KR20160055360A - 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유기성 폐기물이 투입되어 혐기소화되는 혐기 소화조, 및 상기 혐기 소화조로 상기 유기성 폐기물의 혐기소화를 위한 소화액을 투입하는 소화액 투입 장치를 포함하고, 상기 소화액에는 상기 유기성 폐기물을 혐기소화시켜서 분해하고, 메탄 가스를 포함하는 바이오 가스를 생성하는 식종균과, 소의 반추위에서 채취한 Rumen fluid를 포함하는 우량균주가 포함되고, 상기 소화액 투입 장치는, 상기 소화액에 포함되는 상기 Rumen fluid의 농도를 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 3% 이상으로 설정하여 투입하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템 및 이를 이용하여 유기성 폐기물을 처리하는 방법이 제공될 수 있다.

Description

우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR TREATING ORGANIC WASTE USING SUPERIOR STRAIN}

본 발명은 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 음식물 쓰레기나 하수 슬러지등 유기성 폐기물의 증가에 따라 유기성 폐기물의 적절한 관리의 필요성이 대두되고 있다. 현재 시행되고 있는 쓰레기 분리수거에 의해 생활 폐기물중 재활용이 가능한 것들은 분리되어 재활용 되고 있지만 유기성 폐기물의 경우 아직도 매립되는 것이 대부분이다.

유기성 폐기물을 매립 처분하게 되면 유기성 폐기물로부터 침출수가 발생되고 그에 따라 매립지의 지반 안정화에 악영향을 끼친다. 이에 따라 유기성 폐기물을 매립하지 않고 퇴비화, 사료화 그리고 건조나 탈수를 통한 감량화 방법 등이 사용되고 있는 추세이다.

그러나 퇴비화의 경우 수요자에게 거부감이 있을 뿐만 아니라 상당기간 이 퇴비를 사용하였을 때 퇴비중의 염분이 토양에 미치는 효과가 아직 검증되지 않았으며, 사료화의 경우 사전 분리작업이 철저하게 이루어져야 하며, 그렇다 하여도 음식물 쓰레기로 만든 사료가 가축에게 효과적인 영양분 공급원이 될 수 없다는 문제점이 있다. 또한 건조나 탈수에 의한 감량화 방법은 중량을 감소시킬 수는 있으나 분해 가능한 유기물의 최종적인 처리방법이 아니라는 문제점이 있다.

따라서, 유기성 폐기물을 처리함에 있어 발생되는 슬러지의 양을 감소시키고 또한 메탄가스를 추출할 수 있는 혐기소화 처리방법이 꾸준히 제기되어 왔다.

혐기소화는 산소를 필요로 하지 않는 미생물들의 작용을 통해 유기물이 분해되어 최종적으로 메탄을 주성분으로 하는 바이오 가스로 전환되는 반응으로, 음식물 쓰레기를 비롯하여 다양한 유기성 폐기물의 처리에 활용되고 있다. 이를 통하여 오염 물질 처리와 함께 신재생에너지 생산이 가능하기 때문에 환경오염 대응 및 대체에너지원 발굴에 적극적인 활용이 가능한 기술로 크게 각광받고 있다.

혐기소화는 가수분해균(hydrolytic bacteria), 산생성균(acidogens), 메탄생성균(methanogens)으로 구분되는 상이한 생물학적 특성(생장조건, 생장속도, 기질이용성, 세포구조 등)을 가지는 미생물 그룹들이 단계적으로 작용하여 일어난다. 따라서 공정효율은 전적으로 미생물 군집의 활성에 의해 결정되며, 공정의 안정적, 효율적 운전을 위해서는 참여 미생물 그룹간의 조화로운 상호작용이 필수적이다.

미생물 군집의 조화로운 활성이 유지되지 못하면 혐기소화의 각 반응단계 사이의 균형이 깨지면서 반응속도 저하 및 공정효율 악화를 초래할 수 있다. 음식물 쓰레기의 혐기소화에서는 과량의 기질이 유입되는 과부하 조건에서 흔히 발생하는 산패(souring) 현상과 함께 높은 잔존 유기물량으로 인한 바이오 가스 생산률 감소가 공정의 경제성과 안정성에 악영향을 미치는 가장 대표적인 문제점들이다.

한편, 국내 음식물쓰레기의 경우 다른 나라에 비하여 많은 양의 섬유질(셀룰로오스 계열)을 포함하고 있기 때문에 생물학적 분해율이 상대적으로 낮고, 이로 인하여 혐기소화 시 반응속도와 처리효율이 떨어지는 문제점을 가진다. 이는 음식물 쓰레기 혐기소화 공정의 안정적 운전 및 보급을 저해하는 걸림돌 가운데 하나이다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 음식물 쓰레기 혐기소화 효율을 개선하기 위한 많은 연구가 수행되었으나, 대부분 단순한 물리화학적 공정인자 모니터링 또는 trial-and-error식 운전조건 변화에 기초한 접근법에만 국한되어왔다. 하지만, 혐기소화는 기본적으로 미생물의 활성에 의존하는 생물학적 반응이기 때문에 보다 근본적인 수준에서의 기술개선을 위해서는 생물학적 관점에서의 접근을 접목한 융합연구가 요구된다.

본 발명의 실시예는 상술한 바와 같은 종래의 혐기소화 처리 공정의 문제점을 개선하기 위해 도출된 것으로서, 섬유질(셀룰로오스 계열) 등의 난분해성 물질을 다량 포함하는 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물의 처리 효율을 높이고, 혐기소화 과정에서 발생되는 메탄 가스를 포함하는 바이오 가스의 수득율을 높일 수 있는 혐기소화 처리 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 유기성 폐기물이 투입되어 혐기소화되는 혐기 소화조; 및 상기 혐기 소화조로 상기 유기성 폐기물의 혐기소화를 위한 소화액을 투입하는 소화액 투입 장치를 포함하고, 상기 소화액에는 상기 유기성 폐기물을 혐기소화시켜서 분해하고, 메탄 가스를 포함하는 바이오 가스를 생성하는 식종균과, 소의 반추위에서 채취한 Rumen fluid를 포함하는 우량균주가 포함되고, 상기 소화액 투입 장치는, 상기 소화액에 포함되는 상기 Rumen fluid의 농도를 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 3% 이상으로 설정하여 투입하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 혐기 소화조 내에서 발생된 메탄을 포함하는 바이오 가스가 전송되어 저장되는 가스 저장조; 상기 혐기 소화조에서 혐기소화 작용을 거쳐서 생성된 상기 바이오 가스를 배출하고 남은 슬러지가 전달되어 고액분리가 이루어지는 침전조; 및 상기 침전조에서 분리된 처리수와 상기 혐기 소화조에서 발생된 처리수가 전달되어 정화되는 폐수처리시설을 더 포함하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 소화액 투입 장치는, 상기 소화액에 포함되는 상기 Rumen fluid의 농도를 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 30% 이하로 설정하여 투입하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 소화액 투입 장치는, 상기 소화액에 포함되는 상기 Rumen fluid의 농도를 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 10% 이하로 설정하여 투입하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 소화액 투입 장치는, 상기 소화액에 포함되는 상기 Rumen fluid의 농도를 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 10% 이상, 30% 이하로 설정하여 투입하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템이 제공될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 유기성 폐기물을 혐기 소화조에 투입하는 단계; 및 상기 혐기 소화조에 상기 유기성 폐기물의 혐기소화를 위한 소화액을 투입하는 단계를 포함하고, 상기 소화액에는 상기 유기성 폐기물을 혐기소화시켜서 분해하고, 메탄 가스를 포함하는 바이오 가스를 생성하는 식종균과, 소의 반추위에서 채취한 Rumen fluid를 포함하는 우량균주가 포함되고, 상기 Rumen fluid의 농도는 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 3% 이상으로 설정되는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 Rumen fluid의 농도는 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 30% 이하로 설정되는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 Rumen fluid의 농도는 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 10% 이하로 설정되는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 방법.

또한, 상기 Rumen fluid의 농도는 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 10% 이상, 30% 이하로 설정되는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 혐기소화 처리 방법에 있어서, 바이오 어그멘테이션(Bioaugmentation) 기법을 적용하여, 난분해성 물질을 다량 포함하는 음식물 쓰레기 등의 유기성 폐기물의 생분해도가 향상되고, 혐기소화 효율이 개선되며, 바이오 가스의 수득율이 높아진다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1의 시스템을 이용한 유기성 폐기물 처리 방법에 따라 1차 BMP 테스트를 실시하여 얻어진 각 테스트 조건 별 28일 누적 바이오 가스화 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2의 각 테스트 조건 별 바이오 가스의 생성량 및 수득율을 비교한 그래프이다.
도 4는 도 2의 각 조건 별 메탄 함량 및 VS 제거율을 비교한 그래프이다.
도 5는 도 1의 시스템을 이용한 유기성 폐기물 처리 방법에 따라 2차 BMP 테스트를 실시하여 얻어진 각 테스트 조건 별 28일 누적 바이오 가스화 패턴을 나타내는 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템 및 방법의 실시를 위한 유기성 폐기물 처리 시스템(10)은 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물(1)이 투입되어 혐기소화되는 혐기 소화조(102)를 포함한다. 또한, 혐기 소화조(102)의 내부로 혐기소화를 위한 우량균주를 포함하는 소화액을 투입하는 소화액 투입 장치(101)를 포함한다.

혐기 소화조(102) 내로 투입된 소화액은 유기성 폐기물(1)과 반응하여 처리수와 메탄을 포함하는 바이오 가스를 발생시킨다. 또한, 혐기 소화조(102)의 내부에는 투입된 소화액과 유기성 폐기물(1)이 균일하게 혼합되도록 하는 교반기가 구비될 수 있다. 혐기 소화조(102)에 소화액을 투입하는 소화액 투입 장치(101) 및 투입되는 소화액에 관한 구체적인 설명은 후술하겠다.

혐기 소화조(102) 내부에서 발생되는 혐기소화 작용에 대하여 설명하자면, 다음과 같다.

혐기소화(Anaerobic digestion)는 호기성 처리보다 고농도의 유기물 분해가 가능하며, 최종 슬러지 발생량과 에너지 요구량이 적을 뿐 아니라 분해과정 중 병원성 미생물도 제거 시킬 수 있어서, 유기물의 안정한 처리를 위한 방법으로서 널리 사용되고 있다. 또한, 혐기소화는 처리 후 소화 폐액에서 발생되는 악취가 적어서 환경친화적인 폐기물의 처리 방법인 동시에, 발효과정에서 생성되는 바이오 가스의 약 60% 이상이 메탄 가스이므로, 청정에너지 자원인 메탄가스를 효과적으로 회수할 수 있다는 장점이 있다.

혐기소화에 의한 유기물 분해는 성장속도가 서로 다른 다양한 종류의 박테리아에 의해 안정화 시키는 다단계 생화학반응(Multistage biochemical process)으로서, 가수분해단계(Hydrolysis), 산생성단계(Acidogenesis), 및 메탄생성단계(Methanogenesis)로 이루어진다.

이 중 첫번째 단계인 가수분해단계는 전체 혐기소화 과정 중 율속단계로서, 이로 인해 높은 유기물 부하의 적용이 불가능하고 반응조 용적이 커져 효율적이지 못하다. 이런 이유로 고분자 유기성 폐기물을 물리적, 화학적으로 전처리하거나, 반응조 내에 미생물 보유량을 증가시키는 방법으로 가수분해 반응을 촉진시켜 소화조 효율을 증진시키는 방법이 많이 연구되고 있는 실정이다.

또한, 마지막 단계인 메탄생성단계는 산생성단계에서 생산된 아세트산과 H₂로부터 최종적으로 메탄과 CO₂가 생산되는 단계로 메탄생성균에 의해 이루어지는데 H₂를 기질로 이용하는 메탄생성균과 아세트산을 기질로 이용하는 메탄생성균에 의해 이루어지며, 메탄의 약 72%가 아세트산으로부터 전환된다

이와 같은 혐기소화 과정을 거쳐서 유기성 폐기물(1)이 분해되고, 이 과정에서 메탄을 포함하는 바이오 가스를 발생시키고, 발생된 바이오 가스는 가스 저장조(104)로 전송되어 저장될 수 있다. 이렇게 가스 저장조(104)에 저장된 가스(3)는 모처로 공급되어 에너지원으로 이용될 수 있다.

한편, 혐기 소화조(102)에서 혐기소화 작용을 거쳐서 생성된 바이오 가스를 배출하고 남은 슬러지는 침전조(106)로 전달되어 응집제 등의 약품 처리를 통해 고액분리가 이루어지고, 여기서 분리된 처리수는 폐수처리시설(108)로 전송되고, 처리수와 분리된 슬러지 케이크(2)는 외부로 배출되어 고품질의 퇴비 또는 사료로 재가공되어 활용될 수 있다.

혐기 소화조(102)에서 발생된 처리수는 혐기 소화조(102)와 연결된 라인을 통해 폐수처리시설(108)로 전송되어 후처리를 통해 정화되고, 용수로서 재사용될 수 있다.

또한, 혐기 소화조(102)의 내부에는 압력을 측정할 수 있는 압력센서(35)가 제공될 수 있고, 혐기 소화조(102) 내부의 압력이 상승하여 일정 압력 범위를 벗어날 경우 혐기 소화조(102)의 일측에 구비된 안전밸브(미도시)를 통해 내부에 잔존하는 슬러지를 침전조(106)로 배출시키도록 구성될 수 있다.

또한, 혐기 소화조(102)의 내부에는 내부온도를 측정할 수 있는 온도센서(미도시)가 구비되어, 혐기소화조(102)의 내부온도가 소정 범위를 벗어날 경우 혐기 소화조(102)에 구비된 소정의 온도 조절수단(미도시)을 통해 혐기 소화조(102)의 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 이때, 혐기 소화조(102) 내부의 적정온도는 혐기성 세균이 활동하기 알맞은 30%~40%가 적당하며 더욱 바람직하게는 35%가 적당하다.

한편, 혐기 소화조(102)에 투입되는 소화액에는 가수분해균(hydrolytic bacteria), 산생성균(acidogens) 및 메탄생성균(methanogens) 등을 포함하는 식종균과, 다량의 난분해성 물질을 포함하는 유기성 폐기물의 효과적인 분해 및 이를 통해 발생되는 바이오 가스의 수득율 향상을 위해 첨가되는 소정의 우량균주를 포함한다.

본 발명자는 상기 소화액에 포함되는 유량균주의 종류 및 농도를 후술하는 테스트를 거쳐서 최적화하였다. 본 테스트는 1차 BMP 테스트 및 1차 BMP 테스트의 결과에 따른 2차 BMP 테스트로 구성된다.

여기서, BMP 테스트란, 대상물질의 생분해도 정도를 평가할 수 있는 실험법으로서, 쉽게 분해되는 기질을 첨가하지 않고 실험대상 물질만을 식종 슬러지의 유일한 탄소원으로 이용하며, 실험대상 물질로부터 발생하는 메탄가스의 양을 이론적 가스 발생량과 비교하여 메탄발생 가능량, 즉 혐기성 분해정도를 측정하는 방법이다.

후술하는 테스트는 Clostridium acetobutyricum (ATCC 824), Clostridium cellulolyticum (ATCC 35319) 및 Rumen fluid를 선정하여 상기 균주들을 대상으로 실시하였다. 상기 Rumen fluid는 소의 반추위에서 채취한 액체로서, 소의 반추위에 존재하는 다양한 균주들을 포함하는 액체이다. 이하에서는 Clostridium acetobutyricum를 CA, Clostridium cellulolyticum를 CC, Rumen fluid를 RF로 축약하여 설명하겠다.

1. 1차 BMP 테스트

가. 테스트 개요

CA, CC, RF 각각의 미생물(군)에 더하여, 상기 각각의 미생물(군)을 서로 소정 비율로 혼합한 것, 세 가지 미생물(군)을 모두 혼합한 것의 총 5가지 조합에 대하여 28일간 BMP 테스트를 수행하였다. BMP 테스트를 위한 기본 식종균은 음식물 쓰레기 혐기소화 슬러지를 이용하며, 테스트 미생물 투입량은 식종균 농도(VSS 기준) 대비 1-10% 수준으로 한다. 위의 실험군과 별도로 추가적인 미생물(군) 투입 없이 혐기슬러지(AS)만 식종한 BMP 테스트를 수행하여 대조군으로 이용하였다.

나. 혐기슬러지 및 음식물 쓰레기 성상 분석

테스트에 사용된 혐기슬러지와 음식물쓰레기의 성상은 다음 표 1과 같다.

다. 음식물 쓰레기 준비 및 농도 설정

혐기소화가 이루어질 음식물 쓰레기의 표준 시료의 성상은 다음 표 2와 같다. 쓰레기의 평균 함수율은 물을 가감하여 85±3% 범위로 조절하였다. 또한, 음식물 쓰레기/혐기슬러지 비율을 0.5 (VS 농도 기준)로 맞추어서 음식물 쓰레기를 투입하였다.

라. 투입되는 식종균의 성상

음식물 쓰레기에 기본적으로 투입되는 식종균의 성상은 다음 표 3과 같다.

마. 테스트 조건

테스트는 100mL serum bottle에 혐기슬러지 식종균 50mL (640 mg, VS 기준), 음식물쓰레기 2.5mL (315 mg, VS기준)을 넣고, 다음 표 4에 제시되는 테스트 조건에 따라 CA, CC, RF의 첨가 비율을 결정하여 투입하였다.

상기 표 4에 제시된 각 테스트 조건에 따라 3번 반복 수행하였으며, 테스트 미생물(군)을 넣지 않은 대조군도 함께 테스트하였다. 테스트 과정에서의 인위적인 오차를 최소화 하기 위하여 모든 테스트 Run의 준비는 무작위 순으로 진행하였다.

각 테스트 미생물(군)은 계대배양 및 샘플링 후, 원심 분리를 통해 여상액을 버리고 바이오 매스만을 사용하였다. 또한, 각 BMP 반응기의 총 부피는 60mL로, Bottle당 필요한 양 만큼 물을 첨가한 뒤, 질소 주입을 통해 잔존 공기(산소)를 제거하여 진탕배양기(35oC)를 이용하여 배양하며 바이오 가스 발생을 주기적으로 모니터링 하였다. 1차 BMP 테스트 종료 후 각 반응기의 용액을 샘플링 하여 VS를 측정하였다.

바. 테스트 결과

상술한 1차 BMP 테스트의 결과를 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하겠다. 도 2는 도 1의 시스템을 이용한 유기성 폐기물 처리 방법에 따라 1차 BMP 테스트를 실시하여 얻어진 각 테스트 조건 별 28일 누적 바이오 가스화 패턴을 나타내는 그래프이고, 도 3은 도 2의 각 테스트 조건 별 바이오 가스의 생성량 및 수득율을 비교한 그래프이며, 도 4는 도 2의 각 조건 별 메탄 함량 및 VS 제거율을 비교한 그래프이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 각 미생물(군)의 조합 중 RF를 투여한 경우에 바이오 가스의 생성량이 많았으며, 3%를 첨가하였을 때보다 10%를 첨가하였을 때 확연한 차이를 보였다. RF를 첨가하지 않은 조합은 RF 3%를 첨가한 조합의 바이오 가스 생성량보다 값이 작은 것으로 보아, RF를 넣었을 때 바이오 가스의 전환율이 높아진다는 것을 알 수 있다.

1차 BMP 테스트에서 우수한 조합이라 여겨지는 RF의 농도에 따른 유기물 분해 및 바이오가스 전환율을 비교한 결과는 다음 표 5와 같다.

대조군과 비교하였을 때, 바이오 가스 생성량과 메탄 가스 생성량의 증가 비율이 Run 4(RF농도 3%)에서 각각10.4%, 12.8%로 증가하였고, Run 14(RF농도 10%)에서는 24.2%, 30.1%의 증가율을 보였다. 특히 메탄 가스 생성량의 증가율이 조금 더 큰 이유는 RF의 농도가 높아질 때 메탄 함량 또한 같이 높아지기 때문인 것으로 보인다. 바이오 가스 수율 또한 대조군에 비해 RF를 첨가하였을 때 큰 차이를 보였고, 그 증가율은 대조군 대비 각각 13.7%, 27.4%이었다.

본 테스트에서 선정한 조건에서 세 종류의 미생물(군)을 함께 첨가하거나 RF를 제외한 조합은 대조군과 비교하여 약간의 바이오 가스 발생량의 차이가 관찰되었으며, 이러한 결과는 첨가된 CA와 CC 미생물이 음식물 쓰레기의 혐기소화 효율 향상에 크게 기여하지 못함을 의미한다.

또한, RF를 첨가한 경우를 다른 조합들과 비교하였을때, 바이오 가스 생성량에 확연히 높은 차이가 관찰되었고, 바이오 가스의 수득율 또한 큰 차이를 보였다. 이러한 결과는 RF가 다른 식종균에 비해 혐기소화 효율 향상에 크게 기여하며, 연속식 공정에서 바이오가스 전환과 VS제거를 향상시키는데 우수한 우량균주으로서 선정 가능함을 의미한다. 이러한 결과를 토대로, 이하에서 설명되는 2차 BMP 테스트를 통해, 최적의 RF 농도를 도출하였다.

2. 2차 BMP 테스트

가. 테스트 개요

1차 BMP 테스트의 결과를 바탕으로 최적의 우량균주로 선정된 RF의 최적 투입 농도를 도출하기 위해, RF의 농도에 따른 BMP 테스트를 수행하였다. 2차 BMP 테스트를 위한 기본 식종균 및 음식물쓰레기는 상술한 1차 BMP 테스트와 동일하게 사용하였으며, 테스트 미생물군(RF)의 투입량은 식종균 농도(VSS 기준) 대비 1~30% 수준으로 한다. 위의 실험군과 별도로 추가적인 미생물(군) 투입 없이 혐기슬러지만 식종한 것과, 혐기슬러지를 식종하지 않은 BMP 테스트를 수행하여 대조군으로 이용한다.

나. 시료 준비

RF는 1차 BMP 테스트에서 사용한 것과 동일한 시료를 29일간 starvation 후 사용하였다. 또한, 기 가동중인 음식물쓰레기 혐기 소화조에서 채취한 혐기슬러지를 식종균으로 이용하였고, BMP 테스트 전 4일간 starvation 후 사용하였고, 사용할 음식물 쓰레기는 1차 BMP 테스트에서 사용된 것과 동일하게 사용하였다. 1차 BMP 테스트와 동일하게, 2차 BMP 테스트에 사용할 음식물쓰레기는 음식물쓰레기/혐기슬러지 비율 0.5 (VS 농도 기준)로 맞추어서 투입하였다.

다. 테스트 조건

아래 표 6과 같이, 100mL serum bottle에 혐기슬러지 종균 50 mL, 음식물쓰레기 2.5 mL를 넣고 테스트 조건(식종균 농도 1, 3, 10, 20, 30%, 혐기슬러지 VSS 기준)에 맞추어 RF를 각각 첨가하였다. 테스트 과정에서의 인위적인 오차를 최소화 하기 위하여 모든 테스트 run의 준비는 무작위 순으로 진행하였다.

테스트는 상기 각 조건에서 3번 반복 수행하였으며, RF를 넣지 않은 대조군과 RF와 혐기슬러지를 넣지 않은 Blank를 함께 테스트하였다. RF는 테스트 전 VSS농도를 측정한 뒤 원심분리 후 바이오매스만을 사용하였다.

각 BMP 반응기의 총 부피는 60mL로, Bottle당 필요한 양 만큼 물을 첨가한 뒤, 질소 주입을 통해 잔존 공기(산소)를 제거하여 진탕배양기(35oC)를 이용하여 배양하며 바이오 가스 발생을 주기적으로 모니터링 하였다. 2차 BMP 테스트 종료 후 각 반응기의 용액을 샘플링 하여 VS를 측정하였다.

라. 테스트 결과

상술한 2차 BMP 테스트의 결과를 도 5를 참조하여 설명하겠다. 도 5는 도 1의 시스템을 이용한 유기성 폐기물 처리 방법에 따라 2차 BMP 테스트를 실시하여 얻어진 각 테스트 조건 별 28일 누적 바이오 가스화 패턴을 나타내는 그래프이다.

도 5를 참조하면, RF를 1% 및 3%로 접종한 경우, 바이오 가스 생성량이 대조군과 크게 차이를 보이지 않았고, 10%이상으로 접종하였을 때 확연한 차이를 보여주었다. 각 실험 조건 별 구체적인 비교 값은 다음 표 7과 같다.

RF 농도가 10% 미만일 때, 대조군과 비교하였을 때, 바이오 가스 생성량은 RF의 첨가 농도가 높을수록 점차 높아지는 것을 볼 수 있고, 메탄 생성량 또한 조금 상승한 것을 확인할 수 있었다. 대조군과 비교하면, RF를 첨가해주었을 때 바이오 가스의 수득율이 증가하였고, 농도에 따라서는 크게 차이가 없었다. VS 제거율은 약 40% 정도로 대조군과 각 실험 조건의 값이 비슷하였다.

RF 농도가 10% 이상일 때, 대조군과 비교하였을 때, 바이오 가스 생성량과 바이오 가스 수득율이 확연히 향상된 결과를 보여주었고, 이는 1차 BMP 테스트의 결과와 유사하였다. 같은 조건인 RF 3%와 RF 10%를 1차 BMP 테스트와 비교하였을 때, 바이오 가스 생성량의 차이가 보이는데 이것은 1차 BMP 테스트에서 사용된 RF와 2차 BMP 테스트에서 사용된 RF의 VS, VSS 농도의 차이(표 3의 식종균 성상분석)와 starvation 전후의 미생물 활성에서 기인한 것으로 보인다.

1차 BMP 테스트에서 RF는 별도의 starvation 없이 원심분리 후 바이오매스를 그대로 실험에 이용하였는데, 이때 걸러지지 않은 RF 내의 유기물의 분해로 바이오 가스 생성량이 증가한 것으로 보이고, 2차 BMP 테스트의 경우 RF를 starvation 하였기 때문에 원심분리 후의 바이오매스에는 추가적으로 분해가 가능한 유기물질이 부족하여 바이오가스 생성량 값이 작았을 것으로 추정된다.

1차 및 2차 BMP 테스트의 결과, RF의 농도를 높여주었을 때 그 효율 또한 증가하지만, 실제 공정에서 사용되는 반응기의 크기 및 RF의 제한적인 공급량을 고려하였을 때 2차 BMP 테스트에서 우수한 결과를 보인 RF 10% 농도 조건이 연속식 운전 테스트에 최적의 조건으로 판단되었다.

한편, 실험 결과, 수득율은 RF 농도가 0~1% 사이에서는 변화가 없다가, RF 농도가 3%로 증가할 때 수득율은 큰 폭으로 증가하였고, RF 농도가 10%로 증가할 때 수득율은 더 큰 폭으로 증가하는 것으로 나타났으며, 10% 이상부터는 RF 농도와 상관 없이 수득율은 일정함을 알 수 있었다. 이에 따라 RF를 혐기 소화조(102)에 투입함에 있어서, 식종균의 농도(VSS 기준) 대비 RF 농도는 3%~10% 내로 설정되는 것도 가능하고, 수득율의 극대화를 위해서는 식종균의 농도(VSS 기준) 대비 RF 농도를 10% 이상으로 설정하여 투입하는 것도 가능하다.

또한, RF는 앞서 언급했다시피 소의 반추위액에서 추출하는 것으로서, 대량 추출에는 한계가 존재할 수 밖에 없고, 혐기 소화를 위해 RF를 고농도로 투입하는 것은 경제적이지 못하다는 단점이 있다. 특히, 식종균의 농도(VSS 기준) 대비 RF 농도가 30%를 넘어가면 경제성 및 효율성의 측면에서 실용적이지 못하므로, RF 농도는 30%를 넘지 않도록 설정하는 것이 바람직하며, 상술한 2차 BMP 테스트에서 RF 농도가 30%를 넘는 테스트 조건을 설정하지 않은 것도 이러한 이유 때문이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 혐기소화를 이용한 유기성 폐기물 처리 시스템 및 방법에 있어서, 바이오 어그멘테이션(Bioaugmentation) 기법을 적용하여, 난분해성 물질을 다량 포함하는 음식물 쓰레기 등의 유기성 폐기물의 처리에 최적화된 우량균주를 혐기 소화조에 투입하는 소화액에 포함시키고, 이때 상기 최적화된 우량균주는 소의 반추위에서 채취한 Rumen fluid를 식종균의 농도(VSS 기준) 대비 10% 이상의 농도로 설정하여, 난분해성 물질을 다량 포함하는 음식물 쓰레기 등의 유기성 폐기물의 생분해도가 향상되고, 혐기소화 효율이 개선되며, 바이오 가스의 수득율이 높아진다는 효과가 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

10: 유기성 폐기물 처리 시스템 101: 소화액 투입 장치
102: 혐기 소화조 104: 가스 저장조
106: 침전조 108: 폐수처리시설

Claims (9)

1. 유기성 폐기물이 투입되어 혐기소화되는 혐기 소화조; 및
   상기 혐기 소화조로 상기 유기성 폐기물의 혐기소화를 위한 소화액을 투입하는 소화액 투입 장치를 포함하고,
   상기 소화액에는 상기 유기성 폐기물을 혐기소화시켜서 분해하고, 메탄 가스를 포함하는 바이오 가스를 생성하는 식종균과, 소의 반추위에서 채취한 Rumen fluid를 포함하는 우량균주가 포함되고,
   상기 소화액 투입 장치는,
   상기 소화액에 포함되는 상기 Rumen fluid의 농도를 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 3% 이상으로 설정하여 투입하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 혐기 소화조 내에서 발생된 메탄을 포함하는 바이오 가스가 전송되어 저장되는 가스 저장조;
   상기 혐기 소화조에서 혐기소화 작용을 거쳐서 생성된 상기 바이오 가스를 배출하고 남은 슬러지가 전달되어 고액분리가 이루어지는 침전조; 및
   상기 침전조에서 분리된 처리수와 상기 혐기 소화조에서 발생된 처리수가 전달되어 정화되는 폐수처리시설을 더 포함하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 소화액 투입 장치는,
   상기 소화액에 포함되는 상기 Rumen fluid의 농도를 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 30% 이하로 설정하여 투입하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 소화액 투입 장치는,
   상기 소화액에 포함되는 상기 Rumen fluid의 농도를 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 10% 이하로 설정하여 투입하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 소화액 투입 장치는,
   상기 소화액에 포함되는 상기 Rumen fluid의 농도를 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 10% 이상, 30% 이하로 설정하여 투입하는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 시스템.
6. 유기성 폐기물을 혐기 소화조에 투입하는 단계; 및
   상기 혐기 소화조에 상기 유기성 폐기물의 혐기소화를 위한 소화액을 투입하는 단계를 포함하고,
   상기 소화액에는 상기 유기성 폐기물을 혐기소화시켜서 분해하고, 메탄 가스를 포함하는 바이오 가스를 생성하는 식종균과, 소의 반추위에서 채취한 Rumen fluid를 포함하는 우량균주가 포함되고,
   상기 Rumen fluid의 농도는 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 3% 이상으로 설정되는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 Rumen fluid의 농도는 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 30% 이하로 설정되는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 방법.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 Rumen fluid의 농도는 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 10% 이하로 설정되는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 방법.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 Rumen fluid의 농도는 상기 소화액에 포함된 상기 식종균의 농도 대비 10% 이상, 30% 이하로 설정되는 우량균주를 적용한 유기성 폐기물 처리 방법.

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