Enhanced anaerobic digestion with a bioelectrochemical auxiliary reactor supplying electroactive microorganisms

Abstract

혐생물전기화학반응조에서 전기활성미생물을 배양하여 혐기성소화조에 공급함으로써 생물학적 직접이종간전자전달을 촉진시켜 혐기성 소화성능을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 수평 혐기성 소화조(horizontal anaerobic digester, HAD, 50L)를 실험구로 사용하였으며, 관형반응조 내부에 표면이 절연된 전극쌍을 설치한 상향류식 생물전기화학반응조(upflow anaerobic bioelectrochemical reactor, UABE, 5L)를 전기활성균을 배양하기 위한 반응조로 사용하였다. 하수슬러지 열가수분해액과 음식폐기물을 혼합물을 유입기질로 사용하였으며, HAD 후단의 소화 슬러리를 연속으로 배출시켜 UABE에 주입하였으며, 전기활성균을 배양한 뒤 수평 혐기성 소화조의 전단으로 재순환시켰다. UABE에서 전기활성균의 배양은 순환전류전압곡선의 전류피크와 pH, 알카리도, VFA, 유기물감량, 메탄생성 등으로부터 평가하였다. UABE에서 전기활성균의 활성은 체류시간이 30 일까지 길어질 때까지 증가하였으며, 전계강도 2 V/cm까지 커질 때 증가하였다. 그러나, UABE에서의 긴 체류시간은 슬러리 순환량의 감소를 의미하기 때문에 HAD에 공급하는 전기활성균의 양은 감소하였다. UABE의 최적 전기활성균 배양 조건은 (hydraulic retention time, HRT) 3 일과 전계강도 2 V/cm이었다. HAD는 UABE에서 배양된 전기활성균을 연속으로 공급받았으며, 다양한 슬러리 순환율과 UABE의 전계강도에서 HAD의 유기물 감량과 메탄 생산, 그리고 공정의 안정성 등을 평가하였다. 슬러리 순환율이 HAD 유입유량(Q)과 같고, 전계 강도가 2 V/cm 일때 HAD의 CV의 피크 값이 가장 컸으며, 메탄발생율은 1,209 mL/L.d로서 최대값을 보였다. 주성분 분석에서 부하벡터로부터 HAD의 유기물 감량 및 메탄생성이 UABE의 순환율 및 전계강도와 밀접한 관계가 있음이 밝혀졌으며, 이들의 인과관계는 경로분석으로부터 확인되었다. 본 논문에서는 전기활성균을 배양하여 공급할 수 있는 작은 용량의 생물전기화학반응조를 이용하여 대용량의 혐기성소화조의 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 입증하였다.