유기성 고형폐기물은 막대한 발생량과 부패성으로 인해 수집, 운반, 처리 과정에서 수질, 대기, 해양, 토양 등 총체적인 문제를 야기하는 대표적인 환경 현안이다. 한 예로 음식물 쓰레기의 경우 2005년부터 매립이 금지되면서 100% 재활용이 추진되고 있지만, 현재의 주 ...
유기성 고형폐기물은 막대한 발생량과 부패성으로 인해 수집, 운반, 처리 과정에서 수질, 대기, 해양, 토양 등 총체적인 문제를 야기하는 대표적인 환경 현안이다. 한 예로 음식물 쓰레기의 경우 2005년부터 매립이 금지되면서 100% 재활용이 추진되고 있지만, 현재의 주요 재활용 산물인 퇴비와 사료가 알맞은 수요처를 찾지 못하고 있는 등 효과적인 재활용 및 자원 회수 방안의 마련이 절실한 상황이다. 한편, 온난화 등의 기후 변화와 대기 오염, 고갈 가능성 등으로 인해 화석 연료를 대체할 수 있는 청정하고 지속 가능한 대체 에너지의 개발 필요성이 증대하고 있다. 수소는 무한정한 자원, 오염 물질 무배출, 높은 에너지 효율로 주목 받고 있지만, 재생 불가능한 에너지를 과다 투입하여 생산하는 현재의 방식으로는 대체 에너지로 활용되기 어렵다. 이러한 상황에서 유기성 폐기물을 효과적으로 처리하는 동시에 값비싼 원료나 에너지의 외부 공급 없이 수소를 생산할 수 있는 혐기성 수소 생산이 최근 관심을 모으고 있다. 그러나 기질 농도 등 운전 인자의 영향에 대한 정보 부족, 비멸균 기질의 주입으로 인한 미생물 군집 변화 가능성 등으로 인해 현재까지 성공적인 연속 운전이 보고된 바가 드문 실정이다.
본 연구의 목표는 유기성 고형폐기물로부터 수소를 지속적으로 생성하는 연속 운전 방법을 제시하는 것이다. 이를 위해 기질 농도, 수리학적 체류시간(HRT), 고형물 체류시간(SRT), 이산화탄소 스파징 등이 수소 생산, 발효 산물 분포, 미생물 군집 변화 등에 미치는 영향 등이 평가되었다.
먼저, 자당을 기질로 하여 기질 농도가 연속 수소 생산에 미치는 영향을 고찰하였다. 자당의 유입 농도가 5 g COD/L일 때는 연속 수소 생산이 불가능한 반면, 10-60 g COD/L에서는 271일간의 안정적인 수소 생산이 가능하였다. 기질 농도는 수소 생산 효율, 발효 산물 분포, 미생물 군집에 영향을 주었다. 반응조 내 농도3.5 g COD/L에서 가장 높은 수소 생산 효율(1.09 mole H2/mole hexoseadded, 1.22 mole H2/mole hexoseconsumed, 7.65 L H2/L/d)이 나타났으며, PCR-DGGE를 통해 조사된 미생물 종은 모두 Clostridium 속의 수소 생성 미생물과 관련이 있었다. 반응조 내 농도 0.6 g COD/L 이하에서는 기질 분해 효율은 97% 이상이었지만 분해 기작의 변화 또는 생성된 수소의 소모 반응을 통해 분해 기질 대비 수소 수율이 저하되었다. 반응조 내 농도 8.8 g COD/L 이상에서는 분해 기질 대비 수소 수율은 높게 유지되었지만 과도한 부하로 인해 기질 분해 효율과 주입 기질 대비 수소 수율이 감소하였다.
다음으로는 국내의 대표적인 유기성 폐기물인 음식물 쓰레기와 하수 슬러지로부터의 수소 생산 가능성을 회분식 실험을 통해 평가하였다. 다양한 유기물 농도(VS 0.5-5.0 %)와 혼합비(0:100-100:0, VS 기준)의 31가지 조건에서 실험이 수행되었으며 반응표면 분석법을 통해 이를 해석하였다. 음식물 쓰레기는 높은 수소 생성 잠재량(최대 60.2 mL/g VS)과 속도(최대 111.2 mL/g VSS/h)를 가진 효과적인 기질인 것으로 확인되었다. 수소 생성 잠재량 기준 80% 용인 조건은 VS 1.6-4.3%였다.
최종적으로 음식물쓰레기로부터의 연속 수소 생성이 시도되었다. 네 가지 조건에서 초기 운전을 수행한 결과, pH 12.5로 음식물 쓰레기를 전처리한 경우 30일 이상의 안정적인 수소 생산이 가능한 것으로 나타났다. 이후 다양한 HRT (18-42 h), SRT (18-160 h), 이산화탄소 스파징 속도(40-120 L/L/d)에서의 연속 운전을 통해 HRT로부터의 SRT 분리와 이산화탄소 스파징이 수소 생성을 증가시킴을 발견하였다. 최대 수소 생성 수율(88.9 mL H2/g VS, 1.24 mol H2/mol hexoseadded)은 HRT 30 h, SRT 90 h, 이산화탄소 스파징 80 L/L/d에서, 최대 수소 생성 속도(2.85 L H2/L/d)는 HRT 36 h, SRT 120 h, 이산화탄소 스파징 80 L/L/d에서 관찰되었다. 기존의 연구 결과들을 고려하여 60.1 mL H2/g VS, 0.85 mole H2/mole hexoseadded, 2.0 L H2/L/d 이상의 수소 생성을 목표로 할 때, HRT 26-37 h, SRT 89-160 h 범위에서 이를 충족하는 것으로 평가되었다.