실규모 UASB반응조 내부 계층화된 혐기성 그래뉼의 물리-화학적 & 생물학적 특성 조사

조홍목 ( Hong-mok Jo ),최윤규 ( Yun-kyu Choi ),조시경 ( Si-kyung Cho ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

혐기성 소화는 유기성 폐기물/폐수 처리 시스템에서 널리 사용되고 있다. 그 중에서도 가장 효율적인 혐기성 소화조 중 하나인 Upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASBr)에서 그래뉼의 크기와 모양이 특정 범위내에서 변동한다는 것이 밝혀졌고, 소화조 내부에 높이에 따라 그래뉼의 특성이 다를 것으로 생각하여, 본 연구에서는 물리-화학적 및 생물학적 특성에 미치는 그래뉼의 공간적인 분포와 그에 따른 효과를 밝히기 위해 양조장 폐수를 처리하는 UASB 소화조에서 서로 다른 높이에서(1m, 2m, 3m) 혐기성 그래뉼을 채취하여 분석하였다. 샘플들의 Size와 Roundness를 측정하여 분산분석, 상관분석을 통해 형태학적 성질을 분석하였으며, Extracellular polymeric substance과 Specific methanogenic activity를 측정하여 생물학적 성질에 대해 평가하였다. 그 결과, 상층부 그래뉼의 크기는 평균적으로 68% 더 크게 나타났고 하층부의 그래뉼은 좀 더 둥근 형태를 갖는 것으로 나타났다. 또한, EPS 함량은 중간부에서 가장 높았으며 위치에 따라 EPS 함량의 차이가 있었다. 마지막으로 SMA 분석 결과 상부의 그래뉼이 아세트산, 뷰티르산, 프로피온산에 대해 메탄생성미생물의 활성도가 177%까지 높게 나타난 반면에 하부의 그래뉼은 아세트산, 뷰티르산, 프로피온산에 대해 메탄생성균의 활성도가 가장 낮게 나타났다. 이러한 실험결과는 반응조의 공간적 분포에 따른 미생물 구조와 활성도를 이해 하는데 도움이 될 것이라 판단된다.

실규모 UASB반응조 내부 계층화된 혐기성 그래뉼의 물리-화학적 & 생물학적 특성 조사

조홍목(Hong-Mok Jo),최윤규(Yun-Kyu Choi),조시경(Si-Kyung Cho) 유기성자원학회 2019 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2019 No.춘계

혐기성 소화는 유기성 폐기물/폐수 처리 시스템에서 널리 사용되고 있다. 그 중에서도 가장 효율적인 혐기성 소화조 중 하나인 Upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASBr)에서 그래뉼의 크기와 모양이 특정 범위 내에서 변동한다는 것이 밝혀졌고, 소화조 내부에 높이에 따라 그래뉼의 특성이 다를 것으로 생각하여, 본 연구에서는 물리- 화학적 및 생물학적 특성에 미치는 그래뉼의 공간적인 분포와 그에 따른 효과를 밝히기위해 양조장 폐수를 처리하는 UASB 소화조에서 서로 다른 높이에서(1m, 2m, 3m) 혐기성 그래뉼을 채취하여 분석하였다. 샘플들의 Size와 Roundness를 측정하여 분산분석, 상관분석을 통해 형태학적 성질을 분석하였으며, Extracellular polymeric substance과Specific methanogenic activity를 측정하여 생물학적 성질에 대해 평가하였다. 그 결과, 상층부 그래뉼의 크기는 평균적으로 68% 더 크게 나타났고 하층부의 그래뉼은 좀 더둥근 형태를 갖는 것으로 나타났다. 또한, EPS 함량은 중간부에서 가장 높았으며 위치에 따라 EPS 함량의 차이가 있었다. 마지막으로 SMA 분석 결과 상부의 그래뉼이 아세트산, 뷰티르산, 프로피온산에 대해 메탄생성미생물의 활성도가 177%까지 높게 나타난반면에 하부의 그래뉼은 아세트산, 뷰티르산, 프로피온산에 대해 메탄생성균의 활성도가가장 낮게 나타났다. 이러한 실험결과는 반응조의 공간적 분포에 따른 미생물 구조와활성도를 이해하는데 도움이 될 것이라 판단된다.

Magnetite가 혐기성 소화에 미치는 영향

김민상 ( Min-sang Kim ),조홍목 ( Hong-mok Jo ),한의정 ( Ui-jeong Han ),박영미 ( Yeong-mi Park ),조시경 ( Si-kyung Cho ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

현재 많은 연구들에서 전도성 물질을 이용한 직접전자전달(DIET)가 혐기성 소화에 긍정적인 효과를 나타내는 결과들이 보고되고 있다. 그러나 선행 연구에 따르면 전도성 물질들을 반응조에 투여하였을 경우 내부에 체류하지 못하고 밖으로 wash-out 되는 현상이 빈번히 발생하게 된다. 그로인해 전도성 물질을 소화조에 지속적으로 투여할 경우 경제성이 저하되는 문제점이 발생한다(1). 혐기성 그래뉼은 높은 밀도를 가지고 있어 Expanded Granular Sludge Blanket (EGSB) 및 Upflow Anaerobic Sludge Blanket(UASB) 반응조에 적용하면 외부로 washout 되는 경우를 줄이고 운전 효율을 높일 수 있다. 선행 연구에서는 저강도 초음파(ultrasonication)는 그래뉼에 추가적인 공극을 생성해 비표면적을 늘릴 수 있다(2). 이를 접목하여 EGSB, UASB, 반응조에서의 혐기성 그래뉼에 magnetite 삽입 및 부착 실험을 진행하였으며, 각 실험에 저강도 초음파의 효과를 확인하였다. UASB 반응조에서 수소 그래뉼을 생성하며 magnetite의 삽입 가능성을 확인하였다. UASB, EGSB 반응조에서 각각 생성되어 있는 메탄 그래뉼에 magnetite 부착 가능성을 조사하고, 부착 후 연속 운전을 통해 메탄생산 효율성을 확인하였다. 마지막으로 magnetite가 부착된 메탄 그래뉼로 Specific Methanogenic activity(SMA) 테스트를 통해 메탄 미생물 활성도를 검토하였다. 수소 그래뉼과 메탄 그래뉼에 magnetite의 삽입 및 부착 가능성을 확인하였으며, 저강도 초음파를 적용하여 magnetite의 삽입율을 80% 증가시켰다. 각 반응조에서 연속 메탄생산 효율성을 확인하였을 때, Organic Loading Rate(OLR)이 2g 일 때 magnetite를 통한 메탄생산 효율성 증가를 확인하였다. 하지만 EGSB는 magnetite 부착만 진행한 반응조는 31일, 저강도 초음파와 magnetite를 동시에 적용한 반응조는 49일까지 효과가 유지되었으며, UASB 반응조에서는 위 조건에서 각각 16일, 34일 까지 효과가 유지되었다. 효과 완료 후 각 조건은 대조군보다 저해된 각일 메탄 발생량을 보였으며, 높은 OLR에서는 magnetite 주입이 저해 효과를 일으켰다. SMA test를 통해서 메탄 그래뉼에 magnetite를 부착하였을 경우 최종 메탄 발생량을 10~17% 증가시켰으며, 메탄 생산속도를 11~17% 증가시켰다.

EGSB 반응조에 저강도 초음파 적용이 LCFA 분해에 미치는 영향

최윤규 ( Yun-kyu Choi ),조홍목 ( Hong-mok Cho ),김민상 ( Min-sang Kim ),조시경 ( Si-kyung Cho ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

혐기성소화처리는 용존산소가 존재하지 않는 조건에서 미생물에 의해 분비되는 효소의 작용을 통해 고농도의 유기물을 함유한 폐수를 처리하는 과정이다. 지방은 탄수화물과 단백질과 마찬가지로 폐수에서 쉽게 찾을 수 있는 유기물이며, 혐기성소화처리로부터 발생되는 바이오가스의 이론적인 수율의 기대치가 가장 높다. 혐기성소화처리 과정에서 지방은 가수분해에 의해 long-chain fatty acid (LCFA)와 글리세롤로 분해되게 된다. LCFA는 β-산화 과정을 통해 초산, 수소 및 메탄으로 전환되지만, 낮은 생분해도와 독성작용에 의해 높은 메탄 생산량을 기대하기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 높은 에너지 수율을 기대할 수 있는 LCFA의 저해효과를 상쇄시키기 위해 expended granular sludge bed (EGSB) 반응조에 저강도 초음파를 조사하여 미생물의 활성도를 높이는 방식으로 진행하였으며, 효과적인 운전을 위해 유출수 재순환을 적용하였다. 반응조는 저강도 초음파 조사 유무와 재순환 적용 유무에 따라 4가지로 구성되었다. 기질은 가장 많이 배출되는 LCFA의 종류인 Oleic acid와 글루코스를 혼합하여 주입하였다. 메탄 생산량은 저강도 초음파를 조사한 반응조에서 다른 반응조보다 10~70% 정도 많이 발생하였다. 또한 COD 회수율은 저강도 초음파를 조사한 반응조에서 40~56%로 가장 높았으며, 저강도 초음파와 재순환이 함께 적용된 반응조에서는 24~46%로 가장 낮았다. 결과적으로 저강도 초음파의 적용은 LCFA의 분해성능을 높이고 저해효과를 상쇄시키는 방향으로 나타났지만, 재순환과 함께 적용할 경우 미생물에 강한 스트레스로 적용되어 오히려 LCFA 분해성능을 낮추는 효과를 발생하였다.

UASBr 내부 수소생산 그래뉼에 저강도 초음파 적용을 통한 마그네타이트 삽입 연구

김민상(Min-sang Kim),조홍목(Hong-mok Cho),최윤규(Yun-kyu Choi),조시경(Si-kyoung Cho) 유기성자원학회 2019 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2019 No.추계

현재 많은 연구들에서 전도성 물질을 이용한 direct interspecies electron transfer(DIET)가 혐기성 소화에 긍정적인 효과를 나타내는 결과들이 보고되고 있다. 그러나 선행 연구에 따르면 전도성 물질들을 반응조에 투여하였을 경우 내부에 체류하지 못하고 밖으로 wash-out 되는 현상이 빈번히 발생하게 된다. 하지만전도성 물질들 중 마그네타이트(Fe3O4)는 자성을 띄고 있어서 자기력을 통해 반응조에서 유출되는 것을회수하거나 분리하는 것이 용이하다(1). 하지만 마그네타이트 회수와 재사용을 위해서는 만들어진 유출라인에 추가적으로 자기력을 띄는 장치 부착이 요구되며, 시설 특성상 장치부착이 불가능한 시설도 존재한다. 이러한 문제점의 보완하기 위해 높은 밀도로 존재하는 그래뉼의 wash-out이 적은 upflow anaerobic sludge blanket 반응조(UASBr) 내부의 그래뉼에 마그네타이트를 직접 삽입하는 방안을 고려해 보았다. 또한 저강도초음파(ultrasonication)를 적용하여 그래뉼에 삽입되는 마그네타이트의 분포를 더욱 고르게 해주고 부착량을늘려주는 것이 가능한지 관찰하였다. 따라서 본 연구는 UASBr 내부에 마그네타이트 투입, 저강도 초음파적용 여부에 따라 4개의 반응조를 설정하였고, 이때 마그네타이트는 0.1g/L의 농도로 glucose 15g COD/L의기질과 함께 투여했으며 저강도 초음파는 150W로 1분에 1초씩 적용하였다. 유효부피 3.4L의 UASB 반응조에 음식물 쓰레기 혐기성 소화시설에서 채취한 식종슬러지를 넣고 수리학적 체류시간 (HRT) 8 시간으로 하여 수소생산 그래뉼이 형성되기까지 2주간 운전했다. 운전이 끝난 뒤 각각의 반응조에서 수소생산 그래뉼을채취해 scanning electron microscope (SEM)과 energy dispersive spectroscopy (EDS)를 실시하였다. 그 결과마그네타이트 입자가 수소생산 그래뉼의 표면에서 확인되었고 EDS에서도 철(Fe)이 검출 되었으며, 저강도초음파를 통해서 마그네타이트를 삽입한 경우 Fe가 80퍼센트 가량 더 많이 측정되었다.

저강도 초음파 처리된 수소생산 그래뉼의 형태학적 분석

최윤규 ( Yun-kyu Choi ),조홍목 ( Hong-mok Jo ),조시경 ( Si-kyung Cho ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

그래뉼은 중간 매개체의 도움 없이 미생물의 자가 고정화에 의해 형성된 미생물 응집체로 충격부하에 강하고, 높은 생물량 및 높은 침전성을 갖는 등 여러 장점을 바탕으로 폐수의 생물학적 처리 공정에 이용되고 있다. 그리고 낮은 강도의 초음파 조사를 이용하여 반응조 내 미생물의 활성도를 증가시켜 반응조 성능을 증대시키는 연구들이 보고되고 있다. 따라서, expanded granular sludge blanket (EGSB)를 이용한 선행연구를 통해, 저강도 초음파가 그래뉼 활성 및 수소발생에 미치는 긍정적인 영향을 확인하였다. 저강도 초음파(0.1 w/mL, 1 sec per 1 min) 처리로 수소 발생량이 65% 증가하였다. 본 연구에서는, 저강도 초음파 처리가 그래뉼의 형태학적 변화에 미치는 영향에 대해서 실험을 진행하였다. 저강도 초음파 처리와 재순환 적용 유무로, 4가지 반응조를 구성하고 연속 실험을 진행하여 각각의 반응조에서 그래뉼 샘플을 채취하였다. 각각의 그래뉼 샘플들은 기존의 분석 방법과 다르게 CMEIAS 프로그램을 이용하여 이미지 분석을 하여 그래뉼의 크기 및 형태를 파악하였고, VP-SEM을 이용하여 그래뉼 표면의 변화를 관찰하였다. 기존의 그래뉼 입도 분석은 많은 시간과 인력, 비용이 들어간다는 단점이 있어 무료 프로그램인 CMEIAS를 이용하여 새로운 방식으로 이미지 분석하였다. 이미지 분석 결과 저강도 초음파 처리와 재순환 적용이 각각 그래뉼 크기를 5% 증가됨을 확인하였고, 동시에 적용할 경우 그래뉼 크기가 20% 증가됨을 확인하였다. VP-SEM 결과 저강도 초음파 처리가 그래뉼 표면에 거친 형태를 매끄럽게 변화시키고 공극을 형성시키는 것을 확인하였다. 따라서, 저강도 초음파 처리와 재순환 적용은 그래뉼의 형태학적 변화에 긍정적인 영향을 미쳐 반응조 성능 향상에 영향을 미쳤을 것이라고 사료된다.

커피 찌꺼기 유래 바이오차를 이용한 혐기성 소화의 미생물군집 분석

김민상 ( Min-sang Kim ),조홍목 ( Hong-mok Jo ),전강민 ( Kang-min Chon ),조시경 ( Si-kyung Cho ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

최근 많은 연구들에서 전도성 물질을 통한 직접전자전달(Direct interspecies electron transfer)가 혐기성 소화에 긍정적인 효과를 보인다는 결과들이 보고되고 있다. 이런 DIET에 사용되는 conductive material 중에 바이오차는 여러 가지 바이오매스를 통해 생산이 가능하며, 사용된 원료와 열분해조건에 따라 각기 다른 성질을 나타낸다. 본 실험에서는 커피 찌꺼기로 직접 생산한 바이오차를 통해 혐기성 소화시 DIET에 대한 영향과 농도에 따른 차이를 확인하고자 한다. 실험에 사용된 바이오차의 생산은 커피 잔재물을 deionized water로 수회세척한 후 105℃ 오븐에서 12시간 동안 건조하였고. 건조된 커피 찌꺼기를 tubular furnace에서 산소가 제한된 조건(질소가스 = 0.25 L/min)으로 분당 5도씩 승온하여 500도에서 2시간 동안 열분해한 뒤 실온까지 방냉하였다. 이후 바이오차는 DI water로 수회 세척하여 105도 오븐에서 12시간 동안 건조한 뒤 100-mesh 체를 사용하여 균질화하였다. 제작한 바이오차를 추가하여 specific methanogenic activity(SMA) 실험을 진행 하였다. 식종균은 음식물 쓰레기 바이오가스화 시설의 소화슬러지를 사용하였고, 125mL serum bottle에 60ml의 식종균을 사용했다. Control을 제외한 나머지 serum bottle에는 바이오차를 각각 0.1, 0.3, 0.5 g/L의 농도로 주입하였다. 식종균과 기질의 COD를 기준으로 하는 I/S ratio를 2로 설정하여 주입하였다. 실험은 총 2주간 진행하였고, 각각의 serum bottle에서의 누적 메탄발생량과 지체기를 통해 혐기성 미생물간 DIET에 대해 확인하였다. 또한 실험에 사용되었던 식종균의 RNA를 추출한 후 RT-qPCR을 통해 omcT, omcS, 그리고 pilA와 같은 DIET에 연관되어 있는 functional gene과 mcrA gene과 같이 메탄가스 생산과 관련된 functional gene을 분석하여, 바이오차가 DIET와 관련된 유전자들의 발현에 영향을 미치는지 확인하고, 메탄 발생량과 관련된 functional gene과의 관계도 분석하였다.

CMEAIS를 이용한 생분해성 종이컵의 생분해도 평가

최윤규(Yun-Kyu Choi),조홍목(Hong-Mok Jo),김민상(Min-Sang Kim),조시경(Si-Kyung Cho) 유기성자원학회 2019 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2019 No.춘계

식문화의 변화로 인해 커피전문점 및 음료판매점의 증가와 함께 1회용 종이컵의소비량도 증가하는 추세이다. 종이컵 1개를 생산하기 위해 발생되는 이산화탄소의양을 고려한다면, 종이컵의 재활용율 향상과 종이컵 제조 및 처리 시 발생되는 이산화탄소 저감이 필요하다. 종이컵 최종처리 시 생물학적 방법을 통한 이산화탄소저감과 관련된 대표적인 문제는, 내부 코팅재로 흔히 사용되고 있는 Low Density Polyethylene(LDPE)의 매우 낮은 생분해도이다. 따라서, 본 연구에서는 시중에 판매되고 있는 생분해성 종이컵과 PE를 내부 코팅재로 사용한 종이컵의 생분해도를Biochemical Methane Potential(BMP) test와 Center for Microbial Ecology Image Analysis(CMEAIS) software을 사용하여 확인하였다. 종이컵 시료는 2cm x 2cm의크기로 각각 20개씩 준비하여 BMP test를 진행하였다. 1일 간격으로 총 20일 간종이컵 시료를 채취하여 CMEAIS software을 이용하여 면적의 변화를 확인하여 생분해도를 평가하였다. 그 결과, PE 종이컵의 경우 원지가 부풀어 초기 측정되는 면적값이 증가 후 감소하는 추세가 나타났으며, 원지가 분해된 후 PE코팅 필름은 생분해에 의한 면적의 변화가 없었다. 생분해성 종이컵은 종이원지와 코팅필름이 함께 분해되고 12일이 경과된 후에는 초기 면적에 50% 이상이 분해되었고, 20일 후에는 40% 이상이 분해되었다. 생분해성 종이컵의 면적 변화를 curve fitting을 통해확인한 결과 의 값이 0.8679로 나타났으며, 시간이 지남에 따라 면적 값이 줄어들었다. 이러한 실험결과로 생분해성 종이컵의 생분해성을 확인할 수 있었고, 새로운 생분해도 평가로 이용될 수 있는 가능성을 확인하였다.