2.1. 음식물 액상 성분의 온도별 소화효율 연구

본 연구는 인근 대형식당에서 배출되는 음식물의 액상성분 을 기질로 사용하였고, 대구 S 하수처리장 혐기소화조 슬러 지를 식종으로 사용하였다. 기질로 사용한 음식물 액상성분 은 음식물쓰레기 보관조에서 자연적으로 추출되는 액상성분 을 포집하여 사용하였다. 식종 슬러지의 초기 접종은 50 % (v/v)로 하였고, pH는 조절하지 않았으며, 각 단상 반응조의 온도는 반응조별로 35 °C, 45 °C, 55 °C로 온도를 다르게 하 여 유지시켜 주었다. 반응조의 Working volume은 6.0L로 운 전하였으며, 교반은 약 80~100rpm으로 교반하였다. 약 5개 월 기간 동안 운전하였으며, 기질 부하는 0.8 gVS/L.d에서 시작하여, 1.6, 2.4, 3.2, 4.0 gVS/L.d까지 단계별로 증가시켜 실험하였다.

Total Solid(TS), Volatile Solid(VS), Fixed Solid(FS), Chemical Oxygen Demand(COD), Soluble Chemical Oxygen Demand(SCOD)를 측정하였고, 바이오가스 발생량 및 가스 구성성분을 측정하여 메탄발생량을 파악하였다. 알칼리도와 암모니아, pH와 온도를 지속적으로 모니터링 하였으며, 기질 부하율은 각각 세 온도조건에서 동시에 증가시켜 주었다. 측 정항목 별 분석의 경우, 생산된 바이오가스의 성분 중, CH₄, CO₂, H₂S, O₂의 함량은 Geotech社의 GA5000 portable gas analyser를 이용하여 측정하였고, TS, VS, 및 FS 값과 COD, SCOD의 농도는 Standard Methods에 있는 방법으로 측정하 였다(^{APHA, 2012}). NH₄⁺, NO₂^-, NO₃^-, PO₄^-는 Ion chromatography를 이용하여 측정하였다.

2.2. 음식물의 온도별 소화효율 연구

음식물 액상 성분을 채취한 곳과 같은 대형식당에서 배출 되는 음식물을 기질로 사용하였고, 대구 S 하수처리장 혐기 소화조 슬러지를 식종으로 사용하였다. 기질로 사용한 음식 물은 파쇄기와 분쇄기를 이용하여 파쇄/분쇄 하였으며, 말통 에 넣어 냉동고에 보관하여 필요할 때 사용하였다. 식종 슬 러지의 초기 접종은 50 %(v/v)로 하였고, pH는 조절하지 않 았으며, 동일한 두 개의 반응기를 35 °C, 55 °C로 온도를 다 르게 하여 구성하였다. 두 반응조 모두 단상 반응조로 운전 하였으며, 반응조의 Working volume은 10 L, 교반조건은 약 20~30 rpm으로 교반하였다. 약 7개월의 기간 동안 운전하였 으며, 기질 부하는 1.3 gVS/L.d에서 시작하여, 2.6, 3.8, 5.1, 6.4, 7.2 gVS/L.d까지 단계별로 증가시켜 실험하였으며, 수리 학적 체류시간은 약 30일로 운전하였다. 측정항목과 분석방 법은 음식물 액상 성분의 온도별 소화효율 연구의 내용과 같 다. 표 1에서 볼 수 있는 대표적인 기질 성상분석은 3번 반 복 실험하였으며, 음식물의 성상분석 항목중에서 COD와 SCOD는 정확한 측정이 불가능하여 포함하지 않았다.

3.1. 음식물 액상 성분의 온도별 소화효율 연구

음식물 액상 성분을 기질로 하여, 35 °C, 45 °C, 55 °C의 3 가지 서로 다른 온도를 유지시켜 준 단상 반응기에서 150 여 일 동안, 온도별 소화효율을 살펴보았다. 일반적으로 혐기성 소화 공정을 운전하는 경우, 온도는 35 °C 중온 조건과 55 °C 고온 조건에서 수행하는 것이 보통이다. 45 °C로 운전하 는 것이 보편적인 온도 조건은 아니지만, 55 °C 조건보다 소 화조 가온에 필요한 에너지를 줄일 수 있으며, 35 °C 조건보 다 높은 온도로써 기질 이용률이 좋을 것이라는 가정에서 본 연구에서는 45 °C에서도 소화효율을 살펴보는 것이 의미 있 을 것으로 판단하여 운전을 수행하였고, 중온과 고온 사이의 온도 조건으로써 임의로 중고온이라 명명하였다.

그림 2에서는 부하율의 변화에 따라서 바이오가스 발생량 을 살펴볼 수 있다. 그림 1의 (a)와 (b) 두 그림의 범례와 같 이 그림 2에서 55, 45, 35는 해당 온도에서 운전되는 혐기성 소화조의 온도의 단위를 생략하여 간단히 숫자로만 나타낸 것이다. 기질이 제거되는 양에 따라서 발생되는 바이오가스 의 양을 측정한 결과인데, 3.2 kgVS/m³.d의 기질부하 조건에 서 45 °C로 운전중인 혐기성소화 반응조는 더 이상 가스가 발생되지 않았으며, 4.0 kgVS/m³.d의 기질부하 조건에서 35 °C로 운전중인 혐기성소화 반응조는 가스발생량이 점차 감 소화는 것을 볼 수 있다. 반면에 55 °C로 운전중인 혐기성소 화조는 안정적인 가스발생량을 보여주고 있다. 각 온도 별 반응기의 working volume은 6.0L로 동일하며, 기질 부하는 0.8, 1.6, 2.4, 3.2, 4.0 gVS/L.d까지 단계별로 증가시켜 주었 고 이때 투입된 기질량은 100, 200, 300, 400, 500ml 이었다. 동일한 기질 투입량을 동일한 6.0L의 working volume에 투 입시킴으로서 Hydraulic Retention Time(HRT)은 기질 투입 량이 증가하는 순서에 따라서 각 온도 별 반응기에서 동일하 게 60, 30, 20, 14, 12일로 운영되었다. 세 개의 서로 다른 온 도에서 같은 부하율에서는 같은 HRT를 갖게 되며, 부하율이 높을수록 기질투입량이 많아져 HRT가 짧아지게 된다. 위의 표 2에서 볼 수 있듯이 45 °C에서는 2.4 kgVS/m³.d의 부하율 까지 안정적으로 소화조가 운전되었으며, 이때의 HRT는 20 일이었다. 반면에 35 °C에서는 3.2 kgVS/m³.d의 부하율까지, 그리고 55 °C에서는 4.0 kgVS/m³.d의 부하율까지 안정적으 로 소화조가 운전되었다. 그림 2를 보면, 3.2 kgVS/m³.d의 부하율에서 45 °C의 반응기의 바이오가스 생산량이 급감하 는 것을 볼 수 있다. 이것은 산축적으로 pH가 감소하여 바이 오가스 생산에 영향을 준 것으로 파악된다. 세 반응기 모두 2.4 kgVS/m³.d의 부하율에서는 pH가 7.3~7.5로 유지되었으 며, 3.2 kgVS/m³.d로 부하율을 증가시킨 후에는 다른 두 반 응기는 같은 pH범위를 유지하였으나, 45 °C로 운전되는 반 응기의 경우, 증가한 부하율로 기질을 투입한지 약 9일 후부 터 pH가 감소하기 시작하여 16일 후부터는 pH가 5.3까지 감 소하였으며, 바이오가스 생산도 pH감소와 같은 패턴으로 감 소하다가 중단되었다.

Fig. 2. Methane production of anaerobic digestion treating liquid component of food waste

아래 표 2를 보면, 35 °C와 55 °C 조건에서는 안정적으로 처리할 수 있는 한계 유기물 부하율이 45 °C 조건의 2.4 kgVS/m³.d에 비해서 각각 3.2 kgVS/m³.d과 4.0 kgVS/m³.d 까지 높은 부하율을 처리할 수 있었으며, 유기물 제거율 역 시 45 °C 조건의 73 %에 비해서 각각 75 % 이상, 78 % 이상 의 높은 유기물 제거율을 보여주었다(그림 1 참고). 혐기성 소화에서 반응기 용적당 투입되는 유기물의 양을 유기물 부 하율로 정의할 수 있으며, 모든 소화공정에는 안정적인 소화 효율을 나타낼 수 있는 유기물 부하율의 범위가 존재한다. 예를 들어, 본 연구 결과의 표2에서 45 °C 조건에서는 2.4 kgVS/m³.d가 안정적인 소화효율을 갖는 한계범위의 유기물 부하율이 된다. 물론 2.4 kgVS/m³.d와 3.2 kgVS/m³.d 사이에 보다 세밀하게 한계범위를 정할 수 있겠지만, 본 실험에서의 안정적 소화효율은 유기물 부하율 2.4 kgVS/m³.d까지 측정 되었으며, 이 값을 한계 유기물 부하율로 정하였다. 본 연구 의 35 °C와 55 °C에서 도출된 한계 유기물 부하율도 같은 방 법으로 실험적으로 도출된 값이다.

Fig. 1. Reduction profiles of anaerobic digestion treating liquid component of food waste. (a) TS, (b) VS

체류시간도 45 °C 조건에서는 기질부하율이 2.4 kgVS/m³.d 일 때, 20일 조건에서 운전이 이루어졌지만, 35 °C 조건에서 는 3.2 kgVS/m³.d의 기질부하 조건에서 15일로 운전이 가능 하였고, 55 °C 조건에서는 4.0 kgVS/m³.d의 기질부하 조건에 서 12일로 운전이 가능하였다. 기질부하, 유기물 감량, 체류시 간 및 가스발생량을 모니터링한 결과, 55 °C > 35 °C > 45 °C 순으로 소화효율이 높은 것을 알 수 있었다.

이러한 결과는 미생물의 활성과 기질 이용에 관한 두 가지 원인으로 연계 해석할 수 있다. 우선 첫 번째로 혐기성 미생물 의 활성조건과 연계 해석할 수 있다. 즉, 45 °C의 중고온 조건 은 35 °C의 중온조건 및 55 °C의 고온조건보다 소화효율이 낮 은 것으로 나타났는데 이것은 식종으로 사용한 혐기소화 슬러 지에 포함된 미생물 군집의 대부분이 중온 또는 고온 조건에 서 최적 활성을 보이기 때문으로 판단된다(^{Kim et al., 2010}). 중온 또는 고온에서 최적 활성을 보이는 혐기성 미생물 군집 은 부하율이 낮을 때는 중고온 조건에서도 적절한 소화효율을 보여주지만, 부하율이 높을 때의 중고온 조건에서는 중온 또 는 고온 조건에 적합한 미생물 군집의 활성이 감소되는 것으 로 생각되며, 이것이 소화효율 저하의 원인으로 연계 해석할 수 있다. 식종으로 사용한 혐기성소화 슬러지의 미생물 분석 결과는 첫 번째 이유에 대한 보다 구체적인 이유가 될 수 있다. 식종 슬러지는 자동 DNA 추출기를 사용하여 genomic DNA 를 추출하였고, colony 분석을 통하여 식종 슬러지에 존재하는 미생물들을 종 수준으로 정성분석 하였다. NCBI 16S rRNA sequence database를 이용하여 가장 가까운 염기서열을 갖는 미생물 종을 BLAST search를 통하여 정리하였다. 그 결과 총 32개의 colony들 중에서 uncultured archaeon을 제외하고, Methanosaeta concilii, Methanomassiliicoccus luminyensis, Methanosaeta harundinacea, 그리고 Defluviitoga tunisiensis의 4개 혐기성 미생물이 정성분석 결과 식종 슬러지에서 발견되 는 미생물 군집과 염기서열이 가장 유사한 미생물 종으로 확 인되었다. 4가지 미생물들의 최적 온도를 살펴보면, 37 °C~65°C에서 생장하는 고온 미생물인 Defluviitoga tunisiensis(55°C에서 최적 생장)를 제외하고 다른 3종의 미생물들은 35 °C내외의 온도에서 최적 성장을 나타내는 중온 미생물들이었다. 정량분석 결과가 없어, 정확한 우점 미생물 군집에 대한 파악 과 비교는 어렵지만 정성분석 결과에서 볼 수 있듯이 중온 혐 기성미생물이 대부분을 차지하고 있다. 따라서 식종 미생물의 분석결과 만으로 소화효율을 예측하면 35 °C > 55 °C > 45 °C 의 조건 순으로 소화효율이 결정될 것이다. 그러나 미생물 분 포이외에 다른 원인을 제시함으로써 본 연구결과를 설명할 수 있다.

두 번째로, 기질 이용의 용이성과 관련된 원인을 고려할 수 있다. 55 °C의 고온조건에서 기질의 상태변화가 유발되어 혐기성 미생물들이 더 이용하기 유리한 조건의 기질상태가 되었을 것이다. 비록 기질은 음식물 액상의 성분이지만 표 1 의 액상성분 측정항목에서 COD와 SCOD 값을 비교할 때, 전체 COD 중에서 SCOD가 차지하는 부분은 약 70 % 내외 로 측정된다. 따라서 나머지 30 % 정도는 액상성분에 포함된 부유물질로 판단할 수 있고, 이 부유물질들이 고온조건에서 상태의 변화가 일어나 고온 혐기성 미생물들이 이용하기에 유리한 기질형태로 바뀌었을 것으로 생각된다. 특히, 높은 부하율로 운전하는 혐기성소화의 경우, 고온조건에서의 혐기 성소화 효율이 중온조건에서의 효율보다 높은 것은 다른 연 구자들의 유사한 보고로 근거를 뒷받침 할 수 있다(^{Labatut et al., 2014}; ^{Vindis et al., 2009}).

3.2. 음식물의 온도별 소화효율 연구

표 3은 음식물을 중온과 고온의 온도에서 단상 조건으로 혐기성소화 하였을 때의 소화효율을 보여주고 있다. 음식물 을 기질로 사용하는 본 연구는 음식물 액상성분을 기질로 하 는 연구결과, 45 °C의 조건에서 가장 효율이 낮게 측정되었 기 때문에 35 °C와 55 °C의 두 온도 조건에서만 30일의 체류 시간으로 운전되었다. 우선 온도별 소화효율을 살펴보면, 앞 선 음식물 액상의 실험결과와 같이 중온보다는 고온에서의 가스발생량이 약 10 % 정도 높게 나타났다. 데이터를 보면, 35 °C 조건일 때, 5.1 kgVS/m³.d의 부하율에서 약 80 % 정도 의 유기물 분해율을 보이며, 55 °C 조건일 때, 6.4 kgVS/m³.d 부하율에서 역시 80 % 정도의 유기물 분해율을 보이는 것으 로 나타났다. 이렇게 35 °C 조건일 때 5.1 kgVS/m³.d, 55 °C 조건일 때 6.4 kgVS/m³.d 부하율이 실험결과, 각각의 한계 부하율로 도출되었으며 고온조건에서 가스발생량이 높게 나 타났다. 바이오가스 성분 중 메탄가스가 차지하는 함량은 중 온과 고온에서 60 % 수준으로 비슷하게 나타났으며, 고온조 건의 pH가 중온조건보다 약간 높게 유지되었다. 그림 3.

Fig. 3. TS and VS reduction of anaerobic digestion treating food waste

표 3과 그림 4에서 최대 기질부하 조건일 때, 유입기질 ton 당 발생하는 바이오가스량을 비교하면, 35 °C의 조건에서 생산 되는 바이오가스량은 약 103 m³/ton, 55 °C 조건에서 생산되는 바이오가스량은 약 115 m³/ton이 된다. 고온소화 조건에서 보 다 높은 유기물 부하율을 처리할 수 있기 때문에(최대 유기물 부하율 차이), 약 10 % 정도 높은 가스발생량을 나타내는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 고농도 유기물인 음식물을 혐 기소화공정으로 처리할 경우, 고온의 단상소화 조건이 중온 소 화보다 더 높은 부하율까지 안정적인 운전이 가능하였다.

Fig. 4. Methane production of anaerobic digestion treating food waste