Current Issue

음식물류 폐기물과 음폐수에 대해 2월부터 11월까지 성상을 분석하여 그 결과를 월 평균으로 Table 1과 Table 2에 나타내었다. pH의 변화는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 음식물류 폐기물과 음폐수가 같은 경향으로 2월부터 5월까지는 상대적으로 높게 유지되다가 계절적으로 평균 기온이 높아지는 6월에서 10월 사이에 조금 낮게 나타났고, 11월에는 다시 증가하는 추세를 보였다. 이는 외부 기온이 높게 유지되면서 음식물류 폐기물이 배출, 수거, 운반, 저장 및 파쇄와 탈수 과정에서 가수분해가 진행되어 유기산이 더 많이 생성되었기 때문으로 판단된다. 음식물류 폐기물의 2월∼11월 평균 pH는 4.92, 음폐수는 4.40으로 나타났다. Lim 등^[6]은 음식물류 폐기물의 pH를 4.0∼4.5로 보고하여 동 조사결과보다 조금 낮은 값을 보였으며, 대전녹색환경지원센터^[12]에서는 음식물류 폐기물의 pH는 평균 5.0, 음폐수 pH를 평균 4.9로 보고하여 동 결과보다 음폐수가 조금 높은 값을 보였다. Kim 등^[5]은 음식물류 폐기물의 pH를 4.22∼5.12로, Cho^[13]는 음식물류 폐기물의 pH를 3.97∼5.40 범위로 평균 4.67, 음폐수는 4.05∼5.27 범위로 4.45로 보고하여 동 조사결과와 비슷한 범위를 보였다.

Fig. 2. 
Seasonal variation of pH for food waste

TS 및 VS 변화는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 음식물류 폐기물이 9월과 10월에 18%에 근접한 값을 보였으며, 그 밖에는 15∼16% 안팎을 보였다. 2월∼11월 평균은 16.25%를 나타냈다. 음폐수의 경우 5.36∼8.97%로 편차가 크게 나타났는데, 이는 탈수과정에서의 운전조건에 따른 영향으로 판단된다. VS의 변화는 음식물류 폐기물과 음폐수 모두 TS의 변화 양상과 같이 나타났으며, 이는 VS/TS 비의 변화 폭이 크지 않기 때문으로 판단된다. 음식물류 폐기물의 VS는 2월∼11월 평균 13.90%였으며, 음폐수는 6.17%를 나타냈다. VS/TS 비는 음폐수가 음식물류 폐기물보다 약간 높은 값을 보였는데, 이는 탈수과정에서 무기물보다는 유기물의 용출이 많이 일어났기 때문으로 생각된다. Cho^[13]의 TS 16.5%, VS 14.32%와 대전녹색환경지원센터^[12]에서 보고한 TS 16.4%와는 유사한 결과를 나타냈으나, 여타 연구자들^[5-7,13]의 보고와는 약간의 차이를 보였으며, 이는 Kim 등^[5]의 연구결과에서와 같이 시료의 계절적 요인 및 주거형태별 차이에서 오는 현상으로 풀이된다.

Fig. 3. 
Seasonal variation of TS & VS for food waste

COD_Cr의 변화는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 VS의 변화 추이와 비슷한 양상을 보였다. 음식물류 폐기물의 TCOD_Cr는 130,000∼170,000mg/L 내외로 기간 평균 145,100 mg/L를 나타내었다. 음폐수는 63,000∼112,000mg/L로 TS와 같이 편차가 크게 나타났으며, 기간 평균은 80,635 mg/L를 보였다. SCOD_Cr/TCOD_Cr 비는 음식물류 폐기물이 40% 내외를 유지하는 반면 음폐수는 3월 58% 내외에서 점차 낮아져 7월에는 약 49%로 여름철 기온의 상승에 따른 가수분해가 더 많이 진행되는 것으로 나타났다. Cho^[13]가 보고한 음식물류 폐기물의 TCOD_Cr는 평균 241,227mg/L, SCOD_Cr는 92,606 mg/L와 대전녹색환경지원센터^[12]의 결과에서도 SCOD_Cr는 유사하였으나, TCOD_Cr는 187,880mg/L로 본 결과와 TS 농도가 비슷함에도 불구하고 큰 차이를 보였다.

Fig. 4. 
Seasonal variation of COD for food waste

T-N과 T-P는 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 T-N은 TS 변화에 따른 영향을 받는 것으로 나타났으며, 기간 평균 음식물류 폐기물은 4,665mg/L, 음폐수는 3,747mg/L로 나타났다. T-P 변화는 음식물류 폐기물이 760∼880mg/L 범위로 큰 변화가 없었으나, 음폐수의 경우 7월 이후 변화폭이 크게 나타났다. Cho^[13]가 보고한 음식물류 폐기물의 T-N은 평균 8,514mg/L, T-P는 544mg/L로 차이가 있으나, 대전녹색환경지원센터^[12]의 결과에서는 T-N 4,361mg/L로 유사하였다. 음폐수 역시 대전녹색환경지원센터^[12]의 결과와 유사하였다.

Fig. 5. 
Seasonal variation of T-N & T-P for food waste

음식물류 폐기물과 음폐수의 2월부터 11월까지 성상 분석결과 여러 연구자들의 보고와 비교할 때 다소 차이를 보이는 것으로 나타나 음식물류 폐기물 및 음폐수의 효율적인 처리시스템 설계를 위하여 표준화된 방법에 의한 지속적인 조사 연구가 필요할 것으로 여겨진다.

음식물류 폐기물 및 음식물류 폐기물과 음폐수를 혼합한 혼합폐기물의 가수분해 실험결과를 가수분해율로 변환하여 Fig. 6에서 Fig. 9에 나타내었으며, 가수분해 24시간과 120시간의 결과를 Table 4에 나타내었다. 실험시료의 초기 SCODCr /TCODCr 비는 19.52∼23.27%를 나타내어 운반 및 저장과정에서 상당부분 가수분해가 진행되었다.

Fig. 6. 
Temporal hydrolysis ratio of Food waste (TS 10%)

Fig. 7. 
Temporal hydrolysis ratio of Food waste (TS 15%)

Fig. 8. 
Temporal hydrolysis ratio of Food waste (TS 17%)

Fig. 9. 
Temporal hydrolysis ratio of mixed waste (TS 11.5%)

TS 10% 음식물류 폐기물의 경우 가수분해 24시간의 70^oC 조건에서 TCOD_Cr의 60.81%가 SCOD_Cr로 용출되었으며, 120시간 후에는 69.27%를 나타내어 높은 가수분해율 증가를 보였다. 이는 높은 가수분해 온도 조건과 높은 함수율에 의한 것으로 판단된다. TS 15% 음식물류 폐기물은 가수분해 24시간 후 35^oC, 55^oC와 70^oC 조건에서 각각 25.62%, 35.20%, 43.55%로 TS 10% 음식물류 폐기물에 비해 가수분해율이 낮았으며, 이후부터 120시간까지 SCOD_Cr 농도는 각 온도조건에서 5.22∼11.21%가 증가하여 시간에 따른 증가율은 크지 않았다. TS 17% 음식물류 폐기물은 가수분해 35^oC 조건의 24시간에서 29.32%, 120시간에서 40.50%로 가수분해율 증가가 많지 않았다.

TS 11.5%의 혼합폐기물은 가수분해 24시간의 35^oC 조건에서 가수분해율 28.31%로 음식물류 폐기물 TS 10%나 TS 15%에 비해 가수분해율 증가가 높았다. 이는 음폐수에 빨리 분해될 수 있는 저분자 형태의 유기물 함량이 상대적으로 높기 때문으로 사료된다. 가수분해 120시간을 기준으로 35^oC의 39.56%비해 55^oC나 70^oC에서 가수분해율 증가가 크지 않았다.

Jang 등^[14]은 음식물류 폐기물을 TS 8%로 산발효조와 메탄발효조가 결합된 중온 이상 혐기성 소화실험에서 산발효조의 HRT 3일에서 SCOD_Cr /TCOD_Cr 비가 53.83%로 운전되었음을 보고하였고, Park 등^[15]은 산발효조의 HRT 6.6일에서 SCOD_Cr/TCOD_Cr 비가 54.16%로 운전되었음을 보고하였다. 이는 본 실험결과에서는 초기 SCOD_Cr를 배재하고 실험기간 중 새로 전환된 SCOD_Cr로 이를 감안할 경우 35^oC에서 비슷한 가수분해율을 보였다. 그러나 앞 선 연구자의 실험은 소화조 유출액을 산발효조로 반송함으로써 산생성 미생물은 물론 Alkalinity를 공급하여 줌으로써 가수분해를 촉진하여 얻은 결과이다.

음식물류 폐기물과 혼합폐기물의 가수분해 양상을 살펴보면 가수분해 시간이 경과함에 따라 SCOD_Cr가 빠르게 용출되는 k₁ 부분과 SCOD_Cr가 느리게 용출되는 k₂ 부분으로 구분할 수 있다. 이에 본 연구에서는 가수분해 속도상수 k₁과 k₂를 통해 최적 가수분해 시간을 도출하였다. 가수분해 속도상수 k₁과 k₂를 도출하기 위한 Multiple decay rate를 Fig. 10∼13에 도시하였으며, 그 결과를 Table 5에 나타내었다.

가수분해 속도상수 k₁은 고형물 함량이 가장 낮은 음식물류 폐기물 TS 10%, 35^oC 조건에서 가장 낮게 나타났으며, 반응온도가 높을수록 속도상수 값이 커지는 결과를 얻었다.

Fig. 10. 
Multiple hydrolysis rate of food waste (TS 10%)

Fig. 11. 
Multiple hydrolysis rate of food waste (TS 15%)

Fig. 12. 
Multiple hydrolysis rate of food waste (TS 17%)

Fig. 13. 
Multiple hydrolysis rate of mixed waste (TS 11.5%)

각각의 조건별 최적 가수분해 시간과 그에 따른 가수분해율을 Table 6에 나타내었다. TS 10%, 70^oC에서 가장 높은 가수분해율을 기록하였으며, 혼합폐기물은 최적 가수분해시간이 가장 짧게 나타났다. Moon 등^[16]은 소화조 슬러지를 이용한 산발효 실험에서 산발효조의 HRT를 3일로 제안하고 있다. 본 실험에서는 혐기성 슬러지를 주입하지 않고 실험한 결과로 실험된 조건에서 모두 2일 이내의 최적값을 얻었다. 가수분해 시간을 더 줄이려면 음식물류 폐기물 중에 함유된 셀룰로스계 물질은 열수 가수분해가 되지 않으므로 Jeong^[17] 등이 행한 효소 가수분해를 생각할 수 있으나, 이는 경제성 악화의 요인이 될 수 있다.

본 연구결과는 Pilot 또는 상용 플랜트의 설계 시 참조하면 가수분해 방법, TS 농도, 혼합방식, 소화조의 온도 등을 고려하고 안전율을 감안한 가수분해 온도 및 HRT를 결정하는데 도움이 될 것으로 사료된다.