Impact of co-digesting fruit juice processing wastewater with primary sludge on VFA and methane production

우리가 폐수를 보물로 바꿀 수 있는 세상, 구체적으로는 냄새나고 당분이 많은 폐수를 깨끗한 에너지로 바꿀 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 **혐기성 소화(anaerobic digestion)**의 마법입니다. 이 과정에서 눈에 보이지 않는 아주 작은 미생물들이 생물학적 공장처럼 작 작 작 작용하여, 어둠 속에서 유기물을 분해해 바이오가스(주로 열과 전기를 만드는 데 태울 수 있는 메탄)를 만들어냅니다. 이 미생물들을 하나의 작업 팀이라고 생각해 보십시오. 어떤 이들은 음식의 큰 덩어리를 작은 조각으로 부수고, 다른 이들은 그 조각들을 산(acid)으로 바꾸며, 마지막 팀은 그 산을 가스로 바꿉니다.

하지만 이 공장에는 섬세한 균형이 필요합니다. 만약 너무 많은 설탕을 너무 빨리 먹이면, "산 생성" 작업자들이 흥분하여 산을 쏟아내게 되고, 이는 pH 수치를 급락시켜 "가스 생성" 작업자들이 살아남기에 너무 신랄한 환경을 만듭니다. 이것은 마치 음악 소리가 너무 커져서 사람들이 모두 떠나버리는 파티와 같습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 종종 서로 다른 종류의 폐수를 섞는 전략, 즉 공동 소화(co-digestion) 전략을 사용합니다. 이들은 당분이 많고 산성인 폐수를 "완충 능력이 있는(buffered)" 폐수(pH 변화에 저항하고 추가 영양분을 제공하는 폐수)와 섞음으로써, 파티가 원활하게 계속 유지되도록 하고 더 많은 에너지를 생산하기를 희망합니다. 하지만 과일 주스 폐수에 1차 슬러지를 조금 섞는 것이 실제로 도움이 될까요, 아니 아니면 그저 물을 흐리게 만들 뿐일까요?

브레시아 대학교(University of Brescia)와 에코 센터 스파(Eco center Spa)의 살레 아부지르(Saleh Abuzir)와 그의 팀이 수행한 이 연구는 바로 그 질문을 깊이 있게 파고듭니다. 연구진은 과일 주스 가공 폐수(FJPW)—기본적으로 사과 주스를 만드는 과정에서 나오는 달콤하고 산성인 유출수—를 시립 하수 처리장의 1차 침전조 바닥에 가라앉는 두껍고 유기적인 덩어리인 **1차 슬러지(PS)**와 혼합했습니다. 연구진은 이 슬러지를 추가하는 것이 유용한 중간 단계 산인 **휘발성 지방산(VFAs)**과 최종 에너지 제품인 메탄을 더 많이 생산하도록 돕는 "영양분 부스터", "pH 완충제", 그리고 더 풍부한 미생물 다양성의 원천 역할을 할 수 있을지 확인하고자 했습니다.

그들은 두 단계의 실험을 설정했습니다. 먼저, 산을 얼마나 생성할 수 있는지 보기 위해 혼합물을 100시간 동안 발효시켰습니다. 그 다음, 그 발효된 액체를 두 번째 배치(batch)의 미생물에게 먹여 얼마나 많은 메탄을 생산할 수 있는지 확인했습니다. 그들은 세 가지 시나리오를 테스트했습니다: 과일 주스 폐수 단독, 슬러지를 아주 조금 섞은 것(과일 주스 97%, 슬러지 3%), 그리고 슬러지를 더 많이 섞은 것(과일 주스 90%, 슬러지 10%입니다.

결과는 마법의 해결책을 기대했던 이들에게 다소 놀라웠습니다. 연구진은 과일 주스 가공 폐수와 1차 슬러지를 공동 소화하는 것이 기질의 COD 비율을 개선하기는 했지만, 과일 주스 가공 폐수 단독 사용 시와 비교하여 휘발성 지방산 축적이나 메탄 수율을 유의미하게 높이지는 못했다는 것을 발견했습니다. 사실, 슬러지를 더 많이 추가할수록 오히려 속도가 약간 느려지는 것처럼 보였습니다.

상세한 결과는 다음과 같습니다:

• 산 단계(The Acid Phase): 첫 24시간 동안 미생물들이 작업을 시작했습니다. "산성화 정도"(얼마나 많은 산이 만들어졌는지를 나타내는 척도)는 순수 과일 주스의 경우 33%, 97:3 혼합물의 경우 **31%**에서 정점에 도달했으나, 90:10 혼합물에서는 **15%**에 불과했습니다. 연구팀은 과일 주스 단독이 고형 폐 단위당 가장 많은 산을 생성했으며, 수율은 0.89 g net TVFA-COD g VS⁻¹였습니다. 슬러지를 추가하는 것은 도움이 되지 않았습니다. 90:10 혼합물의 경우 수율이 0.45 g net TVFA-COD g VS⁻¹로 떨어졌습니다. 슬러지는 과정을 가속화하기보다는 오히려 소화하기 어렵고 섬유질이 많은 물질을 도입하여 과정을 늦추는 듯했습니다.
• 메탄 단계(The Methane Phase): 결과물인 액체로부터 얼마나 많은 메탄을 만들 수 있는지 테스트했을 때, 순수 주스와 97:3 혼합물의 결과는 거의 동일하게 약 504.3 ~ 504.5 NmL CH₄ g VS⁻¹의 수율을 보였습니다. 그러나 슬러지가 가장 많이 섞인 90:10 혼합물은 오히려 적은 483.7 NmL CH₄ g VS⁻¹를 생산했습니다.

그래서 결론은 무엇일까요? 이 논문은 과일 주스 폐수를 1차 슬러지와 공동 소화하는 것이 영양 균형(특히 탄소-질소 비율)을 개선하기는 했지만, 에너지 생산의 유의미한 증대로 이어지지는 않았다고 제안합니다. 저자들은 추가된 슬러지의 양이 슬러지 자체가 가진 낮은 에너지 잠재력을 극복하기에는 충분하지 않았다고 주장했습니다. 또한, 그들이 사용한 슬러지는 과일 주스 폐수가 일일 유량의 50%를 이미 차지하고 있는 처리장에서 온 것이어서, 슬러지의 효과를 희석했을 수도 있다고 언급했습니다.

궁극적으로, 이 연구는 과일 주스 폐수에 1차 슬러지를 조금 던져 넣는 것이 바이오가스를 더 많이 만들기 위한 보증된 승리가 아니라는 결론을 내립니다. 저자들은 향후 연구에서 더 긴 기간 동안 영양 균형의 이점이 나타날 수 있는지 확인하기 위해, 다른 유형의 처리장에서 온 슬러지를 조사하고, 짧은 "배치(batch)" 테스트가 아닌 연속 시스템 등 다른 조건들을 테스트해야 한다고 제안합니다. 현재로서는, 이 특정 설정에서 그 "마법의 혼합물"은 기대했던 대로 작동하지 않았습니다.