생물학적 수소생산은 주로 환원당을 함유한 탄수화물계 폐기물을 활용하나, 수소생산을 지속하려면 폐기물이 질소와 인 같은 영양염류를 충분히 담고 있어야 한다. 이런 문제를 해결하기 위해, 혼합폐기물을 이용한 수소생산 연구가 진행되며, 폐기물 발생과 처리에 대한 필요성이 부각되고 있다. 또한, 담체 및 자가고정기술을 활용해 수소생성에 관여하는 미생물을 시스템 내에서 안정적으로 유지하는 방법이 탐구되었고, 이런 방법은 지속적인 수소생산을 가능케 하는 핵심적인 요소로 간주된다.
<h1>혼합폐기물 및 폴리우레탄 담체를 충전한 연속회분식공정을 이용한 생물학적 수소생산</h1> <p>유기성폐기물은 생물학적 발효를 통해 수소와 메탄 등의 바이오가스를 생산할 수 있는 중요한 자원이다. 특히, 수소는 단위 질량당 에너지 함량이 높고, 연소 후 이산화탄소 등의 온실가스를 배출하지 않으므로 청정에너지 또는 화석연료를 대체하는 신에너지원으로 각광받고 있다.</p> <p>발효에 의한 생물학적 수소생산은 주로 환원당을 함유하는 탄수화물계 폐기물을 이용하는 것이 유리하지만, 지속적인 수소생산을 달성하기 위해서는 원료가 되는 폐기물이 질소, 인 등의 영양염류를 충분히 포함해야 한다. 수소생성미생물이 시스템 내에서 지속적으로 성장하기 위해서는 필수 영양성분의 꾸준한 공급이 필요하기 때문이다. 따라서, 다양한 폐기물의 발생 및 처리에 대한 필요성과 더불어 지속적인 수소생산을 달성하기 위해 혼합폐기물을 대상으로 수소를 생산하는 연구가 활발히 진행되고 있다.</p> <p>수소생산효율을 높이기 위해 시스템의 수리학적체류시간 (Hydraulic retention time, HRT)을 낮춤으로써, 유입기질부 하량을 증대시키는 연구가 많이 진행되었다. 하지만, 미생물 유실로 인해 오히려 효율이 떨어지는 사례가 종종 발생하였다. 이 문제를 해결하기 위해 담체 및 자가고정기술 등을 이용하여 수소생성관련 미생물을 시스템 내에 안정적으로 확보하는 방안이 강구되었다 \( [5,9] \). 완전혼합반응조(Completed stirred tank reactor, CSTR) 후단에 침전조를 별도로 설치하는 경우, 현장 적용 시, 넓은 부지를 요구할 뿐 아니라, 슬러지 반송 및 유지관리에 대한 애로사항을 유발할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 소규모 수처리 시스템에서 별도의 침전조를 두지 않고, 유입부하변동에 상대적으로 대응이 유리한 연속회분식공정(Sequencing batch reactor, SBR)을 수소생산시스템(Hydrogen SBR, HSBR)에 적용하기도 하였다. SBR은 하나의 반응조에서 기질 유입, 반응, 침전 및 배출 등의 순서를 반복적으로 실시한다. 하지만, 수소생성과정에서 발생가스로 말미암아 침전효율이 저하되고, 완 벽한 고액분리를 위해 반응시간 대비, 침전시간을 상당히 길게 운전하는 경향이 있다. 따라서, 본 연구에서는 담체를 HSBR 반응조에 넣어 미생물을 고정하여 시스템 내 수소생성미생물의 유실을 방지하고, 고액분리에 의한 침전율을 높이는 연구를 실시하였다(Media-HSBR (M-HSBR)). 한편, 수소생성미생물은 상대적으로 높은 성장속도를 유지하기 때문에 반응조 내에서 고정화된 미생물 외에 벌크용액 내에서 부유하고 있는 미생물의 특성을 동시에 조사하는 것이 중요하다. 따라서, 부착미생물에 대한 수소생산특성만 다룬 기존 연구와 달리, 본 연구에서는 시스템 내에서 부착미생물 외에 부유미생물에 대한 수소발생에 대한 기여율 조사를 처음으로 시도하였다.</p> <p>국내 식품가공회사(C사) 및 \( \mathrm{J} \) 하수처리장에서 당밀폐수 및 하수슬러지를 각각 제공받아 유입기질로 사용하였다. 당밀폐수 원수의 TCOD, SCOD, TS, VS, T-N 농도는 각각 128,400 mg/l, 119,200 mg/l, 89,700 mg/l, 86,200 mg/l 및 \( 30 \mathrm{mg} / \)이고, 하수슬러지 원수의 TCOD, SCOD, TS, VS, T-N 농도는 각각 \( 17,800 \mathrm{mg} / \mathrm{l}, 120 \mathrm{mg} /, 44,000 \mathrm{mg} / \mathrm{l}, 32,200 \mathrm{mg} / \mathrm{l} \) 및 \( 1,800 \mathrm{mg} / \)이었다. 유입폐기물은 선행연구를 통해 얻은 최적 희석비(13.3배) 및 혼합비율(당밀 : 하수슬러지 \( =8: 1 \), \( \mathrm{v} / \mathrm{v}) \) 를 적용하여 사용하였다. 구체적으로 당밀 \( 2 \mathrm{~L} \), 하수슬러지 \( 0.25 \mathrm{~L} \)를 \( 20 \mathrm{~L} \) 용기에 넣고, 20 분간 질소로 퍼징한 수돗물로 나머지 공간을 채웠다. 식종슬러지는 본 실험실에서 이미 가동 중인 수소생성반응조(CSTR) 내 바이오매스 \( (0.2 \mathrm{~L}) \)와 열처리한 하수처리장 소화조 슬러지 \( 0.2 \mathrm{~L} \)를 혼합하여 이용하였다.</p>