This study was focused on lipid biodegradation in anaerobic condition. LCFAs, the intermediate products in lipid biodegradation are known to inhibit microorganisms by its toxicity and floatation. To reduce LCFA inhibition, two-phase anaerobic system consisted of anaerobic SBR(ASBR) and upflow anaerobic sludge blanket(UASB) reactor was applied to synthetic dairy wastewater. Effect of protein and microorganisms related to lipid degradation were also investigated.
During 153 days of continuous operation, two-phase system showed stable performance in lipid degradation. In ASBR performance, failure due to high organic loading (19.2 g COD/L/day) was observed. Except failure period, 13% of lipid removal efficiency and 10% of double bond removal efficiency were maintained. In UASB performance, COD, lipid and VFA removal efficiencies up to organic loading rate 6.5 g COD/L/day were more than 80%, 70%, 95%, respectively. Methane yield was 0.24~0.41 L/g COD. There was no operational problem like serious scum formation and sludge washout.
In the batch test, protein degradation was conducted completely in four days. In contrast, lipid degradation was lowered as amount of protein was increased. 9% of Lipid removal efficiency and 12% of double bond removal efficiency were dropped when protein concentration was increased 0 to 4.0 g-casein/L. The degradation of casein in acidogenesis has contributed to ammonia, butyrate, valerate and $CO_2$ production.
The mixed culture sampled in two-phase system contained a lot of bacteria in both of ASBR and UASB. Bacteria were separated according to degradation step, and it showed successful phase separation. Clostridium sp.-like bacteria were abundant in acidogenesis, no dominant species was found in methanogenesis. In archaea group, methanogens like methanosarcina and methanocaldococcus were found in methanogenesis. Methanogen found in acidogenesis was disappeared as organic loading rate was increased.
본 연구는 혐기성 상태에서의 지방의 분해에 대해 이루어졌다. 지방의 혐기성 소화시 중간산물로 발생하는 LCFA는 독성과 부유 현상으로 생물학적 분해에 저해를 일으킨다. 본 연구에서는 LCFA 저해를 줄이기 위해 ASBR과 UASB로 구성된 이상 혐기성 소화 시스템이 제안되었다. 이 때 단백질의 영향과 지방 분해에 관련하는 미생물들을 발견하기 위한 연구가 병행되었다.
153일의 연속운전 기간동안 안정적인 지방 분해가 이루어졌으며, ASBR에서 유기물 부하율이 19.2 g COD/L/day에 이르렀을 때 분해 기능을 상실하였다. 안정적인 분해가 이루어졌을 때 ASBR에서는 13%의 지방, 10%의 이중결합이 제거되었다. UASB에서는 COD, 지방, VFA 제거율이 각각 80%, 70%, 95% 이상을 유지하였다. 특히 메탄 yield 값은 0.24~0.41 L/g COD를 나타내었다. 스컴층 형성이나 슬러지 유실과 같은 공정상의 문제점은 크게 나타나지 않았다.
회분식 실험을 통해 산생성 단계에서 단백질의 양이 증가할수록 지방의 분해가 감소하는 현상을 확인하였다. 단백질로 사용된 카세인은 산생성 분해 결과 암모니아, butyrate, valerate, 이산화탄소로 분해되어져 감을 볼 수 있었다.
이상 시스템의 혼합 균주는 그 분해 단계에 따라 차이를 보였다. ASBR에서는 Clostridium 속으로 추정되는 박테리아가 다수 발견되었으며, UASB에서는 특정균이 우점하는 현상을 보이지 않고 다양한 박테리아가 발견되었다. 고세균 그룹을 분석한 결과, UASB에서는 메탄 생성균이 발견되었으며, ASBR에서는 시간이 지남에 따라 메탄 생성균이 사라짐을 확인할 수 있었다.
