한국폐기물자원순환학회 학술대회자료집 2013년 추계학술발표회 논문집 (p.9-10)

혐기성 미생물을 이용한 유기성 폐기물의 수소생산 기술

키워드 :
제당폐수,음식물쓰레기,혐기적 소화,수소생산,PCR-DGGE

초록

국내 유기성 페자원은 지역적으로 그 발생량과 분포가 다양하며 처리, 처분 및 재활용이 여러 가지 방법으로 시도되고 있다. 이 중에서 유기성폐기물의 효과적인 감량화 뿐만 아니라 자원화를 위한 대안으로 혐기성 소화에 대한 관심이 고조되고 있으며, 유기성폐기물을 이용한 혐기성 소화로 수소생산도 기대할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 혐기성 미생물을 이용한 유기성 페기물의 수소생산 기술에 관한 연구를 진행하였다. 각종 탄수화물로부터 수소생산량을 알아보기 위하여 단당류인 Glucose, 소당류인 Sucrose, 그리고 다당류인 Cellulose를 사용하여 실험하였으며, 최대수소생산율은 Sucrose가 98.18 mL/hr ․ℓ로 가장 좋은 효율을 보였고, Cellulose를 사용하였을 때는 수소가스가 발생되지 않았다. 이러한 결과는 cellulose가 다른 탄소원보다 더 고분자 물질이며, 미생물이 cellulose를 분해하여 수소를 생산하는데 다소 시간이 오래 걸린 것으로 사료된다. 따라서 고분자의 탄수화물로부터 수소를 생산하기 위해서는 미생물에 의한 분해가 쉽게 이루어질 수 있도록 전처리가 필요하다고 사료된다. 하수슬러지를 이용한 수소생산 결과 생물학적 유용성은 복합적 전처리 과정을 통하여 많이 개선되었으며 슬러지를 이용한 수소생산 가능성을 확인할 수 있었다. 단, 하수슬러지를 이용한 수소가스의 생성과 같은 생물학적 반응에 의한 바이오 가스 생산에 가용화된 슬러지를 이용하고자 할 경우 반응 중 pH와 온도 그리고 적정 미생물 군집의 배양과 같은 최적화 과정이 필수적으로 수반되어야 하며 이에 대해 더욱 체계적인 연구가 필요할 것으로 판단하였다. 유기성 페수 중 하나인 제당폐수에 질소와 인을 보충한 상태에서 수소 발생량은 774.59 mL로 증가하였고. 산처리 보다 알칼리처리 시 수소생산량이 약 70%증가됨을 알 수 있었다. 따라서 제당폐수 원액의 양호한 수소생산을 위해서는 질소와 인과 같은 영양염류의 보충이 필수적으로 필요하다는 것을 보여준다. 또한 음식물쓰레기를 이용해 수소생산한 결과 635.10ml로 슬러지를 전처리한 유기성자원으로부터 수소생성율이 0.4-1.65 mg H₂/g COD인 것을 고려할 때 본 실험에서 산출된 음식물쓰레기의 수소생성율은 3.47 mg H₂/g COD은 매우 고무적인 산출량이라고 판단된다. 따라서 본 실험을 통하여 음식물쓰레기가 glucose 또는 sucrose와 같은 탄수화물을 이용한 수소생산 시 산출되는 수소 생산수율에 비해 떨어지지만 유기성폐자원인 음식물쓰레기에서 수소생산 가능성을 확인하였으며 이를 토대로 효과적인 전처리와 같은 수소생성 최적화를 위한 연구가 고려된다면 더 높은 수소생산 효율을 기대해 볼 수 있을 것이다. 복합 전처리를 실시 한 후의 제당폐수와 음식물쓰레기의 DGGE 분석결과를 NCBI BLAST를 이용한 GenBank database와 비교 분석하여 가장 유사도가 높은 종을 검색한 결과 DGGE band로부터 얻은 clone은 Enterobacter 속, Klebsiella 속, Clostridium 속으로 규명되었다. 각각의 유기성폐자원의 취약점을 보완해 수소생산율을 향상시키기 위해 제당폐수에 음식물쓰레기와 활성슬러지를 부피 비 1:1로 혼합해 수소생산율 증대를 도모하였다. 제당폐수에 영양염류를 추가해 주었을 때 수소생산율이 향상되었던 기존실험결과와1) 음식물쓰레기를 이용한 수소생산 시 염소이온의 농도가 약 10g/L이상일때부터 긴 지체시간을 가지거나 강하게 저해 받는다는 기존의 연구결과를2) 바탕으로 영양염류대신 음식물쓰레기를 혼합해 영양염류의 보충과 염분의 희석 효과를 기대하며 실험을 진행하였다. 그와 동시에 질소의 양이 과다할 경우 그 역시 수소생산에 저해를 일으키는 요인이라는 기존의 연구결과를3) 바탕으로 슬러지의 질소농도를 희석시키기 위해 제당폐수와 함께 혼합하여 실험하였다. 그 결과 제당폐수와 음식물쓰레기를 혼합한 폐기물에서 54.13% 수소생산 효율이 향상되었고, 활성슬러지를 혼합한 폐기물에서는 21.24%로 수소생산 효율이 향상됨을 알 수 있었다. 따라서 본 실험을 통해 음식물쓰레기의 염분이 다른 기질과 혼합되어 희석효과를 보였고, 슬러지의 과다한 질소농도도 희석되어져 수소생산 효율을 향상시켰음을 알 수 있었다. 이를 토대로 최적배합조건 도출을 위한 연구가 고려된다면 더 높은 수소생산 효율을 기해 볼 수 있을 것이다.