This work was undertaken to understand the degradation of cellulose in composting of food waste and paper mixture, and to find any correlations between the nitrogen behavior and cellulose degradation. The effects of operating parameters including C/N ratio, seed compost inoculation, temperature on the cellulose degradation were investigated intensity in laboratory scale experiment observing the changes of cellulolytic population, cellulase activity, cellulose content as well as general composting reaction throughout the composting process. Furthermore, the dominant cellulolytic microorganisms were isolated and identified.
The C/N ratio of 14.0 significantly influenced the degradation of cellulose. The cellulose was degraded in maturing stage concurrent with peak cellulose activity, temperature rise, and sub-peak of $CO_2$ evolution rate. This retardation might be ascribed to the high content of ammonia resulted from the low C/N ratio as well as the abundance of easily degradable organic matters. However, the cellulose contained in waste paper fraction was degraded from the start of composting in C/N ratios of 20.4 and 29.9, indicating that this range of C/N ratio might be appropriate for the cellulose degradation.
The seed inoculation was effective in promoting the degradation of cellulose at the early thermophilic stage, because a sufficient amount of cellulolytic population was supplied with the inoculation of seed compost at 25% on dry weigh base. As the seed inoculation increased, the cellulose activity was a high initially and rised rapidly to the maximum. Neverthless, the efficacy of seed inoculation seemed to be confined to the initial degradation of cellulose and early evolution of cellulase activity.
The temperature was found to be a factor determining the degradation of cellulose. The high temperature above 60 ℃ gave rise to significant ammonification at the thermophilic period and influenced the start of cellulase activity and cellulose degradation. It delayed the degradation of cellulose by two days, being also confirmed in the change of cellulase activity.
The population of cellulolytic bacteria was in the range of $10^6$-$10^8$ colonies/g dry compost. The thermophilic bacteria always outnumbered the mesophiles. The two kinds of dominant thermophilic cellulolytic bacteria were identified as $Bacillus$ sp., being regarded as major cellulose decomposers. However, the cellulolytic fungi appeared in the range of $10^3$ - $10^5$ colonies/g dry compost for short time during the thermophilic period, so that they seemed to play a limited role in the cellulose degradation.
The cellulase activity increased significantly at the thermophilic stage and reached the maximum value at the cooling-down stage. However, the cellulose was degraded substantially during the increase of cellulase activity and degraded relatively small during the maximum cellulase activity. The final content of cellulose was almost the same due to the depletion of readily accessible cellulose contained in waste paper.
The ammonia loss was related to the degradation of cellulose to some extent. The ammonia volatilization was exactly coincided with the evolution of cellulase activity, resulting in low escape of ammonia as a gas and increase of organic nitrogen in compost.
음식 쓰레기를 분리 수거하여 퇴비화함에 있어 발생하는 수거 및 퇴비화 단계의 제반 문제점인 침출수 및 악취 발생, 낮은 C/N 비, 높은 염농도 등을 해결하고자 분리수거 단계에서 폐종이류를 혼합, 수거하여 퇴비화하는 방안을 강구하였다. 분리 수거된 음식 쓰레기를 종이류와 혼합하여 퇴비화할 경우 종이의 불완전한 분해가 문제화될 수 있으므로 이를 해결하고 종이류의 분해를 촉진하기 위하여 종이류의 적정 혼합량 결정과 퇴비 반송량, 퇴비화 온도 등의 운전조건아 종이의 분해에 미치는 영향에 관해서 실험실 규모의 연구를 수행하였다. 종이에 포함된 셀룰로스의 분해는 셀룰로스 분해 미생물의 계수, 효소의 활성도, 셀룰로스 함량 등으로 파악하였으며, 아울러 전반적인 퇴비화 반응을 파악하기 위한 일반적인 퇴비화 지표를 분석하였으며 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 셀룰로스 분해에 적절한 C/N비는 실험 범위로부터 판단한 결과 20-30 인 것으로 나타났으며, C/N비가 14.0인 경우 다량으로 포함된 음식 쓰레기로 인한 초기의 낮은 pH, 암모니아의 대량 발생 등의 요인으로 인해 셀룰로스 분해가 지연된 것으로 판단된다.
2) 퇴비의 식종은 초기 고온 단계의 셀룰로스 분해를 촉진하였으며 건조증량으로 25 % 식종은 퇴비화 초기에 충분한 양의 셀룰로스 분해 미생물을 공급함으로써 셀룰로스의 원활한 분해에 기여하는 것으로 나타났다. 식종량이 증가함에 따라 초기 셀룰로스 분해 효소의 활성도가 컸으며, 빨리 최대값으로 증가하였으나, 최종적인 셀룰로스 분해도는 비슷하게 나타나 퇴비 식종 효과는 빠른 분해에 제한된 것으로 판단된다.
3) 최고 온도를 60℃ 이상으로 유지하는 경우 고온기간중에 암모니아 발생을 증진시켜 셀룰로스 분해효소의 활성도 및 셀룰로스 분해를 약 2일간 지연시키는 것으로 나타났다. 따라서 퇴비화의 최고온도는 공기주입량을 조절하여 60℃ 이하로 유지화하는 것이 셀룰로스 분해에도 유익한 것으로 판단된다.
4) 셀룰로스 분해 박테리아는 $10^6 - 10^8$ 콜로니/g 퇴비의 수준으로 존재하며, 항상 고온균이 중온균보다 많이 검출되어 셀룰로스는 주로 고온균에 의해 분해되는 것으로 판단된다. 우점종인 두 종류의 고온성 셀룰로스 분해균은 Bacillus sp. 종으로 동정되었다. 하지만 퇴비화 과정에는 다양한 수의 셀룰로스 분해미생물이 존재하며 pH, 암모니아의 양, 온도 등의 환경 인자에 의해 우점종이 결정되는 것으로 판단된다. 한편, 셀룰로스 분해 곰팡이류는 $10^3 - 10^5$ 콜로니/g 퇴비의 범위에서 고온기간중 짧은 기간동안 검출되어 곰팡이에 의한 셀룰로스 분해는 매우 제한된 것으로 판단된다.
5) 셀룰로스 분해효소의 활성도는 고온기간중에 급격히 증가하여 온도 감소담계에서 최대값을 보이며, 셀룰로스 함량 또한 셀룰로스 분해효소의 활성도가 증가하는 기간동안 급격히 감소하였으나 최대 활성도를 보인 시기에는 변화가 적었다. 이러한 결과는 셀룰로스 분해효소의 셀룰로스에 대한 흡착효과 때문으로 판단된다.
6) 암모니아의 손실은 셀룰로스 분해와 상호 관련성이 있는 것으로 나타났다. 셀룰로스 분해와 무기화가 동일한 시기에 일어나는 경우 배가스중으로의 암모니아 손실이 감소할 뿐만 아니라 유기성 질소의 함량이 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 부식화 초기 단계로서 암모니아 셀룰로스 분해 산물의 화학적 결합 반응 때문으로 판단된다.
