The objective of this study is to apply anaerobic digestion system, which can recover energy in the form of methane, to food waste treatment and develop a model for stable operation and proper design of an anaerobic digestion system.
The elemental composition of the standard food waste sample used in this study was 48.2, 7.2, 39.3, and 3.9 % in the order C, H, O, and N, respectively. Total solid (TS) out of wet waste was 18.9 % and volatile solid (VS) out of total solid was 94.9 %. The anaerobic digestion system was operated using acclimated microorganisms from the sludge of the anaerobic digester in the Taejon Sanitary Plant and the methane production rate was maximum at 35℃ .
Methane production rate and volatile fatty acids (VFA) concentration were observed to study the effect of initial pH and initial substrate concentration on methane production. The initial pH tested were 7.65, 7.40, and 6.70 and initial substrate concentration were 2, 5, 10, and 20 g VS/L. When the initial food waste concentration was 2 g VS/L, there was no accumulation of VFA in the digester and there was little inhibition in methane production because the pH values were maintained above 7.0. But there was a trend that as the initial pH became low and as the initial food waste concentration was increased, inhibition in methane production was more serious and the exhaustion time of VFA was longer. When the initial food waste concentration was 10 g VS/L with initial pH of 6.70, the accumulation of VFA was so high that it halted the process. This was also the case when the initial food waste concentration was 20 g VS/L with initial pH values of 6.70 and 7.40. When the initial pH was 7.65, there was some inhibition of methane production with an initial food waste concentration of 20 g VS/L, but the process did not stop.
Anaerobic digestion with repeated input of food waste was carried out to find the proper input amount for continuous process operation with high efficiency. When the input rate of food waste was 2 g VS/L.day, the daily methane production was almost constant between 180 and 200 mL/day after 3 days and the pH was remained above 7.70 stably, and the total VFA concentration also remained stably below 0.5 g/L. On the other hand, when the input rate was 5 g VS/L.day, the methane production rate decreased after a week from the start up and the system stopped after two weeks from the start up because of high VFA concentration and low pH.
In the modeling of an anaerobic digestion process for stable operation and proper design of the system, it was possible to predict the solid waste, organic monomers, VFA concentrations, and gas production. The predicted values of VFA concentrations and gas production were in good agreement with experimental observations for the initial food waste concentrations of 2 and 5 g VS/L. The model predicted well in the case of 2 g VS/L.day of repeated input mode of operation. According to the simulation result, stable operation would be possible even with 3 g VS/L.day at 35℃. The effect of seasonal variations in temperature on the performance of the digester was investigated by simulation studies. It is evident that the amount of food waste put into the digester should be controlled and optimized taking seasonal temperature variations into consideration without temperature control. The data obtained from the model would be very useful in designing and optimizing an anaerobic digestion process for the treatment of Korean food waste.
우리 나라 생활폐기물의 30% 가량을 차지하는 주방폐기물은 높은 수분과 염분 함량으로 인하여 매립, 소각, 퇴비화 등의 처리방법으로 처리되었을 때 여러 가지 환경적 문제를 발생시킨다. 따라서 이 연구에서는 주방폐기물의 적절한 처리와 더불어 메탄가스의 형태로 에너지 회수가 가능한 혐기성 소화 공정의 안정적인 운전과 적절한 설계를 위한 기초실험 및 모델링 연구가 수행되었다.
대표시료로 선정된 주방폐기물은 C, H, O, N 원소비율이 각각 48.2, 7.2, 39.3, 3.9 % 이었으며 TS는 젖은 폐기물의 18.9 %, VS는 TS의 94.9 % 이었다. 이것을 시료로 대전시 하수종말처리장소화조 슬러지를 미생물로 사용하여 실험이 수행되었고 이 슬러지를 낮은 농도의 주방폐기물로 적응시킨 결과 메탄 발생속도가 약 2.7배 증가하였다. 일반적으로 중온 혐기성소화의 최적 온도라 알려진 35℃에서 온도가 25℃, 15℃로 감소할수록 메탄 발생속도는 급격히 감소하는 경향을 보였다. 주방폐기물 초기 1회 투입의 경우에는 슬러지의 pH와 주방폐기물의 초기 농도가 메탄생산에 미치는 영향을 살펴보기 위해 초기 pH 7.65, 7.40, 6.70과 초기 주방폐기물 농도 2, 5, 10, 20 g VS/L의 농도에 대하여 실험이 실시되었다. 그 결과 초기 주방폐기물 농도가 2 g VS/L의 경우에는 메탄 생산 속도에 저해현상이 없었고 소화액 내에 중간산물로서 축적 시 저해현상의 원인이 되는 유기산도 검출되지 않았다. 그러나 초기 주방폐기물의 농도가 증가함에 따라 유기산의 축적과 함께 메탄 생산에 저해현상이 일어났으며 그 정도는 초기 pH 값이 낮을수록 더 심해지는 경향을 보였다. 초기 주방폐기물 농도가 10 g VS/L 일 때 초기 pH 값이 6.70의 경우 소화과정에서 pH가 5.0 이하로 떨어져 메탄 생산이 중단되었고, 초기 폐기물 농도가 20 g VS/L 일 때는 초기 pH 값이 6.70 뿐만 아니라 7.40에서도 같은 현상을 보였다. 그러나 초기 pH가 7.65일 때는 20 g VS/L에서 메탄발생에 저해현상이 나타났으나 메탄 발생이 중단되지는 않았다.
초기 pH 8.0에서 주방폐기물을 2 g VS/L.day와 5 g VS/L.day로 매일 1회 씩 투입하는 경우의 연속실험에서는 2 g VS/L.day의 경우 전체 유기산의 농도는 0.5 g/L 이하, pH도 7.70 이상에서 안정적으로 유지되었고 메탄 발생량도 180 ~ 200 mL/day로 안정적으로 유지되어 연속조업에 문제가 없었다. 그러나 5 g VS/L.day의 경우에는 주방폐기물 투입량의 과부하로 전체 유기산 농도가 점차적으로 증가하여 메탄 발생이 중단된 14일 후에는 12.5 g/L이었고 pH도 6.56까지 떨어졌다.
주방폐기물의 혐기성 소화공정에서 안정적인 조업과 소화조의 적절한 설계를 위한 모델링 연구에서는 소화조 내의 고형 주방폐기물과 이것이 가수분해된 유기 단분자 농도 및 유기산 농도 예측이 가능하였으며 혐기성 소화공정의 최종 산물인 메탄과 이산화탄소의 발생량도 예측이 가능하였다. 모델링 결과 주방 폐기물 초기 1회 투입 시 2 g VS/L와 5 g VS/L에서 유기산 농도 및 가스 발생량이 실험치와 거의 일치하였으며, 매일 2 g VS/L의 농도로 연속 투입되는 시스템에 대해서도 예측된 가스 발생량과 유기산 농도가 실험치와 일치하는 경향을 보였고 매일 3 g VS/L의 농도로 투입되는 시스템에 대해서도 안정적인 조업이 예측되었다. 또한 온도 조절없이 운전되는 경우, 계절변화에 수반되는 온도변화가 시스템에 미치는 영향을 살펴보아 안정적인 조업을 위한 계절별 투입량을 알아보았다. 따라서 이러한 모델링 결과로부터 얻어지는 자료는 주방폐기물의 혐기성 소화 공정의 안정적인 조업 및 소화조 설계에 있어서 귀중한 자료로 사용될 것으로 기대된다.
