Effects of VS concentration and mixing ratio on hydrogen fermentation of food waste and sewage sludge

음식물 쓰레기와 하수 슬러지의 생물학적 수소 발효에 미치는 VS 농도와 혼합비의 영향

Hydrogen fermentation of food waste and sewage sludge was performed in serum bottles under various volatile solids(VS) concentrations(0.5~5.0%) and mixing ratios of two substrates(0:100-100:0, VS basis). Full quadratic equations, optimal conditions, and 90% acceptable conditions for hydrogen production potential and rate were obtained using cumulative methane production data and response surface methodology. The specific hydrogen production potential of food waste was higher than that of sewage sludge. However, hydrogen production potential increased as sewage sludge composition increased up to 13~19% at all the VS concentrations. The maximum specific hydrogen production potential of 122.9 mL/g $carbohydrate_{added}-COD$ was found at the waste composition of 87:13(food waste:sewage sludge) and the VS concentration of 3.0%. The relationship between carbohydrate concentration, protein concentration, and hydrogen production potential indicated that enriched protein by adding sewage sludge might enhance hydrogen production potential. The maximum specific hydrogen production rate was 111.2 mL $H_2/g$ VSS/h. Food waste and sewage sludge were, therefore, considered as a suitable main substrate and a useful auxiliary substrate, respectively, for hydrogen production.

다양한 VS 농도(0.5-5.0%) 및 혼합비(0:100-100:0, VS 기준)의 음식물 쓰레기와 하수 슬러지를 이용하여 수소 발효 회분식 실험을 수행하였다. 누적 수소 발생곡선을 통해 수소 생성 잠재량과 수소 생성 속도를 구하였으며 표면분석법을 이용하여 각각에 대한 최적 조건과 90% 용인 조건을 제시하였다. 수행된 모든 VS 농도에서 음식물 쓰레기의 수소 생성 잠재량은 하수 슬러지보다 높았다. 그러나 하수 슬러지를 13~19% 혼합하였을 경우에 수소 생성 잠재량이 증가하는 현상이 발견되었다. 이는 하수 슬러지의 첨가로 인해 수소 생성 미생물의 생장에 필요한 단백질이 충분히 공급되어 발생하는 현상으로 사료된다. 최대 비 수소생성 잠재량은 122.9 mL/g $carbohydrate_{added}-COD$로 혼합비 87:13(음식물 쓰레기: 하수 슬러지), VS 3%에서 관찰되었다. 최대 수소 생성 속도의 경우 VS와 음식물쓰레기 분율이 높을수록 높은 값을 나타내었으며 최대값은 111.2mL $H_2/g$ VSS/h였다. 이로 미루어 볼 때, 음식물쓰레기와 하수슬러지는 수소 생성에 있어 각각 주 기질과 보조 기질로 활용되기에 적합한 것으로 판단된다.