혐기성 회분식 반응조를 이용하여 다양한 유기성 폐기물의 에너지화 가능성을 평가하기 위하여 수소발생 특성을 평가하였다. 본 연구에서 채소류는 파, 과일류는 사과, 곡류는 쌀밥 그리고 육류로는 돼지고기를 사용하였다. 파, 사과, 쌀밥 및 돼지고기의 최종 수소 수율은 각각 0.46, 0.47, 0.62 및 $0.05mol\;H_2/mol\;hexose$로 나타났다. 수소 발생율은 파, 사과, 쌀밥 및 돼지고기에서 각각 0.013, 0.021, 0.014 및 $0.005mol\;H_2/mol\;hexose/h$로 평가되었다. 따라서 돼지고기를 제외한 음식폐기물의 혐기성 수소 발효는 재생에너지 생산뿐만 아니라, 유기물의 제거에 효과적인 것으로 나타났다. 휘발성 지방산은 수리학적 체류시간이 증가함에 따라 높게 발생되는 것으로 나타났다. 수소 발효시 산발효 효율은 쌀밥이 75.8%로 가장 높게 나타났으며, 돼지고기는 35.2%로 가장 낮게 나타났다.
혐기성 회분식 반응조를 이용하여 다양한 유기성 폐기물의 에너지화 가능성을 평가하기 위하여 수소발생 특성을 평가하였다. 본 연구에서 채소류는 파, 과일류는 사과, 곡류는 쌀밥 그리고 육류로는 돼지고기를 사용하였다. 파, 사과, 쌀밥 및 돼지고기의 최종 수소 수율은 각각 0.46, 0.47, 0.62 및 $0.05mol\;H_2/mol\;hexose$로 나타났다. 수소 발생율은 파, 사과, 쌀밥 및 돼지고기에서 각각 0.013, 0.021, 0.014 및 $0.005mol\;H_2/mol\;hexose/h$로 평가되었다. 따라서 돼지고기를 제외한 음식폐기물의 혐기성 수소 발효는 재생에너지 생산뿐만 아니라, 유기물의 제거에 효과적인 것으로 나타났다. 휘발성 지방산은 수리학적 체류시간이 증가함에 따라 높게 발생되는 것으로 나타났다. 수소 발효시 산발효 효율은 쌀밥이 75.8%로 가장 높게 나타났으며, 돼지고기는 35.2%로 가장 낮게 나타났다.
Characteristics of hydrogen production from various food wastes in anaerobic batch reactors were evaluated to assess the energy potential of organic wastes. Organic wastes which were used in this study were scallion as vegetable, apple as fruit, rice as grain and pork as meat. Ultimate hydrogen yiel...
Characteristics of hydrogen production from various food wastes in anaerobic batch reactors were evaluated to assess the energy potential of organic wastes. Organic wastes which were used in this study were scallion as vegetable, apple as fruit, rice as grain and pork as meat. Ultimate hydrogen yield of scallion, apple, rice and pork were 0.46, 0.47, 0.62 and $0.05mol\;H_2/mol\;hexose$, respectively. On the other hand, hydrogen production rates of scallion, apple, rice and pork were 0.013, 0.021, 0.014 and $0.005mol\;H_2/mol\;hexose/h$, respectively. These results indicated that anaerobic hydrogen fermentation from food waste except for meat was effective in removing organic material as well as producing renewable energy. Volatile fatty acids increased as hydraulic retention time was increased. In the hydrogen fermentation, acidification degree of rice was measured as the highest rate of 75.8% whereas pork was found as the lowest rate of 35.2%.
Characteristics of hydrogen production from various food wastes in anaerobic batch reactors were evaluated to assess the energy potential of organic wastes. Organic wastes which were used in this study were scallion as vegetable, apple as fruit, rice as grain and pork as meat. Ultimate hydrogen yield of scallion, apple, rice and pork were 0.46, 0.47, 0.62 and $0.05mol\;H_2/mol\;hexose$, respectively. On the other hand, hydrogen production rates of scallion, apple, rice and pork were 0.013, 0.021, 0.014 and $0.005mol\;H_2/mol\;hexose/h$, respectively. These results indicated that anaerobic hydrogen fermentation from food waste except for meat was effective in removing organic material as well as producing renewable energy. Volatile fatty acids increased as hydraulic retention time was increased. In the hydrogen fermentation, acidification degree of rice was measured as the highest rate of 75.8% whereas pork was found as the lowest rate of 35.2%.
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문제 정의
본 연구는 유기성 폐기물의 종류에 따른 혐기성 수소 발효에 대한 특성을 평가하여 수소 에너지 회수 가능성 및 효율을 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 일반적으로 가정에서 배출되는 음식폐기물 특성을 고려하여 곡류는 쌀밥, 채소류는 파, 과일류는 사과, 어육류는 돼지고기로 구분하여 기질로 이용하였으며, 각 기질로부터 수소 발효시 수소 발생 특성과 휘발성 지방산의 농도 변화 및 산발효 효율을 평가하여 혐기성 처리에 의한 유기성 폐기물의 에너지화 가능성을 평가하였다.
한선기 등 (2002)의 연구에서는 음식폐기물의 구성 성분에 따른 산발효조의 거동 특성을 평가하였다8). 이 연구에서는 곡류, 야채류 및 육류를 기질로 이용하여 각 구성성분이 산발효에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 Noike 등(2000)의 경우 탄수화물의 대표 기질로 배추, 당근 및 쌀밥을 이용하였고, 단백질이 가장 많은 살코기 그리고 지방을 이용하여 수소 발효시 분해 특성을 평가하였다9).
제안 방법
VFAs(Volatile Fatty Acids, 휘발성 지방산) 는자외선 검출기(210 nm)와 fast acid column (BIO-RAD, 100X7.8 mm) 이 장착된 HPLC(영린기기 YL9100) 장치를 이용하여 측정하였다. 운반 용매는 0.
999%)를 이용하였다. 가스 발생량은 50mL 의 유리 주사기를 이용하여 측정하였으며 발생된 가스의 온도와 증기압을 보정하여 표준상태로 하였다. 회분식 실험에서 구한 실험값은 식(1)에 제시된 수정 Gompertz 식을 이용하여 정량적으로 나타냈으며 표준상태에서의 지체 시간, 수소 발생율 및 최종 수소 수율을 평가하였다13).
수소 가스 조성은 회분식 반응조 내 기상 부분의 가스를 gas-tight syringe 로 0.2 mL 를 채취하여 TCD(Thermal Conductivity Detector)가 장착된 GC(Gas Chromatography, Gow Mac series 580, USA)를 이용하여 분석하였다. Columne molecular sieve 5A(80/100 mesh)를 충진제로사용한 1.
하수처리장의 소화조에서 채수하였다. 식종 슬러지는 수소 생성 미생물을 우점화하기 위해 90E 에서 15분간 열처리 후 실험을 수행하였다0).
). 원소분석은 TCD 가 장착된 Elemental Analyzer (EA1110, EA1112. CE Instrument, Italy)을 사용하여 분석하였다.
또한 Noike 등(2000)의 경우 탄수화물의 대표 기질로 배추, 당근 및 쌀밥을 이용하였고, 단백질이 가장 많은 살코기 그리고 지방을 이용하여 수소 발효시 분해 특성을 평가하였다9). 이 연구에서는 수소 발효시 배추, 당근, 쌀밥을 기질로 이용하여 탄수화물의 분해 특성을 평가하였고, 지방을 기질로 이용하여 지질의 분해 특성을 평가 하였으며, 살코기를 기질로 이용하여 단백질의 분해 특성을 평가하였다.
1] 에서 보는 바와 같이회분식 반응조는 전체용량과 유효용량이 각각 514 mL 와 250 mL 이다. 회분식 반응조의 온도를 중온(35℃)으로 유지하기 위해 열 순환 펌프가 장착된 water bath를 이용하였고11), 주사기를 이용하여 2N HCl 과 5N KOH 용액으로 pH 5.3 을 유지하였다.
대상 데이터
2 mm stainless steel column 을 사용하였다. Column 과 injector, detector 의 온도는 각각 50, 80 및 90C 로 고정시켰으며, 운반기체는 고순도 질소(99.999%)를 이용하였다. 가스 발생량은 50mL 의 유리 주사기를 이용하여 측정하였으며 발생된 가스의 온도와 증기압을 보정하여 표준상태로 하였다.
본 실험에 사용된 기질은 파,사과, 쌀밥, 돼지고기로 구분하였으며, 이것을 분쇄 후 균질한 입도로 선별하기 위해 2.0 mm체로 걸러서 사용하였다. 각각의 기질 성상은 [Table 1] 에 나타내었다.
본 연구에서 사용된 식종 슬러지는 S 시에 위치한 하수처리장의 소화조에서 채수하였다. 식종 슬러지는 수소 생성 미생물을 우점화하기 위해 90E 에서 15분간 열처리 후 실험을 수행하였다0).
8 mm) 이 장착된 HPLC(영린기기 YL9100) 장치를 이용하여 측정하였다. 운반 용매는 0.005 M 황산용액을 이용하였다.
데이터처리
가스 발생량은 50mL 의 유리 주사기를 이용하여 측정하였으며 발생된 가스의 온도와 증기압을 보정하여 표준상태로 하였다. 회분식 실험에서 구한 실험값은 식(1)에 제시된 수정 Gompertz 식을 이용하여 정량적으로 나타냈으며 표준상태에서의 지체 시간, 수소 발생율 및 최종 수소 수율을 평가하였다13).
이론/모형
TS, VS, VSS 및 COD는 Standard Methods 에 준해 실험을 수행하였으몌5), 탄수화물은 Dubois 등의 방법을 이용하여 spectrophotomet er (Beckman Coulter DU730, USA) 로 분석하였다16). 원소분석은 TCD 가 장착된 Elemental Analyzer (EA1110, EA1112.
성능/효과
1. 파, 사과, 쌀밥 및 돼지고기를 기질로 이용하여 회분식 수소 발효 실험 결과 돼지고기는 지체 시간이 11.47 h 으로 가장 길게 나타났고, 최종 수소 수율과 수소 발생율은각각 0.05 mol H2/mol hexose 와 0.005 mol Hs/mol hexose/h 로 가장 적게 발생하였다.
2. 파를 기질로 이용한 수소 발효에서는 뷰틸산총 휘발성 지방산의 비와 젖산/총 휘발성 지방산의 비는 각각 58.6% 및 2.9%로 나타났다. 쌀밥을 기질로 이용한 경우는 뷰틸 산/총 휘발성 지방산의 비보다는 젖산총 휘발성 지방산의 비가 상대적으로 높게 나타났다.
3. 쌀밥의 산발효 효율은 75.8%로 가장 높게 나타났으며, 돼지고기의 산발효 효율은 35.2%로 가장 낮게 나타났다.
그러나, 수소 발효 초기부터 33시간 동안에는 총 휘발성 지방산은 급격하게 증가되었고, 33시부터 수소 발효가 끝나는 시점인 77시까지는 총 휘발성 지방산의 농도가 점차 증가되는 것으로 나타났다. 각각의 기질에서 공통적으로 프로피온산이 점차 증가하는 것으로 나타났으며, 파와 돼지고기에서는 발레르산도 발생되었다.일반적으로 초산과 뷰틸산의 생성물은 수소를 발생시키는 것으로 알려져 있다17).
쌀밥의 경우는 뷰틸산/총 휘발성 지방산의 비보다는 젖산/총 휘발성 지방산의 비가 상대적으로 높게 나타나는 것으로 보아, 수소 생성균이 아닌 다른 산 생성균이 우세한 조건으로 전환되고 있다고 판단된다. 그러나, 쌀밥의 회분식 수소 발효 결과 최종 수소 수율은 본 연구에서 사용된 다른 유기성 폐기물에 비해 높게 나타났다. 이것은 VS 에 대한 탄수화물의 농도가 높기 때문인 것으로 판단된다20).
식종슬러지의 pH, 알칼리도, VSS(Volatile Suspended Solids)는 각각 7.04, 2, 304 mg/L CaCOa 및 21, 171 mg/L 로 나타났다.
산 발효효율은 기질의 초기 TCOD 에 대한 임의의 산 발효 시간에 발생한 총 휘발성 지방산의 농도비로 나타내었다. 쌀밥의 산발효 효율은 약 75.8%로 가장 높게 나타났으며, 돼지고기의 산발효 효율은 약 35.2%로 가장 낮게 나타났다. 한 등 (2002)의 연구 결과에서도 곡류, 야채류 및 육류의 산발효 효율에서 곡류가 가장 높고, 육류가 가장 낮은 것으로 나타났다8).
파, 사과, 쌀밥 및 돼지고기를 기질로 이용하여 혐기성 회분식 수소 발효 실험 결과에서 최종 수소 수율은 각각 0.46, 0.47, 0.62 및 0.05 mol Ha/mol hexose 로 나타났다. 파, 사과, 쌀밥, 돼지고기의 지체시간은 각각 10.
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