농촌에서 발생하는 유기성 폐자원을 이용한 병합 혐기성 소화

Abstract

교토 의정서(Kyoto Protocol) 발효 이후 자원순환 및 에너지화 정책이 추진되고 있으며 EU, 미국, 일본 등은 혐기성 소화를 통해 바이오매스의 에너지화를 목적으로 다양한 정책을 제시하였다. 이에 우리나라는 폐자원 및 바이오매스로 재생에너지를 생산하기 위해 2020년까지 600개의 저탄소 녹색마을을 설립하는 정책을 추진 중에 있다. 농촌형 저탄소 녹색마을에서 발생하는 대표적인 유기성폐자원은 비닐하우스에서 발생하는 시설농업부산물과 음식물쓰레기가 있다. 시설농업부산물을 에너지 생산에 이용한 연구는 부족한 상황이며 시설농업부산물과 음식물쓰레기 병합 소화에 대한 연구는 국내외에서 찾을 수 없다. 이에 본 연구에서는 시설농업부산물과 음식물쓰레기를 혐기 소화하여 메탄을 생산하기 위한 기초 연구를 수행하고자 하였으며 안정적인 메탄 발생을 위한 방안을 검토하고자 하였다. 우선 Biochemical Methane Potential(BMP) test를 통해 대상 기질의 메탄 발생 특성을 조사하였다. 또한 실험실 규모의 연속 반응조를 운전하여 병합 소화의 가능성을 평가하였으며 안정적인 혐기 소화 운전에 영향을 미치는 인자들을 조사하였다. 본 연구에서는 대상 시설농업부산물로 토마토 부산물과 오이 부산물을 선정하였으며 표준음식물쓰레기를 사용하였다. 시설농업부산물이란 시설재배 과정에서 생산되는 생산품 이외에 부차적으로 발생되는 줄기, 잎 등을 의미한다. BMP test는 Owen 등(1979)이 제안한 방법을 적용하여 진행하였다. 단상 혐기 소화 실험에 사용된 반응조의 유효 부피는 2L이며 실험은 중온조건(35±1℃)에서 진행되었고 기질은 1일 1회 주입하였다. 본 연구의 BMP test 결과, 토마토 부산물, 오이 부산물, 음식물쓰레기의 메탄 발생량은 각각 149, 212, 396 mL-CH4/g-VS이었고, 생분해도는 33∼85%(by vol.) 범위로 음식물쓰레기의 생분해도가 가장 높았으며 토마토 부산물이 가장 낮았다. . Organic Loading Rate(OLR)=1 g-VS/L-일, Hydraulic Retention Time(HRT)=30일인 조건에서 음식물쓰레기 단독 소화, 음식물쓰레기와 농업부산물 병합 소화 모두 Volatile Fatty Acid(VFA) 축적으로 인해 안정적으로 운전되지 않았다. 그러나 부하를 점차 늘려가며 미생물 순응을 유도한 결과, 토마토 부산물과 음식물쓰레기 병합 반응조에 대해 OLR=1g-VS/L-일, HRT=30일의 조건에서 안정적인 소화가 가능하였다. 이 때 메탄 발생량은 270∼420 mL-CH4/g-VS을 나타냈고, VS 제거율은 70∼75%(by wt.)의 범위를 보였다. 반응조 운전 실패원인으로 추정되는 영향 인자들을 조사 또는 조절한 결과, 미생물의 순응, 중금속 농도, 미량원소의 농도가 영향을 주는 요인으로 나타났다. 메탄생성균 활성도 실험 결과, 반응조 내에 존재하는 슬러지에는 대상기질을 소화할 수 있는 메탄생성균이 존재하는 것으로 확인되었다. 부하를 점차 늘리며 미생물의 순응을 유도하였을 때, 일부 기질에 대해서는 안정적인 소화가 가능하였다. 그러나 일부 중금속 함량이 높은 시설농업부산물에 대해서는 중금속 독성으로 인해 소화조 운전에 실패하였다고 예상되었으며 시설농업부산물을 이용한 혐기 소화 시 중금속 농도가 검토되어야 할 것으로 사료된다. 미량원소가 부족한 음식물쓰레기는 미량원소를 충분히 공급하였을 때 메탄 발생 효율이 증가하였으며 적정 농도의 미량원소가 안정적인 소화에 중요한 요소로 작용하는 것을 확인하였다. 위의 결과를 바탕으로 시설농업부산물과 음식물쓰레기 혐기 소화에서 중금속 농도, 미량원소 농도, 미생물의 순응이 영향을 미치는 것으로 나타났으며 위의 인자들을 충분히 고려하여 소화조를 운전해야 할 것으로 판단된다. 본 연구 결과는 향후 안정적이고 효율적인 바이오 플랜트 운전의 기초자료로 활용 가능할 것으로 여겨진다.