할로이사이트 및 자철석 분말 투입을 통한 혐기성 소화 개선 효과 조사

• Published in: Daehan hwan'gyeong gonghag hoeji Vol. 46; no. 11; pp. 725 - 739
• Main Authors: 허재필(Jae Pil Heo), 배일호(Ilho Bae), 신주희(Juhee Shin), 이명은(Myoung-Eun Lee), 이윤기(Younki Lee), 박진미(Jin Mi Triolo), 신승구(Seung Gu Shin)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한환경공학회 01.11.2024
• Subjects: 환경공학; magnetite; 할로이사이트; 미생물 군집; microbial community; halloysite; anaerobic digestion; 자철석; 분말 제제; 혐기성 소화; powdered additive
• ISSN: 1225-5025; 2383-7810
• DOI: 10.4491/KSEE.2024.46.11.725

목적:할로이사이트 및 자철석 분말이 혐기성 소화 효율을 향상시킬 수 있는 가능성을 탐구하고, 이들의 효과를 비교하였다. 방법:할로이사이트와 자철석 분말을 각각 1g/L, 10g/L, 50g/L 농도로 투입한 반응조와 아무 분말도 투입하지 않은 대조군 반응조를 설정하여 총 4회의 연속 회분식 혐기성 소화 실험을 수행하였다. 각 배치에서 누적 메탄 생성량을 측정하고, Gompertz 모델링을 적용하여 파라미터 값을 산출하였으며, 대조군과 비교하였다. 또한, 16S rRNA amplicon 염기서열 분석을 통해 각 반응조의 미생물 군집을 분석하고, 두 분말의 농도 및 Gompertz 동역학 변수와 미생물 그룹 간의 상관관계를 평가하였다. 결과 및 토의:두 분말 모두 메탄 생성 속도를 개선하는 효과가 나타났다. 할로이사이트를 50g/L 투입한 경우, 모든 배치에서 메탄 생성 속도의 증가가 확인되었으며, 대조군과 비교했을 때 지연 기간(λ)은 최대 31.4%, 최대 메탄 생성 속도(Rm)는 17.6%까지 증가했다. 1g/L와 10g/L 농도로 투입했을 경우에는 50g/L에 비해 효과가 작았지만, 최소 두 번의 배치에서 지연 기간 단축과 Rm 증가 경향이 나타났다. 자철석 분말의 경우, 1차와 2차 배치에서는 1g/L 투입이 가장 효과적이었으나, 3차와 4차 배치에서는 10g/L 및 50g/L 농도에서 지연 기간(λ)이 최대 39.3% 단축되고, 최대 메탄 생성 속도(Rm)는 13.2%까지 증가하는 결과를 보였다. 미생물 군집 분석에서는 자철석 투입량이 증가함에 따라 DIET 메커니즘에 관여하는 Geobacter와 Methanosarcina의 우점화가 확인되었다. 결론:할로이사이트와 자철석 분말이 혐기성 소화 공정의 메탄 생성 속도를 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 혐기성 소화 공정의 효율성을 높이기 위한 분말 제제의 활용 가능성을 제시하며, 향후 관련 연구를 위한 기초 데이터를 제공할 것이다. Objectives:This study aimed to explore the potential of halloysite and magnetite powders to enhance anaerobic digestion efficiency and to compare their effects. Methods:Anaerobic digestion experiments were conducted in a total of four consecutive batch processes using reactors with halloysite and magnetite powders added at concentrations of 1g/L, 10g/L, and 50g/L, as well as a control reactor without any powder addition. Cumulative methane production was measured in each batch, and the Gompertz model was applied to calculate kinetic parameters, which were then compared with the control. Additionally, microbial community analysis was performed using 16S rRNA amplicon sequencing, and correlations between the powder concentrations, Gompertz kinetic parameters, and microbial groups were evaluated. Results and Discussion:Both powders demonstrated an effect on improving methane production rates. When halloysite was added at a concentration of 50g/L, an increase in methane production rate was observed in all batches. Compared to the control, the lag phase (λ) was reduced by up to 31.4%, and the maximum methane production rate (Rm) increased by 17.6%. While the effects of halloysite at concentrations of 1g/L and 10g/L were less significant compared to 50g/L, trends of reduced lag phase and increased Rm were noted in at least two batches. For magnetite powder, the most effective concentration in the first and second batches was 1g/L, but in the third and fourth batches, lag phase (λ) was reduced by up to 39.3%, and the maximum methane production rate (Rm) increased by 13.2% at concentrations of 10g/L and 50g/L. Microbial community analysis revealed an increased dominance of Geobacter and Methanosarcina associated with the DIET mechanism as the amount of magnetite increased. Conclusion:This study confirms the potential of halloysite and magnetite powders to enhance methane production rates in anaerobic digestion processes. These findings suggest the feasibility of using powdered additives to improve the efficiency of anaerobic digestion, providing foundational data for future related research. KCI Citation Count: 0