<출석수업> 제5장 생활폐기물의 생물학적 처리 환경보건학과 교수 한선기

제5장 생활폐기물의 생물학적 처리 목차 5.1 생활폐기물의 메탄발효 5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 5.3 생활폐기물의 수소발효 5.4 생활폐기물의 사료화

5.1 생활폐기물의 메탄발효 1 메탄생성량의 추정 유기물은 혐기성 조건에서 분해되어 최종적으로 메탄, 이산화탄소 등으로 전환 메탄가스는 예전부터 하수처리장에서 소화조 가온, 플랜트 난방, 기계운전 등에 사용 폐수처리장에서 발생되는 메탄의 양은 도시가스로의 전환을 고려할 만큼 충분한 양은 아님 하지만 폐기물을 이용하여 메탄가스를 생산할 경우, 그 잠재력은 도시가스로의 전환을 고려할만큼 엄청남

5.1 생활폐기물의 메탄발효 이론적인 혐기성 반응식 (유기물의 완전한 산화를 가정) <예제> 식 (5.1)을 이용한 포도당(C6H12O6)의 혐기성 반응식은? 이론적인 COD 반응식 (유기물의 완전한 산화를 가정) <예제> 식 (a)을 이용한 포도당(C6H12O6)의 COD 반응식은?

5.1 생활폐기물의 메탄발효 참고사항 분자량에 g을 추가한 것을 1 mol 분자량에 kg을 추가한 것을 1 kmol 한편, 기체의 부피는 온도와 압력에 따라서 편차가 매우 크기 때문에 적절한 비교를 위해서는 일정한 기준이 필요 아보가드로 법칙에 따라서 모든 물질 1 mol은 표준상태 하에서 22.4 L의 부피를 가짐 아보가드로 법칙에 따라서 모든 물질 1 kmol은 표준상태 하에서 22.4 m3의 부피를 가짐 표준상태 (0℃,1기압) 하에서의 부피를 이용

표 화학반응식에서 이용되는 주요 원소의 화학특성 5.1 생활폐기물의 메탄발효 표 화학반응식에서 이용되는 주요 원소의 화학특성 원소 이름 기호 원자 번호 원자량 분자식 분자량 1 kmol의 질량 1 kmol의부피 수소 H 1 H2 2 2 kg 22.4 m3 탄소 C 6 12  - 12 kg 질소 N 7 14 N2 28 28 kg 산소 O 8 16 O2 32 32 kg <비고> 원자량은 상대적 질량이므로 단위가 없다. 분자량은 상대적 질량인 원자량을 이용하는 것으로 역시 단위가 없다. 단위가 없는 분자량에 kg을 추가한 것을 1 kmol이라 한다. 아보가드로 법칙에 따라서 모든 물질 1 kmol은 표준상태에서 22.4 m3의 부피를 가진다. 탄소는 배열이 규칙적으로 계속 나열되기 때문에 분자식으로 나타낼 수 없다.

5.1 생활폐기물의 메탄발효 기질(포도당)의 혐기성 반응식 (0℃,1기압) 기질(포도당)의 COD 반응식 (0℃,1기압) 기질(포도당) 1 kg COD당 발생하는 메탄의 양(m3) (0℃,1기압)

5.1 생활폐기물의 메탄발효 2 혐기성 분해 1 혐기성 분해의 기본특성 표 ☆ 탄소원과 에너지원에 따른 미생물의 일반적 분류  분류 탄소원 에너지원 대표적 종류  독립영양 미생물(autotrophs)      광합성 독립영양 미생물(photoautotrophs) CO2 빛 조류, 광합성 세균    화학합성 독립영양 미생물(chemoautotrophs) 무기 산화- 환원 반응 질산화 박테리아  종속영양 미생물(heterotrophs)    광합성 종속영양 미생물(photoheterotrophs) 유기탄소 (유기물) 일부 황세균    화학합성 종속영양 미생물(chemoheterotrophs) 유기 산화- 환원 반응 대부분의 세균, 원생동물, 곰팡이

5.1 생활폐기물의 메탄발효 화학합성 종속영양 미생물은 사용하는 전자수용체의 종류에 따라 세분 미생물 반응 전자수용체 최종산물 * 고도처리에서는 질산염이 전자수용체로 작용하는 경우를 무산소 조건으로 표현 표 5-1 미생물 반응과 전자수용체의 관계   미생물 반응 전자수용체 최종산물     호기성(aerobic) O2 H2O 혐기성(anaerobic) CO2 CH4   SO42- H2S           NO3- * N2

5.1 생활폐기물의 메탄발효 호기성 반응: 장점 단점 해당공정 미생물의 성장이 빨라 반응속도가 빠름 호기성 반응: 장점 단점 해당공정 미생물의 성장이 빨라 반응속도가 빠름 산소의 공급으로 인해 운전비용이 많이 소요 세포수율이 높아 슬러지 발생량이 혐기성보다 많음 고농도 폐수의 경우 산소전달 제한으로 인해 처리가 어려움 활성슬러지, 살수여상 등

5.1 생활폐기물의 메탄발효 혐기성 반응: 장점 단점 해당공정 산소의 공급이 필요 없어 운전비용이 저렴 혐기성 반응: 장점 단점 해당공정 산소의 공급이 필요 없어 운전비용이 저렴 세포수율이 낮아 슬러지 발생량이 호기성보다 적음 고농도 폐수의 경우도 처리가능 메탄가스를 회수하여 대체에너지로 이용가능 상대적으로 미생물의 성장이 더디기 때문에 반응속도가 느림 혐기성소화, 혐기성필터 등

5.1 생활폐기물의 메탄발효 cf. 호기성균과 혐기성균의 종류 절대호기성균(obligate aerobes) : O2가 있어야만 생육 가능, 즉 O2가 없으면 생육 불가능 미호기성균(microaerophiles) : O2를 요구하지만 대기압보다 낮은 산소분압(0.2기압 이하)에서 생육이 좋음 통성혐기성균(facultative anaerobes) : O2의 유무에 관계없이 생육가능 절대혐기성균(obligate anaerobes) : O2가 없어야만 생육 가능, 즉 O2가 있으면 생육 불가능

5.1 생활폐기물의 메탄발효 2 혐기성 분해과정 (약 1/3 이하) (약 2/3 이상) 그림 5-2 혐기성 분해 경로

5.1 생활폐기물의 메탄발효 가수분해 탄수화물, 지방, 단백질 등(복합유기물질) → 포도당, 지방산, 아미노산 등(단순유기물질) 복합유기물질은 가수분해균이 생성하는 체외효소에 의해 이루어짐 분해속도가 느리기 때문에 폐기물 처리의 경우, 이 과정이 율속단계로서 전체속도를 좌우

5.1 생활폐기물의 메탄발효 산생성 (산발효) 초산생성 (초산발효) 포도당, 지방산, 아미노산 등(단순유기물질) → 유기산(VFA; volatile fatty acid), 알코올 등 이 중 주된 산물은 유기산으로서 이것은 초산, 프로피온산, 뷰틸산 등의 다양한 유기산을 포함 유기산(VFA; volatile fatty acid), 알코올 등 → 초산, 수소 한편, 초산생성균과 수소소비 메탄생성균은 공생관계를 유지하는데, 수소소비 메탄생성균에 의해서 초산생성균이 선호하는 낮은 수소분압이 유지됨

5.1 생활폐기물의 메탄발효 메탄생성 (메탄발효) 초산, 수소 → 메탄 초산, 수소 → 메탄 메탄생성균은 산생성균보다 성장이 느리고 환경에 매우 민감하기 때문에 운전조건을 잘 맞추어주어야 함 폐기물이 아닌 폐수 처리 시에는 이 과정이 율속단계로 작용 보다 자세히 알아보면 메탄생성은 2가지의 경우로 나눌 수 있음 - 첫 번째 경우: 약 2/3 이상을 차지, 초산을 메탄으로 전환 - 두 번째 경우: 약 1/3 이하를 차지, 수소를 메탄으로 전환 대표적 메탄생성균에는 Methanosarcina, Methanosaeta 등

5.1 생활폐기물의 메탄발효  (a) Methanosarcina (b) Methanosaeta 그림 5-3 대표적 메탄생성균

그림 5-4 생물학적 반응속도에 대한 농도의 영향(Parkin & Owen, 1986) 5.1 생활폐기물의 메탄발효 3 혐기성 반응의 저해 저해물질의 영향은 기질 특성, 저해물질 농도, 순응 등에 따라 다름 증가하는 활성 감소하는 활성 독성 생물학적 반응의 속도 최적 농도 기질이 없을 때의 반응속도 교차 농도 농도 그림 5-4 생물학적 반응속도에 대한 농도의 영향(Parkin & Owen, 1986)

5.1 생활폐기물의 메탄발효 산소 암모니아 메탄생성균은 절대 혐기성이므로 미량의 산소 노출에도 악영향을 받음 그러나 메탄생성균이 어느 정도 산소를 견딜 수 있다는 보고도 있음 암모니아 농도 1,500-3,000 mg/L의 범위에서 저해발생 비이온성(unionized) 암모니아는 150 mg/L에서도 독성을 나타냄 특히 높은 pH에서는 비이온성 암모니아가 크게 증가하여 독성이 매우 커짐

5.1 생활폐기물의 메탄발효 유기산(VFA) 중금속 하수슬러지의 경우는 유기산의 농도가 600 mg/L 이하가 좋음 산도가 높을 경우에는 석회, 중탄산나트륨 등을 투입할 필요 슬러지에 함유되어 있는 Cu2+, Pb2+. Cd2+, Ni2+, Zn2+, Cr6+ 등의 중금 속들은 혐기성 소화조의 활동을 억제

5.1 생활폐기물의 메탄발효 4 발생가스의 특성 폐기물의 혐기성 소화조는 하폐수 처리에 사용되는 혐기성 소화조와 유사 폐기물의 혐기성 소화조는 하폐수 처리에 사용되는 혐기성 소화조와 유사 발생가스의 조성은 차이가 있음 대략 발생 가스의 60%가 메탄이며 4,700∼6,500 kJ/m3의 열량을 갖음 실제 처리시설에서 발생하는 가스량은 이론적인 가스량 보다 작음 발생 가스에 대한 온도의 영향 온도에 따라 혐기성 분해는 크게 중온소화와 고온소화로 구분

5.1 생활폐기물의 메탄발효 중온소화는 약 35℃에서 운전을 하는 것 보통의 경우, 혐기성 소화는 중온소화를 의미 고온소화는 약 55℃에서 운전하는 것 1990년대 초반에 개발된 TPAD(Temperature-Phased Anaerobic Digestion) 반응조 : 전단(고온 소화조) + 후단(중온 소화조) 보통의 경우, 혐기성 소화는 중온소화를 의미 안정적인 처리효율을 보이며 유출수의 수질도 양호 유기물 부하가 높은 경우, 병원균의 사멸이 필요한 경우에 이용 분해가 빠르고 다량의 가스를 생성 하지만, 연료비와 운영비가 많이 소요되며 고장의 발생이 잦음

5.1 생활폐기물의 메탄발효 3 혐기성 분해의 1차 반응식 및 물질수지식 생활폐기물의 혐기성 소화는 다음과 같이 VS의 분해가 1차 반응식을 갖는 형태로 나타낼 수 있음 분해속도는 잔류하는 유기물 양에 비례하는 것으로 가정 여기서, = 임의 시간의 생분해 물질의 농도, = 분해상수, ,   = 시간, 식 (5.7)을 적분하면 식 (5.8)과 같이 나타낼 수 있음 여기서, t가 0일 때의 유기 고형물 농도,

5.1 생활폐기물의 메탄발효 4 생활폐기물의 메탄발효 공정 (참조사항) 유기성 생활폐기물의 혐기성 소화는 이미 1936년 Barbit 등 에 의해 타당성 조사가 시작 하지만 1960년대 이후 부존 자원과 국토가 부족한 유럽을 중심으로 활발한 연구가 수행 초기 슬러지 혐기성 처리 공정의 개념을 그대로 적용 폐기물에 고형물 농도를 10% 이하로 조절한 후 CSTR에서 처리 스컴의 발생, 교반 및 희석수 공급의 어려움, 반응조가 지나치게 큰 점 등 운전 및 경제적인 문제점 발생 생활폐기물 혐기성 처리 기술의 상업화는 1980년대 이후 건발효, 침출상 공정 등의 새로운 개념을 이용한 공정들이 개발됨에 따라 비로소 시작

5.1 생활폐기물의 메탄발효 1 혼합소화 공정 혼합소화(co-digestion) 공정은 폐기물을 하수슬러지와 섞어 처리하 는 공정 주입기질의 TS는 약 7-10%로 조절 대표적인 공정: BIOMET 공정(스웨덴) 하수슬러지는 폐기물에 많은 양의 미생물과 수분을 공급 폐기물은 생분해도가 큰 유기물을 공급 서로간의 상승작용을 가져올 수 있는 특징 소화조에서는 약 20-25일 정도 체류 잔류물은 중금속 함유량에 따라 토지개량제나 매립지 복토재로 사용

그림 5-8 BIOMET 공정의 흐름도(Song, 1995) 5.1 생활폐기물의 메탄발효 생분해 가능 유기성폐기물 바이오가스의 이용 발생가스의 포집 탈수된 슬러지 전처리 소화조 슬러지 탈수 하수 슬러지 무기물 폐수 그림 5-8 BIOMET 공정의 흐름도(Song, 1995)

5.1 생활폐기물의 메탄발효 2 회분식 건발효 공정 회분식으로 폐기물을 주입하고 발생한 침출수의 재순환을 통해 혐기성 분해를 촉진 대표적 공정: BIOCEL 공정(네덜란드) 별도의 희석수 공급 장치가 존재하지 않음 자체에서 발생한 침출수를 재순환시켜 주기 때문에 적절한 발효조건을 유지시켜 주기가 어려움 따라서 반응초기에 유기산의 축적으로 pH가 낮아지고 이후 메탄 생성으로 인해 pH가 서서히 회복되는 현상이 발생 초기의 pH 저하 기간이 길수록 분해 효율이 낮아짐

그림 5-9 BIOCEL 공정의 개요도(Brummeler et al., 1991) 5.1 생활폐기물의 메탄발효 바이오가스 공기가 들어가지 않도록 물로 채워짐 수위 표시장치 샘플링 포트 온도센서 침출수 수집 다공판 단열층 그림 5-9 BIOCEL 공정의 개요도(Brummeler et al., 1991)

5.1 생활폐기물의 메탄발효 3 연속식 건발효 공정 TS 20-40%의 폐기물을 연속적으로 처리하는 방법 완전 혼합 혹은 plug flow 형태로 적용 대표적 공정: VALORGA(프랑스), DRANCO(벨기에) 높은 TS의 대상물질을 처리하기 때문에 별도로 수분을 공급할 필요가 없음 그로 인해 반응조의 크기를 작게 유지할 수 있는 장점 하지만 설비 및 유지관리비에 비해 VS 제거율과 메탄 수율이 낮고 체류시간이 길며 잔류물 처리가 어려운 단점

그림 5-10 VALORGA 공정의 흐름도(Song, 1995) 5.1 생활폐기물의 메탄발효 파쇄/선별 바이오가스 사용 교반 펌프 소화조 스크류 프레스 침전조 가스 저장 가스 압축 액체 탱크 분쇄기 최종처분 그림 5-10 VALORGA 공정의 흐름도(Song, 1995)

5.1 생활폐기물의 메탄발효 4 회분식 침출상 공정 대표적 공정: SEBAC(미국) BIOCEL과 유사한 형태의 3기의 반응조로 구성 하지만 침출수의 재순환 방법에 차이를 두어 효율적인 식종, 기질 공급, pH 조절을 동시에 유도하는 공정 유기물의 분해는 3단계(new, mature, old)로 이루어짐 초기 반응조는 후기 반응조의 침출수로 식종 초기 반응조의 산발효 산물은 후기 반응조에서 메탄으로 전환 중기 반응조는 회분식으로 운전

그림 5-11 SEBAC 공정의 개요도(O'Keefe et al., 1993) 5.1 생활폐기물의 메탄발효 1단계로부터 이송된 가수분해 산물과 유기산 가스 가스 가스 폐기물 다공판 3단계의 침출수 침출수의 수위 1단계 초기 2단계 중기 3단계 후기 그림 5-11 SEBAC 공정의 개요도(O'Keefe et al., 1993)

5.1 생활폐기물의 메탄발효 5 회분식 이상소화 침출상 공정 대표적 공정: MUSTAC(한국) SEBAC 공정에 상분리 개념(산발효 + 메탄발효)을 도입한 것 산발효조: 다수의 침출상 반응조 메탄발효조: UASB 반응조 페기물의 산발효 및 잔류물의 후처리를 담당 셀룰로오스의 분해가 뛰어난 루멘(rumen) 미생물 식종하여 미생물 제한요소를 극복 산발효의 진행에 따라 희석율을 조절함으로써 분해 단계에 따른 최적의 운전을 도모 산발효산물(유기산)을 처리하며 침출상 반응조에 희석수를 공급 UASB 반응조에는 입상슬러지를 식종하여 고농도의 미생물량을 확 보하여 안정적인 고효율의 처리를 도모

그림 5-12 MUSTAC 공정의 개요도(Han, 2001) 5.1 생활폐기물의 메탄발효 산발효조 메탄발효조 그림 5-12 MUSTAC 공정의 개요도(Han, 2001)

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 1 호기성 퇴비화의 원리 호기성 퇴비화 호기성 미생물에 의한 유기물 분해식 호기성 미생물에 의해 유기물이 분해되는 것 온도가 약 60~80℃에 이르기 때문에 병원균이 사멸 최종산물은 토지개량제나 비료로 사용 호기성 미생물에 의한 유기물 분해식

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 퇴비화의 장점 1 유기성 폐기물의 감량화 가능 2 초기 시설투자비가 낮음 3 다른 기술에 비해 고도의 기술수준이 요구되지 않음 4 병원성 미생물, 해충, 유충 및 잡초씨를 제거 5 영양물질(질소, 인, 칼륨)의 최대함량을 유지 6 토양개량제로서 사용할 수 있는 부산물을 생산

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 퇴비화의 단점 1 퇴비의 비료가치가 낮음 2 퇴비제품의 품질표준화가 어려움 3 부지가 많이 필요하고 부지선정이 어려움 4 부피감소가 크지 않음 (50% 이하) 5 악취발생

그림 5-13 호기성 퇴비화 공정의 온도변화(윤석표 등, 2009) 5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 기계적 뒤집기를 실행하는 퇴비단의 온도변화 공기공급장치의 사용에 따른 온도변화 생분해성 유기탄소의 감소에 따라 온도강하의 시작 미생물활동으로 발생한 열에 의한 온도의 빠른 상승 느리게 생분해되는 물질이 박테리아, 조류, 방선균에 의해 분해 그림 5-13 호기성 퇴비화 공정의 온도변화(윤석표 등, 2009)

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 호기성 퇴비화 공정의 온도변화 1 잠복단계 2 중온단계 3 고온단계 4 냉각단계 5 숙성단계 퇴비화 환경에 대해서 미생물이 적응하는 기간 2 중온단계 유기물의 분해가 시작되는 단계로 온도가 상승 (20~40℃) 3 고온단계 유기물의 고속분해가 이루어짐 4 냉각단계 중온으로 온도가 하강 5 숙성단계 온도가 대기온도로 하강

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 2 호기성 퇴비화의 운전인자 1 함수율 호기성 퇴비화의 최적 함수율은 약 60% 한편, 반응기 퇴비화의 경우에는 그 구조에 따라 최적 함수율이 달라짐 최적 함수율보다 작은 경우 : 반응속도가 감소 최적 함수율보다 큰 경우 : 혐기성 악취가 발생하며, 퇴비화 효율도 감소

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 2 C/N 비 최적 C/N비는 약 25 C/N비가 너무 높으면 (80 이상) 질소부족 현상 유기산의 과다생성으로 pH의 감소 암모니아 가스 발생으로 악취 발생 낮은 C/N비 : 슬러지 (소화전 활성슬러지 6.3, 소화 후 활성슬러지 15.7) 높은 C/N비 : 톱밥 (200-500), 신문지 (983) 퇴비화 시, 다른 폐기물을 적절히 혼합하여 최적 C/N비 값을 조절

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 3 공기 퇴비화 과정은 산소의 존재가 필수적 퇴비화 과정에서 공급되는 공기의 기능 과도한 공기의 공급은 과도한 수분감소 및 온도저하를 가져옴 공기주입률은 대개 50~200 L/m3ㆍmin 정도가 적합 공기가 유출입되는 공간부피는 퇴비부피의 30~36%가 적합한 것으로 제안 ① 호기성 미생물로 하여금 호기성 대사를 할 수 있게 함 ② 온도를 조절 ③ 수분, CO2, 기타 가스를 제거하는 역할 공간부피의 증가를 위해 팽화제(bulking agent ; 우드칲, 왕겨, 톱밥 등)를 첨가

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 4 pH 5 종료시점 pH값은 반응시간에 따라 변화 초기 pH는 대개 5와 7 사이 반응 후 약 3일이 경과하면, 온도는 고온상태에 도달하고 pH는 8~8.5로 상승하기 시작 반응이 끝나갈 때는 pH가 약간 감소하여 부숙퇴비의 경우 7~8의 값을 나타냄 5 종료시점 종료 시점은 온도의 감소 또는 색의 변화(암갈색)로 판단 보다 정확한 방법은 퇴비 내의 전분농도를 측정 보다 엄격한 종료 시점은 C/N 비가 약 12로 감소하는 시점을 파악

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 3 호기성 퇴비화의 종류 1 야적식(windrows) 퇴비화 폐기물을 좁고 긴 더미로 쌓은 후 규칙적으로 교반하면서 유기물을 분해 야적더미 높이 : 약 2 m 폭 : 약 4.5 m 주로 공기의 자연적 이동과 수동적 이동(대류, 확산 등)에 의해 산소 공급 뒤집기를 통하여 야적더미의 공극재생, 포획된 열, 수증기, 가스의 방출 이 이루어짐

그림 ☆ 야적식 퇴비화

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 2 통기식 정치 더미 퇴비화 격자형의 통기관 위에 폐기물을 올려놓고 송풍기를 이용하여 공기공급 활발한 퇴비화는 대략 3~5주 안에 끝나며 그 후 4주 이상 숙성 퇴비단의 높이는 약 2.0∼2.5m 체 분리한 퇴비를 새로운 퇴비단의 표층에 덮어주기도 함 하수슬러지의 퇴비화 시, 공극유지와 수분조절을 위해 팽화제(bulking agent)가 필요하며 주로 목재칩이 이용

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 그림 5-14 통기식 정치 더미 퇴비화(윤석표 외, 2009) 공기 스크린 선별된 또는 선별되지 않은 퇴비 공기 처리할 유기성 폐기물 스크린 선별된 퇴비 필터 퇴비단을 관통하는 공기파이프 응축수 배출 배기 송풍기 그림 5-14 통기식 정치 더미 퇴비화(윤석표 외, 2009)

5.2 생활폐기물의 호기성 퇴비화 3 기계식 반응조 퇴비화 퇴비화가 밀폐된 반응조 내에서 이루어지는 것 공기흐름, 온도 및 산소농도와 같은 환경조건을 조절함으로써 냄새와 처리시간을 최소화 최근에는 주로 이 방식의 퇴비화가 많이 이용 체류시간은 1~2주이지만, 4~12주의 추가숙성기간을 채택

5.3 생활폐기물의 수소발효 1 혐기성 기술의 새로운 경향 최근 '환경재앙론'의 부상 세계자연보호기금(WWF) 1999년 지구온난화로 인해 세계 주요도시들이 물에 잠기고 라틴아메리카는 심한 가뭄이 닥칠 것이라는 성명을 발표 유엔환경계획(UNEP) '지구환경조망2000' 보고서를 통하여 지구온난화 등의 환경문제가 긴급한 상황이라고 지적

5.3 생활폐기물의 수소발효 지구온난화 메탄가스 1972년 로마클럽의 보고서에서 공식적으로 언급 온실효과에 의해 지구의 대기온도가 상승하는 것을 말함 온실가스: CO2, CFC, CH4, N2O 등이 있음 대기온도의 상승은 호우, 혹서, 혹한과 같은 기상이변을 초래 1997년 교토회의: 온실가스 감축목표를 설정한 '교토의정서’ 채택 2014년 NASA: 남극빙하가 돌이킬 수 없는 속도로 녹고 있다며 200년 안에 뉴욕시가 물에 잠길 것이라고 예상 메탄가스 기존의 혐기성 기술을 통해 회수 그 자체가 주요한 온실가스 연소를 통해서 이산화탄소를 배출 이에 대한 대책이 시급히 요청되고 있는 상황

5.3 생활폐기물의 수소발효 생물학적 수소(바이오수소) 생산 (1/2) 위와 같은 배경 하에서 혐기성분야에서 새롭게 부각 수소는 연소 시 CO2를 배출시키지 않고 순수한 물만 발생 수소의 발열량(122 kJ/g)은 메탄보다 약 2.1배 그리고 휘발유보다 약 2.8배 높아 경제성이 매우 큼 수소생산방법에는 매우 다양한 방법이 있음 전기화학적, 열화학적, 광화학적, 광전기화학적 방법 등 그 중에서도 친환경적인 방법은 생물학적 수소생산

5.3 생활폐기물의 수소발효 생물학적 수소(바이오수소) 생산 (2/2) 생물학적 수소생산 직접 물분해 (direct biophotolysis of water) by 녹조류 (green algae) 간접 물분해 (indirect biophotolysis of water) by 시아노박테리아 (cyanobacteria) 광합성 수소발효 (photo H2 fermentation) by 자색비황세균 (purple non-sulfur bacteria) 혐기성 수소발효 (dark H2 fermentation) by 혐기성 발효균 (anaerobic fermentative bacteria)

5.3 생활폐기물의 수소발효 혐기성 수소발효의 장점 (광합성균을 이용한 방법과 비교 시) 반응속도가 매우 빠름 높은 수소생산 속도 및 미생물 성장속도 반응조가 작고 간단 태양광이 필요치 않음 유기성 폐자원을 처리함과 동시에 수소를 생산

5.3 생활폐기물의 수소발효 2 수소발효의 원리 기본개념: 혐기성 분해경로에서 메탄생성단계를 막는다면 메탄 대신 수소를 얻을 수 있다는 것 (약 1/3 이하) (약 2/3 이상)

5.3 생활폐기물의 수소발효 수소소비 메탄생성균의 저해를 통한 수소생성 열처리 다양하게 시도 아세틸렌 또는 2-BES와 같은 물질을 주입하는 방법 등이 사용 현재 가장 널리 이용되는 방법은 열처리(heat shock treatment) 열처리 미생물에 고열을 가해주면 대부분의 미생물은 사멸 수소생성 포자형성균은 고열에 대해서도 포자(spore)를 형성하여 살아 남을 수 있다는 원리에 근거 90℃ 이상에서 약 10분간 가열을 해주게 되며 이 후 포자는 적절한 조건에서 다시 활발한 성장

5.3 생활폐기물의 수소발효 cf. 포자(spore)와 포자형성균(spore-forming bacteria) 포자: 생존을 위해 형성하는 세균들의 씨앗을 의미 포자형성균 주변환경이 열악해지면 성장을 멈추고 포자를 형성하여 후일을 대비 세균의 포자는 번식보다 생존이 목적 세균의 포자는 일반 세포에 비해서 고온, 저온, 화학약품, 방사선, 수분 부족 등의 외부 스트레스에 높은 저항력 포자 상태로 혹독한 시기를 이겨낸 세균들은 다시 적절한 환경이 주어지면 발아하여 이전처럼 이분법으로 번식

5.3 생활폐기물의 수소발효 대표적 수소생성균 Clostridium sp. 포자형성 능력과 수소발생 능력을 모두 가지고 있음 절대 혐기성균 막대기(rod) 모양 종속영양미생물 많은 Clostridium sp. 중 약 22종이 유기산과 더불어 수소를 발생 Clostridium sp.는 탄수화물을 분해하는 미생물이기 때문에, 탄수화물을 많이 포함한 유기성폐수가 수소발효에 많이 이용 수소와 함께 뷰틸산을 생산하는 Clostridium butyricum이 가장 유명

5.3 생활폐기물의 수소발효 cf. 명명법 미생물의 명칭은 크게 일반명과 학명으로 나눌 수 있음 일반명(common name): 국가나 지역에 따라 다르게 불리어지는 것 학명(scientific name): 만국공통으로 불리어지는 것  예) 누룩곰팡이는 일반명, Aspergillus oryzae는 학명에 해당 학명의 표기는 국제세균명명규약집과 린네의 이명법을 따르는데 이명법은 두개의 이름을 연결하여(속명+종명) 사용하는 것(경우에 따라 종명 뒤에 명명자를 붙이기도 함)  단, 곰팡이, 효모, 버섯과 같은 진균류는 식물로 분류하기 때문에 국제식물명명규약집과 린네의 이명법에 따라서 명명

5.3 생활폐기물의 수소발효 cf. 학명에 의한 미생물 명칭 기록법 주요내용 ① 원칙적으로 라틴어를 사용 ② 이탤릭체(Aspergillus oryzae)로 표시하거나 또는 밑줄을 쳐서(Aspergillus oryzae) 나타냄 ③ 미생물 속명의 첫 글자는 대문자로, 종명의 첫 글자는 소문자로 나타냄(Aspergillus oryzae) ④ 실제로 미생물을 순수분리하여 동정한 결과 그 속은 결정되었으나 종이 결정되지 않은 경우, 속명 다음에 미생물 종(species)의 약자인 sp.를 붙여 Aspergillus sp.로 표기함(단, 단수는 sp., 복수는 spp.) ⑤ 혼동을 초래하지 않는다면, 속명의 첫 자만은 약자로 사용가능(A. oryzae). 즉, 동일한 속명이 이미 언급되어 있는 경우 그 다음에 이어지는 미생물의 속명은 약자로 첫 자만을 나타낼 수 있음

표 5-5 포도당의 혐기성 수소발효 시 반응 경로(Kim, 2007) 5.3 생활폐기물의 수소발효 2 수소발효의 원리 혐기성 수소 발효 과정 이론적으로 1 몰의 포도당에서 초산과 함께 최대 4 몰의 수소가 발생 그러나 충격부하, 과다한 수소발생으로 pH 및 산화환원전위가 변화 이때 프로피온산, 숙신산이 발생하면 오히려 2 몰의 수소를 소모 뷰틸산이 발생하면 2 몰의 수소만이 발생하게 되어 수율 감소 대사경로를 바꾸어 안정성을 향상 표 5-5 포도당의 혐기성 수소발효 시 반응 경로(Kim, 2007) Reaction H2 production Glucose + 2H2O → 2Acetate + 2CO2 + 4H2 Glucose → Butyrate +2CO2 +2H2 H2 consumption Glucose + 2H2 → 2Propionate + 2H2O Glucose+ 2CO2 + 2H2 → 2Succinate + 2H2O H2 + CO2 → Formate

5.3 생활폐기물의 수소발효 1 pH 2 온도 수소발효는 운전인자 중에서 pH의 영향을 가장 많이 받음 저온(15℃)보다는 중온(35℃)에서 더 높은 수소 생성률 중온(35℃)보다는 고온(55℃)에서 더 높은 수소 생성률

5.4 생활폐기물의 사료화 1 사료화의 원리 사료화 음식 폐기물 음식폐기물을 주원료로 하여 가축의 사료를 생산하는 것 사료화를 위해서는 사료관리법 기준에 적합한 시설을 갖추고 사료관리법 규정에 맞게 제조를 해야 함 음식 폐기물 장점: 단백질 함량이 비교적 높아 사료로서 이용가치가 있음 단점: 배출원에 따라 성분이 다름 함수율이 높아 쉽게 부패가 이루어짐(가열을 통한 사멸 필요)

5.4 생활폐기물의 사료화 2 사료화의 종류 1 습식 사료화 2 건식 사료화 수분을 조절하지 않은 상태로 가열 유해병원균을 멸균하여 사료를 만드는 방법 2 건식 사료화 음식폐기물을 약 350℃의 고속 열풍 및 스팀에 의해 건조시켜 사료화 수분함량이 10∼15%로 줄어 약 1/5 수준으로 부피 및 중량이 감량

5.4 생활폐기물의 사료화 2 사료화의 종류 3 발효 사료화 사료 생산시설 단미사료 제조업의 시설기준 살균과 수분조절을 위한 부형재 및 미생물을 일정비율로 혼합한 후 5시간 이상 발효하는 것 발효미생물이 생산하는 다양한 대사물질로 기호성이나 저장성이 향상 사료 생산시설 사료관리법에 의한 단미사료 제조업 등록을 하여야 함 단미사료 제조업의 시설기준 표 5-6 단미사료 제조업의 시설기준(사료관리법 시행규칙, 별표 3)