Recently, anaerobic digestion, which converts organic wastes into biogas, has been widely applied as a food waste treatment technology. Anaerobic digestion can simultaneously achieve waste treatment and renewable energy production. However, major problems to be overcome in anaerobic digestion technology are the slow methane production rate and the high cost of biogas purification. Therefore, a long hydraulic retention time (> 30 days) is required for biogas from a high organic concentration of waste. In addition, it has been reported that the refining process that the cost of refining process required to use biogas in the existing LNG grid is more than twice the cost of production processes. In particular, hydrogen sulfide ($H_2S$) in biogas is corrosive and can significantly damage the metallic parts of the biogas facilities.
This research was proposed to improve the methane conversion rate of organic waste by adding a conductive carbon media (CCM) into an anaerobic digester to promote electron transfer between microorganisms. In addition, to produce high purity biogas (< 100 ppm$_v$ $H_2S$), iron layered double hydroxide (LDH) that selectively removes hydrogen sulfide in biogas was produced, and an anaerobic reactor was operated under pressure (> 1 bar) to increase the solubility of hydrogen sulfide.
In Chapter 1, the effect of CCM as a conductive structure was evaluated under various organic loading conditions. The maximum acetogenesis rate and methanogenesis rate of the reactor with CCM were improved up to 1.4-ford compared to the control under an increasing organic loading rate. In addition, the microbial community distribution was changed and the Sytrophomonas genera (4.3%) and Syntrophaceticus genera (4.4%), which enhance the methane conversion rate of propionic acid and acetic acid through interaction with methane bacteria, became abundant.
In Chapter 2, the adsorption capacity of $H_2S$ in biogas was evaluated by adding various metal-iron LDH to the anaerobic digester. As a result of the experiment, NiFe-LDH successfully achieved $H_2S$ by ion exchange between $H_2S^-$ and $OH^-$/$CO_3^{-}$ at 88.3 mg/g, twice that of $Fe_2O_3$ (46.5 mg/g).
In Chapter 3, methane production rate and concentration of H2S in biogas was evaluated based on different pressure in an anaerobic digester with the adding of CCM. The methane production rate in the reator with CCM under 2 bar showed a maximum enhancement of 1.2 times compared to the control. Furthermore, the concentration of $H_2S$ in biogas decreased by 40% (771 ppm$_v$) compared reactor operating under atmospheric pressure.
In Chapter 4, the Techno-economic technology of the conventional and the developed anaerobic digestion were compared to evaluate the field applicability. The application of the new $H_2S$ removal technology in the new process resulted in an economic advantage of 1.8 times compared to the conventional biogas production process. In additions, it has been evaluated that using heat energy as a substitute for natural gas can reduce carbon dioxide emissions by approximately 40 kg $CO_2$ eq/kg-FW..
This study overcomes the limitations of the anaerobic process by minimizing the cost of the biogas refining process from organic waste and achieving rapid biogas conversion. It is expected to improve the competitiveness of anaerobic digestion technology, which is in the spotlight as a renewable energy
유기성폐기물을 바이오가스로 전환하는 혐기성 소화는, 폐기물처리와 신재생에너지 생산을 동시에 달성 할수 있어 최근 음식물쓰레기 처리 기술로 빈번히 적용되고 있다. 그러나, 느린 메탄생성 속도 및 높은 바이오가스 정제 비용은 혐기성 소화 기술이 극복해야 하는 주요한 문제 중 하나이다. 이로인해, 고농도의 유기물이 함유된 유기성폐자원을 바이오가스화 하기 위해 30일 이상의 긴 체류시간이 필요하다. 또한, 기존 LNG 그리드 내에 바이오가스를 이용하기 위해 필요한 정제과정은 생산비용의 2배이상에 달하는것으로 보고되었다. 특히, 바이오가스 내 황화수소는 금속에 대한 높은 부식성으로 설비의 수명을 크게 단축시킨다.
본 연구에서는 혐기성반응조 내 탄소나노튜브로 이루어진 전도성 여재 (Conductive carbon media, CCM)를 주입하여 이종 미생물 간의 전자전달 촉진을 통한 유기물의 메탄전환속도를 향상시키고자 하였다. 또한, 황화수소에 선택성을 갖는 철기반 LDH (Layered double hydroxide)를 제조하고, 혐기성 반응조를 상압이상에서 운전함으로써 황화수소의 용해도를 높여 100 ppm 이하의 황화수소가 포함된 바이오가스를 생산하고자 하였다.
이를 위하여, Chapter 1은 다양한 유기물 부하 조건에서 전도성 구조체인 CCM의 효과를 평가하였다. 혐기성소화조의 유기물부하량 증가에 따라 CCM 투입한 경우, 아세트산생성속도와 메탄생성속도가 미주입 대비 최대 1.4배 향상되었다. 또한, 미생물 군집분포가 변화하여 메탄균과의 상호작용을 통해 프로피온산과 아세트산의 메탄 전환 속도를 증진시키는 Sytrophomonas (4.3%)와 Syntrophaceticus (4.4%) 속이 풍부하여졌다.
Chapter 2에서는 바이오가스 내의 황화수소 제거를 평가하기 위하여 다양한 금속-철 LDH 구조 흡착제를 활용하여 평가하였다. CoFe, NiFe, MgFe로 제작된 LDH의 황화수소 흡착량 평가 결과, NiFe-LDH의 흡챡량은 $Fe_2O_3$ 대비 약 60배인 122.3 mg/g 으로 평가되었고, 이는 음이온교환반응을 통해 해리된 황화수소이온(HS$^-$)가 표면뿐만 아니라 LDH 내 이중층사이로 흡착하였기 때문이다.
Chapter 3에서는 CCM이 주입된 혐기성 소화조의 압력에 따른 메탄 생성속도 및 바이오가스 내 황화수소 농도를 평가하였다. CCM을 투입한 반응조의 메탄생성속도는 2 bar 이상의 압력에서 운전할 때, 미주입 반응조와 비교하여 최대 1.2배 향상되었다. 또한, 바이오가스내 황화수소의 농도는 상압 운전 대비 40% (771 ppm$_v$) 감소하였다.
Chapter 4에서는 기존 혐기성 반응조와 CCM, NiFe LDH 및 고압 운전 전략이 적용된 신공정을 실제 현장에 적용할 때, 경제성 및 이산화탄소 저감량을 비교 평가하였다. 우수한 황화수소 제거기술이 적용된 신공정은 기존 공정보다 1.8 배 경제적 이익을 얻을 수 있다. 또한, 천연가스를 대체하여 열에너지로 활용할 경우 이산화탄소(40 kg $CO_2$ eq/kg-FW)를 감축할 수 있는 것으로 평가되었다.
본 연구는 유기성폐자원을 바이오가스로 전환하는 혐기성소화공정에서 후속 정제공정의 비용을 최소화하는 동시에 빠른 바이오가스 전환을 달성하여 기존 혐기성 공정이 가지고 있는 한계를 극복 하였으며, 최근 탄소중립달성을 위한 신재생에너지로 각광받고있는 혐기성소화기술의 경쟁력을 향상시킬 수 있을것으로 기대된다.
