Food waste causes significant environmental pollutions globally. Compared to the traditional disposal technologies such as landfill, incineration, and marine dumping, anaerobic digestion (AD) that can convert organic wastes to valuable biogases such as hydrogen and methane, has been gaining attention as an environmentally friendly alternative to treat the food waste. However, field application of food waste anaerobic digestion (FWAD) has been hindered by technical challenges such as volatile fatty acid (VFA) accumulation and limited organic loading rate (OLR) due to the high biodegradability of food waste. In order to overcome these challenges, previous research indicated that the adding conducting materials show promising effects by improving organic acid degradation possibly due to direct interspecies electron transfer (DIET). However, the retaining conductive material inside the reactor remain as an issue. In this study, carbon nanotube structures (CNTS) were fabricated and tested to improve the performance and stability of FWAD.
In chapter 2, CNTS consist of multi-walled carbon nanotube (MWNT) was fabricated with high strength and electrical conductivity and large surface area. In order to determine the maximum biogas production at various CNTS dose, batch experiments were performed. The result suggested that the addition of CNTS improved biogas productivity as well as faster removal of VFA. The optimum concentration for maximum reactor performance was determined to be 0.2 gCNTS/gVSS demonstrating improved methane production rate by 23.4% and methane yield by 19.5% compared to the reactor without CNTS.
In chapter 3, the impact of CNTS addition was tested in continuous AD reactors. New reactor was operated with CNTS for 280 days with a stepwise organic loading rate increase from 3.0 to 6.0 gCOD/L/d comparing with a control reactor without CNTS. At the low OLR, both reactors showed minimal difference in methane production rate. However, at OLR of 3.4, 4.0, and 4.8 gCOD/L/d, reactor with CNTS showed improved methane production compared to the control by 18.0%, 22.3%, and 25.8% respectively. More importantly, at high OLR of 6.0 gCOD/L/d, the control reactor was inhibited by the accumulation of VFAs resulting the decrease in pH. On the contrary, CNTS added reactor showed further increase in methane production. The VFA analysis revealed that mostly acetic and propionic acid was accumulated in both reactors. CNTS addition showed lower acetic and propionic acid concentration throughout each OLR than the control.
In chapter 4, CNTS was added to the control reactor at OLR of 6.0 g-COD/L/d to recover the deteriorated reactor. The biogas and methane fraction were recovered after 6 days. The pH of the reactor increased from 6.94 to 7.65 in 8 days similar to 7.73 of the CNTS added reactor. The VFA analysis revealed that at the point of CNTS supplementation where overall VFA concentration was 13.48 g/L, was gradually decreased to 8.25 g/L which was comparable to the operating CNTS added reactor of 7.04 g/L. The supplementation of CNTS showed recovery of both methane performance and reactor stability by improving VFA utilization.
Therefore, through this study, prepared CNTS was retained successfully and improved the stability of FWAD reactor even at high OLR. Furthermore, CNTS can be used as an emergency recovering solution for the early stage of deteriorating FWAD.
세계적으로 생산되는 음식물 쓰레기의 의한 환경오염이 심각해지고 있다. 전통적인 음식물 쓰레기의 처리 기술인 매립, 소각, 그리고 해양투기를 대신하여 유기성 폐자원을 수소와 메탄 같은 에너지로 변화시킬 수 있는 혐기성소화 기술이 최근 각광받고 있다. 하지만, 음식물쓰레기 혐기소화(FWAD)는 높은 생분해성을 띄는 음식물쓰레기에 의해 휘발성 유기산(VFA)의 축적과 제한된 유기물 부하량(OLR)과 같은 많은 기술적 제약이 있다. 이를 극복하고자, 종간 직접 전자 전달(DIET)을 이용할 수 있는 전도성 물질을 사용하여 유기산의 분해와 반응조 효율을 높이는 선행연구가 진행되었다. 하지만, 전도성 물질을 반응조 내부에 유지해야하는 문제가 남아있어, 본 연구에서는 높은 OLR의 FWAD 효율을 개선하고자, 반응조 내부에 필터로 걸러질 수 있는 탄소나노튜브 구조체(CNTS)를 제조하여 FWAD의 성능과 안정성 증진에 미치는 영향을 확인하였다.
2장에서는 높은 강도와 표면적, 그리고 전기 전도도로 이루어진 다중격 탄소 나노튜브로 이루어진 CNTS를 제작하였으며, 음식물 쓰레기소화의 바오가스화를 극대화하기 위하여, CNTS의 농도별 배치실험을 진행하였다. 실험을 통해, CNTS가 대조군대비 메탄 생성효율 의 23.4% 향상과 생성량의 19.5% 증가와 빠른 VFA 제거율을 확인하여, 최적농도를 0.2 gCNTS/gVSS로 결정하였다.
3장에서는 CNTS의 첨가가 연속 혐기성 반응조에서 미치는 영향을 시험하였다. CNTS를 넣은 반응조와 대조군을 280일 동안 OLR을 3.0 에서 6.0 g-COD/L/d로 증가시키며 운전하였다. 낮은 OLR에서는 대조군과 CNTS 첨가군의 메탄 생성 효율이 비슷하였으나, 3.4, 4.0, 4.8 g-COD/L/d의 OLR에선 첨가군이 대조군 대비 가각 18.0%, 22.3%, 그리고 25.8%의 메탄생성효율 증가를 확인하였다. 게다가, 6.0 g-COD/L/d의 높은 OLR에선, 대조군이 VFA 축적에 의하여 pH가 떨어지며 효율이 저해 된것을 확인하였다. VFA 분석을 통해 아세트산과 프로피온산의 VFA 축적의 주 성분인것 을 확인하였고 CNTS 첨가가 이들의 농도를 낮춘것을 확인하였다.
4장에서는 6.0 g-COD/L/d에서 기능이 저하되는 반응조에 CNTS를 첨가하였다. 첨가후 6일 안에 바이오 가스와 메탄 비율이 회복되었으며, pH는 6.94에서 CNTS를 처음부터 첨가된 반응조의 pH (7.73)와 비견되는 7.65로 증가하였다. VFA 분석을 통해 기존 VFA 농도가 13.48 g/L에서 8.25 g/L로 감소하며 CNTS 첨가군의 7.04 g/L 과 비슷한 수준으로 첨가후 8일만에 감소하였다. 따라서 CNTS의 첨가는 VFA 사용률을 높혀 메탄 효율과 반응조 안정성을 회복시키는 것을 확인하였다.
본 연구를 통해, 제조된 CNTS는 반응조 내부에 성공적으로 유지되었으며 FWAD의 안정성을 높은 OLR에서도 유지하는 것을 확인하였다. 또한, CNTS의 첨가는 FWAD 기능 저하 초기 단계에서 긴급 회복수단으로서 사용할 수 있는 것을 확인하였다.
