KR101768345B1 - 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법 - Google Patents

슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법에 관한 것으로, 슬러지와 음폐수를 부피비로 4:6~1:9의 비율로 혼합하되, 이때 슬러지와 음폐수의 혼합물 내 C:N 비율이 40:1~70:1이고, 총 질소량은 0.1g/L~3g/L가 되도록 조절하는 단계; 및 상기 슬러지와 음폐수의 혼합물을 스테롤 합성 저해제로 처리하는 단계를 포함하는, 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법은 음폐수와 같이 값싼 유기성 폐기물을 이용하여 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 생산 및 축적을 촉진할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 슬러지 내의 지질 함량이 증가함으로써 슬러지를 이용한 바이오디젤 생산시 생산단가를 낮출 수 있어 폐자원의 에너지화 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법{Method for increasing lipid content of microorganism in sludge or food waste water}
본 발명은 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 본 발명은 슬러지 내의 지질 함량이 증가함으로써 슬러지를 이용한 바이오디젤 생산시 생산단가를 낮춰 폐자원의 에너지화 효율을 증대시키기 위해 슬러지 내의 지질 함량을 음폐수와 같이 값싼 유기성 폐기물을 이용하여 단시간 내에 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법에 관한 것이다.
화석 연료의 과도한 사용으로 야기된 자원 고갈과 환경 오염 문제가 이 시대의 새로운 문제로 대두되고 있다. 이에 따라 여러 나라에서 이를 대체 하기 위한 대체 에너지 개발에 힘을 쏟고 있으나 태양·풍력·조력 등의 자연 에너지 자원은 생산량이 높지 않고 근본적으로 수급을 조절할 수 없다는 단점이 있다. 현재 에너지원으로 가장 높은 효율을 보이는 것은 원자력으로서, 우리나라의 경우 전체 생산 전력의 40%가량을 원자력으로 충당하고 있다. 그러나 후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후 원자력 발전의 위험성과 불안정성이 대두되어 새로운 대체 에너지의 개발이 시급한 실정이다.
바이오 매스 기반의 바이오 에너지는 이러한 추세에서 새롭게 각광받는 대체 에너지원으로서, 원료 수급의 지속성 및 안정성이 높고 친환경성이 큰 것이 장점으로 알려져 있다. 지질은 transesterification 반응을 통해 손쉽게 바이오 디젤로 전환할 수 있으며 이렇게 생산된 바이오 디젤은 석유를 대체할 수 있는 대표적인 바이오 에너지로 알려져 있다. 지금까지 바이오 디젤 생산에서 가장 문제가 되었던 요소는 바이오 디젤 생산의 원료가 되는 지질을 얼마나 경제적으로 생산할 수 있는가 이며, 이는 곧 지질 생산의 원료가 되는 바이오 매스를 얼마나 손쉽게, 경제적으로 확보할 수 있는가와 긴밀하게 연결되어 있다.
최근까지 곡류, 목질계, 초본류, 해조류 등 다양한 바이오 매스를 활용하여 지질을 생산하려는 연구가 진행되었으나, 원료가 되는 바이오 매스의 생산에 소요되는 비용이 너무 커서 경제성이 떨어지는 것이 문제점이다. 하수 슬러지는 대표적인 바이오 매스로서, 인구가 늘어날수록 더 많이 발생하는 특성상, 여러 가지 바이오 매스 중에서도 특히 바이오 에너지 생산의 원재료로서의 수급 안정성과 지속성이 높고, 더불어 자연적으로 발생하기 때문에 생산비용이 거의 없다는 것을 가장 큰 장점으로 꼽을 수 있다. 그러나 아직 효과적인 하수 슬러지의 바이오 에너지 전환 기술이 개발되지 않아 대부분이 폐기 처분되고 있으며 자원으로 활용되지 못하고 있다.
국내에서는 하수처리과정에서 약 10,000 톤/일 가량 하수 슬러지가 꾸준히 발생하고 있으며 발생량은 매년 증가추세이나 수분을 85% 이상 함유한 하수 슬러지 직매립과 해양투기도 2012년부터 금지됨에 따라 하수 슬러지를 안정적으로 처리, 처분할 수 있는 기술적 수요가 시급한 상황이다. 또한 하수 슬러지와 같은 폐자원의 에너지화 기술이 큰 관심을 받고 있는 상황이나 혐기소화 또는 건조연료화의 경우 혐기소화 효율 또는 건조를 위한 에너지 소비문제로 인하여 처리방법으로써 활성화되어 있지 못한 형편이다.
2차 하수 슬러지에는 하수에 포함된 오일성분과 활성 슬러지내 미생물의 인지질막을 구성하는 지방산이 존재하고 있으며 이를 전이 에스테르화 반응을 통해 바이오디젤로 전환할 수 있으며 이러한 프로세스에는 하수 슬러지 내의 지질 함량이 결정적으로 중요하며 이러한 하수 슬러지 내의 지질을 음폐수와 같이 값싼 유기성 폐기물을 이용하여 증진시키는 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
종래에 유기성 폐기물을 이용하여 미생물 내의 지질 함량을 증가시키는 기술에 대한 연구는 다양하게 이루어져 왔다. 대한민국 특허출원 제 2010-0079743호는 암모늄 질소 농도 조절에 의한 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법에 관한 것으로, 혐기성 소화조 내 암모늄 질소 농도 조절을 통하여 혐기성 소화를 촉진하는 것을 기술적 특징으로 한다. 또한, 대한민국 특허출원 제 2013-0055031호는 하수 슬러지로부터 바이오디젤을 제조하는 방법 및 제조장치에 관한 것으로, 물보다 비등점이 높은 자일렌 또는 톨루엔을 조용매로 사용하여 하수 슬러지로부터 바이오디젤을 제조하는 것을 기술적 특징으로 한다.
하지만, 전술한 종래의 기술들은 미생물 내의 지질 함량을 증가시키기 위한 공정이 비교적 복잡하고, 비용 및 시간이 많이 소모되며, 음폐수와 같이 값싼 유기성 폐기물의 활용도가 높지 않은 것으로 여겨진다.
그러므로 하수 슬러지 내의 지질 함량을 음폐수와 같이 값싼 유기성 폐기물을 이용하여 단시간 내에 지질 생산과 축적을 촉진할 수 있는 방법이 요구된다.
이에 본 발명의 목적은 슬러지 내의 지질 함량을 음폐수와 같이 값싼 유기성 폐기물을 이용하여 단시간 내에 지질 생산과 축적을 촉진할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 견지에 의하면,
슬러지와 음폐수를 부피비로 4:6~1:9의 비율로 혼합하되, 이때 슬러지와 음폐수의 혼합물 내 C:N 비율이 40:1~70:1 이고, 총 질소량은 0.1g/L~3g/L가 되도록 조절하는 단계; 및
상기 슬러지와 음폐수의 혼합물을 스테롤 합성 저해제로 처리하는 단계
를 포함하는, 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 구현으로, 상기 방법에 있어서, 상기 스테롤 합성 저해제는 펜프로피모르프(Fenpropimorph), 트라이드모르프(Tridemorph), 펜헥사미드(Fenhexamid) 및 톨나프테이트(Tolnaftate)로 이루어진 군으로부터 선택되는, 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 구현으로, 상기 방법에 있어서, 상기 스테롤 합성 저해제는 상기 슬러지와 음폐수의 혼합물에 10㎍/L~1㎎/L의 양으로 첨가되는, 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 구현으로, 상기 방법에 있어서, 상기 미생물은 미세조류, 박테리아 또는 효모인, 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 음폐수와 같이 값싼 유기성 폐기물을 이용하여 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 생산 및 축적을 촉진할 수 있다.
또한 이에 따라 슬러지 내의 지질 함량이 증가함으로써 슬러지를 이용한 바이오디젤 생산시 생산단가를 낮출 수 있어 폐자원의 에너지화 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 하수 슬러지와 음폐수를 여러 가지 비율로 혼합하였을 때 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 도 1a는 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화를 중량%로 나타낸 것이며, 도 1b는 농도(g/L)로 나타낸 것이다. 그리고 도 1c는 지질 중 지방산 메틸에스테르(FAME; Fatty acid methyl esters)의 농도 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 하수 슬러지와 음폐수의 혼합물에 펜프로피모르프(Fenpropimorph)를 처리한 후 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 도 2a는 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화를 중량%로 나타낸 것이며, 도 2b는 농도(g/L)로 나타낸 것이다. 그리고 도 2c는 지질 중 지방산 메틸에스테르(FAME; Fatty acid methyl esters)의 농도 변화를 나타낸 것이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 신속하면서도 비용 효율적으로 증가시키기 위한 방법에 대해 부단히 연구한 결과, 슬러지와 음폐수를 특정 혼합비로 혼합하되, 이때 슬러지와 음폐수의 혼합물 내 C:N 비율과 총 질소량을 특정 비율로 조절하고, 또한 상기 슬러지와 음폐수의 혼합물을 스테롤 합성 저해제로 처리한 경우에 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량이 단시간에 크게 증가하였음을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명에 따르면, 먼저 슬러지와 음폐수를 부피비로 4:6~1:9의 비율로 혼합한다. 만일, 슬러지와 음폐수의 혼합비가 4:6 미만일 경우에는 박테리아 탄소원을 성장에 사용하여 지질 축적에 적합하지 않으며, 슬러지와 음폐수의 혼합비가 1:9 를 초과할 경우에는 초기 바이오매스의 농도가 낮아 지질 생산에 장시간이 소요되므로 바람직하지 않다.
본 발명에 사용되는 슬러지는 특별히 한정하는 것은 아니나 다량의 유기질을 함유하는 하수 슬러지인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 상기 슬러지는 50중량% 이상의 유기질을 함유하는 하수 슬러지가 사용된다.
한편, 슬러지와 음폐수의 혼합비를 상기한 바와 같이 2:3~1:9의 범위로 조절하는 것도 중요하나, 슬러지와 음폐수의 성상은 시기적으로 그리고 하수처리장마다 다르므로 상기 비율뿐만 아니라, 슬러지와 음폐수의 혼합물 내의 C:N 비율 및 총 질소량을 조절하는 것이 중요하다. 슬러지와 음폐수의 혼합물 내 C:N 비율이 40:1 내지 70:1이 되도록 조절하며, 총 질소량은 0.1g/L~3g/L 가 되도록 조절한다. 본 발명자들은 슬러지와 음폐수의 혼합물 내의 C:N 비율 및 총 질소량이 이러한 비율 범위 내에서 슬러지 내 미생물의 지질 함량 증가가 극대화되는 것을 실험적으로 발견하였다. 슬러지와 음폐수의 혼합물 내의 C:N 비율 및 총 질소량이 이러한 비율 범위를 벗어나는 경우에 미생물이 지질을 생산 및 축적하는데 필요한 탄소 및 질소의 양이 불충분하여 결국 미생물의 지질 함량이 효율적으로 증가될 수 없는 것으로 여겨진다.
그 다음, 상기 슬러지와 음폐수의 혼합물을 스테롤 합성 저해제로 처리한다. 스테롤 합성 저해제 처리는 상기 슬러지와 음폐수의 혼합물에 적절한 스테롤 합성 저해제를 첨가 및 혼합함으로써 이루어진다. 스테롤 합성 저해제는 Acetyl CoA에서 지질 화합물로 전환되는 경로 중 스테아릴 에스테르(Steryl esters) 합성을 저해함으로써 잔여 유리 지방산(Free fatty acid)의 트리글리세라이드(Triglyceride) 전환을 유도하여 미생물의 지질 증가에 도움이 되는 것으로 여겨지며, 결국 슬러지 내의 지질 함량이 증가함으로써 최종적으로 슬러지를 이용한 바이오디젤 생산시 에스테르화 반응에 의해 생산되는 디젤의 양을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 사용되는 스테롤 합성 저해제는 특별히 한정하지 않으나, 펜프로피모르프(Fenpropimorph), 트라이드모르프(Tridemorph), 펜헥사미드(Fenhexamid) 및 톨나프테이트(Tolnaftate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 스테롤 합성 저해제는 상기 슬러지와 음폐수의 혼합물에 10㎍/L ~ 1㎎/L의 양으로 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 스테롤 합성 저해제의 첨가량이 10㎍/L 미만일 경우에는 해당 물질이 Cell membrane에 충분히 확산되지 않아 지질 축적이 일어나지 않는 현상을 관찰하였으며 1㎎/L를 초과할 경우에는 해당 물질이 슬러지 내 박테리아의 성장을 저해를 하여 지질 증대에 바람직하지 않았다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 미생물은 특별히 한정하지 않으나, 미세조류, 박테리아 또는 효모인 것이 바람직하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
<실시예>
실시예 1. 하수 슬러지와 음폐수를 여러 가지 비율로 혼합하였을 때 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화
하수 슬러지와 음폐수를 여러 가지 비율로 혼합하였을 때 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화를 관찰하였다. 대조군은 슬러지 단독 발효 조건이 사용되었다. 본 실험에서 하수 슬러지는 대구 서부 하수처리장으로부터 방출된 것을 사용하였으며, 음폐수는 포항 음식물 폐기물 처리 시설(영산만 산업)으로부터 방출된 것을 사용하였다. 하수 슬러지와 음폐수를 부피비로 0:5, 1:4 및 2:3의 비율로 혼합하였다. 이때 하수 슬러지와 음폐수의 혼합물 내의 총 탄소량, 질소량 및 C:N 비율을 측정하였다. 본 실시예에 사용된 처리 조건 및 각 시료 내의 총 탄소량, 질소량 및 C:N 비율을 하기 표 1에 나타내었다.
처리군 No.
(혼합물 기호)		 조건(부피비)
(슬러지:음폐수)		 TOC
(g/L)		 질소(NH4, NO3 -)
(g/L)		 C:N 비율
1(F5) 0:5 61.23±1.31 0.82±0.01 74.67:1
2(F4) 1:4 49.42±0.81 0.93±0.01 53.14:1
3(F3) 2:3 39.95±0.09 1.19±0.02 33.57:1
그 후, 각 혼합물들을 25±1℃에서 7일동안 반응시키고, 이때 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화를 측정하였다. 또한, 지질 중 지방산 메틸에스테르(FAME; Fatty acid methyl esters)의 농도 변화를 시간 경과에 따라 측정하였다. 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1a는 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화를 중량%로 나타낸 것이며, 도 1b는 지질 함량의 변화를 농도(g/L)로 나타낸 것이다. 그리고 도 1c는 지질 중 지방산 메틸에스테르(FAME; Fatty acid methyl esters)의 농도 변화를 나타낸 것이다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 하수 슬러지와 음폐수를 1:4로 혼합한 경우에 FAME 함량이 반응 전후로 약 5배 증가한 것을 확인하였다.
실시예 2. 하수 슬러지와 음폐수의 혼합물에 펜프로피모르프( Fenpropimorph)를 처리한 후 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화
하수 슬러지 단독, 하수 슬러지 + 펜프로피모르프 100㎍/L, 하수 슬러지 + 음폐수의 혼합물(부피비 1:4) + 펜프로피모르프 100㎍/L, 하수 슬러지 + 음폐수의 혼합물(부피비 1:4) + 펜프로피모르프 1mg/L를 이용하여 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화를 관찰하였다. 대조군은 슬러지 단독 발효 조건이 사용되었다. 본 실험에서 하수 슬러지 및 음폐수는 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 것을 사용하였다. 이때 각 시료 내의 총 탄소량, 질소량 및 C:N 비율을 측정하였다. 본 실시예에 사용된 처리 조건 및 각 시료 내의 총 탄소량, 질소량 및 C:N 비율을 하기 표 2에 나타내었다.
처리 No.
(혼합물 기호)		 조건 TOC
(g/L)		 질소(NH4, NO3 -)
(g/L)		 C:N 비율
1(S 단독) 하수 슬러지 단독 2.63±0.83 1.34±0.04 1.96:1
2(S+FP(100㎍)) 하수 슬러지 + 펜프로피모르프 100㎍/L 2.65±0.44 1.43±0.32 1.85:1
3(S+FWW+FP(100㎍)) (하수 슬러지 + 음폐수의 혼합물) + 펜프로피모르프 100㎍/L 46.73±1.39 0.88±0.08 53.10:1
4(S+FWW+FP(1mg)) (하수 슬러지 + 음폐수의 혼합물) + 펜프로피모르프 1mg/L 47.33±0.74 0.91±0.12 52.01:1
그 후, 각 혼합물들을 25±1℃에서 7일 동안 반응시키고, 이때 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화를 측정하였다. 또한, 지질 중 지방산 메틸에스테르(FAME; Fatty acid methyl esters)의 농도 변화를 시간 경과에 따라 측정하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2a는 시간 경과에 따른 지질 함량의 변화를 중량%로 나타낸 것이며, 도 2b는 지질 함량의 변화를 농도(g/L)로 나타낸 것이다. 그리고 도 2c는 지질 중 지방산 메틸에스테르(FAME; Fatty acid methyl esters)의 농도 변화를 나타낸 것이다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 하수 슬러지와 음폐수가 1:4로 혼합된 혼합물에 펜프로피모르프 100㎍/L로 첨가한 경우에 FAME 함량이 반응 전후로 약 4.5배 증가한 것을 확인하였다.

Claims (4)

  1. 슬러지와 음폐수를 부피비로 부피비로 4:6~1:9의 비율로 혼합하되, 이때 슬러지와 음폐수의 혼합물 내 C:N 비율이 40:1~70:1이고, 총 질소량은 0.1g/L~3g/L가 되도록 조절하는 단계; 및
    상기 슬러지와 음폐수의 혼합물을 스테롤 합성 저해제로 처리하는 단계
    를 포함하며,
    상기 스테롤 합성 저해제는 펜프로피모르프(Fenpropimorph), 트라이드모르프(Tridemorph) 및 톨나프테이트(Tolnaftate)로 이루어진 군으로부터 선택되며, 그리고 상기 스테롤 합성 저해제는 상기 슬러지와 음폐수의 혼합물에 100㎍/L~1㎎/L의 양으로 첨가되는,
    슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미생물은 미세조류, 박테리아 또는 효모인, 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법.
KR1020150184288A 2015-12-22 2015-12-22 슬러지 또는 음폐수 내에 존재하는 미생물의 지질 함량을 증가시키는 방법 KR101768345B1 (ko)

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Kim H. et al, Front Microbiol.6: 54 (2015. 2.24.)*

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