Food waste leachate is not only tremendously generated in recycling plants and has but also high organic load. It is being at issue to bring about secondary environmental pollution and to increase the overall operation cost for treating it in recycling plants. Present treatments are hard to deal with food waste leachate so that advanced and economic techniques are urgently needed for treating and recycling for it. Hydrogen fermentation process generates hydrogen from carbohydrate obtained as refuse or waste products. As a sustainable energy source, hydrogen is a promising alternative to fossil fuels. It is a clean and environmentally benign fuel and has a high energy yield, which is about 2.75 times greater than that of hydrocarbon fuels. On that score, hydrogen production from food waste leachate could be a new alternative in the view of treatment and sustainable energy recovery. This study, therefore, performed to recover hydrogen from food waste leachate in continuous operation.
First, the optimum conditions were evaluated to apply for continuous biohydrogen operation: feasibility, alkaline pretreatment, temperature, microorganism concentration, and iron dust effects. Five pH values, pH 9, 10, 11, 12, 13 and control were examined to find the optimum alkaline treatment condition for solubilization of food waste leachate. Impressive solubilization effects on food waste leachate were not detected. Twelve batch tests were performed to determine the optimum pre-treatment and temperature: alkaline pretreatment of pH 9, 10, 11, 12, and 13, including control, in mesophilic and thermophilic operation respectively. The maximum specific hydrogen production rate was 2.67 mol $H_2/$ mol hexose at control condition in thermophilic operation. To verify the feasibility of continuous hydrogen production, fed-batch experiment was conducted at control and pH 11 alkaline pretreatment in thermophilic operation. Averaged $H_2$ yields were 2.76 mol $H_2/mol$ hexose at the control condition and 2.75 mol $H_2/mol$ hexose at pH 11 alkaline pretreatment in thermophilic condition through 3 times. The control condition showed enough successful for hydrogen fermentation and was more preferable than pH 11 treated substrate in the economic view. After 3 times of fed-batch experiment, it was observed that microbial concentration could affect the performance of hydrogen production. The high amount of microorganisms in the substrate made the hydrogen yield enhanced and the total reaction time shortened. As settling agents and mineral donor, characteristics of iron dust were observed. In the view of setteability, added 0.5g iron dust/ g VSS leaded 79% reduced solid volume and the opimum iron dust addition was 0.83 iron dust/ g VSS for helping hydrogen producing bacteria in batch experiment.
Second, continuous biohydrogen production from food waste leachate was examined using two thermophilic ASBRs. Substrate concentration was 20g carbohydrate COD/L and 0.5 g iron dust/ g VSS was added to TI-ASBR verifying the iron dust effects on hydrogen fermentation. HRTs of 4,3,2, and 1.6d were performed in TI-ASBR and HRTs of 4,3, and 2 d were also conducted in T-ASBR. The maximum hydrogen yield in TI-ASBR and T-ASBR were 2.08 and 1.35 mol $H_2/ mol$ hexose at HRT 3d where the OLR were 6.3 g carbohydrate COD/L. TI-ASBR showed the enhanced hydrogen performance by adding iron dust resulting in increased microorganism in the reactor and the constant pH value. The optimum SRTs were 123h, based on VSS and 133h based on RNA concentration in TI-ASBR. On the other hand, the optimum SRTs were 139h, based on VSS concentration and 111h, based on RNA concentration in T-ASBR. The hydrogen yield and mix liquor microorganisms in a reactor were correlated with each other rather than the hydrogen yield and SRT. In both reactors at HRT 3d, the optimum microorganism concentration was 39.7g VSS/L from VSS and 54.7 mg/L from RNA concentration in TI-ASBR. On the other hand, the optimum microorganism concentration was 35.1g VSS/L from VSS and 40.0 mg/L from RNA in T-ASBR. All biomass concentrations in TI-ASBR were higher than in T-ASBR and MLRNA showed the close correlation with the hydrogen yield rather than MLVSS. While the hydrogen yield changed from low to high, the MLRNA accompanied with the similar trend of the hydrogen yield in TI-ASBR rather than in T-ASBR. Proper controls of HRT and iron dust were necessary for successful continuous $H_2$ production from food waste leachate using ASBR.
음식물 쓰레기는 전체 도시 고형물의 23%를 차지하지만, 직 매립이 금지됨에 따라 처리에 어려움을 겪고 있다. 현재, 음식물 쓰레기의 자원화는 사료화와 퇴비화가 대부분을 차지하고 있지만, 음식물 쓰레기의 높은 수분 함량 때문에 자원화 공정에서는 수분 함량을 낮추는 과정에서 방대한 양의 침출수를 발생시킨다. 음식물 쓰레기 침출수는 2차 환경오염을 유발시키고, 이를 처리하는데 많은 비용이 들기 때문에 적절한 대책이 요구된다.
수소는 화석연료의 대체 에너지로서, 환경 친화적이고 높은 열량을 가지고 있으며 지속적이고 재생 가능한 자원으로 많은 관심을 받고 있다. 음식물 쓰레기는 혐기성 수소 발효를 위한 기질로서 이미 성공적으로 검증되었고, 음식물 쓰레기 침출수 역시, 탄수화물 함량이 높고 음식물 쓰레기보다 가수분해는 더 용이한 기질로서 혐기성 수소 발효에 적합할 것으로 사료된다.
본 논문의 목표는 고온 혐기성 연속 회분식 반응조를 이용한 음식물 쓰레기 침출수의 바이오 수소 생산에서 Iron dust 와 HRT의 효과를 알아보는 것이다. 최종 목표인 연속 운전을 위한 최적 운전 조건을 결정하기 위해, 음식물 쓰레기 침출수의 알칼리 전처리 효과, 알칼리 전 처리된 기질의 고온 및 중온에서의 회분식 수소 생성 실험, 미생물 농도의 영향, fed-batch 실험을 통한 연속운전의 가능성 등이 평가 되었다. 또한, 수소 발효에 미치는 iron dust의 효과를 알아보기 위해, iron dust에 의한 침전성 실험, 회분식 실험을 통하여 침전성 효과, mineral donor 및 pH buffer 효과를 확인 하였다. 앞선 실험을 통해 도출된 최적 조건을 이용해서, 최종적으로 수소 생성 연속 운전이 실시 되었고, HRT에 따른 SRT와 미생물 농도의 변화를 확인 하였다.
각 전처리 pH 별 알칼리 전처리 효과가 관찰 되었는데, 이미 성공적으로 보고된 다른 유기성 폐기물과는 달리 가용화 효과가 크지 않았고, 전 처리된 기질 중에서는 pH 11로 알칼리 전처리된 기질에서 높은 S/T COD(0.65)와 S/T carbohydrate(0.67)가 확인되었다. 각 전처리된 음식물 쓰레기 침출수를 기질로 하여 중온 및 고온 조건에서 회분식 수소 생성 실험을 실시 하였다. 대조군과 pH 11에서 전처리된 기질이 회분식 실험에서 각각 2.67 mol $H_2$/ mol hexose과 2.33 mol $H_2$/ mol hexose의 가장 높은 수소 생성 수율을 보여주었다. 두 조건에서 연속운전 가능성을 알아보기 위한 세번의 fed-batch 실험에서 수소가 성공적으로 생성 되었고, 평균 2.76 mol $H_2$/ mol hexose과 2.75 mol $H_2$/ mol hexose의 수율이 나타났다. 이를 통해 연속운전의 가능성이 확인 되었으며, 전 처리를 하지 않은 기질로 고온조건에서 운전하는 것이 최적조건으로 도출되었다. Fed-batch 실험에 이어서, 식종균의 양을 달리한 미생물 농도 효과실험에서는 식종균과 기질의 양을 10:90, 25:75, 40:60으로 식종균의 양을 늘렸을 때, 수소 생성 수율이 2.16, 2.25, 2.38 mol $H_2$/ mol hexose로 증가 하였고, 전체 수소 생성 시간은 61, 53, 49시간으로 감소 하였다. Iron dust에 의한 침전성 향상 실험에서는, 기질에 iron dust가 0.3, 0.47, 0.50, 0.70, 0.90 g iron dust/g VSS로 투입되었고, 30분의 침전 시간을 두었을 때, 0.5 g iron dust/g VSS에서 SVI값으로 농축된 부피를 표현하였을 때, 대조군보다 73% 감소된 부피를 얻을 수 있었다. 또한, iron dust가 수소 생성에 미치는 영향을 회분식 수소 생성 실험으로 알아보았을 때, 0.83g iron dust/g VSS 에서 대조군 보다 1.73배 높은 수소 생성 수율을 얻을 수 있었다.
앞선 실험을 통해 연속 운전 조건을 결정하였고, iron dust와 HRT 효과를 알아보기 위한 고온 수소 생성 연속 운전이 시도 되었다. Iron dust를 첨가한 TI-ASBR에서는 HRT 4,3,2, 및 1.6d 조건에서, iron dust를 넣지 않은 T-ASBR 에서는 HRT 4,3, 및 2d조건에서 운전 되었다. 최대 수소 생성 수율은 두 반응조 모두 HRT 3d 에서 각각 2.08와 1.35 mol $H_2$/ mol hexose로 나타났다. SRT는 HRT의 감소에 따라, 역시 감소 하였으며, 최적 SRT는 TI-ASBR의 경우, 123h(VSS로 계산시)및 133h(RNA로 계산시)로 나타났고, T-ASBR의 경우, 139h(VSS로 계산시)및 111h(RNA로 계산시)로 나타났다. 본 연구에서의 최적 SRT값은 기존에 보고된 음식물 쓰레기 및 음식물 쓰레기와 하수 슬러지의 혼합소화에 수소 생성에서의 SRT 최적값들 사이에 있는 것으로 확인 되고, 반응조내 미생물량을 수소 생성과 비교하였을 때, RNA 농도 값으로 표현한 미생물 농도와 수소 생성 수율이 선형 관계에 있는 것으로 관찰되었다. 단위 RNA당 수소 생성 능력은 iron dust의 영향으로 TI-ASBR 이 T-ASBR보다 높은 것이 확인되었다. 음식물 쓰레기 침출수를 이용한 바이오 수소 생산시 적절한 HRT의 조절과 iron dust의 주입은 수소 생성에 큰 영향을 미치는 인자임이 확인되었다.
