펴보았다. 또한 장치 운행 중 사용자의 편의를 위한 음식물류폐기물 투입과정 이외의 교반작업, 공기주입 작업은 타이머를 설치하여 자동화 운영 가능성을 살펴보았다. 실험결과 생산된 퇴비의 VS와 FS의 평균 측정값은 각각 82.82%, 17.17%를 나타내었고, 함수율은 평균 56.87% 를 나타내었다. 염도의 평균값은 0.49%로 측정되었으며, pH 값은 7.23으로 확인되었다. 이 같은 결과는 비료 공정 규격에 명시되어있는 기준 항목인 함수율, 염도, pH 중 함수율을 제외한 모든 항목에서 적정수치를 나타냈으며, 함수율은 추후 공기투입량 조정을 통해 일부 개선할 수 있을 것으로 보인다. 블로워 작동주기를 12h/day 미만으로 하였을 시 장치의 전력부족 현상이 발생하지 않았다. 본 연구를 통해 소형퇴비화장치의 발생 재활용물의 퇴비화과정의 적정성을 확인하였으며, 추후 생산된 퇴비에 관한 중금속함량 검사를 통해 음식물퇴비로써의 사용가능성을 검토할 것이다. 또한 장치의 무인 자동화 운영 가능성을 확인 하였고 이를 통한 도시 외지, 도서 및 산간지역에 위치한 가정 및 상업시설에서 소형퇴비화 장치 운영이 가능할 것으로 보인다. 이에 따라 도시 외지에서 발생하는 음식물류폐기물의 효율적인 처리가 가능할 것으로 사료된다.

본 연구에서는 고농도 유기성 폐기물인 돈분뇨와 음식물류폐기물의 전처리를 통해 액상의 고농도유기성폐기물만을 혐기성소화조에서 병합처리하여 Pilot Plant의 바이오가스 발생량 및 유기성폐기물 제거 효율에 대해 검토하였으며, 수리학적 체류시간은 50일로 49일간 실험을 진행하였다. 혐기성소화조에 투입되는 유기물농도, 원료 배합비율 등 운전조건에 따른 유기물 제거효율, 바이오가스 생산량 및 메탄농도 등을 분석한 결과 혐기성소화조로 투입되는 유기물의 VS함량을 약 6.83%로 일정하게 유지하여 안정적으로 혐기성소화를 진행하여 바이오가스 생산량은 220~540L/day･m³로 혐기성미생물의 분해능이 안정화됨에 따라 점차 증가하는 경향을 나타내었으며, 이 때 메탄농도는 62~70%까지 상당히 높은 수준의 메탄함량을 나타내었다. CODcr제거율 및 VS제거율은 각각 49.83~75.84%, 76.83~88.32%로 분석되었으며, VS제거율의 경우 상당히 높은 수준의 유기물제거효율을 나타내어 혐기성미생물에 의한 유기성폐기물의 분해가 활발히 진행되었음을 알 수 있다. 혐기성소화조로 투입되는 원료의 유기물함량이 큰 편차 없이 일정한 함량으로 투입되어 혐기성미생물의 효율적인 활동을 통해 바이오가스 생산량이 점차 증가하는 경향을 보였으며, 안정적인 소화가 이루어진 것으로 판단된다. 또한 실험 23일차부터 바이오가스 생산량은 400~500 L/day･m³로 비슷한 양의 바이오가스 발생하였는데 이를 통해 본 실험의 혐기성소화가 23일 이후부터 안정화되어 유기물분해가 이루어진 것을 알 수 있다.

최근 주거지역 내에서 발생되는 음식물류 폐기물에 대한 관리 및 수거 시스템의 일환으로 가정용 오물분쇄기의 도입이 고려되고 있다. 이와 더불어 가정용 오물분쇄기를 통해 수거되는 음식물류 폐기물의 처리와 에너지화를 동시에 달성할 수 있는 혐기성 소화 공정이 관심을 받고 있다. 가정용 오물분쇄기를 이용하여 음식물류 폐기물을 수거하는 경우 세제의 주성분인 음이온 계면활성제가 잠재적으로 유입 또는 농축될 수 있다. 음이온 계면활성제인 LAS(Linear Alkylbenzene Sulfonate)는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)의 대체 성분으로 생분해도가 높고 친환경적이라고 알려져 있으나 혐기성 상태에서 완전히 분해되지 않는다. 따라서 계면활성제 또는 계면활성제의 주성분인 LAS의 혐기성 메탄 생성에 대한 연구가 많은 연구자들에 의해 수행되었으며 일정 농도 이상에서는 메탄 생성에 저해를 주는 것으로 나타났다. 그러나 계면활성제 또는 LAS가 혐기성 수소 발효에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 일련의 회분식 실험을 통해 LAS가 혐기성 수소 발효에 미치는 영향을 평가하였다. 수정 Gompertz식을 이용한 비선형회귀분석 결과 LAS의 농도 증가에 따라 최대 수소 발생량은 선형적으로 증가하였으나 수소 발생율은 일정 농도 이상의 LAS가 투입되는 경우 점차 감소하는 결과를 보여 잠재적인 저해현상을 나타내었다.

전국의 2012년도 가축분뇨 발생량은 <표 1>에서 보듯이 46,489천톤이 발생하였다. 2012년도부터 가축분뇨의 해양투기가 전면금지 되었기 때문에 전량 육상처리하고 있으며, 이 중 퇴비로 처리되는 량이 81%로 가장 많이 차지한다. 한편, 충남 보령시는 가축농가가 차지하는 비율이 높은 편이며 가축사육시설 및 가축분뇨 처리과정에서 발생하는 악취로 인한 민원발생이 많은 지역이다. 가축분뇨는 2,055톤/일 발생하며 이중 퇴비로 처리되는 양이 68%이다. 가축분뇨는 2012년부터 해양투기가 전면금지 됨에 따라 전량 육상 처리되고 있으나, 가축농가의 분뇨처리시설용량 부족으로 및 가축분뇨 부적정 처리로 인한 악취발생, 환경오염 문제가 발생하고 있다. 가축분뇨를 자원화하는 것은 유용한 자원으로 소득에 기여할 뿐만 아니라 폐기물을 발생시키지 않아 환경을 보전하기도 한다. 최근 국내의 가축 사육 규모가 커짐에 따라 가축분뇨의 처리문제와 악취로 인한 민원이 증가하여 사화문제화 되고 있다. 악취민원은 2003년 이후 연평균 14.5% 증가하고 있고, 축산관련 악취는 약 7%로 해마다 지속적인 증가를 보이고 있다(환경부, 2007). 축종별로 보면 양돈 관련 악취 민원이 약 54%로 많은 부분을 차지하고 있다. 퇴비는 음식물쓰레기, 축산분뇨 등을 발효 및 부숙시켜서 농작물, 원예, 임야에 시비하는 것이다. 퇴비 생산시에는 음식물쓰레기 및 축산분뇨와 같은 퇴비대상물이 수분이 85%정도로 높아 부패하기 쉽기 때문에 퇴비에 적합하도록 수분조절재(톱밥, 왕겨등)를 사용하여 수분을 60~65%로 조절하여야 한다. 퇴비는 퇴비대상물이 함유한 유기물을 분해 안정화시켜서 토양미생물의 활성을 도와주는 역할을 하며, 퇴비 조건이 맞지 않을 경우 발효가 잘 일어나지 않거나 악취가 많이 발생되기도 한다. 이러한 경우 퇴비의 발효를 촉진시키기 위하여 발효촉진재를 첨가하여 퇴비화가 원활하게 진행하게 한다. 시판되고 있는 퇴비 발효제는 대부분 미생물제로써 토양이나 유용한 미생물을 추출, 배양하여 주로 액상으로 공급하고 있다. 개발된 기술은 퇴비 발효촉진재로써 미생물제가 아닌 무기물로 구성된 미생물활성재이다. 본 퇴비 발효촉진재는 퇴비대상물(가축분뇨+톱밥)에 5%정도 혼합하면 악취발생이 거의 없고 고온이 장기간 지속되어 완숙퇴비가 되게 만들어주는 기능을 가지고 있다. 구체적으로는 발효촉진재의 성분에 의해 폴리실리케이트 망목을 형성하여 악취물질을 흡착하는 기능이 있어 악취를 70%정도 억제하는 기능, 친수성 수화물질의 수화반응 및 경화반응에 의한 수분증발 기능, 발효촉진제는 약알칼리성으로 퇴비를 시비할 경우 산성토양을 중화시키는 기능, 초기발열 및 고온균 활성화로 퇴비기간을 기존의 50일에서 40일로 약20% 단축시키는 기능, 고온균 및 방선균 활성화 및 고온 장기지속 등으로 완숙퇴비를 만들어 주는 기능을 가지고 있다. 따라서 발효촉진제가 비록 분말이지만 단립화기능이 있으므로 첨가량 만큼 톱밥 사용량을 줄일 수 있다. 발효촉진재의 용도는 퇴비 첨가물로써, 가축분뇨 및 음식물쓰레기 등을 퇴비화 할 경우, 가축분뇨 및 음식물 쓰레기에 톱밥을 혼합 한 후 추가로 발효촉진재를 무게비로 5%정도 혼합해 주면 된다. 따라서, 본 사업을 통해, 화력발전소에서 발생하는 바텀애쉬 및 공장의 폐흡착제는 충 발효촉진재의 대체원료로의 사용함으로써, 바텀애쉬 및 폐흡착제의 재활용 수요처를 확보함과 아울러 부산물처리 비용의 절감효과를 기대할 수 있다. 아울러, 생산업체에서는 발효촉진재의 대체원료 활용을 통해 안정적인 수급과 원가절감 효과를 기대 할 수 있다. 폐기물 자원화 네트위크 구축사업으로 생산되는 발효촉진제는 가축농가 퇴비장에 지원하여 악취문제를 근원적으로 해결함으로써 지역 편익을 증진시킬 수 있는 사업이다.

현대문명은 많은 의약품 및 식료품을 발효공정을 통해 생산하고 있다. 이 과정에서 다량의 발효균체 폐기물이 발생되는데 이는 매립, 소각, 해양투기와 같은 다양한 방법들로 처리되고 있다. 그러나 처리방법 중 가장 큰 비중을 차지하던 해양투기가 런던협약으로 인해 전 세계적으로 금지됨으로 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 발효균체 폐기물 처리에 대한 새로운 해결방안이 도출해야 하는 상황에 직면하였다. 발효 폐기물 처리에 효과적인 방법으로 최근 대두되고 있는 것이 발생한 폐기물들을 흡착소재로 사용하여 적용하는 생체흡착 기술이다. 생체흡착 기술은 일반적으로 버려지는 죽은 생물들이나 자연에서 발생하는 부산물들을 그대로 이용하여 폐기물 처리비가 들지 않는 경제적인 장점이 있다. 그러나 지금까지의 생체흡착연구는 대부분 특정 금속에 결합력이 우수한 천연바이오매스를 선발하는데 그쳤다. 본 연구에서는 그보다 더 나아가 흡착 가능성을 보인 천연바이오매스의 적절한 개질을 통해 상용화 되어 있는 이온교환수지 보다 더 뛰어난 흡착제를 제조하였다. 그리고 이렇게 만들어진 흡착제를 특정 금속이 아닌 다양한 산업에서 발생되는 중금속, 희귀금속 및 비철금속 등에 대한 각각의 흡착 성능을 보았으며, 현장 적용을 위한 온도 및 다른 이온들의 저해 현상 등을 조사하였다. 본 연구는 기존 연구에서 루테늄 회수에 효과적인 성능을 보였던 발효 폐기물(C.glutamicum)을 polyethylenimine(PEI)로 개질을 통해 만든 흡착제를 이용하였다. 이 흡착제는 기존 이온 교환 수지보다 10배 이상의 고성능을 가진 것으로 조사 되었다. 실험 대상은 Cd(II), Cr(VI), As(V), Mn(VII), ClO4-, PO42- 등 환경에 피해를 주는 물질들과 Au(I)와 같은 경제적 가치가 높아 회수해야 하는 회수해야 하는 희귀금속에 대한 흡착성능을 다각적으로 평가하였다. Cd(II)과 같은 양이온 중금속은 흡착제 특성상 흡착성능이 좋지 않은 것으로 조사되었으며 Cr(VI), Mn(VII)은 흡착 기작이 단순 흡착 기작뿐만 아니라 산화-환원과 같은 복합 기작 제거 형태를 보여주었다. As(V), ClO4-, PO42- 는 기존 흡착제의 성능과 비교하였을 때 매우 좋은 효능을 가지는 것을 보여주었다. 한, 대부분의 이온들이 sulfate 및 chloride에 저해를 받았으며, 온도의 효과는 미미한 것으로 조사되었다. 회수대상인 Au(I) 경우 qmax 값은 103.18 mg/g (Langmuir model)으로 실험되었으며 다른 흡착제보다 우수한 성능을 보임을 확인하였다.

비소는 대표적인 지하수 오염물질로써 장기 음용시 색소침착, 피부 각화증, 신장질환 및 암을 유발하는 것으로 알려져 있다. 최근 해외 언론 보도에 따르면, 중국의 경우 2천만명이 비소로 오염된 지하수를 마시고 있을 가능성이 있다는 연구 결과가 사이언스에 발표되어 파문이 일었다. 국내에서도 폐광산 주변 토양 및 지표수가 비소 등의 중금속으로 오염되어 그 처리방안이 심각하게 다루어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 자연계에 존재하는 대표적인 비소 형태인 비산염(arsenate) 제거를 위해 생체흡착제에 의한 비산염의 흡착 및 탈착 특성을 연구하였다. 본 연구에 사용된 생체흡착제는 발효폐기물을 PEI로 개질한 것으로 다량의 아민기를 가지고 있어 음이온성 교환수지의 기능을 가진다. 비산염은 pH3~6의 영역에서 1가 음이온(H2AsO4-)으로 존재하기 때문에 pH가 낮아질수록 비산염의 흡착 속도 및 흡착량이 증가하였다. 하지만 pH가 3 이하로 더욱 낮아지게 되면 오히려 탈착 현상이 일어났다. 그 이유는 pH 3 이하에서는 비산염이 0가의 형태(H3AsO4)로 전환될 뿐만 아니라 pH 조절에 사용된 산성용액에 포함된 염소이온이나 황산이온에 의해 1가 음이온성 비산염(H2AsO4-)이 탈착되기 때문이었다. 흡착된 비소는 0.01M NaOH 용액을 이용해 100% 탈찰할 수 있었다. 다만 수회 반복된 흡탈착 실험결과 흡탈착이 반복될수록 흡착제의 질량감소로 인해 흡착량이 감소하였다.

To improve the conversion rate of the saccharification liquid of food wastes, containing a mixture of pentose and hexose, to bioethanol, this study aimed to investigate the fermentation characteristics by P. stipitis which is used in the fermentation of xylose as well as glucose as a substrate. Saccharification liquid of cellulosic food wastes such as Chinese cabbage, cabbage, and Chinese chive contained hexose, mainly glucose and fructose, and pentose, mainly xylose and trace disaccharide. The pentose in reducing sugar occupied 32%, meaning that the conversion rate to ethanol could be increased by the fermentation of such a pentose. From the result of ethanol fermentation, although the rate of fermentation by P. stipitis was slower than by S. coreanus, it was verified the consumption of pentose as well as hexose in the process of the forced air injection, consequently, it was confirmed the increase of ethanol yield.