Food waste leachate (FWL) is a serious pollutant waste coming from the food waste recycling facilities in Korea. FWL has a high organic matter content and high COD to nitrogen (COD/N) ratio, which can disturb efficient methane production in the anaerobic digestion of FWL. In the present study a microalga, Clorella vulgaris (C.V), was used as co-substrate for the FWL anaerobic digestion in order to supply nutrients, decrease the COD/N ratio and increase its methane yield. Different co-digestion mixtures (COD/N ratios) were studied by using biochemical methane potential test and modified Gompertz equation for kinetic study. Mixed substrate of FWL and C. vulgaris in the co-digestion clearly showed more the biomethane yield than the sole substrates. The maximum methane production, 827.7 mL-CH4/g-VS added, was obtained for COD/N ratio of 24/1, whereas the highest improvement of methane yield was found for COD/N ratio of 15/1.

This study evaluated the biochemical methane potential (BMP) of primary sludge, secondary sludge, and food waste in batch anaerobic mono-digestion tests, and investigated the effects of mixture ratio of those organic wastes on methane yield and production rate in batch anaerobic co-digestion tests, that were designed based on a simplex mixture design method. The BMP of primary sludge, secondary sludge and food waste were determined as 234.2, 172.7, and 379.1 mL CH4/g COD, respectively. The relationships between the mixing ratio of those organic wastes with methane yield and methane production rate were successfully expressed in special cubic models. Both methane yield and methane production rate were estimated as higher when the mixture ratio of food waste was higher. At a mixing ratio of 0.5 and 0.5 for primary sludge and food waste, the methane yield of 297.9 mL CH4/g COD was expected; this was 19.4% higher than that obtained at a mixing ratio of 0.3333, 0.3333 and 0.3333 for primary sludge, secondary sludge, and food waste (249.5 mL CH4/g COD). These findings could be useful when designing field-scale anaerobic digersters for mono- and co-digestion of sewage sludges and food waste.

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.

가죽 제조 산업의 현황을 살펴보면 가공에 사용되는 원료피의 50%가 폐기물로 발생되어 진다. 가죽 원료에서 많은 부분이 폐기물로 발생하기 때문에 해당 공정의 폐기물 처리와 함께 자원으로서의 활용적 측면이 함께 고려되어야한다. 하지만 현재 대부분의 피혁폐기물은 주로 매립과 소각 방법으로 처리되고 있어 보다 지속가능하고 환경 친화적인 처리 방법이 요구되고 있는 실정이다. 본 연구에 사용된 피혁폐기물은 가죽 제조 공정 중 탈모공정(Liming) 후에 발생하는 Pelt scrap으로, 주성분이 지질과 단백질로 구성되어 있어 혐기성 소화를 통한 처리 시 효율적인 메탄 생성 기질로 사용될 수 있다. 다만, 피혁폐기물은 pH와 C/N 비가 높아 혐기성 소화 시 메탄 생성 과정에 저해를 줄 수 있어 이에 대한 조절이 필요하다. 일반적으로 피혁폐기물의 pH는 12 부근으로 알려져 있으며, 혐기성소화 공정에서 기질의 pH가 6이하 또는 8.5이상인 경우 메탄 생성에 영향을 줄 수 있다. 이에 효율적인 피혁폐기물 처리와 메탄가스 생산을 위해서는 기질의 pH 조절이 필요하다. 본 연구에서는 피혁폐기물의 높은 pH를 혐기성소화에 알맞은 중성으로 조절해주기 위해 pH가 낮으면서 생분해도가 높은 음폐수를 통합 기질로 사용해 혐기성소화를 실시하였다. 실험에 사용된 피혁폐기물과 음폐수의 pH는 각각 12.4와 4.2였으며, 이를 VS기준 0.13:0.87의 비율로 혼합하여 혼합기질의 pH를 7.7로 만들었다. 250mL serum bottle에 하수슬러지 100mL를 식종하고 기질 1g VS를 주입하였고 35℃, 150rpm으로 유지되는 항온교반기에서 진행하였다. 기질 pH 조절에 의한 소화 성능 확인을 위해 피혁폐기물과 음폐수 단독소화를 실시하고, 이를 pH 7로 조절한 통합소화 조건과 비교하였다. 이때 소화성능은 유기물 감량과 바이오가스 생산량 및 메탄함량을 통해 평가하였다. 실험 결과, 단독 소화와 비교해 기질의 pH를 조절해 통합소화에서 바이오가스 생산량과 메탄 함량이 증대되는 경향을 보였다. 결론적으로 혐기성소화 시 기질 혼합을 통한 중성 pH 조성은 바이오가스 생산량과 메탄 함량의 증가에 영향을 주는 것으로 판단된다.

가죽제품 제조 산업으로부터 발생되는 피혁폐기물의 양은 투입되는 원료 가죽의 약 50%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이들 피혁폐기물은 적절한 처리 방법이 개발되지 않아 대부분 매립이나 소각을 통해 처리되고 있다. 특히, 매립이나 소각을 통한 처리는 단가가 높아 관련 산업의 경제성을 악화시키고 고형폐기물의 친환경적 처리 관점에서 문제점이 제기되고 있는 실정이다. 최근 화석연료를 대체하기 위한 신규에너지원의 중요성이 높아짐에 따라, 폐기물을 이용한 에너지화에 많은 연구가 진행되고 있으며, 피혁폐기물은 주로 단백질과 지질로 구성되어 있는 특성으로 인해 혐기성소화를 통한 바이오가스 생산이 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 일반적으로 알려져 있는 혐기성소화 공정의 최적 C/N 비 (20-30)를 고려할 때, 피혁폐기물의 높은 C/N비 (약 35)는 공정의 제한요소가 될 수 있다. 본 연구에서는 피혁폐기물과 음폐수를 통합하여 혐기성소화를 실시함으로써 기질의 C/N 비 조절이 혐기성소화 효율에 미치는 영향을 관찰하였다. 기질의 C/N 비 조절을 통한 혐기성소화 효율의 변화는 BMP (Biochemical methane potential) test를 약 40일간 진행하였으며, 바이오가스 발생량을 비교하였다. 실험은 경기도 동두천시에 위치한 가죽제품 제조업체로부터 수거된 pelt scrap과 양주시에 위치한 음식물쓰레기 자원화시설에서 발생되는 음폐수를 각각 채취하여 사용하였다. 개별 기질의 C/N 비는 피혁폐기물이 34.1, 음폐수가 13.5로 확인되었으며, 이들의 무게에 따른 혼합비를 조절하여 통합 혐기성소화 기질의 C/N 비를 20, 25, 30으로 맞춰 실험을 진행하였다. 실험결과 기질을 통합하여 C/N 비를 조절한 소화 조건에서 개별 기질의 단독소화 조건보다 많은 바이오가스 생산량이 관찰되었으며, C/N 비 20에서 바이오가스 생산량이 높은 것으로 나타났다. 이는 통합 기질의 C/N 비 조절효과와 함께 피혁폐기물에 비해 생분해도가 높은 음폐수 함량이 기질의 C/N 비가 낮을수록 더 많이 포함되었기 때문으로 판단된다.

고유가 및 국제적 환경규제 강화와 더불어 우리나라는 2013년 온실가스 감축 의무대상국으로의 편입이 가시화되고 있다. 따라서 농업분야의 신재생에너지 사업기반 마련을 위해 가축분뇨를 비롯한 농축산바이오매스의 혐기성소화 방식을 통한 바이오가스 생산 및 에너지화 기술 개발의 필요성이 증대되고 있다. 또한 농업부문의 급속한 시장개방으로 외국산 축산물의 수입이 본격화됨에 따라 국내 축산업의 경쟁력 제고와 축산업 과정에서 필연적으로 발생하는 가축분뇨의 해양배출 금지에 대비한 육상처리시설 기반 확보가 필요하다. 가축분뇨 및 농축산바이오매스의 혐기성소화 기술 적용은 장래 해양배출 금지에 따른 처리시설 기반확보와 동시에 온실가스를 저감하는 환경적 기능, 메탄가스와 같은 재생에너지 생산 그리고 소화슬러지는 퇴･액비화 후 양질의 유기질 비료로 활용하는 등 자원순환 기능을 동시에 달성할 수 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 가축분뇨 및 농축산 바이오매스를 대상으로 회분식 혐기성소화 실험을 통해 각 연구대상 통합시료의 분해속도 및 생분해 특성을 평가하고, 가축분뇨 및 농축산바이오매스의 혐기성통합소화 플랜트 설계 기초자료를 제시하고자 하였다. 혐기성 통합 소화 대상 농축산바이오매스는 동계사료작물 청보리, 하계사료작물 사료용 옥수수, 가축분뇨는 우분을 연구대상으로 하였다. 가축분뇨와 Energy Crop의 혼합비는 VS기준으로 60 : 40이었으며, 식종균은 D시의 하수처리장의 중온혐기성소화균을 채취하여 순응적응시켜 이용하였다. 최종생분해도평가는 Graphical Statistic Analysis Method와 BMP Test를 적용하였다. 실험기간 120일동안 우분의 최종생분해도는 72~73%이었으며 가축분뇨와 사료작물의 혼합비 60:40 조건에서 우분+옥수수 통합시료는 83~85%, 우분+청보리 통합시료는 80%의 최종생분해도를 나타내었다. 우분의 전체 생분해성 유기물 중 빠르게 분해되는 분율(S1)은 78%으로 k1(0.087day-1)의 속도로 25일 안에 빠르게 분해하였으며, 느리게 분해되는 S2 분율은 22%로써 k2(0.004day-1)의 속도로 95일의 긴 시간동안 분해하였다. 우분+사료용 옥수수 통합시료(혼합비 60:40)의 S1은 25일 동안 BVS 중 80%가 0.090day-1(k1)의 속도로 빠르게 분해하였으며, S2는 95일 동안 k2, 0.004day-1의 속도로 BVS의 20%가 분해되었다. 우분+청보리 통합시료(혼합비 60:40)의 S1은 30일 동안 BVS 중 76%가 0.069day-1(k1)의 속도로 빠르게 분해하였으며, S2는 90일 동안 k2, 0.009day-1의 속도로 BVS의 24%가 분해되었다.