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유기성 폐기물로부터의 연속 혐기성 수소 생성
Reports NRF is supported by Research Projects( 유기성 폐기물로부터의 연속 혐기성 수소 생성 | 2004 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 김상현(한국과학기술원) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00034
Year(selected) 2004 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2005년 12월 14일
Year type 결과보고
Year(final report) 2005년
Research Summary
  • Korean
  • 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 나타났다.
    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.
  • English
  • This study was performed to evaluate continuous hydrogen production in mesophilic digestion of organic waste.
    Firstly, the effect of substrate concentration on continuous hydrogen production was investigated in a continuous-flow stirred-tank reactor using sucrose as a model substrate. The hydraulic retention time (HRT), pH, and temperature were maintained at 12 h, over 5.3?b0.1, and 35?b1?aC, respectively. At the influent sucrose concentration of 5 g COD/L, start-up was not successful. When the reactor was started-up at 30 g COD/L, it exhibited stable H2 production for 271 days at influent sucrose concentrations of 10-60 g COD/L. Hydrogen production depended on substrate concentration such that the highest values of 1.09 mol H2/mol hexoseadded, 1.22 mol H2/mol hexoseconsumed, 7.65 L H2/L/d, and 3.80 L H2/g VSS/d were recorded at a sucrose concentration of 30 g COD/L.
    Secondly, feasibility of hydrogen production from organic waste was performed in thirty one serum bottles under various volatile solids (VS) concentrations (0.5~5.0%) and mixing ratios of food waste and sewage sludge (0:100~100:0, VS basis). The seed concentration, pH and temperature were maintained at 1.1 g VSS/L, the range of 5.0-6.0 and 35?b1?aC, respectively. Through response surface methodology, empirical equations for hydrogen evolution were obtained. Food waste showed relevant specific hydrogen production potential. The maximum specific hydrogen production rate was 60.2 mL H2/g VS. Acceptable VS concentrations were obtained from 1.6 to 4.3%.
    Lastly, continuous hydrogen production from food waste was studied in five anaerobic sequencing batch reactors at various HRT (18-42 h), solid retention time (SRT) (18-160 h), and CO2 sparging rate (40-120 L/L/d). Alkali-treatment of food waste enabled stable hydrogen production during 115-230 days. Separation of SRT from HRT and CO2 sparging enhanced hydrogen production. The maximum hydrogen yield (88.9 mL H2/g VS, 1.24 mol H2/mol hexoseadded) was observed at 36 h HRT, 120 h SRT, and 80 L/L/d of CO2 sparging rate. The maximum hydrogen production rate (2.85 L H2/L/d) was found at 30 h HRT, 90 h SRT, and 80 L/L/d of CO2 sparging rate. Acceptable hydrogen production (higher than 60.1 mL H2/g VS, 0.85 mole H2/mole hexoseadded, and 2.0 L H2/L/d) was found at HRT of 26-37 h and SRT over 89 h.
Research result report
  • Abstract
  • 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.
  • Research result and Utilization method
  • 본 연구를 통해 저농도 알칼리로 전처리된 음식물쓰레기를 이용할 경우 300일 이상의 안정적인 수소 생성이 가능함을 밝혀내었다. 또한 안정적인 연속 수소 생성 반응조 운전을 통해 유기물 농도, HRT, SRT 등 운전 인자와 CO2 sparging 등 효율 향상 방안을 검토하여 90 L H2/kg VS, 2.9 L H2/L/d 이상의 수소 생성 효율을 보장할 수 있는 운전 방안을 도출한 바 있다. 이는 음식물쓰레기와 같은 비멸균 복합기질을 사용한 연속 운전 결과로서는 현재까지 학계에서 유래를 찾기 힘든 우수한 결과이다. 이러한 성공의 이유 중 핵심적인 한 가지는 고액 분리를 통해 HRT와 SRT를 분리하였기 때문이었다. 짧은 HRT와 긴 SRT에서 생물학적 공정은 높은 부하를 처리할 수 있고, 분해에 긴 시간이 필요한 물질을 처리할 수 있으며, 고농도(15 g VSS/L 이상)의 안정적인 균주를 확보할 수 있다. 본 연구자의 경우에도 HRT 29~34 시간, SRT 98~160 시간을 유지할 경우 HRT와 SRT를 분리하지 않았을 경우에 비해 최소 3배 이상의 수소가 발생함을 관찰하였다.
    이상의 결과를 통해 기대되는 효과는 다음과 같다. 혐기성 수소 생성은 화석연료에 대한 해외 의존도가 높고 음식물쓰레기를 비롯한 폐기물의 처리가 심각한 환경현안으로 부각되고 있는 국내 현실에 비추어 볼 때, 환경의 보전과 청정대체에너지의 생산 그리고 환경시설 인근 주민의 삶의 질을 향상시키는데 크게 기여할 수 있는 기술이다. 또한, 전 세계적으로 관심이 집중되고 있고, 연구된 역사가 비교적 짧기 때문에 국가적 관심과 지원이 뒷받침 된다면 세계 최고 수준에 도달할 가능성이 높은 첨단 분야이다. 본 연구는 이러한 시점에서 국내의 관련 연구를 선도하고, 실용화를 앞당기는데 일익을 담당할 수 있을 것으로 판단된다.
  • Index terms
  • 유기성 고형폐기물, 수소, 연속 생산, 기질 농도, 수리학적 체류시간, 고형물 체류시간, 이산화탄소 스파징
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