국내외에서 유통하고 있는 순수 페퍼민트 정유(29점)와 국내에서 재배하여 추출한 정유(1점)를 성분함량분석과 항산화 활력, 항균활성을 검정하였다. ISO에서 제시한 9가지 기준을 충족한 상품은 없었으며, menthol, limonene, menthyl acetate 등의 주요성분은 모두 미국원산 정유에서 대체로 많은 함량을 나타냈다. 민트의 주성분인 menthol함량은 국내만이 0.55%로 가장 낮고, 미국산이 46.72%로 가장 높았다. 1.8-cineole 성분은 국내에서 재배하여 추출한 정유가 13.6%로 가장 높은 함량을 나타냈으며, 국내에서 수집된 튀니지원산의 정유가 9.0%로 높았다. 항산화 활력은 최소5.7%에서 최대97.8%의 전자공여능을 나타내 시료간 현저한 차이를 보였다. 국내에서 수집된 정유 중 미국원산 정유가 5.7%로 가장 낮았고, 호주산 정유가 97.8%의 높은 항산화 활력을 나타내 상품간의 편차가 매우 컸다. 그러나 대부분의 정유가 40-60%의 항산화 활력을 보였다. 페퍼민트 정유의 주요 식품부패미생물(S. aureus, E. coil, S. typhimurium)에 대한 항균활성은 억제대 실험과 최소저해농도 실험 결과, 정도의 차이는 있었으나 모든 미생물에 항균력을 보였고 특히, S. aureus와 E. coli에 강한 항균활성을 보였다.

방사성 폐기물을 지하에 장기 보관하는 금속 용기에 관한 생지화학적 부식 특성을 알아보기 위해 주철과 구리로 된 금속재료를 환원조건 하에서 디설프리칸스 황산염환원미생물과 3개월간 반응시켰다. 금속재료의 화학적/광물학적 변화를 알아보기 위해 주기적으로 용존 금속이온들의 농도를 측정하였으며, 실험이 종료된 이후 금속 시편 및 표면 이차생성물들을 전자현미경을 이용하여 분석하였다. 디설프리칸스가 없는 조건에서는 금속재료의 부식이 매우 미약하였으나, 미생물이 있는 경우에는 부식이 상대적으로 컸다. 관찰된 생지화학적 부식 산물은 주로 맥키나와이트와 황화구리 같은 검은색의 금속황화물이었으며, 표면에서 쉽게 분리되거나 콜로이드화되어 부유하였다. 특히, 구리 시편의 경우 용액 상에 용존 철이 존재할 때 세균에 의한 구리 부식의 가속화가 관찰되었는데, 이는 구리 표면에 다른 종의 황화철이 성장하면서 구리 간의 결속력을 약화시켰기 때문인 것으로 보인다.

폐기물 자원화시설 및 산업시설에서는 유기성 및 무기성 악취물질이 동시에 발생된다. 악취를 처리하기 위하여 많은 연구가 진행되었지만 기존 연구는 무기성 또는 유기성 악취물질을 단독으로 처리하는 공정 중심으로 개발되었다. 악취를 처리하기 위한 공정에는 물리･화학･생물학적인 공정이 존재한다. 이 중 생물학적 공정인 바이오필터는 경제적이고 2차 오염물질의 발생이 상대적으로 적다. 본 연구에서는 바이오필터를 이용하여 유기성 악취물질인 톨루엔과 무기성 악취물질인 암모니아를 동시에 처리하였으며 시간에 따른 처리특성과 반응기 유입부, 중간, 유출부의 미생물 분포 특성을 파악하고자 하였고 그에 따른 Kinetic 실험도 하였다. 실험에 사용된 바이오필터 반응기의 규격은 내부직경 0.1 m, 높이 1.3 m 이었다. 담체의 재질은 1 cm₃의 폴리우레탄 폼을 이용하였으며 충전된 높이는 0.6 m, 충전된 부피는 0.0047 m₃ 이었다. 톨루엔 가스 유입 농도는 50 ppm(유입부하량 5.63 g/m₃/hr)에서 150 ppm(유입부하량 16.88 g/m₃/hr)까지 순차적으로 증가시킨 후 100 ppm(유입부하량 11.25 g/m₃/hr)으로 유지하였다. 암모니아 가스 유입농도는 591 ppm(유입부하량 12.29 g/m₃/hr)으로 유지하였으며 총 가스유량은 2 L/min, EBRT(Empty bed retention time) 2.35 min으로 설정하였다. 톨루엔 가스는 GC/FID로 분석하였으며, 암모니아 가스는 대기오염공정시험법에 준하여 분석하였다. 미생물 분석은 톨루엔 가스 유입농도 100 ppm에서 처리효율이 안정적으로 유지될 때 담체를 채취한 후 PCR-DGGE를 실시하였다. Kinetic 실험은 반응기 유입부, 중간, 유출부에서의 순차적인 처리효율을 파악하였다. 120 일의 연속실험 결과 암모니아는 99%이상 처리효율을 보였으며, 톨루엔은 100 ppm까지 95% 이상의 효율을 나타냈지만 150 ppm에서 74%의 처리효율을 나타내었다. 반응기의 유입부, 중간, 유출부 담체의 미생물 분포를 파악한 결과, 가스유입부에서 암모니아 분해미생물이 우점종으로 나타났으며 중간, 유출부에서는 톨루엔 분해미생물이 우점종으로 나타났다. Kinetic 실험 결과, 가스유입부에는 암모니아 분해미생물이 우점종으로 나타나 42%의 처리효율을 보였으며 충전된 담체의 중간에서 86%의 처리효율을 나타냈다. 톨루엔의 경우 유입부에서 20%, 중간 54%, 유출부에서 92%의 처리효율을 보였다.

본 연구는 기계적 효율이 뛰어난 수층교반장치와 정화력이 뛰어난 광합성세균을 이용하여 호소의 수질을 개선하는 기술을 연구하고자 하였다. 대상기술인 2가지 중 수층교반장치에 대한 성능을 확인하기 위하여 교반으로 인한 수층에서의 용존산소 증가량을 확인하였고, 광합성 세균에 대한 성능을 확인하기 위하여 실험실내에 호소수 및 퇴적물을 이동하여 동일한 수조에 동일한 양을 넣은 후, 비드투입량 및 폭기 여부에 따라 퇴적물의 유기물 함량, 총인, 총질소의 농도변화를 확인하였다. 또한, 호소의 퇴적물 내 비드의 잔존 여부를 확인하기 위하여 DGGE 및 BacLight 분석을 통하여 잔존 여부를 확인하였다. 교반으로 인한 수층의 움직임을 확인하기 위하여 부위 100개를 우선 수층에 띄워 이동방향을 확인하였고, 이를 기준으로 대상 지점별로 0.5m 간격으로 유향, 유속, DO등을 확인하였다. 이를 확인한 결과, 호소 중앙부방향으로 다량의 퇴적물이 발생되어지는 것을 확인하였으며, 교반장치 가동 전에는 호소 전체 저층부(1.5m 이상 수심)에 일관성 없는 일정 유속의 수류가 형성되었고, 가동 후에는 수층(수면층 ~ 2.0 m) 각 4지점으로부터 중심부로의 수류 형성 후 확산에 의한 전체적인 교류, 수류의 가속화와 용존산소 중가로 인해 자정능력이 부여되는 것을 확인하였다. 즉, 모든 측정 지점에서 클로로필-a 및 용존산소 값의 변화가 발생하였으며, 특히, 용존산소는 각 측정지점 별 125 ~ 833% 향상되어지는 것을 확인하였다. 실험실 내 수조시험은 각 수조에 비드를 18, 36, 180, 360 g 투입하여 퇴적물 내 유기물 함량 및 총질소, 총인 농도 변화를 확인하고자 하였으며, 그 결과, 유기물 함량은 비드 투입농도가 증가되어짐에 따라 62.3% 제거되어짐을 확인하였으며, 총질소 농도는 12.5%, 총인 농도는 25.5% 제거되어졌음을 확인하였다. 호소 내 대상 광함성 세균의 잔존 여부를 확인하기 위하여, 호소 내 4개 지점에 대한 수질 및 퇴적물에 대한 BacLight 및 DGGE(Denaturing Greadient Gel Electrophoresis)분석을 실시한 결과, 총세균수(BacLight법)는 수질시료는 2.0×107 ~ 3.9×107 cells/ml로 확인되었고, 퇴적물 시료는 1.4×107 ~ 3.3×107 cells/ml로 조사되어 물시료에서 다소 높게 측정되었지만, 평균적으로 107 cells/m로 조사되었다. 활성세균의 비율의 경우, 물 시료에서는 82 ~ 88%로 지점 2 (W2)에서 가장 높게 확인되었고, 저질시료의 경우, 77 ~ 93%로 확인되어 지점 1 (S1)에서 가장 높은 활성을 보이다가 차츰 지점 번호에 따라 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 시료와 저질시료의 활성세균의 비교시, 최고의 활성 세균비율을 나타낸 지점은 저질 1(S1) 시료였는데, 저질의 경우, 유기물이 물시료보다 많이 분포함에 따라 세균의 활성 및 분해 활동이 활발히 일어났을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 총세균수에 대한 활성세균의 비율이 모든 지점에서 77% 이상으로 매우 높게 확인되었다. 활성세균이란 대사적으로 활성을 띄고 있는 살아있는 세균으로써 에너지 생산, 물질 순환 및 유기물 및 영양염의 높은 이용 및 분해 등과 관련하여 총세균수보다 훨씬 정확하고 유용한 정보를 제공한다(Rodriguez et al., 1992). 그러므로 총세균수에 대한 활성세균수의 비율이 매우 높게 조사된 이번 지점에서는 조사 환경에서 영양염류의 순환이나 유기물 분해가 매우 활발히 일어나고 있음을 알 수 있었다. DGGE분석결과는 수질시료와 퇴적물 시료의 군집구조가 확연히 다름을 확인하였고, 우점종으로 확인되어지는 밴드는 각각 유지되고 있음을 확인하였다.

음식물쓰레기의 악취문제는 시민들에게 매스꺼움, 두통, 식욕감퇴 등의 악영향을 끼치며 청소행정담당자들에게 불쾌한 작업환경을 조성하여 점점 심각한사회적 문제로 인식되고 있는 실정이다. 특히 음식물쓰레기를 수거해가는 과정에서 발생하는 악취는 많은 시민들에게 불쾌한 환경을 제공하고 있다. 따라서 이러한 과정에서 발생하는 악취문제에 대한 해결책이 반드시 필요한 실정이다. 본 연구는 미생물을 이용한 음식물쓰레기의 악취저감에 관한 연구로서 음식물쓰레기내에서 발생하는 악취가스들의 종류를 조사하고 개별 악취물질(NH3, H2S 등)과 음식물쓰레기내에서 지속적으로 발생하는 TVOCs(총휘발성유기화합물)에 대하여 미생물배양액을 일정량 분사 후 악취물질이 저감 되는 양과 미생물에의한 발효가스의 발생량을 측정하여 미생물배양액과 악취물질간의 상관관계 및 반응정도를 확인하고 확인된 데이터를 통하여 개별악취 물질 및 TVOCs양에 따른 최적의 미생물을 실험을 통하여 알아보고자 하였다. 실험방법은 음식물쓰레기를 수집한 후 대조군과 실험군을 나눠 실험을 위하여 제작된 실험용 챔버와 혐기성상태를 유지할 수 있는 밀봉된 유리병안에 일정량의 음식물쓰레기를 투입한 후 각종 미생물배양액(Micro blaze fog, EM, BM 등)을 일정량 투입하여 주고 시간이 경과함에 따른 악취가스의 저감량을 가스검지관, 가스측정센서, GC FID등을 이용하여 측정하였다. 이러한 실험은 모두 동일한 조건에서 실험되었으며 완벽한 혐기성 조건에서 실험되었다. 실험결과 음식물쓰레기에서 발생하는 총유기성화합물질(TVOCs)를 가스측정센서인 Graywolf TG501로 측정하여 Micro blaze fog미생물이 약 80%정도의 TVOCs저감 효과가 있는 것으로 판명되었으며 잘 알려진 악취저감 미생물인 EM, BM의 경우 TVOCs저감에 별다른 효과가 없는 것으로 판명되었다. 또한 GC FID를 이용하여 음식물쓰레기에서 발생하는 악취물질의 저감정도를 분석한 결과 몇 가지 악취물질이 분명하게 저감되는 것을 확인 할 수 있었다. 향후 이 실험을 통하여 발견한 악취저감 미생물을 이용하여 음식물쓰레기 수거차량이나 수거함 또는 음식물쓰레기처리업체 등에서 효과적인 악취저감 시스템을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

미생물전해전지(Microbial Electrolysis Cells, MECs)는 산화전극과 환원전극 사이에 적당한 전위차가 유지되도록 외부전원을 이용하여 전압을 인가함으로서 산화전극 표면에 부착 성장하는 전기적으로 활성을 가진 미생물에 의한 유기물 분해를 촉진시키고 수소나 메탄과 같은 유용물질을 생성시키는 장치이다. 따라서, 최근 미생물전해전지를 이용하여 유기성 폐수의 처리 및 에너지회수를 위한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 미생물전해전지의 운전과 성능에서 미치는 가장 중요한 인자 중의 한 가지는 전극이다. 지금까지 미생물전해전지 연구에 사용되어온 전극들은 대부분 전기전도성이 낮거나 부식이 문제가 된 경우가 많아 실용화에 걸림돌이 되고 있다. 여러 가지 전극재료들 중 흑연섬유직물(GFF; Graphite Fiber Fabric)은 내구성이 강하고 비표면적이 넓지만 전기전도성이 낮다는 단점이 있으며, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 전도성이 대단히 우수한 물질이지만 전극으로 성형, 가공하기 위한 제작기술이 없는 상황이다. 본 연구에서는 흑연섬유직물의 표면에 탄소나노튜브를 전기영동전착법(Electrophoretic deposition, EPD)으로 고정함으로서 내구성이 높고 비표면적과 전도성이 우수한 전극을 제작하기 위한 연구를 수행하였다. 탄소나노튜브를 흑연섬유직물의 표면에 전착시키기 위하여 먼저, 탄소나노튜브(1g)와 PEI(Polyethylenimine) 및 nickel pyrite(PEI1000-Ni500ppm, PEI500-Ni250ppm, PEI500- Ni500ppm)를 초순수 1L에 혼합한 다음 초음파를 이용하여 분산시켜 전기영동 용액을 준비하였다. 면적이 동일한 흑연섬유직물(Working Electrode: GFF)과 스텐리스망(Counter Electrode: stainless steel mesh)을 전기영동 용액에 평행하게 고정하고 두 전극 사이에 전압을 인가하여 전착시켰으며, 200℃에서 열처리를 하여 미생물전해전지용 전극을 제작하였으며, 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 흑연섬유직물의 표면에 전착된 탄소나노튜브의 상태를 확인하였다. 준비된 전극들은 1cm² 크기로 잘라 four-point법으로 저항 측정하였다. 흑연직물섬유은 저항이 0.115Ω/cm이었으나, 탄소나노튜브가 표면에 전착된 흑연섬유직물 전극의 저항은 크게 감소하였다. 특히, 탄소나노튜브 및 PEI500-Ni250ppm으로 구성된 전기영동용액으로 탄소나노튜브를 표면에 전착한 흑연섬유직물 전극은 저항이 0.006Ω/cm로서 코팅하지 않은 흑연섬유직물 보다 전기전도성이 약 20배 증가하였다. 탄소나노튜브를 전기영동법으로 흑연섬유직물의 표면에 전착한 전극은 비표면적이 넓고 부식성이 강한 고전도성의 우수한 미생물전해전지용 전극으로 사용 할 수 있을 것으로 판단된다.

지금까지 연구된 여러 가지 형상의 미생물연료전지들의 특징들을 조합하여 운전이 용이하고 규모확대가 가능하며 전력생산 성능이 대단히 우수한 3차원 공기환원전극 미생물연료전지를 고안하였으며, 합성폐수를 이용한 성능시험을 수행하였다. 본 연구에 사용된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지는 1개의 산화전극부, 4개의 배수구, 그리고 산환전극부 상부에 설치된 1개의 환원전극부로 구성하였다. 미생물연료전지 하단에는 다공판으로 된 유입부를 설치하여 폐수가 산화전극부로 유입되도록 하였으며, 폐수는 산화전극부를 통과한 뒤 환원전극부의 배수구로 이동하도록 설계되었다. 산화전극부에는 EG(Expended Graphite)와 MWCNT(Multi-Wall Carbon Nano Tube)를 스테인리스망에 스크린 프린팅하여 제작된 산화전극을 설치하였고, 환원전극부에는 EG(Expended Graphite)와 MWCNT(Multi-Wall Carbon Nano Tube)에 FePc 및 CuPc를 고정한 촉매를 스테인리스망에 스크린 프린팅하여 제작된 환원전극을 설치하였다. 배수로는 환원전극의 높이의 1cm, 2cm, 3cm, 5cm에 배수구를 각각 설치하여 환원전극 침지깊이에 대한 영향을 평가하였다. 준비된 미생물연료전지는 초기운전을 위하여 혐기성 소화조에서 채취한 슬러지를 식종하였으며, acetate, phosphate buffer solution, minerals, vitamins로 구성된 합성폐수를 연속 주입하였다. 미생물연료전지를 운전하는 동안 DMM(digital multimeter, Keithley 2700)과 컴퓨터를 이용하여 전지에서 발생하는 전압을 관측하였다. 환원전극부의 침지깊이를 변화시킨 뒤 전압이 안정화 되었을 때 외부회로를 개방하여 OCV 값을 측정하였으며, 외부저항을 단계적으로 감소시키는 방법으로 분극실험을 수행하였다. 이때 미생물연료전지에서 얻어진 최대전력수율은 환원전극의 침지깊이에 따라서 1cm < 5cm ≦ 2cm < 3cm 순으로 측정되었다.

미생물연료전지의 전극재료 중 결합제는 전극의 성능, 내구성 및 비용 등을 결정짓는 핵심 물질 중 하나이다. 전극의 결합제는 기본적으로 전극을 구성하는 기본물질들과 결합력이 좋아야 하고, 전극물질들과 집전체간의 전자전달이 가능한 물질이여야 한다. 따라서, 전극 결합제는 미생물연료전지의 성능향상을 위해 필수적인 역할을 담당한다. 좋은 결합제는 전극의 성능을 향상시킬 수 있어야 하고, 전극물질과의 접착력과 전극물질의 본성 등을 유지시킬 수 있어야 한다. 지난 수년 동안 미생물연료전지의 성능향상을 위해 다양한 결합제에 대한 연구가 이루어 졌으며, 결합제를 활용하기 위한 다양한 기술들이 연구되어 왔다. 현재, 많은 연구자들이 여러 장점들을 가지고 있는 탄소나노튜브를 미생물연료전지의 산화 및 환원전극 제조를 위한 기초물질로 이용하고 있는데, 탄소나노튜브는 가공성이 나쁘고, 용해성이 낮은 등 전극제작에 있어서 몇몇 결점들을 가지고 있다. 이러한 탄소나노튜브의 결점을 보완하면서 친수성이고, 전도성이 높은 결합제로 종종 Nafion 용액을 사용해오고 있는데 이는 고가이며, 결합력이 약하여 미생물연료전지의 실용화에 걸림돌이 되고 있다. 실리카겔은 친수성물질로 알려져 있으며, 물을 따라 이동하는 양이온의 전도성이 좋은 물질로 평가된다. 또한, 헤테로 다중산은 양이온 전도성을 향상시킨다는 많은 연구결과들이 보고된 바 있다. 따라서, 본 연구에서는 헤테로 다중산과 실리카겔을 미생물연료전지의 전극 결합제로 사용하여 고가의 전극결합제인 Nafion 용액을 대체하고자 하였다. 헤테로 다중산을 실리카겔에 도핑하여 결합제를 제조하고 이를 환원전극제작에 사용하였다. 제작된 환원전극의 성능은 3차원 공기환원전극 미생물연료전지를 이용하여 평가한 결과 전력밀도 및 내구성이 헤테로 다중산을 실리카겔에 도핑한 결합제를 이용한 환원전극의 성능이 Nafion 용액을 결합제로 사용한 환원전극보다 우수한 것으로 평가되었다. 헤테로 다중산을 실리카겔에 도핑하여 제조한 결합제는 큰 고가의 Nafion 용액을 대체할 수 있을 것으로 평가되었다.

과거에는 폐수를 단지 처리의 개념으로만 인식하였기 때문에 현재의 유기성 폐수에 많은 양의 에너지가 포함되어 있음에도 불구하고 효율적으로 재이용되지 못하였다. 하지만 현재 미생물연료전지라는 분야가 부각됨에 따라 폐수처리를 자원화의 한 방법으로 인식하여 이를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되어 지고 있다. 미생물 연료전지는 미생물의 촉매반응을 통해 유기물의 화학적 에너지를 전기에너지로 전환하는 장치로 최근 하･폐수 처리기술 및 대체에너지기술로 주목받고 있으며, 특히 폐수처리시 에너지를 회수할 수 있다는 점에서 큰 장점이 있는 기술이다. 그러나 현재 사용되는 이온교환막은 고가이며 biofouling에 의한 막힘 현상으로 인하여 이온 전달이 원활하지 않아 성능 저하를 유발 하며 교체하지 않는 이상 세척 등에 의한 방법으로는 성능이 회복되지 않아 미생물 연료전지 분리막으로써의 효율성이 떨어지는 실정이다. 반면, 세라믹막은 세척에 대한 부담 없이 재이용이 가능하며 가격이 저렴하고 고온에서 사용이 가능하며 구입이 용이하다. 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 고가의 양이온 교환막을 대체하여 세라믹막을 이용한 미생물연료전지의 가능성을 연구하였다. 산화 전극과 환원 전극은 높은 전기전도성을 가지는 흑연펠트와 탄소천을 사용하여 실험실 규모 단일반응기를 제작하였다. 혐기성슬러지는 합성페수에 식종하여 순응시킨 후 유기물(글루코오스와 아세테이트)을 주입하여 안정화시킨 후 폐수를 주입하였다. 세라믹막을 이용한 미생물연료전지의 폐수처리 및 전기발생 실험 결과는 유기물 제거량(CODcr)은 약 70%, 전기발생은 약 371 mV, 2.5 mA, 최대전력밀도는 약 348 mW/㎡로 나타났으며 기존 이온교환막을 이용한 미생물연료전지와 유사한 것으로 나타났다.

국내 유기성 페자원은 지역적으로 그 발생량과 분포가 다양하며 처리, 처분 및 재활용이 여러 가지 방법으로 시도되고 있다. 이 중에서 유기성폐기물의 효과적인 감량화 뿐만 아니라 자원화를 위한 대안으로 혐기성 소화에 대한 관심이 고조되고 있으며, 유기성폐기물을 이용한 혐기성 소화로 수소생산도 기대할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 혐기성 미생물을 이용한 유기성 페기물의 수소생산 기술에 관한 연구를 진행하였다. 각종 탄수화물로부터 수소생산량을 알아보기 위하여 단당류인 Glucose, 소당류인 Sucrose, 그리고 다당류인 Cellulose를 사용하여 실험하였으며, 최대수소생산율은 Sucrose가 98.18 mL/hr ․ℓ로 가장 좋은 효율을 보였고, Cellulose를 사용하였을 때는 수소가스가 발생되지 않았다. 이러한 결과는 cellulose가 다른 탄소원보다 더 고분자 물질이며, 미생물이 cellulose를 분해하여 수소를 생산하는데 다소 시간이 오래 걸린 것으로 사료된다. 따라서 고분자의 탄수화물로부터 수소를 생산하기 위해서는 미생물에 의한 분해가 쉽게 이루어질 수 있도록 전처리가 필요하다고 사료된다. 하수슬러지를 이용한 수소생산 결과 생물학적 유용성은 복합적 전처리 과정을 통하여 많이 개선되었으며 슬러지를 이용한 수소생산 가능성을 확인할 수 있었다. 단, 하수슬러지를 이용한 수소가스의 생성과 같은 생물학적 반응에 의한 바이오 가스 생산에 가용화된 슬러지를 이용하고자 할 경우 반응 중 pH와 온도 그리고 적정 미생물 군집의 배양과 같은 최적화 과정이 필수적으로 수반되어야 하며 이에 대해 더욱 체계적인 연구가 필요할 것으로 판단하였다. 유기성 페수 중 하나인 제당폐수에 질소와 인을 보충한 상태에서 수소 발생량은 774.59 mL로 증가하였고. 산처리 보다 알칼리처리 시 수소생산량이 약 70%증가됨을 알 수 있었다. 따라서 제당폐수 원액의 양호한 수소생산을 위해서는 질소와 인과 같은 영양염류의 보충이 필수적으로 필요하다는 것을 보여준다. 또한 음식물쓰레기를 이용해 수소생산한 결과 635.10ml로 슬러지를 전처리한 유기성자원으로부터 수소생성율이 0.4-1.65 mg H₂/g COD인 것을 고려할 때 본 실험에서 산출된 음식물쓰레기의 수소생성율은 3.47 mg H₂/g COD은 매우 고무적인 산출량이라고 판단된다. 따라서 본 실험을 통하여 음식물쓰레기가 glucose 또는 sucrose와 같은 탄수화물을 이용한 수소생산 시 산출되는 수소 생산수율에 비해 떨어지지만 유기성폐자원인 음식물쓰레기에서 수소생산 가능성을 확인하였으며 이를 토대로 효과적인 전처리와 같은 수소생성 최적화를 위한 연구가 고려된다면 더 높은 수소생산 효율을 기대해 볼 수 있을 것이다. 복합 전처리를 실시 한 후의 제당폐수와 음식물쓰레기의 DGGE 분석결과를 NCBI BLAST를 이용한 GenBank database와 비교 분석하여 가장 유사도가 높은 종을 검색한 결과 DGGE band로부터 얻은 clone은 Enterobacter 속, Klebsiella 속, Clostridium 속으로 규명되었다. 각각의 유기성폐자원의 취약점을 보완해 수소생산율을 향상시키기 위해 제당폐수에 음식물쓰레기와 활성슬러지를 부피 비 1:1로 혼합해 수소생산율 증대를 도모하였다. 제당폐수에 영양염류를 추가해 주었을 때 수소생산율이 향상되었던 기존실험결과와1) 음식물쓰레기를 이용한 수소생산 시 염소이온의 농도가 약 10g/L이상일때부터 긴 지체시간을 가지거나 강하게 저해 받는다는 기존의 연구결과를2) 바탕으로 영양염류대신 음식물쓰레기를 혼합해 영양염류의 보충과 염분의 희석 효과를 기대하며 실험을 진행하였다. 그와 동시에 질소의 양이 과다할 경우 그 역시 수소생산에 저해를 일으키는 요인이라는 기존의 연구결과를3) 바탕으로 슬러지의 질소농도를 희석시키기 위해 제당폐수와 함께 혼합하여 실험하였다. 그 결과 제당폐수와 음식물쓰레기를 혼합한 폐기물에서 54.13% 수소생산 효율이 향상되었고, 활성슬러지를 혼합한 폐기물에서는 21.24%로 수소생산 효율이 향상됨을 알 수 있었다. 따라서 본 실험을 통해 음식물쓰레기의 염분이 다른 기질과 혼합되어 희석효과를 보였고, 슬러지의 과다한 질소농도도 희석되어져 수소생산 효율을 향상시켰음을 알 수 있었다. 이를 토대로 최적배합조건 도출을 위한 연구가 고려된다면 더 높은 수소생산 효율을 기해 볼 수 있을 것이다.

전국적으로 구제역 및 AI의 일시적, 대량발생으로 인해 한정된 인원이 여러 개의 매몰지를 설치함에 따라 규정에 맞지 않게 설치, 살아있는 가축을 매몰하거나, 한계이상의 가축사체가 매몰되는 등 급조된 매몰지가 일부 설치되었다. 이에 지하수, 토양, 주변 하천의 오염, 매몰지 붕괴, 악취발생 등 2차 환경오염이 우려되고 있어 가축사체의 유기물 분해 특성, 침출수 처리, 지하수 토양의 환경영향, 악취물질, 병원성 미생물 거동특성 등 신뢰성 있는 자료 확보가 요구되고 있다. 본 연구에서는 축종별, 토성별 파일럿 매몰지 5기를 설치하여 매몰사체에서 발생한 침출수의 배출특성을 알아보았다. 연구를 통해 가축 매몰지 침출수 발생량, 침출수 농도 등에 대한 기초 데이터 확보 및 침출수에 대한 환경 영향을 사전에 예측하는데 활용될 수 있다. 침출수는 매몰지 1번을 제외하고 2 ~ 5번의 경우 매몰지 바닥에 침출수 유공관을 설치하였고, 총 4곳에 설치된 침출수 배출관을 통해 침출수를 샘플링 하였다. 산업내시경을 사용하여 침출수 배출관을 통해 침출수의 발생여부를 관찰하였고, 발생된 침출수는 연동 펌프(Peristaltic pump)를 사용하여 침출수 배출관에서 샘플링 하였다. 매몰지 설치 후 지속적으로 침출수 발생여부를 확인하고 있으며 51주까지 샘플링한 시료의 수는 총 48건으로 14회에 걸쳐 샘플링 하였다. 가축사체 분해의 주요 환경인자인 온도를 2012년 2월부터 1년간 5분 간격으로 모니터링한 결과 5기의 매몰지에서 분해 초기(2월) 사체층 평균온도 9.5 ~ 16.6℃가 복토층 평균온도 8.8 ~ 13.6℃ 보다 높게 나타났다. 점차 시간이 지나 8월에 이르러 사체층의 평균온도는 30.0 ~ 32.4℃, 복토층의 평균온도는 30.4 ~ 35.5℃로 나타났으며 1년이 지난 2013년 2월의 매몰지 평균온도는 사체층이 12.3 ~ 17.1℃, 복토층이 12.0 ~ 21.0℃로 전년도 2월과 비교하여 상대적으로 높은 평균온도를 보였다. 파일럿 매몰지의 온도는 겨울과 여름의 온도변화와 유사한 경향을 보이고 있어 외부 온도 변화에 영향을 받고 있는 것으로 판단된다. 침출수의 지방산분석 결과 시간에 따라 불포화탄화수소(C16:1, C18:1, C18:2, C20:4)의 구성 비율은 줄어들고, 포화탄화수소(C16:0, C18:0, C20:0)의 구성 비율은 증가하였으며 이는 시간이 지남에 따라 지방산은 포화탄화수소 중심(90% 이상)으로 구성되어 지방산을 분석함으로써 매립 시간 경과여부의 정보를 제공할 수 있는 것으로 나타났다.

2011년말 기준으로 공공하수처리시설은 505개소로 2001년 184개소, 2010년 470개소 등 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 하수처리시설에서 발생하는 슬러지량도 증가하고 있다. 슬러지를 처리하는 방안으로 고화, 매립, 해양배출, 혐기성 소화 등의 방법이 있으나, 고화 및 매립은 2차 환경오염에 대한 우려가 있고 해양배출은 2012년부터 전면 금지되었다. 이에 환경부에서는 공공하수처리시설에 설치된 혐기성 소화조의 효율 개선사업을 통해 소화효율을 향상시켜 메탄의 생산량 증대와 슬러지 감량화를 도모하고 있다. 슬러지의 감량화 및 바이오가스 발생량의 증대를 위해 혐기성 소화 전에 슬러지를 전처리시키는 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다. 혐기성 소화 공정은 가수분해, 산 생선, 초산생성 및 메탄생성 단계로 구분될 수 있으며, 이 중 가수분해 단계는 율속단계로서 전체 혐기성 소화공정의 효율 및 속도를 조정하기 때문에 가수분해 단계가 쉽게 이루어지기 위해 가용화라는 슬러지의 전처리를 수행하는 것이다. 전처리 공정의 방법으로는 열적처리, 화학적 산화, 기계적 처리, 생물학적 처리 등이 있다. 이 중 생물학적 처리 공정은 고온 호기성 박테리아를 배양시킨 후 소화조에 주입하여 슬러지의 혐기성 소화효율을 향상시키는 방법과 소량의 산소를 주입하지만 일정한 혐기 조건과 낮은 환원 조건을 유지하면서 미생물의 성장과 효소 합성 및 활성을 유발시켜 슬러지의 가용화 및 소화효율을 향상시키는 방법이 있다. 이에 본 연구에서는 공기의 주입을 통한 생물학적 전처리 방법이 슬러지 내에 존재하는 유기물뿐만 아니라 질소와 실록산 등의 거동에 미치는 영향을 분석하여 공기 주입을 통한 생물학적 전처리 방법이 혐기성 소화효율 향상과 반류수질, 바이오가스 정제시설 중 실록산 제거시설 등에 미치는 오염부하의 저감 가능성을 평가하고자 하였다. 실험결과, ORP는 공기 주입기간이 길어질수록 약간씩 증가하였으나 -247 ~ -268 mV의 환원조건을 나타내었으며, DO는 0.00 ~ 0.22 mg/L로 나타났다. 따라서 슬러지 전처리를 위해 공기를 주입하여도 소화조 내의 혐기성 조건에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단된다. SCODcr의 경우에는 공기를 주입에 따라 SCODcr의 농도가 증가하여 공기주입에 의한 가용화 효과가 있는 것으로 나타났다. 총 질소와 암모니아성 질소의 경우 공기주입기간이 길어질수록 농도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 DO 농도가 1 mg/L 이하의 조건을 유지하고 있어 공기주입에 의한 동시 질산화 및 탈질 현상이 발생한 것으로 판단된다. 따라서 공기주입에 의한 전처리 방법이 슬러지 내 질소의 부하를 감소시켜 암모니아성 질소로 인한 혐기성 소화의 저해 가능성과 혐기성 소화 후 반류수 및 방류수에 영향을 미치는 질소 부하를 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다. 실록산의 경우 공기주입 기간 증가에 따라 공기를 주입하지 않은 슬러지 내의 실록산 농도가 6.06 mg/kg에서 공기주입 4일째에는 3.43 mg/kg으로 감소하여, 공기주입 전처리 방법을 통해 바이오가스 정제 시설 중 실록산 처리 공정에 미치는 실록산 부하를 저감시킬 수 있을 것으로 사료된다.

폐활성탄의 재생방법은 가열재생법, 약품처리 재생법, 산화분해법, 미생물분해법등이 있다. 본 연구에서는 가열재생방법에 의하여 대기 및 수질용 활성탄을 재생하였다. 가열재생방법으로 다단로(multiple hearth furnace) 또는 로타리 킬른(rotary kiln)이 사용되어 왔으나 본 연구에서는 원통드럼 내부를 다수(보통 5-7개)의 구역으로 나누어 투입물이 순차적으로 각 구역을 통과하게 함으로써 투입물의 체류시간 증가, 장치의 소형화 및 열손실 감소를 특징으로 하는 방사형 다단 회전로(radial multi-pass rotary furnace)를 사용하였다. 실험대상 폐활성탄은 직경 4mm 성형탄, 4x8(4 mesh통과 8 mesh걸림)탄으로 용도는 대기용이며, 수질용은 8x30탄을 사용하였다. 재생처리는 가열재생만 하였으며 활성화과정은 거치지 않았다. 방사형 다단 회전로는 직경이 2.15m, 길이가 3m이며 투입량은 대기용 활성탄은 600[kg/hr], 수질용 활성탄은 400[kg/hr]이고 체류시간은 대기용이 약 40분 수질용은 약 60분이다. 대기용 활성탄은 휘발성유기화합물을 흡착하여 포화된 상태이므로 예열 후 열재생시 휘발분의 탈착 및 자연발화에 의하여 400,000[Kcal/hr] 버너(노즐1: 250,000, 노즐 2: 150,000) off 상태에서의 운전 또는 노즐2의 주기적인 on-off 상태하에서 운전하였다. 수질용 활성탄은 함수율이 높고 휘발분 흡착량이 적으므로 2개의 노즐이 상시적으로 on 상태에서 운전하였다. 처리전 대기용 폐활성탄 함수율이 6.4-7.3% 이었으며 수질용 폐활성탄은 30.3%이었다. 승온속도 10℃/min, 최대온도 1,000℃, 질소분위기하에서 열중량분석 결과 600℃에서 감량은 대기용이 12.5-17.6%, 수질용이 33.4%이었으며 1,000℃에서는 대기용이 16.6-26.3%, 수질용이 42.7%이었다. 재생한 대기용활성탄의 요오드흡착력은 800-950[mg/g]이었으며 수질용은 939-1,086[mg/g]이었다. 폐활성탄의 가열재생 후 공업분석 결과 휘발분이 대기용활성탄은 평균 55.7%감소하였으며 수질용활성탄은 34.3%가 감소하였다. 폐활성탄의 가열재생 결과 고정탄소 함량은 68.01 → 85.30%, 72.53 → 84.03%로 증가하였으며, 수질용은 57.73 → 84.18%로 증가하였다. 원소분석결과 탄소함량은 대기용이 82.6 → 92.85%로 증가함을 보였다. 방사형다단 회전로는 내통과, 외통, shell로 구성된다. 내통과 외통을 일체형으로 제작하여 장시간(2년)을 운전한 결과 내통과 외통부의 온도차에 의하여 내통과 외통의 접합부에 발생한 열응력에 의하여 마이크로크랙이 생기고 또한 점차 성장하여 파손부위가 확대됨을 관찰하였다. 파손은 온도차이가 심한 중간부가 가장 심하였다. 내통과 외통을 별도로 제작하고 체결방식을 개선하여 6개월 연속운전한 결과 육안에 의한 파손은 관찰되지 않았다.

바이오매스의 활용 기술 중 열분해는 열적 분해를 통해 바이오촤, 타르(바이오오일, 열분해가스)를 생산할 수 있는 열처리 방법이다. 저속 열분해는 바이오촤 생산에 가장 이상적인 방법으로써 이를 통해 생산된 바이오촤는 토양에 활용할 경우 토양질 개량 및 온실가스를 반 영구적으로 격리할 수 있다. 또 다른 부산물인 바이오 오일과 가스를 연료 및 열원으로 사용하여 온실가스 저감효과와 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 본 연구는 인도네시아의 농업 부산물인 볏짚을 대상으로 저속 열분해 특성에 대해 분석하였다. 저속 열분해 실험 방법은 상온에서 300-700℃까지 약 10℃/min으로 승온하였다. 볏짚의 연료 특성은 수분함량이 7.3%, 회분의 함량은 20.9%, 휘발분/고정탄소(VM/FC)는 3.7으로 나타난다. 볏짚은 탄소 48.8 %daf, 수소 6.0 %daf, 산소 43.3 %daf 함량으로 나타나며, 발열량은 13.5 MJ/kg이다. 열분해 온도 조건 300-700℃에서 획득한 바이오촤의 수율은 열분해 온도가 상승함에 따라 57.0–39.1 wt.%로 감소한다. 바이오 오일과 열분해 가스의 수율은 각각 30.2-39.2, 12.9-21.7 wt.%로 증가한다. 열분해를 통해 생산된 바이오촤는 열분해 온도가 상승할수록 탈휘발되어 대부분 고정탄소로 이루어져있다. 또한, 수소(5.2-1.3 %daf)와 산소(22.8-7.0 %daf)의 함량이 낮아지며, 탄소(68.7-91.2 %daf)의 함량은 증가한다. 바이오매스 총 질량 대비 바이오촤의 탄소 수율은 97.3-102.9 %로 나타났다. 높은 탄소 함량의 바이오촤는 안정된 물질로써 산화 없이 토양내 장기간 존재하므로 탄소격리 효과를 얻을 수 있다. 2-50 nm 크기 기공의 비표면적은 600℃에서 약 85 m²/g으로 비교적 크지만, 그 이하 온도에서는 약 2-24 m²/g으로 낮게 나타났다. 기공체적 분석 결과, 100 nm-100 μm의 다양한 크기로 분포하였다. 바이오촤의 50 nm 이하의 기공에서는 토양내 영양분을 흡착하며, 5-40 μm에서는 공생미생물이 서식하여 작물의 성장 및 토양질 개선에 큰 이점이 있다. 열분해 오일은 분자량이 높은 탄화수소 성분으로 구성되어 검고 점도가 높은 Heavy phase와 수분의 함량이 높고 분자량이 낮은 탄화수소로 구성된 Aqueous phase로 나누어 분석하였다. Heavy phase의 수분함량은 약 7-16 %로 낮으며, Aqueous phase는 약 80-84 %로 높게 나타났다. 탄소함량은 약 25-29 %wet이며, 발열량은 약 11-13 MJ/kg으로 약 45 MJ/kg인 중유의 발열량에 비해 약 1/4로 나타난다. 바이오 오일의 에너지 수율은 바이오매스 열량 대비 31.9-41.7 %로 나타났다. 따라서, 연료로서 가치는 높지 않지만, 중유 및 다른 연료와 혼소하여 충분히 활용 가능하다. 또 다른 열분해 부산물 중 열분해 가스는 열분해 초기 온도에서는 CO와 CO₂가 발생하며, 약 450℃ 이후의 온도에서 소량의 CH₄와 H₂가 발생한다. 300, 400℃의 낮은 열분해 온도 조건에서 발열량은 3.3, 3.9 MJ/kg으로 낮지만, 500-700℃에서는 CH₄와 H₂의 영향으로 5.4-9.4 MJ/kg으로 증가하였다. 300-700℃의 온도에서 에너지수율은 바이오매스 열량 대비 3.2-15.3 %로 나타났다. 열분해 가스는 낮은 온도를 요구하는 열분해 공정의 열원으로 활용이 가능하다.

바이오가스플랜트를 통한 유기성폐기물의 에너지화가 증가 추세에 있으나 탈리액 처리 문제로 에너지 확보 및 보급에 저해 인자로 작용하고 있다. 기존의 바이오가스플랜트 탈리액 처리를 위한 기술 중 물리․화학적처리와 생물학적처리의 적용은 방류수 수질기준을 확보하는데 있어 기술적 한계가 있어 안정적인 처리수질을 확보하는데 많은 설비비 및 운전비가 소요되는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 바이오가스플랜트 탈리액의 처리기술 및 통합공정 개발을 위해 전기화학적처리와 MBR을 연계한 처리 연구를 수행하였으며 MBR의 안정적인 운영을 위해 생물분리막 fouling 현상을 규명하였다. 이에 바이오가스플랜트 탈리액의 화학적 응집 후 상등수를 이용하여 MBR로 유입 시 분리막의 차압 및 유량 변화를 모니터링 하였으며 이 때 미생물 농도는 8,000 ~ 11,000 mg/L를 유지하였고 초기 차압 및 유량의 30% 감소 시 물리적 세정 및 화학적 세정 후 재실험을 실시하여 초기 차압 및 유량으로의 회복 정도와 최종 fouling시 분리막 표면 분석을 통해 폐색 원인을 규명하였다.

바이오필터는 미생물의 대사작용을 통해 가스상 오염물질을 제거하는 생물학적 공정이다. 생물학적 공정은 친환경적이며, 2차 오염물질이 생기지 않기 때문에 악취가 발생하는 시설에 많이 적용되고 있다. 바이오필터의 운전성능 측면에서 충전담체는 매우 중요한 인자이다. 본 연구는 세라믹 재질의 담체를 Biofilter와 TBAB(Trickle Bed Air Biofilter)에 적용하여 암모니아를 대상으로 제거 특성을 확인하였다. 본 실험의 Biofilter와 TBAB는 995mL의 아크릴 소재로 제작된 반응기를 이용하였다. 세라믹 재질의 담체는 하수슬러지로 접종시킨 후 500mL를 반응기에 충전하여 실험을 실시하였다. 반응기에 유입되는 공기의 유량은 0.8L/min로 주입되었으며, 영양분은 7mL/day와 80mL/day로 Biofilter와 TBAB에 각각 하였다. 암모니아의 초기 농도는 142ppm(9.6g/m³･hr)으로 주입하였으며, 최대 320ppm(21.5g/m³･hr)까지 단계적으로 농도를 상승시켜 임계부하량 및 최대제거성능을 파악하였다. 유입 및 유출되는 암모니아는 인도페놀법을 이용하여 분석을 실시하였다. 바이오필터는 총 70일 동안 운전되었으며, 운전 후 세라믹 담체의 표면 변화를 확인하기 위하여 사용전의 세라믹 담체와 함께 SEM(Scanning electron microscope) 및 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 분석하였다. 본 연구의 실험결과 TBAB와 Biofilter는 운전초기에 불안정한 제거성능을 보였지만 TBAB의 경우 순응기간(15일)을 지난 후 99% 이상의 처리효율을 보여주었으며, Biofilter의 경우 93%의 처리효율이 확인되었다. 단계적으로 암모니아의 유입 농도를 상승시켜 주입한 결과 TBAB는 270ppm(18.1g/m³･hr)까지 98% 이상의 효율이 확인되었으며, 암모니아 농도를 320ppm(21.5g/m³･hr)으로 주입한 결과 처리효율이 94% 수준으로 낮아졌다. Biofilter의 경우 암모니아 농도 270ppm에서 82%의 처리효율이 확인되었으며, 암모니아 농도를 320ppm으로 상승시켜 주입한 결과 처리효율이 71%로 낮아졌다. 단계적인 농도 상승을 통해 세라믹이 충전된 TBAB와 Biofilter의 임계부하량(Critical load) 결과는 각각 13g/m³･hr와 6g/m³･hr이며, 최대제거성능(Elimination capacity)은 21g/m³･hr와 15g/m³･hr로 나타났다. 세라믹 표면을 SEM으로 관찰한 결과 TBAB와 Biofilter에 사용된 세라믹의 표면은 사용 전의 세라믹과 보다 상대적으로 거친 표면이 관찰되었으며, 표면의 성분 변화를 EDS로 확인한 결과 사용 전의 세라믹에서 확인되지 않은 성분인 인(P)이 확인되었다. 인은 미생물이 포함하고 있는 원소로 생물학적 반응기에 사용된 담체 표면에 생물막(Biofilm)이 형성되었기 때문에 세라믹 표면에 인의 성분이 확인되었다고 사료된다.

폐기물 매립정책은 단순 매립위주에서 자원화, 에너지화로 폐기물 처리 페러다임이 변화하고 있다. 폐기물 에너지화를 위한 바이오가스는 유기물이 산소(O₂)가 없는 극도의 환원상태에서 미생물에 의해 분해되면서 생성되는 메탄(CH₄), 이산화탄소(CO₂), 기타 황화수소(H₂S), 수소(H₂), 수분, 휘발성지방산(VFA) 가스를 포함하는 기체 혼합물을 말한다. 바이오가스 생성 반응은 자연적으로 일어나는 미생물 반응으로 바이오가스가 생산되는 조건(온도, pH, 알칼리도 등)을 제어하여 공정화한 것이 혐기성 소화공정이다. 혐기성 소화공정은 기본적으로 산생성 단계(Acidogenesis), 메탄생성 단계(Methanogenesis)의 2단계로 나눌 수 있으며, 메탄생성단계에서 아세트산(acetic acid)과 수소 등의 유기물이 메탄으로 전환되면서 실질적인 안정화(stabilization)가 이루어진다. 각 단계에서 작용하는 미생물은 생리적인 특징 및 요구 영양이 다르기 때문에 외부의 조건이 바뀌면 두 생물군 사이의 균형이 깨어져 전체 공정의 효율이 저하된다. 따라서 혐기성 소화공정은 반응조를 산생성 단계와 메탄생성 단계의 두 개의 반응조로 구분하는 2단계 발효(fermentation)공정이 합리적일 것이다. 전통적인 1 단계의 반응공정(1상법)에서는 하나의 반응조에서 산생성과 메탄생성이 동시에 일어나기 때문에 산생성 단계와 메탄생성 단계를 최적 상태로 조절하는 것이 불가능하고, 외부에서 유입되는 원수성상의 변화에 민감하게 반응하여 안정성이 깨지는 문제가 있었다. 이에 반하여, 2상법은 각 단계에서 적합한 환경조건을 용이하게 유지시켜 줄 수 있고, 메탄 반응조의 부하율(loading rate)을 적절히 조절하고, 저급 지방산(fatty acid)의 축적에 의해 급속한 pH의 저하를 방지하여 메탄발효의 저해를 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 2상법은 반응조를 별도로 구비해야 하는 점, 그에 따라 제1 반응조로부터 제2 반응조로 이송을 위한 시스템이 요구되는 점 등 비용면에서 불리하고, 각 반응조의 반응조건을 별도로 조절하여야 한다는 번잡한 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 에너지자원화를 위해 구조적으로 간단한 혐기성소화조를 구성하여 음식물류 처리시 발생하는 탈리액(음폐수)를 처리시 일체형 혐기성소화와 2단 혐기성소화공정의 비교 연구를 통해 기질 제거특성 및 바이오가스발생 특성(CH₄, CO₂ 함량 및 발생량)을 비교하였다.

최근 국제적으로 유가상승과 1차 및 2차 에너지의 제한성으로 인한 에너지위기, 에너지사용량의 증가와 산업화에 따른 기후변화, 기후변화에 따른 환경문제가 지속적으로 이어져오고 있다. 이러한 문제들에 대응하기 위한 수단으로 신재생에너지의 활용 및 연구가 활발하게 진행되고 있으며 우리나라에서도 폐기물을 이용한 바이오가스 생성 및 활용에 많은 연구 및 생산이 이뤄지고 있다. 유기성 폐기물을 이용하여 바이오가스를 생성하는 시설이 증가하고 있어 폐기물질을 처리하는 동시에 새로운 에너지를 생성하고 있다. 우리나라에서 이뤄지고 혐기소화를 통한 바이오가스 생성시설은 대부분 중온소화를 통해 이뤄지고 있으며 중온소화 적정온도인 35℃를 유지하기 위하여 추가적인 에너지 활용이 불가피하다. 따라서 유기성폐기물을 이용하여 효율적인 바이오가스를 생성하기 위하여 연구를 진행하였으며 혐기성소화를 통한 바이오가스 생성 시 중온소화 온도를 유지할 수 있는 새로운 방법을 찾고자 하였다. 호기성산화열에 적용되는 유기물질은 톱밥50%, 두부비지40%, 미강%의 비율로 배합하였으며 미생물의 지속적인 소화 및 온도유지를 위하여 각 소화조마다 1kg의 유기물질을 1일 1회 공급하였다. 또한 호기성소화의 적정 수분함량인 50~60%를 유지하였으며 반응조 내 유기물질의 고른 혼합을 위하여 1일 1회씩 교반하였다. 본 실험은 온도센서가 부착된 60L 반응조 6대를 이용하여 실험을 진행하였으며 공기 유량에 따른 호기성 분해 산화열의 변화를 파악하고자 각 반응조마다 공기주입량을 다르게 설정하였다. 초기반응 시 소화조는 각 소화조는 각각 2L/min 의 유량으로 공기가 주입되며 소화조의 온도가 50℃이상이 되었을 때부터 공기유량이 다르게 주입되도록 설정하였다. 호기성소화 반응조에 투입되는 공기량에 따른 발열반응 실험결과 6번 반응조에서 나타나는 온도 변화가 이상적으로 제어됨을 확인하였다. 다른 반응조보다 반응조 내 온도 변화율이 가장 적었으며 평균 온도 값이 49.94℃로 제어 목표 온도인 50℃에 가장 근접한 값을 나타내었다. 공기량의 투입량이 많을수록 외부 공기의 투입으로 인한 온도저하를 예상하였으나 결과는 예상과는 다르게 공기투입량이 가장 많은 6번 반응조에서 호기 성분해 산화열의 발생이 가장 효율적인 모습을 나타내었다.

음식물류폐기물을 처리하는 방법 중 혐기성소화 공정은 부산물로서 메탄이 주성분인 바이오가스를 얻을 수 있기 때문에 국내･외에서 적용하는 사례가 크게 증가하고 있는 추세이다. 따라서 본 연구에서는 남양주시에서 발생하는 음식물쓰레기를 대상으로 고온(55±2℃) 2상 혐기성 소화조를 운전하였다. 산 발효조와 메탄 발효조 내부는 상부 스컴 수집용 Blade가 설치되어 있으며, 상ㆍ하부의 완전 교반 및 순환으로 미생물 접촉시간 증대에 따른 고효율 유기물 제거를 확보할 수 있는 원형 내부 격벽 설치 구조로 되어있다. 또한 내부 격벽 내 저동력 다단형 교반기(VVVF 적용)가 설치되었다. 발생하는 바이오가스 중 제습을 위한 Water trap과 황성분을 제거하기 위해 건식탈황장치를 설치하였다. 정제된 바이오가스는 보일러의 연료로 사용되어 혐기성 소화조 가온에 이용하였으며, 잉여 steam은 소각시설에서 발생하는 steam과 혼합되어 판매하였다. 실증 Plant 운전결과 소화조로 유입되는 음식물의 평균 VS 농도는 76,033mg/L였으며, 평균 VS 제거율은 78.1%로 나타났다. 바이오가스 평균 발생량은 1,079Nm³/day이며, 메탄생성율은 0.7m³/kgVSremoved임을 확인하였다.

음식료품업이 발달하면서 따라서 식품제조시 폐기물의 양이 꾸준히 증가하고 있다. 밀을 가공하는 제과, 제빵, 제면회사의 폐기물 또한 제품 생산량만큼 해마다 증가하고 있다. 따라서 처리비용을 절감하고 자원으로 활용하기 위한 폐기물의 자원화 사업 필요하다. 기존에 폐제과, 폐제빵, 폐제면들은 성상에 따라서 퇴비로 사용하거나 소각을 하는 방법을 사용해 왔다. 하지만 이런 것들은 일반 음식물쓰레기와 같이 대기와 토양, 지하수를 오염시켜 피해를 주기 때문에 좋은 방법은 아니다. 퇴비화나 소각과 달리 폐제과, 폐제빵, 폐제면을 탈포, 분쇄하여 사료로 사용할 수 있다. 이것을 과자박(과자분)이라고 하여 축산농가에서 고에너지 식물성 사료로 사용하고 있다. 하지만 이것 또한 제조공정 및 유통과정의 미생물 오염을 쉽게 막을 수 없어 완전한 사료는 되지 못한다. 이런 상황에서 대구산업단지내 제과, 제빵, 제면 회사에서 발생하는 폐기물이 일으키는 환경오염을 막고 또한 과자박(과자분)으로 개발된 폐기물의 단점을 보완한 생균제를 생산하여 생태산업단지 구축이 가능할 것으로 기대된다. 폐제과, 폐제빵, 폐제면에 관련한 연구는 전무한 실정으로 사료원료와 사료첨가제인 생균제로 만드는 방법만을 기술한 특허만이 몇건 등록되어 있다. 폐제과, 폐제빵, 폐제면은 제조과정에서 생기는 반제품, 부스러기, 결손제품 또는 판매 기간이 지난 재고품 등과 같은 것으로 염분(나트륨)과 지방의 함량이 높은 편이다. 폐제과, 폐제빵, 폐제면은 탄수화물 50% 이상, 단백질 6% 이상, 지방 5% 이상, 염분(나트륨) 0.7% 이상, 미량의 비타민, 미네랄이 함유되어 있다. 폐제과, 폐제빵, 폐제면이 섞인 혼합물을 고상발효기에 넣고, 스팀으로 살균하였다. 스팀 과정에서 발생하는 수분으로 혼합물의 수분함량을 50%로 조절하고 알코올발효효모인 특허균주(Candida pelliculosa SW001(KFCC11481P)를 1%, 유산균(Lactobacillus plantarum, Lactobacillus paracasei)을 1%, 고초균인 Bacillus subtilis균을 1% 접종하여 30℃에서 72시간 고상발효를 시킨다. 고상발효후 건조과정을 거쳐 완성된 생균제를 단계희석(Serial dilution)법에 의해 생균수를 측정한 결과 효모균 3.2×107c.f.u/g, 유산균 5.7×108c.f.u/g, 바실러스균 4.8×107 c.f.u/g 이었다. 이상의 결과로 생균제의 최저 생균수인 1.0×106c.f.u/g보다 10배 이상의 생균수를 함유한 생균제가 만들어졌다. 또한 유해세균인 대장균, 포도상구균, 살모넬라균는 검출되지 않아 폐제과, 폐제빵, 폐제면을 활용한 생균제의 생산이 가능하게 되었다.