중온 혐기성 소화를 이용한 음식물 폐기물 침출수 처리에 관한 연구 = (A) study on the leachate treatment of food waste by using the mesophilic anaerobic digestion

국문 초록 (Abstract)

음식물 폐기물에서 발생하는 폐수의 직매립이 2005년부터 금지되어 대부분을 해양투기하고 있다. 음식물 폐기물은 과거 직매립을 통하여 처리되었으나, 현재 자원화 처리 시설을 거쳐 퇴비화, 사료화, 메탄화, 하수병합처리 등의 방법으로 처리되고 있다. 음식물 폐기물 자원화 및 처리 시설에서 발생되는 폐수(이하 “음식물 폐기물 침출수” 라 함)는 높은 염분, 고농도의 유기물, 낮은 pH 등으로 2005년 1월 1일부터 음식물류 폐기물 매립금지 이후 급격히 늘고 있는 해양배출 및 하수연계 처리 시 환경적인 부담을 안고 있다.
음식물 폐기물 침출수의 상당량이 해양배출의 방법으로 처리되고 있으나 , 해양 배출을 억제하는 국제적 동향(런던협약 및 1996 의정서), 어민들의 반발 등으로 인해 해양배출 규제가 계속적으로 강화되는 추세이며, 또한 2013년부터 음식물 폐기물 침출수의 해양배출이 전면 금지됨에 따라 전량 육상처리를 위한 대책이 시급한 실정이다.
특히, 음식물 폐기물 침출수 SS는 함량이 5%이하로 함유되어 있을 경우 해양 투기가 가능하며 실제는 그 조건을 만족 시킬 수 있는 방법이 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 중온 혐기성 소화 시 음식물 폐기물 침출수에 포함되어있는 난분해성 유기물질의 메탄발효를 통하여 하수처리장과의 연계처리를 가능하게 함과 동시에 해양투기에 필요한 조건을 만족 시킬 수 있는 형태의 연구를 진행하였다.

1) 반응조 운전기간의 경과에 따라 pH 는 안정화기에서 6.9∼7.5로 유지되었으며, Alkalinity의 경우 농도 변화가 5,660～8,860mg/L 정도를 나타내었으며, 운전 18일 째 최고치 8,860mg/L로 나타내었다.

2) 반응조의 운전에 있어서 BOD는 전체 평균이 약 33,484 mg/L 이였고 CODcr는 약 34,483 mg/L 을 나타내어, BOD 와 COD 농도는 실험이 진행되는 동안 점차 낮아지는 경향을 보였다.

3) 반응조의 부유물질(SS)의 시간에 따른 분석 결과는 최종 67.5%의 고형물 감량을 알 수 있었다. 이는 통상적으로 음식물 폐기물 침출수 내에 존재하는 셀룰로오스 및 리그닌 등의 성분이 미생물에 의한 생분해도가 현저히 낮은 이유 때문으로 해석된다.

4) 휘발성 유기산(VFA)의 시간에 따른 농도변화의 경향은 운전 초기 4일까지 증가하였으나, 이후 17일까지 감소하고 17일 이후 3,589～4,890mg/L에서 감소하는 경향을 나타내었다.

5) 혐기성 소화에 있어서 암모니아성 질소가 전체 공정 효율의 저해를 가할 수 있는 농도는 약 4,000∼5,000㎎/ℓ로 알려지고 있으며, 본 연구에서 분석된 반웅조 내의 질소의 농도는 3450∼5762㎎/ℓ로 조사되었다. 반응조의 T-P의 평균은 362 ㎎/ℓ이며, 298∼660㎎/ℓ의 범위로 조사 되었다. 또한 최종처리수의 T-P제거율은 약 48.0%로 조사 되었다. 결론적으로 혐기성 공정에 의한 인의 제거는 그 효율적인 면에서 큰 기대를 가질 수 없다.

6) 반응조 내의 염분(NaCl)의 변화량을 나타내었다. 반응조 운전이 안정화된 이후 Cl- 농도는 평균 2,800㎎/ℓ이며 메탄발효 미생물에 저해를 미치지 않을 것으로 판단된다.
7) CH4 농도 변화를 보면 3일 까지는 농도 증가가 미약했으며, 3일째부터 큰 폭으로 증가하여 12일을 정점으로 다시 아주 완만히 감소하였다. 이는 혐기성 소화시 유기물의 소모량이 줄어듬에 따라서 CH4의 농도가 지속적인 증가가 이루어지지 못한 것으로 생각된다.

부유물질(SS)의 시간에 따른 분석 결과 운전 16일 정도의 실험 경과 후 SS가 5% 이하로 되어 해양투기 가능하며, 하수 처리장에서의 연계처리를 위해서는 관로 설치공사비용과 용량증가에 따른 증설비용 등의 경제적 측면과 부하량 증가, 대체 탄소원 효과 등의 환경적 측면 마지막으로 공정추가, 방류수질 기준 이하로 처리 등의 기술적 측면이 검토되어야 할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 2
• 3. 연구 범위 2
• Ⅱ. 문 헌 연 구 4
• 1. 음식물 쓰레기 발생 및 처리 현황 4
• 2. 혐기성 소화 공정 5
• 2.1 생물학적 혐기성 처리 이론 6
• 2.1.1 가수분해단계 8
• 2.1.2 유기산 생성 단계 9
• 2.1.3 아세트산 생성 단계 9
• 2.1.4 메탄 생성 단계 10
• 2.2 혐기성 소화 공정의 생화학적 경로 14
• 2.3 혐기성 소화의 중요 인자 15
• 2.3.1 온 도 15
• 2.3.2 OLR( Organic Loading Rate) 15
• 2.3.3 pH 15
• 2.3.4 영양물질 16
• 2.3.5 독성물질 16
• Ⅲ. 실험장치 및 방법 18
• 1. 실험장치 18
• 2. 분석계획 20
• 3. 실험 및 분석 방법 22
• 3.1 운전 방법 22
• 3.2 분석 방법 22
• Ⅳ. 실험결과 및 고찰 24
• 1. pH 및 Alkalinity 분석 결과 24
• 2. 염분(NaCl)의 변화 27
• 3. SS의 시간에 따른 경향 29
• 4. 유기물 부하(BOD5, CODcr)의 경향 30
• 5. 휘발성 유기산(VFA)의 경향 32
• 6. 킬달질소(Kj-N)와 총인(T-P)의 변화 34
• 7. 혐기성 가스 발생량 및 조성 37
• Ⅴ. 결론 40
• 참고문헌 42
• Abstract 46