Hydrogen is regarded as the most promising future energy carrier because of its environmentally friendly aspect and high energy yield. Conventional physico-chemical methods for $H_2$ are energy intensive and generate green house gases; thus interest in biohydrogen has increased substantially. Among various biological ways, dark fermentation is considered to be practically applicable since its production rate is fast and could degrade organic solid waste such as food waste and sewage sludge. However, as there is a limitation of waste degradation and energy recovery in $H_2$ fermentation, second stage process such as $CH_4$ fermentation should be followed. Therefore, the main objective of this work was to develop an innovative two-stage fermentation system converting organic solid waste to $H_2$ and $CH_4$.
Firstly, continuous pilot-scale $H_2$ fermenter treating food waste was operated at various C/N ratios. Although stable $H_2$ production was achieved after 45 d of start-up, $H_2$ yield was limited to 0.53 mol $H_2/mol$ $hexose_{added}$ which is equivalent to 2.43\% of total energy content in the food waste. Moreover, increase of C/N ratio decreased the $H_2$ yield, and alkaline shock treatment was not a permanent method recovering the performance.
In order to overcome the limited performance of current $H_2$ fermentation method treating organic solid waste, an innovative method named ‘$H_2$ fermentation of food waste without adding external inoculum’ was suggested. This method was found to be feasible if proper pretreatments were applied by inhibiting LAB activity. Especially, the heat treatment (90℃ for 20min) was the most effective method and $H_2$ production was increased with the pretreatment heating temperature increase. Optimal substrate concentration was 30 g Carbo. COD/L and the decrease of $H_2$ yield at higher substrate concentration was due to product inhibition. Scaled-up fermenter (3 L) where heat-treated food waste was added showed a clear relationship between $H_2$ production and butyrate production. RNA concentration well described the dynamic change of microbial growth while VSS concentration could not.
Then, the performance of new method was enhanced by pH control. Initial pH difference significantly affected the $H_2$ fermentation performance by changing the metabolic pathway, lag period, and microbial growth. The optimal initial pH was found to be 8.0$\pm$0.1 at cultivation pH 5.0$\pm$0.2 with the largest butyrate and the least ethanol production. Initial pH 7.0$\pm$0.1 and 8.0$\pm$0.1 provided proper environment for microbial germination and growth. The highest $H_2$ yield was achieved at cultivation pH 6.0$\pm$0.2 when the initial pH was 8.0$\pm$0.1. At a constant cultivation pH, the requirement of alkaline solution showed minimum at initial pH 7.0 and 8.0. And, at a constant initial pH, the requirement increased with the cultivation pH.
In addition, synergistic effect was observed when adding sewage sludge to food waste. It not only increased the $H_2$ yield but also facilitated the $H_2$ production by decreasing the lag period and increasing the $H_2$ production rate. 10\% sewage sludge addition based on total fermenter volume maximized the $H_2$ yield. As the only fixed solid part of sewage sludge addition improved the $H_2$ fermentation in the same way, it was suspected that certain metal components in sewage sludge but are lack in food waste are the main reason of the synergism. Actually sewage sludge had higher concentration of metal components, such as Fe, Al, Ca, and P, which are thought to be beneficial in $H_2$ fermentation.
Then, the two-stage fermentation system converting organic solid waste to $H_2$ and $CH_4$ was operated. Sixteen times of $H_2$ fermentation performance proved that the innovative $H_2$ fermentation method developed here is promising, achieving the high $H_2$ yield of 2.15 mol $H_2$ /mol hexose_{added}, which is equivalent to 8.67\％ conversion efficiency of total energy content in organic solid waste to $H_2$. Also it showed high acidification efficiency, 50％ of VS reduction, 91％ of carbohydrate removal, and solubilization increase to 0.7. As this method is simpler than those of existing continuous system and does not require start-up period and warrants high $H_2$ production with effective acidification, it is thought to be practically applicable. High performance of 78.6％ of biogas conversion, 87.3％ of VS reduction and 89.2％ of COD removal was achieved when ASBR mode was followed by $H_2$ fermenter. On the other hand, as the 31.8% of COD was remained as sediment after centrifugation, the whole performance was limited in UASBr, 65.6％ of biogas conversion and 66.7％ of COD removal. However, it is hard to conclude which system is better and more efficient without performing economic analysis because both maximum organic loading rate and $CH_4$ production rate were about 3 times higher and the HRT was 7.5 times shorter in UASBr than those of ASBR.
For the economic feasibility of this system, different kinds of $CH_4$ fermenter effluent were added as diluting water in $H_2$ fermentation. Although the highest $H_2$ production was observed in using tap water, the difference was not severe, only 5％ and 10~14％ of $H_2$ production decrease in cases of UASBr and ASBR effluent added, respectively. $CH_4$ production was negligible in all cases of using $CH_4$ fermenter effluent as diluting water because the $H_2$ fermentation method applied here was batch mode providing not enough time for the methanogenic adaptation. Half of alkali addition reduction was possible in cases of ASBR effluent added, which could sufficiently compensate the slight $H_2$ production drop.
Lastly, several batch tests and continuous operation were conducted to know the effect of sodium on $H_2$ fermentation. Sodium inhibition on $H_2$ fermentation in the batch operation was concurrent with the change of metabolic pathway favorable to lactate production while depressing butyrate production and substrate utilization. Sodium concentrations causing 30, 60, 90％ inhibition obtained to 2.41, 5.36 and 10.14 g $Na^+/L$. $H_2$ production was maintained over 0.9 mol $H_2$ /mol $hexose_consumed$ up to 5.36 g $Na^+/L$ owing to the adaptation mechanism in continuous operation, but irrecoverable $H_2$ production drop was observed at 10.14 g $Na^+/L$ with the increase of lactate and propionate production. LAB and PAB were dominant at highly sodium concentrated environment. In the additional batch tests, acclimated biomass showed an increased tolerance to sodium.
수소는 연소 시 물만 생산한다는 친환경적인 점과, 탄화수소화합물보다 에너지 함량이 높다는 장점 등 때문에 미래의 궁극에너지원으로 크게 각광을 받고 있다. 하지만, 기존의 물리화학적인 수소 생산방법은 친환경적이지 못하여 최근에는 생물학적 생산 방법에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 특히 암발효에 의한 수소 생산 방법은 수소 생산 속도가 매우 빠르고, 음식물쓰레기나 하수슬러지와 같은 유기성 고형폐기물을 처리할 수 있기 때문에 실용화가 가능한 방법으로 평가되고 있다. 하지만, 암발효 공정에는 오염물질 분해 및 바이오에너지 회수에 한계가 있으므로 메탄 발효와 같은 후단 공정이 연계되어야 한다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 유기성 고형폐기물을 수소 및 메탄으로 전환하는 혁신적인 이단 발효 공정을 개발하였다.
먼저, 음식물쓰레기를 기질로 하는 파일롯 규모의 수소발효조 연속운전을 실시하였다. 45일 이후 안정적인 수소발생량이 관찰되었지만, 수소 전환율은 0.53 mol $H_2/mol hexose_{added}$ 로 매우 낮았다. 수소 전환율을 향상시키기 위하여 알칼리 충격법을 실시하였지만, 이는 지속적인 높은 수소 전환율을 유지할 수 없었다.
기존의 유기성 고형폐기물을 기질로 하는 연속 공정 시 낮은 수소 전환율을 극복하기 위하여 “음식물쓰레기의 무식종 수소발효”라는 신공정을 개발하였다. 이 방법은 음식물쓰레기에 전처리를 할 경우, 음식물쓰레기내에 존재하는 젖산 미생물을 사멸하는 반면 수소생성균은 살아남아 음식물쓰레기가 기질뿐만 아니라, 수소생성 식종균으로도 쓰일 수 있게 하는 매우 간단한 공정이다. 다양한 전처리 방법 중 최적 조건은 90℃ 에서 20분간 열처리하는 것이었고, 최적 기질 농도는 30 g Carbo. COD/L였다. 그리고 최적 초기 및 운전 pH는 각각 8.0$\pm$0.1과 6.0$\pm$0.2였다. 초기 pH는 대사산물, 미생물 성장과 지체시간에 영향을 주어 수소발효에 영향을 주었다.
하수슬러지를 음식물쓰레기에 첨가 시 수소발효 성능의 향상이 관찰되었다. 특히 수소 발생량 뿐만 아니라, 수소 생산 속도가 급격히 증가하였고, 지체 시간은 줄어들었다. 이러한 상승 원인은 원소분석 결과 하수슬러지에 음식물쓰레기보다 훨씬 고농도로 존재하는 철, 알루미늄, 칼슘, 인의 영향 때문으로 사료된다.
신개념의 수소발효 공정을 최적화한 후 이단 발효(수소+메탄) 공정을 지속적으로 운전하였다. 수소발효는 총 16회 운전하였으며, 이 때 평균 수소 전환율은 음식물쓰레기가 함유하고 있는 전체 에너지의 8.67\%에 해당하는 2.15 mol $H_2/mol hexose_{added}$ 였고, 50\%의 VS 감량과 91\%의 탄수화물 분해율을 보였다. 여기서 개발한 수소발효 공정은 기존의 연속 공정과는 달리 초기 안정화 시간이 전혀 필요없고, 안정적인 수소 생산과 더불어 유기물의 1차 처리가 가능하므로 실용화가 가능한 기술로 평가된다. ASBR 형태의 메탄발효조 연계 시 78.6\% 바이오가스 회수율, 87.3\% VS 감량, 89.2\% COD제거율을 보인 반면, UASB 반응조 연계 시에는 65.6\% 바이오가스 회수율과 66.7\%의 COD 제거율을 보였다. 이는 UASB 반응조의 경우 수소발효 유출액의 상등액 부분만 기질로 공급되고, 전체 COD의 31.8\%에 해당하는 부분은 원심분리에 의해 고형물로 처리되지 않고 남아있었기 때문이다. 전체적으로 ASBR 반응조 연계 시 더 높은 에너지 회수율 및 유기물 처리능을 보였지만, 메탄 생성 속도가 UASB 반응조의 경우 3배 이상 빠르고, HRT가 7.5배 이상 짧았으므로 경제성 분석을 포함한 시스템 성능 비교가 필요하다.
경제성을 향상시키기 위하여 다양한 종류의 메탄발효조 유출수를 수소발효 희석수로 이용하는 실험을 실시하였다. 수돗물을 희석수로 이용한 경우 가장 높은 수소전환율을 보였지만, UASB와 ASBR 메탄조 유출수와 큰 차이가 나진 않았다. 특히 모든 경우에서 메탄은 검출되지 않았고, ASBR 유출수를 희석수로 이용하는 경우 메탄발효조내에 풍부한 알칼리에 의해 전체 알칼리 요구량을 50\% 이상 줄일 수 있었으므로 10% 정도의 수소발생 감소량을 충분히 보충할 수 있는 경제적인 방법으로 평가된다.
최종적으로 나트륨이 수소발효에 미치는 영향을 알아보기 위하여 회분식 및 연속 실험을 실시하였다. 회분식 운전 시 나트륨이 수소발효에 미치는 저해 기작은 미생물의 대사경로를 뷰틸산에서 젖산의 생산으로 변화시키는 것과 기질 분해율을 저하시키는 것이었다. 회분식 실험을 통한 30%, 60%, 90% 저해 농도는 각각 2.41, 5.36, 10.14 g $Na^+$/L$ 였다. 연속 운전 시 수소생성균의 적응성에 의하여 5.36 g $Na^+$/L의 농도까지는 수소전환율이 0.9 mol $H_2/mol hexose_{added}$ 이상으로 유지되었지만, 10.14 g $Na^+$/L 의 농도에서는 젖산과 프로피온산의 농도의 증가와 함께 급격히 감소하였다. 미생물 분석 결과 젖산 생성 미생물과 프로피온산 생성 미생물이 고농도의 나트륨에서 주요 미생물로 관찰되었다.
