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Enhanced operation of the on-site garbage composting unit = 소규모 음식물찌꺼기 퇴비화기의 성능평가 및 효율개선
서명 / 저자 Enhanced operation of the on-site garbage composting unit = 소규모 음식물찌꺼기 퇴비화기의 성능평가 및 효율개선 / Eung-Ju Hwang.
저자명 Hwang, Eung-Ju ; 황응주
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1998].
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A study to suggest the technique for enhancing the performance of the on-site garbage composting was performed. The objectives included in this study were; i) to confirm the feasibility of the on-site garbage composting without compost removal, ii) to suggest the principles of the on-site garbage composting, iii) to estimate the effect and utility of seed inoculation on both batch and on-site garbage composting quantitatively, and iv) to investigate the efficacy of wasted scrap tire as a bulking agent for the on-site garbage composting units. The conclusions for detail research topics were summarized as follows; In order to evaluate the feasibility of the on-site garbage composting without compost removal, a continuous reactor of 30ℓ size fed 1 kg of garbage per day was operated for 65 days. As a result, the operation technique suggested here could decrease the amounts of sawdust to add and compost to withdraw as compared with those of other batch operations. Most of the easily degradable organic matter (EDM) in garbage fed daily could be degraded within a day in view of $CO_2$ gas evolution and changes of volatile matter (VM) content, temperature, and dry weight. Content of EDM decreased from 20% to 10% within three days and maintained at the constant level. Considering that the content in raw garbage was 43%, it could be assessed that the degradation efficiency of EDM in the reactor maintained about 70%. Degradation ratios of each EDM that meant degradation activity in continuous composting reactor were assessed as 75, 60, and 30% for lipids, sugar, and hemi-cellulose, respectively. Degradation ratio of EDM decreased from the range of 40-50% to the range of 10-40% by the intermittent garbage loading, which indicated that the idle period of the on-site composting unit should be controlled as short as possible, because it served to decrease of microbial activity though it reduced the aggregation among reaction particles. Final product had the low content of EDM. Increase of dry weight was insignificant that did not affect composting efficieny, which was confirmed by the changes of volume, wet weight, and free air space (FAS). Other reaction conditions such as pH and MC were kept in the suitable ranges, however, moisture content (MC) should be maintained over 46%. Salt concentration increased up to 6.3%, and the degradation ratio was half of maximum value when salt concentration was 3-4% on dry weight base. Kinetic aspect of the on-site garbage composting was investigated by a mathematical modeling. The first-order kinetic reaction model developed here fitted well the experimental result. Content of maximum compostable fraction could be obtained as 0.279 (kg-ds/kg-ds) for garbage and sawdust mixture and as 0.500 (kg-ds/kg-ds) for garbage fed daily. In addition, first-order kinetic constant was determined as 0.314 $d^{-1}$. As a result of sensitivity check about two coefficients, content of maximum compostable fraction and kinetic constant, it was estimated that the former was more important than the latter, which indicated that accumulation of organic matter that could not be composted overwhelmed the change of dry weight when kinetic constant was over specific value (here, $0.314d^{-1}$). Consequently, more important factor that should be considered in making seed inoculum was thought to be diverse degradation activity that could increase the maximum compostable content. The simulation result by verified model revealed that reactor size was the limiting factor for the determination of possible maximum operation period, because FAS maintained always over 0.3 that was safe to the aeration. Necessary reactor size was calculated to be 46ℓ for three months operation and 78ℓ for 6 months operation. The effect of seed inoculation on the rate of garbage composting was evaluated by batch composting experiments, and the utility of seed inoculation in the on-site garbage composting was suggested. Two inoculums were compared to indigenous microorganisms in garbage in the respect of general composting parameters, kinetic constant, and ultimate degradation rate of organic matter. General operation parameters in composting such as temperature, $CO_2$ and $O_2$ concentration, pH, and dry matter decrease could be improved by the inoculation of specialized microorganisms. Reproduced seed (Seed A) from commercially available inoculum (Seed B) was efficient at initial composting stage, by increasing initial pH, while seed B was efficient for whole composting period. It was concluded that seed A for initial pH increase and seed B for the diversity of microbial activity were important in making seed inoculum for the accelerated composting. It was also obvious that the seed inoculation could enhance the composting rate as was described in kinetic constants and maximum degradation rates. The decomposition rates of organic matter at the first stages in Run A and B were 4 to 5 or 1.7 to 2.1 times higher than those of the Control, in terms of kinetic constant and maximum degradation rate, respectively. Seed inoculation was applicable to on-site treatment as it could initiate composting reaction efficiently without initial lag time. Also, within three days, it could produce a semi-stabilized product enough to be transported to large composting facilities without malodor and leaching. Maximum degradation of garbage was 87.5% in Run B while it was 72.7% in Control, indicating that the maturation stage could be eliminated or shortened by seeding the specialized inoculum having various enzymatic activities. Seed inoculum that had variety of microbial activity could degrade more garbage than indigenous microorganism could. So, the seed inoculum was anticipated to be effective to the on-site garbage composting, as solid retention time of the composting unit was fairly long enough for the seed to degrade compostable substrate in garbage maximally. In order to evaluate the efficacy of wasted scrap tire as a bulking agent for the on-site garbage composting units, effect of tire mixing ratio, effect of tire particle type, and effect of tire pretreatment on composting was investigated in batch experiment Also, continuous reactor was operated for 60 days with tire as a partial substitute for sawdust. FAS did not increase when a part of sawdust was substituted by scrap tire, which was different to the anticipated results. FAS increase by formulation of interfacial space between tire and substrate (mixture of garbage and sawdust) was smaller than decrease by sawdust removal. In contrast, MC of substrate part became high as scrap tire was mixed. Addition of scrap tire could enhance the degradation of organic matter in substrate part, because it could reduce the amount of sawdust to be mixed with garbage. However, more addition of scrap tire reduced FAS more and increased MC excessively, which resulted in insufficient degradation of organic matter. Proper mixing ratio of garbage, sawdust, and tire was 1:1.6:1.2 on a dry weight base. The decrease of FAS by tire showed unfavorable effect in initial composting reaction, as limited aeration was conducted for the rapid build-up of thermophilic microbial population in the period. The addition of rectangular tire decreased FAS significantly, so that composting efficiency became worse, indicating that flat tire was proper bulking agent. It was possible to treat garbage in the on-site composting unit without aeration problem during 60 days using sawdust and tire as bulking agent, however, reaction activity and capacity to treat more garbage were lower than those observed when sawdust only was used as a bulking agent. To extend maximum operation time, it was suggested that aeration efficiency should be enhanced by some operational modifications such as increasing aeration intensity and intermittent feeding of garbage.

본 논문은 음식물찌꺼기의 처리 및 자원화를 위한 소규모 소멸식 퇴비화 장치의 성능 향상을 연구의 목표로 하였다. 소멸식 퇴비화 방식은 퇴비를 장치로부터 인발하지 않으면서 연속적으로 음식물찌꺼기를 투여하며 처리하는 것으로, 집단급식소, 식품접객업소 등의 음식물찌꺼기 배출원에서 일반 사용자가 쉽게 장치를 운전할 수 있다는 장점을 지니고 있어 최근 국내에서 장치의 보급이 확대 추세에 있으나, 지금까지 국내외적으로 운전 성능과 원리에 대한 검증 연구가 미비한 상태에 있다. 따라서 본 연구에서는 우선적으로 장치의 성능을 평가하였으며 이를 위해 물리적 운전지표와 유기물 각 성분들의 분해 정도, 통기성에 관련된 장치 운전 인자를 조사하였다. 아울러, 장치내에서의 유기물 분해거동에 관한 수학적 모델을 제안하고 실험결과에 부합되는지 검증하였으며, 각종 운전지표 및 장치 소요 부피의 예측과 더불어 운전성능 향상을 위한 인자 조절의 원리를 제시하였다. 이와 같은 소멸식 퇴비화의 성능 평가 및 원리 검증을 바탕으로 운전 성능을 향상하기 위한 두가지 방법으로서 먼저 특수 미생물 균주의 첨가를 통한 퇴비화 반응속도의 향상 정도를 정량적℃막? 평가하여 소멸식 장치에의 로 용성을 논하였고, 그 다음으로는 수분조절 및 통기성 향상을 위한 첨가제로서 폐타이어조각이 현재 대부분 사용되고 있는 톱밥을 일부 대체할 수 있는지, 타이어의 모양과 크기, 혼합 비율은 어느 정도가 적절한지를 평가하였으며 그 과정에서 역시 타이어 첨가에 따른 자유기체공간(FAS)과 수분함량의 변화 및 이들의 퇴비화 과정과의 연관성에 대하여 고찰하였다. 소멸식 퇴비화 과정에서의 이산화탄소 발생, 온도 변화, 유기물함량 변화, 건조중량 변화에 대한 검토 결과, 음식물찌꺼기 원료 중 대부분의 쉽게 분해 가능한 유기물(EDM)은 투입후 하루만에 분해되는 것으로 관찰되었다. 각 유기물 성분들에 대한 분해정도는 지질(75%), 수용성 총당(60%), 헤미셀룰로스 (30%)의 순으로 분해가 잘되었던 것으로 분석되었다. 초기 음식물찌꺼기와 톱밥의 혼합물내 EDM의 함량은 약 20%였으며 초기 3일간의 회분식 퇴비화 과정을 통해 10%내외로 감소한 후 계속적으로 10% 수준을 유지하였다. 결국 매일 투입되는 음식물찌꺼기내 이들 성분의 함량이 43%였던 것을 감안할 때 EDM의 분해율은 70% 정도로 유지되었던 것으로 평가되었다. 또한 최종 퇴비내 이들 성분의 ?韜n} 역시 낮은 수치를 기록해 소멸화를 통해 음식물찌꺼기의 일정 부분 안정화가 가능함을 알 수 있었다. 한편 퇴비의 건조 중량은 일반적으로 알려진 바와는 달리 음식물찌꺼기의 투여가 계속되면서 약간씩 상승하는 양상을 나타내었으며, 그 원인은 분해속도가 느리거나 분해가 잘 되지 않는 성분들(회분, 리그닌, 셀룰로스, 일부 단백질)이 일정량씩 반응기내에 축적되었기 때문인 것으로 판단되었다. 이러한 건조중량의 증가는 퇴비의 부피 감소에도 불구하고 총밀도 및 FAS의 감소를 유발해 통기성에 문제를 일으켜 장기간의 장치 운전이 불가능할 수도 있는 것으로 예견되었으나 다행히 FAS는 감소하기는 하나 항상 적정 수준이상으로 유지되어 통기성에는 문제가 없는 것으로 사료되었다. 수분함량의 적정치는 46%이하에서는 낮은 퇴비화 효율을 보임으로써 최소 46%이상으로 유리하다 판단되었으며, 건조 중량비로 6.3%까지의 염류 축적이 관찰되기도 하였다. 염류의 축적은 3-4% 함량에서 퇴비화 효율이 최대값의 절반 정도로 하락하는 것으로 관찰되었다. 본 연구에서 일차 반응속도론에 근거해 제안되어진 건조중량 변화에 대한 모델식은 실험결과를 잘 모사하였으며, 최대 분해가능한 성분함량과 일차 분해 속도 상수 등 음식물찌꺼기의 분해 특성에 관련된 두가지 인자 중에서 전자를 증가시키는 것이 후자를 증가시키는 것보다는 건조중량 증가의 둔화에 보다 더 유리한 것으로 평가되었다. 이는 소멸식 퇴비화 장치내의 건조물 체류시간이 매우 길기 때문에 일정 정도의 분해속도 이상에서는 음식물찌꺼기의 분해속도를 향상시키는 것보다는 최대 분해 가능한 부분을 증가시키는 것이 최종적인 유기물 분해에 더 큰 영향을 미치기 때문이며, 이같은 관점에서 다양한 성분에 대한 활성을 갖고 있는 미생물 제재를 혼합하여 퇴비화에서 분해되는 유기물량을 최대로 증가시키는 것이 필요함을 알 수 있었다. 기타 운전지표의 예측 결과 FAS는 역시 통기성에 안전한 수치 이상으로 유지되는 것으로 평가되어, 결국 장치의 용량 결정에는 건조중량의 증가 정도가 가장 중요한 인자라고 결론지어졌으며, 3개월간의 소멸식 퇴비화 운전에 필요한 장치 부피는 46ℓ 정도인 것으로 평가되었다. 음식물찌꺼기의 퇴비화에 대한 미생물제재의 영향은 음식물찌꺼기 중 최대로 분해되는 성분을 증가시키는 면과 분해속도를 향상시키는 면의 두가지인 것으로 평가되었으며, 구체적으로는 미생물 첨가로 인해 유기물 분해율이 72.7%에서 87.5%로 증가되었고 퇴비화 속도는 1.7내지 2.1배 가량 증가된 것으로 나타났다. 또한 퇴비화 초기의 pH 상승과 전기간 동안의 다양한 분해활성 유지에 효과적인 미생물제재가 필요하다 판단되었다. 결국 미생물 제재는 초기 지체 시간을 감소시키고 음식물찌꺼기를 단시간에 일정 부분 안정화시켜 수거 운반에 유리한 처리물을 만들수 있다는 면에서 음식물찌꺼기의 발생원에서의 소규모 퇴비화에 유용할 뿐만 아니라, 유기물 분해율이 크기 때문에 대규모 퇴비화 시설에서의 숙성과정에도 그 효용성이 인정되었다. 톱밥의 사용량을 감소시키는 한편 이의 분해로 인해 소멸식 퇴비화 장치의 운전기간이 단축되는 현상을 줄이기 위해 일부를 타이어로 대체하면 FAS는 감소하는 반면 수분함량은 증가하여 결과적으로는 퇴비화 반응이 다소 향상되었으나 일정량 이상의 타이어 첨가는 지나친 FAS감소와 수분조절기능의 상실로 인해 퇴비화 반응의 향상에는 좋지 않은 것으로 나타났으며 이에 근거할 때 적정 혼합비율은 1:1.6:1.2(음식물찌꺼기:톱밥:타이어, 건조중량기준) 정도인 것으로 평가되었다. 입자의 형상은 박편상의 타이어가 조대 입자상의 타이어 보다는 유리하였다. 톱밥의 일부를 타이어로 대체하여 소멸식 퇴비화 실험을 수행한 결과 60일간의 연속 운전이 가능하여 갈수록 수요처가 증가하고 있는 톱밥의 대체물로서의 폐타이어 적용성을 확인할 수 있었다. 그러나, 타이어를 사용하지 않는 경우에 비해서 퇴비화 반응의 활성이나 추가적인 음식물찌꺼기 처리능의 면에서 전반적으로 불리한 것으로 나타나 이의 보완을 위한 추가적인 연구가 필요하다 사료되었고, 대안으로서 통기량의 증가 또는 이단 퇴비화 방식에 대한 검토 필요성이 제시되었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCE 98009
형태사항 xv, 152 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 황응주
지도교수의 영문표기 : Hang-Sik Shin
지도교수의 한글표기 : 신항식
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 토목공학과,
서지주기 Reference : p. 145-152
주제 On-site
Garbage
Composting
Seed inoculation
Tire
Free aire space
음식물찌꺼기
소규모 퇴비화기
소멸식 퇴비화
식종
타이어
자유기체공간
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