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.

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.

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 물리화학적 & 생물학적 특성 조사

조홍목(Hongmok Jo),김민상(Minsang Kim),신승구(Seung Gu Shin),조시경(Si-Kyung Cho) 유기성자원학회 2021 유기물자원화 Vol.29 No.4

본 연구에서는 실규모 UASB 소화조에서 높이에 따른 그래뉼 슬러지의 물리화학⸱생물학적 특성에 대해 조사하였다. 혐기성 그래뉼은 UASB 반응조에서 지상으로부터 1 m 높이별(1 m, 2 m, 3 m)로 채취하였다. 형태학적 분석결과, 그래뉼의 크기는 소화조의 상단부로 갈수록 커졌고 원형율(roundness)은 하단부에서 더 둥근 형태를 나타내었다. ANOVA 검정 결과, 그래뉼의 평균 크기와 원형율은 95% 신뢰수준에서 통계적으로 유의한 차이를 보였고 두 변수 사이에 유의한 음의 상관관계가 있는 것으로 나타났다(r=-0.40, p<0.05). 아세트산, 프로피온산, 부틸산을 기질로 사용한 SMA test 결과에서는 2 m 높이에서 채취한 그래뉼의 비메탄활성도가 가장 높았다. EPS의 경우 높이에 따라 함량이 다양하게 나타났으며 2 m에서 가장 높았다. 본 실험의 결과를 통해 높이별 그래뉼 슬러지의 특성을 이해하고 소화조의 유지관리 및 성능 개선에 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. In this study, the physico-chemical and biological characteristics of anaerobic granular sludge at different heights of a full-scale UASB reactor (UASBr) were investigated. Granular sludge was taken from 1 m, 2 m, and 3 m above the ground level in the UASBr. The morphological analysis showed that the upper part had bigger granules and the lower part had rounder granules. The ANOVA test confirmed that the mean size and the roundness of the granules had statistically significant difference along the height at 95% confidence level, and there was a significant negative linear relationship between the size and roundness (r=-0.40, p<0.05). A SMA test using acetic, propionic and butyric acids showed that granules from 2 m height had the highest specific methanogenic activity. The EPS contents were also unequal to each height, with 2 m showing the highest content. These findings could be helpful to understand the different characteristics of stratified anaerobic granules in full-scale UASBr and maintain the reactor performance.

한강 수계 미세플라스틱 분포와 항생제 내성 유전자의 상관관계 연구

조홍목(Hongmok Jo),조시경(Si-Kyung Cho),박영미(Yeongmi Park) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.11

음폐수 이용 혐기성 소화의 내부 pH 조절에 따른 바이오가스 전환율 비교 및 미생물 군집도 분석

윤여명(Yeo Myeong Yun),조시경(Si Kyung Cho),정다영(Da Young Jeong),이은진(Eun Jin Lee),허관용(Kwan Yong Huh),신동혁(Dong Hyuk Shin),이창규(Chang Kyu Lee),신항식(Hang Sik Shin) 大韓環境工學會 2013 대한환경공학회지 Vol.35 No.8

본 연구에서는 음폐수를 이용 낮은 유기물 부하율에서 소화조 내부 pH 조절 유무에 따른 소화조 운전의 바이오가스 발생량 및 미생물 군집도 변화에 대한 비교 분석했다. 그 결과, 내부 pH를 조절하지 않은 반응조는 pH, Free ammonia, Volatile fatty acid의 증가에 의한 반응조 안정성이 떨어짐에도 불구하고 내부 pH 조절 반응조와 비슷한 바이오가스 전환율을 보였다. 이는 미생물 군집도 분석 결과에 따르면 외부환경에 대한 내성이 강한 Methanosarcina sp.의 우점에 의해 반응조의 안정성을 유지할 수 있었던 것으로 나타났다. In this study, the performance and microbial community of anaerobic digestion fed by food waste leachate at low organic loading rate were investigated with and without internal pH control. Experimental results show that similar biogas yield was achieved in both reactors regardless of increase in pH, the concentrations of free ammonia and volatile fatty acids in case of without internal pH controlled one. The results of a methanogenic community analysis by Polymerase Chain Reaction and Denaturing Gradient Gel Electrophoresis revealed that the apparent preponderance of Methanosarcina sp. could be one of reasons for the maintenance of reactor stability.

습식전기집진기를 이용한 하수슬러지 기반 고형연료 생산 공정 유래 분진제거 성능평가

김민상(Min Sang Kim),조시경(Si Kyung Cho ),한의정(Ui Jueong Han) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.11

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.

O₃ 및 O₃/H₂O₂ 산화처리를 이용한 폐양액의 벤조산 유발 자가독성 완화: Lactuca sativa L.의 종자 발아 및 뿌리 생장

한의정(Uijeong Han),이용구(Yong-Gu Lee),김민상(Min-Sang Kim),조시경(Si-Kyung Cho) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11