누룩 첨가에 의한

음식물 찌꺼기의 혐기성 처리

학   과  : 환경공학과

담당교수 : 장정국 교수님

제출일자 : 2002. 11. 18

작 성 자 : 97006083 이재형

20001883 김지영

목    차

Ⅰ. 서    론.................................................................................................................... 1

Ⅱ. 본    론.................................................................................................................... 2

1. 음식물찌꺼기

1-1. 음식물찌꺼기란 무엇인가............................................................................... 2

1-2. 음식물찌꺼기의 특징 및 특성........................................................................ 3

1-3. 음식물찌꺼기의 발생 및 발생량..................................................................... 3

1-4. 음식물찌꺼기의 처리 및 문제점..................................................................... 4

2. 문헌연구

누룩 첨가에 의한 음식물찌꺼기의 혐기성 처리

2-1. 혐기성처리란?................................................................................................ 5

2-2. 혐기성 발효용 회분식 장치............................................................................ 5

2-3. 실험방법......................................................................................................... 6

2-4. 실험분석......................................................................................................... 6

2-5. 실험결과 및 고찰........................................................................................... 7

3. 음식물찌꺼기의 혐기성처리시 문제점

3-1. 이물질 제거 문제........................................................................................... 8

3-2. 염분 문제....................................................................................................... 9

3-3. 악취 문제....................................................................................................... 9

Ⅲ. 결    론.................................................................................................................... 10

Ⅳ. 참고문헌

Ⅰ. 서론

우리 나라에서 발생되는 음식물찌꺼기의 양은 일일 11,798톤(1998)으로 이는 도시고형폐기물(MSW)발생량의 약 26.5%를 차지하고 있으며, 조리되는 총 음식물의 15%가 재활용되지 못하고 쓰레기 손실되고 있다. 그리고 우리나라 전국에서 하루 1만 2,912톤(금액으로 210억 상당) 1년에 417톤(8조원)의 음식물찌꺼기가 버려지고 있는데 이는 고속전철 4대를 만들 수 있는 엄청난 비용이다.

다시말하면 1가구(4인가족기준)가 년 72만원 어치의 음식물찌꺼기를 버리고 있는 셈이고, □96년 우리나라가 약 81억달러(11조 3천억원)의 식량을 수입하고 있는 상황으로 미루어 볼 때 81억달러 어치의 식량을 수입하여 57억달러 어치를 쓰레기로 버린 격이다. 또한 1995년부터 쓰레기 종량제가 실시되고 2005년부터 음식물찌꺼기의 매립이 금지됨에따라 음식물 찌꺼기 처리에 대한 문제가 크게 대두되고 있다.

음식물찌꺼기 처리는 대부분이 매립과 소각방법에 의존하고 있지만 사실상 매립 후 악취, 침출수 발생 및 매립공간 부족 등의 여러 가지 환경문제를 유발하고 있다.

소각을 할 경우 발열량 감소 및 소각의 비효율성 등의 문제점이 있으므로 재활용을 위한 새로운 보완대책이 필요하다.

음식물찌꺼기는 타 생물의 영양원이나 대체에너지원으로 이용될수 있는 잠재력을 가지고 있는 바, 적절한 기술을 이용한 음식물찌꺼기의 자원화는 천연자원의 소비를 감소시켜 환경보전에도 큰 기여를 할 수 있다.

자원화 기술에는 호기성퇴비화, 사료화, 열분해, 혐기성소화 등과 다양한 방법들이 있으나, 대부분이 처리하는 과정에서 많은 악취가 발생하고 자체의 수분 때문에 처리가 용이하지 않은 실정이다.  이 중 퇴비화와 사료화 기술은 처리비용 절감 및 제조후에도 유기질 비료 및 사료로서의 상품가치가 부여된다.

그리고 부피감량이 뛰어나고 대체에너지를 회수할 수 있는 혐기성소화가 최근 많은 주목을 받고 있으며 하수병합처리의 응용도 이루어지고 있다.

하수병합처리 : 음식물을 선별 · 분리 후 처리하는 방법

하지만 이러한 방법이 효과적으로 활용되기 위해서는 음식물 찌꺼기에 함유된 수분량이 약 60%이하로 조절되어저야 하고 음식물찌꺼기를 퇴비화 할 경우 퇴비에 함유된 염분이 토양과 작물에 악영향을 미칠 수 있어 퇴비화를 거친 퇴비중에 존재하는 염분 함유량을 감소시켜야만 퇴비로 사용할 수 있는 문제가 있다.

따라서 음식물 찌꺼기는 비교적 염분에 영향을 많이 받지 않는 사료로써 활용할 수 있다면 자원 재활용 및 환경기술 발전의 측면에서 볼 때 바람직한 방법이라고 생각된다.

따라서 본 연구에서는 음식물 찌꺼기에 종균제로 누룩을 첨가하여 발효시간에 따른 함수율 변화, 부피 감소율, 휘발성 유기물 함량변화, 염분농도 변화 및 발효 생성물의 화학적 특성을 검토하고 고찰한 내용을 기술하였다.

종균제 : 부하변동에 따른 처리기능의 저하를 방지하고 BOD, COD, SS등의 제거율을 향상시킴

Ⅱ. 본론

1-1. 음식물찌꺼기란......

농/축/수산물 유통과정 중에서 발생 버려지는 찌꺼기.

가정, 음식점, 등에서 조리과정 중 식품을 다듬고 버리는 식품찌꺼기

먹고 남긴 음식물찌꺼기, 보관했다가 그냥 버려지는 식품폐기물을 말한다.

Table 1. 쓰레기 발생량                                               (단위 : 톤/일)

구분	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	2000	2001
생활 쓰레기 발생량	83,962	92,246	75,096	62,940	58,118	47,774	49,925	49,900	51,700
음식물 찌꺼기 발생량 (점유율%)	23,003 (27.4%)	26,311 (28.5%)	21,807 (29.0%)	19,794 (31.4%)	18,055 (31.1%)	15,075 (31.6%)	14,532 (29.1%)	13,070 (26.2%)	13,578 (26.3%)

1-2. 음식물찌꺼기의 특징 및 특성

· 수분

음식물찌꺼기의 특징 중 가장 두드러진 특징을 든다면 수분이 많다는 점이다.

대략 75~85%정도가 평균치이며, 기계적으로 물을 분리하는 데도 한계가 있는 것으로      알려져 있다. 따라서 보관이 어렵고 물이 많기 때문에 이용할 수 있는 성분이 상대적으      로 적고 또 퇴비화 사료화할 경우 감소되는 수분으로 인해 생산수율을 낮추는 주요한       요인이 되기도 한다.

· 이물질

다세대에서 수거하는 경우 불가피하게 발생되는 이물질로서 비닐, 병마개, 수세미, 고무      장갑, 일반쓰레기 등이 함께 섞여 있는데, 비록 그 비율은 작다 하더라도 재활용 처리      되는 데는 장애요인이 될 뿐만아니라 이들을 분리해 내기 위해 최소한의 수작업, 기계      적분리, 등을 거쳐야 하는데 드는 비용이 발생되고, 재활용 퇴비나 사료의 품질            저하의 요인이 된다.

· 부패

음식물찌꺼기가 갖고 있는 주요한 특징 중의 하나는 부패되어 있을 경우가 대부분이라      는 것이다. 상한 음식물이 섞여 들어올 개연성이 있으므로 신속 처리하여야 하고 때로      는 열처리 등을 거쳐 살균작업을 거쳐야 하는 경우도 많다.

특히 여름철에는 부패속도가 높으므로 이에 대한 대책이 있어야 하지만 겨울철에는 온      도의 영향으로 부패의 정도는 다소 차이가 있을 수 있다.

Table 2.  음식물찌꺼기의 특성(Shin et al.1999)

특 성	범 위	특 성	범 위
총밀도(□/□) 수분함량(%) 유기물함량(%) pH 전기전도도(□/□) TOC(%) TKN(%) C/N 수용성TOC(%) 수용성TKN(%) 수용성C/N	755.0-970.0 75.6-84.2 79.7-89.6 4.0-6.8 1.4-6.4 43.2-53.4 2.0-3.1 13.6-26.7 1.0-1.4 0.05-0.1 9.9-28.0	P2O5(%) K(%) Ca(%) Mg(%) Na(%) 생분해도 곡류(%) 야채류(%) 어류(%) 육류(%)	0.5-1.0 1.6-5.0 1.3-3.1 0.3-1.4 0.3-1.6 79.6 63.6 70.3 65.7

1-3. 음식물찌꺼기의 발생 및 발생량

음식물찌꺼기의 발생량은 table3에서 보는 바와 같이 종량제가 실시된 1995년을 기점으     로 많이 감소하고 있고 MSW의 약 26.5%(1998)를 차지하고 있다. 음식물찌꺼기의 주요     발생원은 식품접객업소(42%)와 가정(42%), 대형유통업소(13%), 집단급식소(4%)의 순이     며 (Table4), 음식물찌꺼기의 발생은 지역 및 계절, 생활수준, 규모, 종류에 따라 상이한     양상을 나타낸다. 한편 음식물 조성에 따른 발생량은 야채류, 어류, 곡류, 과일류가 각각     53, 19, 15, 14의% 비율로 야채류의 비율이 절반이상을 차지하였다.(Table5)

Table 3. 음식물찌꺼기의 발생현황(환경부,2000)

발생	1994	1995	1996	1997	1998
1998MSW(톤/일)	58,118	47,774	49,925	47,895	44,583
음식물찌꺼기(톤/일)	18,055	15,075	14,532	13,063	11,798
음식물찌꺼기(%)	31.1	31.6	29.1	27.3	26.5

Table 4.  발생원에 따른 음식물찌꺼기 발생량

발 생 원	발생량 (톤/일)	비율(%)
식품접객업소	6,331	42
가정	6,181	41
대형유통업소	1,960	13
집단급식소	603	4
합계	15,075	100

조성	발생량(톤/일)	비율(%)
야채류	8,005	53
어류	2,804	19
곡류	2,216	15
과일류	2,050	14
합계	15,075	100

Table 5. 조성에 따른 음식물찌꺼기 발생량

1-4. 음식물찌꺼기의 처리

1995년 발생되는 음식물찌꺼기의 95.4%가 매립이 되고, 단지 2.1%만이 재활용되었으      나, 집중적인 음식물찌꺼기 관리 정책으로 인해 Table 6에서 보는바와 같이 재활용 비     율이 계속적으로 증가하여 1998년에는 21.8%의 재활용율을 나타내었다. 이 같은 재활     용 비율의 상승은 지속적인 공공 및 민간 시설의 확충에 의한 것으로 Table 7에서 보는     바와 같이 1999년 현재 총 시설규모 4,228톤/일의 231개 공공 및 민간 재활용 시설이     운전 중에 있으며, 또한 음식물찌꺼기 감량 의무 사업장도 53,062개소(1998)에 이르고     있다.

연 도	1995	196	1997	1998
음식물찌꺼기(톤/일)	15,075	14,532	13,063	11,798
매립(%)	95.4	92.8	84.0	70.4
소각(%)	2.5	3.9	6.2	7.8
재활용(%)	2.1	3.3	9.8	21.8

Table 6. 음식물찌꺼기의 처리현황 (환경부, 2000)

Table 7. 음식물찌꺼기의 재활용(1999) (환경부,2000)

		개소	재활용량 (톤/일)
공공	퇴비화	37	682
	사료화	36	541
민간	퇴비화	37	950
	사료화	121	2,055
총		231	4,228

음식물찌꺼기를 재활용하기 위해서는 생활쓰레기와 음식물찌꺼기의 적절한 분리수거방안과 합리적이고도 지속적이며 안정적인 수거체계 및 수송체계에 대한 대책이 필요하다.

현재 우리나라는 환경부가 99년 11월에 고시한 음식물찌꺼기 수집· 운반 및 재활용촉진을 위한 조례준칙 개정(안) 의 제1조(목적)전문에서는 □이 조례는 생활페기물중 음식물찌꺼기의 수거체계 및 재활용촉진을 위하여 필요한 세부사항을 규정함을 목적으로 한다.□라고 규정하고 4조~8조까지 수거체계를 구체화하고 있다.

2. 문헌 연구

누룩 첨가에 의한 음식물 찌꺼기의 혐기성 처리(최성우 외 3명,1998년)

2-1. 혐기성 처리(anerobic mineralization)

혐기성균이 오니 중의 유기물을 섭취하여 환원 분해라고도 하고, 균에 의해서 무용한       무기화합물을 방출하는 것을 말한다. 이 분해과정에는 산성발효기, 산성 감량기, 알칼리      성 발효기의 3단계가 있다. 처음의 과정에서는 혐기성의 작용에 의해 주로 탄화수소가      분해되고, 다음 과정에서는 유기산이나 질소화합물등이 분해되며, 최종단계에서는 남아      있는 유기물의 거의가 분해되어 탄산가스나 메탄가스가 발생하고 오니는 안정된다.

이상의 과정은 신선한 오니만의 분해이지만, 실제로는 우량종에 의해서 산성 감퇴기를      거치지 않고 급속적인 소화를 행하여 분해시간을 단축시키고 있다.

cf) 호기성 처리(aerobic mineralization)

호기성균이 오수중의 용존산소를 소비하고, 오염원으로 있는 유기물을 섭취하여 산화 분     해시켜 생존에 필요한 영양원으로 하고 균에 의해서 무용한 탄산가스, 암모니아 및 물      등의 무기화합물을 방출하는 것으로서, 더욱이 암모니아는 산소와 결합하여 아질산이나     질산으로 된다. 호기성소화라고도 한다. 활성오니법, 살수여상 안정지 등의 하수처리에      이용된다.

2-2. 장치

Fig.1에서는 혐기성 발효용 회분식 장치를 소개하였다. 1.2m□0.5m의 항온조에 300      □ 용량의 유리병을 8개사용하였으며 30□ 유리 주사기를 연결하여 발생 가스를 측정      하였고 항온조 온도는 38□로 유지하기 위하여 온도 조절기를 부착하였다. 그리고          빛에 의한 광합성 반응을 피하기 위하여 반응조 외부를 검은 천으로 덮어 빛을             차단하였다.

회분식 장치 : 간헐적처리법. 비연속적인 방법으로서 하수처리에 있어서 2개의 통을 번갈아 사용하여 여과, 소	화의 작용을 하게하는 경우등에 이용

Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2-3. 실험방법

Fig.1에서 보는 바와 같이 회분식 실험을 하였다. 음식물찌꺼기와 누룩은 중량비로         10:1이 되도록 조절하였고 회분식 반응기로 300□ 유리병에 음식물찌꺼기와 누룩을 혼      합한 음식물 찌꺼기를 각각 채워 넣은 다음 혐기성 상태를 유지하기 위하여 질소가스를      주입하여 산소를 제거한 후 고무마개로 완전 밀봉하였으며 반응조 내부온도는 발효가       잘 일어나기 위해 38□를 유지하였다.

2-4. 실험분석

12~24시간을 주기로 함수량, TS, VS, pH, 부피 감소율 및 IR 등의 항목을 분석하였고

시료를 38□에서 발효시킨 다음 표준체 No8(sieve, dongkyoung co.Korea)를 이용하      여 자연상태에서 5분간 중력 탈수 후 항목별로 분석하였다. 분석방법은 환경오염 공정      시험법과 미국 Standard Method에 준하였다.

2-5. 실험결과 및 고찰

1) 발효시간에 따른 함수율 변화

Fig.2를 보면 누룩내의 효모와 미생물의 분해작용으로 약 48시간 정도 혐기성 발효시       키면 자체 수분이 쉽게 탈수되어 퇴비화시 미생물의 적정 수분 요구량인 60%이하로       유지됨을 알 수 있었다. 반면 누룩을 첨가하지 않은 것을 시료로 하여 혐기성발효시킨       경우에는 부패세균의 활동이 왕성해져 수분함량이 감소하긴 하였으나 이는 탈수라기        보다는 부패라고 볼수 있다.

2) 부피 감소율 변화

Fig3. 에서 보면 발효반응에 의하여 누룩을 첨가한 시료가 누룩을 첨가하지 않은 시료       보다 쉽게 알콜 발효가 진행되어 시료 구성성분에 함유된 내부수분이 탈수되어 수분        함량이 감소된 것으로 본다.

3). 휘발성 유기물 함량 변화

그리고 누룩을 첨가하였을 경우 미생물에 의한 분해작용으로 각종 유기물이 쉽게 분해       된다.

4). pH 변화

pH의 예로서도 누룩의 효과를  쉽게 확인할 수 있다. Fig.5를 보면 누룩 발효에 의해       유기산의 축적이 이루어졌으며 발효성 생균수가 크게 증가되어 부패균의 번식을 억제       하는 것으로 보아진다.

5). 염분 농도 변화

Fig.6을 보면 누룩 발효시 탈수된 수분에 의해 염분이 용해되어 제거된 것으로 보아진       다.

3. 음식물찌꺼기의 혐기성처리시 문제점

3-1. 이물질 제거 문제

음식물찌꺼기에는 비닐, 나무조각, 뼈, 금속, 플라스틱, 돌, 패류의 껍질 등 다양한 이물      질이 함유되어 있으며 이들의 특성상 한가지 단일 공정으로 분리해내기가 어렵고 복합      적인 분별장치의 사용이 불가피하다. 일반적인 폐기물의 분리에 사용되는 방법은 크게      건식분별 방법과 습식분별 방법으로 나눌 수 있다.

이 중 건식분별 방법에는 풍력분별, 자력분별, 체분별, 와전류분별, 광학분별, 관성력에      의한 분별 등의 다야한 방법이 있으나 음식물찌꺼기로부터 발생하는 악취, 높은 수분함      량, 점성으로 인한 유기물의 동반 분별, 스크린의 막힘 등 여러 가지 난점을 갖고 있다.      습식분별 방법에는 중력에 의한 방법이 있으며 음식물찌꺼기를 파쇄 후 수분을 가하여      액상슬러리로 전화한 후 Stoner등에서 중력차를 이용하여 비닐, 돌, 유리, 금속, 패류       등을 분리하는 기술로서 액상이므로 공정상의 물질흐름이 원활하고 분리효율이 비교적      높으나 폐수 처리, 탈수 등의 문제를 갖고 있다.

3-2. 염분 문제

음식물찌꺼기는 평균 3%내외의 염분함량을 갖고 있고 또한 계절적으로 함량의 변동이      심하여 퇴비를 토양에 주입할 경우 염분이 축적이 우려된다. 염분을 제거하는 방법에는      희석과 세척, 동전기(electrokinetics)기술을 이용하는 방법이 있다. 희석법은 퇴비의 경      우 석회와 함께 시비하거나 시비량을 조절하는 방법, 하수슬러지등 다른 유기물과 혼합      퇴비화하는 방법 등이 적용 가능하다. 세척법은 물로 세척하여 음식물찌꺼기 표면에 약      한 이온결합의 형태로 존재하는 염분을 제거하는 방법이다. 그러나 많은 양의 폐수가       발생하고 염분이외의 용해성 영양분이 손실되며 음식물찌꺼기 내부의 존재하는 염분의      제거가 어려운점 등이 문제로 작용한다.  동전기를 이요한 염분 제거기를 사용하여 음      식물찌꺼기내에 있는 염분을 추출해 내는 것이다. 전극에 직류 전기가 가해지면 양극에      모인 염소이온은 염소가스로 전화되어 제거되거나 HOCl-, OCl-의 형태로 배출되며, 또      한 음극에 모인 나트륨이온은 유출수에 섞여 배출되는 원리로부터 염분을 제거한다. 하      지만 실용화를 위해서는 보다 많은 연구가 필요하다.

3-3. 악취문제

음식물찌꺼기의 처리 과정에서 발생되는 악취 물질은 크게 황화합물, 질소화합물, 지방      산, terpenes, carbonlys 등으로 대별된다. 이들 냄새 물질은 일부분 음식물찌꺼기 자      체가 갖고 있는 물질일 수도 있으나 대부분은 분해되면서 생성되는 부산물인 경우가 많      다. 악취 가스 처리 기술은 냉각 응축, 고온산화(열소각), 촉매산화(촉매소각), 흡착, 막      분리기술 등의 물리화학적 방법과 bioscrubber, biofileter 등의 생물학적 방법이 있으      며, 다시 bioscrubber는 biowasher, biological trickling filter, 그리고 airlift reactor      로 분류할 수 있다.

생물학적 처리방법은 경제적이고 높은 제거효율을 가지고 있어 최근에 매우 다양한 연      구들이 진행되고 있으며, 악취 물질의 농도가 작은 반면 가스 유량이 큰 퇴비화 및 사      료화 공정이의 악취 처리에 적합하다고 하겠다.

Ⅲ. 결론

음식물 찌꺼기에 함유된 수분 함량을 감소시키고 건조를 용이하게 하기 위해 누룩을 첨가한 후 혐기성 발효 실험에서 얻은 결과를 종합하면 음식물 찌꺼기에 누룩을 첨가하여 48시간 정도 혐기성 발효시켰을 경우 초기 함수율이 80~85%이던 것이 탈수되어 60%이하로 감소되었고 전체 음식물 찌꺼기 부피도 약 30%정도 감소되었으며, 유기물의 분해가 10%정도 일어났고 pH 변화도 48시간 후에 4.1정도로 안정화되었다.

초기 염분농도는 2.3%에서 누룩을 첨가하여 혐기성 발효하였을 경우 약 1.7%로 감소하므로 퇴비로 이용하는 것보다 사료화하는 것이 바람직할 것으로 생각된다.

환경부는 음식물찌꺼기의 감소뿐 아니라 자원화를 위한 정책목표를 설정하였는데 이를 위한 기본계획의 주요내용은 음식물쓰레기의 자원화를 위한 국가적인 분리수거 및 운반 시스템의 확립, 자원화를 촉진하기 위한 공공 및 개인투자의 확대와 재활용 시설의 확충, 최신기술의 응용을 통한 자원화의 확립 및 부산물의 소비 증진, 그리고 이러한 목표를 이루기 위한 자금확대, 법규조정, 기술개발 등의 증진 및 관리 시스템의 확립이 포함되어 있다.(Shin at all.2000)

따라서 혐기성처리기술에 대한 관심과 지속적으로 증가한다면 혐기성처리의 하부구조는 충분히 발전될수 있는 잠재력이 있는 것으로 평가되며 이로 인해 음식물찌꺼기의 많은 부분이 자원화 되어 매립지 부족난을 완화시켜 줄 것이다. 또한 메탄가스와 퇴비의 이용은 자원절약 측면에서도 이바지할 수 있다.

환경부의 분석에 의하면 음식물찌꺼기를 자원화 하는 경우, 파생되는 경제적 가치는 연간 5천억이 넘는 엄청난 액수가 된다. 그러므로 식생활 문화의 개선을 통해 음식물찌꺼기의 발생량을 감소시키는 것이 최우선이지만, 일단 발생된 음식물찌꺼기는 가능한 모두 자원화하는 것을 원칙으로 하여 환경부하를 줄일 뿐 아니라 자원절약에도 기여를 하는 것이 바람직하다. 여기에는 음식물찌꺼기의 수거 및 운반을 쳬계화하는 것도 중요하고 자원화기술을 하루빨리 실용화하는것도 중요하겠다.

하지만, 무엇보다 중요한 것은 다양한 노력과 시도들을 조직화하는 것으로 민, 관, 산, 학 각 부문의 유기적인 협조체제를 더욱 더 공고히 하는 것이 필요하다고 사료된다. 또한 분리수거가 및 운반, 이물질 제거, 염분 제거, 악취처리 등 해결해야 할 많은 과제들에 심도있는 연구가 기대된다.

Ⅳ. 참고문헌

1. 황한석 외 6명 『음식물쓰레기 처리방향에 대한 연구(1999)』

2. 이기영, 양재경  『음식물 쓰레기의 혐기적 발효 사료화』 한국유기성폐자원학회 가을학     술지(pp.51~60) (1997)

3. 신항식, 한선기 『음식물쓰레기의 혐기성소화처리』 한국과학기술연구원 토목공학과

4. 농업과학진흥원 도시형 음식물쓰레기 염도 연구 자료

5. 이은경외 1인 『첨가제를 달리한 음식쓰레기의 퇴비화에 관한 연구』 대한환경공학회       Vol. 16. No.8 pp.953~962 (1994)

6. Song, Young-Chae, 『High-Rate Methane Fermentation of the Organic Solid          Waste』Ph. D. thesis (1995)