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원저음식폐기물의 혐기성 수소 발효시 운전 pH 의 영향
이채영✝,이세욱 수원대학교 토목공학과
년 월 일 접수 년 월 일 수정 년 월 일 채택 (2011 09 16 , 2011 09 29 , 2011 09 29 )
Effect of operational pH on anaerobic hydrogen fermentation of food waste
Chae-Young Lee , Se-Wook Lee
Department of Civil Engineering, The University of Suwon
ABSTRACT
The pH is one of the most important factors affecting metabolism pathway and activity of hydrogen producing bacteria. The effect of operational pH on anaerobic hydrogen fermentation of food waste was evaluated at mesophilic condition. In this batch experiment, the initial pH was 8.0 and the operational pH was controlled at 4.7~7.0 by the addition of 5N KOH solutions. At the operational pH of 4.7, the lag phase and the maximum hydrogen production were 47.9h and 534.4 mL, respectively. The lag phase and the maximum hydrogen production were decreased as the operational pH increased. At the operational pH of 7.0, the lag phase and the maximum hydrogen production were 4.2 h and 213.8 mL, respectively.
Keywords : Food waste, Hydrogen fermentation, Lag phase, Maximum hydrogen production, Operational pH
초 록
혐기성 수소 발효시 pH는 물질 대사 경로와 수소 생성 미생물의 활성에 직접적으로 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나로 알려져 있다 본 연구는 음식폐기물로부터 운전 . pH에 따른 혐기성 회분식 수소 발효의 영향을 평가하기 위해 수행하였다. 5 N KOH 용액을 이용하여 초기 pH는 8.0으로 고정하 였으며 운전 , pH는 4.7~7.0으로 유지하였다 운전 . pH가 낮을수록 지체 시간은 단축되는 것으로 나타 났으며 최대 수소 발생량은 낮게 나타났다 운전 , . pH 4.7일 경우에는 지체 시간이 47.9 h으로 가장 길 게 나타났으나,
✝
Corresponding author([email protected])
74 이채영 이세욱,
서론 1.
수소는 청정에너지 자원으로서 화석 연료를 대 체 할 수 있는 것으로 알려져 있다1). 연료로서의 수소는 연소시 최고 열량이 3,042 kcal/m3이며 부산물로는 대부분이 물만 발생되므로 환경 친화 적인 장점이 있다2). 생물학적인 수소 생성 방법 으로는 직접적인 광분해 간접적인 광분해 광발, , 효 및 혐기성 발효로 구분된다2). 특히 혐기성 , 발효를 통해 Clostridium과 같은 미생물을 이용 하여 탄수화물이 풍부한 유기물로부터 수소의 생 산이 가능하다3). 음식폐기물은 탄수화물이 풍부 한 유기물이며 혐기성 수소 발효시 수소 에너지 , 생산이 가능하다.
국내의 생활폐기물 발생량은 2009년 기준으로 일 톤이 발생되었으며 이 중 음식폐기
1 50,906 ,
물은 약 26.9%를 차지하고 있는 실정이다4). 혐기성 수소 발효시 pH는 물질 대사 경로와 수소 생성 미생물의 활성에 직접적으로 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나다5). Zhang 등
의 연구에서는 고온 조건에서 회분식 수 (2003)
소 발효시 초기 pH 6.0에서 수소 발생량이 92 로 가장 최적 로 나타나 있다
mL/g starch pH 6).
등 은 로부터 수소 발효시에
Wang (2006) sucrose
는 초기 pH 7.5에서 최대 수소 발생량이 2.46 mol H2/mol hexose로 가장 높게 나타나 최적으 로 보고되어 있다7). 반면에 Khanal 등(2004)의 연구에서는 초기 pH 4.5에서 214 mL/g COD의 최대 수소 발생량으로 최적 pH로 보고되어 있다
8). Zhao와 Yu (2008)의 연구에서는 운전 pH 일 경우
7.0 1.61 mol H2/mol hexose의 최대 수 소 발생으로 최적 운전 pH로 보고되어 있으며9),
등 의 연구에서는 운전 일 경
Chen (2009) pH 4.9
우 2.53 mol H2/mol sucrose의 최대 수소 발생 량으로 최적 운전 pH로 보고되어 있다10). 기존 연구에서 다양하게 최적 pH 조건의 결과가 나타 난 이유는 실험에서 pH 조건의 범위와 접종 미 생물 및 기질의 영향으로 판단된다5).
본 연구에서는 음식폐기물로부터 회분식 수소 반응조를 이용하여 초기 pH를 8.0으로 고정하고
11), 다양한 운전 pH에 대한 혐기성 수소 발효의 영향을 평가하고자 수행하였다.
실험재료 및 방법 2.
식종슬러지 2.1
본 실험에서 사용된 식종 슬러지는 시에 위치S 한 하수처리장의 혐기성 소화조에서 유출되는 소 화 슬러지를 이용하였다 수소 생성 미생물의 우. 점화를 위해 90℃에서 20분간 열처리를 수행하 였다11). 소화 슬러지의 VSS(Volatile Suspended
및 알칼리도는 각각
Solids), pH 19.0 g/L, 6.2 및 2.1 g/L CaCO3로 나타났다.
기질 2.2
본 실험에서 기질로 사용된 음식폐기물은 국내 공동 주택에서 발생되는 음식폐기물의 비율에 준 하여 중량비 기준으로 쌀밥 30%, 배추 38%, 수 박껍질 27% 및 닭가슴살 5%로 구성하였다12). 음식폐기물의 농도는 주방용 믹서기를 이용하여 분쇄 후 증류수와 희석하여 30 g carbohydrate 로 고정하였으며 이 음식폐기물의 성상은
COD/L ,
[Table 1]에 나타내었다.
실험장치 및 운전조건 2.3
회분식 혐기성 수소 반응조는 [Fig. 1]에서 보는 게 나타났으나 최대 수소 발생량은 , 534.4 mL로 가장 높게 나타났다 운전 . pH가 증가함에 따라 지체 시간과 최대 수소 발생량은 감소하였다 운전 . pH 7.0일 경우에는 지체 시간이 4.2 h으로 나타났으며, 최대 수소 발생량은 213.8 mL로 나타났다.
핵심용어 음식폐기물 수소 발효 지체 시간 최대 수소 발생량 운전 : , , , , pH
바와 같이 전체용량과 유효용량이 각각 560 mL 와 300 mL이다 열순환 펌프가 장착된 . water 를 이용하여 운전 온도를 중온 으로 유
batch (35 )℃
지하였고11), 교반 강도는 120 rpm으로 유지하였 다13). 기질과 슬러지의 F/M(Food/Microorganism) 비는 VS 기준으로 6.0으로 식종하였다14). 식종 완 료 후 회분식 반응조의 기상 부분을 혐기성 상태 로 치환하기 위해 고순도 N2 가스를 이용하여 탈 기시켰다. 5N KOH를 주입하여 초기 pH를 8.0으 로 고정하였으며11), 수소 발효 중에 각 운전 pH를 유지하였다.
분석방법 2.4
수소 가스 함량은 gas-tight syringe로 0.2 를 채취하여
mL TCD(Thermal Conductivity 가 장착된 가스크로마토그래피
Detector) (Gas
Chromatography, Gow Mac series 580, USA) 를 이용하여 측정하였다. 칼럼은 molecular
를 충진제로 사용되는 sieve 5A(80/100 mesh)
1.8 m ⨉ 3.2 mm stainless steel column을 사 용하였다. Column, injector 및 detector의 온도 는 각각 50, 80 및 90℃로 고정하였으며 운반 , 기체로는 고순도 질소(99.999%)를 이용하였다. 가스 발생량 측정은 30 mL의 유리 주사기를 이 용하였으며 측정된 가스의 온도와 증기압을 보정 하여 표준 상태로 보정하였다 보정된 값들로 식. 에 제시한 수정된 식을 이용하여
(1) Gompertz
정량적으로 나타내어 표준 상태에서의 지체 시 간 수소 발생율 및 최대 수소 발생량을 평가하, 였다14).
∙ exp
exp
∙
(1) 여기서, = 수소 발생량 (mL) = 최대 수소 발생량 (mL)
= 지체 시간 (h)
= 수소 발생율 (mL/h)
= 지수
및 는 에
TS, VS, VSS COD Standard Methods 따라 분석하였으며15), 탄수화물은 Dubois 등의 방법을 이용하여 spectrophotometer(Beckman
로 분석하였다
Coulter DU730, USA) 16). 원소분 석은 기질을 동결 건조 후 원소 분석 장치
를 이용하여 분석하였다
(EA1110, Italy) .
결과 및 고찰 3.
운전 의 수소 발효 영향 3.1 pH
초기 pH는 8.0이며 운전 pH 4.7, 5.0, 5.3, 및 으로 고정하여 수행한 회분 5.7, 6.0, 6.5 7.0
식 수소 실험에서 수소 발생량을 [Fig. 2]에 나 타내었다 운전 . pH가 낮은 값일수록 최대 수소 발생량은 증가하는 경향으로 나타났다 전과 이 .
Parameters Unit Concentration
TS
1)g/L 36.1
VS
2)g/L 32.4
TCOD
3)g/L 31.4
SCOD
4)g/L 18.8
S-Carbohydrate
5)g/L 2.1
C % 41.6
H % 6.4
O % 48.8
N % 3.1
S % 0.1
C/N ratio 13.6
[Table 1] Characteristics of Food Waste
1) Total Solids 2) Volatile Solids
3) Total Chemical Oxygen Demand 4) Soluble Chemical Oxygen Demand 5) Soluble Carbohydrate
[Fig. 1] Schematic diagram of anaerobic batch
reactor.
76 이채영 이세욱
(2006)의 운전pH 5.0- 8.0 범위에서
는pH값이
간이17). Li 등
의 을
(2008) pH 7.0
과다한NaOH 주입으로
급격하게 이 되는18). Fang 등(2006)의
연구에서는pH 4.0- 7.0의
수소, pH가4.5일
체36 h으로pH에
해
carbohydrate의
다19). 본
여
결과와 유사한.
지체
소
회분식
수소
에 제시하였다 운전. pH가
간과
났다. Lin 등(2008)의
로pH에
부터pH 6.0- 7.0 조건에서는
하며, pH 5.0- 5.5 조건에서는
한20). Swinnen 등
(2004)의
요소 미생물의,
기에,
적인, pH, 영양분을
어 시간이21).
결론
본
조를pH에
수소.
결과는
운전 값이
1. pH
것으로,
나타났다.
운전 가 일
2. pH 4.7 47.9 h
[Fig. 2] Cumulative hydrogen production with operational pH.
Operational pH Lag phase (h) Hydrogen production rate (mL/h) Maximum hydrogen production (mL)
4.7 47.9 11.4 534.4
5.0 36.4 8.3 519.9
5.3 22.2 17.9 520.5
5.7 6.5 46.5 413.0
6.0 6.1 15.5 335.9
6.5 3.9 14.7 289.9
7.0 4.2 14.5 213.8
[Table 2] Lag Phase, Hydrogen Production Rate and Maximum Hydrogen Production with
Operational pH
으로 가장 길게 나타났으며, 최대 수소 발생량 은 534.4 mL로 가장 높게 나타났다.
3. 운전 pH가 7.0일 경우에는 운전 pH 6.5 다음으 로 짧은 4.2 h으로 나타났으며, 최대 수소 발생 량은 213.8 mL로 가장 낮게 나타났다.
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