양조장 폐수 처리를 위해 연속 생전기화학적으로 강화된 혐기성 소화(BEAD) 시스템이 개발되었으며, 이는 상온 작동 시 기존의 혐기성 소화에 비해 화학 산소 요구량 제거, 휘발성 지방산 분해, 메탄 생성 및 에너지 효율성이 향상되었습니다.
이 논문에서
요약
초록
생전기화학적으로 강화된 혐기성 소화(BEAD)는 고강도 산업 폐수 처리 시 메탄 생성과 공정 안정성을 개선할 유망한 접근법으로 부상하고 있습니다. 이 연구에서는 상온(22–24 °C)에서 실제 양조장 폐수 처리 성능을 평가하기 위해 연속 상류 BEAD 반응기를 365일간 운영했습니다. 유기물 하중률(OLR; 1–7 g sCOD/L∙d), 수압 유지 시간(HRT), 가과 전위(1.2 V)가 유기물 제거, 휘발성 지방산(VFA) 분해, 메탄 생성, 에너지 효율성에 미치는 영향을 체계적으로 조사하고 기존 혐기성 소화(AD)와 비교하였습니다. BEAD 시스템은 최대 5g sCOD/L∙d의 OLR에서 높은 화학 산소 요구량(COD) 제거 효율(>92%)을 달성했으며, 특히 프로피온산과 부티르산을 포함한 복잡한 VFA의 우수한 분해를 입증했습니다. 메탄 수율은 OLR이 증가할수록 증가하여 최대 0.35 LCH₄/g sCOD에 도달했습니다. OLR은 7 g sCOD/L∙d에서제거 되었습니다. AD와 비교했을 때, BEAD는 높은 OLR에서 메탄 생산량을 16–30% 증가시키면서도 안정적인 바이오가스 품질(≈74–75% CH₄)을 유지했습니다. 높은 OLR에서 HRT를 단축하면 전체 성능이 떨어졌지만, BEAD는 꾸준히 AD보다 더 좋은 성능을 보였습니다. 이 시스템은 높은 에너지 효율(~1000%)을 보여, 추운 지역에서 양조장 폐수 처리에 견고하고 에너지 효율적인 후보가 될 수 있음을 시사합니다.
서론
수질 오염은 여전히 전 세계적으로 중요한 문제로 남아 있으며, 인체 건강에 해를 끼치고 생태계를 교란시키고 있습니다. 양조 산업은 가장 큰 산업 폐수 발생기 중 하나로, 맥주 1,2리터당 3–10L의 폐수를 생산합니다. 전 세계 맥주 소비량은 2023년에 188 Mm3의 맥주를 생산했으며, 이는 전 세계에서 다섯 번째로 많이 소비되는 음료입니다 3,4. 맥주는 캐나다에서도 인기 있는 음료로, 2019년 1,120개에서 2020년 1,210개로 양조장 수가 증가한 것으로 입증됩니다.
양조장은 주로 폐수를 직접 또는 전처리 후 시 하수도 시스템에 배출하여 관리합니다. 그러나 기존 폐수 처리장(WWTP)은 고강도 산업 폐수에 어려움을 겪는 경우가 많아 많은 국가에서 규제 제한이 있습니다 2,6,7. 많은 경우, 지방 정부는 이러한 배출을 억제하기 위해 고강도 폐수에 추가 요금을 부과하여 양조장의 운영 비용 증가로 이어질 수 있습니다. 따라서 양조장들은 폐수를 보다 효과적이고 낮은 비용으로 관리할 조치를 취해야 합니다. 현장에 오염물질 부대를 줄일 뿐만 아니라 양조장 폐수 내 유기 화합물의 에너지 잠재력을 활용하는 처리 시스템을 설치하는 것은 실질적인 대안이 됩니다.
혐기성 공정은 고강도 폐수를 저에너지 소비로 효과적으로 처리하면서 폐기물을 바이오가스로 전환하고, 이를 다시 전기, 재생 가스, 열에너지로 전환할 수 있습니다. 혐기성 소화(AD)는 간접 종간 전자 전달(IIET) 과정으로, 중간체가 산성 박테리아와 메탄생성 고세균 사이에서 복잡한 효소 반응을 통해 전자를 전달하는 과정입니다. 그러나 이러한 반응들은 초기 기판에서 메탄으로 전자가 완전히 전달되지 않는 열역학적 한계에 직면해 있어 전자 손실이 눈에 띄고 메탄 생성이 감소한다12. AD 안정성은 이러한 전자 전달 메커니즘에 의해 영향을 받으며, 교란은 종종 수소나 휘발성 지방산(VFA)과 같은 중간체의 축적을 초래합니다. 산성 박테리아와 메탄겐 간의 불균형이 이 축적에 기여하는 주요 요인입니다. 양조장 폐수 내 높은 유기물 부하율(OLR)은 이 불균형을 악화시켜 생산된 VFAs를 활용하는 메탄생성 능력을 초과할 수 있습니다.
생전기화학적으로 증강된 혐기성 소화(BEAD)는 직접 종간 전자 전달(DIET)을 사용하여 유기 기질에서 메탄으로 전자를 직접 전달하여 기존 AD의 느리고 덜 효율적인 IIET를 우회합니다. DIET에서는 전자가 사이토크롬, 전도성 파일리 또는 다종 집합체를 통해 미생물 종 간에 전자 사이에서 직접 전달되며, 전자 셔틀12가 필요하지 않습니다. BEAD 시스템은 부티레이트와 프로피오네이트와 같은 단쇄 VFA의 분해를 촉진하기 위해 외부 전류를 사용하여, 기존 AD14, 15, 16보다 공정이 더 안정적입니다. 또한 BEAD 시스템은 미생물 간 합영양 상호작용을 촉진하여 전체 VFA 분해 개선으로 인해 메탄 생성을 가속화합니다17. 연구에 따르면 BEAD는 전극에서 직접 전자 흡수(전기메탄생성)와 같은 추가 메탄생성 경로로 기존 AD에 비해 메탄 수율을 증가시킬 수 있음이 밝혀졌습니다18,19.
BEAD에서의 양조장 폐수에 대한 연구는 제한적이며, 대부분의 연구는 중친성 온도(30–35 °C)나 합성 폐수20,21,22,23,24,25를 사용하여 수행됩니다. 중환경은 다양한 미생물에게 이상적이지만, 실온(22–24 °C)에서 BEAD 시스템을 최적화하는 것은 특히 캐나다와 같은 추운 지역에서 실용적으로 매우 중요합니다. 더 나아가, 실제 양조장 폐수를 사용하면 실제 상황에서 발생하는 도전 과제를 보다 정확하게 반영할 수 있습니다. 이 연구는 실온에서 BEAD 반응기에서 실제 양조장 폐수로부터 발생하는 메탄 생성의 핵심 매개변수를 평가하여 핵심 공백을 메우는 것을 목표로 합니다.
유기 하중률(OLR)은 BEAD 시스템에서 유기 화합물을 효과적으로 처리할 수 있는 시스템의 능력을 반영하는 중요한 운영 매개변수입니다. 높은 OLR은 과도한 산 축적을 유발하여 메탄생성을 방해할 수 있습니다. 따라서 최적의 처리 효율과 메탄 생산을 달성하기 위해 OLR을 관리하는 것이 매우 중요합니다26,27. 연구진은 주로 유기산 28,29,30,31, 폐기물 활성화 슬러지(WAS)26, 토마토 식물 잔류물32, 식품 폐기물33, 쓰레기 슬러리34의 합성 혼합물을 사용하여 OLR이 BEAD 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 양조장 폐수에 대한 대부분의 연구는 낮은 OLR을 사용했으며, 양조장 폐수 처리 시 다양한 OLR이 BEAD 효율에 미치는 영향을 평가한 연구는 단 한 편뿐입니다. Pan 등은 OLR과 함께 메탄 생성이 점차 증가하여 20g COD/L∙d에서 5.64 L/d에 도달해 중친구 조건(35°C)에서 기존 AD보다 우수한 성능을 보였다고 보고했습니다. 또한, 높은 OLR에서는 AD 성능이 저하되었지만, BEAD 시스템은 높은 OLR에서도 안정적으로 유지되었습니다. 우리가 아는 한, 실온에서 실제 양조장 폐수를 이용해 OLR이 BEAD 성능에 미치는 영향을 탐구한 연구는 없습니다. 따라서 본 연구는 다양한 OLR이 실온에서 실제 양조장 폐수 분해와 이후 메탄 생성에 어떤 영향을 미치는지 조사하는 것을 목표로 합니다.
인가된 전압은 BEAD 시스템에서 또 다른 중요한 작동 매개변수입니다. 인가된 전압은 수소영양성 메탄생성물질의 성장을 촉진하여 공정 안정성을 높입니다. 더불어, 공급되는 전압은 메탄 생성과 시스템 내 내부 저항에도 영향을 미칩니다. 양조장 폐수에서 전압의 부재/존재가 BEAD 성능에 미치는 영향을 탐구한 연구는 소수에 불과합니다 20,21,25. 예를 들어, Guo 등은 합성 양조장 폐수를 이용해 35°C에서 음극-양극 비율이 1, 2.5, 4 cm2/cm 3의 다양한 세 개의 BEAD 원자로를 시험했으며, 폐쇄회로(0V) 환경에서는 개방회로(0V)에 비해 각각 42%, 121%, 61% 메탄 생산량이 증가했습니다. 하지만 실온에서 실제 양조장 폐수를 이용한 연구는 여전히 제한적이어서 추가 연구가 필요함을 강조합니다.
이 연구의 주요 목적은 실온(22–24 °C)에서 실제 양조장 폐수를 처리하기 위한 생전기화학적으로 강화된 혐기성 소화(BEAD) 시스템의 실현 가능성과 성능을 조사하는 것이었습니다. 주로 중친성 조건에서 수행된 이전 BEAD 연구와 비교할 때, 이 연구는 BEAD의 장기 상온(avit) 작동 방식을 강조하며, 이는 연속적인 원자로 가열 필요성을 피하고 에너지 수요를 줄여주는 공학적 중요성을 지닙니다. 구체적으로, 연구는 다양한 유기 하중 속도(OLR)와 인가된 전압이 폐수 열화, 공정 안정성, 메탄 생성에 미치는 영향을 평가했습니다. 통제된 조건에서 BEAD 원자로를 운전함으로써, 본 연구는 휘발성 지방산(VFA) 분해와 메탄 수율을 향상시키면서도 시스템 안정성을 유지하는 최적의 작동 매개변수를 규명하는 것을 목표로 했습니다. 이 연구 결과는 현장 양조장 폐수 처리에 BEAD 기술을 적용하는 실질적인 통찰을 제공할 것으로 기대됩니다.
프로토콜
이 연구는 인간 참가자나 동물 대상이 포함되지 않았기 때문에 윤리 승인이 필요하지 않았습니다. 폐수 및 슬러지 샘플은 표준 실험실 안전 프로토콜에 따라 수집 및 처리되었습니다.
사료 및 접종
초기에는 아세테이트 나트륨이 원자로 내 미생물 활동을 시작하기 위한 보조 탄소원으로 사용되었습니다. 원자로 가동 후, 오타와의 도미니언 시티 브루잉 컴퍼니에서 얻은 실제 양조장 폐수가 점진적으로 도입되어 아세테이트 나트륨을 점진적으로 대체했습니다(약 5일). 양조장 폐수 샘플의 특성(표 1)은 각 배치(총 17배치)마다 달라져 시스템 적응성을 평가할 수 있었습니다. 도미니언 시티에서는 홉과 효모 같은 고형물을 분리한 후 폐수가 두 개의 최종 탱크로 수집됩니다. 배치 샘플은 이 탱크에서 채취되어 실험실로 옮겨져 실온(22 °C) 12,000 × g에서 원심분리하여 잔류 고형물을 제거했습니다. 생성된 상원액은 사용 전까지 4°C에서 보관되었습니다. 접종물은 오타와의 로버트 O. 피카드 환경 센터(ROPEC)에서 수집한 중열성 혐기성 소화 슬러지였습니다. 도입 전, 슬러지는 원심분리된 양조 폐수와 함께 500mL 유리병에 담겨 실온(22°C)에서 480 × g에서 14일간 적응시켰습니다.
원자로 구성
이 연구는 원통형 유리로 만든 단일 챔버 상류 BEAD 반응기(높이 435mm, 직경 54mm)를 사용했으며, 총 부피는 1L, 유효 작업량은 0.65L였습니다. 인플루언트는 연동 펌프를 통해 원자로에 공급되었고, 디지털 타이머로 공급을 제어하여 공급속도를 조절했습니다. 혼합과 기액 질량 이동을 촉진하기 위해, 반응기 상단과 하단을 연결하는 재순환 루프가 설치되었으며(그림 1A), 두 번째 연동 펌프를 사용해 분당 70 mL로 유지되었습니다. 전극은 25mm × 25mm 탄소 펠트 스퀘어를 쌓아 올려 총 높이 130mm로 구성되었습니다(그림 1B,C). 양극과 음극 사이에 2mm 천공이 있는 두께 3mm 비전도성 지오텍스타일 분리기가 부착되어 접촉을 방지하여 전극 간격 3mm가 되었습니다. 양극은 수소가 물에 낮은 용해도를 고려해 가스 주머니로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 음극 위에 위치했습니다. 두께 1mm 두께의 티타늄 와이어가 이리듐 혼합 금속 산화물(Ir-MMO)으로 코팅되어 탄소 펠트에 삽입되어 두 전극의 전류 수집기 역할을 했습니다. 전류 집전기는 포텐시오스탯(AUTM101)에 연결되었습니다. 스위스 메트로옴 S)는 전극 전반에 제어된 전위를 적용하고 유지하며 시스템의 전기화학적 반응을 지속적으로 모니터링하는 데 사용되었습니다. 원자로 작동 내내 양극과 음극 사이에 1.2V 전압이 유지되었습니다. 본 연구에서 대조군으로 사용된 AD 원자로는 BEAD 원자로와 동일한 구성을 가졌으나, 전위가 가해지지 않고 작동했습니다.
실험 설계 및 절차
이 연구는 365일에 걸쳐 수행되었으며, 세 개의 주요 단계에서 17개의 운영 단계(각 10–20일)를 포함해 각 단계마다 BEAD 원자로의 성능을 평가했습니다. 데이터 수집 전에는 각 단계가 안정적인 조건이 달성될 때까지 운영되었습니다. 이 연장된 기간 덕분에 일반적인 단기 또는 배치 모드 연구와 달리 BEAD의 장기 성능과 안정성 평가가 가능해졌습니다. 실제 양조장 폐수를 여러 배치로 사용하면서 조성 변동성이 생겼습니다; 그러나 각 단계 내에서 원자로 성능은 정상 상태 조건에서 평가되어, 보고된 결과가 단기 변동이 아닌 안정적인 시스템 동작을 반영하도록 보장했습니다.
스타트업 단계: 원자로 가동 (영향력 있는 VFA/sCOD 비율의 영향)
BEAD 반응기는 350–400mL의 사전 적응된 혐기성 슬러지를 접종했습니다. 초기에는 아세테이트나트륨과 1.2V 전위를 적용한 배치 모드로 운영되었으며, 전기활성 미생물의 성장을 지원하면서 바이오매스 세척을 최소화하기 위해 16일의 높은 HRT를 유지했습니다. 2주 후, 반응기는 연속 유동 방식으로 전환되었으며, OLR 2 g sCOD/L∙에 아세테이트 나트륨을 사용하고, 하루 유량은 120–130 mL로 5일간 HRT를 달성했습니다. 안정된 후, 공급은 점차 양조장 폐수로 대체되었습니다: 처음에는 70%/30%(아세테이트/폐수), 그다음 50%/50%, 마지막으로 80%/20%로 교체되어 100% 양조장 폐수가 되었습니다(표 2). 이 단계는 또한 양조장 폐수 내 복잡한 VFA보다 VFA 조성이 단순하여 미생물 활동과 메탄 생성에 영향을 미치는 다양한 VFA/sCOD 비율이 BEAD 성능에 미치는 영향을 평가했습니다. 이 단계의 결과는 보충 파일 1(보충 도표 1–5 및 보충 표 1)12,38,39,40,41,42에서 논의되었습니다.
공급을 100% 양조장 폐수로 전환하고 OLR은 2 g sCOD/L∙d로 전환하면, 아세테이트 전용 공급에 비해 메탄 수율이 감소했습니다. 억제 테스트( 보조 파일 1 (보충표 2)는 양조장 폐수로부터의 억제가 주된 문제가 아님을 확인했습니다. 따라서 OLR은 더 높은 기질 가용성으로 미생물 활성을 자극하도록 증가시켰습니다. 5단계와 6단계 사이의 3개월 간격으로 원자로 회수 및 억제 시험이 수행되었습니다. 이 기간 동안 원자로는 양조장 폐수를 이용해 통제된 조건 하에서 지속적으로 가동되었으며, 총 암모니아 질소(TAN), 황산염, 황화물, 과산화수소(H₂O₂), 과초산(PAA) 등 잠재적 억제성 화합물을 평가하는 추가 실험이 수행되었습니다. 결과는 이들 화합물이 억제성 농도로 존재하지 않는다는 것을 확인시켜 주었습니다. 원자로는 안정적인 작동 조건에서 유지되었으나, 메탄 생성, COD 제거, VFA 열화로 인해 정상 상태 성능이 재확립되었습니다. 이후 실험 단계는 원자로 성능이 안정화되어 갭 이전 조건과 비교할 수 있음을 확인한 후에야 재개되었다. 정해진 운영 단계 간의 일관성을 보장하기 위해 이 복구 및 테스트 기간의 데이터는 분석에서 제외되었습니다.
1단계: OLR의 영향
이 단계에서 BEAD 원자로는 전적으로 양조장 폐수만을 공급하여 1.2V 전위 하에서 다양한 OLR(1–7 g sCOD/L∙d)의 영향을 조사했습니다(표 2). 양조장 폐수 COD 수치의 변동은 특히 최고 OLR(7* g sCOD/L∙d)에서 HRT 변동을 초래했으며, 2일과 4일 두 HRT에서 실험이 수행되었습니다(*는 동일한 OLR에서 7g sCOD/L∙d에서 다른 HRT를 의미하며; 7 g sCOD/L∙d는 3–4일 HRT임을 의미합니다). 7* g sCOD/L·D는 2일 만에 HRT입니다). 이를 통해 HRT가 메탄 생성, 기판 열화, 공정의 전반적인 효율성에 미치는 영향을 평가할 수 있었습니다.
2단계: 적용 전위의 영향
이 단계에서는 가용된 전위(1.2 V)의 존재 여부가 원자로 성능과 양조장 폐수를 이용한 메탄 생산에 미치는 영향을 평가했습니다. 가전 전위(AD)가 없는 제어 원자로와 BEAD 원자로는 2, 3, 5, 7 g sCOD/L∙d의 OLR에서 시험되었습니다. AD 제어는 BEAD 원자로와 동일한 구성의 별도의 원자로로 작동했으나, 전위가 인가되지 않았습니다. 두 원자로는 유사한 조건에서 병렬로 작동했다. 더불어, 7* g sCOD/L∙d의 OLR에서는 HRT가 4일에서 2일로 줄어들어 더 짧은 HRT 하에서 적용 전위의 영향을 조사할 수 있게 되었습니다(표 2).
분석 방법
총 고형물(TS)과 휘발성 고형물(VS)은 표준 방법 168443을 사용하여 측정되었습니다. 용해성 COD(sCOD)는 COD 표준 방법44 와 시약 튜브를 사용하여 분석하였습니다. 분석 전에 0.45 μm 구멍 크기의 막이 장착된 진공 여과기를 사용하여 시료를 여과했습니다. 암모니아 농도는 암모니아 시약 킷45를 사용하여 측정하였습니다. 황산염은 황산염 시약키트 46을 사용해 측정되었습니다. 황화물 시약키트 47을 사용해 황화물을 분석하였습니다. 모든 HACH 분석은 분광광도계를 사용하여 수행되었습니다. 과산화수소와 과초산은 과초산 검사 키트를 이용한 스포이퍼 병 방식으로 측정하였습니다. 바이오가스는 가스 수집 백에 담겨 매일 가스 밀폐 주사기로 양을 측정했으며, 모든 측정은 3회 단위로 수행되었습니다. 바이오가스 조성은 아르곤을 운반가스로 사용한 마이크로 가스 크로마토그래프(GC)와 TCD 검출기, 주입 온도는 110 °C로 분석되었습니다. 바이오가스 부피는 가스 수집 봉투에서 직접 측정되었으며, 일관된 실험실 조건에서 측정값으로 보고됩니다. 가스 양은 습윤 기준으로 보고됩니다. 모든 가스 측정은 대기압 조건에서 수행되었으며, 가스 누출을 최소화하기 위해 밀폐 연결이 유지되었습니다. 실험 내내 밀봉 무결성을 보장하기 위해 시스템이 정기적으로 점검되었습니다.
아세테이트, 프로피오네이트, 부티레이트를 포함한 VFA는 210nm 흡수 파장의 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 사용해 정량화되었습니다. 이동상은 100% 아세토니트릴과 2.5 mM 메탄설폰산으로 구성되었으며, 분석은 30 °C의 컬럼(5 μm, 4 mm × 150 mm)을 사용해 이동상은 분당 1 mL/분의 일정 유량으로 수행되었습니다. 원자로의 pH와 온도는 계량기를 사용해 지속적으로 모니터링되었습니다. 원자로 작동 중에는 pH가 6.5–7.5 범위 내에서 유지되어 안정적인 작동 조건을 나타냈습니다. 현재 발전은 고정된 인가전위인 1.2V 상태에서 포텐셔스탯을 사용하여 5분마다 기록되었습니다.
계산
COD 제거 효율과 속도는 다음 식을 사용하여 산출되었습니다:
식1
식2
급료 OLR은 아래에 나타난 식3을 사용하여 계산되었으며, 이 경우 급료율은 일일 리터(L/d)로, 원자로 부피는 리터로 표현됩니다.
식3
다음 방정식을 사용하여 제거된 COD(LCH4/g sCOD제거)와 추가된 COD(LCH4/g sCOD추가)를 기반으로 특정 메탄 수율을 계산했습니다:
식4
식(Eq. 5)
여기서 는 일일 생성되는 메탄 양(LCH4/d), 는 각각 하루제거 되는 sCOD 양(g sCODRemoved/d)과 일일 단위 sCOD 첨가량(g sCODAdded/d)이다.
전류 밀도는 측정된 전류(I)를 앰페어 (A)로 정규화하여 원자로의 작업 부피(V)를 입방미터(m³)로 표현하여 계산했습니다. 전류 밀도는 A/m 3 에 보고되며 다음 식으로 설명됩니다:
식: 6
쿨롱 효율(CE)은 COD제거 전류 시 전자 회수 효율을 평가하기 위해 계산되었습니다. 이는 전류(QC)로 회수된 총 전하(쿨롱 단위)와 제거된 COD(QT)를 기반으로 회수할 수 있는 이론적 전하의 비율로 정의됩니다. 회수된 총 전하(QC)는 측정된 전류를 시간에 따라 적분하여 결정되었습니다:
Qc = ∫I(t)dt ≈ ∑Ii × ∆t Eq.7
여기서 는 각 시간 구간에서 측정된 전류(A), Δt는 기록 구간(s)입니다.
이론적 전하(QT)는 COD 제거를 기반으로 계산되었으며, 8g의 COD제거당 1몰의 전자가 전달된다고 가정하여 패러데이의 법칙에 따라 계산되었습니다:
식8
여기서 F는 패러데이 상수(96,485 C/mol e⁻)이며, 그램 단위로 표현됩니다.
따라서 CE는 다음과 같이 계산되었습니다:
식: 9
여기서 정의되는 에너지 효율(ηE)은 전기에서 메탄으로의 에너지 변환 효율로, BEAD 시스템에서 전기 입력을 추가 메탄 생산으로 전환하는 효과를 평가하는 데 사용됩니다. 이는 메탄 형태로 생성된 에너지와 시스템이 전기화학적 과정을 유지하기 위해 소비하는 에너지의 비율로 정의됩니다. 보고된 에너지 효율은 전기 입력에 초점을 맞춘 부분적인 에너지 균형을 나타내며, 펌핑 및 재순환 등 다른 운영 에너지 수요는 고려하지 않는다는 점을 유의해야 합니다. 따라서 전체 시스템 에너지 효율로 해석해서는 안 됩니다. 에너지 효율은 다음 공식을 사용하여 계산되었습니다:
식: 10
ΔWCH 4 = ΔVCH4 × LHV 식. 11
WE = I × E × ∆t 식 12
여기서 다음과 같습니다:
ΔWCH4는 BEAD 원자로와 AD 제어 원자로 간 메탄 에너지 차이를 나타내며, 이는 와트시(Wh)로 측정됩니다.
ΔVCH4는 BEAD 원자로와 AD 제어 원자로 간 생성되는 메탄 부피 차이를 나타내며, 이는 리터(L) 단위로 표현됩니다.
LHV는 메탄의 낮은 열값으로, 약 9.6 Wh/L입니다.
WE 는 가전 전위를 공급할 때 소비하는 전기 에너지의 양으로, 와트시(Wh)로 측정), E는 전압(V), Δt는 구간 시간(24시간)입니다.
통계 분석
실험에서 수집된 데이터는 분산분석(ANOVA)을 사용하여 OLR, 적용 전위, HRT와 같은 운영 매개변수가 메탄 수율, COD 제거, VFA 열화 등 주요 성과 지표에 미치는 유의성을 평가하였습니다. 안정 데이터 포인트는 정상 상태 조건에서 얻은 연속적인 측정으로 정의되었으며, 주요 매개변수가 시간에 따라 ±5% 미만의 변동을 보였습니다. 각 상에서 동일한 원자로에서 정상 상태 조건에서 수행된 직렬 측정값을 나타내는 세 개의 안정적인 데이터 포인트를 선택하여 평균화하여 해당 상을 표현하였습니다. 각 단계에는 다양한 특성(예: sCOD 및 VFA 조성)을 가진 여러 배치의 실제 양조장 폐수가 포함되었다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 이러한 변형들은 상상 기반 분석에 본질적으로 통합되어 현실적인 조건에서 시스템 적응성을 평가할 수 있게 되었습니다. 변동성을 반영하기 위해 표준편차가 수치의 오차 바로 사용되었습니다. 모든 통계 분석은 스프레드시트를 사용하여 수행되었습니다. 통계적 유의수준은 95%로 채택되었으며, 이는 p-값이 0.05 미만인 결과가 통계적으로 유의미하다고 간주됨을 나타냅니다(p < 0.05).
결과
유기 하중 속도(OLR)가 BEAD 성능에 미치는 영향 - 1단계:
OLR이 COD 제거 성능에 미치는 영향
그림 2와 표 3에 상세히 설명된 바와 같이, BEAD 시스템은 높은 OLR에서도 높은 COD 제거 효율을 유지했으며, 5g sCOD/L∙d의 높은 OLR에서 92.7 ± 0.6% 제거를 달성했습니다. 이 성과는 통제된 조건과 낮은 OLR에서 수행된 다른 BEAD 연구들과 비교할 때 특히 주목할 만합니다. 예를 들어, 1g 및 2 g의 OLR에서 반응기는 96.2%의 COD 제거 효율을 달성했으며, 이는 합성 양조 폐수를 사용한 30–35 °C에서 각각 90%와 80%의 최대 COD 제거를 보고한 Sangeetha 등(24)과 Guo 등(21)보다 뛰어난 성과를 보였습니다.
높은 OLR에서 HRT가 감소하면 COD 제거 효율도 감소했습니다. HRT가 5g sCOD/L∙d의 OLR에서 5.2일 ± 0.1일에서 각각 6g sCOD/L∙7 g OLR에서 4.4 ± 0.3일과 3.7일± 감소함에 따라, COD 제거 효율은 85.1± 1.7%, 79.2± 0.8%로 크게 감소했습니다(p < 0.05). OLR이 7* g의 sCOD/L∙d에서 0.2일 ± HRT를 2.1로 추가로 줄였고, COD 제거율은 64.6± 2.1%로 감소했습니다(p < 0.05). 이 추세는 높은 OLR에서의 짧은 HRT가 기질 억제와 바이오매스 세척을 초래할 수 있음을 시사하며, 이는 BEAD 시스템이 효율적인 COD 분해에 중요한 생체전기화학적 향상(DIET와 연관될 수 있음)을 유지하는 능력을 제한할 수 있습니다48. 이 결과는 Sangeetha 등(23)의 발견과 일치하는데, 이들은 합성 양조장 폐수 처리를 하는 BEAD 처리에서 OLR이 1.5g에서 4.4g으로 증가하면서 HRT가 36시간에서 12시간으로 줄었을 때 COD 제거가 감소하는 것을 관찰했습니다. 이러한 도전에도 불구하고, 본 연구에서 BEAD 원자로는 전통적인 AD 시스템에 비해 고OLR에서 우수한 성능을 보였습니다. 예를 들어, Xu 등은 이상적인 조건인 35°C에서 OLR 7.4 g COD/L∙d에서 80% COD 제거를 보고했으며 , 이는 실온(22 °C)에서 달성한 79.2 ± 0.8%와 비교된다.
서로 다른 OLR에서의 VFA 제거
그림 3A에서 보듯, OLR 증가는 BEAD의 VFA 제거 능력을 방해하지 않았으며, BEAD는 더 높은 유류 VFA 부하를 관리하면서도 비교적 안정적인 VFA 배출율을 유지했습니다. 예를 들어, OLR 6에서 1.8 g sCOD/L∙d에서 OLR 7에서 2.9 g sCOD/L∙d로 유입 VFA 비율이 증가했음에도 불구하고, 유출 VFA 비율은 0.8 g sCOD/L∙d로 안정적으로 유지되었습니다. 모든 OLRs에서의 이러한 안정성은 BEAD가 VFA를 분해하는 데 효과적이며, 전통적인 AD 시스템에서 pH 저하와 미생물 억제를 일으키는 VFA 축적을 방지하는 능력을 입증합니다50,51.
더욱이, 이 시스템은 혐기성 과정에서 더 느린 분해 속도로 알려진 도전적인 VFA, 프로피온 및 부티르산을 분해하는 탁월한 능력을 입증했습니다51. 예를 들어, BEAD는 OLRs 5 및 7 g sCOD/L∙d에서 프로피온산을 100% 제거했고, OLR 7 g sCOD/L∙d에서 부티르산을 1.2 g sCOD/L∙d에서 0.3 g sCOD/L∙d로 크게 감소시켰습니다. 이는 그림 3B와 표 4에 나타난 바와 같습니다. 결과는 또한 최적의 HRT 유지가 특히 생전기화학 활성이 증가하는 고OLR에서 BEAD의 효과적인 VFA 분해에 매우 중요함을 시사합니다. 시스템은 5에서 7 g sCOD/L∙d의 OLR에서 높은 VFA 열화율을 보였으나, HRT가 5.2 ± 0.1일에서 3.7± 0.1일로 감소했음에도 불구하고 7* g sCOD/L∙d에서 2.1 ± 0.0일로 더 감소하면서 성능이 현저히 저하되었습니다. 이는 방류수 VFA 비율이 0.8 g에서 2.4 g sCOD/L∙d로 유의미하게 증가한 점에서 명확히 나타났다. 특히, 유출 아세트산 비율이 0.6에서 1.8 g sCOD/L∙d로 급격히 증가했으며, OLR 7에서 완전히 제거된 프로피온산은 0.4 g sCOD/L∙d로 증가했습니다. 부티릭산 제거도 영향을 받았으나 그 정도는 경미했습니다.
CH 4 제작 성과:
CH4 수율(COD 제거 기준) 및 체적 CH4 생산
높은 OLR은 BEAD 내 메탄 수율과 부피를 크게 증가시켜, 시스템 과부하를 피하면서 메탄 생산을 위한 기질 가용성을 증가시키는 이점을 나타냈습니다. 그림 4A에서 보듯, 메탄 수율(COD 제거 기준)은 0.35 ± 0.01 LCH4/gsCOD( 최대 이론적 수율)에서 최고조에 달했으며, OLR은 7 g sCOD/L∙d였습니다. 이 수율은 낮은 OLR에 비해 통계적으로 유의미한 증가(p < 0.05)를 나타냅니다. 메탄 부피도 이 추세를 따라, OLR 7g sCOD/L∙d에서 1.93 ± 0.04 L∙d에 도달하여, 표 3에 나타난 대로 낮은 OLR에 비해 18–2657% 증가한 것으로 나타났습니다.
통제된 조건 하에서 수행된 다른 BEAD 연구들과 비교했을 때, 본 연구의 BEAD 시스템은 실온(22°C)에서 실제 양조장 폐수를 이용해 우수한 메탄 생산을 입증했습니다. 예를 들어, Sangeetha 등은 30 °C에서 합성 양조 폐수를 사용한 1–2 g COD/l·d의 OLR에서 0.143 LCH4/g COD, 0.367 L/L∙d의 부피를 보고했으나, 우리 시스템은 2 g sCOD/L∙d의 OLR에서 0.21 LCH4/gsCOD 제거 ± 0.21 LCH 4/g sCOD와 0.43 ± 0.03 L/L∙d의 부피를 달성했습니다. 마찬가지로 Xu 등은 5.8 g COD/L∙d, 35°C의 OLR에서 1.16 L/L∙d의 메탄 부피를 관찰한 반면, 우리 시스템은 6g sCOD/L∙d의 유사 OLR에서 1.64 ± 0.05 L∙d를 생산했습니다. HRT가 OLR 5와 7 g sCOD/L∙d 사이 5.2 ± 0.1일에서 3.7 ± 0.1일로 감소하면서 메탄 수율과 부피는 안정적이었으나, OLR이 7* g sCOD/L∙d일 사이에서 2.1 ± 0.2일로 더 줄어들자 통계적으로 유의미한 감소가 나타났습니다(p < 0.05). 메탄 생산량은 0.35 ± 0.01에서 0.28 ± 0.01 LCH4/gsCOD로 21% 감소했으며, 메탄 부피는 1.93 ± 0.04에서 0.02 L/d± 1.24로 36% 감소했습니다. 이러한 감소는 앞서 논의한 COD 및 VFA 제거 감소와 상관관계가 있어, 짧은 HRT가 미생물과의 접촉 시간과 유기물의 메탄 전환을 제한함을 시사합니다. 따라서 높은 유기 부하 하에서 최적의 생전기화학적 효율을 유지하기 위해서는 충분한 보존 시간이 필수적입니다.
CH4 수익량은 COD 기준으로 추가됨
COD 첨가 기준 메탄 수율은 OLR이 증가할수록 향상되었으나, HRT의 한계로 인해 OLR이 높을 때 안정화되었습니다. 그림 4B에서 보듯, 메탄 수율은 1 g sCOD/L∙d에서 0.07 ± 0.01 L LCH4/g sCODAded에서 5 g sCOD/d에서 0.01 LCH4/g sCODAded<± 0.28 0.01 LCH 4/g sCODAded)로 크게 증가했습니다. 그러나 OLR 5에서 7 g sCOD/L∙d까지는 약 0.28 LCH 4/g sCODAdded에서 약 0.28 LCH4/g sCODAdded로 안정화되었으며>, 이는 기질 가용성의 추가 증가가 전환 효율 향상으로 이어지지 않았음을 시사합니다. 이 발견은 주로 높은 OLR에서 HRT가 감소했기 때문이며, 이는 효과적인 VFA 분해에도 불구하고 비-VFA 유기 화합물의 메탄 전환을 제한했습니다. 표 5는 이 관찰을 뒷받침하며, OLRs 5와 7 g sCOD/L∙d 사이에서 이들 유기 화합물의 제거 속도가 증가하지 않아 배출수 내 제거율이 증가했음을 보여줍니다. 또한, OLR 7* g sCOD/L∙d에서의 추가 HRT 감소는 메탄 수율이 현저히 감소하여, VFA조차도 충분한 보존 시간 부족으로 인해 메탄으로 충분히 전환되지 않는 임계점을 보여준다.
CH 4 내용
OLER이 증가함에 따라 BEAD 내 메탄 함량이 향상되어 고부하에서 안정화되었습니다. 그림 4C에서 보듯, 시스템은 6 g sCOD/L·d의 OLR에서 75.0 ± 0.3%의 최고 메탄 함량에 도달했으며, 이후 7 g sCOD/L·d의 OLR에서 각각 74.3 ± 1.2%와 74.0 ± 0.8%로 증가했습니다. 특히, 이러한 높은 OLR들 사이에서 메탄 함량에 통계적 차이(p > 0.05)가 관찰되지 않아 높은 부하율에서 안정적인 바이오가스 품질을 보였음을 시사합니다. 더욱이 이 시스템은 다른 BEAD 연구들보다 우수한 성과를 냈으며; 예를 들어, Xu 등은 35°C의 조절된 온도에서 합성 폐수를 사용하여 5.8 g COD/L∙d의 OLR에서 메탄 함량이 62.3%를 보고한 반면, 우리 반응기는 실온(22 °C)에서 실제 폐수를 사용하여 6 g sCOD/L∙d의 OLR에서 75.0 ± 0.3%를 달성했습니다.
OLR이 7* g sCOD/L∙d이고 HRT가 2.1 ± 0.2일 감소했을 때, 메탄 함량은 72.7 ± 0.5%로 소폭 감소했습니다. 그러나 이 변화는 HRT 3.7 ± 0.1일, OLR 7 g sCOD/L∙d에서의 메탄 함량에 비해 통계적으로 유의미하지 않아(p > 0.05), 접촉 시간이 줄어든 상태에서도 유효 메탄 함량을 유지했음을 시사합니다.
BEAD 시스템의 전기화학적 성능
전류 밀도와 CE는 OLR 증가에 따라 크게 개선되었으며, OLR 6g sCOD/L·d에서 최대 값에 도달했으며, 각각 13.8 ± 0.3 A/m 3 , 1.97 ± 0.04%에 도달했습니다. 그러나 OLR을 7 g sCOD/L∙d로 추가로 증가시키자 성능이 크게 저하되었고(p < 0.05), 전류 밀도와 CE는 각각 6.2 ± 0.1 A/m 3 , 0.81 ± 0.01%로 떨어졌으며, 이는 그림 5A와 B에 나타난 것입니다. EC 값 감소는 대부분의 전자가 전류로 회수되지 않고 메탄 생성에 집중되었음을 나타내며, 이는 시스템의 주요 기능인 혐기성 소화 과정과 일치합니다. 이러한 감소는 기질 과부하나 고OLR에서의 영양 불균형 때문일 수 있습니다. 높은 OLR에서의 높은 기판 농도는 양극에서 외전자기원과 메탄원체 간의 경쟁을 심화시켜 종종 메탄원을 유리하게 하여 현재세대 52를 감소시킬 수 있습니다. 또한, 높은 OLR에서의 영양소 가용성이 제한되면 외전자기원의 성장과 활성을 억제하여 전류 생산이 감소할 수 있습니다53.
합성 양조장 폐수를 사용하는 다른 BEAD 시스템과 비교할 때, 우리 시스템은 높은 OLR에서는 더 높은 전류 생산을 보여주었으나, 낮은 OLR에서는 전기화학적 성능이 낮아 폐수 복잡성의 영향을 강조했습니다. 예를 들어, 6 g sCOD/L∙d의 OLR에서 우리 시스템은 Xu 등이 보고한 1.41 A/m3보다 더 높은 전류 밀도를 달성했으며, 이는 35 °C에서 5.8 g COD/L∙d의 비교 가능한 OLR이었습니다. 그러나 2 g sCOD/L∙d의 OLR에서 현재 밀도 1.9 ± 0.1 A/m3, CE 1.58 ± 0.14%의 OLR에서의 BEAD 성능은 Sangeetha 등이 관찰한 14.3 A/m 3및 15%보다 낮았습니다. 이 발견들은 합성 기질이 실제 폐수와 달리 미생물 경쟁이 줄어 전자 회수를 촉진한다는 점을 강조합니다. 실제 폐수는 더 다양하고 경쟁적인 미생물 군집을 포함하고 있기 때문입니다12,54.
흥미롭게도, HRT 감소에도 불구하고 현재 생산량은 안정적으로 유지되었습니다. 구체적으로, OLR이 7* g COD/L∙d인 상태에서 HRT를 3.7 ± 0.1일에서 2.1 ± 0.2일로 줄였으나, 전류 밀도(p > 0.05)는 통계적으로 유의미한 변화를 보이지 않았으며, 6.2 A/m3에서 안정적으로 유지되었습니다. 이러한 일관성은 HRT의 변동이 반드시 현재 밀도 변화와 상관관계가 없다는 것을 시사합니다. 이 발견은 외부 전자기원과 기판 간 접촉 시간이 짧아져 유기 제거 효율이 감소했음에도 불구하고, 양극으로의 전자 전달 속도는 영향을 받지 않았다는 점을 시사한다는 점에서 매우 중요합니다. 이 관찰은 HRT가 유의미하게 감소했음에도 전류 밀도가 안정적이라고 보고한 Castellano-Hinojosa 등55의 연구 결과와 일치합니다. 마찬가지로, Song 등56 은 HRT를 10일에서 5일로 줄였음에도 불구하고 유출 sCOD가 439.0 ± 129.8에서 36 mg/L± 749.0으로 크게 증가했음에도 불구하고, 전류 밀도는 233 A/m3로 유지됨을 관찰했습니다. 이 발견들은 DIET와 관련된 생전기화학적 상호작용이 보존 시간이 단축되어도 BEAD에서 효과가 유지될 수 있음을 시사합니다.
적용 전위가 BEAD 성능에 미치는 영향 - 2단계:
응용 전위가 COD 제거에 미치는 영향
결과는 OLR이 높은 단계에서 BEAD 시스템에 적용된 전위가 제어 AD 시스템에 비해 COD 제거 효율을 개선했으나, 낮은 OLR에서는 미미한 영향을 미쳤음을 보여주었으며, 이는 그림 2와 표 3에서 확인할 수 있습니다. 구체적으로, 5 g sCOD/L∙d의 높은 OLR에서 BEAD는 92.7 ± 0.6%의 COD 제거 효율을 달성했으며, 이는 AD 시절의 85.3 ± 0.6%보다 유의미하게 높았다(p < 0.05). 반면, 2g 및 3 g sCOD/L∙d의 낮은 OLR에서는 통계적으로 유의미하지 않았으며(p > 0.05), 두 시스템 모두 비슷한 높은 효율을 보였습니다(2g sCOD/L·d에서 96.2 ± 0.1% 대 96.6 ± 0.3%, 3g sCOD/L∙d에서 94.1 ± 1.2% 대 94.7 ± 0.8%). 이 추세는 Tartakovsky 등(57)의 연구 결과와 일치하는데, 이들은 전위가 적용된 시스템과 없는 시스템에서 낮은 OLR에서 유사한 COD 제거 효율을 보고했으나, 전위 적용이 전통적인 AD에 비해 높은 OLR에서 COD 제거 효율을 현저히 향상시킨다는 점을 지적했습니다. 이러한 관찰은 적용된 전위가 미생물 간 상호작용과 전자 전달 과정을 촉진할 수 있으며, 이는 DIET와 연관되어 유기 분해를 더욱 효과적으로 촉진할 수 있음을 시사합니다.
최고 OLR인 7* g sCOD/L∙d에서 HRT가 2일로 줄어들었을 때, 적용된 잠재력은 COD 제거 효율에 제한적인 영향을 미쳤다. BEAD는 COD 제거 효율이 64.6± 2.1%로, AD에서 관찰된 61.9± 1.5%보다 약간 높았으나, 통계적으로 유의미하지 않았습니다(p > 0.05). 이는 높은 OLR이 적용 전위가 COD 제거를 향상시키는 잠재적 이점을 보여줄 수 있지만, HRT 감소는 시스템이 이러한 생전기화학적 이점을 완전히 활용하는 능력을 제한함을 시사합니다. 이는 단축된 HRT가 미생물 활동과 전자 전달 과정(DIET와 연관될 수 있음)에 충분한 시간을 제공하지 않기 때문일 수 있어, 적용 전위의 이점과 보존 시간 감소로 인한 한계를 모두 고려한 균형 잡힌 운영 전략의 필요성을 강조합니다.
가전 전위가 VFA 제거에 미치는 영향
그림 6A–E와 표 5는 BEAD가 복잡한 VFA 분해에서 AD보다 훨씬 우수한 성능을 보여준다. 특히, 5g sCOD/L∙d의 OLR에서 BEAD는 프로피온산 및 부티르산을 100% 제거했는데, 이는 AD 시절의 58.2%와 77.6%에 비해 높았습니다(그림 6E). 이는 VFA 분해를 가속화할 뿐만 아니라 메탄생성의 동역학도 개선하는 생전기화학 과정을 향상시키는 응용 전위가 효과적임을 강조합니다58,59. 이 OLR에서의 폐수 조성 분석은 이러한 우수한 성능을 더욱 확인시켜 줍니다: BEAD 폐수는 87%가 아세트산으로 구성되어 있으며 프로피온산 또는 부티르산이 검출되지 않았고, AD 폐수는 64% 아세트산에 19% 프로피온산과 17% 부티르산을 포함하고 있었습니다(그림 6D).
BEAD는 단축된 HRT에서도 프로피온산과 부티르산의 우수한 제거를 유지했습니다. HRT가 2일 감소한 상태에서 7* g sCOD/L∙d의 최고 OLR에서 BEAD는 부티르산 제거율을 66.4%로 달성했으며, 이는 AD의 50.9%보다 훨씬 높았습니다. 프로피온산의 경우 BEAD는 33.2%를 제거했으며, AD는 유입 수치를 초과하는 배출율을 보여 열화가 미흡함을 나타냈습니다. BEAD의 이러한 우수한 성능은 DIET와 관련된 생전기화학 상호작용의 증진에 기인할 수 있으며, 이는 AD에서 수소 간 수소 이동(HIT)보다 아세토겐 프로피온산 및 부티르산 산화 박테리아와 메탄겐 간 전자 전달을 더 효과적으로 촉진하여 높은 OLR15, 16, 60, 61에서 VFA 축적을 줄일 수 있습니다.
적용 전위가 CH4 생성에 미치는 영향:
CH4 수율 및 체적 CH4 생산
BEAD는 특히 3, 5, 7* g sCOD/L∙d의 OLR에서 AD에 비해 메탄 수율과 부피에서 우수한 성능을 보였으며, 기질의 가용성이 향상된 생전기화학적 활성을 지원했습니다(그림 4A, 표 3). 특히 OLR 5 g sCOD/L∙d에서 관찰된 가장 유의미한 차이는 BEAD가 0.30 ± 0.01 LCH4/g sCOD제거 비율을 달성하여 AD의 0.25 ± 0.01 수율보다 20% 높았다(p < 0.05). 메탄 양도 비슷한 추세를 보였으며, OLR 5, 3, 7*에서 BEAD가 각각 30%, 20%, 16%를 초과했습니다(p < 0.05). 이러한 장점은 폐쇄회로 시스템이 촉진하는 효율적인 전자 전달 메커니즘 덕분으로, 애노드가 신뢰할 수 있는 전자 수용체 역할을 하여 음극62로 전자 흐름을 촉진합니다. 반면, AD의 개방회로는 전자 손실이 더 커서 메탄 생산 효율이 떨어질 가능성이 큽니다. 더불어, BEAD는 DIET와 연관된 향상된 생전기화학 상호작용을 통해 메탄생성을 위한 추가 경로를 제공하여 프로피오네이트와 부티레이트와 같은 복잡한 VFA를 메탄으로 보다 효과적으로 전환할 수 있게 할 수 있습니다. 유일한 예외는 2g sCOD/L·d에서 관찰되었으며, BEAD는 탄소 가용성 제한과 전기활성 미생물의 초기 적응 때문일 수 있어 명확한 이점이 없었습니다.
적용된 전위는 메탄 생산을 개선했을 뿐만 아니라 그림 7에 나타난 것처럼 공정 안정성도 향상시켰습니다. 5 g sCOD/L∙d의 OLR에서 11상 BEAD 운용은 비교적 안정적인 메탄 수율을 보였으며, 평균 0.298 LCH₄/gsCOD 제거, 표준 편차 0.008 LCH₄/g sCOD제거, 변동계수(CV)는 2.81%였습니다. 반면, 12상 AD 투여 후 메탄 수율은 훨씬 더 큰 변동을 보였으며, 0.33에서 0.16 LCH₄/gsCOD 제거, 표준 편차 0.054 LCH₄/g sCOD제거 , CV 20.87%로 증가했습니다. 시스템이 13단계에서 다시 BEAD로 전환되자 메탄 생산이 빠르게 회복되어 안정적이 되었으며, 평균 수율은 0.312 LCH₄/g sCOD제거 및 CV 6.23%로 감소했습니다. 특히 13단계의 안정된 기간 동안 CV가 1.95%로 더 감소했는데, 이는 AD 작동으로 인한 교란 이후 BEAD 작동이 공정 안정성을 회복했음을 나타냅니다. 이러한 정량적 결과는 적용된 전위가 메탄 생산 증가뿐만 아니라 운영 변동성 감소와 빠른 안정화에도 기여했음을 보여줍니다. 이 발견은 Park 등63의 연구와 일치하는데, 그들은 BEAD 시스템이 빠른 유기 산화와 메탄 생성을 촉진하여 메탄 생성 속도를 높이고 안정화 시간을 단축하여 기존 AD 공정에 비해 명확한 이점을 제공한다고 보고했습니다.
CH 4 내용
BEARD는 OLR이 높은 OLR에서 74.0 ± 0.8%와 72.7 ± 0.5%에 달하는 반면, AD는 5g sCOD/L∙7 Olr에서 각각 71.0 ±± 0.8%와 70.0 0.5%(p < 0.05)를 기록했습니다. 이는 그림 7에 나타난 것입니다. 그러나 2 g 및 3 g sCOD/L∙d의 낮은 OLR에서는 통계적으로 유의미하지 않았습니다(p > 0.05). 이는 BEAD에서 VFA 분해가 더 많아질수록 이산화탄소(CO2)가 더 많이 발생하고, 이 중 일부는 CH4로 전환되고 나머지는 가스 주머니 내CO2를 증가시켜 CH4 함량은 변하지 않기 때문인 것으로 보입니다. 유사한 추세는 다른 연구들에서도 관찰되었는데64, 65, 66, 이는 CH4 퍼센트와 부피의 증가가 반드시 동시에 나타나지 않음을 나타냅니다. 인가 전압을 1.23V 이상으로 높이면 수로 전기분해를 촉진하여 수소(H2)를 생성하고, 이 수소는 추가CO2를 메탄57,66으로 전환할 수 있습니다. 하지만 이러한 접근법은 과도한 잠재력 문제를 초래하여 에너지 비효율성과 운영 문제로 이어질 수 있습니다. 따라서 전압 조정은 향상된 메탄 생산과 시스템 효율성의 균형을 맞추기 위해 신중하게 최적화되어야 합니다.
BEAD 시스템의 에너지 효율성
그림 8 은 BEAD가 모든 OLR에서 일관되게 높은 에너지 효율(~1000%)을 유지했음을 보여줍니다. 특히, 7* g sCOD/L∙d의 최고 OLR과 2일간의 단축된 HRT에서도 0.03 ± 0.01 Wh/g sCOD제거로 높은 에너지 효율을 달성했습니다. 이는 기존 활성 슬러지 공정에서제거 된 0.7에서 2 Wh/g sCOD의 일반적인 에너지 소비보다 훨씬 낮은 수치입니다67. 더불어 OLR 증가에 따른 에너지 효율성의 소폭 저하가 관찰되었으나, 변동은 미미하여 BEAD가 유기 하중 증가와 유압 유지 시간 감소 하에서도 안정적인 에너지 성능을 유지했음을 나타냈다. 이 결과는 BEAD가 적용된 전기 입력 범위 내에서 높은 에너지 효율로 메탄 생산을 향상시킬 수 있음을 시사합니다. 하지만 현재 에너지 분석에서는 공급 펌핑 및 재순환과 같은 다른 운영 에너지 수요를 고려하지 않는다는 점을 유의해야 합니다. 따라서 보고된 에너지 효율은 부분적인 에너지 균형을 반영하며, 전체 운영 조건에서 전체 에너지 성능을 평가하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
영양소 제한(고C/N) 양조장 폐수에서의 BEAD 성능
양조장 폐수의 높은 C/N 비율에도 불구하고, BEAD는 효율적인 COD 제거, VFA 분해, 메탄 생성 등 상당한 성과를 달성했습니다. 양조장 폐수는 일반적으로 유기물 함량이 높고 질소가 적어 C/N 비율이 68,69,70,71로 높게 나타납니다. 이 해석은 서로 다른 C/N 비율 간의 통제된 비교가 아니라 유입물의 관찰된 특성에 기반합니다. 기존 AD 공정에서는 양조장 폐수에 영양소 보충이 종종 필요하며, C/N 비율을 낮추고 미생물 성장을 지원하기 위해69, 70, 71, 99, 71을 지원하지만, 이 연구에서는 추가 영양소가 첨가되지 않았습니다. 강한 BEAD 성능은 영양소 결핍 조건에서 미생물 활동과 반응기 안정성을 향상시키는 인포 퍼텐셜 때문인 것으로 보입니다72,73. C/N 비율이 BEAD 성능에 미치는 영향에 대한 연구는 제한적이며, 대부분의 연구는 낮거나 중간 정도의 C/N 비율(0.6–25)74, 75, 76에 초점을 맞추고 있습니다. 앞서 언급했듯이, 양조장 폐수 처리를 위한 BEAD 시스템에 대한 구체적인 연구는 드물다. 더불어, 합성 양조장 폐수를 사용한 연구에서는 일반적으로 최적의 C/N 비율을 달성하기 위해 영양분을 첨가했으나, 실제 양조장 폐수를 대상으로 한 두 연구는 C/N 비율이 BEAD 성능에 미치는 영향을 측정하거나 고려하지 않았습니다20,22. 따라서 실제 양조장 폐수를 이용한 BEAD 시스템에서 낮은 C/N 비율의 변화가 어떤 역할을 하는지 추가 연구가 필요합니다.
데이터 가용성:
연구와 관련된 데이터는 논문과 보충 파일 2에 포함되어 있습니다.
그림 1: 본 연구에 사용된 생체전기화학 원자로 시스템의 구성 및 운영 설정. (A) 탄소 기반 전도성 재료로 채워진 채워진 채 양극, 음극실, 분리기, 유출 및 배출 라인, 내부 재순환 루프, 가스 샘플링 포트, 가스 수집 백, 그리고 포텐셔스탯에 연결된 외부 전기 회로를 포함한 주요 시스템 구성 요소의 회로 도식적 예시입니다. 전기화학 모니터링 및 제어. 전류 집수기, 샘플링 포트, 공급 펌프, 재순환 펌프, pH 모니터링 시스템의 위치도 표시되어 있습니다. (B) 작동 전 조립된 원자로의 사진으로, 수직 컬럼 설계, 적재 양극 구조, 분리층, 음극 영역, 인플루언트 라인, 샘플링 포트, 재순환 연결을 강조합니다. (C) 연속 재순환 조건 하에서의 원자로 성능을 보여주는 원자로 사진 촬영, 액체 흐름 경로, 전극 표면의 바이오필름 형성, 외부 튜빙 연결, 포텐셔스탯에 연결된 전기 배선 등을 포함합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 2: BEAD 시스템과 기존 AD 시스템에서 서로 다른 OLRs에서의 COD 제거 효율. COD 제거(%)는 과부하 상태(7*)를 포함한 OLR에서 1에서 7g sCOD/L·d까지 평가되었습니다. 도표는 점점 증가하는 기판 하중 조건에서 BEAD 및 AD 원자로의 처리 성능을 비교한 것입니다. 오차 막대는 반복 측정값의 표준편차를 나타냅니다. n = 3. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
3: BEAD 시스템 내 다양한 OLR에서의 VFA 생성 및 구성. (A) OLR에서 측정된 총 유출 및 폐수 VFA 비율은 1에서 7 g sCOD/L·d에 이르며, 기질 하중이 VFA 축적 및 제거 성능에 미치는 영향을 보여준다. (B) 다양한 OLR 조건 하에서 유입 및 폐수 하천에서 아세테이트, 프로피오네이트, 부티레이트를 포함한 주요 VFA의 분포. 점선 수직선은 OLR 변화에 따른 운용 상전이를 나타냅니다. VFA 비율은 g sCOD/L·d로 표현됩니다. 이 수치의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 4: BEAD 및 AD 시스템에서 다양한 OLR에서의 메탄 생산 성능. (A) COD로 정규화된 메탄 수율 제거; (B) 메탄 수율이 COD에 정규화된 값; 그리고 (C) OLR에서 생산된 바이오가스 내 메탄 함량(%)은 1에서 7g sCOD/L·d(과부하 상태인 7*)까지 다양합니다. 그림은 두 원자로 구성에서 기질 부하 증가가 메탄 회수 효율과 바이오가스 품질에 미치는 영향을 보여줍니다. 메탄 수율은 L CH₄/g COD로 표현됩니다. 오차 막대는 반복 측정값의 표준편차를 나타냅니다. n = 3. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 5: 다양한 OLRs에서 BEAD 시스템의 전기화학적 성능. (A) OLR에서 발생하는 전류 밀도는 1에서 7 g sCOD/L·d에 이르며, 이는 기판 하중과 생전기화학 활동 간의 관계를 입증합니다. (B) 다양한 OLR 조건에서의 쿨롱 효율(%), 전체 기판 산화에 비해 전류로 회수된 전자의 비율을 나타냅니다. 전류 밀도는 A/m3으로 표현됩니다. 오차 막대는 반복 측정값의 표준편차를 나타냅니다. n = 3. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 6:. BEAD 및 AD 시스템에서 VFA 역학과 배출물 조성에 미치는 인가 전위(Applied potential)의 영향. (A) 다양한 인가 전위 및 OLR 조건에서의 총 VFA 비율; (B) 프로피오네이트 생산 및 제거율; (C) 부티레이트 생산 및 제거 속도; (D) OLR 5 g sCOD/L·d에서의 유출 및 배출 COD 조성, 아세테이트, 프로피온산, 부티레이트 및 기타 화합물의 상대적 분포를 보여줌; 그리고 (E) 다양한 OLR 조건에서의 부티르레이트 제거 효율(%). 도표는 전기화학 자극이 중간 발효 생성물과 기질 전환 경로에 미치는 영향을 보여줍니다. VFA 비율은 g sCOD/L·d로 표현됩니다. 오차 막대는 해당되는 경우 반복 측정값의 표준편차를 나타냅니다. n = 3. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 7: BEAD 원자로 시스템의 장기 운영 중 제거된 COD로 정규화된 메탄 수율의 시간적 변동. 메탄 수율은 다양한 운영 단계와 OLR 조건에서 365일간 모니터링되었습니다. 수직 점선은 원자로 과부하 후 회수 단계를 포함한 운영 단계 간 전환을 나타냅니다. 메탄 수율은 L CH₄/g sCOD 제거로 표현됩니다. 그림은 장시간 연속 가동 시 원자로 안정성과 메탄 생산 성능을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
그림 8: 다양한 OLR 하에서 BEAD 시스템에서 인가 퍼텐셜이 에너지 회수 및 에너지 효율에 미치는 영향. 이 수치는 3, 5, 7* g sCOD/L·d의 OLR에서 회수 에너지, 소비된 전기 에너지, 전체 에너지 효율(%)을 비교한 것입니다. 회수된 에너지와 소비된 에너지는 Wh/g sCOD 제거로 표현됩니다. 그림은 전기화학 자극과 다양한 기판 하중 조건 하에서 BEAD 시스템의 에너지 성능을 보여줍니다. 오차 막대는 반복 측정값의 표준편차를 나타냅니다. n = 3. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
| 매개변수 | 가치 |
| sCOD (mg/L) | 8,000-30,343 |
| VFA/sCOD | 0.1-0.4 |
| TS (%) | 0.85-1.4 |
| VS (%) | 0.6-1.3 |
| VS/TS | 0.7-0.93 |
| pH | 5.2-6 |
| 탄 (mg/L) | 5-5.2 |
표 1: 반응기 운영 중 사용되는 양조장 폐수의 특성. 표는 실험 기간 동안 양조장 폐수에서 측정된 sCOD, VFA/sCOD, TS, VS, VS/TS 비율, pH, 탄 탄(TAN) 범위를 요약한 것입니다.
| 무대 | 단계 | 설명 | 기질 | OLR (죽음/죽음) | 응용 전위 (1.2 V) | HRT (데이즈) |
| 1단계: OLR의 영향 | 5 | 가장 낮은 OLR 상태 | 양조장 WW | 2 | 네 | 4-5 |
| 6 | 공유 단계 (2단계 기준) | 양조장 WW | 1 | 네 | 4-5 | |
| 9 | 공유 단계 | 양조장 WW | 3 | 네 | 4-5 | |
| 10 | OLR 증가 | 양조장 WW | 4 | 네 | 4-5 | |
| 11 & 13 | 안정성 검증을 위한 OLR=5에서의 반복 위상 | 양조장 WW | 5 | 네 | 4-5 | |
| 14 | OLR 증가 | 양조장 WW | 6 | 네 | 4-5 | |
| 15 | 높은 OLR | 양조장 WW | 7 | 네 | 3-4 | |
| 16 | 최대 하중 | 양조장 WW | 7* | 네 | 2 | |
| 2단계: 응용 잠재력의 영향 | 5 | 1단계와 같은 상태입니다 | 양조장 WW | 2 | 네 | 4-5 |
| 7 | 적용 잠재력 없이 | 양조장 WW | 2 | 아니 | 4-5 | |
| 9 | 스테이지 1과 동일합니다 | 양조장 WW | 3 | 네 | 4-5 | |
| 8 | 적용 잠재력 없이 | 양조장 WW | 3 | 아니 | 4-5 | |
| 11&13** | 1단계와 동일한 반복 단계 | 양조장 WW | 5 | 네 | 4-5 | |
| 12 | 적용 잠재력 없이 | 양조장 WW | 5 | 아니 | 4-5 | |
| 16 | 스테이지 1과 동일합니다 | 양조장 WW | 7* | 네 | 2 | |
| 17 | 적용 잠재력 없이 | 양조장 WW | 7* | 아니 | 2 |
표 2: OLR과 인가된 퍼텐셜이 원자로 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 사용된 실험 설계 및 운영 조건. 표는 연구 전반에 걸쳐 사용된 작동 단계, 기질 조건, 적용 전위 및 HRT를 요약한 것입니다. 과부하 상태(7*)는 동일한 OLR에서 HRT가 줄어든 상태임을 나타냅니다.
| OLR | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 7* | ||||
| 매개변수 | 비드 | 비드 | AD | 비드 | AD | 비드 | 비드 | AD | 비드 | 비드 | 비드 | AD |
| 사인(COD) 제거 (%) | 96.2 ± 1.0 | 96.2 ± 0.1 | 96.6 ± 0.3 | 94.1 ± 1.2 | 94.7 ± 0.8 | 81.6 ± 1.1 | 92.7 ± 0.6 | 85.3 ± 0.6 | 85.1 ± 1.7 | 79.2 ± 0.8 | 64.6 ± 2.1 | 61.9 ± 1.5 |
| CH4 폭발물제거 (LCH4/g 스코드 이동) | 0.07 ± 0.01 | 0.21 ± 0.01 | 0.25 ± 0.01 | 0.26 ± 0.01 | 0.23 ± 0.01 | 0.29 ± 0.01 | 0.30 ± 0.01 | 0.25 ± 0.01 | 0.33 ± 0.01 | 0.35 ± 0.01 | 0.28 ± 0.01 | 0.25 ± 0.01 |
| CH4 추가 수율 (LCH4/g sCODAded) | 0.07± 0.01 | 0.20 ± 0.01 | 0.24 ± 0.01 | 0.25 ± 0.01 | 0.22 ± 0.01 | 0.24 ± 0.01 | 0.28 ± 0.01 | 0.21 ± 0.01 | 0.28 ± 0.01 | 0.28 ± 0.01 | 0.18 ± 0.01 | 0.15 ± 0.01 |
| 제4장 권 (L/L.d) | 0.07 ± 0.02 | 0.43 ± 0.03 | 0.46 ± 0.02 | 0.77 ± 0.01 | 0.64 ± 0.02 | 0.96 ± 0.04 | 1.42 ± 0.07 | 1.09 ± 0.08 | 1.64 ± 0.05 | 1.93 ± 0.04 | 1.24 ± 0.02 | 1.07 ± 0.01 |
| CH4 (%) | 43.0 ± 1.4 | 69.0 ± 1.6 | 71.0 ± 0.8 | 70.3 ± 0.9 | 68.0 ± 2.1 | 70.7 ± 0.5 | 74.0 ± 0.8 | 71.0 ± 0.8 | 75.0 ± 0.3 | 74.3 ± 1.2 | 72.7 ± 0.5 | 70.0 ± 0.5 |
| CE (%) | 1.58 ± 0.14 | 0.69 ± 0.07 | - | 0.93 ± 0.14 | - | 0.89 ± 0.10 | 1.64 ± 0.10 | - | 1.97 ± 0.04 | 0.81 ± 0.01 | 0.98 ± 0.03 | - |
| 전류 밀도 (A/m3) | 2.3 ± 0.1 | 1.9 ± 0.1 | - | 3.8 ± 0.6 | - | 4.1 ± 0.4 | 10.8 ± 0.2 | - | 13.8 ± 0.3 | 6.2 ± 0.1 | 6.2 ± 0.2 | - |
| HRT (일간) | 5.3 ± 0.2 | 5.5 ± 0.3 | 5.3 ± 0.1 | 4.6 ± 0.1 | 5.3 ± 0.1 | 3.6 ± 0.1 | 5.2 ± 0.1 | 4.1 ± 0.1 | 4.4 ± 0.3 | 3.7 ± 0.1 | 2.1 ± 0.2 | 2.0 ± 0.1 |
표 3: BEAD 및 AD 시스템에서 서로 다른 OLR에서의 성능 매개변수. 표는 다양한 운용 조건에서 COD 제거, CH₄ 수율, CH₄ 부피, CH₄ 함량, CE, 전류 밀도, HRT를 요약합니다. 값은 각 동작 단계에서 정상 상태 측정을 기반으로 한 평균 ± 표준편차로 제시됩니다. 과부하 상태(7*)는 HRT가 줄어든 동일한 OLR에서 작동함을 나타냅니다.
| OLR | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 7* | ||||
| 매개변수 | 비드 | 비드 | AD | 비드 | AD | 비드 | 비드 | AD | 비드 | 비드 | 비드 | AD |
| 인플루언트 아세테이트 (죽음/죽음) | 0.03 | 0.06 | 0.08 | 0.08 | 0.13 | 0.09 | 0.3 | 0.46 | 0.34 | 0.9 | 0.38 | 0.21 |
| 인플루언트 프로피오네이트 (죽음/죽음) | 0 | 0 | 0 | 0.13 | 0 | 0.19 | 0.48 | 0.34 | 0.56 | 0.82 | 0.55 | 0.07 |
| 유입 부채산염 (죽음/죽음) | 0.07 | 0.28 | 0.11 | 0.23 | 0.16 | 0.39 | 0.79 | 0.56 | 0.91 | 1.18 | 0.86 | 0.76 |
| 아세테이트 배출물 (죽음/죽음) | 0 | 0 | 0 | 0.03 | 0.03 | 0.26 | 0.32 | 0.48 | 0.53 | 0.56 | 1.78 | 1.44 |
| 폐수 프로피오네이트 (죽음/죽음) | 0 | 0 | 0 | 0.03 | 0.03 | 0.21 | 0 | 0.14 | 0.14 | 0 | 0.37 | 0.24 |
| 부티레이트 폐수 (죽음/죽음) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.05 | 0 | 0.13 | 0.09 | 0.28 | 0.29 | 0.37 |
표 4: BEAD 및 AD 시스템 내 다양한 OLR에서의 VFA 요금. 표는 다양한 운영 조건에서 유입 및 배출 아세테이트, 프로피오네이트, 부티레이트 비율을 g sCOD/L·d 단위로 요약한 것입니다.
| OLR | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 7* | ||||
| 매개변수 | 비드 | 비드 | AD | 비드 | AD | 비드 | 비드 | AD | 비드 | 비드 | 비드 | AD |
| 영향력 있는 COD (죽음/죽음) | 1.1 | 2.1 | 1.93 | 3.13 | 2.91 | 4.04 | 5.11 | 5.11 | 5.91 | 6.92 | 6.96 | 6.97 |
| 영향력 있는 VFA (죽음/죽음) | 0.1 | 0.34 | 0.19 | 0.44 | 0.29 | 0.67 | 1.56 | 1.36 | 1.81 | 2.89 | 1.79 | 1.04 |
| 영향력 있는 타자** (죽음/죽음) | 1 | 1.76 | 1.74 | 2.69 | 2.62 | 3.37 | 3.55 | 3.75 | 4.1 | 4.03 | 5.17 | 5.93 |
| 폐수 COD (죽음/죽음) | 0.04 | 0.08 | 0.07 | 0.18 | 0.15 | 0.75 | 0.37 | 0.75 | 0.88 | 1.44 | 2.47 | 2.66 |
| 폐수 VFA (죽음/죽음) | 0 | 0 | 0 | 0.06 | 0.05 | 0.52 | 0.32 | 0.75 | 0.76 | 0.84 | 2.44 | 2.05 |
| 폐수 기타 (죽음/죽음) | 0.04 | 0.08 | 0.07 | 0.12 | 0.1 | 0.23 | 0.05 | 0 | 0.12 | 0.6 | 0.03 | 0.61 |
| COD를 삭제했습니다 (죽음/죽음) | 1.06 | 2.02 | 1.86 | 2.95 | 2.76 | 3.29 | 4.74 | 4.36 | 5.03 | 5.48 | 4.49 | 4.31 |
| VFA 삭제 (죽음/죽음) | 0.1 | 0.34 | 0.19 | 0.38 | 0.24 | 0.15 | 1.24 | 0.61 | 1.05 | 2.05 | - | - |
| 삭제된 기타 (죽음/죽음) | 0.96 | 1.68 | 1.67 | 2.57 | 2.52 | 3.14 | 3.5 | 3.75 | 3.98 | 3.43 | 5.14 | 5.32 |
표 5: BEAD 및 AD 시스템 내 다양한 OLR 하에서 COD 분포, VFA 속도 및 기타 화합물 제거. 표는 다양한 원자로 작동 조건에서 유입, 배출, 제거된 COD 분획, VFA 및 기타 화합물을 g sCOD/L·d로 표현한 것을 요약합니다. "기타"는 비VFA 화합물이 COD에 기여하는 것을 의미합니다.
보조 그림 1. 영향 있는 VFA/sCOD 비율이 BEAD 내 COD 제거 효율에 미치는 영향. 이 도 표는 유입 VFA/sCOD 비율이 1에서 0.2로 감소했을 때 BEAD 원자로의 COD 제거 성능을 비교한 것입니다. 오차 막대는 반복 측정값의 표준편차를 나타냅니다. n = 3. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
보조 그림 2. BEAD에서 유입 VFA/sCOD 비율이 CH4 수율에 미치는 영향(제거된 COD 기준). 이 그림 은 영향력 VFA/sCOD 비율이 1에서 0.2로 감소했을 때 BEAD 원자로의 CH₄ 수율을 비교한 것입니다. 오차 막대는 반복 측정값의 표준편차를 나타냅니다. n = 3. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
보충 그림 3. 영향력 있는 VFA/sCOD 비율이 BEAD 내 CH4 퍼센트에 미치는 영향. 이 도 표는 영향 VFA/sCOD 비율이 1에서 0.2로 감소할 때 BEAD 원자로의 CH₄ 함량을 비교한 것입니다. 오차 막대는 반복 측정값의 표준편차를 나타냅니다. n = 3. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
보조 그림 4. 영향 있는 VFA/sCOD 비율이 BEAD 내 전류 밀도에 미치는 영향. 이 그림 은 BEAD 원자로의 전류 밀도를 1에서 0.2로 감소시키는 방식입니다. 오차 막대는 반복 측정값의 표준편차를 나타냅니다. n = 3. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
보조 그림 5. 영향 있는 VFA/sCOD 비율이 BEAD 쿨롱 효율에 미치는 영향. 이 그림은 BEAD 원자로에서 유입 VFA/sCOD 비율이 1에서 0.2로 감소했을 때 쿨롱 효율을 비교한 것입니다. 오차 막대는 반복 측정값의 표준편차를 나타냅니다. n = 3. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
보충 표 1. 서로 다른 기판 조성에서의 성능 파라미터. 표는 COD 제거, CH₄ 수율, CH₄ 부피, CH₄ 함량, CE, 전류 밀도를 다양한 기판 조성에서 요약합니다. 값은 각 동작 단계에서 정상 상태 측정을 기반으로 한 평균 ± 표준편차로 제시됩니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
보충표 2. 억제성 화합물은 유입 및 배출물 내 농도를 나타냅니다. 표는 다양한 OLR 조건 하에서 BEAD 및 AD 유출 및 배출물에서 암모니아, 황산염, 황화물, H2O2 , PAA를 포함한 억제성 화합물을 요약합니다. 값은 각 동작 단계에서 정상 상태 측정을 기반으로 한 평균 ± 표준편차로 제시됩니다. 과부하 상태(7*)는 동일한 OLR에서 HRT가 줄어든 상태임을 나타냅니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
보충 파일 1. 영향 있는 VFA/sCOD 비율이 BEAD 성능 및 억제성 화합물 평가에 미치는 영향.이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
보조 파일 2. 원시 데이터.이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.
토론
BEAD는 COD 제거, VFA 열화, 메탄 수율, 공정 안정성 측면에서 다양한 OLR에서 기존 AD보다 꾸준히 우수한 성능을 보였습니다. 시스템의 주요 장점은 프로피온산과 부티르산과 같은 복잡한 VFA를 효율적으로 분해할 수 있다는 점으로, 이들은 혐기성 환경에서 분해하기 어렵습니다. 기질 가용성이 높아질수록 메탄 수율이 증가하여 최고 OLR 테스트 7 g sCOD/d에서제거된 메탄 수율은 0.35 LCH4/g sCOD에 도달했습니다. 메탄 생산은 적용된 잠재력으로부터 혜택을 받았으며, BEAD 내 메탄 부피는 다양한 OLR에서 AD 대비 16–30% 더 높았습니다. 이러한 향상은 전자 전달 과정의 개선에 기인할 수 있습니다. 기존 AD 시스템에서 전자 전달은 주로 IIET에 의해 제어되며, IIET는 수소와 포마트 같은 중간체에 의존하고, 확산 제약과 열역학적 비효율성77에 의해 제한되는 경우가 많습니다. 반면, BEAD에 외부 전위를 적용하면 직접 DIET가 촉진되어 용해성 매개체 없이도 전기활성 박테리아와 메탄겐 간 전자 교환이 더 효율적으로 이루어질 가능성이 높습니다. DIET와 연관될 수 있고 인가된 전위로 촉진되는 생체전기화학적 상호작용은 전자 손실 감소, 더 효과적인 유기 분해, 그리고 메탄 생성 증가로 이어질 수 있다77. IIET에서 DIET로의 이러한 전환은 전자 손실을 줄이고 공생 상호작용을 강화하며 유기 기판의 분해를 가속화하여 메탄 생성과 공정 안정성 향상에 기여할 수 있습니다. 이 연구에 사용된 양조장 폐수는 단일 원천에서 얻었으며, 관찰된 성능은 현장별 폐수 특성을 반영합니다. 따라서 결과는 시험된 조건의 맥락 내에서 해석되어야 하며, 모든 양조장 하수 시스템에 직접적으로 일반화되지는 않을 수 있습니다.
대체 접근법과 보완적 방법은 BEAD 시스템에서 메탄 생성과 전자 전달 증가의 메커니즘을 더 깊이 연구하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 16S rRNA 시퀀싱이나 메타게놈 분석을 통해 DIET와 관련된 전기활성 박테리아와 메탄생성체를 규명할 수 있습니다. CV와 EIS와 같은 전기화학 기법은 전자 전달 거동과 바이오필름 전도도에 대한 추가적인 통찰을 제공할 수 있습니다. 또한 SEM 및 형광 현미경은 전극 표면의 바이오필름 현상 및 미생물 상호작용을 조사하는 데 활용될 수 있습니다. 이러한 상호 보완적 접근법은 원자로 성능을 조절하는 생전기화학적 메커니즘에 대한 이해를 더 잘 제공할 것입니다.
BEAD는 높은 OLR을 효과적으로 처리했지만, HRT를 3.7일에서 2.1일로 줄이면서 COD 제거, VFA 분해, 메탄 생성이 감소하여 고유기 부하 하에서 공정 안정성을 위해 충분한 HRT의 중요성을 강조했습니다. 향후 연구에서는 양조장 고형 폐기물을 공동 공급으로 통합하고, 적용 퍼텐셜의 최적화, 그리고 더 넓은 범위의 폐수 조성과 운영 조건 하에서의 평가를 더욱 탐구해야 합니다. 또한, 향상된 통계적 복제 능력과 기존 AD 시스템에 대한 명확한 벤치마킹을 포함하는 연구는 BEAD의 상대적 성능을 더 잘 평가하는 데 도움이 될 것입니다. 이러한 노력은 시스템에 대한 보다 포괄적인 이해를 제공하고, 고강도 산업 폐수 처리에 대한 잠재적 적용 가능성을 명확히 하는 데 도움이 될 것입니다.
공개 사항
저자들은 이해 상충이 없습니다.
감사의 글
저자들은 캐나다 자연과학 및 공학 연구 위원회의 재정 지원에 감사를 표합니다. 보리스 타르트콥스키 박사와 비렌더 싱 박사의 기술 지도에 감사드립니다.
자금 출처: 캐나다 자연과학 및 공학 연구 위원회
재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 0.45 µm 멤브레인 필터 | MilliporeSigma | HAWP04700 | 용해성 COD 분석 전 사용 |
| 500 mL 유리 병 | Fisherbrand | 500 mL 미디어 병 | 접종 적응에 사용 |
| Acclaim OA 컬럼 | Thermo Scientific | Acclaim OA, 5 µm, 4 × 150 mm | VFA 정량에 사용되는 컬럼 |
| 아세토니트릴 | Fisher Scientific | HPLC 등급 | HPLC 분석을 위한 이동상 |
| 암모니아 시약 키트 | HACH | TNTplus 832 | 질소, 암모니아-살리실산 HR 방법 10205 |
| 아르곤 운반 가스 | Air Liquide | 초고순도 아르곤 | 마이크로 GC 용 운반 가스 |
| 탄소 펠트 | SGL Carbon | GFD 시리즈 | 25 mm × 25 mm 사각형으로 잘린 전극 재료 |
| 원심 분리기 | Eppendorf | 5810 R | 12,000 × g에서 양조장 폐수를 원심 분리하는 데 사용 |
| COD 시약관 | SCP Science | COD 시약관 (Method 8000 호환) | HACH Method 8000에 따른 용해성 COD 분석에 사용 |
| 원통형 유리 반응기 | Chemglass Life Sciences | 맞춤형 유리 반응기 | 단일 챔버 상향 반응기; 총 1 L 부피, 0.65 L 작업 부피 |
| 디지털 타이머 | Intermatic | TN311 | 공급 속도 타이밍을 제어하는 데 사용 |
| DR 2800 분광 광도계 | HACH | DR 2800 | COD, 암모니아, 황산염 및 황화물 분석에 사용 |
| 가스 수집 백 | SKC | Tedlar 가스 샘플링 백 | 바이오 가스 수집에 사용 |
| 가스 밀폐형 주사기 | Hamilton | 가스 밀폐형 주사기 | 바이오 가스 부피 측정에 사용 |
| HPLC 시스템 | Thermo Scientific Dionex | UltiMate 3000 | 휘발성 지방산 (VFA) 분석에 사용 |
| 과산화수소/과염산 시험 키트 | LaMotte | 7191-02 | H2O2 및 PAA 측정에 사용 |
| Ir-MMO 코팅 티타늄 와이어 | Baoji Changli Special Metal Co., Ltd. | Ir-MMO/Ti 와이어 | 탄소 펠트에 삽입된 1 mm 전류 수집기 |
| 실험실 냉장고 | VWR | 실험실 냉장고 | 4 °C에서 폐수 저장에 사용 |
| 메탄설폰산 | Sigma-Aldrich | ≥99% | HPLC 이동상으로 2.5 mM 농도로 사용 |
| 마이크로 가스 크로마토그래프 | Agilent Technologies | 490 Micro GC | TCD 검출기를 사용한 바이오 가스 성분 분석에 사용 |
| 비전도성 지오텍스타일 분리기 | TenCate Geosynthetics | Mirafi 시리즈 | 전극 사이 2 mm 구멍이 있는 3 mm 분리기 |
| 연동 펌프 | Cole-Parmer | Masterflex L/S | 유입 급수 및 재순환에 사용 |
| 전위계 | Metrohm Autolab | PGSTAT204 | 적용 전위 및 전류 모니터링에 사용되는 전위계 |
| 실리콘 호스 | Cole-Parmer | Masterflex 실리콘 호스 | 유입, 유출 및 재순환 라인에 사용 |
| 분광 광도계 | HACH | DR 2800 | HACH 분석 측정에 사용 |
| 스프레드시트 | Microsoft Excel | 통계 분석에 사용 | |
| 황산염 시약 | HACH | SulfaVer 4, Method 8051 | 황산염 측정에 사용 |
| 황화물 시약 | HACH | Method 8131 | 황화물 측정에 사용 |
| 진공 여과 장치 | MilliporeSigma | 유리 진공 여과 홀더 | 0.45 µm 멤브레인 필터와 함께 사용 |
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