[논문]종간직접전자전달 전도체로서 Magnetite(Fe3O4)가 음폐수의 메탄생산에 미치는 영향

이준형; 김태봉; 김창현; 윤영만

doi:10.17137/korrae.2023.31.1.15

[국내논문] 종간직접전자전달 전도체로서 Magnetite(Fe3O4)가 음폐수의 메탄생산에 미치는 영향
Effects of Magnetite(Fe3O4) as Electrical Conductor of Direct Interspecies Electron Transfer on Methane Yield of Food Wastewater 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.31 no.1, 2023년, pp.15 - 26

이준형 (한경대학교 바이오가스연구센터) , 김태봉 (한경대학교 식물생명환경전공) , 김창현 (한경대학교 동물생명융합학부) , 윤영만 (한경대학교 바이오가스연구센터)

초록
AI-Helper

혐기소화에 의한 메탄생산은 유기물이 가수분해, 산생성 단계를 거쳐 아세트산생성균과 메탄생성균 간의 영양공생 (syntrophy)에 의해 일어난다. 본 연구에서는 종간 영양공생 기작인 종간직접전자전달 (DIET, Direct Interspecies Electron Transfer) 과정을 촉진시키기 위하여 전도체인 마그네타이트 (Fe₃O₄) 첨가가 음폐수의 메탄생산에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 이를 위해, 본 연구에서는 회분식 혐기반응기를 이용하여 마그네타이트 투입량에 따른 음폐수의 메탄퍼텐셜 (B_u)과 최대메탄생산속도 [R_m(t₀)]를 분석하였다. 마그네타이트 무처리구의 메탄퍼텐셜은 0.496 Nm³/kg-VS_added이었으며, 21.06일에 38.24 mL/day의 최대메탄생산속도를 보였다. 마그네타이트 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 70, 100mM 처리구의 메탄퍼텐셜은 각각 0.502, 0.498, 0.512, 0.510, 0.518, 0.523, 0.524, 0.540, 0.549 Nm³/kg-VS_added이었으며, 마그네타이트 투입량 증가에 따라 유의성 있는 메탄퍼텐셜의 증가 경향을 보였다. 최대메탄생산속도는 무처리구와 비교하여 마그네타이트 처리구에서 증가하였으며 15mM 처리구에서 36.95%까지 증가하였다. 또한, 마그네타이트 투입농도가 증가함에 따라 최대메탄생산속도에 도달하는 기간(t₀)은 무처리 21.06일에서 마그네타이트 100mM 처리 14.67일로 크게 단축되었다. 따라서, 마그네타이트 투입에 따른 음폐수의 메탄퍼텐셜과 최대메탄생산속도가 크게 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Methane production by anaerobic digestion occurs through interspecies electron transfer (DIET), a synthetic metabolism between acetic and methanate bacteria through hydrolysis and acid production steps. In this study, to improve methane yield, the effect of addition of magnetite (Fe3O4), a conductor promoting DIET on methane production in food wastewater was investigated, and the effect on methane yield was assessed by methane potential (Bu) and maximum methane production rate [Rm(t0)] by the operation of batch type anaerobic reactor adding Fe3O4. The Bu and Rm(t0) of food wastewater without Fe3O4 were 0.496 Nm3/kg-VSadded and 38.24 mL/day, respectively. The t0 which reached to Rm appeared at 21.06 days during the operation of the anaerobic reactor. The Bu of food wastewater with Fe3O4 was 0.502, 0.498, 0.512, 0.510, 0.518, 0.523, 0.524, 0.540, and 0.549 Nm3/kg-VSadded in the treatment of 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 70, and 100mM-Fe3O4, respectively, and the Bu significantly increased to 36.95% with the addition of magnetite in the addition of 15mM-Fe3O4. And, the addition of Fe3O4 shortened the duration to reach Rm from 21.06 days to the maximum of 14.67 days by the addition of Fe3O4. Therefore, the methane yield and production rate of food wastewater significantly improved with the addition of Fe3O4.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Chemical Composition of Food Waste Leachate
표 Table 2. Chemical Composition of Inoculm
그림 Fig. 1. Cumulative methane production by concentration according to the addition of magnetite.
표 Table 3. Methane Yield by Concentration according to the Addition of Magnetite
그림 Fig. 2. Maximum methane production rate by 1^st and 2^nd derivative (control, 5mM - magnetite).
표 Table 4. Comparison of Maximum Methane Production Rate by Concentration according to the Addition of Magnetite
그림 Fig. 3. Maximum methane production rate by 1^st and 2^nd derivative (10, 15mM - magnetite).
그림 Fig. 4. Maximum methane production rate by 1^st and 2^nd derivative (20, 25mM - magnetite).
그림 Fig. 5. Maximum methane production rate by 1^st and 2^nd derivative (30, 40mM - magnetite).
그림 Fig. 5. Continued.
그림 Fig. 6. Maximum methane production rate by 1^st and 2^nd derivative (70, 100mM - magnetite).
그림 Fig. 7. Methane yield improvement and maximum methane production rate improvement by concentration according to the addition of magnetite.
그림 Fig. 8. Methane yield improvement and maximum methane production speed reduction rate by concentration according to the addition of magnetite.

참고문헌 (27)

ME[Ministry of Environment], "National waste？generation and treatment status[2020]". (2021).
ME[Ministry of Environment]. "Status of installation？and operation of food waste treatment facilities in？2020". (2021).
KEITI[Korea Environmental Industry and Technology？Institute]. "Trends in land treatment of food？wastewater". (2016).
Li, L., Xu, Y., Dai, X. and Dai, L., "Principles？and advancements in improving anaerobic digestion？of organic waste via direct interspecies electron？transfer", Renewable and Sustainable Energy？Reviews, 148, p. 111367. (2021).

상세보기
Akindele, A. A. and Sartaj, M., "The toxicity effects？of ammonia on anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste". Waste management,？71, pp. 757~766. (2018).
Muller, N., Worm, P., Schink, B., Stams, A. J.？and Plugge, C. M., "Syntrophic butyrate and propionate oxidation processes: from genomes to reaction？mechanisms", Environmental microbiology reports,？2(4), pp. 489~499. (2010).
Morita, M., Malvankar, N. S., Franks, A. E.,？Summers, Z. M., Giloteaux, L., Rotaru, A. E.,？Rotaru, C. and Lovley, D. R., "Potential for direct？interspecies electron transfer in methanogenic？wastewater digester aggregates", MBio, 2(4), p.e00159-11. (2011).

상세보기
Rotaru, A.-E., Shrestha, P. M., Liu, F., Markovaite,？B., Chen, S., Nevin, K. P. and Lovely, D. R., "Direct？interspecies electron transfer between Geobacter metallireducens and Methanosarcina barkeri", Applied？and environmental microbiology, 80(15), pp. 4599~4605. (2014).

상세보기
Baek, G., Kim, J., Kim, J. and Lee, C., "Role and？potential of direct interspecies electron transfer in？anaerobic digestion", Energies, 11(1), p. 107. (2018).

상세보기
Tan, J., Wang, J., Xue, J., Liu, S.-Y., Peng, S.-C.,？Ma, D., Chen, T.-H. and Yue, Z., "Methane producti？on and microbial community analysis in the goethite？facilitated anaerobic reactors using algal biomass",？Fuel, 145, pp. 196~201. (2015).

상세보기
Wang, T., Zhang, D., Dai, L., Dong, B. and Dai,？X., "Magnetite triggering enhanced direct interspecies electron transfer: a scavenger for the blockage？of electron transfer in anaerobic digestion of high-solids sewage sludge", Environmental science & technology, 52(12), pp. 7160~7169. (2018).

상세보기
Kato, S., Hashimoto, K. and Watanabe, K., "Methanogenesis facilitated by electric syntrophy via (semi)？conductive iron oxide minerals", Environmental microbiology, 14(7), pp. 1646~1654. (2012).

상세보기
Zhao, Z., Zhang, Y., Woodard, T., Nevin, K. and？Lovley, D., "Enhancing syntrophic metabolism in？up-flow anaerobic sludge blanket reactors with conductive carbon materials", Bioresource technology,？191, pp. 140~145. (2015).

상세보기
Zhuang, L., Tang, J., Wang, Y., Hu, M. and Zhou,？S., "Conductive iron oxide minerals accelerate syntrophic cooperation in methanogenic benzoate degradation", Journal of hazardous materials, 293, pp. 37~45.？(2015).

상세보기
Aguilar-Moreno, G. S., Navarro-Ceron, E., Velazquez-Hernandez, A., Hernandez-Eugenio, G., AguilarMendez, M. A. and Espinosa-Solares, T., "Enhancing methane yield of chicken litter in anaerobic digestion using magnetite nanoparticles", Renewable Energy, 147, pp. 204~213. (2020).

상세보기
Altamirano-Corona, M. F., Anaya-Reza, O. and Duran-Moreno, A., "Biostimulation of food waste anaerobic digestion supplemented with granular activated？carbon, biochar and magnetite: A comparative analysis", Biomass and Bioenergy, 149, p. 106105. (2021).

상세보기
Li, D., Song, L., Fang, H., Li, P., Teng, Y., Li,？Y.-Y., Liu, R. and Niu, Q., "Accelerated bio-methane？production rate in thermophilic digestion of cardboard？with appropriate biochar: dose-response kineticassays, hybrid synergistic mechanism, and microbial？networks analysis", Bioresource technology, 290, p.121782. (2019).

상세보기
Yan, W., Zhang, L., Wijaya, S. M. and Zhou, Y.,？"Unveiling the role of activated carbon on hydrolysis？process in anaerobic digestion", Bioresource technology, 296, p. 122366. (2020).

상세보기
Oh, S.-Y. and Yoon, Y.-M., "Energy recovery efficiency of poultry slaughterhouse sludge cake by hydrothermal carbonization", Energies, 10(11), p. 1876.？(2017).

상세보기
Sorensen, A. H., Winther-Nielsen, M. and Ahring,？B. K., "Kinetics of lactate, acetate and propionate？in unadapted and lactate-adapted thermophilic, anaerobic sewage sludge: the influence of sludge adaptation？for start-up of thermophilic UASB-reactors", Applied？microbiology and biotechnology, 34(6), pp. 823~827.？(1991).
Rice, E., Baird, R., Eaton, A. and Clesceri, L.,？APHA (American Public Health Association): Standard method for the examination of water and wastewater, Washington DC (US): AWWA (American Water Works Association) and WEF (Water Environment？Federation), (2012).
Duncan, D. B., "Multiple range and multiple F tests",？Biometrics, 11(1), (1955).

상세보기
Jing, Y., Wan, J., Angelidaki, I., Zhang, S. and？Luo, G., "iTRAQ quantitative proteomic analysis？reveals the pathways for methanation of propionate？facilitated by magnetite", Water research, 108, pp.？212~221.

상세보기
Akturk, A. S. and Demirer, G. N., "Improved food？waste stabilization and valorization by anaerobic？digestion through supplementation of conductive materials and trace elements", Sustainability, 12(12),？p. 5222. (2020).
Zhou, S., Xu, J., Yang, G. and Zhuang, L., "Methano？genesis affected by the co-occurrence of iron (III)？oxides and humic substances", FEMS Microbiology？Ecology, 88(1), pp. 107~120. (2014).
Straub, K. L., Benz, M. and Schink, B., "Iron metabolism in anoxic environments at near neutral pH", FEMS microbiology ecology, 34(3), pp. 181~186. (2001).

상세보기
Yin, Q., Miao, J., Li, B. and Wu, G., "Enhancing？electron transfer by ferroferric oxide during the anaer？obic treatment of synthetic wastewater with mixed？organic carbon", International Biodeterioration &？Biodegradation, 119, pp. 104~110. (2017).

상세보기

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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