서 론
하수슬러지와 음식물류폐기물은 대표적인 고농도 유기성 폐자원으로 국내에서는 2023년 기준 각각 연간 약 433만 톤과 480만 톤이 발생되고 있어 적절한 처리와 자원화 전략이 요구된다(ME, 2024b, 2024c). 혐기성 소화 기술은 이러한 유기성 폐자원을 처리하는 동시에 재생에너지인 바이오가스를 생산할 수 있어 지속가능한 생물학적 처리 기술로 주목받고 있다. 국내의 경우, 정부의 주도하에 관련 설비 건설 및 운영기술 개발 등에 대한 지속적인 투자가 이루어져, 2023년 기준 112기의 실규모 혐기성 소화 플랜트가 전국 고농도 유기성폐기물 발생원에 건설되어 운영 중으로, 연간 2,589만 톤의 유기성 폐자원이 혐기성 소화 공정으로 처리되고, 383 백만 m3의 바이오가스 생산을 통해 에너지 생산에 기여하고 있다(ME, 2024a).
최근 국내의 경우 공공하수처리장의 에너지자립율 개선을 위해 기존 하수슬러지의 단독 혐기성 소화조에 음식물류폐기물을 혼합 투입하여 소화 처리하는 통합소화 공정이 적극 도입되고 있다. 하수슬러지는 낮은 C/N 비와 난분해성 유기물로 인해 생화학적 메탄잠재량은 낮지만, 메탄생성균 생장에 필요한 미량원소가 풍부하다는 특징이 있으며, 음식물류폐기물은 C/N 비가 높고, 분해가 용이한 단순 탄수화물, 단백질 및 지방산이 풍부하여 상대적으로 생화학적 메탄잠재량이 높지만, 단독 소화 시 유기물의 빠른 유기산 전환과 메탄생산균 생장에 필수적인 미량원소들의 결핍으로 공정 불안정에 쉽게 노출될 여지가 있는 것으로 보고되고 있다(Zhang et al., 2015; Koch et al., 2016; Azarmanesh et al., 2023). 이러한 상호보완적 특성으로 하수슬러지와 음식물류폐기물의 통합소화는 하수슬러지 단독소화 대비 메탄생산량 증가와 공정 안정성 향상 등의 이점이 있는 것으로 보고된 바 있으나 기질 혼합비에 따른 영향 평가는 제한적으로 보고되고 있다.
한편, 통합소화에 따른 개선 효과는 기질 혼합비 뿐만 아니라 소화조 내 혐기성 미생물 군집 특성에도 영향 받는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2020; Ning et al., 2024). 혐기성 소화 공정은 다양한 혐기성 미생물 군집의 생장, 활성 및 상호작용에 기반하는 복합적인 생화학적 반응들에 기반하고 있으며, 특히 그 중 메탄생성균은 혐기성 소화 공정의 율속단계로 고려되며, 이의 소화조 내 생장 및 활성은 혐기성 소화 공정의 최적 운영에 필수적이다(Lee and Hwang, 2019). 따라서 혐기성 소화 공정의 최적 처리 효율, 바이오가스 생산량, 공정안정성을 확보하기 위해서는 대상 투입 폐기물과 소화조 운영조건에 맞는 적정 미생물 군집의 소화조 내 우점화가 필수적이다. 혐기성 미생물 특히, 메탄생성균은 생장속도가 느린 편으로 혐기성 소화조에 혐기성 미생물을 식종한 후 해당 소화조의 운전 특성(투입 기질, 온도, 유기물부하량, 수리학적체류시간 등 다양한 조건)에 따라 적정 미생물 군집이 적응하는데 수개월의 초기 스타트업 기간이 필요하다(Lee et al., 2021; Ngo et al., 2026). 이 시기에 형성된 미생물 군집 구조는 이후 공정의 유기물 처리 효율, 메탄 생산량 및 공정 안정성에 큰 영향을 미치기 때문에, 적절한 식종원 선정은 스타트업 기간 단축 뿐만 아니라 추후 최적 소화조 운전을 위한 선결 요소로 간주된다. 실규모 혐기성 소화조를 신설하여 운영하기 위해서는 기존 실규모 소화조에서 채취한 소화조액을 식종원으로 활용하는 것이 일반적이므로, 하수슬러지와 음식물류폐기물의 단독 또는 통합소화에 우수한 식종원 선택을 위해서는 다양한 유래의 식종원에 대한 성능 평가가 필요하다. 그러나 기존 연구에서는 식종원 특성 또는 기질 혼합비 조건을 개별적으로 평가한 사례가 대부분으로, 실규모 소화조에서 유래한 식종원들을 대상으로 하수슬러지와 음식물류폐기물 혼합비에 따른 소화 효율 영향을 통합적으로 비교 평가한 연구는 매우 제한적인 실정이다.
이에 본 연구에서는 5개 실규모 소화조(음식물류폐기물 단독소화조 1기, 하수슬러지 단독소화조 2기, 하수슬러지 및 음식물류폐기물 통합소화조 2기)에서 채취한 식종원을 이용하여 하수슬러지와 음식물류폐기물의 기질 혼합비(100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100; 화학적 산소요구량(chemical oxygen demand, COD) 기준)에 따른 회분식 혐기성 소화 성능(메탄수율 및 메탄생성속도)을 비교 평가하였다. 또한 16S rRNA 기반 차세대염기서열분석을 통해 각 식종원의 메탄생성균 군집을 규명함으로써, 식종원 간 성능 차이를 미생물 군집 관점에서 평가하고자 하였다.
실험재료 및 방법
식종원 및 기질 준비
본 연구에서는 부산 지역 내 5곳의 실규모 혐기성 소화조로부터 소화액을 채취하여 식종원으로 활용하였다(Tables 1 and 2). 모든 소화조는 연속 교반 탱크 반응기(continuous stirred tank reactor, CSTR) 형식의 중온 혐기성 소화조이며, 각 식종원은 소화조의 투입 폐자원 특성에 따라 다음과 같이 구분하였다: 음식물류폐기물 단독 혐기성 소화조 A (FW.ADP), 하수슬러지 단독 혐기성 소화조 B (SL.ADP1), 하수슬러지 단독 혐기성 소화조 C (SL.ADP2), 하수슬러지 및 음식물류폐기물 통합 혐기성 소화조 D (CO.ADP1), 하수슬러지 및 음식물류폐기물 통합 혐기성 소화조 E (CO.ADP2). 각 식종원은 채취 후 37°C 인큐베이터에서 혐기성 조건으로 약 2주간 예비 안정화하여 잔존 유기물을 제거한 뒤 실험에 사용하였다(Jung et al., 2024). 실험에 사용된 하수슬러지는 하수슬러지 단독 소화조 C에 투입되는 혼합 하수슬러지를, 음식물류폐기물은 음식물류폐기물 단독 소화조 A에 투입되는 음식물류폐기물을 각각 채취하여 활용하였다.
Table 1.
Information of inoculum source used in this study
Table 2.
Physicochemical characteristics of feedstock and inoculum
실험 설계 및 운전 조건
본 연구에서는 기질 혼합비와 식종원 종류에 따른 하수슬러지와 음식물류폐기물의 혐기성 소화에 미치는 영향을 평가하기 위해 실험실 규모 회분식 혐기성 소화 실험을 수행하였다. 기질 혼합비는 하수슬러지와 음식물류폐기물의 단독소화 및 통합소화 조건을 모두 포함하여 평가하기 위해 각 기질을 COD 기준으로 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100의 혼합비로 설정하여 적용하였다. 식종원은 실규모 소화조 식종원으로서의 활용 가능성과 미생물 다양성을 고려하여, 앞서 기술한 바와 같이 대상 유기성폐자원을 단독 또는 혼합으로 처리하는 서로 다른 5곳의 실규모 소화조에서 소화액을 채취하여 사용하였다.
이에 회분식 혐기성 소화 실험은 앞서 설정한 기질 혼합비와 식종원 조건의 25개 조합과 각 식종원별 기질 무첨가 대조군 5조건을 포함한 총 30조건을 대상으로 삼반복으로 총 90개의 실험을 120 mL 유리 세럼병(유효체적 90 mL)에서 수행하였다. 본 회분식 실험의 초기 기질 농도는 2 g COD/L, 초기 식종원 농도는 3 g VSS/L로 설정하여, 기존 문헌에서 추천하는 substrate-to-inoculum ratio (S/I ratio) 1 이하의 조건을 만족하도록 하였다(Angelidaki et al., 2009). 본 연구에서는 식종원에 따른 영향만을 평가하기 위해, 알칼리도 및 미량원소는 앞선 문헌을 참고하여 혐기성 소화에 제한 요인이 되지 않는 충분한 농도로 모든 실험 조건 혼합액에 적용해주었다. 최종 혼합액의 pH는 3N NaOH를 사용하여 7.5로 조정하였다. 해당 혼합액을 투입이 완료된 세럼병은 부틸러버(butyl-rubber)마개와 알루미늄 씰로 밀봉 후 질소/이산화탄소 혼합가스(4:1)를 주입하여 혐기성 조건을 조성하였다. 이후 세럼병은 37°C의 인큐베이터에서 배양하여 혐기성 소화 실험을 수행하였다. 혐기성 소화 실험은 대부분의 조건에서 일일 메탄 생산량이 초기 대비 현저히 감소하고 누적 메탄 생산량의 증가가 미미해진 시점을 종료 기준으로 설정하였으며, 이에 따라 16일에 실험을 종료하였다.
분석 방법
각 세럼병에서 발생하는 바이오가스는 10 mL 유리 주사기를 사용하여 1–2일에 한번씩 측정을 하였다. 바이오가스의 메탄 및 이산화탄소의 함량은 열전도도 검출기가 장착된 가스크로마토그래피(Agilent, USA)를 사용하여 분석하였다. HP-PLOT Q 컬럼(30 m × 0.53 mm × 40 µm)을 사용하였으며, 캐리어 가스로는 헬륨을 20 mL/min의 유속으로, 운영 온도는 인젝터에서 70°C, 오븐에서 50°C, 열전도도 검출기에서 250°C로 적용하여 분석을 수행하였다. 각 회분식 혐기성 소화 실험의 최대 메탄생성속도는 시간에 따른 누적 메탄생산량 데이터를 기반으로 Modified Gompertz model을 적용하여 추정하였다(Zwietering et al., 1990; Song et al., 2026). COD 및 총 질소(TN)는 UV-VIS 분광광도계(Shimadzu, Japan)와 상용 수질 분석 키트(HS-COD-MR, HS-TN(CA)-L, Humas, Korea)를 활용하여 분석하였다. Total solids (TS), volatile solids (VS), total suspended solids (TSS), VSS 및 pH는 Standard Methods에 기반하여 분석하였다(APHA-AWWA-WEF, 2005).
각 접종원 시료의 메탄생성균 군집 구조를 분석하기 위해 차세대염기서열분석법을 활용하였다. 먼저 접종원의 총 DNA를 추출하고, 고세균의 16S rDNA를 Universal primer sets (ARC787F, ARC1059R)를 활용한 Polymerase chain reaction (PCR)을 통해 증폭시켜 주었다(Yu et al., 2005). 증폭된 Amplicon을 대상으로 Iseq100 플랫폼(Illumina, USA)을 활용하여 염기서열분석을 수행하였으며, 확보된 염기서열은 16S rDNA Silva database에 매핑하여 메탄생성균 군집정보를 확인하였다(Kim et al., 2024). 이원 분산분석(2-way ANOVA)의 경우, 기질 혼합비(X1)와 식종원(X2)을 독립변수로, 메탄 수율과 메탄생성속도를 종속변인으로 설정하였으며, R 소프트웨어(라이브러리: dplyr, ggpubr)를 활용하여 분석을 수행하였다.
결과 및 고찰
메탄 수율
본 연구에서는 기질 혼합비와 식종원 특성이 하수슬러지와 음식물류폐기물의 혐기성 소화 효율에 미치는 영향을 평가하기 위해 회분식 혐기성 소화 실험을 수행하였으며, 총 25가지 기질 혼합비–식종원 조합에서 시간에 따른 누적 메탄생산량을 분석하였다(Fig. 1). 대부분의 조건에서 혐기성 소화 반응은 10–16일 이내에 완료되는 것으로 확인되었으나, 기질 혼합비와 식종원 종류에 따라 누적 메탄생산량의 차이가 확인되었다. 이를 정량적으로 평가하기 위해 모든 조건에서 메탄 수율과 메탄생성속도 관점에서 평가하였다. 그리고 이원 분산분석을 통해 식종원 종류와 기질 혼합비가 메탄 수율 및 메탄생성속도에 미치는 단독 효과(main effects)와 교호 효과(interaction effects)의 통계적 유의성과 각 요인의 기여율(percentage contribution)을 정량적으로 평가하였다.
먼저 메탄 수율 결과에 대해서 이원 분산분석을 수행한 결과, 기질 혼합비와 식종원 모두 메탄 수율에 유의미한 영향(p < 0.05)을 미치는 것으로 분석되었다(Table 3). 다만 메탄 수율 변동에 대한 각 요인의 기여율은 혼합비가 83%, 식종원이 7%로 혼합비의 영향이 상대적으로 큰 것으로 나타났으며, 통계적으로 유의미한 수준의 혼합비-식종원 간 교호작용은 확인되지 않았다(p = 0.139).
Table 3.
2-way ANOVA assessing the effects of feedstock mixture ratios and inoculum sources on methane yield and methane production rate
단독소화 결과의 경우, 하수슬러지 단독 혐기성 소화(혼합비 100:0 조건, 평균: 165 ± 9 mL CH4/g COD) 보다 음식물류폐기물 단독 혐기성 소화(혼합비 0:100 조건, 평균: 291 ± 25 mL CH4/g COD)가 평균적으로 77% 더 높은 메탄 수율을 나타내는 것으로 확인되었다(Fig. 2). 이는 하수슬러지가 난분해성 물질을 많이 함유하여 생화학적 메탄잠재량이 낮은 반면, 음식물류폐기물은 분해가 용이한 성분이 풍부해 생화학적 메탄잠재량이 높다는 기존 연구 결과와도 일치한다(Liu et al., 2022; Luo and Pradhan, 2024). 한편 통합소화 조건의 경우, 혼합비 75:25 조건에서는 234 ± 8 mL CH4/g COD, 혼합비 50:50 조건에서는 264 ± 23 mL CH4/g COD, 혼합비 25:75 조건에서는 293 ± 11 mL CH4/g COD의 메탄 수율이 관측되어, 음식물류폐기물의 혼합비가 증가할수록 메탄 수율이 증가하는 경향성이 확인되었다. 특히 혼합비 25:75의 통합소화 조건의 경우, 음식물류폐기물 단독 소화 조건(291 ± 25 mL CH4/g COD)과 거의 동등한 수준의 메탄 수율이 관측되었다. 하수슬러지와 음식물류폐기물 단독소화의 메탄 수율을 기반으로 산정한 혼합비별 이론적 가중 평균 메탄 수율(75:25, 196 mL CH4/g COD; 50:50, 228 mL CH4/g COD; 25:75, 260 mL CH4/g COD)과 실제 통합소화 실험값을 비교한 결과, 통합소화의 메탄 수율이 이론값보다 13–19% 더 높게 나타나(paired Student’s t-test, p < 0.05) 통합소화의 유의미한 시너지 효과가 발현된 것으로 평가된다. 이러한 경향은 하수슬러지와 생분해가 용이한 유기성폐기물의 통합소화 시, 단독소화 대비18–33%의 메탄 수율 향상이 보고된 기존 문헌과도 부합하는 결과이다(Koch et al., 2016; Xie et al., 2017).
또한 식종원 간의 비교에서도 메탄 수율 차이가 확인되었다. 특히 통합소화조 유래 식종원(CO.ADP1, CO.ADP2)의 경우, 하수슬러지 단독소화조 유래 식종원(SL.ADP1, SL.ADP2) 대비 7–18% 높은 메탄 수율이, 음식물류폐기물 단독소화조 유래 식종원(FW.ADP) 대비 0–8% 높은 메탄 수율이 관측되어 가장 우수한 성능의 식종원으로 확인되었다.
메탄생성속도
메탄생성속도 결과에 대해서 이원 분산분석을 수행한 결과, 기질 혼합비와 식종원 모두 메탄생성속도에 유의미한 영향(p < 0.05)을 미치는 것으로 분석되었다(Table 3). 특히, 메탄생성속도 변동에 대한 각 요인의 기여율은 혼합비가 38%, 식종원이 48%로 두 요인의 영향이 모두 크나 그 중 상대적으로 식종원의 영향이 큰 것으로 나타났다. 또한, 혼합비-식종원 간 교호작용(13%, p < 0.05)도 메탄생성속도 변동에 유의미한 수준의 영향을 미친 것으로 확인되어, 적절한 식종원과 혼합비가 적용될 때 메탄생성속도의 극대화가 가능할 것으로 확인되었다.
단독소화 결과를 비교하면, 하수슬러지 단독 혐기성 소화(혼합비 100:0 조건, 평균: 14.2 ± 1.7 mL CH4/g VSS/d)에 비해 음식물류폐기물 단독 혐기성 소화(혼합비 0:100 조건, 평균: 28.6 ± 9.0 mL CH4/g VSS/d)가 평균적으로 102% 더 높은 메탄생성속도를 나타내는 것으로 확인되었다(Fig. 3). 한편 통합소화 조건의 경우, 혼합비 75:25에서 24.7 ± 5.8 mL CH4/g VSS/d, 혼합비 50:50에서 27.2 ± 7.1 mL CH4/g VSS/d, 혼합비 25:75 조건에서 27.9 ± 7.6 mL CH4/g VSS/d가 관측되어, 메탄 수율 결과와 유사하게 음식물류폐기물의 혼합비가 증가할수록 메탄생성속도가 증가하는 경향을 보였다. 특히 혼합비 50:50 및 25:75의 통합소화 조건은 음식물류폐기물 단독소화 조건과 오차범위내의 유사한 수준의 메탄생성속도를 보였으며, 하수슬러지 단독소화와 비교하면 74–97% 높은 값을 나타내어, 분해가 상대적으로 용이한 음식물류폐기물이 일정 비율 이상 포함될 경우 통합소화의 메탄생산속도 향상에 기여하는 것으로 확인되었다. 이러한 메탄생성속도의 획기적 개선은 기존 연구에서 보고된 30–89% 향상과도 부합하는 결과이다(Xie et al., 2017; Gu et al., 2020). 기존 문헌에 따르면, 이러한 하수슬러지와 음식물류폐기물의 통합소화에서 나타나는 시너지 효과는 단순한 C/N 비의 최적화뿐 아니라, 기질 다양성의 증가로 인한 미생물 생장 촉진 및 대사경로 확장, 가수분해-산생성-메탄생성 단계 간의 대사 균형 개선 등 복합적 요인에 기인하는 것으로 보고되고 있다(Xie et al., 2017; Gu et al., 2020; Luo and Pradhan, 2024).
한편, 각 혼합비 조건에서 메탄 수율의 변동계수(coefficient of variation)는 4–9%로 낮은 수준으로 확인되었으나, 메탄생성속도의 변동계수는 하수슬러지 단독소화에서 12%, 통합소화에서는 24–27%, 음식물류폐기물 단독소화에서는 31%로 상대적으로 높게 나타났다(Figs. 2 and 3). 이는 메탄 수율에 비해 메탄생산속도가 식종원에 따른 변동성이 더 크며, 특히 음식물류폐기물의 혼합비가 증가할수록 이러한 변동성이 더욱 확대됨을 의미한다. 흥미롭게도, 음식물류폐기물 단독소화 유래 식종원(FW.ADP)이 모든 혼합비 조건에서 하수슬러지 단독소화 유래 식종원(SL.ADP1, SL.ADP2; 22.5 ± 4.4 mL CH4/g VSS/d) 보다 낮은 메탄생성속도(15.7 ± 2.3 mL CH4/g VSS/d)를 보였으며, 반면 통합소화 유래 식종원(CO.ADP1, CO.ADP2)는 모든 조건에서 가장 높은 메탄생성속도(30.9 ± 0.8 mL CH4/g VSS/d; FW.ADP 대비 97% 높음, SL.ADP 대비 37% 높음)를 보여, 식종원에 따른 극명한 소화 성능 차이가 확인되었다. 따라서 음식물류폐기물 단독소화 및 통합소화 조건에서는 적절한 식종원 선정이 메탄생산속도를 극대화하고 최적의 메탄생성 성능을 달성하는 데 필수적인 요소로 판단된다.
미생물 군집 분석
이러한 식종원에 따른 극명한 메탄생성속도 차이를 규명하기 위해, 각 식종원 시료에 대해 차세대염기서열분석을 수행하여 메탄생성균 군집 구조를 조사하였다. 최종적으로 전체 고세균 염기서열의 99.8%가 메탄생성균으로 판별되었으며, 이는 총 5개의 Order와 10개의 Genus에 속하는 것으로 확인되었다(Fig. 4). FW.ADP의 경우 수소이용성 메탄생성균인 Methanoculleus가 98.9%의 상대우점도로 압도적으로 우점하고, 아세트산이용성 메탄생성균인 Methanothrix는 0.6%에 불과한 것으로 확인되었다(Manzoor et al., 2016; Lee and Hwang, 2019). 반면, SL.ADP의 경우, 아세트산이용성 메탄생성균인 Methanothrix가 50.8 ± 0.1% 우점하고, 수소이용성 메탄생성균인 Methanolinea (17.7 ± 3.7%), Methanospirillum (16.7 ± 1.1%) 등이 36.8 ± 3.1%, 메틸환원성 메탄생성균인 Methanofastidiosales가 12.2 ± 3.1% 우점하는 것으로 확인되었다(de Bok et al., 2001; Imachi et al., 2008; Ma et al., 2024). CO.ADP의 경우, 아세트산이용성 메탄생성균인 Methanothrix가 64.2 ± 9.7% 우점하고, 수소이용성 메탄생성균인 Methanolinea (16.7 ± 1.7%), Methanospirillum (6.8 ± 4.5%) 등이 26.2 ± 5.2%, 메틸환원성 메탄생성균인 Methanofastidiosales가 12.2 ± 4.3% 우점하는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 음식물류폐기물과 하수슬러지의 통합소화와 같이 다양한 유기물질의 함유한 유기성 폐자원이 투입될 때, 이들이 가수분해 및 산생성과정을 통해 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 아세트산, 메틸화 화합물 등 다양한 중간생성물로 전환되며, 이를 효율적으로 메탄으로 전환하기 위해서는 아세트산이용성, 수소이용성 및 메틸환원성 메탄생성균이 모두 기능적으로 조화를 이루는 군집 구조가 필요함을 의미한다(Luo and Pradhan, 2024).
FW.ADP는 수소이용성 메탄생성균만이 압도적으로 우점하여 다양한 산발효 산물들(아세트산, 메틸화합물 등)에 대응할 수 있는 대사적 유연성이 부족하므로, 복합 기질이 공급되는 조건에서 전반적으로 메탄생성속도가 저하된 것으로 평가된다. 반면 CO.ADP와 SL.ADP는 아세트산이용성, 수소이용성, 그리고 메틸환원성 메탄생성균이 동시에 존재하여 기질 전환 경로가 다양하게 확보되어 있어, 음식물류폐기물 및 하수슬러지 통합소화 과정에서 생성되는 다양한 중간기질에 보다 안정적으로 대응하여 상대적으로 높은 메탄생성속도로 귀결된 것으로 판단된다. 수소이용성 메탄생성균은 산생성 단계에서 생성되는 수소를 신속히 소비함으로써 소화조 내 수소 분압을 낮게 유지하고, 이를 통해 혐기성 분해 및 메탄생성반응의 열역학적 제약을 완화하여 공정 안정성 유지에 기여하는 것으로 보고되고 있다(Stams and Plugge, 2009). 또한 메틸환원성 메탄생성균은 메틸화 화합물을 전구체로 활용함으로써, 복합 기질의 혐기성 소화 조건에서 메탄생성 경로의 다양성과 대사적 유연성에 기여하는 것으로 보고되고 있다(Conrad, 2020; Ma et al., 2024). 특히 아세트산은 복합 유기물의 혐기성 소화에서 가장 주요한 메탄생성 전구체로 알려져 있으며, 이에 따라 아세트산이용성 메탄생성균(Methanothrix)의 적절한 우점화는 메탄생성반응에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 요인으로 간주된다(Speece, 1996; Lee and Hwang, 2019). CO.ADP의 경우, SL.ADP 보다 Methanothrix의 우점도가 13.4% 가량 높은 결과를 미루어 볼 때, 음식물류폐기물 및 하수슬러지의 통합소화에서 높은 메탄생성속도를 확보하기 위해서는 Methanothrix 중심의 아세트산이용성 메탄생성균의 우점화와 더불어 수소이용성 및 메틸환원성 메탄생성균의 적정 수준의 우점화를 통해 기능적 보완성이 유지되는 메탄생성균 생태계가 필요함을 시사한다. 따라서 하수슬러지와 음식물류폐기물의 통합소화를 위한 식종원으로는 아세트산이용성, 수소이용성, 그리고 메틸환원성 메탄생성균이 균형 있게 우점한 통합소화조 유래 식종원을 활용하는 것이 스타트업 기간을 단축하고 안정적인 메탄생성을 확보하는 데 가장 유리할 것으로 평가된다. 다만, 본 결과는 회분식 조건 실험 결과를 기반으로 도출된 것이므로, 향후 연속식 공정 조건에서의 장기 운영 평가를 통해 이러한 미생물군집 기반 식종원 선정 전략의 적용성을 추가적으로 검증할 필요가 있다.
결 론
본 연구에서는 기질 혼합비와 식종원 특성이 하수슬러지와 음식물류폐기물의 혐기성 소화 성능에 미치는 영향을 회분식 혐기성 소화 실험과 메탄생성균 군집 분석을 통해 종합적으로 평가하였다. 기질 혼합비와 식종원은 모두 메탄 수율과 메탄생성속도에 유의미한 영향을 미치는 요인으로 확인되었으며(p < 0.05), 특히 메탄 수율 변동에는 기질 혼합비가 주요 영향을 미친 반면, 메탄생성속도 변동에는 식종원과 기질 혼합비가 모두 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 혼합비-식종원 간 교호작용(p < 0.05) 역시 메탄생성속도에 유의한 영향을 미쳐, 적절한 식종원과 혼합비 조합을 적용할 경우 메탄생성속도를 극대화할 수 있음이 확인되었다.
통합소화의 경우 음식물류폐기물 혼합비가 증가할수록 메탄 수율이 증가하여 혼합비 25:75 조건에서는 음식물류폐기물 단독 조건과 동등한 수준(293 ± 11 mL CH4/g COD)에 도달하였다. 또한 단독소화 기반 이론적 가중 평균값과 비교했을 때, 통합소화의 실제 메탄 수율은 13–19% 더 높아 유의미한 시너지 효과가 발현됨을 확인하였다. 메탄생성속도 측면에서도 통합소화 혼합비 50:50 및 25:75 조건에서는 음식물류폐기물 단독소화와 유사한 수준(27.2–27.9 mL CH4/g VSS/d)에 도달하였다. 이는 하수슬러지 단독소화 대비 74–97% 향상된 값으로 높은 수준의 메탄생성속도 개선이 확인되었다. 식종원 특성은 메탄생성속도 변동성에 큰 영향을 미쳤으며, 통합소화조 유래 식종원이 가장 높은 안정성과 활성을 보였다.
차세대염기서열분석 결과, 통합소화조 유래 식종원은 아세트산이용성(Methanothrix), 수소이용성(Methanolinea, Methanospirillum), 메틸환원성(Methanofastidiosales) 메탄생성균이 균형 있게 공존하는 군집 구조를 보였으며, 이는 복합 유기물 분해 과정에서 생성되는 다양한 메탄생성 전구체에 안정적으로 대응할 수 있는 기능적 생태계임을 시사한다. 반면 FW.ADP는 수소이용성 메탄생성균인 Methanoculleus 단독 우점으로 기질 다양성에 대한 대응력이 낮아 낮은 메탄생성속도로 귀결된 것으로 사료된다. 따라서 하수슬러지 및 음식물류폐기물 통합소화의 고효율화를 위해서는 음식물류폐기물 혼합비 50–75% 이상 조건과 Methanothrix 중심의 아세트산이용성 메탄생성균과 수소이용성 및 메틸환원성 메탄생성균의 적정 비율의 우점화된 식종원인 통합소화조 유래 식종원을 활용하는 것이 유리할 것으로 판단된다. 본 연구 결과는 향후 하수슬러지 및 음식물류폐기물의 실규모 통합 혐기성 소화 공정에서 스타트업 시 식종원 선정과 기질 혼합비 최적화 전략 수립을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 다만 본 연구는 실험실 규모 회분식 실험을 기반으로 수행되어 연속식 소화조 운전에서의 유기물 부하 변동, 수리학적 체류시간 조건 등의 다양한 복합변인을 반영하지 않은 한계가 있으므로, 실규모 공정 적용 전략 개발에 앞서 향후 연속식 공정 실험을 통한 추가적인 검증이 필요할 것이다. 또한 본 연구는 부산 지역 소화조에서 채취한 식종원을 대상으로만 수행되었으므로, 향후 본 연구 결과의 해석 범위를 확장하기 위해서는 다양한 지역의 소화조 식종원을 포함한 추가 연구가 필요할 것이다.
