Response surface methodology (RSM) based on a Box-Behnken Design (BBD) was applied to optimize the thermal-alkaline pre-treatment operating conditions for anaerobic digestion of flotation scum in food waste leachate. Three independent variables such as thermal temperature, NaOH concentration and reaction time were evaluated. The maximum methane production of 369.2 mL CH4/g VS was estimated under the optimum conditions at 62.0°C, 10.1% NaOH and 35.4 min reaction time. A confirmation test of the predicted optimum conditions verified the validity of the BBD with RSM. The analysis of variance indicated that methane production was more sensitive to both NaOH concentration and thermal temperature than reaction time. Thermal-alkaline pretreatment enhanced the improvement of 40% in methane production compared to the control experiment due to the effective hydrolysis and/or solubilization of organic matters. The fractions with molecular weight cut-off of scum in food waste leachate were conducted before and after pre-treatment to estimate the behaviors of organic matters. The experiment results found that thermal-alkaline pre-treatment could reduce the organic matters more than 10kD with increase the organic matters less than 1kD.

현재 국내에서 발생하는 음폐수의 해양투기 금지와 음식물류 폐기물의 에너지화 정책에 따라 유기성 폐기물의 혐기소화를 통한 바이오가스화 시설이 지속적으로 설치 및 운영되고 있다. 그동안 많은 연구와 운영 경험을 통해 유기성 폐기물의 바이오가스화 공정은 점차적으로 안정화되어 가고 있는 가운데, 해당 시설에서 발생하는 혐기소화여액에 대한 적정 처리가 전체 시설의 경제성에 큰 영향을 미치고 있다. 해외, 특히 유럽에서는 유기성 폐기물의 혐기소화여액을 대부분 퇴비 또는 비료로 활용하고 있으나 국내에서는 경작 면적 및 시비 시기 등에 대한 제약으로 인해 해외의 경우처럼 혐기소화여액을 퇴비 및 비료로 활용하는데 한계를 가지고 있다. 이에 대다수의 국내 음식물류 폐기물 바이오가스화 시설에서는 혐기소화여액을 별도의 폐수처리 후 하수처리장에 연계 처리하고 있으며, 고형물인 탈수케익은 일부 퇴비원료로 생산하고 있으나 이에 대한 수요 및 구매 매력도가 떨어져 무상공급 또는 유상처리하고 있는 실정이다. 이에 따라 탈수케익을 퇴비원료로 생산하는 대신 매립 또는 소각 처리로 전환하는 시설도 늘어나고 있다. 또한, 음식물류 폐기물의 혐기소화여액은 높은 질소 농도로 인해 하수처리장 연계수질에 따라 단순 응집침전부터 다단 고도처리까지 적용하여 처리하고 있어, 본 과제에서는 국내 음식물류 폐기물 바이오가스화 시설을 직접 방문 조사하여 각 시설의 폐수처리공정 성능 및 애로사항 파악을 통해 주요 연계수질 기준에 따른 최적 폐수처리공정 선정 Guideline을 도출하고자 하였다.

유기성 폐자원(음식물류 폐수, 가축분뇨, 하수슬러지 등)의 해양투기 금지 및 폐자원 바이오매스 에너지화 정책에 따라 유기성 폐자원 에너지화는 중요한 국가적 과제로 부각되고 있다. 유기성 폐자원 처리의 경우 단독 처리시설은 38개소, 병합처리시설은 17개소가 운영 중에 있으나 개소당 처리량은 병합처리시설이 더 많은 것으로 나타났다(단독처리시설: 198천톤/년; 병합처리시설: 345천톤/년). 가축분뇨의 경우 타 유기성 폐기물에 비해 C/N 비가 높고 유기물 함량(Volatile Solids, VS 기준)이 낮아 에너지 전환 효율이 낮은 것으로 보고되고 있다. 이에 반해 음식물류 폐수의 경우 유기물 함량이 높고 C/N 비가 낮다. 따라서 가축분뇨와 음식물류 폐수 병합처리 시 가축분뇨의 원료적 단점을 보완할 수 있다. 병합처리시설 중 음식물류 폐수와 가축분뇨 병합처리 시설은 총 5개소가 운영 중에 있으며 혼합 비율은 1:0.5 ~ 182.5 (음식물류 폐수 기준)로 넓은 범위로 나타났다. 또한 소화효율(VS 기준)은 15.1 ~ 95.1%로 넓은 분포를 나타내었다. 이렇듯 음식물류 폐수와 가축 분뇨의 적정 혼합 비율에 관한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 음식물류 폐수와 가축분뇨의 병합 비율에 따른 유기물 특성(Excitation-Emission Matrix (EEM), SUVA254, SUVA280 등)과 메탄 잠재량을 평가하였다. SUVA254와 SUVA280분석 결과에 따르면 가축분뇨는 음식물류 폐수에 비해 각각 6.8 및 8.1배 높은 것으로 나타났다. 회분식 메탄 잠재량 평가 결과, 가축분뇨의 비율이 낮아질수록 최대 메탄 발생량은 증가되는 경향으로 나타났다. 그러나 혼합 비율 대비 시너지효과를 평가한 결과, 1:1.5 (음식물류 폐수 기준) 비율에서 14.9%로 가장 높게 나타났다.