음식물 탈리액의 유기물 및 암모니아성 질소 처리 공정 효과에 대한 연구 : 음식물 탈리액의 처리 공정 최적화 = A Study on the Treatment of Organic Matter and Ammonia Nitrogen in Food Waste Leachate

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 『음식물 탈리액』의 고도 처리를 통해 에너지 자원화
와 수질 개선을 동시에 달성할 수 있는 통합형 처리 공정, 즉
BNCR 공정(Basic NaClO Chemical Reaction)의 개발과 실증을 목
적으로 수행되었다. 연구는 효소 전처리, 가수분해, 산 발효, 메탄
발효, 그리고 BNCR 공정으로 구성되었으며, 실험실 규모
(Lab-scale), 파일럿 규모(Pilot-scale), 현장 규모(Field-scale)로 구
성된 다단계 실험 설계(Multi-scale Experimental Design)를 기반
으로 단계적으로 진행되었다.
『음식물 탈리액』과 『주정 폐액』을 혼합한 고농도 유기성 폐수
에 효소 전처리 기술을 적용한 결과, 유기물 부하가 증가한 조건에
서도 pH 및 휘발성 지방산(Volatile Fatty Acid) 농도가 안정적으
로 유지되었고, 일일 메탄 생성량은 약 2,000 Nm³ 수준으로 향상
되어 바이오가스 생산성이 크게 개선되었다. 실험 결과는 정규성
검정, 피어슨 상관분석, 분산분석(ANOVA), 회귀분석, Tukey 사후
검정 등의 통계 분석 기법을 통해 공정의 신뢰성과 반복성을 정량
적으로 입증하였다
고농도의 암모니아성 질소(NH4⁺-N) 제거를 위한 후처리 단계에
서는 NaClO 기반의 BNCR 공정을 적용하여 약 90% 이상의 제거
효율을 달성하였다. 특히, pH 조건 최적화를 통해 약품의 흡착 손
실을 줄이고 반응 효율을 극대화할 수 있음을 실험적으로 확인하
였다.
공정 전반에 대한 정량적 검증 결과, 반응의 안정성, 처리 효율성,
슬러지 특성 및 실험 반복성 등이 통계적으로 유의하게 입증되었
으며, 이는 본 공정의 기술적 유효성과 신뢰성을 뒷받침하는 과학
적인 근거로 작용한다. 다만, 잔류 약품에 대한 독성 평가 및 경제
성 분석은 본 연구 범위에 포함되지 않아, 향후 환경 안전성 및 경
제적 타당성 확보를 위한 후속 연구가 필요하다.
결론적으로 본 연구는 BNCR 공정을 중심으로 한 통합처리 시스
템이 에너지 회수형 폐수 처리 기술로서의 가능성을 갖고 있음을
입증하였으며, 이는 향후 탄소중립 및 온실가스 저감 정책 실현에
기여할 수 있는 기초 기술로서 학문적·산업적 가치를 가질 것으로
사료된다

목차 (Table of Contents)

• 국문요지 = ⅰ
• 차례 = ⅲ
• List of Tables = ⅶ
• List of Figures = ⅸ
• List of Appendices = ⅻ
• List of Abbreviations & Symbols = xiii
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구의 필요성 및 배경 = 1
• 2. 연구의 목적 및 범위 = 3
• 3. 연구의 절차 및 과정 = 4
• Ⅱ. 이론적 배경 = 5
• 1. 혐기성 소화 연구 동향 = 5
• 1.1 국내현황 = 6
• 1.2 해외 및 국내 음식물류 폐기물 처리 현황 = 33
• 2. 혐기성 소화 기술 동향 = 36
• 2.1 고농도 유기물 전처리 기술 = 36
• 2.2 암모니아의 물리·화학적 처리의 원리 = 41
• 2.3 생물학적 고도 처리 원리 = 46
• Ⅲ. 연구재료 및 방법 = 49
• 1. 연구 설계 및 분석 방법 = 49
• 2. 연구 대상 및 실험 방법 = 49
• 2.1 가수분해 실험(실험실 규모) = 50
• 2.2 산 발효 실험(실험실 규모) = 52
• 2.3 메탄 발효 실험(실험실 규모) = 53
• 3. 메탄 발효 실험(파일럿 규모) = 54
• 4. 메탄 발효 실험(공장 규모) = 56
• 5. 분석 방법 및 장비 = 57
• 6. 음식물쓰레기 원소분석 및 이론적 메탄생성량 분석 = 59
• 7. 암모니아성 질소 처리 실험(실험실 규모) = 60
• 7.1 암모니아성 질소 처리(실험 1) = 60
• 7.2 암모니아성 질소 처리(실험 2) = 60
• 7.3 암모니아성 질소 처리(실험 3) = 61
• 7.4 암모니아성 질소 처리(실험 4) = 62
• 8. 암모니아성 질소 처리 실험(공장 규모) = 62
• 9. 분석 장비 및 방법 = 63
• 9.1 질소분석 = 63
• 9.2 총 유기탄소 분석 = 65
• 10. 생화학적 질소 처리 공정 설계 장치도 = 66
• 11. 자료 분석 및 통계적 검정 = 68
• Ⅳ. 연구 결과 = 69
• 1. 연구 실험 결과 = 69
• 1.1 가수분해 실험(실험실) = 69
• 1.2 산 발효 실험(실험실) = 72
• 1.3 메탄 발효 실험(실험실) = 76
• 2. 음식물 탈리액과 주정 폐액의 효소 전처리 결과(파일럿) = 78
• 3. 메탄 발효 실험(공장) = 81
• 3.1 메탄 발효 실험 = 81
• 3.2 혐기성 소화조 유입수의 유기물 농도 변화 = 82
• 3.3 혐기성 소화조의 유기산 농도 = 84
• 3.4 혐기성 소화조 메탄가스 생성량 비교 = 85
• 3.5 혐기성 소화조의 pH 농도 변화 = 87
• 3.6 화학적 산소 요구량 측정 제거 농도 비교 = 89
• 3.7 혐기성 소화 미생물 군집 분석 = 90
• 4. 암모니아성 질소 처리 실험 결과(실험실) = 93
• 4.1 암모니아성 질소 처리 실험 결과(실험 1) = 93
• 4.2 암모니아성 질소 처리 실험 결과(실험 2) = 96
• 4.3 암모니아성 질소 처리 실험(실험 3) = 98
• 4.4 암모니아성 질소 처리 실험 결과(실험 4) = 100
• 4.5 생물학적 처리 수 잔류 암모니아 및 유기물 제거 = 102
• 5. 암모니아성 질소 처리 실험(공장) = 106
• 5.1 암모니아성 질소 운전 결과 = 106
• 5.2 수소이온농도 운전 결과 = 108
• 5.3 총 유기탄소 처리 운전 결과 = 109
• 5.4 총 질소 처리 운전 결과 = 111
• 5.5 공장규모 실험 결과의 검정 = 115
• Ⅴ. 연구고찰 및 공정 성능 검증 = 119
• 1. 음식물 탈리액과 주정 폐액의 효소 전처리 결과 = 119
• 1.1 가수분해 실험 = 119
• 1.2 산 발효 실험 = 120
• 1.3 메탄 발효 실험 = 121
• 2. 음식물 탈리액과 주정 폐액의 효소 전처리 결과 = 122
• 3. 음식물 탈리액과 주정 폐액의 효소 전처리 결과 = 123
• 4. 암모니아성 질소 처리 실험(실험실) = 124
• 4.1 암모니아성 질소 처리(1차 실험) = 124
• 4.2 암모니아성 질소 처리(2차 실험) = 125
• 4.3 암모니아성 질소 처리(3차 실험) = 126
• 4.4 암모니아성 질소 처리(4차 실험) = 126
• 4.5 생물학적 처리 수 잔류 암모니아 및 유기물 동시 제거 = 127
• 5. 암모니아성 질소 처리 실험(공장) = 128
• 6. 공정 성능 검증 및 분석 = 130
• 6.1 반응 안정성의 정량적 검증 = 130
• 6.2 처리 효율성 검증 = 133
• 6.3 반복 실험 통계 분석 = 136
• 6.4 검증 한계 및 비포함 항목 = 137
• Ⅵ. 결론 = 139
• References = 141
• Abstract = 154
• Appendix = 157