혐기성 처리에 의한 유기성 폐기물 에너지화 (I) : 음식폐기물의 수소화

한선기,Han, Sun-Kee 유기성자원학회 2011 유기물자원화 Vol.19 No.1

혐기성 회분식 반응조를 이용하여 다양한 유기성 폐기물의 에너지화 가능성을 평가하기 위하여 수소발생 특성을 평가하였다. 본 연구에서 채소류는 파, 과일류는 사과, 곡류는 쌀밥 그리고 육류로는 돼지고기를 사용하였다. 파, 사과, 쌀밥 및 돼지고기의 최종 수소 수율은 각각 0.46, 0.47, 0.62 및 $0.05mol\;H_2/mol\;hexose$로 나타났다. 수소 발생율은 파, 사과, 쌀밥 및 돼지고기에서 각각 0.013, 0.021, 0.014 및 $0.005mol\;H_2/mol\;hexose/h$로 평가되었다. 따라서 돼지고기를 제외한 음식폐기물의 혐기성 수소 발효는 재생에너지 생산뿐만 아니라, 유기물의 제거에 효과적인 것으로 나타났다. 휘발성 지방산은 수리학적 체류시간이 증가함에 따라 높게 발생되는 것으로 나타났다. 수소 발효시 산발효 효율은 쌀밥이 75.8%로 가장 높게 나타났으며, 돼지고기는 35.2%로 가장 낮게 나타났다. Characteristics of hydrogen production from various food wastes in anaerobic batch reactors were evaluated to assess the energy potential of organic wastes. Organic wastes which were used in this study were scallion as vegetable, apple as fruit, rice as grain and pork as meat. Ultimate hydrogen yield of scallion, apple, rice and pork were 0.46, 0.47, 0.62 and $0.05mol\;H_2/mol\;hexose$, respectively. On the other hand, hydrogen production rates of scallion, apple, rice and pork were 0.013, 0.021, 0.014 and $0.005mol\;H_2/mol\;hexose/h$, respectively. These results indicated that anaerobic hydrogen fermentation from food waste except for meat was effective in removing organic material as well as producing renewable energy. Volatile fatty acids increased as hydraulic retention time was increased. In the hydrogen fermentation, acidification degree of rice was measured as the highest rate of 75.8% whereas pork was found as the lowest rate of 35.2%.

미생물 연료전지의 원리 및 환경보건 분야로의 응용

한선기,Han, Sun-Kee 한국환경보건학회 2012 한국환경보건학회지 Vol.38 No.2

The research on microbial fuel cells (MFCs) needs various knowledge of different fields such as electrochemistry, microbiology, environmental engineering, and material engineering. Although electrochemically active bacteria are very diverse, the performance of MFCs is affected primarily by the structure of the reactor system. Thus, the development in the system architecture is critical to lower internal resistance and increase power generation for commercialization. This paper summarizes the principles of MFCs and demonstrates the infinite potential of MFCs in various applications including wastewater treatment, biosensors, biohydrogen production, remote power sources, implantable medical devices, etc.

유기성 폐기물을 이용한 바이오수소 생산

한선기,김동훈,신항식,Han, Sun-Kee,Kim, Dong-Hoon,Shin, Hang-Sik 대한환경공학회 2008 대한환경공학회지 Vol.30 No.9

음식물쓰레기의 구정정분에 따른 산발효조의 거동특성

한선기(Sun-Kee Han),신항식(Hang-Sik Shin),김상현(Sang-Hyoun Kim),김현우(Hyun-Woo Kim) 유기성자원학회 2002 유기물자원화 Vol.10 No.2

이전의 연구에서 루멘미생물은 뛰어난 활성을 보여주었고 희석율의 적절한 조절은 산발효 효율을 크게 증가시켜 주었 다. 그러나 배출되는 음식물쓰레 기는 일 반적으로 그 구성성분비가 상대적으로 큰 편차를 갖지 않는 일정한 범위의 값을 보 여주지만,계절에 따라 특정한 음식을 많이 섭취하는 날에는 육류가 대부분인 음식물쓰레기가 배출된다든지, 혹은 곡류나 야채류가 대 부분인 음식물쓰레 기가 배출되는 경우가 발생한다. 따라서 이런 경우에도 루멘미생물을 이 용한 희석율의 조절 이 적절한 산발효 효율을 유지할 수 있는지 평가해 보는 것은 중요하다. 본 연구에서는 음식물쓰레기의 각 성분(콕류, 야채 류,육류)을 전체 기질의 80%로 주입한 후 실험을 실시하였다. 곡류가 주인 경우에는 초기 2일 동안 그 분해가 주로 일어났 으며, 야채류가 주인 경우에는 일반적인 음식물쓰레기를 처리히는 경우와 가장 유사한 거동특성과 효율을 보였고, 육류가 주인 경우에는 초기 에는 분해가 지체되다가 희석율의 조절 이후 그 분해가 활발히 이루어졌다. 처리효율은 구성성분 중 곡 류,야채류,육류가 주인 반응조에서 88.7, 73.5, 62.1%의 값을 얻을 수 있었다. 그러므로 구성성분비의 조절 에도 불구하고 최소 62% 이상의 효율을 보여주었기 때문에 루멘미생물을 이용한 산발효가 음식물쓰레기의 구성성분바에 관계없이 매우 안정된 처 리효율을유지할수 있음을 알수 있었다. The previous studi es showed that rumen microorganisms had an enhanced waste-degrading capability and conrrolling the dilution rate was very effective in improving acidifìcation efficiency. Generally the composition of food waste has a small deviation value, but one of the waste components (grains, vegetables or meats) can be increased dramatically depending on a seasonal variation. Thus, it is imporrant to evaluate the effìci ency of acidogenic fermentation in this case. Each component was spiked to be 80% of the total waste in R1 (grains) , R2 (vegetables), and R3 (meats). In R1, rapid degradation occurred during the initial two days. R2 showed similat performance to that of general food waste. 1n R3, degradation retatded in the initial stage and then increased after controlling the dilution rate. The acidifìcation efficiencies of the reactors were 88.7 (Rl), 73.5 (R2), and 62.1 % (R3), respectively. Therefore, the fermentation dfficiency was kept over 62% regatdless of waste componenrs, indicating that it was stable to acidify food waste by employing rumen microorganisms and conrrolling the dilution rate.

미세플라스틱의 개념과 해양에서의 발생, 이동, 생물영향 및 관리대책

한선기(Sun-Kee Han) 한국환경보건학회 2020 한국환경보건학회지 Vol.46 No.5

Objectives: This study aims to investigate the concept of microplastics and their occurrence, transport, biological effects, and management methods in the ocean. Methods: I reviewed articles on microplastics in the ocean by using the Google Scholar database. Results: Plastic litter has been reported as a ubiquitous pollutant in the ocean due to the extensive consumption of plastics and the mismanagement of plastic wastes. Microplastics are generally defined as synthetic polymer particles <5 mm in size. Microplastics generated from the degradation of plastic litter are currently a serious global concern since they spread easily all over the ocean, transfer to different tissues inside contaminated animals, and even across different trophic levels inside the food web. An additional concern is the ability of microplastics to adsorb organic and inorganic pollutants and subsequently release them into the ocean. Thus, alternatives to reduce microplastics in the ocean are discussed. Conclusions: This paper summarizes the concept of microplastics and their behavior in the ocean and suggests management methods for microplastics in support of a cleaner ocean.

완료 매립지의 재이용에 관한 환경성 평가

한선기(Sun Kee Han),신항식(Hang Sik Shin),김상현(Sang Hyun Kim),김현우(Hyun Woo Kim),박주양(Joo Yang Park) 大韓環境工學會 2002 대한환경공학회지 Vol.24 No.11

음식물쓰레기를 이용한 수소발효 시 효율향상에 관한 연구

한선기(Sun-Kee Han),김현우(Hyun-Woo Kim),신항식(Hang-Sik Shin) 유기성자원학회 2003 유기물자원화 Vol.11 No.4

반응이 진행되는 동안 적절한 희석율(dilution rate; D)을 유지시키는 것은 성공적인 반응조 운전에 있어 펼수적이다. 높은 희석율은 미생물의 유실을 가져오며 또한 낮은 희석율은 유기산의 축적으로 인한 product inhibition을 발생시키기 때문에, 높은 효율의 수소를 생산하는데 제한요소가 된다. 그러므로, 본 연구에서는 희석율의 조절을 통한 음식물쓰레기의 산발효 시 효율향상에 대한 연구를 실시하였다. 운전초기(1-2 일)에는 단순 유기물의 급속산화가 일어나기 때문에 유기산의 축적과 pH 저하가 발생하기 쉽지만, 최적의 초기 희석율로 보고된 4.5 d-1에서는 초기 이틀동안 적절한 유기산의 농도와 pH가 유지될 수 있었다. 그리고 이때의 뷰틸산/초산(B/A)의 값도 3.2이상의 높은 값이 유지되었다. 하지만 희석율의 조절없이 4.5 d-1로 계속 유지된 경우에는 단순 유기물의 감소로 인해 2 일째 이후에는 유기산의 감소와 pH의 증가가 발생하였다. 또한 미생물의 유실이 많이 발생하였고, 수소발생도 크게 감소하였다. 그러나, 희석율을 4.5 d-1에서 2.3 d-1로 변화시킨 경우에는 반응조의 거동특성이 크게 향상되었다. 다른 희석율로 변화시킨 경우와 비교했을 때, 운전 4일째부터 7일째까지 2.0 이상의 가장 높은 뷰틸산/초산 (B/A) 값을 보여주었고 가장 큰 수소발생의 증가가 나타났다. 그결과, 수소발효의 효율도 70.8%까지 크게 증가하였다. 이것은 적절한 희석율의 변화가 미생물성장에 알맞은 환경을 조성하였기 때문으로, 이 때 제거된 COD는 각각 수소(19.3%) , 유기산(36.5%) , 에탄올(15.0%)로 전환되었다. 그러므로 분해단계에 따른 적절한 희석율의 조절전략은 수소발효의 효율을 향상시키는데 매우 효과적임을알수있었다. Successful operation of a reactor can be accomplished when ir is operared ar proper D depending on rhe srare of degradation. Operation ar high D leads to rhe washour of biomass in rhe reactor while operation ar low D leads to product inhibition due to rhe accumulation of excess VFA These appear to limit rhe production of hydrogen to reach a higher level. Operation by D control was performed to improve rhe efficiency of hydrogen fermentation of food waste. Alrhough simple organic marrers were rapidly degraded in rhe early srage (day 1-2), proper VFA concentration and pH values were kept in rhe reactor at D of 4.5 d-', which was previously reported to be optimurn inital D. High buryrare/acetare (B/A) ratios over 3.2 were obtained. Wìrhout D control, rhe reduction of simple organic matters after day 2 caused rhe decrease ofVFA production and rhe increase of pH. Hydrogen production also decreased, as microbial proliferation was less than microbial loss by washout. However, rhe reactor performance was drarnatically improved at D control from 4.5 ro 2.3 d-'. It showed rhe highest B/A ratios over 2.0 arnong rhe reactors on day 4-7. The second hydrogen peak appeared on day 4, resulting in rhe highest fermentation efficiency (70.8%) arnong rhe reactors. It was caused by rhe e며lanced degradation of slowly degradable marters. The COD removed was converted to hydrogen (1 9.3%), VFA (36.5%), and erhanol (1 5.0%). Therefore, the strategy using D control, depending on rhe stare of degradation, was effective in improving rhe efficiency ofhydrogen fermentation.

음식물쓰레기의 수소발효 타당성 평가

한선기(Sun-Kee Han),김상현(Sang-Hyoun Kim),신항식(Hang-Sik Shin) 유기성자원학회 2003 유기물자원화 Vol.11 No.3

그동안 유기성폐수에 대해서는 다양한 연구가 시도되었지만 유기성고형폐기물에 대해서는 보도된 바가 없다. 그러므로 본 연구는 열처리된 (hea t -shocked) 혐기성슬러지를 식종한 침출상(Jeaching-bed) 반응조에서 다양한 희석율(dilution rate; D) 에 대하여 음식물쓰레기로부터의 수소생산 효율을 살펴보았다. 반응조의 성공적인 운전은 적절한 희석율의 선택에 달려있는데 높은 희석율에서는 미생물의 유실이 발생하는 반면 낮은 희석율에서는 유기산의 축적으로 product inhibition이 발생한다. 따라서 이러한 요인들이 높은 효율의 수소생산을 제한하게 된다. 모든 반응조들은 희석율에 관계없이 다음과 같은 경향을 보여주었다. 운전 초기 3 일 동안, 수소생산이 활발하였으며 유기산의 농도가 에탄올보다 높게 유지되었다. 유기산 중에는 락트산이 초기 잠깐동안 높은 값을 유지했을지라도, 전체 운전기간 내내 뷰틸산과 초산이 유기산의 주요성분이었다. 다른 희석 율에 비해 희석율 4.5 d-I는 발효가 진행되는 동안 가장 높은 뷰틸산/초산 (B/A) 비율을 보여주었는데 , B/A 값 의 경향은수소생산의 경향과매우유사하여 뷰틸산의 형성이 수소생산에 매우호의적임을나타내준다. 에탄올은 수소생산이 멈춘 4일째부터 크게 증가하였는데 이것은 열처리된 슬러지가 대사흐름을 수소 및 유기산 생성경로(hydrogen- and acid-producing pathway) 에서 알콜 생성경로(alcohol-producing pathway)로 전환시킬 수 있음을 보여준다. 희석율 4.5 d-I 의 COD 제거효율은 58%로 다른 희석율(2.1, 3.6 및 5.5 d• 1)의 제거율(5 1. 5, 55.3 및 53.7%)보다 높았으며, 이때 제거된 COD는 수소(10.1%),유기산(30.9%),에탄올(17.0%)로 전환이 되었다. A!though extensive studies were conducted on hydrogen fermemation of organic wastewaters, little is known about biohydrogen produαion fÌom organic solid wastes. The leaching-bed reactor treating food waste by heat-shocked anaerobic sludge was, therefore, operated at D of 2.1,3.6, 4.5 and 5.5 d to fìnd optimal D for hydrogen production. SuccessfuI operation of a reactor can be accomplished when it is operated at proper dilution rate(D). Operation at high D leads to the washout of biomass in the reactor while operation at low D leads to product inhibition due to the accumulation of excess VFA. appear to linút thε production of hydrogen to reach a higher level. All the reactors showed that, on day 1-3, hydrogen production was dominant and VFA concentration was higher than ethanol. Butyrate and acetate were major components of VHAs over the whole operation, though lactate was very high on day 1-2. Compared with other D values, D of 4.5d-1 resulted in higher butyrate/acetae (B/A) ratios during the fermentation. The trend of B/A ratios was similar to the hydrogen production, suggesting that butyrate formation favored hydrogen production. Ethanol increased signifìcancly from day 4 when hydrogen production stopped. It indicated that heat-shocked sludge was able to induce a metabolic flow from hydrogen- and acid-producing pathway to solvem-producing pathway. Operation at D of 4.5 d-' led to higher fermemation efficiency (58%) than those (5 1.5, 55.3 and 53.7%) at 2.1, 3.6 and 5.5 d-'. The COD removed was converted to hydrogen (10.1 %), VFA (30.9%), and ethan이 (17.0%).

Living Building Challenge의 하수처리시스템에 대한 미생물 연료전지의 응용

이채영,한선기,Lee, Chae-Young,Liu, Hong,Han, Sun-Kee 한국환경보건학회 2013 한국환경보건학회지 Vol.39 No.5

Objectives: This study was conducted to investigate the application of microbial fuel cells (MFCs) to the wastewater treatment systems employed in the Living Building Challenge. Methods: I reviewed a range of information on decentralized wastewater treatment technologies such as composting toilets, constructed wetlands, recirculating biofilters, membrane bioreactors, and MFCs. Results: The Living Building Challenge is a set of standards to make buildings more eco-friendly using renewable resources and self-treating water systems. Although there are various decentralized wastewater treatment technologies available, MFCs have been considered an attractive future option for a decentralized system as used in the Living Building Challenge. MFCs can directly convert substrate energy to electricity with high conversion efficiency at ambient and even at low temperatures. MFCs do not require energy input for aeration if using open-air cathodes. Moreover, MFCs have the potential for widespread application in locations lacking water and electrical infrastructure Conclusions: This paper demonstrated the feasibility of MFCs as a novel decentralized wastewater treatment system employed in the Living Building Challenge.

암모니아성 첨가에 따른 상향류 혐기성 블랭킷 반응조내 입상슬러지의 저해 기작

이채영 ( Chae Young Lee ),한선기 ( Sun Kee Han ),신항식 ( Hang Sik Shin ) 한국물환경학회 2007 한국물환경학회지 Vol.23 No.6