음폐수 등 다양한 유기성 하폐수를 처리하는 데 에너지 효율적인 혐기성 소화공정이 대안으로 자리잡았으나 중온 소화를 위한 반응조의 가온 에너지 소모가 문제가 된다. 이를 해결하기 위한 저온 혐기성 소화에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 중온 음폐수 혐기성 소화 슬러지에 우점으로 존재하는 수소 영양 ...
음폐수 등 다양한 유기성 하폐수를 처리하는 데 에너지 효율적인 혐기성 소화공정이 대안으로 자리잡았으나 중온 소화를 위한 반응조의 가온 에너지 소모가 문제가 된다. 이를 해결하기 위한 저온 혐기성 소화에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 중온 음폐수 혐기성 소화 슬러지에 우점으로 존재하는 수소 영양 메탄 생성 균주는 중온 도시하수 혐기성 소화 슬러지에 우점으로 존재하는 아세테이트 분해 메탄생성균주보다 저온 혐기성 소화에 유리한 것으로 알려져 있다. 이와 같은 발견에 의하면, 온도에 따른 미생물 군집변화가 적어 음폐수 슬러지를 접종원으로 활용한 저온 혐기성 소화가 도시하수 슬러지를 접종원으로 활용할 때보다 유리할 가능성이 있으며, 저온 조건에서 그대로 혐기소화를 할 경우가 가온 에너지를 가한 중온 혐기성 소화보다 총 에너지 사용량 측면에서 우수할 수 있다. 이와 같은 가설을 검증하기 위해 본 연구에서는 실험실 규모의 회분식 반응조를 이용하여 접종원에 따른 저온 혐기성 소화 효율을 비교하고 16S rRNA 시퀀싱을 통해 각 조건의 미생물 군집을 분석하며 저온에서의 총 에너지 사용량을 이용한 경제성 분석을 수행하였다. 회분식 반응조를 통한 메탄 생성 효율 분석 결과, 음폐수 혐기성 소화 슬러지를 접종원으로 활용했을 시 도시하수 혐기성 소화 슬러지를 접종원으로 활용한 경우보다 저온에서 높은 활성을 보임을 확인하였다. 미생물 군집분석 결과, 도시하수 슬러지 접종 시료는 온도에 따라 미생물 군집양상이 크게 변하여 안정적인 메탄 생성이 힘든 것을 보였으나, 음폐수 슬러지 접종 시료는 온도에 상관없이 동일한 우점 메탄균으로 수소 영양 메탄생성균주인 Methanoculleus가 확인되는 등, 미생물 군집양상에 큰 변화가 없어 저온에서도 안정적인 메탄 생성이 가능함을 보였다. 저온에서의 경제성 분석 결과, 50,000 mg COD/L 이하의 유입수 조건에서는 음폐수 슬러지를 접종원으로 사용하여 저온 혐기성 소화를 하는 경우가 가온 에너지를 추가하여 중온 혐기성 소화를 하는 경우보다 경제적으로 좋게 나타났다. 음폐수 혐기성 소화 슬러지를 접종원으로 사용 시 미생물 군집의 적은 변화로 보다 경제적이고 에너지 효율적인 저온 고효율 혐기성 소화가 가능하며, 미생물 자원 및 접종원으로서의 활용이 기대된다는 점에 본 논문의 의의가 있다.
음폐수 등 다양한 유기성 하폐수를 처리하는 데 에너지 효율적인 혐기성 소화공정이 대안으로 자리잡았으나 중온 소화를 위한 반응조의 가온 에너지 소모가 문제가 된다. 이를 해결하기 위한 저온 혐기성 소화에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 중온 음폐수 혐기성 소화 슬러지에 우점으로 존재하는 수소 영양 메탄 생성 균주는 중온 도시하수 혐기성 소화 슬러지에 우점으로 존재하는 아세테이트 분해 메탄생성균주보다 저온 혐기성 소화에 유리한 것으로 알려져 있다. 이와 같은 발견에 의하면, 온도에 따른 미생물 군집변화가 적어 음폐수 슬러지를 접종원으로 활용한 저온 혐기성 소화가 도시하수 슬러지를 접종원으로 활용할 때보다 유리할 가능성이 있으며, 저온 조건에서 그대로 혐기소화를 할 경우가 가온 에너지를 가한 중온 혐기성 소화보다 총 에너지 사용량 측면에서 우수할 수 있다. 이와 같은 가설을 검증하기 위해 본 연구에서는 실험실 규모의 회분식 반응조를 이용하여 접종원에 따른 저온 혐기성 소화 효율을 비교하고 16S rRNA 시퀀싱을 통해 각 조건의 미생물 군집을 분석하며 저온에서의 총 에너지 사용량을 이용한 경제성 분석을 수행하였다. 회분식 반응조를 통한 메탄 생성 효율 분석 결과, 음폐수 혐기성 소화 슬러지를 접종원으로 활용했을 시 도시하수 혐기성 소화 슬러지를 접종원으로 활용한 경우보다 저온에서 높은 활성을 보임을 확인하였다. 미생물 군집분석 결과, 도시하수 슬러지 접종 시료는 온도에 따라 미생물 군집양상이 크게 변하여 안정적인 메탄 생성이 힘든 것을 보였으나, 음폐수 슬러지 접종 시료는 온도에 상관없이 동일한 우점 메탄균으로 수소 영양 메탄생성균주인 Methanoculleus가 확인되는 등, 미생물 군집양상에 큰 변화가 없어 저온에서도 안정적인 메탄 생성이 가능함을 보였다. 저온에서의 경제성 분석 결과, 50,000 mg COD/L 이하의 유입수 조건에서는 음폐수 슬러지를 접종원으로 사용하여 저온 혐기성 소화를 하는 경우가 가온 에너지를 추가하여 중온 혐기성 소화를 하는 경우보다 경제적으로 좋게 나타났다. 음폐수 혐기성 소화 슬러지를 접종원으로 사용 시 미생물 군집의 적은 변화로 보다 경제적이고 에너지 효율적인 저온 고효율 혐기성 소화가 가능하며, 미생물 자원 및 접종원으로서의 활용이 기대된다는 점에 본 논문의 의의가 있다.
Psychrophilic anaerobic digestion has been considered as an alternative to reduce additional heating for the current mesophilic anaerobic digestion. Interestingly, hydrogenotrophic methanogens dominant in mesophilic food wastewater anaerobic digestion (FWAD) sludge have been known to have advantages...
Psychrophilic anaerobic digestion has been considered as an alternative to reduce additional heating for the current mesophilic anaerobic digestion. Interestingly, hydrogenotrophic methanogens dominant in mesophilic food wastewater anaerobic digestion (FWAD) sludge have been known to have advantages in adapting and producing methane in low temperature than acetoclastic methanogens typically dominant in mesophilic municipal wastewater anaerobic digestion (MWAD) sludge. This led to a speculation that even in a psychrophilic condition, anaerobic digestion microbial communities inoculated with FWAD sludge may have more effective methane production activities than those inoculated with MWAD sludge. To examine the possibility, I conducted laboratory batch experiments for exploring methane production and microbial community characteristics in response to different inocula and temperature conditions, and then assessed net energy production in a low temperature scenario (15℃). From the batch experiments with a psychrophilic conditions (15℃), the anaerobic digestion reactors inoculated with FWAD sludge showed higher specific methane yields and COD removal ratios than those inoculated with MWAD sludge. According to the results of microbial community structures identified by 16S rRNA gene based NGS (next generation sequencing), the reactors inoculated with MWAD sludge were not stably operated in low temperature probably due to the temperature sensitivity of microbial community populations. However, all of the anaerobic digestion reactors inoculated with FWAD sludge showed little changes in microbial community structures in which hydrogenotrophic methanogens, (particularly Methanoculleus) was the predominant methanogenic population regardless of temperature. Assessment of the net energy production suggested that, under approximately 55,000 mg COD/L influent strength, anaerobic digestion inoculated with FWAD sludge at 15℃ is more economic than anaerobic digestion operated under mesophilic conditions (30℃) regardless different inocula. This work supported the feasibility of psychrophilic anaerobic digestion inoculated with FWAD sludge in terms of energy and cost effectiveness
Psychrophilic anaerobic digestion has been considered as an alternative to reduce additional heating for the current mesophilic anaerobic digestion. Interestingly, hydrogenotrophic methanogens dominant in mesophilic food wastewater anaerobic digestion (FWAD) sludge have been known to have advantages in adapting and producing methane in low temperature than acetoclastic methanogens typically dominant in mesophilic municipal wastewater anaerobic digestion (MWAD) sludge. This led to a speculation that even in a psychrophilic condition, anaerobic digestion microbial communities inoculated with FWAD sludge may have more effective methane production activities than those inoculated with MWAD sludge. To examine the possibility, I conducted laboratory batch experiments for exploring methane production and microbial community characteristics in response to different inocula and temperature conditions, and then assessed net energy production in a low temperature scenario (15℃). From the batch experiments with a psychrophilic conditions (15℃), the anaerobic digestion reactors inoculated with FWAD sludge showed higher specific methane yields and COD removal ratios than those inoculated with MWAD sludge. According to the results of microbial community structures identified by 16S rRNA gene based NGS (next generation sequencing), the reactors inoculated with MWAD sludge were not stably operated in low temperature probably due to the temperature sensitivity of microbial community populations. However, all of the anaerobic digestion reactors inoculated with FWAD sludge showed little changes in microbial community structures in which hydrogenotrophic methanogens, (particularly Methanoculleus) was the predominant methanogenic population regardless of temperature. Assessment of the net energy production suggested that, under approximately 55,000 mg COD/L influent strength, anaerobic digestion inoculated with FWAD sludge at 15℃ is more economic than anaerobic digestion operated under mesophilic conditions (30℃) regardless different inocula. This work supported the feasibility of psychrophilic anaerobic digestion inoculated with FWAD sludge in terms of energy and cost effectiveness
주제어
#저온 혐기성소화 음폐수 미생물 군집 분석 수소 영양 메탄생성균 psychrophilic anaerobic digestion food wastewater microbial community analysis hydrogenotrophic methanogens inoculum effect
학위논문 정보
저자
황서윤
학위수여기관
Graduate School, Yonsei University
학위구분
국내석사
학과
Department of Civil and Environmental Engineering
지도교수
박준홍
발행연도
2017
총페이지
vii, 77장
키워드
저온 혐기성소화 음폐수 미생물 군집 분석 수소 영양 메탄생성균 psychrophilic anaerobic digestion food wastewater microbial community analysis hydrogenotrophic methanogens inoculum effect
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.