A study to develop anaerobic digestion alternatives for the resources recovery from organic solid wastes was performed. In order to evaluate applicability of anaerobic digestion for organic solid wastes, the effects of waste composition and particle size on the characteristics of anaerobic degradation were evaluated by methane conversion efficiency and kinetics using an anaerobic batch biodegradability test. The anaerobic degradation kinetics of organic wastes can be explained by the first order reaction model. The ultimate methane production for food wastes tested was over 0.32 L $CH_4$/g VS, higher than those of paper wastes, and they were severely affected by composition of the wastes. And, the degradation rate of the food wastes is faster than those of other tested wastes. Those imply that the anaerobic digestion of food wastes is a very attractive alternative for treatment of the waste. The anaerobic degradation rate was enhanced by particle size reduction, depending on substrate species, but for food wastes, it is considered to be a costly ineffective.
Anaerobic toxicity assays to evaluate the effects of sodium ion on the anaerobic degradation of food wastes using an anaerobic batch reactor were performed for sodium ion concentrations whose concentration varies from 0.5g $Na^+$/L to 20 g $Na^+$/L. The inhibitory effects of sodium ion on the methane production can be observed by the retardation of methane production and the reduction of ultimate methane production. Different species of anaerobic microorganisms degrading food wastes showed different characteristics of acclimation and inhibitory effects according to the sodium ion concentration. The effects of sodium ion on the maximum methanation rate, the first order kinetic constant and the ultimate methane production can be properly evaluated by a generalized non-linear expression model, and that can be described by the uncompetitive inhibition model. The sodium ion concentration, $IC_50$, causing 50% inhibition of methanation activity was about 10 g $Na^+$/L, and the critical concentration of sodium ion beyond the complete inhibition was about 21g $Na^+$/L.
A kinetic study of an anaerobic batch reactor was performed to evaluate the effect of substrate characteristics on the anaerobic degradation of organic wastes. The kinetic behavior of anaerobic degradation was described as a first order series reaction. The determinant of rate-limiting step (DR) that is balanced out from the rates of reaction steps was defined by the logarithmic difference of the maximum acidification rate and the maximum methanation rate. Anaerobic degradation characteristics of organic materials were evaluated by the value of DR. The DR can be expressed as a function of the ratio of the maximum methane production rate to the ultimate methane yield. This ratio was defined as the pivotal ratio (PR) that could be obtained by using the first order kinetic analysis in an anaerobic biodegradability test. This simple evaluation method for the degradation characteristics of organic waste might be useful for the optimization of performance, staler operation, as well as better control and design of anaerobic digestion systems.
The activity of rumen microorganisms to the acidification of food wastes was studied to enhance the anaerobic degradation by overcoming microbial constraints that originate from the physiological characteristics of anaerobic microorganisms. The anaerobic degradation of food wastes was enhanced by the application of rumen microorganisms. The relative activities of rumen microorganisms to the acidification of food waste components, compared with the anaerobic digester sludge, were higher in the order of meats, vegetables and grains. The percentage of final acidification of food wastes by rumen microorganisms was not so much different from that by mesophilic acidogens, but the acidification rate was about two times faster than that by mesophilic acidogenesis. The acidification of food wastes by rumen microorganisms was severely inhibited at pH lower than 5.0 and VFA (Volatile fatty acid) higher than 200 meq/L. It implies that the subsequent dilution of acidification products is an important operational parameter for the enhanced anaerobic degradation of food wastes. The pH and temperature exhibiting the maximum activity of rumen microorganisms were estimated ranging 6.5 to 7.2 and from 35℃ to 45℃, respectively.
Collective evaluation of the above results suggests the rate-limiting step approach for the development of the high rate anaerobic digestion process for the treatment of organic wastes. A tentative anaerobic composting process, which is called MUlti-Step Two-phase Anaerobic sequential batch Composting (MUSTAC) process, was also developed by this approach. The MUSTAC ensures high performance and simplicity of operation. The rate-limiting step theory can be used as a rational basis for the novel process development ensuring the efficient anaerobic composting of organic wastes. Both the two-phase high solid digestion and batch operation mode were efficient methods to control environmental constraints in the anaerobic digestion. Rumen microorganisms were inoculated to overcome microbial constraints for the anaerobic digestion, and it leads to the enhanced acidification for the hydrolyzer. The main advantages of the MUSTAC process include simple operation and high performance. Furthermore, the technical problems in the novel process, which are associated with poor degradation of the wastes, low performance and post-treatment of digested residues, can be easily solved, compared to other processes for the anaerobic digestion of organic solid wastes.
본 논문에서는 유기성폐기물의 처리/처분 및 자원화를 위한 새로운 대안을 제시하기 위하여 유기성폐기물의 혐기성분해반응과 관련된 반응의 제한인자 들에 대한 연구가 수행되었으며, 율속단계해결을 위한 공정 설계접근법과 개발된 공정의 운전의 용이성, 경제성을 동시에 고려하여 유기성폐기물을 효과적으로 안정화 및 자원화할 수 있는 고성능 혐기성퇴비화 신공정 개발에 대한 연구를 수행하였다.
유기물의 혐기성분해 특성은 기질의 특성이 반응의 제한요소로 작용하는 조건에서 회분식 생분해도 실험을 수행함으로서 합리적으로 평가될 수 있었으며, 유기성폐기물의 혐기성분해 동력학은 1차반응모델로서 설명가능하였다. 주방폐기물의 구성성분들은 생분해 특성에서 큰 차이를 보였으며, 이들의 조성비는 주방폐기물의 최종메탄수율 및 혐기성분해속도에 큰 영향을 미치는 것으로 평가되었다. 주방폐기물은 종이류 등에 비해 큰 최종메탄수율과 비교적 빠른 분해속도를 보였으며, 이는 혐기성소화기술이 주방폐기물의 처리/처분을 위한 매력적인 대안이 될 수 있다는 것을 의미한다. 주방폐기물의 경우 입자크기 감소에 의한 혐기성분해속도를 증진효과는 구성성분의 종류별로 차이를 보였으나, 크지 않았으며, 경제성이 없는 것으로 평가되었다.
나트륨이온에 대한 혐기성미생물의 순응 및 저해특성은 나트륨이온의 농도에 따라 차이를 보였으며, 이것은 나트륨이온에 대한 일련의 혐기성미생물들의 민감도의 차이 때문인 것으로 평가되었다. 최종메탄수율, 최대메탄발생율, 반응속도상수의 감소현상으로 나타난 나트륨이온의 저해효과는 generalized non-linear inhibition 모델에 의해서 정량적으로 평가할 수 있었으며, 저해기작은 비경쟁저해모델에 의해서 설명가능하였다. 주방폐기물의 혐기성분해반응이 50% 저해를 받는 나트륨이온의 농도는 약 10 g $Na^+$/L로 평가되었으며, 혐기성미생물의 모든 활성이 멈추는 나트륨이온 농도 약 21 g$Na^+$/L인 것으로 평가되었다.
유기성폐기물의 혐기성분해특성을 혐기성 회분식 생분해도 실험의 결과를 동력학적으로 해석함으로서 간단하게 평가하기 위하여 혐기성반응을 산생성반응과 메탄생성반응이 연속된 1차 직렬반응으로 가정하고 최대산발효 속도에 대한 최대메탄발효 속도의 잠재 값의 대수차를 율속단계결정변수을 정의하였다. 유기성폐기물의 혐기성분해에 대한 동력학적 특성 및 율속단계는 율속단계결정변수의 고저와 양 또는 음의 부호에 의해서 정량적으로 평가할 수 있었다.
유기성폐기물의 산발효에 대한 Rumen 미생물의 활성은 기질의 종류에 따라 차이를 보였으나, 혐기성소화균 및 중온산발효균보다 월등한 것으로 평가되었다. 이것은 Rumen 미생물을 유기성폐기물의 액화 및 산발효에 이용함으로서 기존의 혐기성 가수분해 및 산발효균의 생리학적 특성에 의한 반응의 제한요소를 극복시킬 수 있다는 것을 의미한다. Rumen 미생물을 이용한 주방폐기물의 산발효반응에서 최적조건은 pH 6.5-7.2, VFA 200 meq/L 이하, 35-45℃의 온도영역으로 평가되었다.
이상의 연구결과를 종합함으로서 이상혐기성소화기술과 호기성퇴비화기술을 회분식운전법에 접목한 형태의 유기성페기물의 처리를 위한 고성능 혐기성퇴비화 신공정을 개발하였다. 이 신공정은 공간적으로 분리된 다수의 침출형 액화 및 산발효조와 액화생성물의 연속적인 메탄발효를 위한 고율메탄발효조로 구성되었다. 루멘미생물을 액화 및 산발효에 이용하여 미생물제한인자의 영향을 최소화 시키고, 각각의 산발효조를 회분식으로 운전하여 고율메탄조 유출수를 이용한 희석율을 발효의 진행정도에 따라 조절함으로서 생성물, pH 등의 반응환경 제한인자의 영향을 극복시킴으로서 공정의 효율을 국대화 얻을 수 있었다. 본 신공정에서는 침출형 산발효조에서 액화잔류물은 연속적으로 건조 및 최종안정화시켜 퇴비로 만드는 운전방법이 특징이다. 신공정에 대한 예비성능시험의 결과는 본 공정이 고성능을 보장할 뿐만 아니라 운전이 용이하며, 액화 잔류물의 처리에 특히 효과적임을 보였다. 이상과 같은 연구결과들로부터 본 연구는 혐기성 소화를 이용한 유기성폐기물의 자원화 기술에 새로운 가능성을 개척한 것으로 평가된다.
