The recent rise in oil and natural gas prices forced to drive the current economy toward alternative energy sources. Since oil and natural gas are finite resources, the combustion of these fossil fuels contributes to air pollution and the greenhouse effect, hydrogen has been considered as a promising alternative to fossil fuels due to its clean, renewable and high energy yield. Hydrogen production from anaerobic fermentation is an environmentally friendly, energy saving process and reduces wastes to be treated as well. Food waste, which has C/N ratio of 13.6-26.7, is a carbohydrate-rich organic solid waste meaning that it is a promising feedstock to produce hydrogen from anaerobic fermentation. In this study, therefore, hydrogen production from food waste in anaerobic fermentation was studied.
To find out the feasibility of hydrogen production from food waste, hydrogen production by the mesophilic and thermophilic acidogenic culture acclimated directly from food waste at organic loading rate (OLR) of $3gVSl^{-1}d^{-1}$, HRT of 5 days, and pH of 5.6±0.2 was evaluated by batch experiments on the effect of pH and volatile solid (VS) concentrations. The amounts of hydrogen produced from the thermophilic acidogenic culture were much higher than those from the mesophilic culture at all tested pHs due to free of methane and negligible propionate production. The optimum pH of hydrogen production in the thermophilic and mesophilic acidogenic culture was 5.5. The effect of VS concentrations on hydrogen production from the thermophilic acidogenic culture was conducted at pH 5.5. Increase of VS concentrations from 3 to $10 gVSl^{-1}$ resulted in the increase of quantity and quality of hydrogen production. Hydrogen producing microorganisms of Thermoanaerobacterium thermosaccharolytium and Desulfotomaculum geothermicum were detected from the thermophilic acidogenic culture, whereas Thermotogales strain and Bacillus species were detected from the mesophilic acidogenic culture by PCR-DGGE analysis. The results showed that hydrogen production from food waste was feasible by the thermophilic acidogenesis.
After find out the feasibility of hydrogen production from food waste by the thermophilic acidogenesis, continuous hydrogen production was investigated with the thermophilic acidogenesis as a function of organic loading rate (OLR), hydraulic retention time (HRT) and pH to find the optimum operating condition for continuous hydrogen production. The production of hydrogen and volatile fatty acids (VFA) was strongly influenced by the operational parameters and their conditions. Thus, proper operating condition control was essential to obtain efficient hydrogen production. The optimum operating condition for continuous hydrogen production was obtained at $8 gVSI^{-1}d{-1}$, 5 d HRT and pH 5.5, where the hydrogen production rate, content and yield were 1.0 l $H_{2}/l-d$, 60.5% and 2.2 $mol-H_{2}/mol-hexose$ consumed, respectively. The hydrogen production was related with the concentration of total VFA which was strongly dependent on that of butyrate indicating that the reaction was mainly butyrate fermentation. The DGGE-PCR analysis in response to pH shift showed that microbial community was strongly influenced by pH and Thermoanaerobacterium thermosaccharolytium was the responsible hydrogen-producing bacteria. The results indicated that sustainable and successful hydrogen production from food waste could be obtained by the thermophilic acidogenesis.
Not only hydrogen gas itself is a beneficial energy source, but also VFA can be used for methane production by methanogenesis. The harvest of hydrogen at thermophilic acidification stage, leaving the remaining acidification products such as acetate and butyrate for further methane production at methanogenic stage is economical and effective for the waste treatment. Therefore, as the final step in this study, hydrogen and methane production at the temperature phased (TP) thermophilic acidogenic and mesophilic methanogenic stage, respectively, was investigated and the performance was compared with conventional two-phase (CTP) process. Hydrogen production from the TP thermophilic acidogenic fermenter was much higher than that from the CTP mesophilic acidogenic fermenter at all tested OLRs. Methane contents in both TP and CTP methanogenic fermenter were not sensitive to the tested OLRs and increased gradually with increasing OLRs. The overall performance of methane production in the TP methanogenic fermenter was higher than that in the CTP methanogenic fermenter, but the difference was not significant. From the mass balance in the TP process at $8gVSI^{-1}d^{-1}$ as COD basis, 8.8% and 66.5% of influent COD in food waste was converted to hydrogen and methane, respectively. Finally, it was concluded that hydrogen and methane could be produced effectively using food waste from the TP thermophilic acidogenic and mesophilic methanogenic stage, respectively.
1970년대의 석유 파동과 최근의 석유와 천연가스의 가격 상승은 기존의 화석연료를 대체할 새로운 에너지 개발을 시급히 요구하고 있다. 석유와 천연가스 등의 화석연료는 매장량 이 한정되어 있으며, 연소시 대기오염 물질의 발생과 온실효과를 유발하여 전 세계적인 기상 이변을 통해 막대한 피해를 발생시키고 있다. 반면, 수소는 연소시 수증기만 발생하는 청정 에너지이며, 발열량 또한 기존의 탄화수소계의 화석연료보다 약 2.7배 높아 화석연료를 대체 할 차세대 연료로 주목 받아왔다. 수소 생산 기술 중 혐기성 소화공정을 통한 수소 생산은 환경 친화적이고 에너지 소모가 적어 타 기술에 비해 경제적일 뿐만 아니라 공정을 통해 폐수 및 폐기물을 효과적으로 처리할 수 있는 장점을 가지고 있다.
한편, 국내 음식폐기물은 전체 고형 폐기물 발생량의 약 23 % 를 차지하고 있으며 (MOE, 2002) C/N비가 높고, 수소 발생에 적합한 기질인 탄수화물을 풍부히 함유하고 있어 혐기성 소화공정을 통한 수소 생산에 많은 잠재적 가능성을 가지고 있다. 음식폐기물의 혐기성 산발효를 통한 수소 생산 후 남은 산발효물은 2차 처리가 필요하며, 이때 산발효물을 메탄 발효를 통한 메탄 생성은 바이오 에너지인 수소와 메탄을 동시에 생산할 수 있어 경제적이고 효과적인 공정으로 판단된다. 따라서, 본 연구는 음식폐기물을 혐기성 산발효를 통해 수소를 생산하고, 남은 산발효물을 메탄 공정에서 최종적으로 메탄을 생산하는 신공정을 개발하고자 하였다.
먼저 음식폐기물로부터 혐기성 산발효를 통한 수소 생산의 가능성을 확인하기 위하여 하수처리장 혐기성 소화조의 슬러지를 식종한 반응조에 음식폐기물을 주입하여 OLR $3gVSI^{-1}d^{-1}$, HRT 5일, pH 5.6±0.2 조건에서 3개월 운전한 고온 및 중온 산발효 반응조의 미생물을 추출하여 pH와 VS 농도에 따른 수소 생산을 평가해 보았다. 실험결과, 고온 산발효 미생물에 의한 수소 생산이 중온 산발효 미생물 보다 매우 높게 나타났으며, 그 이유는 고온 산발효 미생물 실험에서 수소 소비자인 메탄이 발생되지 않았으며, 또한 propionate의 농도도 낮게 생성된 것에 기인한 것으로 판단되었다. 고온 및 중온 산발효 미생물 중 수소 생성 미생물을 판별하기 위한 PCR-DGGE 분석에서 고온 수소 생성 미생물은 Thermoanaerobacterium thermosaccharolytium 과 Desulfotomaculum geothermicum 이 발견되었으며, 중온 수소 생성 미생물은 Thermotogales strain과 Bacillus species 가 발견되었다. 고온 산발효 미생물을 이용한 수소 생산의 가능성을 확인한 후, 연속운전에서 최적 수소 생산 운전조건을 도출하기 위하여 OLR, HRT, pH의 변화에 따른 수소 생산 실험을 수행하였다. 수소 생산을 위한 최적 운전조건은 OLR, $8gVSI^{-1}d^{-1}$; HRT 5일; pH 5.5±0.1 로 나타났으며, 이때 수소 생산율, 수소% 및 yield 값은 각각 $1.0LH_{2}/L-d$, 60.5%, 2.2 $mol- H_{2}/mol-hexose$ consumed로 나타났다. 실험결과, 효과적인 수소생산을 위해서는 공정에서 적절한 운전 조건을 유지하는 것이 매우 중요한 것으로 나타났다. pH 변화에 따른 수소 발생 미생물의 거동을 평가하기 위하여 PCR-DGGE 분석을 한 결과, 수소 생성 미생물은 Thermoanaerobacterium thermosaccharolytium 한가지 종 만 발견되었으며, 최적 pH 인 5.5±0.1 에서는 5개의 band가 발견된 반면, pH 5.0±0.1 에서는 한 개의 band가 발견되어, 이 미생물이 pH의 변화에 매우 민감한 것으로 나타났다.
고온 산발효 미생물을 이용하여 수소를 생산 한 후, 남은 산발효물을 중온 메탄 미생물을 이용하여 최종적으로 메탄을 생산하기 위하여, 고온 산발효조 후단에 직렬로 중온 메탄조를 설치하여 OLR 변화에 따른 수소와 메탄의 생산 실험을 수행하였으며, 실험결과를 기존의 이상 혐기성 소화공정에서 같은 조건으로 실험한 수소와 메탄 생산 실험결과와 비교 평가하였다. 실험결과, 고온 산발효조에서의 수소 생산이 기존의 이상 혐기성 소화공정의 중온 산발효조 보다 매우 높게 나타났다. 중온 산발효조에서는 메탄이 최고 25% 까지 생성되어 발생한 수소가 메탄 생성균에 의해 메탄으로 전환된 사실을 알 수 있었으며, 수소를 소모하는 propionate 농도가 고온 산발효조 보다 높은 반면, 수소를 생성하는 butyrate 농도는 낮게 나타났다. 고온 산발효조와 중온 메탄조를 연결한 공정에서 OLR, $8gVSl^{-1}d^{-1}$ 에서 COD 기준으로 mass balance을 수행한 결과, 음식폐기물의 유입 COD 중 8.8%가 수소로 발생되었으며, 메탄으로는 66.5%가 발생하였다. 메탄 발생량과 메탄%는 기존의 이상 혐기성 소화공정 보다 고온 산발효조와 중온 메탄조를 연결한 신공정에서 높게 나타났으나 그 차이는 크지 않았다. 결론적으로, 본 연구에서 고온 산발효조와 중온 메탄조를 연결한 신공정에서 수소와 메탄을 효과적으로 생산할 수 있었다.
