Anaerobic digestion (AD) has been known as a promising technology for food waste treatment since it not only accommodates high impurity and moisture substrates, but also produces a valuable renewable energy source. However, this technology still has some challenges such as volatile fatty acid accumulation, process instability, long operating time as well as high investment and transportation. Overcoming rigorous requests in operating process and improving biogas quality including design innovation, additives, or the control of foam in AD have been therefore studied.
Even though the accumulation of VFAs during AD is considered to be a barrier as they cause inhibition on methanogens and thus impede methane formation, Their applications are extremely wide in industrial field; moreover, they are one of the energy sources to generate electricity in microbial fuel cells, carbon sources for the production of biopolymers, and a good external carbon source for biological nutrient removal at urban and industrial wastewater treatment plants.
With the aim of not only alleviating the burden of AD due to the accumulation of VFAs, but also extracting a valuable source which can be applied to various fields. In this study, we aspire to maximize the production of VFAs by combining favorable conditions for the production of VFAs and carbon nanotube structures in batch and continuous experiments. In addition, an evaluation of the potential application of VFAs produced from food waste for the denitrification process was carried out from artificial VFAs sources.
In chapter 1, the research background and objectives are summarized.
In chapter 2, the value of VFAs and strategies for producing VFAs from food waste was presented in general.
In chapter 3, together with favorable conditions for the VFAs production, the efficiency of VFAs production was improved by 16% and the rate of acidogenesis was increased by 22%, but the produced VFAs composition remained unchanged in the presence of carbon nanotube structure (CNS).
In Chapter 4, similar to batch experiments, VFAs production were improved by adding CNS to continuous reactors, and the potential for recovery of VFA by ED was achieved by 84% at an acceptable energy consumption, 0.041 kWh/kgVFAs for 80 minutes.
In chapter 5, as an external carbon source, the VFAs produced from food waste showed a denitrification rate not inferior to the current source (methanol) or single VFAs (acetic acid, propionic acid, butyric acid) at 3.2 mgNO$_3$$^-$-N/g-MLVSS/h
In summary, this study not only fulfilled the expectation of a solution to one of the significant challenges of AD operation, but also provided a valuable source for the denitrification process instead of current non-renewable sources, which were concluded in Chapter 6.
혐기성 소화(AD)는 높은 불순물과 수분 기판을 수용할 뿐만 아니라 가치 있는 재생에너지원을 생산하기 때문에 음식물쓰레기 처리의 유망 기술로 알려져 왔다. 다만 이 기술은 높은 투자와 운송뿐만 아니라 휘발성 지방산 축적, 공정 불안정성, 긴 작동 시간 등 아직 몇 가지 과제를 안고 있다. 따라서 운영 과정에서 엄격한 요구를 극복하고 설계 혁신, 첨가물 또는 AD의 거품 제어를 포함한 바이오가스 품질을 향상시키는 것이 연구되었다.
AD 동안 VFA의 축적은 메타노겐을 억제하고 메탄 형성을 방해하기 때문에 장벽으로 간주되지만, 산업 분야에서 그 응용은 매우 광범위하다. 게다가, 그것들은 미생물 연료 전지에서 전기를 생성하기 위한 에너지원 중 하나이며, 생체 고분자 생산을 위한 탄소 공급원이다.도시 및 산업 폐수 처리 공장의 생물학적 영양소 제거를 위한 우수한 외부 탄소 공급원.
VFA 축적으로 인한 AD 부담 완화는 물론, 다양한 분야에 적용될 수 있는 가치 있는 원천을 추출하는 것을 목표로 하고 있습니다. 본 연구에서는 VFA와 탄소나노튜브 구조의 생산 우호적인 조건을 일괄 실험과 연속 실험으로 결합하여 VFA의 생산 극대화를 목표로 합니다. 또한, 탈질화 과정을 위해 음식물 쓰레기로부터 생성된 VFA의 잠재적 적용에 대한 평가가 인공 VFAs 공급원에서 수행되었다.
1장에는 연구 배경과 목표가 요약되어 있습니다.
2장에서, VFA의 가치와 음식물 쓰레기로부터 VFA를 생산하기 위한 전략은 일반적으로 제시되었습니다.
3장에서는 VFA 생산에 유리한 조건과 함께 VFA 생산 효율이 16% 향상되고 산형성률이 22% 증가했지만 탄소나노튜브구조(CNS)가 존재하는 곳에서는 생산된 VFA의 조성은 변함이 없었다.
제4장에서는 배치 실험과 유사하게 연속 원자로에 CNS를 추가함으로써 VFA 생산이 개선되었으며, ED에 의한 VFA 회수 가능성은 허용 에너지 소비량인 0.041 kWh/kgVFAs에서 80분 동안 84% 달성되었다.
5장에서 음식물쓰레기로부터 생성된 VFA는 3.2mgNO$_3$$^-$N/GMLVSS/h에서 현재의 소스(메탄올) 또는 단일 VFA(아세트산, 프로피온산, 뷰티르산)보다 낮지 않은 탈질화율을 보였다.
요약하자면, 이 연구는 AD 운영의 중요한 과제 중 하나에 대한 해결책에 대한 기대를 충족시켰을 뿐만 아니라 6장에서 결론지은 현재의 재생 불가능한 소스 대신 탈질화 과정에 대한 귀중한 소스를 제공했다.
