Feasibility Test of Biohydrogen Production from Food Waste

음식물쓰레기의 수소발효 타당성 평가

Although extensive studies were conduced on hydrogen fermentation of organic wastewaters, little is known about biohydrogen production from organic solid wastes. The leaching-bed reactor treating food waste by heat-shocked anaerobic sludge was, therefore, operated at D of 2.1, 3.6, 4.5 and $5.5d^{-1}$ to find optimal D for hydrogen production. Successful operation of a reactor can be accomplished when it is operated at proper dilution rate (D). 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. All the reactors showed that, on day 1-3, hydrogen production was dominant and VFA concentration was higher than ethanol. Butyrate and acetate were major components of VFAs over the whole operation, though lactate was very high on day 1-2. Compared with other D values, D of $4.5d^{-1}$, resulted in higher butyrate/acetae (B/A) ratios during the fermentation. The trend of B/A ratios was similar to the hydrogen production, suggesting that butyrate formation favored hydrogen production. Ethanol increased significantly from day 4 when hydrogen Production stopped. It indicated that heat-shocked sludge was able to induce a metabolic flow from hydrogen-and acid-producing pathway to solvent-producing pathway. Operation at D of $4.5d^{-1}$ led to higher fermentation efficiency (58%) than those (51.5, 55.3 and 53.7%) at 2.1, 3.6 and $5.5d^{-1}$. The COD removed was convened to hydrogen (10.1%), VFA (30.9%), and ethanol (17.0%).

그동안 유기성폐수에 대해서는 다양한 연구가 시도되었지만, 유기성고형폐기물에 대해서는 보도된 바가 없다. 그러므로 본 연구는 열처리된(heat-shocked) 혐기성슬러지를 식종한 침출상(leaching-bed) 반응조에서 다양한 희석율(dilution rate; D)에 대하여 음식물쓰레기로부터의 수소생산 효율을 살펴보았다. 반응조의 성공적인 운전은 적절한 희석율의 선택에 달려있는데, 높은 희석율에서는 미생물의 유실이 발생하는 반면 낮은 희석율에서는 유기산의 축적으로 product inhibition이 발생한다. 따라서 이러한 요인들이 높은 효율의 수소생산을 제한하게 된다. 모든 반응조들은 희석율에 관계없이 다음과 같은 경향을 보여주었다. 운전 초기 3일 동안, 수소생산이 활발하였으며 유기산의 농도가 에탄올보다 높게 유지되었다. 유기산 중에는 락트산이 초기 잠깐동안 높은 값을 유지했을지라도, 전체 운전기간 내내 뷰틸산과 초산이 유기산의 주요성분이었다. 다른 희석율에 비해 희석율 $4.5d^{-1}$는 발효가 진행되는 동안 가장 높은 뷰틸산/초산 (B/A) 비율을 보여주었는데, B/A 값의 경향은 수소생산의 경향과 매우 유사하여 뷰틸산의 형성이 수소생산에 매우 호의적임을 나타내준다. 에탄올은 수소생산이 멈춘 4일째부터 크게 증가하였는데, 이것은 열처리된 슬러지가 대사흐름을 수소 및 유기산생성경로(hydrogen-and acid-producing pathway)에서 알콜 생성경로(alcohol-producing pathway)로 전환시킬 수 있음을 보여준다. 희석율 $4.5d^{-1}$의 COD 제거효율은 58%로 다른 희석율(2.1, 3.6 및 $5.5d^{-1}$)의 제거율(51.5, 55.3 및 53.7%)보다 높았으며, 이때 제거된 COD는 수소(10.1%), 유기산(30.9%), 에탄올(17.0%)로 전환이 되었다.