As a sustainable energy source with minimal or zero use of hydrocarbons and high energy yield (122 kJ/g), hydrogen is a promising alternative to fossil fuels. Conventional physicochemical methods for hydrogen production require electricity derived from fossil fuel combustion or nuclear fission; thus interest in biohydrogen production has increased substantially. Among biological processes, fermentative processes produce $H_2$ at a higher rate than photosynthetic processes. In addition, fermentative production can convert organic wastes to more valuable energy resources. This study was performed to evaluate continuous hydrogen production in mesophilic digestion of organic waste.
Firstly, the effect of substrate concentration on continuous hydrogen production was investigated in a continuous-flow stirred-tank reactor using sucrose as a model substrate. The hydraulic retention time (HRT), pH, and temperature were maintained at 12 h, over 5.3±0.1, and 35±1℃, respectively. At the influent sucrose concentration of 5 g COD/L, start-up was not successful. When the reactor was started-up at 30 g COD/L, it exhibited stable H2 production for 271 days at influent sucrose concentrations of 10-60 g COD/L. Hydrogen production depended on substrate concentration such that the highest values of 1.09 mol $H_2$/mol $hexose_added$, 1.22 mol $H_2$/mol $hexose_consumed$, 7.65 L $H_2$/L/d, and 3.80 L $H_2$/g VSS/d were recorded at a sucrose concentration of 30 g COD/L. All bacterial species detected by polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis analysis were belonged to $H_2$-producing Clostridium spp. At influent sucrose below 20 g COD/L, the $H_2$ yield per $hexose_consumed$ decreased along with a significant decrease in soluble fermentation product distribution. Clostridium scatologenes, a $H_2$-consuming acetogen, was found in the range. At influent sucrose over 35 g COD/L, substrate overload occurred and caused a decrease in the carbohydrate degradation efficiency and $H_2$ yield per $hexose_added$. In most cases, hydrogen production increased as n-butyrate production increased. On the other hand, contribution of acetate production on hydrogen production was inconsistent due to reductive acetogenesis.
Secondly, feasibility of hydrogen production from organic waste was performed in thirty one serum bottles under various volatile solids (VS) concentrations (0.5~5.0%) and mixing ratios of food waste and sewage sludge (0:100~100:0, VS basis). The seed concentration, pH and temperature were maintained at 1.1 g VSS/L, the range of 5.0-6.0 and 35±1℃, respectively. Through response surface methodology, empirical equations for hydrogen evolution were obtained. Food waste showed relevant specific hydrogen production potential. The maximum specific hydrogen production rate was 60.2 mL $H_2$/g VS. Acceptable VS concentrations were obtained from 1.6 to 4.3%. Hydrogen was not produced when sewage sludge was the sole substrate. However, addition of sewage sludge on food waste could enhance hydrogen production due to balanced carbohydrate/protein ratio. The maximum specific hydrogen production rate was 111.2 mL $H_2$/g VSS/h. Food waste and sewage sludge were, therefore, considered as a suitable main substrate and a useful auxiliary substrate, respectively, for hydrogen production. The metabolic results indicated that the fermentation of organic matters was successfully achieved and the characteristics of the heat-treated seed sludge were similar to those of anaerobic spore-forming bacteria, Clostridium spp.
Lastly, continuous hydrogen production from food waste was studied in five anaerobic sequencing batch reactors at various HRT (18-42 h), solid retention time (SRT) (18-160 h), and $CO_2$ sparging rate (40-120 L/L/d). Alkali-treatment of food waste enabled stable hydrogen production for 115-230 days. Separation of SRT from HRT and $CO_2$ sparging enhanced the hydrogen productivity. The maximum hydrogen yield (88.9 mL $H_2$/g VS, 1.24 mol $H_2$/mol $hexose_added) was observed at 36 h HRT, 120 h SRT, and 80 L/L/d of $CO_2$ sparging rate. The maximum hydrogen production rate (2.85 L $H_2$/L/d) was found at 30 h HRT, 90 h SRT, and 80 L/L/d of $CO_2$ sparging rate. Acceptable hydrogen production (higher than 60.1 mL $H_2$/g VS, 0.85 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$, and 2.0 L $H_2$/L/d) was found at HRT of 26-37 h and SRT over 89 h. The fermentation efficiency ranged from 40.2 to 55.9%. Carbohydrate was the main organic carbon source. In most cases, n-butyrate was the most abundant fermentation product. However, as hydrogen production increased by SRT control, n-butyrate composition decreased, while isopropanol composition increased. Population shift from complex microflora including various non-$H_2$-producing bacteria to simple $H_2$-producing bacteria was observed at long SRT. Among $H_2$-producing bacteria, Clostridium proteoclasticum was affiliated the most.
유기성 고형폐기물은 막대한 발생량과 부패성으로 인해 수집, 운반, 처리 과정에서 수질, 대기, 해양, 토양 등 총체적인 문제를 야기하는 대표적인 환경 현안이다. 한 예로 음식물 쓰레기의 경우 2005년부터 매립이 금지되면서 100% 재활용이 추진되고 있지만, 현재의 주요 재활용 산물인 퇴비와 사료가 알맞은 수요처를 찾지 못하고 있는 등 효과적인 재활용 및 자원 회수 방안의 마련이 절실한 상황이다. 한편, 온난화 등의 기후 변화와 대기 오염, 고갈 가능성 등으로 인해 화석 연료를 대체할 수 있는 청정하고 지속 가능한 대체 에너지의 개발 필요성이 증대하고 있다. 수소는 무한정한 자원, 오염 물질 무배출, 높은 에너지 효율로 주목 받고 있지만, 재생 불가능한 에너지를 과다 투입하여 생산하는 현재의 방식으로는 대체 에너지로 활용되기 어렵다. 이러한 상황에서 유기성 폐기물을 효과적으로 처리하는 동시에 값비싼 원료나 에너지의 외부 공급 없이 수소를 생산할 수 있는 혐기성 수소 생산이 최근 관심을 모으고 있다. 그러나 기질 농도 등 운전 인자의 영향에 대한 정보 부족, 비멸균 기질의 주입으로 인한 미생물 군집 변화 가능성 등으로 인해 현재까지 성공적인 연속 운전이 보고된 바가 드문 실정이다.
본 연구의 목표는 유기성 고형폐기물로부터 수소를 지속적으로 생성하는 연속 운전 방법을 제시하는 것이다. 이를 위해 기질 농도, 수리학적 체류시간(HRT), 고형물 체류시간(SRT), 이산화탄소 스파징 등이 수소 생산, 발효 산물 분포, 미생물 군집 변화 등에 미치는 영향 등이 평가되었다.
먼저, 자당을 기질로 하여 기질 농도가 연속 수소 생산에 미치는 영향을 고찰하였다. 자당의 유입 농도가 5 g COD/L일 때는 연속 수소 생산이 불가능한 반면, 10-60 g COD/L에서는 271일간의 안정적인 수소 생산이 가능하였다. 기질 농도는 수소 생산 효율, 발효 산물 분포, 미생물 군집에 영향을 주었다. 반응조 내 농도3.5 g COD/L에서 가장 높은 수소 생산 효율(1.09 mol $H_2$/mol $hexose_added$, 1.22 mol $H_2$/mol $hexose_{consumed}$, 7.65 L $H_2$/L/d)이 나타났으며, PCR-DGGE를 통해 조사된 미생물 종은 모두 Clostridium 속의 수소 생성 미생물과 관련이 있었다. 반응조 내 농도 0.6 g COD/L 이하에서는 기질 분해 효율은 97% 이상이었지만 분해 기작의 변화 또는 생성된 수소의 소모 반응을 통해 분해 기질 대비 수소 수율이 저하되었다. 반응조 내 농도 8.8 g COD/L 이상에서는 분해 기질 대비 수소 수율은 높게 유지되었지만 과도한 부하로 인해 기질 분해 효율과 주입 기질 대비 수소 수율이 감소하였다. 대부분의 실험 조건에서 가장 농도가 높은 부산물은 노말부티르산이었고, 노르말부티르산의 생성량과 수소 생성량은 선형 관계에 있었다. 반면, 아세트산이 수소 생성에 미치는 영향은 수소 소모 아세트산 생성 반응의 존재로 인해 기질 농도에 따라 달라졌다.
다음으로는 국내의 대표적인 유기성 폐기물인 음식물 쓰레기와 하수 슬러지로부터의 수소 생산 가능성을 회분식 실험을 통해 평가하였다. 다양한 유기물 농도(VS 0.5-5.0 %)와 혼합비(0:100-100:0, VS 기준)의 31가지 조건에서 실험이 수행되었으며 반응표면 분석법을 통해 이를 해석하였다. 음식물 쓰레기는 높은 수소 생성 잠재량(최대 60.2 mL/g VS)과 속도(최대 111.2 mL/g VSS/h)를 가진 효과적인 기질인 것으로 확인되었다. 수소 생성 잠재량 기준 80% 용인 조건은 VS 1.6-4.3%였다. 하수 슬러지의 경우, 단독으로 사용되었을 경우에는 수소를 생성할 수 없었지만, 음식물 쓰레기에 첨가되었을 경우에는 탄수화물/단백질 비의 조절로 인해 수소 생성을 향상시킬 수 있음이 발견되었다. 한편 수소 생성과 동시에 유기물의 발효가 성공적으로 진행되었으며, 발효 산물의 분포는 Clostridium 속의 수소 생성 미생물을 이용한 기존 연구들과 유사하였다.
최종적으로 음식물쓰레기로부터의 연속 수소 생성이 시도되었다. 네 가지 조건에서 초기 운전을 수행한 결과, pH 12.5로 음식물 쓰레기를 전처리한 경우 30일 이상의 안정적인 수소 생산이 가능한 것으로 나타났다. 이후 다양한 HRT (18-42 h), SRT (18-160 h), 이산화탄소 스파징 속도(40-120 L/L/d)에서의 연속 운전을 통해 HRT로부터의 SRT 분리와 이산화탄소 스파징이 수소 생성을 증가시킴을 발견하였다. 최대 수소 생성 수율(88.9 mL $H_2$/g VS, 1.24 mol H2/mol $hexose_added$)은 HRT 30 h, SRT 90 h, 이산화탄소 스파징 80 L/L/d에서, 최대 수소 생성 속도(2.85 L $H_2$/L/d)는 HRT 36 h, SRT 120 h, 이산화탄소 스파징 80 L/L/d에서 관찰되었다. 기존의 연구 결과들을 고려하여 60.1 mL $H_2$/g VS, 0.85 mol $H_2$/mol $hexose_added$, 2.0 L $H_2$/L/d 이상의 수소 생성을 목표로 할 때, HRT 26-37 h, SRT 89-160 h 범위에서 이를 충족하는 것으로 평가되었다. 한편 발효 효율은 40.2-55.9%였고, 주요 탄소원은 탄수화물, 주요 부산물은 노말부티르산과 이소프로판올이었다. 미생물 군집의 분포는 SRT가 증가함에 따라 비수소 생성균이 포함된 복잡한 형태에서 수소 생성균과 관련이 있는 것으로 보이는 단순한 분포로 전환되었다. 수소 생성 미생물 중에서는 Clostridium proteoclasticum}과 유사한 종이 가장 많은 것으로 조사되었다.
