Enhanced Anaerobic Degradation of Food Waste by Employing Rumen Microorganisms

Rumen 미생물을 이용한 주방폐기물 혐기성소화의 효율증진 방안

Every year, over $3.37{\times}10^7$ ton of municipal solid waste is generated in Korea, of which about 28% is organic food waste from restaurant, dining halls and households etc. Methane conversion of the food waste by anaerobic digestion could be a viable approach for energy recovery as well as safe disposal of the waste. However, as food waste is composed of highmolecular complex polymers such as cellulose, lignin and protein, anaerobic digestion of food waste has not been efficient in terms of volumetric loading rate, solid retention time and extent of anaerobic degradation. In this research, the improved anaerobic degradation of food waste was attemped by applying rumen microorganisms to anaerobic digestion. Acidification efficiency of food waste by rumen microorganisms was compared with that of conventional acidogenesis. And optimum acidification conditions by rumen microorganisms were also determined. For the experiments, anaerobic batch reactors of 600 mL was fed with the processed (dried and milled) food waste obtained from a restaurant. Ultimate volatile fatty acid (VFA) yield produced by rumen microorganisms was about 8.4 meq VFA/g volatile solid (VS) that is 95% of the theoretical value. This yield was not much different from that of conventional acidogenesis, but hydrolysis rate was about twice faster. Cumulative VFA concentration increased from 66 meq/L to 480 meq/L, when the initial TS was increased from 1% to 15%. But VFA yield at 15% TS was half of that at 1% TS. This inhibition on the acidification might be caused by the rapid drop of pH and higher concentration of nonionized VFA. Optimal pH and temperature range for the acidification were about 6.0~7.5 and $35{\sim}45^{\circ}C$, respectively.

우리나라에서 년간 3,367만톤(1991년) 배출되는 생활쓰레기의 28% 이상이 주방폐기물로 통칭되는 음식찌꺼기, 채소류등으로 구성되는데 수분함량이 75~85%로 높고 발열량 낮아 혐기성 소화에 의한 처리법은 폐기물의 안정화 및 메탄가스 회수를 통한 효율적인 자원화가 가능하여 매우 실용적인 것으로 고려된다. 그러나, 주방폐기물은 셀룰로즈, 단백질등의 복잡한 고분자 고형물질들로 구성되어 있어 혐기성 소화시 가수분해반응이 율속단계로 인식되고 있으며, 이로 인한 유기물 부하율이 작고 반응조 용적이 커져 경제적이지 못한 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 셀룰로즈 등의 고분자물질의 가수분해 반응에 활성이 뛰어난 rumen 미생물을 이용하여 주방폐기물의 혐기성 소화의 효율을 증진시키기 위한 연구가 600 mL의 회분식반응조에서 수행되었다. 주방폐기물의 가수분해 및 산생성 반응에 대한 중온산생성균과 rumen 미생물의 산생성반응 효율을 비교하였으며, rumen 미생물을 이용한 산형성 반응에서 pH, 온도, 고형물 농도등 환경인자의 영향을 평가하였다. Rumen 미생물을 이용한 주방폐기물의 산형성 반응에서 최종휘발산수율은 이론치의 약 95%에 해당하는 8.4meq/g VS를 보여 중온산형성균을 이용하였을 때와 비슷하였으나, 산생성반응의 속도는 중온산형성균을 이용했을 때 보다 약 2배 이상 빨랐다. Rumen 미생물을 이용한 주방폐기물의 산생성 반응에 대한 기질 농도의 영향에서는 TS 15%일 때 급격한 pH저하 및 비이온화된 VFA 등의 저해작용으로 휘발산수율은 TS 1%인 반응조에서의 절반이하의 값을 보여 유출수의 연속적인 희석이 중요한 인자임을 알 수 있었다. Rumen 미생물을 이용한 산생성 반응의 최적 pH 및 온도 범위는 각각 6.0~7.5, $35{\sim}45^{\circ}C$였다. 이상과 같은 결과로부터 rumen 미생물을 주방폐기물의 혐기성소화 공정에 이용할 경우 혐기성 반응의 율속단계로 고려되는 가수분해 및 산형성 반응의 속도를 증가 시킬 수 있어 반응조 용적 감소 및 유기물 부하 증가 등의 소화 효율향상이 가능함을 알 수 있었다.