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Continuous biohydrogen production by co-digestion of alkali-treated food waste and sewage sludge = 알칼리 처리한 음식물 쓰레기와 하수 슬러지의 혼합소화에 의한 연속 바이오수소 생산
서명 / 저자 Continuous biohydrogen production by co-digestion of alkali-treated food waste and sewage sludge = 알칼리 처리한 음식물 쓰레기와 하수 슬러지의 혼합소화에 의한 연속 바이오수소 생산 / Joo-Youn Nam.
저자명 Nam, Joo-Youn ; 남주연
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2006].
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Hydrogen is a promising alternative, environmentally 'friendly' and sustainable energy carrier. $H_2$ can be produced by dark fermentation of carbohydrate-rich substrates, giving organic fermentation end products, $H_2$ and $CO_2$. Organic wastes are regarded as a desirable feedstock because they are inexpensive, abundant and nutrient-rich. Besides, waste reduction could be achieved as well. Food waste and sewage sludge are the most abundant and problematic organic wastes in Korea while their conventional disposal options would not be acceptable in the near future. As the above mentioned wastes have different characteristics, co-digestion might be synergistic for hydrogen production owing to balanced organic and inorganic compositions. This work was, therefore, performed to investigate continuous hydrogen production from these wastes. Firstly, effects of alkaline treatment on organic waste were examined. Four initial pH values of sewage sludge, pH 11.5, 12.0, 13.0 and 13.5, were examined by addition of 60, 74.5, 120 and 312.3 meq KOH/L, respectively. At initial pH 13.0, soluble carbohydrate and soluble protein compositions reached the maximum values, 69% and 70%, respectively. As carbohydrate is the main carbon source and protein is one of the important nutrients in hydrogen production, initial pH 13.0 was considered as the optimum alkaline treatment condition for hydrogen fermentation. Also, carbohydrate and protein compositions of food waste reached 51 % and 16 %, respectively, at initial pH 13.0. Furthermore, the bacteria counts of sewage sludge and food waste decreased about 3.5-log and over 7.8-log (CFU), respectively. It meant that alkaline treatment was efficient for disinfection as well as solubilization of the organic wastes. Secondly, $H_2$ production tests were performed to investigate feasibility of hydrogen production from alkali-treated food waste and sewage sludge under various VS concentrations (1.5~5%) and mixing ratios of food waste and sewage sludge (0:100-100:0). Empirical equations for hydrogen evolution were obtained through response surface methodology. The maximum specific hydrogen production rate was 163.8 mL $H_2/g$ VSS/h at 5.0% of VS concentration and 62.5 % of food waste composition. Addition of sewage sludge on food waste could enhance specific hydrogen production rate due to balanced carbohydrate to protein ratio. The maximum specific hydrogen production potential was 152.1 mL $H_2/g$ VS at 2.8% of VS concentration and 100% of food waste composition. Both the specific hydrogen production rate and potential were comparable to the reported maximum values in batch test using organic wastes. Therefore, alkali-treated food waste and sewage sludge were considered as suitable substrates for $H_2$ production. Finally, continuous $H_2$ production from co-digestion of alkali-treated food waste and sewage sludge was attempted using two mesophilic ASBRs. VS concentration and the mixing ratio of food waste and sludge were adjusted to 5% and 80:20, respectively. Stable $H_2$ production was found at all the examined conditions. Five different HRTs of 36, 42, 48, 72 and 108 hr were tested. The best performance was achieved at 72 hr HRT, where the $H_2$ yield, the $H_2$ production rate and $H_2$ content were 62.0 mL $H_2$ /g VS, 1.0 L $H_2$ /L/d and 40% to 50% respectively. These results are significant considering $H_2$ production considering co-digestion of food waste and sewage sludge. Sufficient SRT (143 hr) and proper loading rate (8.2 g Carbohydrate-COD/L/d) at 72 hr HRT might lead the enhanced performance. At 72 hr HRT, the cycle period was changed from 12 to 24 hr. Both $H_2$ yield and $H_2$ production rate decreased to 40.9 mL $H_2$ /g VS and 0.68 L $H_2$ /L/d, respectively comparing the results of 12 hr cycle mainly due to excessive initial loading. Proper control of HRT and cycle length was necessary for successful continuous $H_2$ production from co-digestion of food waste and sewage sludge using ASBR.

화석에너지에 의해 발생하는 대기오염, 온실효과로 인한 지구온난화와 기상이변, 오존층 파괴 등의 재해는 공해 없는 대체 에너지의 도입을 촉구한다. 수소는 유력한 미래의 에너지 주목 받고 있으며, 각국에서 수소에너지 생산에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 생물학적 수소 친환경적이고 지속 가능한 수소의 생산법이다. 특히 탄수화물이 풍부한 폐기물을 유기원으로 이용하여 수소를 생산하는 혐기성 수소 생산은 생물학적 방법 중 가장 생산성이 우수하고 유기성 폐기물을 처리하는 수소를 생산할 수 있어 관심이 집중되고 있다. 음식물 쓰레기와 하수 슬러지는 국내의 대표적인 유기성 폐기물이다. 음식물 쓰레기의 경우 수소 생성 미생물이 수소를 생산하는데 사용하는 탄수화물이 풍부한 폐기물로서 기질로서의 잠재성은 이미 증명 되었다. 하수 슬러지는 탄수화물 함량이 낮지만 탄수화물 함량이 높은 음식물 쓰레기와 혼합소화를 할 경우 기질로서 이용이 가능할 것으로 평가된 바 있다. 이러한 폐기물은 고형물 함량이 높아 미생물과의 접촉이 제한되므로 용해도를 높여 발효의 효율을 향상 할 필요가 있다. 또한 폐기물 내에 존재하는 수소 생성 저해 미생물을 사멸해야 한다. 알칼리 처리는 경제적인 가수분해 방안으로써 슬러지 처리에 많이 사용되어 왔으며 미생물 사멸 효과도 있다고 알려져 있다. 따라서 본 논문에서는 음식물 쓰레기와 하수 슬러지를 알칼리 처리 하였을 때의 효과를 알아보고, 최적 알칼리 조건에서 처리된 두 폐기물에 대해 수소 발효 회분식 실험을 수행하여 적정 유기물 농도와 혼합비를 도출하였다. 최종적으로 도출된 최적 기질 조건에서 혐기성 연속 회분식 반응조를 사용하여 연속 수소 생산을 수행하고, 수리학적 체류시간(hydraulic retention time, 이하 HRT)과 운전주기의 영향을 고찰하였다. 먼저, 알칼리 처리가 가용화 향상과 미생물 사멸에 끼치는 영향에 대해 알아보았다. 하수 슬러지의 경우 초기 pH를 11.5, 12.0, 13.0 과 13.5 로 조정하기 위해 60, 74.5, 120 그리고 312.3 meq KOH/L 를 주입하였다. 48시간의 반응 후 용해성 탄수화물과 단백질의 함량은 초기 pH 13.0에서 각각 69%와 70%로 가장 높았다. 수소발효에 있어서 탄수화물과 단백질이 주요 탄소원 및 영양소로 사용되므로 최적 알칼리 조건은 초기 pH 13.0로 산정하였다. 한편, 초기 pH 13.0로 음식물 쓰레기를 처리한 경우 48시간 반응 후 용해성 탄수화물과 단백질 함량은 각각 51%와 16%였다. 미생물 사멸 효과에 대해 알아본 실험에서는 알칼리 처리 후의 미생물 수가 하수 슬러지의 경우 3.5 log (colony forming units, 이하 CFU), 음식물 쓰레기의 경우 7.8 log(CFU) 이상 감소하는 것으로 보아 알칼리 처리가 미생물 사멸에 효과적임을 알 수 있었다. 다음으로는 알칼리 처리된 음식물 쓰레기와 하수 슬러지의 수소 발효 향상을 위해 적정 Volatile solids(이하 VS) 농도와 혼합비를 도출하고자 하는 회분식 실험을 수행하였다. 알칼리 처리된 두 폐기물을 다양한 유기물 농도(VS 1.5-5.0 %)와 혼합비(0:100-100:0, VS 기준)로 섞어서 실험을 수행하고 그 결과를 반응표면 분석법을 통해 해석하였다. 최대 비수소 생성속도는 VS 농도 5% 와 음식물 쓰레기 첨가량 62.5% 에서 도출된 163.8 mL $H_2$ /g VSS/h로 이는 동일 조건에서 알칼리 처리를 수행하지 않은 기존 결과에 비해 1.47배 향상된 값이었다. 알칼리 전처리를 함으로써 폐기물의 가수 분해를 향상시켰고 음식물 쓰레기가 수소 발효에 있어서 적합한 기질이었음을 알 수 있었다. 또한 하수 슬러지를 첨가함으로써 수소 생성균에게 필요한 단백질 성분뿐만 아니라 여러 무기질 성분도 공급 할 수 있었던 것으로 사료된다. 비수소 생성 잠재량은 VS 농도 2.8%에서 음식물 쓰레기만 첨가하였을 경우에 152.1 mL $H_2$ /g VS로 도출되었으며, 하수 슬러지를 단일 기질로 주입하였을 경우에는 수소가 발생하지 않았다. 최종적으로 알칼리 처리된 음식물 쓰레기와 하수 슬러지를 VS 농도 5%와 혼합비 80:20(VS 기준)의 조건으로 제조한 혼합기질로부터 혐기성 연속 회분식 반응조를 이용해 연속 수소 생성을 시도하였다. 5개의 HRT(36, 42, 48, 72, 108 hr)에서 실험을 수행한 결과 최대 수소 생성 수율과 속도는 HRT 72 hr 에서 각각 62.0 mL $H_2$ /g VS와 1.0 L $H_2$ /L/d 로 나타났다. 이는 혼합균주를 이용하고 폐기물을 혼합소화 하여 수소를 생성시킨 것을 고려하였을 때 높은 수소 발생량으로 HRT 72 hr에서 유기물 부하율이 8.2 g Carbohydrate-COD/L/d로 적절하였고 SRT(solid retention time)가 143 hr로 충분한 미생물의 보유가 가능하여 최대 수소 생성 수율을 얻을 수 있었던 것으로 판단된다. 또한 운전 주기가 연속 수소 생성에 미치는 영향을 알아보기 위해 HRT 72 hr에서12시간 주기를 24시간 주기로 바꾸었다. 수소 생성 수율과 속도 모두 40.9 H2/g VS와 0.68 L $H_2$ /L/d로 각각 감소하였다. 이는 24 시간 주기일 때 초기 유기물 부하율이 높아져 이로 인해 수소 생성균이 영향을 받아 대사 경로가 알코올 생성 쪽으로 전환되었기 때문으로 판단되었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MCE 06004
형태사항 iv, 49 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 남주연
지도교수의 영문표기 : Hang-Sik Shin
지도교수의 한글표기 : 신항식
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 건설및환경공학과,
서지주기 Reference : p. 43-49
주제 Co-digestion
alkaline pretreatment
food waste
sewage sludge
biohydrogen
혼합소화
알칼리전처리
음식물 쓰레기
하수 슬러지
바이오수소
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