1. 서 론
세계 인구 증가와 산업화로 인해 에너지 소비가 급격히 증가하고 있으며, 전 세계 에너지 공급의 약 85%는 화석연료에 의존하고 있다[1]. 화석연료 연소 시 배출되는 이산화탄소는 지구온난화를 유발하여 지속 가능하고 친환경적인 에너지 기술 개발의 필요성이 점차 부각되고 있다[2]. 높은 에너지 밀도(33 kWh/kg H2)와 연소 시 온실가스를 배출하지 않는 특성을 지닌 수소(H2)는 탄소 중립 실현을 위한 주요 대안으로 주목받고 있다[3,4]. 그러나 현재 대부분의 수소는 고온·고압 조건에서 천연가스, 중유, 나프타, 석탄 등 화석연료를 분해하여 생산되고 있다[5]. 지속 가능하고 재생 가능한 자원을 원료로 사용하는 것은 원료 비용 절감과 화석연료의 의존도를 낮추는 친환경적인 방법이라 할 수 있다.
바이오 수소(bio-H2)은 이러한 사항에 부합한 다양한 바이오매스로부터 생산이 가능하며 연소 부산물이 환경오염을 유발하지 않는 물질이라는 점에서 탄소 중립적으로 화석연료를 대체 할 수 있는 유망한 에너지원 중 하나이다[6]. 생물학적 수소생산 방법의 대표적인 공정인 혐기성 수소발효(암발효)는 광분해(photolysis), 광발효(photo-fermentation)와 같은 빛에 의존하는 공정보다 수소 생산 속도가 빠르며, 가축분뇨와 음폐수와 같은 고농도의 유기성 폐자원을 처리하면서 동시에 수소를 생산할 수 있는 장점을 지녀 긍정적으로 평가되고 있다[7-10].
국내에서 발생하는 가축분뇨와 음식물 폐기물의 발생량은 2022년 기준으로 각각 139,353 톤/일, 15,217 톤/일로 이를 에너지로 환산하면 연간 약 2.3×107 TOE 및 2.2×106 TOE의 높은 에너지 잠재량을 가진다[11,12]. 이러한 유기성 폐자원은 고농도의 유기물을 함유하고 있어 가축분뇨[13]와 음폐수[4]를 기질로 수소와 메탄과 같은 바이오가스 생산에 관한 다양한 연구가 보고되어 왔다. 국내 몇몇 실증시설에서는 두 기질을 혼합한 병합 소화를 통해 이상(two-stage) 혐기성 소화 공정을 운영하고 있다[14]. 이상 공정은 전단에 산발효(1st stage)를 통해 바이오 수소 생산이 가능하며, 이때 생산된 유기산과 가스는 메탄발효조(2nd stage)에서 메탄생산을 유도한다.
혐기성 소화 및 산발효는 기질의 종류 및 조성, 탄소/질소(C/N) 비율, 암모니아성 질소(NH3-N) 농도, pH, 온도 등 다양한 인자들에 영향을 받는다[15,16]. 특히, 가축분뇨는 높은 질소의 함량과 낮은 C/N 비율로 단독 소화 시 공정이 불안정하나 음폐수는 pH가 3.8~5.2로 낮고 유기물 함량(2.6~6.0%)이 비교적 높아 영양 불균형이 발생하여 혐기성소화의 효율이 저하된다[17-19]. 따라서 소화효율을 높이기 위하여 병합 소화 시 적정 C/N비, pH 조절 등을 할 필요가 있다[20,21]. 상대적으로 C/N 비율이 낮으며 중성 및 약알칼리성(7.0~7.8)에 가까운 pH인 가축분뇨에 C/N 비율이 높고 산성의 pH를 지닌 음폐수를 혼합하면 바이오 수소의 생산을 높일 수 있다[22, 23].
고농도의 질소는 혐기성 소화과정 중 바이오가스 생산에 저해를 일으키는 것으로 알려져 있다[24,25]. 20세기 중후반부터 다수의 연구 결과에서 암모니아 농도에서 혐기성 소화 저해를 일으키는 연구 결과가 발표되었으며 다양한 농도 범위(365mg N/L[26], 1700-1800 mg N/L[27], 2700 mg N/L[28], 3000mg N/L 이상[24])의 암모니아성 질소에 의해 혐기성 소화 운전이 정지되거나 미생물의 대사가 억제되었다. 이러한 암모니아성 질소로 인한 미생물 대사의 저해는 총 암모니아성 질소(Total ammonia nitrogen, TAN) 중 암모늄 이온(NH4+)이 메탄생산 효소를 직･간접적으로 저해를 유발한다는 것과 자유 암모니아성 질소(Free ammonia nitrogen, FAN) 분자가 미생물 막에 수동확산 등의 자유로운 이동에 따라 막 사이의 이온균형을 파괴함에 따라 발생한 것이라는 주장이 있다 [29]. 이러한 FAN는 TAN의 평형조건에서 높은 pH와 온도 조건에서 암모늄 이온에 비해 상대적으로 높게 되며 중성 이상의 pH 혹은 고온 혐기성 소화 운영 시 이러한 고농도의 FAN에 의해 미생물 대사 및 생장이 저해될 수 있다. 양돈폐수와 같은 실제 가축분뇨를 이용한 혐기성 소화 시 높은 암모니아성 질소 농도가 메탄생성균을 포함한 다양한 혐기성 미생물에 독성을 일으킨다는 여러 보고가 있으며, 그 농도는 pH, 온도, 유기물질의 농도 등 다양한 인자에 따라 저해가 시작되는 조건이 달랐다[27,30]. 혐기성 수소생산의 경우 메탄생성조건보다 상대적으로 낮은 pH에서 운전하기 때문에 고농도 FAN에 의한 저해 현상보다 고농도 TAN에 의해 수소생산 저해를 받을 수 있다는 몇몇 보고가 있다. Salerno 등[31]은 암모니아 농도에 따른 바이오 수소 생산 영향을 파악하기 위하여 각기 다른 암모니아 농도를 주입하여 회분식 운전시 낮은 pH (5.2-6.2)임에도 불구하고 10g N/L의 수소생산율이 2g N/L 대비 72-86% 감소되는 결과를 보고하였다. 연속 운전 조건에서는 0.8 g N/L을 초과하면 수소생산이 멈추는 현상을 관찰하였다. Pan 등[32]은 실제 음폐수를 이용하여 서로 다른 암모니아를 추가 주입하여 중온 혐기소화를 통한 수소생산성을 평가한 결과, Food to microorganism ratio (F/M) 3.9 조건에서는 6g TAN/L 이상에서 억제가 시작되고 10g TAN/L에서는 생산량이 58.7% 감소하였다. F/M 8.0 조건에서는 TAN 3.5g/L에서 수소 생산이 29% 감소하는 경향을 보여 암모니아 농도와 유기물 부하가 수소생산에 있어 중요한 역할을 한 것으로 파악된다.
하지만, 일부 연구 결과에서는 고농도의 암모니아가 수소생산균에 영향을 받지 않거나 수소수율이 증가하는 결과를 보고하기도 하였다. Koster 등[33]은 상향류 혐기성 슬러지 블랭킷(Upflow Anaerobic Sludge Blanket, UASB) 반응조에서 채취한 메탄생성 과립 슬러지 접종원과 감자 주스를 기질로 이용한 혐기성 소화 시 암모니아 농도가 4,051~5,734mg NH3-N/L 범위에서 농도가 증가함에 따라 메탄생성균의 활성은 56.5% 감소하였지만, 산생성균은 거의 영향을 받지 않은 결과를 보고하였다. 앞서 Pan 등[32]은 음폐수를 기질로 이용한 실험 결과, F/M 3.9에서는 3.5 g TAN/L 조건에서 819.5 mL H2를 생산하였고 F/M 8.0에서는 1.5g TAN/L 조건에서 827.1 mL H2를 생산하여 각각 대조군 대비 57.3%, 19.4%가 향상되었다. 또한, 본 연구진의 사전 연구결과에서 양돈폐수와 음폐수 탈리액 혼합액의 1.9 g NH3-N/L 농도 조건에서 바이오 수소 수율이 34.9~87.1 mL H2/g VS로, 고농도의 암모니아가 메탄생성균에 비해 수소생산균의 활성을 크게 저해하지 않는 것을 확인하였다[34].
따라서 본 연구에서는 산발효조 슬러지를 접종원으로 이용하여 두 가지 혼합비율의 양돈폐수와 음폐수 탈리액에 암모니아성 질소를 추가 주입한 다양한 COD/NH3-N 비율과 고농도의 암모니아성 질소 추가 주입에 따른 수소생산 영향을 확인하기 위하여 바이오가스와 중간생성물 등의 변화를 관찰하고자 한다. 또한, 산발효 대사 중 하나인 포도당을 이용한 당발효시에도 비슷한 조건의 COD/NH3-N 비율에 따른 수소생산 결과를 비교하여 암모니아 농도에 따른 수소생산의 주요 기작을 알아보고자 한다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1. 기질 및 접종원 성상
본 연구에서 사용한 기질인 양돈폐수와 음폐수 탈리액(이하 음폐수), 미생물 접종원인 산발효조 슬러지는 양돈폐수와 음폐수를 기질로 이상(two-stage) 혐기성 소화조를 운영하고 있는 충청남도 논산시에 위치한 가축분뇨공동자원화 시설(위도 36.1806213, 경도 127.0524342)에서 모두 채취하였다. 이후 기질의 성상 변화 방지를 위해 -20℃ 냉동 보관하였으며, 실험에 사용하기 하루 전 상온에서 천천히 녹였다. 접종원은 고순도 질소 가스(99.999% N2)를 30분간 purging하여 혐기성 환경을 조성한 후 총 20L 반응기에 완전혼합반응으로 수소생산 미생물의 활성도를 유지하여 실험할 때 사용하였다. Table 1은 시설에서 채취된 기질 및 접종원의 성상을 나타낸 것이다.
2.2. 반응기 및 운전조건
본 연구에서 사용한 반응기는 160 mL 부피의 serum vial로 산발효조 슬러지와 기질(양돈폐수와 음폐수 혼합액)을 1:3(15 mL : 45 mL) 비율로 주입한 후 운전하였다. 본 실험에 사용한 반응기와 접종원 전처리 방법 등은 최 등[34]의 실험방법에 따른다. 접종원은 메탄생성균의 활성 억제 및 수소생산 미생물의 활성을 위해 기질 주입 전 수욕조에서 90℃로 15분 동안 열처리 후 사용하였다. 양돈폐수(SW, swine wastewater)와 음폐수(FW, food wastewater)의 혼합액(SF)은 바이오 수소 생산에 유리한 약산성(pH 5.5~6.0) 비율조건인 8:2 (SF82)와 6:4 (SF64)로 정하였다. 산발효조 내 암모니아 농도와 COD/NH3-N 비율에 따른 수소생산에 대한 영향을 파악하기 위해 각 혼합 기질에 염화암모늄(NH4Cl)을 사용하여 농도를 조절하였다. 본 실험을 진행하기 전 기질농도 분석 결과 SW와 FW만을 혼합한 COD/NH3-N 비율은 SF82에서는 30, SF64에서는 40이였다. 이에 따라 SF82의 COD/NH3-N 비율을 30, 20, 10으로 초기에 선정하고 SF64의 COD/NH3-N 비율을 40, 30, 20, 10로 맞추기 위하여 NH4Cl 추가 주입하였다. 그러나 실제 산발효조 슬러지와 기질을 혼합하여 분석한 결과, 암모니아성 질소 농도와 COD/NH3-N 비율은 Table 2와 같았으며 이에 맞게 실험조건을 명명하였다. SF82-1은 SW와 FW를 8:2로 혼합한 실험 조건이며, NH4Cl 추가 주입에 따라 SF82-2 (3.5 NH3-N g/L), SF82-3 (5.2 NH3-N g/L)로 표기하였다. SF64-1은 SW와 FW 기질을 6:4로 단순 혼합한 실험 조건이며, NH4Cl 추가 주입에 따라 SF64-2(2.7 NH3-N g/L), SF64-3 (3.7 NH3-N g/L), SF64-4 (4.3NH3-N g/L)로 명명하였다. SF를 8:2 혼합 조건의 운전은 28일간 SF82-1 조건의 다수 반응기를 초기 운전(Phase Ⅰ) 후 추가 NH4Cl 주입한 SF82-2, SF82-3 조건을 추가하여 운전하였다(Phase Ⅱ). SF의 6:4 혼합 조건 운전은 SF64-1, SF64-3, SF64-4로 28일간 운전 후(Phase Ⅰ) SF64-2 조건을 추가하여 다시 한번 회분식 운전하였다(Phase Ⅱ). 모든 조건의 반응기는 pH 변화에 따른 변수를 없애기 위하여 5N HCl과 5N NaOH를 사용하여 두 종류의 혼합 기질을 pH 5.7로 맞추었으나 실제 실험 전 pH는 슬러지 혼합으로 인해 pH 6.0 이상을 기록하였다(Table 2). 반응 운전 시작 전에 다시 한번 고순도 질소가스를 주입하여 혐기성 조건을 조성하였으며, 30℃ 배양기에서 회분식 반응으로 2배수로 진행하였다.
추가적으로, 고농도의 암모니아 농도에 따른 혼합 기질을 사용한 산발효조의 주요 수소생산 반응이 당 발효에 의한 메커니즘인지를 확인하기 위하여 동일 산발효조 슬러지의 기질을 포도당(glucose)를 바꿔 회분식 반응을 진행하였다. 양돈폐수와 음폐수 혼합액의 암모니아 농도 수준에 맞춘 조건과 균주 저해를 일으킬 수 있는 농도의 암모니아를 주입한 조건을 추가 설정하여 동일 조건에서 실험을 수행하였다. 최종 NH3-N 농도 조건은 2.3, 2.7, 3.5, 5.2, 8.9g/L이였으며, 각각의 조건에 대응하는 TCOD/NH3-N 비율은 29, 25, 20, 13, 8이였다. 앞선 실험과 같이 반응기(160 serum vial)에 슬러지와 기질을 1:3 비율로 총 60 mL 주입하였으며 혼합 기질 농도조건(COD 70,000 mg/L)에 맞추어 glucose를 주입하였다. 배지는 basal medium (NaCl 0.9 g/L, MgSO4·7H2O 0.32g/L, CaCl2 0.150 g/L, NH4Cl 1 g/L), trace mineral solution (Nitrilotriacetic 15 mg/L, FeSO4·7H2O 10 mg/L, MnCl2·4H2O 10 mg/L, CoCl2·6H2O 1.7mg/L, ZnCl2 10 mg/L, CaCl2·2H2O 10 mg/L, CuCl2·2H2O 0.2mg/L, H3PO3 0.1 mg/L, NaMoO3 0.1 mg/L, Na2SeO3 0.17 mg/L, NiSO4·6H2O 0.26 mg/L, NaCl 10 mg/L), yeast extract 0.5 g/L로 제조하여 사용하였다. pH는 phosphate buffer (50 mM, pH 7.0)를 이용하였으며 혐기성 조건을 유지한 채 2배수로 회분식 반응을 진행하였다.
2.3. 분석 방법
실험이 진행되는 동안 각 조건의 반응기에서 발생한 가스 및 액상 시료를 일정 간격으로 채취하여 분석하였다. 운전 중 발생가스인 수소, 메탄, 이산화탄소는 반응기 상부를 gas tight syringe (Pressure-Lok Precision Analytical Syringe, VICI, USA)로 0.1 mL 채취하여 가스크로마토그래피(GC; YoungIn Chromass, YL-6500, Korea)에 주입하여 분석하였다. 수소와 메탄 가스는 열전도도검출기(TCD), methanizer, 불꽃이온화검출기(FID)가 동시에 구축되어 있는 가스크로마토그래피를 이용하였다. 해당 기기에는 Molsieve 13X (3ft×1/8in×2.1mm) 컬럼이 TCD에 연결되어 있으며 Porapak N (10ft×1/8in× 2.1mm) 컬럼이 FID에 장착되어 있다. 두 검출기 모두 고순도 질소(99.999%)를 이동상 가스로 사용하였으며, 15 mL/min의 유속을 유지하였다. 오븐 온도는 40℃ 등온조건으로 운전하였으며, GC-TCD의 주입부와 검출부의 온도는 150℃, GC-FID의 주입부와 검출부의 온도는 각각 150℃와 250℃로 설정하였다.
액상 시료는 pH, COD (Chemical oxygen demand, 화학적산소요구량), TS (Total solid, 총고형물), VS (Volatile solid, 휘발성 고형물), T-N(Total nitrogen, 총질소), T-P (Total phosphate, 총인), NH3-N(Ammonia nitrogen, 암모니아성 질소), VFAs (Volatile Fatty Acids, 휘발성 지방산) 항목을 분석하였다. 운전 중 채취한 시료는 바로 pH 측정기(913 pH Meter, Metrohm, USA)를 사용하여 pH를 측정하였다. COD, T-N, T-P는 Hach 사의 수질키트(Hach, USA) 이용하였으며 NH3-N은 타사 수질키트(Humas, Korea)를 사용하여 UV/VIS spectrophotometer (DR 5000, Hach, USA)로 측정하였다. SCOD와 NH3-N은 0.2μm 필터로 여과한 후 분석을 진행하였으며, TS와 VS는 Standard method[35]에 따라 분석하였다. VFAs의 분석을 위한 시료는 고농도의 고형물로 인하여 원심분리(13000 rpm, 10min) 후 0.2μm 필터로 여과 후 시료의 산성화를 위해 0.5M H3PO4를 넣었고 정량 분석을 위해 n-butanol을 내부표준물질로 주입하였다. VFAs 분석에는 AT®-Aquawax (30m×0.32 mm×0.25μm) 컬럼이 장착된 GC-FID (Shimadzu, GC-2010 Plus, Korea)을 사용하였다. GC-FID 주입부 및 검출부 온도 조건은 각각 250℃와 220℃이었으며, 오븐 온도는 80℃에서 6분간 유지 후 12℃/min로 200℃까지 상승시켜 2분간 유지한 조건이었다. 운반기체는 고순도 질소를 사용하여 30 mL/min의 유속을 유지하였다. 젖산 분석은 Aminex® HPX-87H 컬럼이 장착된 UV 검출기를 사용하였으며, 포도당 분석은 같은 컬럼에 RID 검출기가 장착된 고성능액체크로마토그래피(HPLC; YoungIn Chromass, ChroZen HPLC, Korea)를 이용하였다. 운반용매는 5mmol/L 황산(H2SO4)으로 0.6 mL/min의 유속으로 흘려주었다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 양돈폐수와 음폐수 혼합 비율에 따른 바이오 가스와 pH 변화
Fig. 1은 서로 다른 혼합 비율의 기질로부터 암모니아 농도에 따른 pH, 수소가스 및 메탄가스의 시간에 따른 변화를 두 차례 회분 운전한 결과로 나타낸 것이다. SF82의 첫 회분식 운전한 Phase Ⅰ을 살펴보면, Fig. 1(b)의 SF82-1은 72시간 동안 57.2±4.9mL의 최고 수소 발생량을 기록하였으며, 이후 상부의 수소가스농도가 지속적 감소하여 15일 이후에는 검출되지 않았다. Phase Ⅱ는 SF82-1와 암모니아 농도를 다르게 한 실험군(SF82-2, 3)을 추가하여 NH3-N 농도에 따른 수소생산량을 확인한 결과로 SF82-1의 수소 발생량이 Phase Ⅰ에서 보다 감소하였다. 이는 수소생산반응이 끝난 이후 15일 이상 장기간 추가 기질의 주입없이 방치된 상황이 지속되어 수소생산균의 비활성으로 인해 나타난 결과라 추정한다[38]. Phase Ⅱ에서 NH4Cl을 추가 주입하여 NH3-N 농도를 증가시킴에 따라 수소가스 발생량이 증가하는 경향을 확인하였다(Fig. 1(b)). 대조군인 SF82-1 (45.0±0.4 mL) 대비 SF82-2 (50.1±0.9 mL)는 11.33% 최대수소생산량이 증가하였으며, SF82-3 (59.2±0.1 mL)에서는 31.56% 증가하여 가장 높은 수소 발생량을 보였다.
SF82의 모든 반응에서 수소생산량이 초기에 급격히 증가한 이후 지속적으로 감소하였다. 이러한 현상은 초기 pH가 감소한 시점에서 수소가 대량 생산되었다가 다시 수소이온의 소비로 pH가 6.0 이상으로 상승하여 수소영양성 메탄생성균의 대사 반응이 시작되어 지속적으로 수소가 메탄으로 전환되어 나타난 결과로 파악된다[34]. Fig. 1(c)에서 메탄가스의 발생량이 10일 이후부터 지속적으로 증가하였는데, 초기에는 열처리로 인해 메탄 생성이 억제되었다가 수소영양성 메탄생성균 생장이 활성 될 수 있는 충분한 가스 기질(H2, CO2) 농도와 pH 조건이 되어 H2와 CO2를 합성하여 CH4를 생산하는 반응에 의한 것임을 알 수 있다[36,37].
SF64의 경우, Phase Ⅰ에서 SF64-1, 3, 4는 60시간에 수소발생이 시작되어 각각 58.9±8.2 mL, 59.2±5.9 mL, 74.5±1.0 mL의 최대수소생산량을 기록하였으며(Fig. 1(e)), 대조군인 SF64-1 대비 SF64-3는 약 0.51%, SF64-4는 26.48% 증가하였다. Phase Ⅱ에서는 SF64-2 조건을 추가하여 운전한 결과로, NH3-N 농도가 높을수록 수소생산량이 증가함을 확인할 수 있었다. 각 조건에서 최대 누적 수소생산량은 SF64-1, SF64-2, SF64-3, SF64-4에서 각각 56.4±0.7, 60.0±4.7, 62.7±2.7, 71.1±4.3 mL로 나타났으며, SF64-1 대비 각각 6.4%, 11.2%, 26.1% 증가율을 보여주었다. Phase Ⅱ 2~14일 동안의 수소농도가 감소하다가 다시 증가하는 결과가 관찰되었는데, 이는 pH 변화에 따른 수소생산균의 활성 조건이 달라짐에 따른 결과로 추정된다[49].
Fig. 1(f)에서 메탄가스 발생량을 확인한 결과, Phase Ⅰ에서는 3 mL 이하의 메탄가스가 분석되었고 Phase Ⅱ에서는 거의 측정되지 않았다. 이는 양돈폐수와 음폐수를 6대 4로 혼합하여 pH가 낮은 기질인 음폐수가 다량으로 혼합되어 pH 6.0 이하의 pH가 지속적으로 유지되어 메탄생성균의 활성이 낮아져 수소가 메탄으로 전환되지 않아 발생한 결과라 추정한다. 이러한 결과를 바탕으로 메탄 생산을 억제하고 더 많은 양의 수소를 생산하기 위해서는 6.0 이하의 pH로 양돈폐수와 음폐수 혼합 비율을 조절하는 것이 중요하다고 판단된다.
Fig. 2는 Phase Ⅱ에서 SF82와 SF64의 암모니아 농도에 따른 최대 수소생산량, 수소생산속도, 생산수율을 비교한 결과이다. SF82 반응기의 최대수소생산속도는 각각 32.6, 35.1, 41.7 mL/d로 SF82-1 대비 SF82-2, SF82-3는 각각 7.6%, 27.8% 증가하였다. SF64 반응기의 최대수소생산속도는 각각 33.2, 29.2, 43.5, 56.0 mL/d로 SF64-1 대비 SF64-2는 8.7% 감소하였으나, SF64-3, SF64-4 각각 36.1%, 75.3% 증가하였다. 또한 SF82 반응기에서 수소생산수율이 60.7~77.2 mL H2/g VS로 암모니아 농도가 증가함에 따라 각각 10.2%, 27.2% 증가하였다. SF64 반응기에서도 암모니아 농도가 증가할수록 수소생산수율이 23.8-108.0% 범위로 향상되었다.
비록 서로 다른 성상의 유기물 농도 주입조건이지만, 암모니아 농도가 동일한 2.7 g/L 조건(Table 2)인 SF82-1과 SF64-2를 수소생산 측면에서 비교하면, SF64-2의 최대수소 생산량은 60.0 mL로 SF82-1의 45.0 mL 보다 높았으나 수소 생산속도와 생산수율은 SF82-1이 각각 32.6 mL/d, 66.9 mL H2/g VS로 SF64-2(29.2 mL/d, 60.7 mL H2/g VS)보다 높게 나타났다. 이는 SF64 조건에서 SF82 조건 대비 고농도의 유기물을 포함한 음폐수의 비율이 높아 수소가 많이 발생함과 동시에 더 높은 VS 제거율 때문에 수소생산수율이 낮게 나온 결과이다(Table 3). 암모니아 농도가 3.5 g/L(SF82-2)와 3.7 g/L(SF64-3)로 유사한 조건에서 SF82-2의 수소 생산량과 생산속도는 각각 59.2 mL, 41.7 mL/d로 SF64-3(62.7 mL, 43.4 mL/d)보다 다소 낮았으나, 수소 생산수율은 SF82-2 77.2 mL H2/g VS, SF64-3 80.7 mL H2/g VS로 SF82-2가 더 높게 나타났으며, 이 또한 SF64 조건에서 높은 VS 제거율 때문이다.
TCOD/NH3–N 비율이 유사한 조건(C/N 16.9의 SF82-1과 C/N 16.4의 SF64-3)을 비교하면, SF64-3의 수소 생산량과 생산속도가 62.7 mL, 43.4 mL/d로 SF82-1의 45.0 mL, 32.6 mL/d보다 높았으나, 수소 생산수율은 SF82-1 60.7 mL H2/g VS가 SF64-3 80.7 mL H2/g VS보다 낮게 나타났다. 이러한 수소 생산 수율 결과 또한 VS 제거율이 높기 때문으로 분석된다. C/N 비율이 13으로 동일한 SF82-2와 SF64-4의 경우에는 SF64-4의 수소 생산량, 생산속도, 수율이 각각 71.1 mL, 56.0 mL/d, 80.7 mL H2/g VS로 SF82-2의 59.2 mL, 41.7 mL/d, 77.2 mL H2/g VS보다 높게 나타났다. 이는 SF64-4의 VS 제거율이 높음에도 불구하고 더 높은 양의 암모니아와 음폐수의 고농도의 유기물이 함유된 SF64-4에서 월등한 수소가 생산되었기 때문이다.
3.2. 유기물과 영양염류 농도의 변화
Table 3은 본 실험에 사용한 기질별 암모니아 농도에 따른 유･무기물의 변화 분석 결과이다. 반응기 초기 TCOD, SCOD 평균 농도는 SF82의 경우 각각 42,083 mg/L와 36,850 mg/L, SF64에서는 59,325 mg/L와 46,200 mg/L로 나타났다. FW의 비율이 높을수록 COD값이 증가하는 경향이 있으며, 이는 본 실험에 사용된 음폐수의 COD 함량이 양돈폐수보다 높은 시료를 사용하였기 때문으로 보인다. 반응 종료 시점인 34일에서 SF82의 TCOD의 제거율은 4.5~19.2%, SCOD 제거율은 5.7~6.8%로 큰 차이를 보이지 않았다. SF64의 TCOD, SCOD의 제거율은 4.7~33.7%, 1.4~5.0%로, 이 역시 큰 차이를 보이지 않았다. SF82와 SF64의 T-N, NH3-N의 반응 전과 후의 변화량은 모든 반응조에서 소폭 증가하는 경향을 보였으며 이는 반응기간에 비례하여 암모니아가 농도가 높아져 증가한 것으로 판단하였다[39]. T-P는 초기와 34일후의 모든 반응기에서 거의 변동이 없었다. SF82의 TS, VS 제거율은 26.5~50.7%와 43.1~65.2%, SF64는 44.8~61.6%, 47.6~68.4%로 암모니아 농도가 높을수록 향상됨을 확인하였다.
3.3. 유기산 및 알코올 변화
Fig. 3은 2단계의 양돈폐수와 음폐수 혼합비율 및 암모니아 농도에 따른 휘발성 유기산 (VFA) 및 에탄올 조성의 변화를 보여준다. SF82와 SF64의 초기 총 VFA 농도는 각각 18,175 mg/L와 21,155 mg/L로 나타났으며, 이는 음폐수의 유기물 함량이 양돈폐수보다 높아 SF64에서 총 VFA 농도가 더 높게 관찰되었다[40]. SF82 조건에서는 초기 발효 단계에서 초산(Acetic acid), 젖산(Lactic acid), 에탄올(Ethanol), 프로피온산(Propionic acid), 낙산(Butyric acid)이 주요 산물로 나타났다. 발효 종료 시점에는 초산은 가장 높은 비율(39%)을 유지하였으며, 낙산, 프로피온산, 카프로산(Caproic acid), 발레르산(Valeric acid) 순으로 비율이 변화하였다. SF64 조건에서는 초기 젖산이 가장 높은 총 VFA의 33%를 차지하였으나, 반응 종료 시점에는 젖산은 대부분 감소하고 초산 비율(36%)이 가장 높게 유지되면서 카프로산, 발레르산, 프로피온산, 낙산 순의 VFA 구성 변화를 보여주었다.
급격한 수소가 발생하는 반응 초기(0~4일)에 젖산, 초산, 프로피온산 농도가 가장 크게 증가하는 변화가 발생하였다. 초기 2일 동안에는 젖산의 농도가 급격히 증가하였는데, 포도당이 젖산으로 분해되는 반응에서는 일반적으로 식 (4)에 의해 수소가 생산되지 않지만 일부 산발효 과정에서 젖산발효균이 수소를 생산하는 보고가 있다[41]. 2~4일 동안에는 젖산의 농도가 급격히 감소하면서 초산과 프로피온산의 농도가 증가하였는데, 이는 식(6)에 의한 반응으로 젖산이 초산과 프로피온산으로 전환되는 반응에 의한 것으로 볼 수 있다. 혐기성 산발효 시 포도당이 수소생산균에 의해 초산으로 분해될 때 수소가 4몰 생산(식 (1))되지만, 프로피온산으로 분해될 때는 수소가 생성되지 않는다[41]. 이에 따라 초기 수소는 초산과 젖산의 반응에 의해 주로 발생한 것으로 파악된다. 4일 이후부터는 먼저 낙산의 농도가 증가하였는데, 이는 초산과 젖산으로부터 낙산이 생산되는 반응(식 (7))으로 이러한 반응 중 수소가 발생한다[48]. 4~5일부터 생산된 수소량이 유지되거나 감소하게 되는데, 유기산 변화되는 관점에서는 당 발효 시 프로피온산 분해되는 반응이 지배적이라 일어나는 현상으로 판단된다. 5~6일 이후부터는 에탄올과 초산의 농도가 감소하기 시작하면서 카프로산의 생산이 시작되었다(식 (5)) [43]. 각 반응 조건별로 시간에 따른 에탄올 농도 변화를 살펴보면, SF 82의 초기농도는 1.8~2.8 g/L, SF64은 3.8~6.0 g/L로 SF64에서 에탄올의 함량이 높은 것을 확인하였다. 이는 음폐수가 탄수화물의 함량이 높아 에탄올과 같은 알코올류로 전환될 수 있는 유기산이 다량으로 생산되기 때문이라고 판단하였다[42]. 모든 반응기에서 에탄올은 12일까지 지속적으로 감소하였으며, 그 이후 SF82에서는 에탄올이 검출되지 않았고 SF64에서는 0.1 g/L의 농도를 유지하였다. 발레르산은 2~6일동안 증가한 후 비슷한 농도를 유지하였으며, 이소부티르산과 이소발레르산은 반응 기간동안 거의 비슷하게 농도로 분석되었다.
본 연구에서 반응 초반 젖산의 생산 및 소비되는 반응이 수소생산에 영향을 미치는 것으로 해석되는데, 앞서 젖산이 초산으로 전환되는 과정에서 전환속도는 pH의 영향을 받게 된다[44,45], 실제 SF64-1, SF64-2 반응기에서 pH가 5.1, 5.3으로 낮아져 젖산의 소비가 느려졌다. 또한, 암모니아성 질소 농도가 젖산 생산에 영향을 미칠 수 있다고 판단되는데, Fig. 3의 SF82와 SF64의 초기 2일간의 젖산의 농도 변화를 보면 암모니아성 질소의 농도가 낮을수록 젖산의 초기 발생량이 증가하였다. 고농도 젖산은 지체기를 지연시켜 수소 생산을 방해하는 것으로 알려져 있다 [46]. 본 실험 결과에서 반응 초기 상대적으로 저농도의 젖산(<0.75 g/L)을 생산한 SF82 반응기들 사이에서 수소생산 지체기 차이가 크지 않았고 SF64와 비교해서 2일이라는 짧은 지연시기를 보였다. 하지만, 0.9 g/L 이상의 젖산을 생산한 SF64의 경우 2일을 초과한 지체기를 보였으며, 젖산 생산이 높은 반응기일수록 수소생산이 최대 5일까지 지연되는 결과를 보였다(Fig. 1(e)). Wang 등[47]은 저농도의 젖산에서는 메탄 생산이 촉진되지만, 고농도에서는 수소영양 메탄생성균(hydrogenotrophic methanogens)의 활성이 억제되어 메탄 생성이 저해된다고 보고하였다. 따라서 본 실험에서 관찰된 젖산의 축적과 소비는 수소 생산량과 생산 속도, 나아가 메탄 생산에도 중요한 영향을 미친 것으로 판단된다(Fig. 1).
3.4. 포도당 발효의 암모니아 질소 농도에 따른 수소생산
앞서 양돈폐수와 음폐수 혼합 기질로부터 암모니아 농도에 따라 변화되는 수소생산의 주요 기작을 확인하기 위하여 동일한 산발효조 슬러지 접종원과 유사한 암모니아 농도 조건에서 기질을 포도당으로 바꾼 당 발효 반응을 진행하여 수소 생산 변화 관찰하였다. Fig. 4는 당발효시 암모니아성 질소 농도에 따른 수소 생산량의 변화 결과이다. 암모니아성 질소의 농도가 2.7 g/L일 때 수소생산량이 372.0±34.9 mL로 가장 높았으며, 2.7 g/L보다 낮은 농도의 범위에서는 농도가 증가함에 따라 수소 가스 발생량이 증가하지만 3.5 g/L 이상에서는 수소 가스 발생량이 감소하였으며 8.9 g/L에서는 수소가 거의 발생하지 않았다. 이는 NH3-N의 농도가 너무 높으면 균주 막의 이온 균형을 파괴하는 등의 미생물의 활성에 부정적인 영향을 미쳐 수소 생산이 감소한 것으로 판단하였다[29]. 또한, TCOD/NH3-N 비율의 25보다 낮은 농도의 범위에서는 농도가 증가함에 따라 수소가스 발생량이 증가하지만 초과할 경우 감소하게 된다. 양돈폐수와 음폐수 혼합 기질 조건에서는 암모니아성 질소가 높을수록 수소생산량이 높았지만 포도당 발효시 다른 수소 생산의 경향성을 보였다. 이러한 차이는 기질 특성에 따른 미생물 군집 조성과 발효 대사 메커니즘의 차이에 기인한 것으로 판단된다. 혼합 기질 조건에서는 다양한 유기물 분해 미생물이 공존하여 다단계 발효가 일어나며, 이 과정에서 암모니아가 완충 작용과 질소 공급원으로 기능하여 미생물 활성 유지에 기여한다[50]. 반면, 포도당 기질은 당 분해 경로에 의존하므로 암모니아 농도 상승 시 대사 저해가 직접적으로 나타나 수소생산이 감소한 것으로 해석된다. 이 밖에 가수분해 과정에서의 암모니아성 질소 농도에 따른 수소생산에 대한 추가적인 실험과 논의도 필요할 것으로 보인다.
4. 결론
본 연구에서는 양돈폐수와 음식물쓰레기 탈리액 혼합비율 및 NH3-N 농도에 따른 병합 산발효조의 수소 생산 효율을 평가하였다. 그 결과 기존에 알려진 혐기성 소화의 메탄생성 반응과 다르게 수소생산을 위한 병합 소화과정의 산 생성단계에서는 암모니아성 질소 농도가 증가할수록 수소 생산량, 생산속도, 수소수율이 향상되었으며 수소생산의 지체기가 감소하였다. 휘발성 유기산 분석 결과, 젖산의 생산과정과 젖산에서 낙산으로의 전환 과정에서 수소가 생성되었으나, 병합 기질 내 저농도의 암모니아성 질소 조건에서는 젖산 전환 속도가 늦어 낙산 생성과 pH 상승이 완만하게 나타나 수소 생산 속도가 늦어졌다. 또한, pH 6.0 이하로 유지된 음폐수가 많이 포함된 혼합 기질(SF64)의 낮은 pH와 젖산 축적으로 인해 수소영양 메탄생성균의 활성이 억제되어 메탄 전환이 제한되었다. 당 발효 실험 결과, 양돈폐수와 음폐수 병합소화시와 다르게 고농도 암모니아 주입 시 수소생산의 저해가 발생한 결과를 얻게 되었다. 이는 양돈폐수와 음폐수 병합소화시 산 생성단계에서 고농도의 암모니아 주입에 따른 수소생산의 증가는 포도당 발효 외 다른 기작에 의한 반응으로 추론해볼 수 있었다. 본 연구로부터 양돈폐수와 음식물쓰레기 탈리액의 병합소화를 통한 수소생산시 pH, 기질 혼합비, NH3-N 농도 조절이 바이오 수소 생산 반응에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여준다.
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