Enhanced hydrogen fermentation of food waste

음식물쓰레기를 이용한 수소발효 시 효율향상에 관한 연구

Successful operation of a reactor can be accomplished when it is operated at proper D depending on the state of degradation. Operation at high D leads to the washout of biomass in the reactor while operation at low D leads to product inhibition due to the accumulation of excess VFA. These appear to limit the production of hydrogen to reach a higher level. Operation by D control was performed to improve the efficiency of hydrogen fermentation of food waste. Although simple organic matters were rapidly degraded in the early stage (day 1-2), proper VFA concentration and pH values were kept in the reactor at D of $4.5d^{-1}$, which was previously reported to be optimum initial D. High butyrate/acetate (B/A) ratios over 3.2 were obtained. Without D control, the reduction of simple organic matters after day 2 caused the decrease of VFA production and the increase of pH. Hydrogen production also decreased, as microbial proliferation was less than microbial loss by washout. However, the reactor performance was dramatically improved at D control from 4.5 to $2.3d^{-1}$. It showed the highest B/A ratios over 2.0 among the reactors on day 4-7. The second hydrogen peak appeared on day 4, resulting in the highest fermentation efficiency (70.8%) among the reactors. It was caused by the enhanced degradation of slowly degradable matters. The COD removed was converted to hydrogen (19.3%), VFA (36.5%), and ethanol (15.0%). Therefore, the strategy using D control, depending on the state of degradation, was effective in improving the efficiency of hydrogen fermentation.

반응이 진행되는 동안 적절한 희석율(dilution rate; D)을 유지시키는 것은 성공적인 반응조 운전에 있어 필수적이다. 높은 희석율은 미생물의 유실을 가져오며 또한 낮은 희석율은 유기산의 축적으로 인한 product inhibition을 발생시키기 때문에, 높은 효율의 수소를 생산하는데 제한요소가 된다. 그러므로, 본 연구에서는 희석율의 조절을 통한 음식물쓰레기의 산발효 시 효율향상에 대한 연구를 실시하였다. 운전초기(1-2일)에는 단순유기물의 급속산화가 일어나기 때문에 유기산의 축적과 pH 저하가 발생하기 쉽지만, 최적의 초기 희석율로 보고된 $4.5d^{-1}$에서는 초기 이틀동안 적절한 유기산의 농도와 pH가 유지될 수 있었다. 그리고 이때의 뷰틸산/초산(B/A)의 값도 3.2이상의 높은 값이 유지되었다. 하지만 희석율의 조절없이 $4.5d^{-1}$로 계속 유지된 경우에는 단순 유기물의 감소로 인해 2일째 이후에는 유기산의 감소와 pH의 증가가 발생하였다. 또한 미생물의 유실이 많이 발생하였고, 수소발생도 크게 감소하였다. 그러나, 희석율을 $4.5d^{-1}$에서 $2.3d^{-1}$로 변화시킨 경우에는 반응조의 거동특성이 크게 향상되었다. 다른 희석율로 변화시킨 경우와 비교했을 때, 운전 4일째부터 7일째까지 2.0 이상의 가장 높은 뷰틸산/초산 (B/A) 값을 보여주었고 가장 큰 수소발생의 증가가 나타났다. 그 결과, 수소발효의 효율도 70.8%까지 크게 증가하였다. 이것은 적절한 희석율의 변화가 미생물성장에 알맞은 환경을 조성하였기 때문으로, 이 때 제거된 COD는 각각 수소(19.3%), 유기산(36.5%), 에탄올(15.0%)로 전환되었다. 그러므로 분해단계에 따른 적절한 희석율의 조절전략은 수소발효의 효율을 향상시키는데 매우 효과적임을 알 수 있었다.