The steep increase in energy prices since the 1970s has reduced the attractiveness of aerobic waste treatment, contributing to the redirection of the research efforts towards energy saving alternatives such as anaerobic digestion (AD). AD is the bioconversion process consisting of hydrolysis, acidogenesis, acetogenisis, and methanogenesis. Its advantages are as follows: (1) reduced waste volume, (2) generating energy-rich gas in the form of methane (CH4), and (3) yielding nutrient-containing final products. However, the slow growth rate of the methanogens has been identified as a disadvantage coupled with the performance fluctuation due to their highly sensitive characteristics.
In order to retain a highly concentrated biomass, various types of high rate anaerobic treatment systems such as the anaerobic contact reactor, anaerobic filter reactor, fluidized bed reactor, expended bed reactor, anaerobic membrane bioreactor, upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASBr), etc. have been introduced. Among these reactors, the UASBr has been considered as the most powerful process with its successful operations and worldwide popularity being attributed to the dense sludge bed made from the granular sludge in the reactor bottom. However, as there is no mechanical mixing, the mass transfer between the granular sludge and substrate is often limited.
To overcome the limitations of upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASBr), i.e. limited mass transfer between the granules and substrate caused by the lack of mechanical mixing, in the present work, four vibrators were installed inside the UASBr to intermittently irradiate the methanogenic granules with expectations of enhanced microbial activity, mixing, and mass transfer rate by cavitation bubbles.
Firstly, low-strength ultrasonication was applied at various ultrasonication densities (UD) (0 to 0.1 W/mL) and ultrasonication time (UT) (0 to 30 min) to methanogenic granules on the purpose of increasing their activity, and eventually, enhancing the performance of UASBr. Batch test results showed that 5 min of ultrasonication at 0.05 W/mL was found to be the optimal conditions, resulting in the increase of dehydrogenase activity and adenosine triphosphate content by 257%, and 374%, respectively, compared to the control. These increments were confirmed by specific methanogenic activity test. When ultrasonication (UD 0.05 W/mL, UT 5 min) was irradiated every 8 hr during the continuous operation of UASBr, it caused a gradual drop of methanogenic activity, complete loss after 20 days. At further operation, UT was decreased to 1 sec but irradiated every 1 min, which resulted in a 43% higher specific CH4 production rate.
Secondly, to elucidate the positive effects of low strength ultrasonication on the methanogenic granules, the changed physico-chemical characteristics of methanogenic granule after ultrasonication were investigated through settling experiments, scanning electron microscopic (SEM) analysis, and Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis. As SEM technique visualized, low strength ultrasonication resulted in numerous craters and cracks on the granular surface. As a consequence, ultrasonicated granules had a 2.3 times higher specific surface area and 37% higher permeability compared to the control granules. Based on the experimental results, enhanced penetrations of nutrients and substrates into granules could be expected which are the favorable conditions for the efficient AD performance.
Thirdly, bacterial community of control and ultrasonicated granules was investigated by 454-pyrosequencing technique to elucidate the correlation between enhanced CH4 production yield and changed microbial community. As results, selective proliferation of syntrophic bacteria such as Smithella spp., Desulfoglaeba spp., Syntrophobacter spp., and Syntrophus spp. was observed in the presence of ultrasonication. The apparent preponderance of various syntrophic bacteria in the ultrasonicated granules seems highly relate to enhanced CH4 production yield due to their imperative roles in the AD system. In addition, the proliferation of syntrophic bacteria in the ultrasonicated granules could be partially explained by the possible enhancement of substrate and nutrient penetrations into granules caused by the changed physico-chemical properties. Moreover, localized temperature increase (up to 5,000 K) generated by cavitation bubble could result in higher diffusion coefficient and steeper concentration gradient, thereby H2 flux of ultrasonicated granules being increased.
Finally, to investigate the effects of low strength ultrasonication on the total and distribution of extracellular hydrolytic enzymes (amylase, cellulase and protease) of methanogenic granules in the UASBr, the concentrations of cell-free and cell-associated hydrolytic enzymes were evaluated. As results, up to 213% enhanced hydrolytic enzyme activity was observed, however, the effects on the distribution of hydrolytic enzymes were negligible. Among various operating factors, intermittent ultrasonic mode seems to be an important operating factor besides ultrasonic intensity and time. It would serve as useful information to enhance the performance of biological process by enhancing the hydrolytic excretion.
현재 국내에서 발생되는 유기성폐기물(하수슬러지, 축산분뇨, 음식물쓰레기, 유기성도시고형폐기물)은 연간 1억톤 이상으로 매립 및 해양투기와 같은 원시적인 처리 방법과 호기성 공정을 통한 퇴비화.액비화, 사료화등에 의해 처리되고 있는 실정이다. 그러나 매립부지 부족 및 2차 오염원의 수계유입 가능성 등으로 인해 유기성 폐기물의 매립에 대한 부정적인 인식이 이미 팽배한 실정이며, 경제적.기술적 장점으로 인해 가장 대표적인 처리방법이었던 해양투기 역시 런던협약에 의거 2013년 전면 금지되었다. 또한 호기성 공정을 이용한 처리방법은, 공기주입으로 인해 소모되는 과도한 에너지 소모 및 생산된 최종산물의 낮은 질로 인한 판매처 확보의 어려움 등으로 인해 혐기성소화 공정이 가장 친환경적인 처리방안으로 인식되고 있다.
혐기성소화기술은 일명 “메탄발효”라고도 하며, 주된 목적은 폐수 혹은 폐기물처리와 동시에 메탄이라는 에너지를 회수하기 위하여 적용되고 있다. 혐기성 소화 시 요구되는 긴 체류시간 및 낮은 생분해도 등의 문제점을 해결하고, 율속단계로 인식되는 가수분해율을 증가시켜 궁극적으로 메탄발생량을 증대시키기 위해 초음파, 열, 산 및 알칼리 처리등의 다양한 전처리 방법이 연구되어왔다. 특히 초음파처리는 가장 대표적인 기계적인 전처리 방법으로 널리 이용되어 왔으나, 슬러지 floc 혹은 미생물의 cell를 파괴하기 위해 소모되는 많은 양의 에너지로 인해, 실제적용이 어려운 현실이다. 주입되는 기질을 고강도로 전처리하여 메탄 생성량을 증대시켰던 기존의 연구와는 달리, 낮은 강도의 초음파 조사를 이용하여 반응조 내 미생물의 활성도를 증가시켜 반응조 성능을 증대시키는 연구들이 최근 보고되었다. 따라서 본 연구에서는 가장 대표적인 고율 혐기성 반응조인 Upflow anaerobic sludge blanket (UASB) 반응조의 벽면에 초음파를 설치하여, 메탄가스 생성량에 미치는 영향을 관찰하였으며, 또한 저강도 초음파가 입상 슬러지에 미치는 영향을 물리화학적 및 생물학적인 접근방식을 통해 확인하였다.
연속실험결과, 최적의 초음파 조사조건(0.05 w/mL, 1 sec per 1 min)에서 미생물 활성도 지표인 DHA 및 ATP는 각각 257%, 374% 증가하였으며, 메탄발생은 43% 증가하였다. 물리화학적 분석결과, 간헐적인 저강도 초음파에 의해 settling velocity, permeability, fluid collection efficiency 등의 증가가 확인되었으며, E-SEM을 통해 입상슬러지 표면을 관찰한 결과, control에 비해 보다 울퉁불퉁한 모습으로 변하였으며, 특히 crater 등이 많이 생겼음을 확인하였다. 이를 통해, 저강도 초음파는 입상슬러지 표면에 cave나 crater 와 같은 crack을 만들게 되고, 이로 인해 permeability 및 fluid collection efficiency가 증가된 것으로 사료된다. 또한 비표면적 측정 결과, 0.1624 m2/g에서 0.5337 m2/g 로 약 2.3배가 증가된 것을 확인하였으며, 증가된 비표면적은 기질과 입상슬러지와의 접촉을 증가시켜, 궁극적으로 미생물 활성도 및 메탄생성 증가에 긍정적인 영향을 미친 것으로 사료된다.
생물학적 분석결과, 간헐적인 저강도 초음파에 의해 델타-프로테오 박테리아 (신트로픽 박테리아군)가 선택적으로 우점종 되는 것을 확인하였다. 우점된 박테리아는 Smithella spp., Desulfogaleba spp, Syntrophobacteria spp, Syntrophus spp.들로 확인되었으며, 이로 인해 초음파가 부착된 UASB 반응조에서 보다 원활한 acetogenisis가 이루어 진 것으로 판단된다. 또한 amylase (15%), cellulase (213%), protease (41%) 의 활성도가 각각 증대 된 것을 확인하였으며, 이를 통해 저강도 초음파가 부착된 UASB 반응조에서 보다 높은 가수 분해율이 예상된다. 위의 결과들을 종합하면, 간헐적인 저강도 초음파에 의해 입상슬러지에 발생된 물리화학 및 생물학적 변화들은 혐기성 미생물들에게 긍정적으로 작용되었으며, 이로 인해 궁극적으로 메탄 발생량이 증대 된 것으로 판단된다.
