Biomethane Recovery for Hermetia illucens Larval Frass Derived from Faecal matter, Swine Manure and Chicken Manure

매일 전 세계에서는 주방의 음식물 쓰레기부터 축산 농가에서 남겨진 가축의 분뇨에 이르기까지 산더미 같은 유기성 폐기물이 발생합니다. 이러한 물질을 단순히 쌓아두거나 매립하면, 종종 해로운 가스를 방출하고 토양을 오염시키는 방식으로 부패하게 됩니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 문제를 해결책으로 바꾸는 방법을 찾아왔으며, 단순히 뒤처리를 하는 것을 넘어 부패하는 물질 안에 갇힌 에너지를 포집할 수 있는 방법을 모색해 왔습니다. 한 가지 유망한 접근 방식은 식탐이 많은 작은 곤충인 젖은 검정파리(black soldier fly)를 이용하는 것입니다. 이 유충들은 엄청난 양의 유기성 폐기물을 소비하여 '프라스(frass)'라고 알려진 영양분이 풍부한 토양 개량제로 분해할 수 있습니다. 이 프라스는 작물에 비료를 주는 데 매우 뛰어나지만, 갓 만들어진 프라스는 종종 불안정하며 현장에 즉시 살포하기에는 위험한 병원균을 포함할 수 있습니다. 과제는 이 물질을 안전하게 안정화하는 동시에 그 안에 잠겨 있는 에너지를 회수하는 방법을 찾는 것이었습니다.

케냐의 조모 케냐타 농업기술대학교(Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology)의 연구팀은 이 곤충이 생성한 폐기물을 '혐기성 소화조'라는 생물학적 기계에 투입할 수 있는지 테스트함으로써 이 퍼즐을 풀기 위해 나섰습니다. 이 과정은 산소가 없는 상태에서 일어나며, 늪 깊은 곳이나 소의 위 속에서 일어나는 현상과 유사하게 미생물이 유기물을 분해하여 메탄이 풍부한 가스를 생성하는 방식입니다. 연구진은 세 가지 다른 유형의 폐기물인 인분, 돼지 분뇨, 닭 분뇨를 먹고 자란 젖은 검정파리 유충의 프라스를 사용하여 에너지를 얻을 수 있는지 확인하고자 했습니다. 그들의 목표는 이 남은 물질을 깨끗한 연료원으로 변환하는 동시에 폐기물을 환경으로부터 안전하게 만드는 것이었습니다.

조사를 시작하기 위해 연구팀은 지역 소스에서 신선한 폐기물을 수집하고 5일 된 젖은 검정파리 유충을 투입했습니다. 곤충들이 완전히 성숙할 때까지 키운 후, 연구진은 그 결과물인 프라스를 수확했습니다. 그들은 세 가지 폐기물 유형 각각에 대해 샘플을 정성껏 준비하여, 균일한 크기로 갈아낸 뒤 신선도를 유지하기 위해 서늘한 곳에 보관했습니다. 연료 잠재력을 테스트하기 전에 과학자들은 각 샘플의 물리적, 화학적 구성을 분석했습니다. 그들은 세 종류의 프라스 모두 상당히 건조하고 알칼리성, 즉 높은 pH 수치를 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 그러나 구성은 유충이 무엇을 먹었는지에 따라 크게 달랐습니다. 돼지 분뇨에서 나온 프라스는 분해 가능한 유기 물질의 함량이 가장 높았던 반면, 닭 분뇨에서 나온 프라스는 가장 건조했으며 분해 가능한 물질의 양도 가장 적었습니다.

연구진은 이 샘플들을 활성 소화조에서 가져온 특수한 미생물 혼합물과 함께 밀봉된 유리병에 넣었습니다. 그들은 산소를 배제한 통제된 환경을 조성하여 미생물이 프라스를 먹고 바이오가스를 생산하도록 했습니다. 55일 동안 그들은 매일 생성되는 가스를 측정했습니다. 결과는 원래의 먹이원에 따라 명확한 성능 차이를 보여주었습니다. 돼지 분뇨에서 유래한 프라스는 휘발성 고체 1g당 총 619ml의 바이오가스를 생성하며 가장 많은 에너지를 생산했고, 메탄 수율은 347ml였습니다. 인분에서 나온 프라스는 중간 정도의 성능을 보이며 378ml의 바이오가스와 205ml의 메탄을 생산했습니다. 이와 대조적으로, 닭 분뇨 프라스는 185ml의 바이오가스와 100ml의 메탄만을 생산하며 현저히 낮은 성과를 보였습니다.

연구팀은 닭 분뇨 프라스의 저조한 성능이 그 화학적 성질 때문이라는 것을 발견했습니다. 이는 높은 수준의 황을 포함하고 있었고 pH가 매우 높았는데, 이 두 요소는 메탄을 생성하는 미생물에게 독성이 될 수 있습니다. 또한, 닭 분뇨에는 미생물이 분해하기 어려운 깔개 잔여물이 포함되어 있어 에너지 회수의 장벽 역할을 했습니다. 반면, 돼지 분뇨 프라스는 분해하기 쉬운 유기물이 풍부하여 미생물이 효율적으로 작업할 수 있었습니다. 연구진은 또한 돼지 분뇨 프라스의 분해 과정이 시작되는 데 약간의 시간이 걸려, 생산이 정점에 도달하기 전까지 거의 3일의 지연이 관찰되었으나, 일단 시작되면 다른 샘플보다 더 빠른 속도로 에너지를 생산한다는 점을 관찰했습니다.

에너지 생산의 속도와 패턴을 이해하기 위해 과학자들은 수학적 모델을 사용하여 데이터를 맞추었습니다. 그들은 돼지와 인체 폐기물에서 발생하는 메탄 생산이 느린 시작 이후 급격한 증가를 보이는 특정 곡선을 따른다는 것을 발견했습니다. 그러나 닭 분뇨의 경우 과정이 훨씬 느리고 선형적이었는데, 이는 물질 자체의 분해가 주요 병목 현상임을 시사했습니다. 연구는 세 종류의 프라스 모두 에너지를 생성하는 데 사용될 수 있지만, 돼지 분뇨 품종이 단연 가장 효과적임을 확인했습니다. 또한 이 과정은 병 안의 유기성 폐기물을 최대 55%까지 감소시켰으며, 이는 소화 과정이 물질을 안정화하고 환경적 위해를 줄일 수 있음을 나타냅니다.

이 연구는 순환 경제를 위한 실질적인 경로를 강조합니다. 젖은 검정파리에게 돼지 분뇨를 먹임으로써, 공동체는 폐기물을 처리하고 질병 위험을 줄이는 동시에 재생 에너지를 생산하는 시스템을 구축할 수 있습니다. 이 연구는 이 방법이 돼지 분뇨가 많은 농업 지역에 특히 적합하다는 점을 시사합니다. 닭 분뇨 프라스는 효과가 떨어졌지만, 이 결과는 농부와 폐기물 관리자들에게 어떤 폐기물 흐름이 이러한 이중 목적 접근 방식에 가장 적합한지에 대한 명확한 가이드를 제공합니다. 이 작업은 적절한 곤충 생물 전환과 미생물 소화의 결 조합을 통해, 복잡한 화학적 처리 없이도 까다로운 폐기물을 안정적이고 에너지가 풍부한 자원으로 바꿀 수 있음을 입증합니다.