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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.16 No.3 pp.265-276
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2017.16.3.265

Characteristics of odor generation and leachate production based on food waste compositions and decay periods

Jun Pyo Cho, Jeong Hee Kang, Jung Sub Oh, Ji Hyeon Song*
Department of Civil & Environmental Engineering, Sejong University
Corresponding author : +82-2-3408-3819songjh@sejong.ac.kr
August 30, 2017 September 17, 2017 September 20, 2017

Abstract

During the decay process of food waste, odor and leachate are generally produced because food is easily decomposed due to its high organic and moisture contents. In this study, various food waste samples, including samples artificially prepared and collected from actual waste containers, were tested to determine odor and leachate production as the samples were decomposed at a constant temperature of 35°C. In the air phase, total volatile organic compounds (TVOCs), acetaldehyde (AA), methyl mercaptan (MM), hydrogen sulfide (H2S), and dimethyl sulfide (DMS) were measured as a function of the decay period for four days. The results of the experiment showed that TVOC and AA were produced at higher concentrations in the actual food waste than in all artificial wastes. The AA concentration accounted for about 90% of the TVOC in all of the waste samples except for the food waste containing meat and fish only. The concentrations of volatile sulfur compounds (VSCs) were generally lower than 100 μg/kg, and the concentration of DMS was the highest among the VSCs. In the waste sample containing meat and fish only; however, the concentration of VSCs increased up to 1,700 μg/kg, and mostly consisted of MM and DMS. Complex odor concentrations were found to be the highest after a decay period of 12-48 hours. In addition, the complex odor was mostly related to VSCs with low odor thresholds rather than the TVOC. The pH values mostly decreased from 5 to 3.5 as the waste samples were in the decomposition periods, while the pH value increased to 6 in the food waste containing meat and fish only. Consequently, odor intensity and leachate production were the highest in the 12-48 hour range as the decomposition started, and thus an appropriate control strategy needs to be implemented based on the waste composition and the decay period.


음식물류 폐기물의 조성과 부패기간에 따른 악취 발생과 침출수 생성 특성

조 준표, 강 정희, 오 정섭, 송 지현*
세종대학교 건설환경공학과

초록


1.서 론

음식물류 폐기물은 폐기물관리법에 의한 음식물쓰레 기의 법적 용어이며, 식품의 생산·유통·가공·조리 과정에서 발생하는 농·수·축산물류 폐기물과 사람들 이 먹고 남긴 음식물쓰레기를 의미한다. 국내 통계자료 에 의하면 2005년부터는 음식물류 폐기물의 직매립이 금지되고 음식물류 폐기물 감량화 사업이 실행된 이후 음식물 폐기물의 발생량이 2008년 15,142톤/일을 정점 으로 감소하는 추세를 보였으며, 2013년에는 하루 12,663톤이 배출되었다(ME, 2015). 최근에는 음식물 폐기물의 발생량이 다시 증가하는 추세이며, 2015년 현재 15,340톤/일이 배출되고 있다. 이에 우리정부에서 는 다양한 방식의 음식물류 폐기물의 감량화 사업을 추진해왔으며(Bae et al., 2009), 바이오가스 생성 및 사료화 등의 자원화 사업도 진행하고 있다. 그러나 함 수율과 유기물 함량이 높은 음식물류 폐기물의 특성상 수거용기, 수거차량, 차집시설 및 자원화시설 주변 등 의 처리과정 전반에서 침출수와 악취문제가 발생하여 사회적인 이슈가 되고 있다(Kim et al., 2015; Di et al., 2017).

음식물류 폐기물의 악취는 단백질과 지질, 탄수화물 과 같은 고분자 물질이 미생물에 의해 분해되어 저분 자화 되는 과정에서 발생한다. 탄수화물은 미생물에 의 해 다당류와 이당류가 단당류로 분해된 후 호기조건에 서 피루브산을 통해 H2O과 CO2로 완전분해 되지만, 혐기 또는 준호기 조건에서는 피루브산이 아세트산이 나 젖산 및 아세트알데히드와 같은 중간산물로 불완전 분해되어 악취를 유발한다(Oliveira et al., 2005). 탄수 화물과는 달리 아미노기와 황화결합이 존재하는 단백 질의 경우에는 아미노산이 아민류, 황 계열 악취물질로 분해되어 악취를 야기한다(Zhu., 2000).

Song et al. (2002)은 음식물쓰레기 처리시설 배출가 스를 분석한 결과 61종의 다양한 악취물질이 검출되었 으며, 이들 중에는 황화수소, 메틸메르캅탄, 아세트알 데히드와 같은 지정악취물질도 포함되어 있었다. 또한 각 물질의 최소감지농도를 참고하여 악취기여도를 계 산한 결과 메틸메르캅탄이 가장 높게 나타났으며 주로 황 계열 악취물질의 기여도가 높다고 보고하였다. 그리 고 Jung et al. (2003)의 연구에서는 음식물류 폐기물을 44일 동안 부패시키며 발생하는 악취물질을 측정한 결 과 부패기간에 따라 각 악취물질별로 발생농도에 차이 가 많았으며, 각 악취물질별로 최대 농도가 측정되는 기간에 차이가 있다고 보고하였다.

일반적으로 음식물류 폐기물이 배출될 때의 성상은 일별, 계절별, 지역별로 편차가 매우 크다. 또한 단독주 택과 공동주택, 음식점 등 배출장소에 따라 성분별 조 성의 편차가 크게 나타난다(ME, 2013). Jung et al. (2003)의 연구에 의하면 음식물의 조성별로 부패과정 에서 발생하는 악취물질을 확인한 결과 육류와 어류의 경우 황 계열 악취물질이 최대 90 ppm 정도의 농도로 발생하였으며 채소류는 육류와 어류에 비해서 적은 종 류의 악취물질이 최대 5 ppm 정도로 낮게 발생하였다. 이로 인해 음식물류 폐기물의 다양한 조성에 따라 악 취의 강도나 특성이 매우 상이하며 악취 발생 특성이 유사한 실제 시료를 얻기 힘들다.

음식물류 폐기물의 부패과정에서 발산되는 악취물질 의 농도는 침출수의 발생량, pH와 밀접한 연관이 있다 (Kim et al., 2008). 침출수의 pH 값이 변화되면 음식물 류 폐기물의 부패를 진행시키는 미생물의 종류와 활성 도가 변화한다(Tan et al., 1998). 따라서 수분 생성 특 성은 악취물질의 종류 및 농도에 차이를 유발하는 원 인이 되기도 한다. 또한 부패를 통해서 발생된 황 계열 악취물질의 경우 물리화학적 조건 및 주변 환경에 따 라 methylation, de-methylation, oxidation 등의 과정을 통해 상호 전환되는 것으로 알려져 있다(Higgins et al., 2002). 그러므로 부패기간에 따른 음식물류 폐기물의 물리화학적 조건 및 주변 환경의 변화로 인해 부패과 정에서 발생되는 악취물질의 강도가 차이가 생기게 된 다. 그러므로 음식물류 폐기물의 물리적 조성과 부패기 간에 따른 악취 발생 특성과 침출수의 누적발생량 및 pH의 상관관계에 대한 연구가 필요하다.

이에 본 연구에서는 음식물류 폐기물 수거 또는 처 리 과정에서의 악취발생 특성을 파악하기 위해 음식물 류 폐기물의 조성과 부패기간에 따른 악취 발생 특성 을 파악하고자 하였다. 우선 대표적인 음식물류 폐기물 배출원인 공동주택과 집단급식시설의 음식물쓰레기 수 거용기에서 시료를 채취하여 분석하였다. 한편 음식물 류 폐기물 배출시설에서 채취한 시료는 조성분류에 포 함된 재료 외에도 조미료와 같은 미지의 재료가 다량 포함되어 있으며, 재료의 구성 비율을 인위적으로 조절 하기 어렵기 때문에 성분조성과 악취 발생 특성의 상 관관계를 규명하기 어려운 문제가 있다. 이에 본 연구 에서는 미지의 첨가물에 의한 영향을 최소화하고 재료 의 구성 비율을 의도적으로 조정한 4개의 인공 음식폐 기물 시료를 제조하였으며, 이들 시료의 조성과 악취물 질의 발생 특성간의 관계를 평가하고 실제시료와 비교 분석하였다. 또한 침출수의 누적발생량과 pH를 측정하 여 악취물질의 발생특성과의 상관관계를 평가하였다.

2.연구방법

2.1.음식물류 폐기물

실험에 사용된 첫 번째 음식물류 폐기물 실시료는 서울시 소재 공동주택(R1APT로 명명)의 수거용기에서 무작위로 직접 채취하였다. 또한 식단 구성이 상이한 2 곳의 대학 구내 집단급식시설에서 배출되는 음식물 폐 기물을 추가로 실험에 사용하였으며, 다양한 메뉴의 음 식물을 배식하는 학생식당(R2USC)과 가정식을 자율 배식하는 직원식당(R3UDR)의 시료를 채취하였다. 실 제 음식 폐기물은 채취 후 30분 이내에 수작업 선별을 통해 채소류, 곡류, 어육류, 과일류의 비율을 조사하였 으며, 다음 Table 1에 본 연구에서 실험에 사용한 음식 폐기물 실시료의 조성비율과 함수율을 제시하였다.

전국폐기물통계조사자료에 따르면 음식물류 폐 기물의 조성은 가정부문인 아파트의 경우 채소류와 과 일류가 60% 이상으로 대부분을 차지하고 있었으며, 비가정부문인 교육기관의 경우 채소류와 곡류가 50% 이상으로 대부분을 차지하고 있다. 또한 가정부문인 아 파트에서 배출되는 음식 쓰레기의 함수율은 80%로 조 사되었으며, 비가정부문인 교육기관의 경우 함수율이 68%로 측정되었다(ME, 2013). 본 연구에서 실시료를 채취하여 조성 비율과 함수율 분석 결과 가정부문인 공동주택(R1APT)의 경우 시료의 채취가 여름에 진행 되어 여름철 과일이 많이 포함되어 있었으며, 과일류의 비율이 41%로 가장 많이 함유되어 있었다. 그로 인해 함수율 또한 86%로 실시료 가운데서 가장 높게 측정 되었다.

이와 달리 비가정부문인 교육기관의 자율배식 집단 급식시설(R2USC)과 지정배식 집단급식시설(R3UDR) 은 통계조사와 유사하게 채소류와 곡류가 주요 조성성 분으로 나타났다(Table 1 참조). 특히 지정배식 집단급 식시설(R3UDR)의 경우 과일이 함유되어있지 않았으 며, 채소류와 곡류가 전체의 90% 가량을 차지하였다. 또한 함수율이 77%로 실시료 가운데 가장 낮았다. 함 수율 측정결과 과일이 많이 함유되어 있는 공동주택 (R1APT)을 제외하고는 조사된 평균 함수율인 80%에 근접하였다. 또한 조성 비율의 경우 배출원과 날씨에 따라서 조금의 차이는 있었지만 기본적으로 환경부통 계와 같이 어육류의 비율이 10% 초반으로 측정되었으 며, 채소류가 많은 비율을 차지하고 있었다.

본 연구에서는 조성이 다른 4종류의 음식물류 폐기 물 시료를 인위적으로 제조하여 실험에 이용하였으며, 식재료의 종류 및 가공 방법을 통일하고자 하였다. 그 러나 인위적으로 음식물류 폐기물을 만들기 위한 표준 적인 제조방법은 규정되어있지 않기 때문에, 본 실험에 서는 환경부에서 고시한 ‘주방용오물분쇄기 테스트용 음식물 찌꺼기 표준시료’와 환경부에서 실시한 ‘전국 폐기물 통계조사’를 자료를 참고하여 인공 폐기물 제 조 방법을 고안하였다(A1ME & A2WS). 환경부의 음 식물 찌꺼기 표준시료 고시에서는 성분 조성 비율뿐만 아니라 식재료의 종류 및 조리방법을 간단하게 규정하 고 있지만, 주방용오물분쇄기의 성능 테스트를 위한 시 료이기 때문에 음식물 폐기물의 부패와 악취발생 특성 을 비교 분석하기는 어렵다고 판단되었다. 따라서 환경 부 고시의 성분 조성비율과 식재료의 종류를 참고한 후, 채소류와 어육류, 곡류의 경우 조리과정을 거쳐 음 식물류 폐기물로 배출되는 특성에 따라 간단한 조리과 정을 추가하였다. 채소류와 어육류는 10 mm 크기로 자른 후 끓는 물에 5분 간 삶았으며, 곡류는 흰 쌀밥의 형태로 조리하였다. 그리고 과일류는 조리과정 없이 10 mm 크기로 자른 후 모든 식재료들을 조성에 맞게 혼합하여 인위적 조제시료를 만들었다.

음식물류 폐기물 조성에 대한 현장분석 폐기물통계 자료에 따르면 육류나 과일류 또는 곡물의 비율이 50% 이상인 극단적인 경우도 존재하는 것으로 알려져 있다(ME, 2013). 따라서 육류 또는 곡물 및 채소가 다 량 포함된 극단적인 조성의 음식물류 폐기물을 제조하 여 부패기간에 따른 악취물질의 발생특성과 침출수 생 성의 관계를 더욱 명확히 확인하고자 하였다. 극단적인 조성의 시료로는 단백질과 지질이 주요 구성 성분인 어육류로만 제조한 어육류단일시료(A3MF)와 채소류 와 곡류를 혼합하여 제조한 채소·곡류혼합시료 (A4VR)를 이용하였다.

모든 인위적 조제시료의 함수율은 폐기물 통계 자료 에 제시된 음식물류 폐기물의 평균 함수율인 80%에 맞추어 제조하였으며, 조리과정에서 발생하는 시료 삶 은 물을 이용하여 부족한 함수율을 조절하였다. 시료들 의 용어정리는 Table 2에 정리하였으며, 조제시료의 구 체적인 성분 조성 비율은 Table 3에 나타내었다.

2.2.실험방법

실시료는 배출지의 음식물쓰레기 수거용기에서 직접 채취하였으며, 인위적 조제시료는 각각의 제조방법에 맞게 식재료를 조리 후 Table 3의 성분 조성비율에 맞 게 혼합하여 제작하였다. 준비된 10 L 용량의 음식물 류 폐기물 시료는 밀봉된 상태에서 35°C (여름철 수거 용기 내부온도 기준)에서 일정한 온도로 4일간 부패를 진행하였다. 모든 시료는 35°C 인큐베이터에서 12시간 간격으로 꺼내어 PVC재질의 75 L 크기의 용기에 옮겨 담고 기상 악취물질이 충분히 확산/평형 상태가 될 수 있도록 30분 동안 방치한 후, 시료 상부의 용기 중간부 분에서 1.5 L의 공기를 샘플링하여 기상 악취물질 분 석을 실시하였다. 이때의 headspace는 65 L였으며, 음 식물류 폐기물의 중량은 11~12 kg이다.

기상 시료분석은 황화수소(H2S), 메틸메르캅탄(MM), 디메틸설파이드(DMS) 및 총휘발성유기화합물질 (TVOC), 아세트알데히드(AA)와 복합악취를 측정하였 다. 다만 성분조성별 악취 배출특성을 확인하기 위해 극단적인 성분 구성으로 실험한 어육류단일시료 (A3MF)와 채소·곡류시료(A4VR)는 부패과정에서 발 생하는 개별 악취물질만을 측정하고 복합악취의 측정 은 제외하였다. 또한 모든 시료는 부패되는 동안 생성 된 침출수의 누적발생량과 pH를 측정하였다.

2.3.분석방법

황계열 악취물질인 H2S, MM, DMS 농도는 GCFPD (GC-2010 plus, SHIMADZU, Japan)를 이용하여 측정하였으며, AA 농도는 GC-FID (Agilent 6890N Network Gas Chromatograph, Agilent Technologies, USA)를 이용하여 측정하였다. 개별 악취물질을 측정 방법인 GC-FID와 GC-FPD는 각 물질별 저농도(0, 3, 6 ppm)와 고농도(30, 60, 90 ppm) 검량선을 작성하여 악취물질의 농도를 측정하였으며, 검량선 보정은 한 달 에 한 번씩 진행하였다. 또한 샘플의 농도가 100 ppm 이상일 경우 희석을 통하여 검량선에 맞게 측정을 진 행하였다. 악취물질의 농도는 ppm으로 측정한 후 음식 물류 폐기물의 중량 당 발생하는 악취물질의 양(μg-악취 물질/kg-음식물류 폐기물)으로 환산하여 제시하였다. TVOC 농도는 광이온화 검출기(PID)방식의 연속 측정장비 (MultiRAE, RAE system, USA)를 이용하여 측정하였 다. 복합악취의 경우 공정시험방법인 공기희석관능법 을 적용하여 희석배수(OU/m3)를 결정하였으며, 음식물 류 폐기물 중량 당 발생하는 악취(OU/kg)으로 환산하 여 표기하였다. 음식물류 폐기물 침출수의 누적발생량 은 Mess cylinder를 통해 측정한 후 pH meter (pH- 200L, iSTEK, Korea)로 침출수의 pH를 측정하였다.

3.결과 및 고찰

3.1.음식물류 폐기물 조성과 부패기간에 따른 악취 발생 특성

3.1.1.TVOC와 Acetaldehyde 발생

음식물류 폐기물의 분해과정에서 아세트알데히드 (AA)의 농도가 매우 높게 나타났다. AA의 생성은 탄 수화물이 산소가 부족한 조건에서 분해되는 과정에서 발생하는데, 탄수화물이 유기산 분해와 알콜 생성단계 를 거친 후 혐기성 미생물의 탈수소 효소에 의해 최종 적으로 아세트알데히드로 산화되기 때문이다(Jeon et al., 2010). 그러므로 본 연구에서는 음식물 조성과 부 패기간에 따라 발생하는 TVOC와 AA 농도를 측정하 였으며, 측정 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 공동주택 (R1APT)과 지정배식 집단급식시설(R3UDR)을 제외한 시료들의 TVOC와 AA는 부패초기에 낮은 농도로 발 생하지만 24시간부터 증가하기 시작하여 48~72시간 사이에 최대 농도가 발생한다. 그리고 72시간 이후부 터는 감소되거나 유지되었다. 또한 AA의 경우 전체적 으로 84시간 이후 감소하는 경향을 보였으며, TVOC 농도보다 감소폭이 컸다. 이는 부패가 많이 진행되면 AA가 다시 분해되어 에탄올로 전환되기 때문으로 판 단된다(Oliveira et al., 2005).

공동주택(R1APT) 음식 쓰레기의 경우, 일반적으로 가정 내에서 폐기물이 발생된 이후 12~48시간 정도 보 관한 후 외부 수거용기로 배출된다. 따라서 본 실험의 0시간에서 TVOC와 AA 농도가 200 μg/kg 정도로 높 게 발생하였으며, 이는 다른 시료들의 24~6시간 정도 의 TVOC와 AA 농도와 유사하다. 또한 지정배식 집단 급식시설(R3UDR)의 경우 TVOC와 AA 농도가 지속 적으로 증가하여 84시간에서 2,800 μg/kg 정도의 고농 도로 발생하였다. 지정배식 집단급식시설(R3UDR)의 경우 1차적으로 배출한 음식물류 폐기물을 뚜껑이 없 는 보관용기에 보관하여 다른 시료들에 비해 미생물과 같은 외부환경에 노출되어있었다. 그러므로 미생물과 외부에 많은 접촉이 되어있던 지정배식 집단급식시설 (R3UDR)은 TVOC와 AA 농도가 다른 시료에 비해 높 은 농도로 발생한 것으로 판단된다.

어육류단일시료(A3MF)와 채소·곡류혼합시료(A4VR) 를 제외한 시료들의 경우 TVOC의 85~90%가 AA 농 도였다. 하지만 전체적으로 84시간 이후 AA 농도가 TVOC 농도보다 큰 폭으로 감소하기 시작한다. Yoo et al. (2012)의 연구결과에 따르면 음식물류 폐기물의 처 리공정이 진행되면서 발생하는 악취물질을 측정한 결 과 Ammonia와 AA가 악취물질의 대부분을 차지하는 것으로 발표하였다. 하지만 음식물류 폐기물의 부패가 지속적으로 진행될 경우, AA 이외의 휘발성유기화합 물질도 발생하는 것으로 판단된다. 특히, 다른 시료들 에 비해 부패가 빠르게 이루어진 어육류단일시료 (A3MF)와 채소·곡류혼합시료(A4VR)의 경우 AA 이 외의 알데히드류와 젖산, 아세트산과 같은 다양한 휘발 성유기화합물질이 초반부터 AA와 유사한 농도로 발생 하였으며, 48시간 이후부터는 TVOC 농도의 50%만이 AA 농도였다.

Fig. 1의 인위적 조제시료와 실시료의 악취 발생 특 성을 비교하면 전반적으로 실시료의 TVOC와 AA 농 도가 인위적 조제시료 보다 높게 발생하였다. 전반적으 로 자율배식 집단급식시설(R2USC)을 제외한 실시료 의 경우에는 TVOC와 AA 농도가 지속적으로 증가하 여 36시간 이후 1,000 μg/kg 이상 발생하였지만 채소· 곡류혼합시료(A4VR)를 제외한 인위적 조제시료는 72 시간 이후 700 μg/kg 정도의 농도를 유지하였다. 하지 만 자율배식 집단급식시설(R2USC)의 경우 실시료임 에도 불구하고 음식물류 폐기물을 물로 1회 세척 후 배출하여 음식물류 폐기물 내의 저분자 유기물 및 미 생물이 감소한 상태였으며, 이로 인해 부패가 진행되어 도 TVOC와 AA 농도가 최대 400 μg/kg 정도로 발생 한 후 감소하는 경향을 보였다. 채소·곡류혼합시료 (A4VR)의 경우에도 다른 시료들에 비해 유기물의 비 율이 낮아 부패가 진행되어도 TVOC와 AA 농도가 200 μg/kg 정도로 발생 된 후 변화하지 않았다.

음식물류 폐기물이 부패과정에서 발생하는 휘발성유 기화합물질의 경우 84시간 이전에는 AA가 대부분을 차지하였으며, 부패 84시간 이후에는 AA이 분해되어 농도가 감소하지만 휘발성유기화합물질의 농도는 크게 변화가 없었다. 또한 음식물류 폐기물의 간단한 세척을 통하여 저분자 유기물 및 미생물을 감소시켜 배출하면 초기 수거과정에서 악취를 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

3.1.2.황계열 악취물질 발생

음식물의 주요 구성 성분인 단백질의 경우 황 함유 아미노산을 함유하고 있으며, 이황화결합이 미생물에 의해 분해되면서 H2S와 MM, DMS와 같은 휘발성황 화합물질(VSC)이 생성된다(Wu et al., 2010; Zhu, 2000). 본 연구에서는 음식물류 폐기물의 조성과 부패 기간에 따른 VSC의 농도 변화를 측정하였으며 Fig. 2 에 측정 결과를 나타내었다. 모든 음식물 폐기물 시료 에서 전체적으로 H2S와 MM에 비해 DMS의 농도가 높게 나타났다. 또한 어육류단일시료(A3MF)를 제외한 시료의 경우 초반에 VSC 농도가 높게 발생된 후 감소 하는 경향을 보인다. 특히 어육류단일시료(A3MF)에서 는 휘발성황화합물질 가운데 MM이 약 37%, DMS가 62%로 거의 대부분을 차지하고 있었다. 또한, Kim et al. (2009)의 연구에서는 음식물류 폐기물의 부패과정 에서 배출되는 휘발성황화합물질 중 MM, DMS, DMDS가 주요 물질이라고 보고하였다. 결론적으로 음 식물류 폐기물에서는 H2S에 비해 다른 VSC가 주로 배출되며 악취관리를 위해서는 이에 대한 고려가 필요 하다.

위와 같이 부패 과정에서 발생된 휘발성황화합물질 의 경우 methylation과 demethylation 같은 반응을 통 해 H2S가 MM과 DMS로 변환 되거나 반대로 MM과 DMS가 H2S로 변환되는 과정을 통해 황계열 악취물질 간의 순환이 반복적으로 이루어진다(Higgins et al., 2003). Fig. 2를 보면 폐기물통계참고시료(A2WS)와 어 육류단일시료(A3MF)를 제외한 시료들의 경우 H2S가 초기에 증가한 후 부패기간이 길어질수록 농도가 감소 하였으며, 반대로 MM과 DMS 같은 다른 휘발성황화 합물질의 농도가 증가하였다. 폐기물통계참고시료 (A2WS)와 어육류단일시료(A3MF)의 경우 부패기간이 길어져도 H2S가 3 μg/kg 정도의 일정한 농도를 유지하 였다. 또한 어육류의 비율이 낮은 폐기물통계참고시료 (A2WS)의 경우 H2S와 같이 MM과 DMS의 농도 변화 가 없었지만 어육류단일시료(A3MF)의 경우 MM과 DMS가 72시간까지 증가하여 MM이 최대 400 μg/kg, DMS가 최대 1,200 μg/kg 정도의 농도로 발생하였다. 이는 어육류가 단백질과 지질로 구성되어있어 황 물질 을 다량 함유하고 있었으며, 이로 인해 부패과정에서 VSC가 많이 발생하기 때문이다(Dave and Ghaly, 2011).

Table 2과 Table 3의 음식물류 폐기물의 조성과 Fig. 2의 TVSC 발생 특성을 비교하면 어육류의 비율이 100%인 어육류단일시료(A3MF)의 TVSC 농도는 최대 1,700 μg/kg 정도로 시료들 가운데 가장 높게 발생하였 다. 이와 달리 어육류의 비율이 가장 낮은 폐기물통계 참고시료(A2WS)의 TVSC 농도는 최대 13 μg/kg으로 시료들 가운데 가장 낮게 발생하였다. 따라서 일반적으 로 TVSC 농도는 어육류 비율에 선형적으로 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 실제 음식물류 폐기물 시료 중에서 지정배식 집단급식시설(R3UDR) 의 경우에는 어육류 비율이 낮음에도 불구하고 상대적 으로 높은(175 μg/kg) TVSC가 생성되어 어육류 비율 과 TVSC 발생량을 단순 비교하기는 어렵다. Nychas et al. (2008)의 연구에 따르면 고기류가 부패되는 과정 에서 MM, DMS, DMDS 및 암모니아와 같은 악취물 질이 주로 발생하며 온도와 pH 및 식재료에 포함되어 있는 아미노산의 종류와 같은 여러 조건에 의해 발생 량에 변화가 생긴다고 보고하였다.

채소·곡류혼합시료(A4VR)의 경우 어육류가 포함되 어있지 않지만 황함유 유기물이 다량 함유되어있는 양 파의 비율이 30%를 차지하고 있었으며, 부패가 빠르 게 진행되는 경향을 보였다. 이에 따라 초기에 DMS가 10 μg/kg 정도의 농도로 다른 시료들에 비해 높게 발 생하였다. Park et al. (2001)의 연구에 따르면 양파는 황함유 물질이 많이 함유되어 있어 부패가 진행되면 많은 종류의 황계열 악취물질이 발생한다고 보고하였 다. 또한 지정배식 집단급식시설(R3UDR)의 경우에는 어육류의 비율이 11%로 두 번째로 적지만 다른 시료 들에 비해 H2S와 DMS의 농도가 높게 발생하였다. 지 정배식 집단급식시설(R3UDR)의 경우 수선별을 통한 조성분석과정에서 어육류의 90% 정도가 삶은 형태의 계란인 것을 확인하였으며, 부패 시 H2S가 많이 발생 하는 것으로 알려진 삶은 형태의 계란이 많이 함유되 어 있어 다른 시료들에 비해 H2S와 DMS의 농도가 높 게 발생 된 것으로 판단된다(Jo et al., 2012).

3.1.3.복합악취 발생 특성

악취물질에 따라 최소감지농도가 다양하여 같은 농 도일 때 악취물질의 종류에 따라 사람들이 인식하는 악취의 세기가 다르다. 음식물류 폐기물에서는 유기물 의 부패를 통해 여러 종류의 휘발성유기화합물질 (VOC)과 휘발성황화합물질(VSC)을 배출되며, 부패기 간에 따라 복합악취 강도가 크게 변화한다. 본 연구에 서 측정한 각 음식물 폐기물의 시간대별 복합악취 희 석배수 결과는 Fig. 3에 나타내었다. 지정배식 집단급 식시설(R3UDR)을 제외한 시료들의 복합악취 희석배 수는 평균적으로 부패 초기에 5.5 O.U./kg 이하의 낮은 값을 나타내었으며, 급격한 부패가 진행되는 24~48시 간 사이에 희석배수가 16~25 O.U./kg까지 증가한 후 다시 5.5 O.U./kg으로 감소하는 경향을 보여주었다. 대 학구내 지정배식 집단급식시설(R3UDR)의 경우에는 앞서 설명한 것과 같이 삶은 형태의 계란으로 인해 황 계열 악취물질이 높게 발생하여 희석배수가 최대 약 75 O.U./kg까지 발생하였다. 또한 지정배식 집단급식시 설(R3UDR)에서 발생하는 복합악취는 반응 후반부에 도 25 O.U./kg 정도의 희석배수를 유지하였다. 위와 같 이 복합악취 희석배수는 Fig. 2의 TVSC 발생 특성과 유사하였으며 12~48시간 사이에서 최대 농도를 나타 내었다. 이 시간대는 음식물류 폐기물이 가정 및 식당 등에서 배출된 후 수거되는 과정에 해당하며, 따라서 음식물류 폐기물의 수거과정에서 악취관리가 매우 중 요하다.

음식물류 폐기물의 조성과 복합악취 희석배수의 관 계를 Fig. 4에 나타내었다. 복합악취의 발생 특성은 Fig. 1의 TVOC 발생 특성보다 Fig. 2의 TVSC 발생특 성과 유사한 경향을 나타내었다. 특히, 지정배식 집단 급식시설(R3UDR)의 경우에는 TVSC 농도와 같이 어 육류의 비율이 낮음에도 불구하고 복합악취의 희석배 수가 최대 75 O.U./kg으로 높게 발생하였다.

음식물류 폐기물의 조성과 복합악취 및 TVSC의 상 관관계를 확인한 결과 Song et al. (2002)연구결과와 같이 음식물류 폐기물의 복합악취를 결정하는 주요 악 취물질이 휘발성황화합물질인 것을 확인하였으며, 음 식물류 폐기물의 어육류의 비율에 따라 TVSC와 복합 악취의 희석배수가 변화하였다. 하지만 지정배식 집단 급식시설(R3UDR)과 같이 황 물질을 다량 함유하고 있는 식재료가 음식물류 폐기물의 경우 예외적으로 복 합악취 희석배수가 증가하였다. 그러므로 어육류의 비 율과 종류가 음식물류 폐기물의 복합악취를 결정하는 주요원인이며, 악취관리를 위해서 배출원별 음식물류 폐기물의 어육류 비율과 종류를 고려할 필요가 있다.

3.2.음식물류 폐기물 조성과 부패기간에 따른 침출수의 누적발생량과 pH

본 연구에서 조사한 음식물 폐기물의 부패기간에 따 른 pH 변화를 살펴보면(Fig. 5), 어육류단일시료 (A3MF)를 제외한 모든 시료에서 초기 pH 5.0 정도에 서 시작하여 점차 감소하는 경향을 보여주었으며, 최종 적으로 pH 3.5 정도의 값을 유지하였다. Behera et al. (2010)의 연구에 의하면 처리시설에 도착한 음식물류 폐기물의 경우 pH가 3.6인 것으로 보고하였다. 하지만 어육류단일시료(A3MF)의 경우에는 위의 결과와 달리 pH 값이 5.8에서 시작하여 6.5까지 증가하는 경향을 보여주었다. 어육류와 같이 단백질 함유량이 높은 음식 물이 부패할 경우 암모니아 또는 아민류와 같은 화합 물이 배출된다(Nychas et al., 2008; Dave et al., 2011). 그러므로 어육류단일시료(A3MF)의 경우 어육류의 부 패로 발생하는 악취물질 가운데 약 염기성으로 알려진 친수성의 암모니아와 아민이 침출수에 용해되면서 pH 값이 증가하는 것으로 판단된다. 또한 가정부문 공동주 택(R1APT)의 경우 Fig. 5과 같이 다른 시료들의 12~ 24시간 정도의 값인 pH 4.5가 0시간에서 측정되는 것 으로 나타났다.

어육류단일시료(A3MF)의 경우 어육류로만 이루어 져 악취물질이 많이 생성될 것으로 예상되었지만 Fig. 1의 그래프를 보면 TVOC와 AA가 다른 시료들에 비 해 낮은 농도로 나타났으며, Fig. 2에서도 H2S가 MM 과 DMS에 비해 매우 낮은 농도로 발생하였다. 이는 침출수 내의 pH 값이 6.5까지 증가한 어육류단일시료 (A3MF)의 경우 생성된 악취물질 가운데 물에 용해되 어 산성분을 나타내는 유기산과 황화수소 같은 물질이 침출수에 용해되며, 기상으로 배출되는 악취물질의 농 도가 감소하게 되는 것으로 판단된다.

앞서 기술한 것과 같이 유기물이 분해되면 H2O가 생성되고 이로 인해 음식물류 폐기물이 부패하는 과정 에서 침출수가 추가로 발생한다. 유기물이 완전히 분해 되는 비율이 높아지면 H2O의 발생량이 증가하고 그로 인해 침출수의 누적발생량이 증가하게 된다. 또한 침출 수의 누적발생량이 증가하면 기상으로 발산되는 악취 물질과 침출수로 용해되는 악취물질 사이의 농도평형 을 유지하기 위하여 침출수로 용해되는 악취물질의 양 이 증가하며, 반대로 기상으로 발산되는 악취물질의 양 은 감소된다. 반면 부패 과정에서 일부 침출수는 분해 반응에 관여하여 흡수되거나(즉, 가수분해) 또는 기상 으로 증발하여 부피가 줄어들기도 한다.

Fig. 6을 보면 폐기물통계참고시료(A2WS)와 어육류 단일시료(A3MF), 채소·곡류혼합시료(A4VR)를 제외 한 시료들은 부패초기에는 침출수의 누적발생량에 작 은 변화가 있지만 부패가 진행될수록 일정량을 유지하 였다. 하지만 폐기물통계참고시료(A2WS)와 어육류단 일시료(A3MF), 채소·곡류혼합시료(A4VR)의 경우에 는 다른 시료들과 다르게 부패가 진행될수록 침출수의 누적발생량이 지속적으로 증가하였다. 또한 Fig. 1을 보면 TVOC와 AA 농도가 다른 시료에 비해 낮게 발 생하였다. 특히, 어육류단일시료(A3MF)의 경우 Fig. 2 의 TVSC 발생 특성을 확인해보면 용해도가 높은 MM 이 침출수에 많이 용해되어 DMS보다 낮은 농도로 발 생하였다. 그러므로 침출수가 많이 발생하는 음식물류 폐기물의 경우 기상 악취물질 농도는 낮아질 것으로 판단된다. 하지만 기상 악취물질의 농도가 낮은 만큼 침출수 내에 황과 유기물질이 많이 용해되어 있어 침 출수의 개별적인 처리가 필요하다.

4.결 론

본 연구에서는 음식물류 폐기물의 부패과정에서 기 상으로 배출되는 복합악취 및 개별악취물질의 농도를 측정하였다. 그리고 발생되는 악취물질의 농도를 음식 물류 폐기물의 성분조성, 침출수 발생량, 침출수의 pH와 비교하여 음식물류 폐기물의 부패특성을 평가하였다.

  • 1. 음식 폐기물 종류에 따라 복합악취 최대값이 16~75 O.U./kg으로 나타났으며, 가장 강한 악취가 발생하는 시기 또한 12~60시간 사이로 폐기물의 조성에 따라 편차가 큰 것을 알 수 있었다. 따라 서 가정 및 식당에서 배출된 음식물류 폐기물이 수거 및 처리되는 1~3일 사이에 부패가 가장 많 이 진행되어 악취 또한 고농도로 발생하므로 이 에 대한 관리가 요구된다.

  • 2. 대부분의 시료에서 아세트알데히드(AA) 발생 농 도가 TVOC 농도의 약 90% 수준을 나타내어, AA가 유기성 악취의 주요 물질임을 확인하였다. 또한 어육류단일시료(A3MF)를 제외한 모든 시료 에서 TVSC의 농도는 TVOC 보다 낮았으나, 최 소감지농도가 낮은 황 계열 악취물질의 특성상 전체 악취 강도에 더 큰 영향을 주었다.

  • 3. 음식물류 폐기물의 부패가 진행됨에 따라 유기산 의 발생으로 침출수의 pH는 5.0에서 3.5까지 감 소하였다. 그러나 어육류단일시료(A3MF)에서는 pH가 증가하였는데 이는 암모니아와 같은 질소화 합물이 침출수에 용해되면서 증가하는 것으로 보 인다. 또한 다른 시료에 비해 침출수의 누적 발생 량과 pH가 지속적으로 증가한 어육류단일시료 (A3MF)에서 TVOC, AA 농도 모두가 다른 시료 에 비해 낮게 발생하여 상호간에 반비례관계에 있음을 확인하였다.

감사의 글

이 논문은 2016년도 정부(과학기술정보통신부)의 재 원으로 한국연구재단-나노소재기술개발사업의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No. NRF-2015M3A7B404 9410).

Figure

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Productions of total volatile organic compounds (TVOC) and acetaldehyde (AA) from artificial and real food waste samples.

JOIE-16-265_F2.gif

Productions of odourous sulfur compounds (H2S, methylmercaptan, and dimethylsulfide) from artificial and real food waste sample.

JOIE-16-265_F3.gif

Dilution threshold of an artificial samples and the real samples according to spoilage period.

JOIE-16-265_F4.gif

Correlations between the composition ratios of the food waste and their odor emissions in terms of the dilution to threshold unit.

JOIE-16-265_F5.gif

pH changes of leachate in the artificial and the real food waste samples.

JOIE-16-265_F6.gif

Cumulative amounts of leachate in the artificial and the real food waste samples.

Table

The composition ratio and moisture content of the real samples (Unit : wt.%)

Food waste samples used in this study

Compositions of artificial food waste samples (Unit : wt.%)

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