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Abstract

Contents

List of Abbreviations 18

I. Introduction 19

1. Status of food waste generation and disposal 20

2. Status of livestock wastewater generation and disposal 22

3. The need for use of organic waste as natural resource 27

II. Application of by-products from horizontal anaerobic digester 29

A. Introduction 29

1. Overview of anaerobic digestion 29

2. Factors affecting anaerobic digestion 31

3. Processing technology of horizontal anaerobic digester 36

B. Materials and methods 39

1. Principles and components of horizontal anaerobic digestion systems 39

2. Deodorization process of horizontal anaerobic digestion system 44

3. Primary-treatment facilities for horizontal anaerobic anerobic digesters 46

4. Horizontal anaerobic digestion facilities / power generation facilities / methane gas refining facilities in horizontal anaerobic digestion system 47

5. Testing the byproduct of horizontal anaerobic digestive system as liquid fertilizer 48

C. Results and considerations 50

1. Food waste disposal technology 50

2. Analysis result of liquid fertilizer from anaerobic digester 61

III. Application of by-products from closed-type, aerobic livestock wastewater treatment facilities 66

A. Introduction 66

1. Characteristics of aerobic digestion 66

2. Structure of an aerobic treatment facility 68

3. Management of aerobic treatment process 74

B. Materials and methods 76

1. System of closed- aerobic digestion facilities 76

2. Closed-type aerobic treatment facility 80

3. Characteristics of a closed- aerobic treatment facility 82

4. Operation of closed- aerobic treatment facilities 85

5. Testing liquid fertilizer as a byproduct of a closed- aerobic digestive system 86

C. Results and discussions 87

1. Physico-chemical properties before and after the treatment of pig excreta by closed-aerobic digestion system 87

2. Effect of the fermented liquid fertilizer on plants 89

3. The effect of FLF(Fermented Liquid Fertilizer) on chinese cabbage and vegetable 92

4. Cultivation experiment of FLF(Fermented Liquid Fertilizer of pig Excreta) for aubergine plant 96

5. Cultivation experiment of FLF(Fermented Liquid Fertilizer) for Cucurbitaceae 97

6. Effect FLF on the cultivation of functional vegetables (Lettuce) 99

IV. Application of the by-product(DDGs) from bioethanol production 106

A. Introduction 106

1. Output of DDGs 107

2. Types of DDGs 107

3. DDGs's fodder value 108

B. Materials and methods 109

1. Analysis of the ingredients of DDGs 109

2. Functional component analysis of fermented DDGs 110

3. Measurement of the biological activity of DDGs 112

C. Results and discussions 114

1. Analysis of the ingredients of DDGs 114

2. Functional component analysis of fermented-DDGs 119

3. Measurement of the biofunctional activity of fermented-DDGs 125

V. Conclusion 131

1. Horizontal anaerobic digestion 131

2. Closed aerobic digestion 132

3. Advantages of joint treatment of food waste and animal waste 132

4. Bioconversion of DDGs to functional foods other than animal feed 132

REFERENCES 134

국문 초록 139

[Table I-1] Discharge status of food waste separation... 20

[Table I-2] Livestock excreta incidence and treatment status 24

[Table I-3] Livestock wastewater discharge concentration 24

[Table II-1] Anaerobic digesting Substances and Related Bacteria 29

[Table II-2] Composition ratio of gas generated after general anaerobic digestion 31

[Table II-3] Concentration of toxic substances in anaerobic digestive tract 36

[Table II-4] Comparison of treatment techniques for vertical and... 36

[Table II-5] Key Equipment Specifications 42

[Table II-6] Primary-treatment Facilities 46

[Table II-7] Digestion facilities/ power generation facilities/ methane gas... 47

[Table II-8] Analyses of pH, temperature, and power production during... 51

[Table II-9] Analysis of food brought in 52

[Table II-10] Analysis of toxic substances in food waste 52

[Table II-11] Food waste input and delivered to fermenter 53

[Table II-12] Results of measurement and analysis of biogas 54

[Table II-13] Total input food waste and organic and solid content of... 55

[Table II-14] Component Analysis of Liquid Products on the basis of compost 57

[Table II-15] Analyses of heavy metals in liquid products 57

[Table II-16] Analysis report of liquid fertilizer 58

[Table II-17] Concentration of emission matters from generator 58

[Table II-18] Noise level of major facilities around the border of... 60

[Table II-19] Components analysis of sludge from fermenter 61

[Table II-20] Analysis of liquid fertilizer 61

[Table II-21] Analysis of soil components 62

[Table II-22] Analysis of soil composition 62

[Table II-23] Changes in leaf length lettuce fertilizing with liquid fertilizer 62

[Table II-24] Changes in leaf number of lettuce 63

[Table II-25] Changes in leaf length of radish 63

[Table II-26] Changes in leaf number of radish 64

[Table III-1] Area required for closed-aerobic treatment facility 85

[Table III-2] Physico-chemical properties and status of fermented liquid... 87

[Table III-3] Physico-chemical properties and status of fermented liquid... 88

[Table III-4] Comparison of physico-chemical properties before and after... 89

[Table III-5] Result of paddy cultivation 89

[Table III-6] Yield assessment and yield component in paddy rice cultivation 90

[Table III-7] Changes in dry weight and crude protein amount of... 91

[Table III-8] Changes in dry weight of corn according to the additional... 91

[Table III-9] The Effect of FLF on barley cultivation 92

[Table III-10] Cabbage cultivation and quantity 93

[Table III-11] Cultivation for green cauliflower and quantity 93

[Table III-12] Cultivation for green cauliflower and celery 94

[Table III-13] Changes in flower weight of green cauliflower 94

[Table III-14] The yield ability of green cauliflower 95

[Table III-15] The Incoming Analysis of Head Lettuce and Green Cauliflower 95

[Table III-16] Cultivation of green pepper and quantity 96

[Table III-17] Cultivation of Chili and Quantity 96

[Table III-18] The Study of Tomato 96

[Table III-19] Cultivation of FLF(Fermented Liquid Fertilizer) on the... 98

[Table III-20] The occurrence and quantity of malformation on Zucchini 98

[Table III-21] Cultivation and Quantity on Lettuce 99

[Table III-22] Cultivation and quantity of lettuce 99

[Table III-23] The study of head lettuce cultivation 100

[Table III-24] Cultivation of red cabbage cultivation 101

[Table III-25] Cultivation and quantity on parsley 102

[Table III-26] Experiment of groundsel cultivation 102

[Table III-27] The yield index of groundsel 103

[Table III-28] Experiment of honewort cultivation 103

[Table III-29] The yield ability of honewort 104

[Table III-30] The yield ability of head lettuce 104

[Table III-31] Production survey of head lettuce 104

[Table III-32] The income analysis of head lettuce and green cauliflower 105

[Table IV-1] Nutritional Features of DDGs (100% Dry weight Basis) 108

[Table IV-2] Microorganisms using for bioconversion and fermentation in... 110

[Table IV-3] List of measured enzymes and their substrates 113

[Table IV-4] Inoculum(stater) size of fermentation microbes 115

[Table IV-5] Microbial analysis of DDGs powder in the first... 116

[Table IV-6] Microbial analysis after dry sterilization of DDGs powder in... 116

[Table IV-7] Changes of microbial populations during fermentation of... 117

[Table IV-8] Changes of microbial populations during fermentation of... 117

[Table IV-9] Microbial analysis of fermented-DDGs-T/P after 2nd dry...[이미지참조] 118

[Table IV-10] Analyses of ash, fat, protein, ash, dietary fiber,... 122

[Table IV-11] Analyses of ash, fat, protein, ash, dietary fiber,... 123

[Table IV-12] Changes of sugar, alcohol, and pH in functional... 125

[Table IV-13] Extracellular enzyme activity in functional... 126

[Table IV-14] Extracellular enzyme activity in functional... 126

인간이 사용하는 자원 중 가장 많은 부분을 차지하는 유기물은 소비활동에 의해 유기성 폐기물로 변형되어 발생된다. 유기성폐기물은 심각한 환경오염 문제 중 하나이다. 유기성 폐기물은 생활 쓰레기 중 유기성분, 인분 및 가축분뇨, 하수슬러지, 농공 산업 폐기물, 농·수·임·산 폐기물 등을 포함한다. 이에 본 연구에서는 .수평형 혐기성 소화조에 의한 부산물과 바이오에탄올 생산과정의 주정박의 응용이라는 주제를 통하여 음식물쓰레기와 축산분뇨와 같은 유기성 폐기물의 자원화를 위한 수평형 혐기성 소화 시설 이용 시 생성되는 부산물의 활용에 대하여 연구하였다. 또한 에탄올 발효시 생겨나는 부산물인 주정박을 단순히 사료 원료의 대체 원료로 국한하는 것이 아니라 기능성 미생물을 이용한 생전환 과정을 통하여 주정박을 한번 더 발효함으로서, 기존 사료보다 경쟁력을 갖춘 기능성 대체식품으로 주정박을 응용 하고자 연구를 진행 하였다. 본 연구는 총 3파트로, 첫 번째는 수평형 혐기성 소화조에 의한 부산물의 응용, 두 번째는 밀폐형 호기성 축산폐수 처리시설의 부산물 응용, 세 번째는 바이오 에탄올 생산과정 부산물인 주정박의 응용으로 구성되어 있다.

첫 번째로 수평형 혐기성 소화조에 의한 부산물의 응용 연구에서는 음식물쓰레기를 수평형 혐기성 소화조로 처리시 폐수 발생은 음식물 반입 후 투입구 청소수 정도로 이는 음식물과 같이 소화조로 보내어 폐수의 발생은 없었다. 소화조에서의 1일 슬러지발생량은 약 120kg인 것으로 계산되었다. 발생된 폐기물은 단지 내 쓰레기소각로에 보내어 소각 처리하였다. 수평형 혐기성 소화설비는 음식물 쓰레기를 수평형 혐기성 소화조에 투입하여 혐기성미생물에 의하여 유기물을 분해시켜 처리하는 기술로 소화과정에서 발생된 메탄가스는 가스모터를 이용하여 전기를 생산하는 기술이다. 본 연구에서는 1일 평균 10.5톤의 음식물쓰레기를 처리할 수 있음을 확인하였으며 소화가스 중 함유된 메탄가스의 조성비는 70.9%로 이를 이용하여 시간당 47.9kW의 전기를 생산하였다.

음식물 쓰레기의 소화 후 액상생산물은 액상퇴비로 활용됨으로서 성상분석 결과는 유기물함량이 1.23%로 현 퇴비규격에는 미달되었으나 유해 중금속 함량은 허용치 이내였다. 액체 퇴비의 작물(상추, 열무) 적용 시험 결과 상추와 열무 모두 무처리 시험 구간에 비해 엽장 크기를 조사한 결과 퇴비 처리한 상추와 열무의 엽장(상추 : 평균 4㎝ / 열무 : 평균 6.8㎝)이 크게 나타났으며 엽수(상추 : 평균 2.1개 / 열무 : 2.5개) 또한 증수하였다.

두 번째로 밀폐형 호기성 축산폐수 처리시설의 부산물 응용 연구에서는 축산 농가에서 발생한 축산폐수의 자원화에 관한 연구를 진행하였다. 기존 호기성 소화설비를 통한 축산폐수 처리 시 처리 후 100% 방류함으로서 수자원 오염의 원인이 되었으며, 자원의 활용가치도 없었다. 하지만 본 연구에서 진행된 밀폐형 호기성 소화과정은 가축의 분과 뇨를 고온발효 시켜 유기 발효액의 이용방법을 농가별로 체계화함으로써 무방류 처리도 가능하다. 발효액의 이용방법에 따라 유기 액비로의 이용 외에도 간단한 고형화 건조시설로 자원화 시킬 수 있다. 이에 본 연구에서는 밀폐형 호기성 소화시설의 축산 분뇨 처리 적용과 처리 후 부산물인 액체 비료를 화본과작물, 배추과 채소, 가지과 채소, 박과 채소, 기능성채소 시험 재배한 결과 모든 작물에서 시판액체 비료에 비해 엽장 크기의 증가와 엽수의 증수 효과를 확인할 수 있었다.

세 번째로 바이오 에탄올 생산과정 부산물인 주정박의 응용 연구에서는 주정박의 성분분석 결과 단백질 28.8%, 지방 7.7%, 수분 11.8%, 회분 4.2%, 식이섬유 7.9%, 아플라톡신 0PPB, 보미톡신 2.5PPM, Hunter l Color 57.6%, 마이코톡신인 zearlenone는 129PPB로 분석되었다.

기능성 미생물에 의한 발효를 한 후 시행한 성분분석에서 DDGs-T의 수분은 100g당 발효 전 3.8g, 발효 후 4.2g으로 발효 전과 미생물 배양액 접종으로 인하여 함량 차이 값이 나타났다. 지방은 발효 전 6.4g에서 6.3g으로 0.1g이 감소하였다. 단백질은 29.7g에서 32.3g으로 2.6g이 증가하였다. 식이섬유는 100g당 34.5g에서 38.4g으로 3.9g이 증가하였다. 반면 탄수화물의 경우 발효 전 55.3g에서 발효 후 52.1g으로 3.2g이 감소하였다. DDGs-P의 수분은 100g당 발효 전 3.3g, 발효 후 6.6g으로 발효 전과 발효 후 약간의 함량 변화가 있었다. 지방은 발효 전 3.4g에서 3.2g으로 0.2g이 감소하였다. 단백질은 20.6g에서 22.6g으로 2.0g이 증가하였다. 식이섬유는 100g당 29.8g에서 31.7g으로 1.9g이 증가하였다. 반면 탄수화물의 경우 발효 전 65.1g에서 발효 후 59.6g으로 5.5g이 감소하였다. 단백질과 식이섬유는 증가하였으며, 탄수화물은 감소하였다.

발효한 DDGs-T의 구성아미노산은 모두 증가함으로 볼 수 있었다. 특히 Leucine은 발효 전후, 249.7mg으로 높은 수준으로 증가함을 보였다. 글루타민산 역시 발효 전후 492.6mg으로 높은 수준으로 증가함을 보였다. 반면 티로신과 알기닌은 각각 37.7mg, 393.6mg이 감소하였다. 특히 Arginine은 발효 전 후 413.5mg이 감소하였다. DDGs-P의 구성아미노산은 모두 증가하였다. 특히 글루타민산은 발효 전후 519.3mg으로 매우 높은 수준으로 증가함을 보였다. 반면 알기닌은 513.3mg이 감소하였다. 특히 Arginine은 발효 전 후 감소하였으며, 이는 TLC 분석 결과에 미루어 볼 때 Arginine이 유리 아미노산인 오르니틴과 시트룰린으로 전환 되면서 감소한 것으로 분석되었다.