Owing to its environmental friendly aspect with high energy yield, hydrogen is recognized as the most promising energy carrier. Although fermentative hydrogen production has a potential that could treat actual waste, most of researches were contributed to pure substrate. In this study, therefore, the feasibility of continuous hydrogen production from coffee factory wastewater was investigated, and mainly focused on the effects of operation temperature and reactor type.
The optimal operation parameters were found through several batch tests. While, the optimal substrate concentration, initial pH, and cultivation pH in mesophilic condition was 20g Carbo. COD/L, 8.0±0.1, and 5.5±0.2, respectively, in thermophilic condition it was 10g Carbo. COD/L, 7.0±0.1, and 6.0±0.2, respectively, which were all used at CSTR operation. Although higher $H_2$ yield was observed in thermophilic condition, it was less than 0.5 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ in both CSTR operations. The maximum $H_2$ yield was 0.32 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ at HRT 8 hr in mesophilic and it was 0.46 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ at HRT 10 hr in thermophilic CSTR operation. This limited $H_2$ yields were overcome by introducing UASB reactor.
The mesophilic and thermophilic UASB reactor achieved a high $H_2$ yield of 1.29 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ at HRT 6 hr and 2.51 mol $H_2$/mol $hexose_{added}$ at HRT 6 hr, respectively. Enhanced performance in the UASB reactor was due to high biomass concentration in the bed zone which was over 70,000 mg-VSS/L, thus provided less substrate for the lactic acid bacteria (LAB) originated from coffee factory wastewater to survive in the reactor. The reason of higher $H_2$ yield in thermophilic than mesophilic operations was inhibition of LAB. Additional batch test clearly revealed that the activity of LAB originated from coffee factory wastewater was inhibited in thermophilic condition. In addition, the formation of $H_2$ producing granule was monitored in both UASB reactors by using image analysis. After 50 days of operation in mesophilic UASB reactor, the average granule diameter was 2.0mm, which was the first report about the formation of $H_2$ producing granules in treating actual wastewater.
수소는 연소 시 오직 물만 발생시키며, 단위 중량당 122 KJ/g으로 높은 에너지를 함유하고 있는 탄소와 결합하지 않은 유일한 연료로 미래의 대체에너지원으로 가장 각광을 받고 있다. 현재까지 수소 생산에 관한 대부분의 연구는 순수 기질을 이용하였으며, 적용 시 경제성을 향상시킬 수 있는 실폐수 및 폐기물에 대한 연구는 빈약하다. 따라서 본 연구에서는 실폐수로서 탄수화물이 풍부한 커피 공장 폐수를 선택하였으며, 이를 이용해 운전 온도와 반응조 형태에 의한 수소 생산 차이를 비교 연구 하였다. 최적 운전 인자를 도출하기위해 회분식 실험을 한 결과, 중온 조건에서는 기질 농도 20g Carbo. COD/L, 초기 pH 8.0, 운전 pH 5.5에서 최적의 수소 전환율을 나타낸 반면, 고온 조건에서는 기질 농도 10g Carbo. COD/L, 초기 pH 7.0, 운전 pH 6.0에서 최적 조건으로 나타났으며, 이를 이용해 중온 및 고온 CSTR 반응조를 운전하였다. 비록 고온 CSTR이 중온 조건에 비해 상대적으로 높은 수소 전환율을 나타났으나, 0.5 mol $H_2$ /mol hexoseadded 이하의 수소 전환율을 나타냄으로써, CSTR 이용 시 커피공장 폐수로 부터의 수소 생산에는 한계가 있는 것으로 나타났다. 중온 및 고온 UASB 운전 결과, 각각 1.29, 2.51 mol $H_2$ /mol hexoseadded의 매우 높은 수소 전환율을 얻을 수 있었으며, 이 결과는 현재까지 UASB 반응조 이용 시 합성폐수만을 이용하였다는 한계점을 극복한 것으로 판단된다. 운전 기간 50일이 경과한 후 중온 UASB 반응조로부터 샘플을 채취하여 이미지 분석을 한 결과, 평균 직경 2.0 mm의 수소 생성 그래뉼을 얻을 수 있었으며, 이 결과는 실제 폐수 처리 시 수소 생성 그래뉼을 형성한 것은 최초의 보고이다.
