[논문]다양한 유기성 폐자원을 적용한 바이오 수소 생성 연구

황재훈; 최정아; 전병훈

다양한 유기성 폐자원을 적용한 바이오 수소 생성 연구
Feasibility of batch anaerobic bio-hydrogen production from different organic wastes 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.5 no.4, 2009년, pp.80 - 85

황재훈 (연세대학교 환경공학부) , 최정아 (연세대학교 환경공학부) , (연세대학교 환경공학부) , 전병훈 (연세대학교 환경공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of various organic wastes on anaerobic fermentative hydrogen production were studied using enriched mixed microflora in batch tests. Rotten fruit, corn powder and organic wastewater enriched with sulfate (up to 1,000 mg/L) were used for experiments. Maximum hydrogen production (547.1 mL) was observed from rotten apple with initial substrate concentration of 132.2 g COD/L. The experimental result on sulfate enriched organic wastewater indicated that hydrogen production is not adversely influenced by relatively high sulfate concentration. Residual sulfate content remained at 96-98 % after 75 hours of reaction, which showed that no major sulfate reduction was occurred at pH 5.3-5.5 in the reactor. The volatile fatty acid (VFA) fractions produced during the reaction was in the order of butyrate > acetate > propionate in all experiments. The results of this study would be useful for controlling the conditions on fermentative hydrogen production using different feedstocks.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

0 범위에서는 수소생성에 제안요소로 작용되지 않음이 보고되었다⁽¹⁰⁾. 따라서 본 연구에서는 혼합균주로 배양한 혐기성 반응조에서 음식물 폐기물 중 부패 과일과 황산염 농도가 함유된 유기성 폐수에서 수소 생성에 대한 특성을 조사하고, 이를 통하여 바이오 수소 생산 시스템에 활용하고자 한다.
본 연구에서는 다양한 유기 폐자원 중 식품 폐수 및 황산염 함유 폐수의 처리와 동시에 바이오 수소 에너지 회수에 효과적으로 활용하고자 혐기소화 회분형태 공정을 수행하였다. 부패된 사과와 배의 경우, 수소 생산량이 높게 나타났으며, Gompertz equation을 이용하여 계산된 수소 생산 가능량은 547.
본 연구에서는 다양한 유기성 폐수 (부패 과일 폐수, 황산염 함유 폐수)를 효과적으로 처리하는 동시에 혐기성 소화공정에 의한 수소 생성 가능성에 대해 고찰하고자 하였으며, HRT 18 h 에서 운전된 슬러지를 각 기질에 적용 후 관찰한 결과를 그림 2에 나타내었다. 수소 생성 효율, 최대 수소 생성 및 Gompertz equation (식 2)을 적용 하여 수소생산가능량 (P), 최대 수소생산속도 (R_m) 및 머무름시간 (λ)을 산출하였고 Table 2에 나타내었다.

제안 방법

당성분 및 유기산 측정은 시료를 0.45 μm 여과지로 filtering한 후 anthrone-H2SO4 carbohydrate 분석법(12)과 glass column packed with 10 % REOPLEX 400의 FID column Shimadzu GC-8A로 각각 분석하였다.
생성된 바이오가스 발생량은 가스 측정용 유리주사기를 이용하여 측정하였으며, 표준상태조건(0 ℃, 1기압)으로 보정하였다. 시간 당 발생된수소량은 headspace 내의 수소 분압차를 고려하여 식 (1)을 이용하여 구하였으며 누적 수소생산량은 Gompertz equation을 이용하여 모사하였다⁽¹¹⁾.
수소 용량분석은 80/100 6ft× 1/8ft steel column with molecular sieve 5A의 TCD column과 Ar기체(carrier gas)를 이용하는 GC-14A를 이용하여 분석하였다.
수소 생성을 위한 기질은 glucose (10 g/L)를 사용하였다. 유입수 기질 이외 NH₄HCO₃, 4700 mg/L; K₂HPO₄, 125 mg/L; MgCl₂・6H₂O, 100 mg/L; MnSO₄・6H₂O, 15 mg/L; FeSO₄・7H₂O, 25 mg/L; CuSO₄・5H₂O, 5 mg/L; CoCl₂・5H₂O, 0.1 mg/L 및 NaHCO₃, 2000 mg/L을 함께 주입하였다.
45 μm 여과지로 filtering한 후 anthrone-H₂SO₄ carbohydrate 분석법⁽¹²⁾과 glass column packed with 10 % REOPLEX 400의 FID column Shimadzu GC-8A로 각각 분석하였다. 잔존 황산염은 IC (DX-120)으로 분석하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 폐수는 W시의 과일가게에서 발생된 부패 과일과 고농도황산염이 함유된 인공하수를 이용하여 각각 적용하였다. 각각의 유입수는 부패 과일은 3% (W/V)으로 사과, 배를 이용하였으며, 당 함유가 높은 옥수수 가루 3% (W/V), 황산염 0-1,000 mg/L 함유된 인공 폐수로 Table 1에 나타내었다.
본 실험에 사용된 폐수는 W시의 과일가게에서 발생된 부패 과일과 고농도황산염이 함유된 인공하수를 이용하여 각각 적용하였다. 각각의 유입수는 부패 과일은 3% (W/V)으로 사과, 배를 이용하였으며, 당 함유가 높은 옥수수 가루 3% (W/V), 황산염 0-1,000 mg/L 함유된 인공 폐수로 Table 1에 나타내었다.
식종 슬러지는 W시 하수처리장 소화조 (35 ℃, HRT 28 day) 내부 반송관에서 채취한 슬러지를 90℃, 20분간 끓여 사용하였다. 수소 생성을 위한 기질은 glucose (10 g/L)를 사용하였다. 유입수 기질 이외 NH₄HCO₃, 4700 mg/L; K₂HPO₄, 125 mg/L; MgCl₂・6H₂O, 100 mg/L; MnSO₄・6H₂O, 15 mg/L; FeSO₄・7H₂O, 25 mg/L; CuSO₄・5H₂O, 5 mg/L; CoCl₂・5H₂O, 0.
식종 슬러지는 W시 하수처리장 소화조 (35 ℃, HRT 28 day) 내부 반송관에서 채취한 슬러지를 90℃, 20분간 끓여 사용하였다. 수소 생성을 위한 기질은 glucose (10 g/L)를 사용하였다.

데이터처리

본 연구에서 적용된 여러 유기 물질들에서 발생된 결과를 Gompertz equation에 적용하여 산출한 값과 선행연구에 보고된 산출 값을 표 3에서 비교하였다. 본 연구에서 사용된 부패과일인 사과는 25 ℃에서 부패가 진행 중인 과일을 파쇄후 혐기 반응에 적용한 결과이며 머무름 값과 누적수소발생 최대량은 8 h와 547.

이론/모형

수소 생성 효율, 최대 수소 생성 및 Gompertz equation (식 2)을 적용 하여 수소생산가능량 (P), 최대 수소생산속도 (Rm) 및 머무름시간 (λ)을 산출하였고 Table 2에 나타내었다.
생성된 바이오가스 발생량은 가스 측정용 유리주사기를 이용하여 측정하였으며, 표준상태조건(0 ℃, 1기압)으로 보정하였다. 시간 당 발생된수소량은 headspace 내의 수소 분압차를 고려하여 식 (1)을 이용하여 구하였으며 누적 수소생산량은 Gompertz equation을 이용하여 모사하였다⁽¹¹⁾.

성능/효과

생성된 유기산은 대부분 butyric acid, acetic acid, propionic acid였으며 사과, 배 및 옥수수의 경우 valeric acid가 검출되었다. 높은 COD 함량 (90.3-133.2 g/L)인 부패 과일 폐수에서 낮은 COD 함량 (10.2 g/L)인 황산염함유 폐수로 변화함에 따라 가장 크게 변화한 것은 butyrate의 농도로 5,879 mg/L에서 2,062 mg/L로 감소하였다.
1 mL로 발생되었다. 모든 연구 결과, 최종 pH 범위는 5.5-6.0으로 수소 우점 조건을 유지하였으며 혐기 반응의 저해 요인으로 작용하는 황산염 함유 폐수 경우 황산염 농도와 상관없이 119.2-129.3 mL 수소 생산이 가능하여 유기 폐자원에서 수소 생산 가능성이 사료된다. 이상의 연구 결과, 여러 유기 폐수의 특성을 활용한다면 혐기소화에 의한 바이오 에너지 회수가 가능하며, 여러 변수의 최적 조건의 연구를 통해 고효율의 바이오 에너지를 생산할 수 있을 것으로 판단된다.
5에서 황산염 농도가 수소 생성에 큰 영향을 주지 않는다고 보고되었다⁽¹⁷⁾. 모든 유기 폐수에서 COD분해는 51-68%로 진행되었으며, 분해탄수화물 분해 경우 사과와 배의 분해는 71.3, 74.1 %로 분해가 많이 진행되지 않았다. 발효 반응시 탄수화물 농도가 3.
. 본 연구 결과 B/A비는 1.6-1.9 (부패 사과 폐수, 황산염 함유 폐수)로 모든 반응조에서 나타났으며, 수소생성 시 식 (4)에 반응이 주로 발생되었음을 확인하였다. 따라서 발효산물 중 butyric acid의 양에 따라 수소 발생의 증감이 결정되며, 모든 반응조내에 산생성균은 수소 생성 우점 현상이 판단된다.
혐기 발효는 온도, pH 및 유입기질의 성상에 따라 머무름 시간과 수소발생량 등 반응에 영향을 준다고 보고된다⁽²²⁾. 본 연구 결과 같은 성상의 과일과 전분성분의 유입기질에 따른 반응속도와 누적 수소 발생의 차이는 부패가 진행된 기질을 발효 반응조에 투여하여 반응속도가 빠르게 진행된 것으로 판단된다.
5 g/L 이상일 경우 높은 생성물(수소, 유기산)의 생성을 저해한다고 보고된다⁽¹⁸⁾. 본 연구에서 부패된 과일인 사과, 배의 경우 수소 발생은 높게 관찰되었으나, 탄수화물 분해 진행이 70%로 나타나 잔존 탄수화물을 이용한 2차 수소 생성의 가능성이 사료된다. 모든 반응조의 최종 pH는 5.
본 연구에서 적용된 여러 유기 물질들에서 발생된 결과를 Gompertz equation에 적용하여 산출한 값과 선행연구에 보고된 산출 값을 표 3에서 비교하였다. 본 연구에서 사용된 부패과일인 사과는 25 ℃에서 부패가 진행 중인 과일을 파쇄후 혐기 반응에 적용한 결과이며 머무름 값과 누적수소발생 최대량은 8 h와 547.1 mL로 각각 나타났다. 전분성분으로 구성된 옥수수와 감자의 비교 경우 본 연구에서 옥수수의 머무름 값이 10배정도 빠르게 나타나 반응속도에 차이를 보여준다.
본 연구에서 최대 수소 발생은 부패한 사과, 배, 옥수수 그리고 황산염 함유 폐수에서 각각 547.1, 488.1, 394.5 mL 그리고 129.1 mL로 나타났다. 수소 발생은 부패한 사과, 배에서 높게 나타났으며, 폐수의 성상 분석결과 부패된 배와 사과에서 가장 높은 당을 함유하였다 (Table 1 참고).
황산염 환원이 진행되지 않는 것은 황산염환원균의 생장이 없음을 의미한다. 본 연구에서 최종 pH는 5.3-5.5로 나타나, 낮은 pH에서 황산염환원균의 생육이 저하되는 특성이 적용한 것으로 판단된다. 보고된 연구에 따르면, pH 6.
1 mL로 나타났다. 수소 발생은 부패한 사과, 배에서 높게 나타났으며, 폐수의 성상 분석결과 부패된 배와 사과에서 가장 높은 당을 함유하였다 (Table 1 참고). 혐기 발효에 의한 수소생성은 폐수에 함유된 당성분 물질을 산발효로 휘발성 지방산으로 분해하여 발생한다고 보고되며⁽¹³⁾, 본 연구결과 당성분이 높은 폐수에서 수소 생성이 높게 발생되었다.
황산염이 함유된 폐수에서 수소 발생 연구 결과, 황산염 농도 0 mg/L 에서는 수소함량이 49-52% 로 나타났으며, 황산염 증가에 따라 2-3%이상의 수소발생이 증가하였다. 이는 수소를 생성하기 위한 수소화효소의 활성에 의한 것으로 사료되며, 과거 니켈, 철, 셀리늄의 함유가 풍부한 수소화효소의 생산에 황산염이 기여 작용이 보고된바 있다⁽¹⁴⁾.

후속연구

3 mL 수소 생산이 가능하여 유기 폐자원에서 수소 생산 가능성이 사료된다. 이상의 연구 결과, 여러 유기 폐수의 특성을 활용한다면 혐기소화에 의한 바이오 에너지 회수가 가능하며, 여러 변수의 최적 조건의 연구를 통해 고효율의 바이오 에너지를 생산할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기성 폐기물 중, 음식물 쓰레기가 가지는 장점은?	최근 들어 유기성 폐기물을 이용하여 바이오 에너지를 얻기 위해 많은 연구가 진행되고 있다(3-4). 유기성 폐기물 중에서 음식물쓰레기는 고농도 유기물을 함유하고 있으며, 탄수화물의 농도 비율이 풍부하게 차지하고 있어 (5), 쉽게 가수분해단계를 거쳐 휘발성 지방산으로 전환될 수 있는 장점을 가지고 있다(3). 그러나 직접적으로 혐기소화 하기가 매우 어렵기 때문에 파쇄의 전처리 공정이 요구된다(6).
	수소가 연료로서 가지는 장점은?	최근 수소 에너지는 여러 가지 산업의 에너지원으로 활용되고 있으며 신재생에너지의 개발과 보급의 활성화로 수소생산 기술의 중요성이 부각 되고 있다. 수소는 연소 시 공해물질이 생성되지 않아 청정하며, 재생가능하고, 높은 에너지 효율 (122 kJ/g)을 가지며 연료전지를 통해 쉽게 전기로 전환할 수 있다(1). 그러나 현재 사용단계인 수소연료는 화석연료의 열분해와 물의 전기분해를 기초로 생산되는 것이 대부분이며, 수소에너지 발생을 위한 화석에너지를 투입해야하는 한계가 있다(2).
	혐기 소화 회분형태 공정를 수행해 식품 폐수 및 황산염 함유 폐수 처리와 동시에 바이오 수소에너지 회수에 활용하고자 한 실험 결과는?	본 연구에서는 다양한 유기 폐자원 중 식품 폐수 및 황산염 함유 폐수의 처리와 동시에 바이오 수소 에너지 회수에 효과적으로 활용하고자 혐기 소화 회분형태 공정을 수행하였다. 부패된 사과와 배의 경우, 수소 생산량이 높게 나타났으며, Gompertz equation을 이용하여 계산된 수소 생산 가능량은 547.1 mL로 발생되었다. 모든 연구 결과, 최종 pH 범위는 5.5-6.0으로 수소 우점 조건을 유지하였으며 혐기 반응의 저해 요인으로 작용하는 황산염 함유 폐수 경우 황산염 농도와 상관없이 119.2-129.3 mL 수소 생산이 가능하여 유기 폐자원에서 수소 생산 가능성이 사료된다. 이상의 연구 결과, 여러 유기 폐수의 특성을 활용한다면 혐기소화에 의한 바이오 에너지 회수가 가능하며, 여러 변수의 최적 조건의 연구를 통해 고효율의 바이오 에너지를 생산할 수 있을 것으로 판단된다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증