수중 혐기성 동적 막 생물반응기를 사용하여 향상된 폐기물 활성 슬러지 소화: 성능, 슬러지 특성 및 미생물 군집

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 20111(2016) 이 기사 인용

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혐기성 소화(AD)는 폐기물 활성 슬러지(WAS) 처리에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 기존 AD(CAD) 공정은 특히 고형분 함량이 낮고 혐기성 생분해성이 낮은 WAS를 처리하는 경우 상당한 개선이 필요합니다. 본 연구에서는 전처리 없이 WAS 농축 및 소화를 동시에 수행할 수 있는 수중 혐기성 동적 막 생물반응기(AnDMBR)를 제안합니다. 장기 운영 동안 AnDMBR은 CAD 공정에 비해 향상된 슬러지 감소 및 향상된 메탄 생산량을 나타냈습니다. 또한 AnDMBR에서 생성된 바이오가스는 CAD 공정보다 메탄 함량이 더 높았습니다. 안정적인 탄소 동위원소 특성은 AnDMBR 공정에서 결합된 메탄 생성 경로의 발생을 설명했으며, 여기서 수소영양 메탄 생성 경로는 전체 메탄 생산에 더 큰 기여를 했습니다. 또한 AnDMBR에서 유기물 분해가 강화되어 미생물에 더 유리한 기질을 제공한다는 것도 발견되었습니다. 파이로시퀀싱을 통해 Proteobacteria와 Bacteroidetes가 세균 공동체에 풍부하고 Methanosarcina와 Methanosaeta가 고세균 공동체에 풍부하다는 사실이 밝혀졌으며 이는 AnDMBR 시스템에서 중요한 역할을 했습니다. 이 연구는 AnDMBR 기술을 사용하여 WAS의 향상된 소화에 대해 조명했습니다.

폐활성슬러지(WAS)는 폐수의 생물학적 처리 과정에서 발생하며, 적절하게 대처하지 않을 경우 2차 오염물질이 될 수 있습니다. WAS 처리 및 폐기는 폐수 처리장(WWTP) 운영 비용의 최대 50%를 차지하며 전 세계적으로 도시 폐수 관리에 어려움을 겪고 있습니다1,2. WAS 처리의 경우 혐기성 소화(AD)는 슬러지 양 감소, 바이오가스 생성 및 병원체 파괴와 같은 장점 때문에 매력적입니다2. 그러나 기존 AD(CAD) 프로세스에는 광범위한 적용을 방해하는 몇 가지 단점이 있습니다. 예를 들어, WAS의 양을 줄이기 위해서는 AD 공정 이전에 슬러지 농축이 필요합니다. 게다가, 수력학적 체류 시간(HRT)은 고체 체류 시간(SRT)과 동일하므로 소화조의 양이 늘어나고 CAD 공정이 유연하지 않게 작동됩니다. 반면, 특히 긴 SRT를 갖는 생물학적 처리 시스템에서 WAS는 세포 잔류물 및 부유 불활성 물질3,4의 축적으로 인해 1차 슬러지에 비해 상대적으로 낮은 혐기성 생분해성을 나타내며 이는 AD 성능에도 부정적인 영향을 미칩니다.

AD 성능을 향상시키기 위해 팽창된 과립 슬러지 블랭킷(EGSB)5 및 혐기성 막 생물반응기(AnMBR)1,6과 같은 일부 고속 AD 공정이 제안되었습니다. EGSB 기술의 경우 슬러지 과립화는 복잡하고 까다로우며 WAS는 폐수와 달리 혐기성 과립의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다5. AnMBR 프로세스는 설치 공간 감소, 동시 농축 및 소화, SRT1에서 HRT 분리 측면에서 CAD 프로세스보다 우세합니다. 멤브레인의 효율적인 고체/액체 분리는 미생물을 잘 유지하여 오염 물질 분해를 향상시킵니다7. 최근에는 미세여과/한외여과(MF/UF) 멤브레인을 갖춘 AnMBR 시스템이 WAS 소화에 적용되었습니다. Dagnew 등8은 파일럿 규모의 혐기성 소화조에서 폴리머를 투여한 농축 WAS(총 고형물 17.0g/L)를 처리하기 위해 외부 관형 막을 사용했으며 HRT 15d 및 SRT 30d에서 휘발성 고형물 감소율의 약 48%를 관찰했습니다. 유사한 휘발성 고형물 파괴율(45-51%)이 Xu et al.9에 의해 막 유속 1.3-3.5 L/(m2 h)에서 농축된 WAS의 분해를 위해 외부 AnMBR 시스템을 사용하여 보고되었습니다. 그러나 AnMBR 공정의 주요 단점은 MF/UF 멤브레인의 낮은 멤브레인 플럭스와 높은 멤브레인 오염률입니다6. 더욱이, 외부 막 구성은 높은 순환 속도를 통해 오염이 제어되기 때문에 큰 에너지 소비를 초래하며, 이는 강렬한 펌프 전단으로 인해 메탄생성 활동을 억제할 수도 있습니다6,10.

1.065, αc < 1.025 and αc around 1.045 represent for hydrogenotrophic methanogenesis, acetoclastic methanogenesis and the combination of the two pathways, respectively24,25. It can be inferred from Table 1 that both two AD processes contained the combined methanogenesis, but hydrogenotrophic pathway played a more important role in the AnDMBR, resulting in the higher CH4 and lower CO2 content in the system./p>1000 NTU). Therefore, intermittent biogas sparging mode was chosen to facilitate the formation and control of DM layer in the long-term operation. Moreover, intermittent biogas recirculation mode (120-min off and 20-min on) spared the biogas recirculation energy consumption by 85.7% in comparison with continuous sparging at the same biogas sparging rate./p>