1. 서 론
현대 사회에서 플라스틱은 경량성, 내구성 및 가공성이 우수하여 포장재, 일회용품, 산업자재 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용되고 있다[1]. 그러나 화석연료 기반의 기존 플라스틱은 자연 분해가 어려워 적절히 처리되지 않고 자연계에 배출되면 환경오염 문제를 야기할 수 있으며, 이에 따라 재생 가능한 자원을 원료로 하는 생분해 플라스틱(Biodegradable plastic)에 대한 관심이 증가하고 있다[2]. 대표적인 생분해 플라스틱인 폴리젖산(Polylactic acid, PLA)은 옥수수, 사탕수수 등 바이오매스를 기반으로 제조되어 탄소중립적 특성을 지니며, 기존 플라스틱을 대체할 수 있는 소재로 주목받고 있다[3].
생분해 플라스틱이 기존 상업화된 플라스틱의 대안으로 각광받고 있음에도 불구하고, 사용 후 발생한 생분해 플라스틱 폐기물 처리 과정에서는 여전히 기술적 한계가 존재한다. 대표적인 유기성 폐기물 처리 방법인 퇴비화 공정이 적용되고 있으나, 산업 퇴비화 조건에서 PLA 폐기물의 완전 분해는 제한적인 것으로 보고되고 있다[4-5]. 이에 대한 대안 기술로 혐기성소화(Anaerobic digestion, AD)가 주목받고 있다. 혐기성소화는 가수분해, 산 생성, 초산 생성 단계를 거쳐 최종적으로 바이오가스를 생산하는 공정이다. 여기서 생성된 메탄(CH4)을 에너지원으로 활용할 수 있다는 점에서 환경적으로 지속가능한 기술로 평가된다[6]. 선행 연구에 따르면 전처리 기술이 결합된 혐기성소화 공정을 적용할 경우 생분해 플라스틱 단독으로도 메탄 생산이 가능하나, 장기간 소화조를 안정적으로 운영하는 데에는 한계가 있을 수 있다. 일반적으로 혐기성소화의 최적 탄소/질소(C/N) 비는 20:1에서 30:1 범위로 알려져 있으나, 탄소 함량이 높은 생분해 플라스틱의 특성으로 인해 소화액의 C/N 비가 이 범위를 초과할 가능성이 있다[7].
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 통합소화(Co-digestion) 기술이 제안되고 있다. 통합소화는 물리･화학적 성상이 상이한 둘 이상의 유기성 폐기물을 혼합하여 단일 소화조에서 처리하는 공정으로, 기질 간 영양 균형 개선을 통해 소화 효율 향상, 공정 안정성 확보 및 바이오가스 생산 증대 등의 장점을 지닌다[8]. 통합소화 기질로는 음식물류폐기물(Food waste, FW)과 잉여슬러지(Waste activated sludge, WAS)가 주로 활용되고 있다. 음식물류폐기물은 탄수화물 기반 유기물이 풍부하여 분해 속도가 빠르고 에너지 잠재력이 높은 반면, 잉여슬러지는 단백질 함량이 높은 기질로 질소 및 영양염류 공급원으로서 미생물 생장과 활성 유지에 기여할 수 있다[6]. 이러한 특성으로 인해 탄소 위주의 PLA와 음식물류폐기물 또는 잉여슬러지를 함께 소화할 경우, 기질 간 영양 불균형이 완화되고 미생물 활성이 증진되어 분해 효율 및 메탄 생산량이 증가하는 시너지 효과를 기대할 수 있다. 기존 문헌에 따르면 PLA를 음식물류폐기물과 통합소화할 경우 단독소화 대비 메탄수율이 유의미하게 증가하여, 중온 조건에서 약 180-260mL CH4/g COD의 수준을 보였다[9]. 잉여슬러지와의 통합소화에서는 음식물류폐기물에 비해 메탄수율 증가 효과는 상대적으로 제한적이나, 메탄수율이 증가하는 것이 관찰되었다[10].
이에 본 연구에서는 PLA 폐기물과 음식물류폐기물 및 잉여슬러지를 대상으로 중온 조건의 회분식 혐기성소화 실험을 수행하여, 단독 소화 및 통합소화 조건에서의 메탄 발생 특성과 시너지 효과를 비교･평가하고자 한다. 혼합 비율(PLA 폐기물:타 유기성 폐기물)은 화학적 산소요구량(Chemical oxygen demand, COD) 기준 1:9, 3:7 및 5:5로 설정하였다. 각 조건에서의 메탄수율과 시너지 지수를 산정하고, 기질 종류에 따른 시너지 효과의 유의성은 이원분산분석(Two-way ANOVA)을 통해 검증하였으며, 혼합비 단독효과는 일원분산분석(One-way ANOVA)을 적용하여 정량적으로 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1. 유기성 폐기물과 식종균
음식물류폐기물은 S대학교 구내식당에서 발생한 조리 잔반을 사용하였으며, 밥, 채소류, 토마토, 육류 등이 혼합된 형태로 탄수화물과 단백질 성분을 모두 포함하고 있다. 수거된 음식물류폐기물은 수돗물과 질량비 3:7로 혼합한 후 믹서기를 이용하여 균질화한 후, 10 메쉬(mesh)를 이용하여 고형물을 제거하고 실험에 사용하였다. 잉여슬러지와 혐기성 소화슬러지(식종균)은 S시 소재 공공하수처리시설에서 채취하였다. 식종균으로 사용한 소화슬러지는 중온 조건에서 장기간 안정적으로 운영 중인 소화조에서 채취한 것으로, 본 실험에서 사용하기 전에 사전 배양을 통해 잔존 유기물 및 가스를 제거한 후 사용하였다(식종균 성상: pH 7.8±0.1; Alkalinity 4.5±0.4g CaCO3/L; Total solids(TS) 13.2±0.1g/L; Volatile solids(VS) 9.2±0.1g/L; COD 32.3±3.2g/L). PLA 폐기물은 국내 생수 제조사 ㈜아임에코에서 PLA 생수병 제조 공정 중 발생한 공정 부산물(불량품 및 절단 잔재)를 제공받아 사용하였다. 해당 PLA 생수병은 옥수수, 사탕수수 등 바이오매스를 원료로한 100% 바이오 기반 PLA 수지(Luminy® LX575)를 사용하여 제작된 제품으로, 상업적으로 유통 중인 생분해성 생수병이다. 해당 수지는 밀도 1.24g/cm3, 용융온도 약 165oC, 유리전이온도 약 60oC의 물성을 가지고 있다. 제공된 PLA 폐기물은 체거름을 통해 입경크기가 10mm 이하인 부산물을 사용하였다. 본 실험에 사용한 각 유기성 폐기물의 성상은 Table 1에 정리하였다.
2.2. 성상분석
시료들의 TS, VS, COD, 알칼리 농도는 공정시험법 기준에 따라 분석하였으며 pH 미터(HM-3R, DDK-TOA)를 사용하여 각 시료의 pH를 측정하였다. 바이오가스 내 메탄 함량은 열전도도 검출기(Thermal conductivity detector, TCD)가 장착된 Gas Chromatography(Gow Mac series 580)를 이용하여 분석하였다. 컬럼은 6 ft×1/8 inch stainless steel column with porapak Q(80/100mesh)을 사용하였으며 샘플 주입구(injector) 온도 50oC, 컬럼(column) 온도 80oC, 검출기(detector) 온도 90oC 조건에서 분석을 수행하였다. 고순도 질소(N2, 99.999%) 가스를 운반기체로 사용하였으며 분석이 진행되는 동안 30mL/min을 유지하였다.
2.3. BMP(Biochemical methane potential) 실험
각 유기성 폐기물의 메탄잠재량 측정은 회분식으로 수행하였다. 채취한 유기성 폐기물을 총 용량 270mL인 유리병(운전용량 150 mL) 첨가하여 초기 유기물 농도가 2g COD/L가 되도록 하였다. 통합소화 실험에서는 PLA 폐기물과 타유기성 폐기물의 혼합 비율(COD 기준)을 1:9, 3:7, 5:5(=PLA 폐기물: 음식물류폐기물 또는 잉여슬러지)으로 달리하여 공급하였다. 기질이 첨가된 이후, 초기 식종균 농도를 4g VS/L가 되도록 사전 배양을 마친 소화슬러지를 첨가하였다. 이어서 NH4Cl, KH2PO4 및 FeCl3을 첨가하여 COD/N/P/Fe 비율이 100:5:1:0.33가 되도록 설정하였으며 추가로 미량 영양소 공급하였다(미량원소 성상(단위:mg/L): NaHCO3 1000; MgCl2·6H2O 100; CaCl2· 2H2O 75; Na2MoO4·4H2O 0.01; H3BO3 0.05; MnCl2·4H2O 0.5; ZnCl2 0.05; CuCl2 0.03; NiCl2·6H2O 0.05; CoCl2·2H2O 0.5; Na2SeO3 0.05). 초기 pH는 3N KOH 용액 또는 3N HCl 용액을 활용하여 7.8±0.1으로 조정되었으며, 준비된 병은 고무 캡과 알루미늄 캡퍼를 이용하여 밀봉한 이후 질소 가스를 이용하여 유리병 내부가 혐기성 상태가 형성되도록 치환하였다. 모든 유리병은 중온 인큐베이터(35±0.1oC)에서 배양되었으며 기질의 혼합 및 생성된 가스 배출을 용이하기 위해 120 rpm으로 혼합하였다. 바이오가스 생성량 측정은 일주일에 2-3회 수행하였으며 바이오가스 생성이 거의 멈출 때까지 진행하였다. 식종균 자체의 내생 분해에 따른 바이오가스 발생을 보정하기 위해 기질 무첨가 대조 조건(blank)을 운영하였으며, 대조 조건에서 발생한 바이오가스량을 기질 첨가 조건에서 측정된 바이오가스 발생량에서 차감하여 기질 투입에 따른 순수한 바이오가스 및 메탄발생량을 산정하였다. 총 2번의 실험을 진행하였고 모든 실험은 동일 조건에서 독립적으로 3회 반복 수행하였다.
2.4. 계산
각 유기성 폐기물의 메탄 발생 특성을 비교하기 위해 실험을 통해 확보한 자료에 수정한 Gompertz 모델(식 1)을 적용하여 메탄 발생 동역학 파라미터를 도출하였다.
여기서, M(t)는 t 시간에서의 누적 메탄발생량(mL), Mm는 최대 메탄발생량(mL), Rm는 메탄발생속도(mL/d), λ는 지체기간(d), e는 2.71828이다.
시너지 효과는 두 개 이상의 요소가 결합해 각각이 독립적으로 작용할 때보다 더 큰 결과를 내는 현상을 말하며 메탄수율에 관한 통합소화의 시너지 효과는 단독소화에서 얻은 유기성 폐기물의 메탄수율을 활용한 이론적 메탄수율(식 2) 대비 실험을 통해서 얻은 혼합기질의 메탄수율의 증가율(식 3)을 나타낸 것으로 세부 계산 과정은 아래와 같다.
여기서, Mco는 통합소화의 이론적 메탄수율(mL CH4/g COD), MPLA는 단독소화에서의 PLA 폐기물의 메탄수율(mL CH4/g COD), WPLA는 첨가한 PLA 폐기물의 첨가비율(0.1, 0.3, 0.5), MFW or WAS는 단독소화에서의 음식물류폐기물 또는 잉여슬러지의 메탄수율(mL CH4/g COD), Wfw는 음식물류폐기물 또는 잉여슬러지의 첨가비율(0.5, 0.7, 0.9), Mex는 통합소화 실험에서 얻은 실제 메탄수율이다.
2.5. 통계분석
통합소화에서 관찰된 시너지 효과를 정량적으로 평가하기 위해 통계 분석을 수행하였다. 분산분석 적용 전, 각 분석 데이터의 정규성은 Shapiro–Wilk 검정을 통해 평가하였으며, two-way ANOVA 및 one-way ANOVA(FW, WAS) 모든 분석에서 정규성 가정이 유의수준 0.05에서 위배되지 않음을 확인하였다(p values: Two-way ANOVA - 0.9897; One-way ANOVA - 0.3451(FW), 0.5831(WAS)). 등분산성의 경우, 혼합비 그룹별 반복수가 적어 검정 통계량이 수치적으로 불안정하게 산출되어 통계적 판정이 제한적이었으므로, 잔차 제곱평균 기반의 구조적 분산 분석을 병행하였다. 그 결과, one-way ANOVA에서 음식물류폐기물과 잉여슬러지 처리군의 잔차 변동성이 각각 0.01957 및 0.01967로 거의 동일하게 나타나 집단 간 분산 구조의 균질성이 구조적으로 확인되었다. 유기성 폐기물의 종류에 따른 시너지 효과 차이를 검정하기 위해 반복이 포함된 이원배치 분산분석(two-way ANOVA)을 적용하였다. 분석 데이터는 타유기성 폐기물의 혼합비(공급 COD 기준 0.9, 0.7, 0.5)는 행 요인으로, 기질 종류는 열 요인으로 설정하였으며, 각 조건당 독립 반복 측정값(n=2)을 포함하였다. 혼합비 효과 검정은 기질 종류별로 데이터를 분리한 후 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)을 통해 도출하였다. 이 분석에서는 혼합비를 독립변수로, 시너지 지수를 종속변수로 설정하여 음식물류폐기물 조건과 잉여슬러지 조건 각각에 대해 혼합비 변화에 따른 시너지 지수의 통계적 차이를 평가하였다. 모든 분산분석에서 유의수준은 95% 신뢰수준(p<0.05)으로 설정하였으며, 통계 분석은 Microsoft Excel(Data Analysis ToolPak)을 활용하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 단독소화
음식물류폐기물, 잉여슬러지, PLA 폐기물의 메탄 발생잠재량을 평가하기 위해 중온 혐기성 조건에서 30일 동안 실험을 수행하였고 누적 메탄발생량을 Fig. 1에 나타냈다. 다른 유기성 폐기물들에 비해 음식물류폐기물로부터 메탄이 급격히 발생하였으며 실험 시작일로부터 3일 이내에 총 메탄발생량의 59.8%가 생성되었고 5일 이후부터는 메탄 생성 속도가 완만해지는 경향이 관찰되었다. 이와 같은 음식물류폐기물의 초기 급격한 메탄 생성 특징은 선행연구에서 보고된 결과와 유사하며, 음식물류폐기물을 대상으로 한 회분식 혐기성소화 실험에서도 초기 13일 이내 총 메탄발생량의 70%가 생성된 사례가 보고된 바 있다[11]. 잉여슬러지의 경우에는 음식물류폐기물에 비해 메탄발생속도는 느렸으나 주요 구간동안 안정적인 경향을 보였다. 반면, PLA 폐기물은 잉여슬러지와 유사하게 전구간 안정적인 메탄 생성 속도를 보였으나 다른 기질에 비해 메탄발생량이 아주 적은 것으로 나타났다.
각 유기성 폐기물의 메탄 발생 특성 비교를 위해 수정한 Gompertz 모델 분석을 하였으며 그 결과는 Table 2에 정리하였다. 최대 메탄발생량과 공급 COD의 양을 기반으로 한 메탄수율은 음식물류폐기물>잉여슬러지>PLA 폐기물의 순서로 나타났다. 이론적 메탄 수율(350mL CH4/g COD) 대비 각 기질의 메탄수율은 음식물류폐기물 71.4%, 잉여슬러지 31.2%, PLA 폐기물 14.9%으로 산출되었으며 이러한 결과는 기존 문헌에서 보고된 유사 조건하의 각 기질로부터 얻은 메탄수율과 유사한 수준을 보였다[12]. 최대 메탄발생속도에서도 기질별로 뚜렷한 차이를 보였다. 음식물류폐기물은 잉여슬러지 및 PLA 폐기물에 비해 각각 7.5배, 24.2배 높은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 각 기질의 조성과 구조적 특징의 영향에 의한 것으로 판단된다. 국내에서 배출되는 음식물류폐기물의 경우 단백질, 지방보다 분해가 용이한 탄수화물의 비중이 높아 전체적으로 생분해도가 우수하며, 또한 주성분 중 하나인 쌀은 조리 과정에서 전분이 호화되어 결정 구조가 파괴되고 효소의 접근성이 증가함으로써 가수분해 속도가 향상되는 것으로 알려져 있다[13]. 이와 같은 특징으로 인해 음식물류폐기물의 메탄발생량(수율)이 높고 발생속도가 빠른 것으로 판단된다. 반면 잉여슬러지는 미생물 세포막과 세포벽, EPS (Extracellular polymeric substances)에 기인한 단백질 함량이 높은 기질로 알려져 있으며 이러한 구조적 특성은 가수분해를 지연시키는 요인으로 작용하여 상대적으로 낮은 메탄 전환 성능을 보인다[6]. PLA 폐기물은 미생물에 의한 생분해가 가능하다고 알려져 있지만 PLA 물질의 높은 결정성 및 안정한 결합구조로 인해 미생물의 직접적인 접근성을 제한하여 가수분해 분해를 제한하여 메탄 생성 속도가 느린 경향이 있다[14]. 이러한 구조적, 물리적 한계는 다양한 분해 환경에서 공통적으로 나타나는 PLA의 주요 분해성 저해 요인으로 언급되고 있다[15].
3.2. PLA 폐기물과 타 유기성폐기물의 통합소화
PLA 폐기물과 타유기성 폐기물과의 통합소화 효과를 알아보고자 혼합 비율을 달리한 BMP 실험을 수행하였으며 다양한 조건에서의 혼합기질의 누적 메탄발생량과 수정한 Gompertz 모델 분석 및 시너지 분석 결과는 Fig. 2와 Table 3에 나타냈다.
음식물류폐기물을 혼합한 조건에서는 세 혼합 조건에서의 메탄 배출 특성이 음식물류폐기물 단독소화와 유사한 경향을 보였으며 이는 PLA 폐기물 대비 음식물류폐기물의 높은 혼합비로 인해 기인한 것으로 판단된다(Fig. 2). 또한, PLA 폐기물 비중이 증가함에 따라 메탄발생량이 점차적으로 감소하는 경향을 보였다. 공급 COD 기반 혼합 조건별 평균 메탄수율은 PLA 폐기물과 음식물류폐기물을 1:9(=P1F9)로 혼합한 조건에서 267.5±4.7 mL CH4/g COD으로 가장 높았으며 PLA 폐기물의 혼합 비율이 증가할수록 감소하였다(P3F7 226.7±24.7 mL CH4/g COD and P5F5 184.2±18.9 mL CH4/g COD). 이와 유사한 경향은 기존 선행연구에서도 보고된 바 있다. 음식물류폐기물과 PLA의 통합소화 연구에 따르면, VS 기준 PLA 혼합 비율이 30%에서 40-50%로 증가할 경우, 통합소화 조건에서의 메탄 발생량(수율)은 최대 메탄 발생량이 관찰된 PLA 혼합 비율 30% 조건 대비 약 13-21% 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 메탄 발생량 감소는 생분해 속도와 분해 효율이 상대적으로 낮은 기질의 비중 증가에 따른 영향으로 해석되고 있다[16]. 특히 중온 혐기성 조건에서 PLA는 높은 결정성과 느린 가수분해 속도를 가지는 기질로 알려져 있으며, PLA 혼합 비율이 증가할수록 공급 기질 전체의 가수분해 단계가 속도 제한 단계로 작용하게 된다[17]. 이와 같은 낮은 생분해 특성으로 인해 혐기성소화 전과 후 PLA의 질량 감소나 표면 구조 변화는 제한적으로 나타나는 것으로 보고되고 있으며, 본 연구에서 관찰된 메탄 발생량 및 수율 감소 경향 역시 이러한 특성과 일관된 결과로 해석될 수 있다[17]. 그 결과, 후속 산생성 및 메탄생성 단계의 반응이 제한되어 전체 메탄 생성 효율이 저하되는 것으로 판단된다. 이에 반해, 평균 시너지 효과는 PLA 폐기물의 혼합 비율이 증가할수록 16.2%(P1F9)에서 21.9%(P5F5)까지 점차 증가하는 경향을 보였다. 이와 같은 결과는 기질 조성과 구조적 특징이 다른 특징이 보완적으로 작용한 것으로 예상된다. 예를 들어, PLA 물질은 일반적으로 C/N비가 높고 미생물의 생장에 필요한 영양염류의 함량이 낮지만 음식물류폐기물은 상대적으로 C/N가 낮고 영양염류 물질함량이 높아 메탄 생성에 유리한 환경을 조성한 것으로 판단된다[18]. 또한, 음식물류폐기물에는 다양한 종류의 미생물들이 포함되어 있으므로 이와 같은 생물학적 다양성이 혼합 기질의 분해 및 메탄 생성 효율을 높일 수 있을 것으로 판단된다[19].
기질의 구성 및 특징이 다른 잉여슬러지를 첨가한 통합소화 실험에서는 PLA 폐기물이 가장 낮은 P1S9에서 평균 메탄수율(105.0±3.5 mL CH4/g COD)이 가장 높은 것으로 나타났으며 앞서 음식물류폐기물을 첨가한 통합소화의 결과와 유사하게 PLA 폐기물 첨가비율이 증가할수록 점차 감소하는 경향을 보였다(P3S7 88.3±13.0 mL CH4/g COD and P5S5 82.5±7.1 mL CH4/g COD). 하지만, 통합소화 조건에서 산정된 시너지 효과에서는 혼합비에 따라 1.48%(P1S9), (-)4.07%(P3S7), 2.23%(P5S5)로 나타나, 혼합비 증가에 따른 일관된 증가 또는 감소 경향은 관찰되지 않았다. 잉여슬러지에도 다양한 종의 미생물과 영양염류 물질이 포함되어 있음에도 불구하고 다른 경향을 보이는 이유는 PLA 물질과 잉여슬러지 모두 중온 혐기 조건에서 가수분해가 느리기 때문인 것이라 판단된다. 앞서 서술한 바와 같이 잉여슬러지는 세포벽과 세포막 내부에 유기물이 포획되어 있어 가수분해 단계가 느린 경향을 가지고 있으며 PLA 물질 또한 결정성 및 형태 등 물리적 요인이 기질 이용성을 제한하므로 동일하게 가수분해 단계가 제한요인이 된다[20]. 이에 반해 음식물류폐기물은 전분 및 당류 등 분해가 쉬운 물질이 풍부하여 가수분해 및 산생성 단계가 신속히 진행되는 특징을 가진다. 이러한 기질 특성의 차이로 인해 음식물류폐기물과 PLA 폐기물의 통합소화에서는 메탄 생산량(수율)이 유의미하게 향상되었으며, 시너지 효과 또한 발현되는 경향을 보였다. 이는 통합소화 공정에서 혼합 기질의 분해 동역학적 특성이 전체 소화 성능을 좌우하는 주요 요인임을 시사한다.
3.3. 통합소화 시너지 효과의 통계적 검증
기질의 종류 및 각 기질의 혼합비율에 따른 시너지 효과 변화의 유의성을 확인하기 위해 통계분석을 수행하였다. Table 4에 제시된 바와 같이 시너지 효과(Mex/Mco)는 기질 종류에 따라 통계적으로 유의한 차이를 보였으나 혼합비율은 전체 평균 효과로는 유의하지 않았다(p>0.05). 이는 본 실험 조건에서 PLA 폐기물 통합소화에 따른 시너지 효과의 유의성이 혼합비율 변화보다는 기질 종류에 의해 더 크게 좌우됨을 시사한다. 이러한 결과는 PLA 폐기물과의 통합소화 시 음식물류폐기물이 보다 유리한 기질로 작용할 수 있음을 정량적으로 뒷받침하며, 통합소화에서 기질 특성의 중요성을 강조한 선행 연구 결과와도 일치한다[21].
기질 종류별 혼합비율 효과를 보다 명확히 평가하기 위해, 음식물류폐기물과 잉여슬러지 조건을 구분하여 일원분산분석을 추가로 수행하였다. 그 결과, 음식물류폐기물 조건에서는 혼합비 변화에 따라 시너지 지수가 통계적으로 매우 유의하게 달라졌으며(p<0.001), 모든 조건에서 이론적 메탄수율을 초과하는 시너지 효과가 일관되게 관찰되었다. 이러한 결과는 음식물류폐기물과 같은 고분해성 기질이 PLA 폐기물 분해 과정에서 생성되는 중간대사산물과 상호보완적으로 작용하여 메탄 생성량을 증가시킬 수 있음을 시사하며, 선행 연구에서 보고된 통합소화 시너지 메커니즘과도 일치한다[22]. 반면, 잉여슬러지 조건에서도 혼합비에 따른 시너지 지수의 통계적 차이는 확인되었으나(p<0.01), 시너지 지수는 1.0 전후 범위에 분포하여 이론적 메탄수율을 안정적으로 초과하는 시너지 효과로 해석하기에는 제한이 있다. 이는 잉여슬러지가 상대적으로 난분해성 유기물 비중이 높고 혐기소화 과정에서 가수분해 단계가 속도 제한 단계로 작용하기 때문에, PLA 폐기물과 통합소화에서도 시너지 효과가 충분히 발현되지 않았을 가능성을 시사한다[23].
종합적으로 본 연구 결과는 PLA 폐기물의 통합소화 적용 시 기질 종류가 시너지 효과 발현의 핵심 결정 요인임을 보여주며, 특히 음식물류폐기물과의 조합에서 혼합비 최적화를 통해 메탄 생산 증대 효과를 극대화할 수 있음을 제시한다. 반면, 잉여슬러지 첨가 조건에서는 단순 혼합비 조절만으로는 실질적인 시너지 효과를 기대하기 어려우며, 전처리 또는 가수분해 촉진과 같은 보완적 공정 전략이 병행될 필요가 있다[21].
4. 결론
본 연구에서는 PLA 폐기물의 혐기성소화를 통한 에너지 회수 특성을 평가하고, 음식물류폐기물 및 잉여슬러지와의 통합소화에서 기질 종류와 혼합비율이 메탄 생산 및 시너지 효과에 미치는 영향을 분석하였다.
1) 단독소화 결과, 메탄수율과 메탄발생속도는 음식물류폐기물, 잉여슬러지, PLA 폐기물 순서로 감소하였으며, 이는 각 기질의 조성 및 구조적 특성에 따른 분해 용이성 차이에 기인한 것으로 판단된다.
2) PLA 폐기물과 음식물류폐기물의 통합소화에서는 PLA 첨가비율 증가에 따라 메탄수율은 감소하였으나, 단독소화 대비 메탄발생속도와 시너지 효과가 유의미하게 향상되어 통합소화의 긍정적인 효과가 확인되었다.
3) 하지만, 잉여슬러지를 첨가한 통합소화에서는 메탄수율 감소 경향은 유사하게 나타났으나, 시너지 효과는 혼합비에 따라 일정한 경향을 보이지 않았으며, 이는 PLA와 잉여슬러지 모두 가수분해가 제한적인 기질이라는 공통된 특성에 기인한 것으로 판단된다.
4) 통계분석 결과, 시너지 효과는 혼합비율의 변화보다는 기질 종류에 따라 유의한 차이를 보였으며, 본 연구 조건에서 음식물류폐기물이 PLA 통합소화에 보다 효과적인 기질로 작용함이 정량적으로 확인되었다.
5) 본 연구는 PLA 폐기물의 에너지 회수 가능성을 향상시키기 위한 통합소화 전략으로서 음식물류폐기물의 활용 가능성을 제시하며, 향후 전처리 조건 및 장기 연속 운전 조건에서의 추가 연구가 필요함을 시사한다.
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