바이오 수소생산을 위한 양돈폐수와 음식물탈리액 혼합물로부터 혐기성 산발효 슬러지의 전처리 영향

국문 초록 (Abstract)

목적: 본 연구는 양돈폐수와 음식물 탈리액 혼합액을 기질로 혐기성 소화조의 산발효조 슬러지와 메탄발효 슬러지에 열충격과 2-bromoethanesulfonate (2-BES) 주입에 따른 수소생산성과 메탄생성균의 억제 영향을 파악하고 바이오가스, 휘발성 지방산과 알코올 같은 발효산물, 미생물군집분석 변화를 분석하여 효율적인 혐기성 수소 생산 전처리 조건을 도출하고자 한다.
방법: 일정 비율로 주입한 양돈폐수와 음식물 탈리액을 기질로 사용하여 장기간 운영중인 혐기성 소화시설의 산발효조와 메탄발효조 슬러지를 채취 후 실험군인 열충격(90℃, 15분) 가한 반응기와 2-bromoethanesulfonate (1, 5, 10, 50, and 100 mmole/L)를 주입한 반응기, 대조군인 전처리 진행하지 않은 반응기를 30℃에서 회분식 운전하여 바이오가스, 유기물질(COD, VS, VFAs, 알코올 등), 미생물군집 분석을 진행하였다.
결과 및 토의: 메탄발효조 슬러지에 열충격 반응과 서로 다른 농도의 2-BES를 주입한 전처리 실험군 및 대조군에 양돈폐수를 기질로 반응을 진행한 결과, 모든 조건에서 수소가스는 생산되지 않았으나 열충격 반응기가 2-BES 주입 반응기 보다 메탄생산을 억제하였다. 2-BES의 농도가 증가할수록 메탄생산량은 감소하였다. 산발효조의 슬러지를 이용하여 같은 조건으로 실험한 결과 모두 Clostridium spp.의 우점에 의한 낙산 생산에 의해 수소가 생산되었지만, 시간에 따른 양상은 달랐다. 2-BES 주입한 실험군에서는 수소생산 이후 1 mmol/L의 낮은 2-BES 농도에도 메탄생성균의 억제에 의해 메탄가스가 발생하지 않았다. 하지만 대조군에는 수소 생산 이후 시간이 지나 Methanobrevibacter, Methanosphaera 속과 같은 수소영양성 메탄생성균의 대사에 의해 생산된 수소는 모두 메탄으로 전환 되었다. 열충격 실험군은 수소생산균의 지체기가 길어짐에 따라 다른 반응조건에 비해 수소생산이 늦어지고 12일 이후에 수소영양성 메탄생성균의 대사가 시작된 것을 확인할 수 있었다. 열충격과 2-BES 주입으로 초기보다 산발효 진행 후 박테리아 군집의 다양성이 줄어드는 것을 확인하였다.
결론: 양돈폐수와 음식물 탈리액 혼합액을 기질로부터 효율적인 혐기성 수소 생산을 위해서는 산발효조 슬러지에 2-BES 주입이 열충격 방법보다 수소생산효율과 지속적인 메탄생성균 억제 측면에서 적정한 방법이라 파악된다. 향후 현장적용을 위해 후속메탄생산공정을 고려한 보다 더 경제적이며 효율적인 전처리 방법과 운전 방법을 찾는 후속 연구가 필요할 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Objectives : This study aims to investigate the effects of heat shock and 2-bromoethanesulfonate (2-BES) injection on hydrogen production and methanogens inhibition in anaerobic acid fermenter sludge and methane fermenter sludge using mixed swine wastewater and food waste leachate as substrates. Additionally, the analysis of biogas, fermentation products such as volatile fatty acids (VFAs) and alcohols, and microbial community changes were conducted to derive efficient pretreatment conditions for anaerobic hydrogen generation.
Methods : Sludge samples were collected from two-phase anaerobic digesters treating swine wastewater and food waste leachate. Heat shock (90°C, 15 min) and 2-BES injection (1, 5, 10, 50, and 100 mmol/L) pretreatments were applied to the each sludge, along with control reactor without pretreatment before anaerobic digestion. Batch experiments were conducted at 30°C to assess biogas, organic compounds (COD, VS, VFAs, and alcohols), and microbial community composition.
Results and Discussion : In methanogenic sludge, hydrogen gas was not produced under all conditions, but heat shock method inhibited methane production more effectively than 2-BES injection method. As the concentration of 2-BES increased, methane production decreased. Conversely, hydrogen was produced from the all acid fermentation sludges, mainly attributed to the butyric acid production by dominant Clostridium spp., but the pattern of biogas production varied over time. In the experimental group injected with 2-BES, even at a low concentration of 1 mmol/L, methane gas did not produce due to the inhibition of methanogens. However, in the control group, produced hydrogen was entirely converted to methane by hydrogenotrophic methanogens such as Methanobrevibacter and Methanosphaera. The heat shock group showed delayed hydrogen production due to prolonged lag phase of hydrogen-producing bacteria, with hydrogenotrophic methanogen metabolism starting after 12 days. Heat shock and 2-BES injection reduced bacterial diversity in the acid fermentation process compared to the initial stage.
Conclusion : For efficient anaerobic hydrogen production from swine wastewater and food waste leachate, 2-BES injection into the acid fermentation sludge was found to be a preferable method over heat shock, considering hydrogen production efficiency and sustained methanogen inhibition. Further research is needed to find more economical and efficient pretreatment methods and operational strategies considering subsequent methane production processes for practical application in the field.