음식물 쓰레기 퇴비화를 통한 기후 변화 완화 잠재력 평가

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7608(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

음식물 쓰레기는 매립지의 주요 유기 성분이며 전 세계적으로 온실가스의 큰 원인입니다. 음식물 쓰레기를 퇴비화하는 것은 배출 감소를 위한 잠재적인 기회를 제시하지만, 전체 더미, 상업적 규모의 배출 및 관련 생지화학적 동인에 대한 데이터가 부족합니다. 우리는 음식물 쓰레기 퇴비화 과정에서 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 이산화탄소(CO2) 배출량을 지속적으로 측정하기 위해 3차원 상업용 규모의 퇴비 더미에 최적화된 비침습적 미시 기상 질량 균형 접근법을 사용했습니다. 온실가스 플럭스 측정은 연속 산소(O2) 및 온도 센서와 생지화학적 공정을 위한 집중 샘플링으로 보완되었습니다. 배출계수(EF)는 6.6~8.8kg CH4-C/Mg 습식 음식물 쓰레기 범위였으며 주로 낮은 산화환원 및 급수 현상에 의해 발생했습니다. 퇴비화는 낮은 N2O 배출을 가져왔습니다(0.01kg N2O-N/Mg 습식 음식물 쓰레기). 음식물 쓰레기 퇴비화에 대한 전체 EF 값(CH4 + N2O)은 건조 음식물 쓰레기 926kgCO2e/Mg이었습니다. 퇴비화 배출량은 2025년까지 캘리포니아의 잠재적 순 최소 절감액이 1.4 MMT CO2e로 동등한 매립 플럭스보다 38-84% 낮았습니다. 우리의 결과는 음식물 쓰레기 퇴비화가 배출을 완화하는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다. 호열성 단계에서 회전이 증가하고 전체적으로 물을 적게 공급하면 잠재적으로 배출을 더욱 낮출 수 있습니다.

전 세계 식량 생산의 1/3 이상이 폐기물 흐름으로 유입되어 온실가스(GHG) 배출에 기여할 것으로 추정됩니다1,2. 식품 손실 및 폐기물(FLW)로 인한 평균 수명 주기 온실가스 배출량은 전 세계적으로 1인당 124g CO2e, 고소득 국가에서는 1인당 315g CO2e로 추정됩니다3. 미국에서 FLW의 범위는 연간 73~152 MMT/년 또는 1인당 223~468kg입니다4(MMT = 백만 미터톤). 국내에서 가장 중요한 FLW 관리 경로는 매립(56%), 연소 제어(12%), 혼합 소화/혐기성 소화(8%), 하수/수 처리(6%)이며, 퇴비화는 약 4.1%에 불과합니다. %5. 음식물 쓰레기는 다른 유기 폐기물(목재, 종이, 마당 다듬기)과 비교할 때 분해성 분해성 유기탄소(C)의 비율이 가장 높으며 매립지에서 GHG 생산 속도 상수가 가장 높습니다(2708kg CO2e/dry t)6. 매립지는 주로 C가 풍부한 유기 폐기물의 혐기성 분해로 인해 미국 GHG 목록에서 세 번째로 큰 CH4 배출원입니다7,8,9,10. 수명주기 평가(LCA) 연구에 따르면 유기 폐기물을 기존 관리 전략이 아닌 호기성 퇴비화 또는 혐기성 소화를 통해 관리하면 상당한 GHG 절감 효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다11.

퇴비화는 관리된 유기물 분해의 한 형태입니다. 전형적인 상업용 규모의 호기성 퇴비화 관행에는 용기, 윈드로 및 강제 폭기 정적 파일12이 포함됩니다. 미국에서는 일반적으로 퇴비화 작업이 야외 시설의 바람막이 및 고정 파일에서 수행됩니다13. 퇴비화 과정에서 윈드로 및 정적 더미의 유기물 분해는 열적으로 정의된 4개의 개별 단계를 거칩니다. 초기 분해는 가장 쉽게 분해 가능한 물질이 이산화탄소(CO2)와 미생물 산물로 전환되는 중온성(25~40°C)을 특징으로 합니다. 미생물 활동 및 관련 온도가 증가하면 호열성 단계(40~65°C)가 발생합니다. 이 단계에서 미생물 활동의 비율이 높으면 산소(O2)가 고갈되고 메탄 생성과 같은 혐기성 미생물 과정이 만연하게 될 수 있습니다14,15. 혐기성 미생물의 발생을 제한하기 위해 퇴비화 과정에서 더미를 정기적으로 기계적으로 뒤집습니다. 쉽게 분해되는 물질의 양이 감소하고 난분해성 유기 물질의 형성이 증가함에 따라 분해가 느려지고 두 번째 중온성 단계에서 온도가 냉각되기 시작합니다. 퇴비화의 최종 단계는 성숙이라고 하며 온도가 주변 수준으로 돌아감에 따라 박테리아 바이오매스가 감소하고 곰팡이가 증가하는 것이 특징입니다14.

5 to > 13 m long, see methods section and supplementary material)./p> 40 °C)51. The latter is more likely to be the prevalent microbial process potentially responsible for N2O production in the compost pile55 given the temperature range recorded (> 40 °C) (Fig. 3a). The overall nitrification reaction releases hydrogen ion (H+), which likely contributed, along with the fermentation process, to the low pH values found in the beginning of the experiment20. This is supported by the overall inverse relationship between N2O and CO2 fluxes and pile temperature (Table 2a) and the highest measured fluxes found at a temperature range of 40 to 50 °C (Fig. 4e,f). As the thermophilic phase established, N2O fluxes decreased to levels below the detection limit of the analytical instrumentation. This was consistent with unsuitable conditions for ammonia- and nitrite-oxidizing bacterial growth (low O2 concentration and high temperature) or enhanced N2O consumption via denitrification (Fig. 4e)52. The consistently high \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) concentrations during the thermophilic phase suggests that \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) was not consumed until later in the experiment when temperatures started to decrease, and nitrifying/denitrifying processes were more likely to occur (Fig. 3g)./p> 70 °C), cellulose and lignin can be decomposed to monosaccharides, which react with \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) to form long-chain amino sugars, sugar acids, and imidazoles63. It is also possible that \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) was incorporated into humic-like substances64,65 which can be more prevalent at the end of the composting process66. This last process might be responsible for the immobilization of large amounts of \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) from day 50 to the end of composting, when \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) concentrations dropped by half and the mean C:N ratio significantly decreased to values < 16 (Fig. 3i). The fact that N mineralization rates were progressively less negative from day 50 to the end of the composting process suggests that \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\) assimilation occurred via the above-mentioned processes, consumption via nitrification, and/or NH3 volatilization given the increase in pH. Further compost chemical characterization by 15N- and 13C- NMR spectrometry and measurements of NH3 emitted during compost process would facilitate the quantification of N dynamics during compost-related decomposition. A key result here is that the food waste composting process did not appear to produce large amounts of NO3- (values at least an order of magnitude smaller than those found for \({\text{NH}}_{{4}}^{ + }\), Figs. 3g,h) that could both drive higher N2O emissions and pollute local water resources./p> 13 m, see supplementary material). This CH4 EF is similar to the value reported for food waste composted in static aerated piles of municipal waste treatment plants in Germany using a gradient concentration method (up to 8.6 kg CH4–C/Mg wet FW, Table S2 supplementary material)69, but larger than other results where static and dynamic chambers were used (see Table S2). Estimates of EF values are likely affected by the experimental approach, particularly pile size, measurement frequency, type of bulking material, food waste/bulking material ratio and composting time length. We found generally larger EF values in studies performed at a facility scale29,69. A recent study compared a similar MMB approach and the dynamic chamber method in a green waste turned windrow compost pile and found that the dynamic chamber method EF estimates were always smaller, with a discrepancy of 40, 54 and 244% for CO2, CH4 and N2O, respectively37. Most of the previous studies of GHG EF estimates from food waste composting have used smaller size piles, laboratory incubations, static chambers or large open dynamic tunnel with total enclosure (see Table 2S for reference). All of these methodological approaches have limitations for capturing both the composting process under facility-scale pile conditions and inherited interference related to each applied method. To our knowledge, no previous study of food waste composting has been done at a facility scale measuring high frequency GHG fluxes as reported here. Thus, it is possible that the current approach was able to better capture total fluxes during the composting process./p>