본 연구는 통성 혐기성 수소생산 세균을 이용하여 고농도의 당이 함유된 유기성 폐기물로부터 수소를 생산하는 최적 조건을 탐색하였다. 포도당과 자당을 탄소원으로 활용하였고, 이는 슬러지 감량화 및 자원화 연구와 결합되어 폐기물 발생량을 줄이는 데 기여한다. 이렇게 얻어진 수소는 청정기술의 일환으로서 물이나 유기성 폐자원을 활용한 환경친화적 수소생산 방법으로 적용될 수 있다.
<h1>서 론</h1> <p>최근 하수처리장을 통한 폐수처리 시 가장 큰 문제점은 악취 및 잉여슬러지의 재처리이며, 이에 대한 비용은 하수처리장 전체 운전비용의 약 \(50\%\) 이상을 차지하는 것으로보고되고 있다. 2005년 재활용비율이 \(10\%\)인 실정에서 2011년 이후 발생 전량을 육상 처리해야 하는 실정에 맞추어 슬러지의 재활용 비율을 \(64\%\)로 목표치를 잡고 있다. 특히, 최근 들어 슬러지를 감량화하거나 자원화를 통한 폐기물의 발생량을 최소화 시키려는 연구가 활발히 진행되고있다. 폐 활성슬러지는 단순 폐기물이 아닌 유기성 자원으로서 biosolid로 이용하여 에너지를 생산할 경우, 폐기물의 감량화가 아닌 적극적인 대체에너지원으로의 활용할 수 있다. 최근 많은 연구가 이루어지는 기술 중 하나가 슬러지를 이용하여 청정에너지인 수소를 생산하는 것이다. 슬러지를 단독으로 이용하거나, 음식 폐기물이나 축산 폐기물을 병합처리하는 방법도 이용되고 있다. 이는 슬러지를 이용한 수소 생산에서 유기물 함량이 다소 부족할 수 있기 때문에 유기물을 보충하기 위함이다. 수소는 연소할 때 물만 생성되는 청정에너지로서 재생가능하고, \( 122 \mathrm{KJ} / \mathrm{g} \)의 높은 에너지효율로 인하여 기존의 주요 에너지원인 화석연료를 대체할수 있는 대체에너지로서의 가능성이 높은 물질이다. 수소를 에너지원으로 이용할 경우 물과 유기물질의 구성성분으로부터 제조될 수 있으므로 원료물질의 고갈 위험이 적고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높은 고밀도 에너지(가솔린의 3배)이다. 수소생산 공정은 크게 화학적 생산, 및 생물학적 생산이 가능하며, 현재 상용화되어있는 수소 제조기술이 주로 석유나 천연가스 등의 화석연료 수증기 개질반응으로 제조되거나, 원유 정제공정 및 제철소 부생가스에서 분리하거나, 물을 전기분해 하는 등이다. 그러나 이러한 방법들은 주로 천연가스나 원유를 원료로 하는 것으로 대체에너지로서의 개발 목적에 부합하지 않는 기술 들이다. 따라서, 대체에너지로서의 수소생산은 궁극적으로는 미생물등을 이용한 청정기술로서 물이나 유기성 폐자원을 이용한 환경친화적인 기술로 수소를 제조해야한다. 미생물을 이용하여 수소를 생산하는 데는 녹조류가 광합성을 통해 물로부터 수소를 직접 생산하는 물분해 수소생산, 광합성에 의해 유기물을 기질로 혐기적 환경에서 수소생산하는 과정, Clostridium 및 Enterobacter와 E. coli 등이 참여하는 암조건에서 유기질을 발효하는 과정에서 수소 및 유기산을 생산하는 과정 등크게 나눌 수 있다. 이 중 광합성 발효를 통한 수소생산은 홍색 비유황세균, 홍색 유황세균 및 녹색 유황세균에 의해 이루어진다. 광합성 세균에 의한 유기성 폐기물의 처리는 포도당과 같은 당 전환율은 \(20\sim30\%\) 가량이며, 유기산의 수소 전환율은 \(70\sim80\%\)로 알려져있다. 혐기발효는 절대 및 통성 혐기성 미생물에 의해 혐기성 환경에서 유기성 폐기물을 수소와 유기산으로 전환시켜준다. 이 과정은 빛에 의존하지 않고, 광합성기작의 속도\( \left(0.04 \sim 0.21 \mathrm{~L}-\mathrm{H}_{2} \cdot \mathrm{L}^{-1} \cdot\right. \) day \( \left.^{-1}\right) \)에비해 수소 생산속도\( \left(1.6 \sim 26.9 \mathrm{~L}-\mathrm{H}_{2} \cdot \mathrm{L}^{-1} \cdot\right. \) day \( \left.^{-1}\right) \)가 빠르기때문에 장점이 있다. 단점으로는, 유기물로부터 전환효율이 낮으나, 수소 생산속도가 빨라서 상용화에 가장 근접할 수있는 기술로 평가된다. 생물학적 수소생산은 에너지를 생산하는 기술이며 동시에 환경 처리 기술이 될 수 있다. 미생물 배양에서 혐기발효를 통해 이론적으로 \( 1 \mathrm{~mol} \)의 포도당으로부터 \( 2\sim4 \mathrm{~mol} \)의 수소가 발생되지만 발효 중에 생성되는 유기산의 생산율, pH의 변화, 배지내의 유해 물질, 탄소원의 종류, 질소원의 종류 등은 수소 생산에 영향을 준다. 본 연구에서는, 절대 혐기성 수소생산 세균보다 빠르게 생장하는 통성 혐기성 수소 생산균주를 이용하여 고농도의 당이 함유된 유기성 폐기물로부터 수소를 생산하기 위한 탄소원인 포도당과 자당의 최적 농도 조건을 찾아보았다.</p>