음식물 쓰레기와 하수 슬러지에서의 휘발성 유기화합물 공분해에 관한 연구

Abstract

산업폐기물이 매립되어 있는 매립지 뿐만 아니라 일반 매립지에서 발암성 물질인 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)이 방출되고 있다. 한편 생활 수준이 높아짐에 따라 해마다 하수 슬러지가 발생량이 증가하고 있으며 음식물 쓰레기 감량화 방안으로 퇴비화 사료화가 이루어지고 있지만 영양불균형과 염분 문제로 제대로 이용되지 못하고 있는 실정이다. 퇴비화된 음식물 쓰레기와 하수 슬러지를 매립지 대체 복토재로 활용함으로써 처리처분 문제가 심각히 제기되고 있는 폐기물을 재이용한다는 이점과 현재 복토재로 사용되고 있는 토양 자원의 절약 효과 그리고 최종적으로 인체에 해를 미치는 대기 오염물질인 휘발성 유기화합물의 제거 효과까지 생각해 볼 수 있다. 매립지에서 발생하는 휘발성 유기화합물의 방출을 저감하는 방안으로 대체복토재로서 하수 슬러지와 음식물 퇴비의 적용을 살펴보았는데, 제거기작은 수착과 생물학적인 분해에 의한 것이었다. 생물학적 분해를 위해 방향족 화합물을 분해시키는 호기성 분리 균주를 이용하였으며 벤젠을 탄소원으로 이용하면서 유도하는 oxygenase에 의해 TCE까지 공대사(Cometabolism)로 제거하였다. 우선 생물학적인 분해에 있어 결정적인 역할을 하며 실제 매립지에서 계절적 변수로 작용할 수 있는 수분함량에 따른 분해 양상을 살펴보기 위해 수분함량을 각 흡착재별로 6∼60%(volume of water added/volume of adsorbent)까지 변화시켰다. 그 결과 토양, 퇴비화된 음식물 쓰레기, 하수 슬러지의 최대 분해 수분함량이 12%, 36%, 48%로 나타났다. 각 물질별 수분함량에 따른 수착의 정도는 실험이 수행된 농도 범위 내에서는 각 물질 내에서 크게 차이나지 않았고 슬러지의 경우에서 수분함량이 증가함에 따라 수착량이 약간 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 각 물질별 최적 수분 함량에서 휘발성 유기화합물의 제거는 각 물질별 최적의 수분 함량에서 실험을 수행한 결과 동일한 양의 벤젠이 유입되는 상황에서는 유기물 함량이 높은 퇴비화된 음식물 쓰레기와 하수 슬러지에서는 상당량이 수착에 의해 제거되므로 초기에 많이 제어가 되고, 토양에서는 수착에 의해 제거되는 양은 소량이고 생물학적인 분해에 의해 대부분 제거되었다. 생물학적인 활성만을 보았을 때 토양에서 활성이 가장 높았고 퇴비화된 음식물 쓰레기, 하수슬러지 순이었다. 이와 같이 효과가 좋은 것이라고 생각되었던 대체복토재에서 생물활성이 떨어지는 이유는 대체복토재는 수착능이 뛰어나므로 반응의 초기에 기상에 존재하던 오염물의 대부분이 수착에 의해 제거되므로 미생물이 이용할 수 있는 벤젠의 초기 농도가 낮아져서 토양에 비해 상대적으로 분해 속도가 느려지게 되는 것이다. 또한 미생물을 접종하고 단기간의 적응시킨 실험 조건에서는 일종의 유기물이라 할 수 있는 미생물이 이들 대체 복토재 내로 수착되어 biofilm상에서 균일하게 분포하지 않으므로 생물활성의 저감 효과를 가져올 수 있을 것이라 생각되었다. 하지만 오염물의 부하가 과도하게 증가할 경우 분해에 있어 지연기가 방생하는데 대체 복토재는 수착으로 인해 오염부하를 감소시켜 지연기를 줄일 수 있을 것 이라 기대된다. 본 연구에서는 벤젠과 TCE, 의 제거 양상을 살펴보았는데 실제로 대체복토재를 매립지에 적용할 경우 단시간에 상당량이 수착에 의해 제거 될 것으로 기대되고 따라서 매립지 표면으로 발산되는 휘발성 유기화합물을 지연시킬 수 있으며 상대적으로 할로겐 수가 많은 PCE등이 혐기적 상태에서 부분적으로 분해된 후 매립지 상부에 도달 시 호기적 조건이 조성되므로 호기적 조건에서 생물학적으로 분해가 가능할 것으로 보인다.;Wastewater sludge and composted food wastes were examined as alternative landfill covers to eliminate the emission of volatile organic compounds (VOCs). The advantage of these alternatives is in their high sorption capacity, which is 5 to 50 times higher than natural soils. After sorption is finished, biodegradation is an important mechanism in decreasing VOC concentrations. In order to investigate appropriate VOC degradation condition, batch experiments were conducted with an isolated strain that could degrade aromatic compounds in aerobic condition. Benzene was degraded as a primary substrate (carbon source) and trichloroethylene (TCE) was degraded by the oxygenase from the benzene degradation metabolism, while the water content was changed from 6% to 60%(volume of water added/volume of adsorbent). Proper water content of each sorbent was 12% for soil, 36% for composted food wastes and 48% for wastewater sludge. There was little difference in the amount of sorption with water content in each material except sludge that showed minute decreasing tendency with increase of water content within the concentration that experiment was conducted. From the result of the sorption and biodegradation of VOC at optimal water content with same initial VOC input, more than 60% of VOC is removed by sorption in composted food waste, wastewater sludge at the beginning of reaction, therefore initial VOC concentration in these alternative landfill cover is relatively low. As a consequence there is little amount of VOC that microorganisms can utilize and the degradation rate becomes slower. Generally when high concentration of substrate is applied, there is inhibition and the rate becomes slower. But in these alternative landfill covers, VOC can be sorbed enough and microorganism would not be influenced by high concentration of VOC. Therefore the reaction rate will faster in these materials. When the alternative landfill covers are applied, large amount of VOC will be retarded by sorption in early stage from the bottom of landfill. And the pollutants that contain many halogen such as PCE can be partially degraded in anaerobic condition, then these compounds reached near the surface of landfill can be degrade completely in aerobic condition. Wastewater sludge and composted food wastes were examined as alternative landfill covers to eliminate the emission of volatile organic compounds (VOCs). The advantage of these alternatives is in their high sorption capacity, which is 5 to 50 times higher than natural soils. After sorption is finished, biodegradation is an important mechanism in decreasing VOC concentrations. In order to investigate appropriate VOC degradation condition, batch experiments were conducted with an isolated strain that could degrade aromatic compounds in aerobic condition. Benzene was degraded as a primary substrate (carbon source) and trichloroethylene (TCE) was degraded by the oxygenase from the benzene degradation metabolism, while the water content was changed from 6% to 60%(volume of water added/volume of adsorbent). Proper water content of each sorbent was 12% for soil, 36% for composted food wastes and 48% for wastewater sludge. There was little difference in the amount of sorption with water content in each material except sludge that showed minute decreasing tendency with increase of water content within the concentration that experiment was conducted. From the result of the sorption and biodegradation of VOC at optimal water content with same initial VOC input, more than 60% of VOC is removed by sorption in composted food waste, wastewater sludge at the beginning of reaction, therefore initial VOC concentration in these alternative landfill cover is relatively low. As a consequence there is little amount of VOC that microorganisms can utilize and the degradation rate becomes slower. Generally when high concentration of substrate is applied, there is inhibition and the rate becomes slower. But in these alternative landfill covers, VOC can be sorbed enough and microorganism would not be influenced by high concentration of VOC. Therefore the reaction rate will faster in these materials. When the alternative landfill covers are applied, large amount of VOC will be retarded by sorption in early stage from the bottom of landfill. And the pollutants that contain many halogen such as PCE can be partially degraded in anaerobic condition, then these compounds reached near the surface of landfill can be degrade completely in aerobic condition.