음식물쓰레기 분쇄기 오수로부터 회수된 고형물의 2상 혐기성 소화

Abstract

옥내 보관, 옥외 공동수거함으로 배출 및 차량에 의한 이송으로 이뤄지는 현재 음식물 쓰레기 처리 방식은 악취 및 병충해 발생, 생활공간 주변의 미관 저해 및 소음 공해 등의 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 사용자에게 편의성을 제공하고, 기존 수거 방식에 따른 문제점을 방지할 수 있는 디스포저의 사용에 대한 논의가 늘어나게 되었다. 본 연구에서는 공동주택용 디스포저 오수 전처리 시스템으로서 혐기성 처리를 통해 바이오가스를 생산하고 액상을 하수처리장으로 직접 방류하는 시스템을 기본으로 한다. 이 시스템은 가정용 음식물 쓰레기 분쇄기(디스포저) 사용시 배출되는 오수를 체거름을 이용하여 고형물과 액상으로 분리하고 이 중 고형물만을 이용하여 이상 혐기성 처리를 하고 자 하였고 기본적인 운전인자 도출과 동시에 기존 단상 혐기소화와의 비교 평가를 실시하였다. 사용한 시료는 표준음식물쓰레기로서 일반 음식물 쓰레기의 경우 지역 및 계절에 따른 성상의 차이가 심하고, 하루 이상 적치된 상태로 존재하는 경우에도 산패 등에 의해 성상이 변하기 때문에 연속 반응조 실험시 부적절하였고, 이에 따라 한국환경산업기술원에서 제시하는 표준음식물 쓰레기를 시료로 사용하였다. 디스포저 오수 제작시 투입 시료량은 수돗물 5 L, 표준음식물 쓰레기 250g을 기준으로 하고, 0.5 mm 체로 거른 고형물을 시료로 사용하였다. 회수한 고형물의 생분해도 평가를 위하여 BMP test를 진행하였다. 회수한 고형물의 메탄발생량은 이론적 메탄발생량의 약 67%인 333.7 mL-CH4/g-VS를 나타내었고, 지체기는 약 0.9일을 나타내었다. 원 시료의 메탄발생량은 이론적 메탄발생량의 약 75%인 395. 5 mL-CH4/g-VS를 나타내었고, 지체기는 약 2.1일을 나타내었다. 염분에 의한 저해현상으로 인하여 회수된 고형물의 생분해도가 높을 것이라고 예측하였으나 회수된 고형물의 생분해도는 원 시료에 비해 낮게 나타났다. 생분해도 감소의 이유는 고형물 회수 과정에서 분해가 쉬운 가용성분이 씻겨져 나가기 때문이라고 판단되었다. 회수한 고형물을 대상으로 2상 혐기소화조 운전을 80일간 진행하였다. 산발효조의 수리학적 체류시간을 5일로 고정하였고 메탄발효조의 수리학적 체류시간을 25일로 고정한 MODE1, 20일로 고정한 MODE2, 15일로 고정한 MODE3의 세가지 반응조를 운전하였다. MODE1의 경우 pH는 운전기간 중 7.5 이상을 유지하며 안정적으로 운영되었으나 MODE2와 MODE3에서는 운전시작 20일 이후 pH가 7 이하로 감소하여 운전이 불가능 하였다. 운전시작 40일 이후 산발효조의 pH 조절과 버퍼의 투입으로 MODE2의 경우 운전은 가능하였으나 안정적인 운전은 불가하였고 MODE3의 경우에는 운전이 불가능 하였다. MODE1에서는 지방산의 축적이 5000 mg/L를 넘지 않았고 알칼리도 역시 6000 mg/L as CaCO3 이상 유지되어 안정적인 운전이 가능하였다. MODE2와 MODE3의 경우 운전시작 30일 이후 지방산이 급격히 축적되면서 각각 10,125 mg/L, 18,455 mg/L 까지 지방산이 축적되었고 알칼리도 역시 5000 mg/L as CaCO3 이하를 보여 반응조의 불균형이 일어났음을 확인 하였다. 음식물 쓰레기의 단백질성분 분해에서 생성되는 암모니아성 질소의 저해현상을 확인하였으나 세 반응조 모두 1500에서 3000 mg/L 사이의 농도를 보여 총 암모니아성 질소에 의한 저해현상은 없는 것으로 확인되었다. 그러나 MODE1의 경우 프리 암모니아에 의한 약한 저해현상이 있음이 확인되었다. TCOD제거율 면에서 MODE1의 경우 운전기간 동안 80% 이상의 제거율을 나타냈으나 MODE2와 MODE3의 경우 운전시작 20일 이후 제거율이 감소하였다. MODE2의 경우 버퍼의 투입으로 제거율이 회복되었으나 70%를 넘지 못하였고, MODE3의 경우는 제거율의 회복이 불가능 하였다. SCOD 제거율 역시 MODE1의 경우 90% 이상의 제거율을 보여 가용성분이 거의 메탄으로 전환되었음을 확인할 수 있었으나 MODE2의 경우 버퍼투입이후 제거율은 80%를 넘지 못하였으며 MODE3은 제거율의 회복이 불가능 하였다. 투입유기물당 하루 메탄발생량은 MODE1의 경우 운전기간 중 평균 200 mL-CH4/g-COD 정도 발생하며 안정적인 에너지 회수가 가능함을 확인하였다. MODE2의 경우 운전 초기 MODE1과 비슷한 메탄발생을 보였으나 반응조의 불균형 이후 지속적으로 메탄발생량이 줄어들었다. MODE3의 경우 20일 이후 메탄 발생량이 지속적으로 감소하였고 40일 이후 메탄발생이 중지되었다. 회수한 고형물을 대상으로 선행 연구자의 단상 혐기소화 결과와 비교 평가를 하였다. 두 반응조 모두 지방산은 저해를 받지 않는 농도범위를 나타내었으나 단상 혐기소화조에서 이상 혐기소화보다 낮은 축적량을 보였다. 생성된 바이오가스 중 메탄의 구성비는 이상 혐기소화에서 좀 더 안정된 구성비를 나타내었고, COD 제거율 면에서도 약간 높은 결과를 나타내었다. 그러나 투입 유기물당 하루 메탄발생량에서는 단상 혐기소화의 경우 평균 295 mL-CH4/g-COD를 나타낸 반면 이상 혐기소화에서는 260 mL-CH4/g-COD의 발생량을 보여 에너지 회수율 면에서 이점을 나타내지 못하였다. 디스포저 도입 이후 디스포저 오수의 전처리 시스템에서 에너지 회수를 위한 혐기 소화조 운영시 공동주택의 특성을 고려하였을 때 단상 혐기소화조의 설치가 유리하다고 판단된다.