The object of this study is to feasibility assesment for co-digestion efficiency of food waste recycling wastewater(FWR) with thermal hydrolysis process dehydration cake (THP Sludge). As a result of THP pre-treatment experimental conditions to 160oC and 30 minutes, the solubility rate(conversion rate of TCOD to SCOD) of the THP sludge increased by 34%. And the bio-methane potential in the THP sludge increased by about 1.42 times from 0.230 to 0.328 m3 CH4/kg VS compared to the non-pre-treatment. The substrates of the co-digestion reactor were FWR and THP sludge at a 1:1 ratio. Whereas, only FWR was used as a substrate in the digestion reactor as a control group. The experimental conditions are 28.5 days of hydraulic retention time(HRT) and 3.5 kg VS/m3-day of organic loading rate(OLR). During the 120 days operation period, the co-digestion reactor was able to operate stably in terms of water quality and methane production, but the FWR digestion reactor deteriorated after 90 days, and methane production decreased to 0.233 m3 CH4/kg VS, which is 67% of normal condition. After 120 days of the experiment, organic loading rate(OLR) of co-digestion reactor was gradually increased to 4.5 kg VS/m3-day and operated for 80 days. Methane production during 80 days was evaluated to be good at the level of 0.349 m3 CH4/kg VS. As a result of evaluating the dehydration efficiency of the sludge before/after 150-180oC THP using a filter press, it was confirmed that the moisture content of the sludge treated before THP at 180oC was 75% and improved by 8% from 83-85% level. Therefore, it is expected that the co-digestion reactor of FWR and THP sludge will ensure stable treatment water quality and increase bio-methane production and reduction effect of dehydration sludge volume.

Livestock manure treatments have become a more serious problem because massive environmental pollutions such as green and red tides caused by non-point pollution sources from livestock manures have emerged as a serious social issue. In addition, more food wastes are being produced due to population growth and increased income level. Since the London Convention has banned the ocean dumping of wastes, some other waste treatment methods for land disposal had to be developed and applied. At the same time, researches have been conducted to develop alternative energy sources from various types of wastes. As a result, anaerobic digestion as a waste treatment method has become an attractive solution. In this study has three objectives: first, to identify the physical properties of the mixture of livestock wastewater and food waste when combining food waste treatment with the conventional livestock manure treatment based on anaerobic mesophilic digestion; second, to find the ideal ratio of waste mixture that could maximize the collection efficiency of methane (CH4) from the anaerobic digestion process; and third, to promote CH4 production by comparing the biodegradability. As a result of comparing the reactors R1, R2, and R3, each containing a mixture of food waste and livestock manure at the ratio of 5:5, 7:3, and 3:7, respectively, R2 showed the optimum treatment efficiencies for the removal of Total Solids (TS) and Volatile Solids (VS), CH4 production, and biodegradability.

화석연료의 고갈로 인한 고유가 상황과 온실가스에 의한 지구온난화가 가시화 되면서 재생 가능한 에너지개발과 자원의 효과적인 이용을 통한 자원순환사회 구축, 나아가 친환경적인 사회구현이라는 목표를 달성하기 위하여 선진국을 중심으로 환경과 에너지 문제를 해결하기 위한 연구가 진행되어 왔다. 이러한 전망을 토대로 국가적 부담을 최소화하고 실리를 추구할 수 있는 적극적이고 능동적인 대처방안을 강구할 필요성이 절실한 시점이다. 최근 신재생에너지의 확충과 기후변화 협약에 대한 적극적인 대응이 요구됨에 따라 단순 매립되던 폐기물을 에너지로 전환하여 처리하는 방식이 각광받으며 정부 계획 하에 적극적으로 추진되고 있다. 이러한 대응의 일환으로 1990년대 후반에는 유렵을 중심으로 연성에너지 체제에 부합하면서 지방자치단체 지역 공동체, 지역 주민들의 에너지 생산 활동 참여를 중시하는 지역에너지 체제가 대안으로 제시되었다. 에너지자립마을은 화석연료에 대한 의존도가 낮으며 지속가능한 마을과 유사한 것으로, 환경문제와 미래에너지 문제를 함께 고려한 개념으로 마을에서 발생되는 자원을 최대한 이용하고, 그 자원을 순환시키는 마을로 이해될 수 있다. 국내에서는 2009년부터 농림수산식품부, 환경부, 지식경제부 등 정부부처가 합동으로 각종 바이오매스를 이용하여 에너지 자립형 마을 시범사업을 추진하면서 축산 바이오매스를 이용하는 바이오가스화 기술은 농촌 지역에 도입할 수 있는 가장 실행 가능한 기술로 평가받고 있다. 본 연구에서는 농촌형 에너지자립마을에서 발생될 수 있는 다양한 유기성폐기물을 대상으로 혼합 원료의 특성과 병합 혐기성소화의 효율을 평가하기 위하여 biochemical methane potential test(BMP test)를 진행하였다. 또한, 본 연구를 바탕으로 혐기성소화와 C/N비의 관계를 알아보고자 하였다.

Livestock manure treatments have become a more serious problem because massive environmental pollutions such as green and red tides caused by non-point pollution sources from livestock manures have emerged as a serious social issue. In addition, more food wastes are being produced due to population growth and increased income level. Since the London Convention has banned the ocean dumping of wastes, some other waste treatment methods for land disposal had to be developed and applied. At the same time, researches have been conducted to develop alternative energy sources from various types of wastes. As a result, anaerobic digestion as a waste treatment method has become an attractive solution. In this study has three objectives: first, to identify the physical properties of the mixture of livestock wastewater and food waste when combining food waste treatment with the conventional livestock manure treatment based on anaerobic mesophilic digestion; second, to find the ideal ratio of waste mixture that could maximize the collection efficiency of methane (CH4) from the anaerobic digestion process; and third, to promote CH4 production by comparing the biodegradability. As a result of comparing the reactors R1, R2, and R3, each containing a mixture of food waste and livestock manure at the ratio of 5:5, 7:3, and 3:7, respectively, R2 showed the optimum treatment efficiencies for the removal of Total Solids (TS) and Volatile Solids (VS), CH4 production, and biodegradability.

2005년부터 육상 매립 시 발생하는 침출수 및 악취 등의 환경적 영향 때문에 유기성폐기물의 육상 직매립이 금지되었고 2006년 발효된 런던협약에 따라 유기성폐기물의 해양투기(‘13.1)가 전면 금지되고 있다. 따라서 육상처리 및 재활용처리 등의 방안마련이 시급한 시점이며 사료화와 퇴비화의 경우 음식물의 높은 함수율로 인해 실효성이 낮은 것으로 평가받고 있어 정부는 바이오가스화 방식을 확대하려 하고 있다. 바이오가스 생산기술의 경우 유기성폐기물의 에너지 생산･활용을 통해 에너지 자급률을 높일 수 있으며, 폐기물 발생량을 감소시킴으로써 폐기물 처리비용 절감을 통한 원가상승률을 낮추는 효과를 얻을 수 있다. 유럽의 경우 단일 유기성폐기물을 대상으로 처리하기 보다는 생분해성 폐기물을 하나로 통합 관리하는 방안을 적극적으로 추진하고 있다. 따라서 본 연구에서는 유기성폐기물 해양투기 금지에 따른 대안 마련 및 유기성폐기물의 에너지화를 통한 국가 에너지원 확보를 위해 생활계의 음폐수와 사업장의 음료제조업(맥주제조업, 유가공제조업) 폐수처리슬러지, 하수슬러지를 대상으로 바이오가스화 가능성을 평가하였다. 음폐수의 병합 소화 가능성 평가를 위한 BMP 실험결과 음폐수와 유가공 제조업에서 발생하는 폐수처리슬러지를 1:9, 3:7, 5:5 혼합한 병합시료에서 각각 117.87, 175.36, 222.85 CH4 mL/g VS의 메탄가스가 발생하는 것으로 나타났으며, 음폐수와 맥주제조업의 폐수처리슬러지의 경우 1:9, 3:7, 5:5 혼합시료에서 각각 175.72, 232.57, 263.41 CH4 mL/g VS의 메탄가스가 발생하는 것으로 나타났다. 음폐수의 혼합비율이 높아질수록 메탄가스 발생량은 커졌고 대상 업체에서 발생하는 폐수처리슬러지와 음폐수의 혼합 비율에 따른 병합처리 시 폐수처리슬러지 단독 처리에 비해 다량의 메탄가스가 발생되었다. 따라서 단독 혐기소화에 비해 병합혐기소화를 통한 바이오가스화 가능성이 높은 것으로 분석되었다. 생분해도는 폐수처리슬러지 단독소화의 경우 유가공제조업은 40.6%, 맥주제조업은 50.7%로 음폐수와의 병합비율이 증가할수록 생분해도는 증가하였다.

유기성슬러지는 바이오가스를 생산할 수 있는 우수한 원료물질로서 선진국에서는 이를 이용한 에너지 생산이 급증하고 있다. 국내의 경우 음식물쓰레기, 가축분뇨 및 하수슬러지를 대상으로 하는 바이오가스 생산 및 공급을 상용화하는 단계에 있다. 하지만 산업폐기물의 경우 에너지 가용 잠재력은 많으나 활용이 미흡하고, 산업단지에서 발생하는 유기성슬러지를 비롯한 유기성 폐자원은 일부 대규모 사업장에서 자체 에너지화 등을 통해 발생된 폐기물을 활용하고 있으나 대부분의 중･소규모 사업장은 일정 비용을 지불하고 위탁처리하고 있는 실정이다. 일부 대규모 사업장에서 생산된 적은 양의 바이오가스는 자체적으로 소각 또는 보일러용으로만 사용하고 있어 잉여 가스를 이용한 수익창출이 어려운 실정이다. 유럽의 경우 단일 유기성폐기물을 대상으로 처리하기 보다는 생분해성 폐기물을 하나로 통합 관리하는 방안을 적극적으로 추진하고 있다. 따라서 본 연구에서는 유기성폐기물 해양투기 금지에 따른 대안 마련 및 유기성폐기물의 에너지화를 통한 국가 에너지원 확보를 위해 생활계의 음폐수와 사업장의 음료제조업(맥주제조업, 유가공제조업) 폐수처리슬러지를 대상으로 바이오가스화 가능성을 평가한 결과, BMP 실험의 경우 1:9, 3:7, 5:5 비율로 병합 처리한 경우 각각 약 233, 298, 344 CH4 mL/gVS의 메탄가스가 발생하였다. BMP 실험을 통해 생산된 메탄가스의 누적생산 곡선을 Modified Gompertz model과 first order kinetic model에 적용하여 추정한 결과, 메탄생성량은 Modified Gompertz model에서는 238.5, 302.3, 353.6 mL/gVS 발생하였고 first order kinetic model에서는 242.8, 312.5, 365.5mL/gVS로 음폐수와의 혼합비율이 증가할수록 높게 나타났으며, 최대 메탄생성속도의 경우 3:7비율에서 48.2 mL/gVS·day로 최대 메탄생성 속도를 보였다. first order kinetic model의 1차 반응속도상수 k값은 1:9, 3:7, 5:5 비율에 따라 0.32, 0.22, 0.08day-1 나타났다. 1차 반응속도 상수의 경우 음폐수의 혼합비율이 낮을수록 높게 나타났다. Modified Gompertz와 first order kinetic model 모두 실험결과를 잘 모사하였으며, 실험결과와 모의결과의 적합도를 나타내는 상관계수(R2)의 경우 0.92∼0.98으로 높은 상관성을 나타내었다.

According to the elementary analysis on organic wastes, the C/N ratio, a major condition for anaerobic digestion, is 5.40 to 9.23, except for food waste leachate (FWL). Defined by Tchobanoglous’ mathematical biogas prediction model, methane gas and biogas productions increased, depending on the mixing rate of FWL. Furthermore, anaerobic digestion both wastewater sludge and food waste leachate based on the right mixing ratio, increases methane gas productions compared to digesting wastewater sludge alone. In other words, co-anaerobic digestion is more likely to realize biogasification than single anaerobic digestion. We mix food waste leachate and wastewater sludge from the dairy and beer manufacturing industry by the proportion of 1 : 9, 3 : 7 and 5 : 5. It turns out that they produced 118, 175 and 223 CH4 mL/g VS in the dairy manufacturing and 176, 233 and 263 CH4 mL/g VS in beer manufacturing of methane gas. The result suggests that as the mixing rate of food waste leachate rises, the methane gas productions increases as well. And more methane gas is made when co-digesting wastewater sludge and food waste leachate based on the mixing ratio, rather than digesting only wastewater sludge alone. Modified Gompertz and Exponential Model describe the BMP test results that show how methane gas are produced from organic waste. According to the test, higher the mixing rate of food waste leachate is, higher the methane gas productions is. The mixing ratio of food waste leachate that produces the largest volume of methane gas is 1 : 9 for the dairy industries and 3 : 7 for brewery. Modified Gompertz model and Exponential model describe the test results very well. The correlation values (R2) that show how the results of model prediction and experiment are close is 0.920 to 0.996.

본 연구에서는 바이오메탄을 생산하는 혐기성 소화에 대한 연구를 다루었다. 특히 여러 원료의 병합소화가 단일소화에 비해 높은 효율을 보였으며, 이를 기반으로 병합소화의 효율을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 병합소화의 원료로는 도축폐기물, 도축하수슬러지 및 탈수케이크, 가축분뇨, 그리고 농업 부산물을 사용하였으며, 각 원료의 기초성상분석과 성분분석을 통하여 최적의 혼합비율을 찾아내는 것이 목적이다. 혼합비율 최적화는 C/N비를 기반으로 하여 진행하였으며, 각 원료의 단일 혐기성소화 효율 및 혼합비율별 병합 혐기성소화 효율을 BMP test를 통하여 확인하였다. 질소의 함량이 높은 도축 및 분뇨 폐기물과 탄소원이 많은 농업 부산물의 병합 혐기성소화는 적절한 C/N비를 도출하는 데에 있어서 가장 적합하다고 판단되며, 이를 이용하여 다양한 유기성 폐기물의 혼합처리 기술의 개발이 가능할 것으로 예상된다.

음식물류폐기물은 2011년 기준 13,429ton/day, 축산분뇨는 2011년 기준 135,653ton/day 발생하였다. 2013년 음식물류폐기물과 축산분뇨의 해양 배출이 전면 금지되었고 육상처리기술 대안 중 하나로서 혐기소화공정기술이 떠오르고 있다. 음식물류폐기물은 유분과 염분이 높고, pH는 낮으며, C/N비 및 COD는 높기 때문에 혐기소화 기간이 길고 처리효율이 낮아 어려움을 겪고 있다. 이에 본 연구에서는 음식물류폐기물의 혐기소화 효율을 높이기 위해서 음식물류폐기물과 축산분뇨의 병합처리를 모색하였고, BMP-test를 통하여 혐기소화 효율을 분석 하였다. 사용된 대상 시료의 TS, VS, CODcr, pH 등 기본성상 분석 결과와 문헌조사를 토대로 병합비율을 산정하여 약 30일간 BMP-test를 진행하였다. 그 결과 단일소화에 비해 병합소화에서 바이오가스 발생량(mL/gVS)이 높았고, 병합시료 속에 음식물류폐기물의 비율이 높을수록 초기 바이오가스 발생이 많았는데 이는 축산분뇨에 비해 가용성 유기물질 성분을 많이 포함하기 때문으로 사료된다. 병합소화에서 병합비율은 가장 중요한 인자 중 하나이나 음식물류폐기물과 축산분뇨의 성상은 지역별로 다르고 계절 및 년도에 따라서도 다르며, 발생량도 다르기 때문에 적절한 병합비율을 결정하기 위해서는 향후 음식물류폐기물과 축산분뇨의 병합처리 뿐만 아니라 유기성폐기물의 다양한 병합처리 연구가 필요하다고 사료된다. 본 연구는 혐기소화공정 설계 및 혐기소화 효율을 높이기 위한 기초자료로서 활용될 수 있을 것이다.

사람이 생활하면서 발생하는 대표적인 유기성 폐기물은 분뇨와 음식물쓰레기이며, 이 폐기물들은 주로 혐기성 소화에 의해 처리되고 있다. 중앙 집중식 시스템에 연결되지 않는 소규모 주거지역이나 독립처리 시설을 갖춘 곳에서 발생하는 분뇨와 음식물쓰레기의 병합소화는 유기성 폐기물의 처리에 대안이 될 수 있다. 소변에는 질소와 인과 같이 회수 시 자원으로 재활용할 수 있는 물질들이 다량 포함되어 있으므로, 분뇨과 음식물쓰레기를 병합 소화시 분뇨에서 소변을 미리 분리하는 것을 고려할 수 있다. 본 연구에서 분뇨 분리를 통해 분뇨와 음식물쓰레기의 병합소화에서 대변의 잔류 소변양이 바이오가스 발생량과 처리 효율에 미치는 영향을 확인하기 위해 Biochemical Methane Potential (BMP) test를 실시하였다. 분뇨 기질은 실생활에서 발생하는 조건을 모사하기 위해 소변, 화장지를 포함한 시료를 제조하였다. 본 실험에서 음식물쓰레기, 대변과 화장지 포함량을 동일한 조건으로 하고 잔류 소변량을 다르게 하여 실험을 실시하였다. 국내에서 음폐수를 제외한 음식물쓰레기, 대변과 소변은 각각 0.25 kg/인/일, 0.15 kg/인/일, 1.6 L/인/일 가량 발생되는 것으로 알려져 있다. 각 기질을 1인 기준으로 하여 잔류 소변량은 0, 15, 50 와 100%(v/v) 조건을 설정하고, 실험은 각각의 잔류 소변량 조건에 대해 triplicate로 45일간 진행하였다. 발생되는 가스의 부피는 실린지를 결합한 t-type valve system으로 측정하였으며, 조성은 TCD (Thermal Conductivity Detector)가 장착된 GC (Gas Chromatography, Younglin ACME 6100, Korea)를 이용하여 분석하였다. 이를 바탕으로 시간에 따라 얻어진 누적메탄발생량에 수정된 Gompertz 식을 적용하여 잠재메탄발생량을 구하였다. 0, 15, 50 와 100%(v/v)의 조건에서 45일 동안 측정한 누적메탄발생량은 각각 254.60, 276.85, 264.17와 306.66 mL･CH4/g･VS 로 측정되었고. 수정 Gompertz 식을 적용한 잠재메탄발생량은 281.24, 289.27, 265.34와 298.59 mL･CH4/g･VS 이였다. 소변의 포함량이 100%(v/v)인 경우에서 메탄이 많이 발생하였다. 소변에는 질소, 인을 포함하고 있어 혐기소화에서 영양분으로 사용되나 과량이 포함 된다면 저해요소가 된다. 그러나 BMP test의 잠재메탄생산량 결과는 제한적이고, 잔류 소변양이 가스 생산량과 처리 효율에 미치는 영향에 대한 연구가 더 필요하다.