Reusable Perforated Plastic-Ball Bulking Agent for Decentralized Food Waste Composting: Maturity Validation, Nutrient Retention and Machine Learning-Based Process Interpretation

매일 수백만 톤의 음식물 쓰레기가 버려지며, 종종 공기가 없는 매립지에 갇혀 썩게 됩니다. 이 부패 과정은 악취와 온실가스를 방출하는 한편, 음식물 속에 담긴 귀중한 영양분들을 영원히 잃게 만듭니다. 이 폐기물을 처리하는 더 나은 방법은 미생물이 유기물을 풍부한 토양 비료로 분해하는 자연적인 방식인 퇴비화입니다. 이 과정이 잘 이루어지려면 더미에 산소가 필요합니다. 공기가 충분하지 않으면 과정이 정체되고, 더미가 너무 축축해지며 압착되어 유익한 박테리아가 제 역할을 할 수 없게 됩니다. 전통적으로 사람들은 더미를 느슨하고 공기가 잘 통하게 유지하기 위해 톱밥이나 우드칩 같은 부피가 큰 재료를 섞습니다. 하지만 이러한 천연 재료들은 과정 중에 스스로 분해되어, 공기를 머금는 능력을 상실하고 지속적인 교체를 요구하게 됩니다.

연구자들은 더미를 사라지게 하지 않으면서도 열린 구조를 유지할 수 있는 해결책을 찾아왔습니다. 또한 그들은 단순한 추측을 넘어 정밀한 예측으로 나아가기 위해, 데이터를 사용하여 퇴비 더미가 시간이 지남에 따라 정확히 어떻게 변화하는지 이해하고자 합니다. 목표는 고수분 음식물 쓰름을 빠르고 안정적이며 안전하고 영양분이 풍부한 제품으로 만드는 것이며, 특히 매일 많은 양의 폐기물을 생성하지만 거대한 산업 시설을 위한 공간이 부족한 학교, 호텔 또는 지역 사회와 같은 곳들을 대상으로 합니다.

인도 푸네에 위치한 MIT 아트 디자인 앤 테크놀로지 대학교의 한 연구자는 통제된 실험실 환경에서 이 문제에 대한 새로운 접근 방식을 테스트했습니다. 이 연구는 기존의 우드칩을 대신할 영구적인 대안으로서, 특히 구멍이 뚫린 형태의 재사용 가능한 플라스틱 공을 사용하는 것에 초점을 맞췄습니다. 이 플라스ック 공들은 스캐폴드(지지체) 역할을 하여, 젖은 음식물 쓰레기 사이로 공기가 흐를 수 있는 작은 터널을 만들어내며 스스로 분해되지 않습니다. 연구자는 대학 식당에서 수집한 음식물 쓰레기에 몇 가지 유익한 첨가물을 섞었습니다: 영양분을 붙잡아둘 바이오차(biochar), 산도를 조절할 석회, 원치 않는 미생물을 제어할 님(neem) 가루, 그리고 박테리아의 먹이가 될 당밀입니다. 플라스틱 구조물이 얼마나 필요한지 확인하기 위해 네 가지 다른 배치를 준비했습니다. 한 배치는 플라스틱 공이 전혀 들어있지 않은 대조군으로 사용되었습니다. 나머지 세 배치는 무게 기준으로 2%, 4%, 8%의 플라스틱 공을 음식물 쓰레기에 혼합했습니다.

실험은 온도와 공기 흐름을 조절할 수 있는 특수 설계된 금속 반응기 안에서 30일 동안 진행되었습니다. 기계는 더미를 따뜻하게 유지하고 주기적으로 산소를 공급하여 대규모 퇴비화 시스템의 조건을 모방했습니다. 한 달 동안 연구자는 더미가 얼마나 뜨거워지는지, 산도가 어떻게 변하는지, 그리고 폐기물의 화학적 구성이 어떻게 진화하는지를 측정했습니다. 핵심적인 성공 척도는 퇴비가 사용될 준비가 되었는지를 나타내는 표준 지표인 탄소 대 질소 비율이었습니다. 높은 비율은 물질이 여전히 미성숙하고 불안정함을 의미하며, 낮은 비율은 퇴비가 안전하고 토양과 같은 제품으로 성숙했음을 나타냅니다.

결과는 배치 간에 명확한 차이를 보여주었습니다. 플라스틱 공이 없는 대조군 더미는 열을 유지하는 데 어려움을 겪었으며 최고 온도가 40도에 그쳤습니다. 이 더미는 폐기물을 완전히 살균하거나 효율적으로 분해할 수 있을 만큼 고온 구간에 충분히 머물지 못했습니다. 한 달이 끝날 때까지 이 더미는 여전히 완전히 성숙하지 않았으며, 탄소 대 질소 비율이 안전한 사용을 위해 여전히 너무 높았습니다. 반면, 플라스틱 공이 포함된 배치들은 훨씬 더 좋은 성능을 보였습니다. 8%의 플라스틱 공이 들어간 배치는 최고 온도 58도에 도달했으며, 병원균을 죽일 수 있는 충분한 열을 11일 동안 유지했습니다. 이 열은 미생물이 더 빠르게 작동하도록 도왔고, 더미는 훨씬 더 빨리 성숙했습니다. 18일째 되는 날, 이 배치는 이미 목표 성숙 범위에 도달했으며, 24일째에는 완전히 안정되었습니다. 2%와 4%의 플라스틱이 들어간 다른 배치들도 개선되었지만, 8% 배치가 가장 일관된 성능을 보였습니다.

속도뿐만 아니라, 플라스틱 공은 퇴비가 영양분을 유지하도록 도왔습니다. 유기물이 분해될 때 인(phosphorus)이나 칼륨(potassium)과 같은 귀중한 원소들은 쉽게 씻겨 내려가거나 탈출할 수 있습니다. 연구 결과, 8%의 플라스틱 공이 들어간 배치는 대조군의 24.44%와 비교하여 45.65%의 인을 보유함으로써 가장 많은 인을 유지했습니다. 또한 칼륨 역시 대조군의 7.69%에 비해 22.96%를 유지했습니다. 이는 최종 제품이 더 빨리 사용할 준비가 될 뿐만 아니라, 식물 성장에 필요한 미네 minerals(무기질)가 더 풍부하다는 것을 의미합니다. 8% 배치의 최종 퇴비는 농업에 안전하고 중금속 위험이 없는 최상급 품질로 분류된 반면, 대조군은 낮은 품질로 남았습니다.

어떤 요인들이 이러한 변화를 주도하는지 정확히 이해하기 위해, 연구자는 데이터를 분석하는 컴퓨터 모델을 사용했습니다. 한 모델은 한 달 동안 측정된 모든 수치를 살펴보고 무엇이 가장 중요한지 파악했습니다. 그 결과, 더미 내의 질소량, 산도, 그리고 수분 함량이 퇴비가 얼마나 빨리 성숙하는지를 결정하는 주요 동인임을 발견했습니다. 시간 경과에 따른 변화를 추적하도록 설계된 또 다른 모델은 탄소 대 질소 비율이 시간이 지남에 따라 어떻게 떨어지는지를 성공적으로 예측했습니다. 이러한 도구들은 플라스틱 공이 단순히 부피를 더하는 것이 아니라, 적절한 화학 반응이 더 빠르고 안정적으로 일어날 수 있는 환경을 조성했음을 확인시켜 주었습니다.

이 연구는 재사용 가능한 플라스틱 공을 사용하는 것이 분산형 퇴비화 시스템에 실용적인 해결책이 될 수 있음을 시사합니다. 계속해서 구매하고 교체해야 하는 톱밥이나 우드칩과 달리, 이 플라스ック 공들은 완성된 퇴비에서 꺼내어 다음 배치에 다시 사용할 수 있습니다. 이는 매일 많은 양의 음식물 쓰레기를 생성하는 기관들에게 퇴비화를 더 효율적이고 저렴하게 만들어 줄 수 있습니다. 비록 이번 실험은 실험실 규모에서 수행되었지만, 연구 결과는 부피재를 지속적으로 교체할 필요 없이 폐기물 분해를 가속화하고, 영양분을 보존하며, 고품질의 비료를 생산하는 방법을 제시합니다. 이 연구는 적절한 물리적 구조와 데이터 기반의 통찰력이 있다면, 음식물 쓰레기를 흙으로 바꾸는 일이 기존에 생각했던 것보다 더 빠르고, 깨끗하며, 효과적일 수 있음을 강조합니다.