열분해 온도가 음식폐기물 바이오차의 이화학적 특성에 미치는 영향

김신실 ( Sin-sil Kim ),노준석 ( Jun-suk Rho ),이수림 ( Su-lim Lee ),이재훈 ( Jae-hoon Lee ),최아영 ( Ah-young Choi ),이슬린 ( Seul-rin Lee ),박유진 ( Yu-jin Park ),박미나 ( Mi-na Park ),박종환 ( Jong-hwan Park ),서동철 ( Dong-cheo 한국환경농학회 2022 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2022 No.-

현재 우리나라 음식 폐기물은 15,000톤/일 가량이 발생하고 있으며 처리 비용만 연간 1조원 이상이 소요되는 것으로 알려져 있다. 기존의 처리방식인 직매립 및 해양투기는 법 개정과 런던협약에 의해 금지되었고, 이에 따라 음식 폐기물의 자원화 기술 개발의 필요성이 대두되었다. 현재 퇴비화, 사료화 등을 통한 자원화를 진행하고 있으나 식물의 염류 장해, 가축 질병 발생 및 긴 처리시간 소요 등의 문제점이 잇따라 발생하며 보다 실용적이고 효율적인 방안이 필요한 실정이다. 이에 본 연구는 열분해를 통해 음식 폐기물 바이오차를 제조한 후, 열분해 온도에 따른 이화학적 특성을 분석하여 자원으로써 활용 가능성을 평가하였다. 음식 폐기물(이하 FW) 일정량을 각각 350℃, 500℃ 및 700℃(이하 FWB350, FWB500, FWB700)에서 4시간 동안 열분해 하여 바이오차를 제조하였고, 각각의 이화학적 특성을 분석하였다. 분석 결과 유기물 함량은 40.85%(FWB700)<46.83%(FWB500)<72.26%(FWB350)<82.69%(FW)로 나타났으며, pH는 5.11(FW)<6.94(FWB350)<10.14 (FWB500)<11.74(FWB700)로 나타났다. 무기성분 함량은 FW에서 T-N(2.58%), P(0.9%), K(0.8%), Ca (3.66%), Mg(0.16%), Na(1.44%)로 나타났으며, FWB에서는 T-N(2.22-2.89%), P(1.78-3.28%), K(1.63- 2.75%), Ca(8.02-13.7%), Mg(0.31-0.56%), Na(2.27-4.26%)로 열분해 온도가 높아질수록 함량이 더 높아지는 경향을 나타냈다. 유해 중금속인 As, Cd, Pb, Hg는 미검출 되었다. FT-IR 분석결과 FW에서는 보이지 않던 C-Cl 결합이 FWB에서 565cm^-1과 605cm^-1에서 나타났다. FW, FWB350에서는 관찰되던 2923cm^-1의 NH₄⁺ 작용기는 FWB500, FWB700에서는 사라졌다. 1040cm^-1에서 C-OH결합, 1634cm^-1에서 C=C 결합, 3433cm^-1에서 OH작용기는 공통적으로 나타났으며 온도가 높아질수록 강도가 세지는 경향을 나타냈다. 위의 결과를 토대로 식물 생장에 필수적인 무기성분을 다량 함유하고 있는 양질의 FWB는 식물 생육 증진 및 토양 개량제로서의 잠재성을 가지고 있다고 평가될 수 있다.

음식폐기물 바이오차의 염분제거를 위한 초음파 처리 기술의 개발

김신실 ( Sin-sil Kim ),노준석 ( Jun-suk Rho ),박유진 ( Yu-jin Park ),김근우 ( Keon-woo Kim ),서동철 ( Dong-cheol Seo ) 한국환경농학회 2023 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2023 No.0

음식폐기물(FW)은 도시고형폐기물의 20~25% 이상을 차지하며, 매년 배출량이 증가하고 있어 감량화하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. FW의 함수율은 70% 이상으로 매우 높아 부패가 쉬워 처리에 어려움을 겪고 있다. 호기성 퇴비화는 FW를 처리하는데 있어 40~50% 정도만 감량화되는데, FW를 열분해할 경우에는 75~80% 이상의 감량화 효과를 가져올 수 있다. 하지만 열분해시 음식폐기물 내의 염분이 농축되어 음식폐기물 바이오차(FWBC)의 염분함량이 농축되는 부작용이 발생하게 된다. FWBC는 열분해 온도에 따라 5~10%까지 염분함량이 농축되어 이를 처리하기 위한 후처리공정이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 음식 폐기물을 감량화하기 위해 열분해할 경우 발생하는 염분농축 문제를 해결하고자 탈염을 위한 초음파 처리 조건에 따른 음식 폐기물의 염분제거효과를 확인하고자 하였다. FW를 350℃에서 4시간 동안 열분해하여 FWBC로 제조하였을 때, 염분 함량은 5% 이상으로 농축되었다. FWBC의 염분을 제거하기 위해 35Hz와 53Hz의 세기의 초음파를 시간에 따라 처리하였다. 반응 후 35Hz에서는 5 sec, 53Hz에서는 15 sec 만에 염분함량을 1% 미만으로 감소시켰고, 반응 1 min 후 모든 처리구에서 90% 이상의 높은 염분 제거 효율을 나타냈다. 반면 물세척의 경우 반응 30 min이 지나야 염분제거 효율이 90% 이상에 도달하였다. 이러한 결과는 FWBC의 염분제거과정에서 초음파기반의 탈염기술을 도입하는 것이 효과적임을 시사한다.

화학적 활성화가 폐사체 바이오차의 물리적 특성에 미치는 영향

김신실(Sin-Sil Kim),노준석(Jun-Suk Rho),이수림(Su-Lim Lee),이재훈(Jae-Hoon Lee),박종환(Jong-Hwan Park),서동철(Dong-Cheol Seo) 한국토양비료학회 2022 한국토양비료학회 학술발표회 초록집 Vol.2022 No.10

축사 깔짚의 부숙화 효율 증진을 위한 미생물제의 기초 특성 평가

최아영(Ah-Young Choi),김신실(Sin-Sil Kim),이수림(Su-Lim Lee),이재훈(Jae-Hoon Lee),노준석(Jun-Suk Rho),박종환(Jong-Hwan Park),서동철(Dong-Cheol Seo) 한국토양비료학회 2021 한국토양비료학회 학술발표회 초록집 Vol.2021 No.11

축산업의 대규모화와 사육두수가 증가함에 따라 가축분뇨 발생량도 꾸준히 증가하고 있다. 현재 톱밥에 의한 깔짚 사용은 미완숙된 축산분뇨 퇴비 문제를 해결하는데 한계가 있으며, 여러 환경문제를 야기시키고 있다. 미생물이 혼합된 발효깔짚은 병원균의 증식을 억제하고, 가축으로부터 배설물이 배출되면 수분조절과 함께 저온 발효가 진행될 수 있게 하여 부숙 시간을 단축하고 부숙도를 안정적으로 관리할 수 있다. 이에 본 연구에서는 안정적인 부숙도 관리를 위해 미생물 제제를 깔짚과 혼합하여 가축분뇨 내의 유기물 분해를 가속화시키고자 하였으며, 우선 발효깔짚의 부숙화 효율을 증진하기 위해 필요한 단일 미생물 3종(B. subtilis, L. sakei, S. cerevisiae)과 3종(L. casei, S. cerevisiae, P. deserticola)이 혼합된 혼합미생물 1종의 퇴비화 시 기초 생육 특성을 평가하고자 하였다. 이를 위해서 탄소원, 질소원, 온도, pH에 의한 영향을 조사하였고, 각각의 실험조건에서 미생물의 생장속도는 OD<SUB>600nm</SUB>를 측정하였다. 미생물 생육특성은 탄소원 종류별(Sucrose, Lactose, Acetate, Citrate)로 조사하였으며, 질소원 종류별(Peptone, Yeast extract, Urea, NH₄Cl)로 조사하였다. 실험 결과 부숙화 효율 증진을 위한 미생물제의 최적 탄소원은 Sucrose, 최적 질소원은 Yeast extract, 최적 온도는 35℃, 최적 pH는 7~9 이었으며, 사용된 미생물 모두 퇴비 부숙에 적합한 것으로 판단되었다.

동물성과 식물성 바이오매스의 혼합 비율별 열분해에 따른 바이오차의 특성 변화

노준석(Jun-Suk Rho),김신실(Sin-Sil Kim),이재훈(Jea-Hoon Lee),이수림(Su-Lim Lee),박종환(Jong-Hwan Park),서동철(Dong-Cheol Seo) 한국토양비료학회 2022 한국토양비료학회 학술발표회 초록집 Vol.2022 No.10

펜톤산화공정에 의한 농업용 멀칭비닐의 최적분해조건

최아영 ( Ah-young Choi ),김신실 ( Sin-sil Kim ),이수림 ( Su-lim Lee ),이재훈 ( Jae-hoon Lee ),노준석 ( Jun-suk Rho ),이슬린 ( Seul-lin Lee ),박유진 ( Yu-jin Park ),구도희 ( Do-hee Gu ),박종환 ( Jong-hwan Park ),서동철 ( Dong-cheol 한국환경농학회 2022 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2022 No.-

농업용 멀칭비닐(Polyethylene;PE)은 토양의 온도와 수분 유지, 비료 유실 방지, 잡초 발생 억제 등의 이점으로 인해서 전 세계적으로 농민들은 작물 재배를 위해 멀칭비닐을 관행적으로 사용한다. 하지만 농경지에서 멀칭비닐의 수거율은 약 70%로 수거되지 못하고 쌓여있는 멀칭비닐이 연간 7만톤 정도로 매우 많은 실정이다. 멀칭비닐은 자연적으로 분해되는데 50~100년 이상의 많은 시간이 소요되므로 환경문제를 일으킨다. 펜톤 산화공정은 과산화수소와 철염을 반응시킴으로써 생성되는 강력한 산화력을 가지는 OH라디칼을 이용하여 오염물질을 산화분해할 수 있다. 펜톤 산화는 생물학적으로 분해가 어려운 물질 또한 산화분해 시켜서 생물학적인 처리가 가능할 수 있도록 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 펜톤 산화공정을 이용하여 농업용 멀칭비닐을 분해하기 위한 최적 조건을 확립하고자 하였다. 과산화수소와 철염의 주입 비율(30:1, 10:1, 5:1, 3:1, 1:0) 및 주입농도(0.5%:1000 mg/L, 1%:2000 mg/L, 1.5%:3000 mg/L, 3%:6000 mg/L, 6%:12000 mg/L)를 다르게 하여 일정한 크기로 자른 멀칭비닐과 1시간 동안 반응시켰다. 멀칭비닐을 펜톤 반응 후 SEM과 FTIR로 멀칭비닐의 표면과 관능기의 변화를 분석하였다. 과산화수소와 철염의 주입 비율이 5:1일 때 멀칭비닐의 표면 및 관능기에 가장 큰 변화가 일어났으며, 그 다음으로 10:1, 3:1, 30:1, 1:0 순이었다. 반응 후 표면에 균열과 구멍이 생성되었다. 그리고 반응 전과 비교하였을 때 반응 후에 C=O, C-O 피크가 형성됨으로써 멀칭비닐이 산화되었음을 알 수 있었다. 과산화수소와 철염의 농도가 3%:6000 mg/L일 때 멀칭 비닐의 표면과 관능기에 가장 큰 변화가 관찰되었으며, 나머지 농도에서는 3%:6000 mg/L에 비해서 변화가 적었다. 따라서 멀칭비닐을 분해하기 위한 최적 조건은 과산화수소와 철염의 주입 비율이 5:1, 농도가 3%:6000 mg/L인 것으로 나타났으며, 최적 조건을 활용한다면 멀칭비닐의 산화분해의 효율을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.

공열분해에 의해 제조된 Nutrient-Rich Biochar가 토양 미생물 군집에 미치는 영향

노준석 ( Jun-suk Rho ),최아영 ( Ah-young Choi ),김신실 ( Sin-sil Kim ),정빈 ( Bhin Jung ),서동철 ( Dong-cheol Seo ) 한국환경농학회 2023 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2023 No.0

Biochar application to soil is recommended for its advantages in reducing greenhouse gas emissions and improving soil quality on agricultural land. However, plant-based biochar, certified as agricultural material in South Korea, has low nutrient content such as nitrogen (N) and phosphorus (P). When applied alone to the soil, it can cause nutrient deficiencies, limit crop growth, and enhance soil microbial diversity. Therefore, separate fertilizer prescription is necessary during biochar treatment, but a disadvantage is a need for excessive processing due to the easy leaching of nutrients from fertilizers. Hence, in this study, we aimed to manufacture biochar with improved nutrient and leaching characteristics by utilizing animal biochar, which is rich in nutrients and resources. We produced nutrient-rich biochar (NR-BC) by mixing plant-based and animal-based biochar and subjecting it to pyrolysis. We measured the P-fractionation of NR-BC using the modified Hedley fractionation method, and the microbiome difference in the soil 30 days after applying NR-BC treatment was measured. The analysis of P leaching form revealed that 94% of P in NR-BC was insoluble, indicating that the nutrients converted to an insoluble form during thermal decomposition. Although there was no significant difference in the changes at the phylum level of soil microorganisms between the untreated and control plots, applying NR-BC to the control plots resulted in a 5.4% decrease in Actinobacteria and a 6.2% increase in Proteobacteria, along with an increase in species diversity and richness. This suggests an increase in microorganisms that convert insoluble forms of Proteobacteria into soluble forms. Based on these results, the co-pyrolysis of animal and plant biochar was confirmed to improve biochar's nutrient content and leaching characteristics, making it a potential new form of fertilizer.

바이오차 첨가 혼합 깔짚에 우분 투입시 퇴비화 영향 평가

박유진 ( Yu-jin Park ),이재훈 ( Jae-hoon Lee ),김신실 ( Sin-sil Kim ),이슬린 ( Seul-rin Lee ),서동철 ( Dong-cheol Seo ) 한국환경농학회 2023 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2023 No.0

현재 우사에서 사용하고 있는 톱밥깔짚은 국내 수급이 불안정하고 부숙도 만족을 위한 퇴비 기간이 길어 톱밥을 대체할 만한 깔짚이 필요한 실정이다. 본 연구진의 선행연구에서 피트모스와 바이오차를 8:2로 혼합하였을 때, 피트모스는 퇴비 부숙을 촉진하는 능력이 좋지만 수분조절재로써 수분조절능력이 부족하였다. 반면 코코피트와 바이오차를 8:2로 혼합하였을 때, 코코피트는 수분조절능력이 좋지만 퇴비 부숙을 촉진하는 능력이 부족하였다. 따라서 바이오차에 부숙촉진 효과가 뛰어난 피트모스, 수분조절 효과가 뛰어난 코코피트를 혼합하여 우사용 깔짚으로 사용하고자 하였다. 본 연구에서는 바이오차와 피트모스, 코코피트를 각각 2:8:0(B2+P8C0), 2:6:2(B2+P6C2), 2:4:4(B2+P4C4), 2:2:6(B2+P2C6)의 부피비로 혼합하여 깔짚을 제조하고, 우분뇨와 혼합하여 퇴비화 효율을 평가하였다. B2+P8C0, B2+P6C2 및 B2+P4C4는 퇴비화 과정에서 온도가 70℃까지 도달하였지만, B2+P2C6는 64℃까지만 상승하였다. 수분함량, pH 및 EC는 처리구별로 큰 차이 없이 유사한 경향으로 변화하였다. 퇴비의 최종 유기물 함량은 B2+P2C6 > B2+P4C4 > B2+P8C0 > B2+P6C2 순이었다. 퇴비의 총 질소 함량은 B2+P8C0와 B2+P6C2에서 높았으며, 유기물/질소율은 B2+P4C4와 B2+P2C6에서 높았다. 기타 유해성분 및 이화학적 특성은 모든 처리구에서 퇴비품질공정규격을 만족하였다. 따라서 B2+P6C2으로 혼합된 깔짚에서 고온이 길게 유지되고, 유기물 함량이 다른 처리구들보다 낮아 유기물의 분해가 잘 이루어져 퇴비로 사용하기에 가장 적합할 것으로 판단된다.

피트모스, 코코피트 및 바이오차 혼합 깔짚의 우사에서 발생하는 악취 저감 효율

이재훈 ( Jae-hoon Lee ),이수림 ( Su-lim Lee ),노준석 ( Jun-suk Rho ),최아영 ( Ah-young Choi ),김신실 ( Sin-sil Kim ),이슬린 ( Seul-rin Lee ),박유진 ( Yu-jin Park ),이시연 ( Si-yeon Lee ),박종환 ( Jong-hwan Park ),서동철 ( Dong-che 한국환경농학회 2022 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2022 No.-

국내의 우분뇨 배출량이 지속적으로 증가하고 있으며, 악취로 인한 주민들의 민원 건수가 증가하고 있다. 또한 우사에서 주로 사용하던 톱밥 깔짚에 대한 문제들이 제기되면서 대체 깔짚이 필요한 실정이며, 피트모스, 코코피트 및 바이오차의 단일 소재에 대한 악취 저감 특성은 본 연구진에 의해 조사된 바 있다. 따라서 깔짚의 악취 저감 효율을 증진하기 위하여 피트모스, 코코피트 및 바이오차를 일정한 비율로 혼합하여 제조한 깔짚의 악취 저감 특성을 평가하였다. 깔짚은 톱밥, 코코피트, 피트모스 및 바이오차의 단독 처리구와 코코피트:피트모스:바이오차=4:4:2(CP4:PM4:BC2), 2:6:2(CP2:PM6:BC2)의 비로 혼합한 혼합 처리구를 두어 실험을 수행하였다. 악취는 환경부령으로 고시된 지정악취물질 22종을 분석하였다. 악취 채취를 위하여 밀폐가 가능한 용기에 깔짚과 우분뇨를 투입하여 혼합한 뒤 휴대용 악취 샘플러를 사용하여 기체를 포집하여 분석을 수행하였다. 깔짚과 우분뇨를 혼합하고 7일 후에 악취를 채취하였다. 우분뇨만 처리한 대조구 대비 톱밥, 코코피트, 피트모스 및 바이오차 단독 처리구의 악취 저감 효율은 각각 70, 67, 78 및 76% 였으며, 혼합 처리구인 CP4:PM4:BC2 및 CP2:PM6:BC2의 악취 저감 효율은 각각 85 및 92%로 나타났다. 단독 처리구에서는 피트모스 및 바이오차의 악취 저감 효율이 톱밥 및 코코피트의 악취 저감 효율보다 높게 나타났다. 혼합 처리구는 단독 처리구에 비해 악취 저감 효율이 더욱 뛰어났으며, 특히 CP2:PM6:BC2의 악취 저감률이 92%로 다른 깔짚보다 효과적이었다.

미량원소가 함유 바이오차 복합비료가 상추와 배추의 생육에 미치는 영향

이수림 ( Su-lim Lee ),이재훈 ( Jae-hoon Lee ),노준석 ( Jun-suk Rho ),최아영 ( Ah-young Choi ),김신실 ( Sin-sil Kim ),이슬린 ( Seul-rin Lee ),박유진 ( Yu-jin Park ),박종환 ( Jong-hwan Park ),서동철 ( Dong-cheol Seo ) 한국환경농학회 2022 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2022 No.-

본 연구진에 의해 우드펠릿 기반 전소발전소에서 생성된 저회는 바이오차로 규명되었다. 바이오차는 많은 연구를 통해서 토양개량제로서 많은 물리화학적 기능을 수행할 수 있다고 보고되었다. 또한, 바이오차를 처리하면 토양의 양분 보유능력이 향상되고, 미량원소 공급 등에 효과적 이라고 평가되었다. 바이오차는 다양한 미량원소 성분을 보유하고 있지만, 일부 식물에 필수적인 미량원소의 함량이 부족하여 시용 시 비료와 혼용이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 미량원소 성분이 보증된 미량원소 함유 바이오차의 처리가 상추 및 배추의 생육에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. WB에 붕소와 몰리브덴의 함량을 보증하기 위해서 붕소와 몰리브덴을 첨가하였다. 붕소와 몰리브덴의 함유량은 각각 0.05 및 0.0005%가 되게 하였고, 이들은 수용성으로 제조하여 함량을 보증하였다. 미량원소 복합저회는 100 kg/10a를 기준으로 50(반배량), 100(기준량) 및 200(두배량) kg/10a 으로 처리하였고, NPK는 상추 및 배추의 권장시비량으로 처리하였다. NPK에 미량원소 함유 바이오차를 처리하였을 때 NPK만 처리하였을 때 보다 상추의 생육이 약 40.8% 증가하였다. 최적의 미량원소 복합비료 처리량은 50 kg/10a 이었으며, 이때의 상추 생산량은 2150 kg/10a, 생산지수는 172 이었다. 배추의 생육은 상추의 생육과 유사하게 NPK 처리구에 비해서 미량원소 복합비료 처리구에서 증가하였으며, 미량원소 복합비료 50 및 100 kg/10a 처리구의 생체중은 거의 유사하였다. 하지만, 미량원소 복합비료의 처리량이 200 kg/10a로 증가하였을 때 배추의 생체중은 약간 감소하여, 배추의 미량원소 복합비료 최적 처리량은 50~100 kg/10a 이었다. 본 연구결과를 통해서 붕소 및 몰리브덴이 보증된 WB는 상추 및 배추의 생육을 증진할 수 있는 비료로써 활용할 수 있다는 것을 확인할 수 있었으며, 미량원소 복합비료의 최적 처리조건을 구명할 수 있었다.