KR102263401B1 - Cultibating and preparing method for anaerobic granule - Google Patents
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Abstract
본 발명은 혐기성 그래뉼의 배양 및 제조방법에 관한 것으로, 전도성 물질이 고농도로 삽입된 혐기성 그래뉼의 제조가 가능하다. 또한, 전자 공여성 미생물 및 전자 수용성 미생물(메탄 생성균, 수소 생성균 등) 등을 포함하는 미생물 덩어리 내.외부 표면에 전도성 물질을 삽입시킴으로써 혐기성 소화 공정을 이용한 메탄 및 수소 생산뿐만 아니라 다양한 생물학적 공정의 성능 향상에 도움이 된다. 또한, 전도성 물질의 외부 유출로 인한 손실을 방지할 수 있어 지속적인 전도성 물질의 주입이 불필요하고, 반응조 이후의 전도성 물질 회수 설비가 없어도 안정적인 공정 효율성 및 경제성 확보가 가능하다.The present invention relates to a method for culturing and manufacturing anaerobic granules, and it is possible to manufacture anaerobic granules in which a conductive material is inserted at a high concentration. In addition, the performance of various biological processes as well as methane and hydrogen production using an anaerobic digestion process by inserting a conductive material into the inner and outer surfaces of the microbial mass including electron-donating microorganisms and electron-accepting microorganisms (methanogens, hydrogen-producing bacteria, etc.) It helps to improve. In addition, since it is possible to prevent loss due to external leakage of the conductive material, continuous injection of the conductive material is unnecessary, and stable process efficiency and economic feasibility can be secured even without a conductive material recovery facility after the reaction tank.
Description
본 발명은 혐기성 그래뉼의 배양 및 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for culturing and manufacturing anaerobic granules.
혐기성 소화 (Anaerobic digestion; AD)는 유기 오염물질을 메탄과 같은 유용한 에너지 매체 (energy carrier)로 변환시킬 수 있어서 최근의 에너지 문제 및 환경 문제를 대처할 수 있는 대안 기술로 여겨지고 있다. 혐기성 소화는 고농도 유기 폐기물 및 폐수 처리에 널리 적용되고 있으며, 미래 에너지 안전성 및 유지가능성(sustainability)에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 이와 같은 잠재력에도 불구하고, 혐기성 소화는 느린 반응 속도 때문에 몇 가지 기술적 한계를 갖는다.Anaerobic digestion (AD) can convert organic pollutants into useful energy carriers such as methane, and is considered as an alternative technology to cope with recent energy and environmental problems. Anaerobic digestion is widely applied in the treatment of high-concentration organic waste and wastewater, and is expected to play an important role in future energy safety and sustainability. Despite this potential, anaerobic digestion has several technical limitations due to its slow reaction rate.
이러한 한계는 호기적 처리와 비교하여 현저하게 긴 정체 기간(retention time) 및 낮은 유기물 제거 속도 등을 포함한다. 이러한 한계를 극복하고 혐기적 소화 기술의 실효성을 개선하기 위한 많은 노력과 시도가 있어 왔다.These limitations include significantly longer retention times and lower rates of organic matter removal compared to aerobic treatment. Many efforts and attempts have been made to overcome these limitations and improve the effectiveness of anaerobic digestion techniques.
최근 종간 직접 전자 전달(Direct Interspecies Electron Transfer, DIET)을 통한 바이오가스 전환율 및 생산속도 향상에 관한 연구들이 보고 되고 있으며, 철 산화물과 같은 전도성 물질을 투입하여 혐기성 소화 공정에서 미생물 간 종간 직접 전자 전달을 촉진하고 바이오가스화 효율을 향상시키는 것이 알려지고 있다.Recently, studies on the improvement of biogas conversion rate and production speed through Direct Interspecies Electron Transfer (DIET) have been reported. Conductive materials such as iron oxides are introduced to improve interspecies direct electron transfer between microorganisms in the anaerobic digestion process. It is known to promote and improve the biogasification efficiency.
그러나, 전도성 물질은 고가이므로 이를 재사용하기 위해 유출액으로부터 회수하는 연구가 진행되고 있으나 유출액 내에 존재하는 고형물에 흡착된 전도성 물질을 효율적으로 분리 및 회수하는 것은 매우 어려운 일이다.However, since the conductive material is expensive, research on recovering it from the effluent for reuse is in progress, but it is very difficult to efficiently separate and recover the conductive material adsorbed to the solids present in the effluent.
이에, 전도성 물질의 외부 손실을 방지하여 추가 주입 없이 혐기성 소화 공정 효율의 향상된 효과를 장시간 확보할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.Accordingly, it is necessary to develop a technology capable of securing the improved effect of the anaerobic digestion process efficiency for a long time without additional injection by preventing the external loss of the conductive material.
본 발명은 미생물 덩어리(granule)의 내부 및 표면에 고농도로 전도성 물질을 직접 삽입시킬 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method capable of directly inserting a conductive material at a high concentration into the interior and surface of a microbial granule.
본 발명은 종간 직접 전자 전달 반응을 촉진시킬 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method capable of promoting a direct electron transfer reaction between species.
본 발명은 반응조 하단부에 체류하는 미생물 덩어리에 마그네타이트 등의 전도성 물질을 삽입시킴으로써 전도성 물질의 유실을 방지하고 별도의 회수 공정이 불필요한 폐수 처리 및 에너지 생산 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a wastewater treatment and energy production method that prevents loss of conductive material by inserting a conductive material such as magnetite into the microbial mass remaining at the lower end of the reactor and does not require a separate recovery process.
본 발명은 종간 직접 전자 전달 (Direct Interspecies Electron Transfer, DIET) 반응이 일어나는 혐기성 미생물 또는 상기 혐기성 미생물을 포함하는 미생물 덩어리(granule)가 체류하는 반응조에 전도성 물질을 주입한 후 초음파를 조사하여 상기 미생물 또는 상기 미생물의 덩어리에 상기 전도성 물질을 삽입시키는 단계를 포함하는 혐기성 그래뉼의 배양 및 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to an anaerobic microorganism in which a direct interspecies electron transfer (DIET) reaction occurs or a conductive material is injected into a reactor in which a microbial granule containing the anaerobic microorganism resides, and then ultrasonic is irradiated to the microorganism or It provides a method for culturing and manufacturing anaerobic granules comprising inserting the conductive material into the mass of the microorganism.
본 발명에서 혐기성 미생물은 전자 공여성 미생물 및 전자 수용성 미생물일 수 있다.In the present invention, the anaerobic microorganisms may be electron-donating microorganisms and electron-accepting microorganisms.
본 발명에서 전도성 물질은 기질(substrate)과 함께 상기 반응조로 유입될 수 있다.In the present invention, the conductive material may be introduced into the reactor together with a substrate.
본 발명에서 초음파는 반응조의 하단부에 조사될 수 있다.In the present invention, ultrasonic waves may be irradiated to the lower end of the reactor.
본 발명에서 기질은 아세테이트, 프로피오네이트, 부틸레이트, 에탄올, 부탄올 및 당류로 이루어진 군에서 선택되는 미생물 영양 공급원을 포함할 수 있다.In the present invention, the substrate may include a microbial nutrient source selected from the group consisting of acetate, propionate, butyrate, ethanol, butanol and saccharides.
본 발명에서 초음파는 10 내지 50 KHz, 50 내지 400W로 1분마다 0.1 내지 10초 씩 조사될 수 있다.In the present invention, ultrasonic waves may be irradiated at 10 to 50 KHz and 50 to 400W for 0.1 to 10 seconds every minute.
본 발명에서 혐기성 미생물은 지오박터속 미생물; 메타노사이타속 미생물, 메타노사르시나속 미생물, 메타노스피릴룸속 미생물, 메타놀리네아속 미생물, 클로스트리디움속 미생물, 엔테로박터속 미생물 및 클렙시엘라속 미생물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In the present invention, the anaerobic microorganism is a microorganism of the genus Geobacter; It may include one or more selected from the group consisting of microorganisms of the genus Methanocytota, microorganisms of the genus Metanosarcina, microorganisms of the genus Methanospirillum, microorganisms of the genus Methanolina, microorganisms of the genus Clostridium, microorganisms of the genus Enterobacter and microorganisms of the genus Klebsiella have.
본 발명에서 전도성 물질은 마그네타이트, 헤마타이트, 활성탄, 그래핀 및 숯으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In the present invention, the conductive material may be any one selected from the group consisting of magnetite, hematite, activated carbon, graphene, and charcoal.
본 발명에서 기질은 생활 하수, 농축산 폐수, 유가공 폐수, 음식물 쓰레기 또는 음폐수일 수 있다.In the present invention, the substrate may be domestic sewage, livestock wastewater, dairy wastewater, food waste or food wastewater.
본 발명에서 전도성 물질은 기질 내에 0.01 내지 1g/L로 존재할 수 있다.In the present invention, the conductive material may be present in the substrate in an amount of 0.01 to 1 g/L.
본 발명에서 전도성 물질은 직경이 10㎛ 이하일 수 있다.In the present invention, the conductive material may have a diameter of 10 μm or less.
본 발명의 혐기성 그래뉼의 배양 및 제조 방법은 전도성 물질이 고농도로 삽입된 혐기성 그래뉼의 제조가 가능하다.The method for culturing and manufacturing anaerobic granules of the present invention enables the preparation of anaerobic granules in which a conductive material is inserted at a high concentration.
본 발명의 혐기성 그래뉼의 배양 및 제조 방법은 전자 공여성 미생물 및 전자 수용성 미생물(메탄 생성균, 수소 생성균 등) 등을 포함하는 미생물 덩어리 내.외부 표면에 전도성 물질을 삽입시킴으로써 혐기성 소화 공정을 이용한 메탄 및 수소 생산뿐만 아니라 다양한 생물학적 공정의 성능 향상에 도움이 된다.The method for culturing and manufacturing anaerobic granules of the present invention is an anaerobic digestion process by inserting a conductive material into the inner and outer surfaces of a microbial mass including electron-donating microorganisms and electron-accepting microorganisms (methanogens, hydrogen-producing bacteria, etc.). It helps to improve the performance of various biological processes as well as hydrogen production.
본 발명의 혐기성 그래뉼의 배양 및 제조 방법은 전도성 물질의 외부 유출로 인한 손실을 방지할 수 있어 지속적인 전도성 물질의 주입이 불필요하다.The method for culturing and manufacturing anaerobic granules of the present invention can prevent loss due to external leakage of the conductive material, so that continuous injection of the conductive material is unnecessary.
본 발명의 혐기성 그래뉼의 배양 및 제조 방법은 반응조 이후의 전도성 물질 회수 설비가 없어도 안정적인 공정 효율성 및 경제성 확보가 가능하다.In the method for culturing and manufacturing anaerobic granules of the present invention, it is possible to secure stable process efficiency and economic feasibility even without a conductive material recovery facility after the reactor.
도 1은 혐기성 미생물 간의 종간 직접 전자 전달 반응을 설명한다.
도 2는 본 발명의 방법이 수행될 수 있는 반응조의 모식도이다.
도 3은 고농도 폐수 처리 공정의 간략한 순서도이다. 붉은 원으로 표시된 부분에서 혐기성 그래뉼이 배양 및 제조될 수 있다.
도 4는 실시예 및 비교예의 반응조이다. ‘초음파’는 실시예이고 붉은색으로 표시된 부분이 초음파 발생장치이다.
도 5는 실시예 및 비교예의 혐기성 그래뉼의 실체 현미경 사진이다.
도 6는 실시예 및 비교예의 SEM/EDS를 이용한 혐기성 그래뉼의 마그네이트 성분 분석 결과이다.1 illustrates an interspecies direct electron transfer reaction between anaerobic microorganisms.
2 is a schematic diagram of a reactor in which the method of the present invention can be carried out.
3 is a simplified flowchart of a high concentration wastewater treatment process. Anaerobic granules can be cultured and prepared in the area indicated by the red circle.
4 is a reaction tank of Examples and Comparative Examples. 'Ultrasound' is an embodiment, and the part marked in red is an ultrasonic generator.
5 is a stereomicrograph of the anaerobic granules of Examples and Comparative Examples.
6 is a result of analysis of the magnetate component of the anaerobic granules using SEM / EDS of Examples and Comparative Examples.
본 발명은 종간 직접 전자 전달 (Direct Interspecies Electron Transfer, DIET) 반응이 일어나는 혐기성 미생물 또는 상기 혐기성 미생물을 포함하는 미생물 덩어리(granule)가 체류하는 반응조에 전도성 물질을 주입한 후 초음파를 조사하여 상기 미생물 또는 상기 미생물의 덩어리에 상기 전도성 물질을 삽입시키는 단계를 포함하는 혐기성 그래뉼의 배양 및 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to an anaerobic microorganism in which a direct interspecies electron transfer (DIET) reaction occurs or a conductive material is injected into a reactor in which a microbial granule containing the anaerobic microorganism resides, and then ultrasonic is irradiated to the microorganism or It provides a method for culturing and manufacturing anaerobic granules comprising inserting the conductive material into the mass of the microorganism.
혐기성 미생물은 전도성 선모(conductive pili) 또는 전자 수송 단백질(electron transport proteins)을 통해 전자가 전달되는 전자 공여성 (electron-donating) 미생물 및 전자 수용성 (electron-accepting) 미생물을 포함한다. 혐기성 미생물들 사이에서 종간 직접 전자 전달 반응이 이루어진다. 도 1은 마그네타이트를 이용한 DIET 반응이다.Anaerobic microorganisms include electron-donating microorganisms and electron-accepting microorganisms in which electrons are transferred via conductive pili or electron transport proteins. A direct interspecies electron transfer reaction occurs between anaerobic microorganisms. 1 is a DIET reaction using magnetite.
본 발명의 미생물 덩어리에 전도성 물질이 삽입되면 DIET 반응이 촉진된다. 미생물 덩어리에는 다양한 종류의 미생물들이 포함되어 있다.When the conductive material is inserted into the microbial mass of the present invention, the DIET reaction is promoted. The microbial mass contains various types of microorganisms.
전자 공여성 미생물은 유기물을 분해하여 전자를 생성하고 이를 외부로 방출하는 미생물을 말한다. 본 발명의 전자 공여성 미생물은 특정 종류의 미생물로 한정되지 않는다. 지오박터(Geobacter) 속 미생물, 타우에라(Thauera) 속 미생물 또는 신트로포모나스(Syntrophomonas) 속 미생물을 포함한다. 예컨대 지오박터 메탈리튜센(Geobacter metallireducens) 또는 타우에라 휴미르듀센스(Thauera humireducens)이다.Electron-donating microorganisms refer to microorganisms that decompose organic matter to generate electrons and emit them to the outside. The electron-donating microorganism of the present invention is not limited to a specific type of microorganism. It includes microorganisms of the genus Geobacter, microorganisms of the genus Thauera or microorganisms of the genus Syntrophomonas. For example, Geobacter metallireducens or Thauera humireducens.
전자 수용성 미생물은 전자 공여성 미생물의 작용으로 외부로 방출된 전자를 환원반응에 이용하여 바이오가스를 생성하는 미생물을 말한다. 본 발명의 전자 수용성 미생물은 특정 종류의 미생물로 한정되지 않는다. 생성되는 바이오가스의 종류에 따라 혐기성 메탄 생성균, 혐기성 수소 생성균 또는 혐기성 암모니아 산화성 균일 수 있다.Electron-accepting microorganisms refer to microorganisms that generate biogas by using electrons emitted to the outside by the action of electron-donating microorganisms in a reduction reaction. The electron-accepting microorganism of the present invention is not limited to a specific type of microorganism. Depending on the type of biogas to be produced, it may be anaerobic methanogens, anaerobic hydrogen producers or anaerobic ammonia oxidizing homogeneous bacteria.
전자 수용성 미생물은 메타노사이타(Methanosaeta) 속 미생물, 메타노사르시나(Methanosarcina) 속 미생물, 메타노스피릴룸(Methanospirillum) 속 미생물, 메타놀리네아(Methanolinea) 속 미생물, 클로스트리디움(Clostridium) 속 미생물, 엔테로박터(Enterobacter) 속 미생물 또는 클렙시엘라(Klebsiella) 속 미생물을 포함한다. 예컨대 메타노사르시나 바케리(Methanosarcina bakeri), 메타노사르시나 하룬디나세아(Methanosarcina harundinacea) 또는 메타노사르사이타 콘실리(Methanosaeta concilii)이다.Electron-accepting microorganisms include microorganisms of the genus Methanosaeta, microorganisms of the genus Methanosarcina, microorganisms of the genus Methanospirillum, microorganisms of the genus methanolinea, microorganisms of the genus Clostridium, It includes microorganisms of the genus Enterobacter or microorganisms of the genus Klebsiella. For example, Methanosarcina bakeri, Methanosarcina harundinacea, or Methanosaeta concilii.
본 발명의 미생물 덩어리는 호기성 미생물이 더 포함할 수 있다. 미생물 덩어리는 유기 폐수의 처리 과정에서 생성된 슬러지에서 유래한 것일 수 있다.The microbial mass of the present invention may further include aerobic microorganisms. The microbial mass may be derived from sludge produced during the treatment of organic wastewater.
본 발명의 전도성 물질은 전자 공여성 미생물 및 전자 수용성 미생물 간의 종간 직접 전자 전달 반응을 매개하거나 촉진할 수 있는 물질로, 미생물에 전도성 물질을 삽입하는 경우 혐기성 소화 공정 효율이 향상되어 메탄과 같은 바이오가스 생성률 및 생성 속도가 증가될 수 있다.The conductive material of the present invention is a material capable of mediating or facilitating a direct interspecies electron transfer reaction between an electron-donating microorganism and an electron-accepting microorganism. When the conductive material is inserted into the microorganism, the anaerobic digestion process efficiency is improved, so biogas such as methane The production rate and production rate can be increased.
전도성 물질은 마그네타이트(Fe3O4), 헤마타이트(Fe2O3), 활성탄, 그래핀 및 숯으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 마그네타이트(Fe3O4)일 수 있다.The conductive material may be any one selected from the group consisting of magnetite (Fe 3 O 4 ), hematite (Fe 2 O 3 ), activated carbon, graphene, and charcoal. Preferably it may be magnetite (Fe 3 O 4 ).
전도성 물질은 예컨대 직경이 10 ㎛ 이하, 5㎛ 이하, 3 ㎛ 이하이다. 일 실시예에서 전도성 물질의 직경은 0.1 내지 3 ㎛이다.The conductive material has, for example, a diameter of 10 μm or less, 5 μm or less, 3 μm or less. In one embodiment, the diameter of the conductive material is between 0.1 and 3 μm.
전도성 물질은 기질 내에 0.005g/L 내지 2g/L로 포함될 수 있다. 일 실시예에서 0.01g/L 내지 1g/L로 포함될 수 있고, 초음파 조사 조건 및 기질 등에 따라 2g/L의 고농도로 전도성 물질이 포함될 수 있다.The conductive material may be included in the substrate at 0.005 g/L to 2 g/L. In one embodiment, it may be included at 0.01 g/L to 1 g/L, and the conductive material may be included at a high concentration of 2 g/L depending on ultrasonic irradiation conditions and substrate.
본 발명의 기질은 유기물을 포함하는 모든 종류의 폐기액을 포함한다. 예컨대 생활 하수, 농축산 폐수, 유가공 폐수, 음식물 쓰레기, 음폐수 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The substrate of the present invention includes all kinds of waste liquids including organic matter. For example, it may include domestic sewage, livestock wastewater, dairy wastewater, food waste, food wastewater, etc., but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 기질은 슬러지 및 폐수의 혼합물을 포함할 수 있다. 슬러지는 유기성 슬러지와 미생물 및 일부 무기물이 포함될 수 있으며, 경우에 따라 유기성 슬러지만 포함할 수 있다. 슬러지는 통상적으로 얻어지는 도시 하수, 농축산 폐수, 유가공 폐수 등을 처리하는 유기 폐기물 소화조에서 채취한 것일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 기질은 혐기성 소화 공정에서 생성된 슬러지를 포함할 수 있다.In the present invention, the substrate may comprise a mixture of sludge and wastewater. The sludge may contain organic sludge, microorganisms and some inorganic matter, and in some cases only organic sludge. The sludge may be collected from an organic waste digester that treats conventionally obtained municipal sewage, livestock wastewater, dairy wastewater, etc., but is not limited thereto. In one embodiment of the present invention, the substrate may include sludge produced in an anaerobic digestion process.
기질은 미생물의 성장을 촉진시키거나 종간 직접 전달 반응을 촉진시킬 수 있는 물질을 더 포함할 수 있다. 미생물 영양 공급원으로 아세테이트, 프로피오네이트, 부틸레이트, 에탄올, 부탄올 및 당류로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.The substrate may further include a substance capable of promoting the growth of microorganisms or promoting a direct interspecies transfer reaction. As a nutrient source for microorganisms, it may include any one selected from the group consisting of acetate, propionate, butyrate, ethanol, butanol, and saccharides.
본 발명에 따라 미생물 또는 미생물 덩어리가 체류하는 반응조에 전도성 물질을 주입한 후 초음파를 조사하면 미생물 덩어리에 전도성 물질이 삽입된다. 미생물 표면 및 미생물 덩어리 표면에 전도성 물질이 부착된다. 미생물 덩어리 표면에 전도성 물질이 부착되고 그 후에 미생물 간의 응집에 의해 미생물 덩어리가 커지면 미생물 덩어리 내부에 전도성 물질이 삽입되어 있는 형태가 될 수 있다.According to the present invention, when a conductive material is injected into a reaction tank in which microorganisms or microbial masses reside and then irradiated with ultrasonic waves, the conductive material is inserted into the microbial mass. A conductive material is attached to the surface of the microorganism and the surface of the microbial mass. When a conductive material is attached to the surface of the microbial mass and then the microbial mass grows due to aggregation between microorganisms, the conductive material may be inserted into the microbial mass.
초음파 조사 시 발생되는 음파(acoustic wave)가 반응조 내 미생물 덩어리로 전달되면서 유동성이 증가하여 미생물 덩어리의 표면 및 내부에 전도성 물질이 더 잘 부착 또는 삽입될 수 있다. 이에 따라 미생물 덩어리에 전도성 물질이 고농도로 포함될 수 있다.As an acoustic wave generated during ultrasonic irradiation is transmitted to the microbial mass in the reaction tank, fluidity increases, so that the conductive material can be better attached or inserted into the surface and inside of the microbial mass. Accordingly, the conductive material may be included in a high concentration in the microbial mass.
본 발명의 방법에 따라 얻어진 혐기성 그래뉼은 전도성 물질을 고농도로 포함하므로 미생물의 종간 직접 전달 반응이 더 촉진될 수 있다.Since the anaerobic granules obtained according to the method of the present invention contain a conductive material in a high concentration, the direct interspecies transfer reaction of microorganisms can be further promoted.
초음파는 10 내지 50 KHz, 50 내지 400W로 1분마다 0.1 내지 10초씩 조사될 수 있다. 초음파 조사 범위가 위와 같은 경우 미생물 덩어리에 포함되는 전도성 물질의 농도를 효과적으로 증가시킬 수 있다.Ultrasound may be irradiated for 0.1 to 10 seconds every minute at 10 to 50 KHz, 50 to 400W. When the ultrasonic irradiation range is as above, the concentration of the conductive material included in the microbial mass can be effectively increased.
초음파는 10 내지 50 KHz의 주파수로 조사될 수 있고, 25 내지 35 KHz의 주파수로 조사될 수 있다.Ultrasound may be irradiated with a frequency of 10 to 50 KHz, and may be irradiated with a frequency of 25 to 35 KHz.
초음파는 50 내지 400W의 출력으로 조사될 수 있고, 150 내지 300W의 출력으로 조사될 수 있다.Ultrasound may be irradiated with an output of 50 to 400W, and may be irradiated with an output of 150 to 300W.
초음파 조사시간은 0.5 내지 3분마다 0.1초 내지 10초일 수 있고, 0.5 내지 1.5분마다 0.5초 내지 1.5초일 수 있다.The ultrasonic irradiation time may be 0.1 seconds to 10 seconds every 0.5 to 3 minutes, and may be 0.5 seconds to 1.5 seconds every 0.5 to 1.5 minutes.
초음파는 미생물 덩어리에 전도성 물질이 부착 또는 삽입될 수 있는 거리 내에 인접해 있을 때 이들을 향해 조사되는 것이 바람직하다.The ultrasonic waves are preferably irradiated toward the microbial mass when it is adjacent within a distance where the conductive material can be attached or inserted.
예컨대 미생물 덩어리가 반응조의 하부에 위치하는 경우, 전도성 물질이 반응조의 하부로 유입되면 초음파가 조사될 수 있다.For example, when the microbial mass is located in the lower portion of the reaction tank, the ultrasonic wave may be irradiated when the conductive material is introduced into the lower portion of the reaction tank.
예컨대 도 2와 같이 기질이 반응조의 하단부로 유입되고 상단부로 유출되는 경우 초음파 발생기가 반응조의 하단부에 위치하고 기질의 흐름에 따라 전도성 물질이 미생물 덩어리를 통과하기 전에, 바람직하게는 미생물 덩어리의 하부에 위치하거나 미생물 덩어리를 통과하는 순간에 초음파를 조사하는 것이 좋다.For example, as shown in Figure 2, when the substrate flows into the lower end of the reactor and flows out to the upper end, the ultrasonic generator is located at the lower end of the reactor and before the conductive material passes through the microbial mass according to the flow of the substrate, it is preferably located at the bottom of the microbial mass. Or it is better to irradiate the ultrasound at the moment it passes through the microbial mass.
본 발명의 반응조는 배양기, 혐기성 소화 반응조 등의 미생물 반응조일 수 있다. 본 발명의 방법은 예를 들어, UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), CSTRs (Continuously-Stirred Tank Reactors) 및 EGBS (Expended Granular Sludge Bed) 중 하나에서 수행될 수 있다.The reactor of the present invention may be a microbial reactor such as an incubator or an anaerobic digestion reactor. The method of the present invention may be performed, for example, in one of Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), Continuously-Stirred Tank Reactors (CSTRs) and Expanded Granular Sludge Bed (EGBS).
본 발명의 일 실시예에 따라 유기 폐액(기질)이 반응조에 연속적으로 유입되는 경우 유기 폐액은 그래뉼(미생물 덩어리)이 포함된 반응조에 유입된다. 유기 폐액은 하측에서 유입되고 그래뉼을 통과하여 상측으로 유출된다. 이 때 그래뉼은 밀도 차이에 의해 유기 폐액의 하부, 구체적으로 반응조의 하부에 체류하므로 유기 폐액이 반응조의 하측으로부터 유입되어 그래뉼을 통과하여 상측으로 유출되는 경우에도 그래뉼은 유출되지 않는다. 그래뉼이 유출되지 않으므로 삽입된 전도성 물질도 유출되지 않는다.According to an embodiment of the present invention, when the organic waste liquid (substrate) is continuously introduced into the reaction tank, the organic waste liquid is introduced into the reaction tank including granules (microorganisms). The organic waste liquid flows in from the lower side and flows out through the granules to the upper side. At this time, since the granules stay in the lower part of the organic waste liquid, specifically, the lower part of the reaction tank due to the difference in density, the granules do not flow out even when the organic waste liquid flows in from the lower side of the reaction tank and flows through the granules to the upper side. Since the granules do not leak out, the inserted conductive material does not leak out either.
전도성 물질은 기질에 첨가되어 유입될 수 있고 별도로 유입될 수도 있다. 전도성 물질이 별도로 유입되는 경우 전도성 물질은 반응조의 하측에서 유입될 수 있고 전도성 물질이 미생물 덩어리의 하부에 위치하면 초음파가 반응조의 하부로 조사될 수 있다.The conductive material may be introduced in addition to the substrate or may be introduced separately. When the conductive material is introduced separately, the conductive material may be introduced from the lower side of the reaction tank, and when the conductive material is located under the microbial mass, ultrasonic waves may be irradiated to the lower side of the reaction tank.
본 발명의 혐기성 그래뉼의 배양 및 제조는 폐수 처리 공정의 1 이상의 처리 단계에서 수행될 수 있다.Cultivation and production of the anaerobic granules of the present invention may be performed in one or more treatment steps of a wastewater treatment process.
예컨대, 고농도 유기성 폐수 처리 공정의 경우 처리시설로 들어온 고농도 폐수의 고형물(협작물)을 제거하는 단계를 거친 후 폐수가 혐기성 소화 반응조에 주입되면 본 발명의 방법에 따른 혐기성 그래뉼에 의해 혐기성 소화가 진행된다. 이후, 질소, 인 등을 제거하는 추가 단계가 수행될 수 있다.For example, in the case of a high-concentration organic wastewater treatment process, after the step of removing the solids (crop) of the high-concentration wastewater that has entered the treatment facility, if the wastewater is injected into the anaerobic digestion reactor, anaerobic digestion proceeds by the anaerobic granules according to the method of the present invention do. Thereafter, an additional step of removing nitrogen, phosphorus, and the like may be performed.
또한, 폐수 처리 공정에서 혐기성 소화 단계가 산 발효 반응조 및 메탄 발효 반응조에서 나누어서 진행되는 경우, 각 반응조에서 본 발명에 따른 혐기성 그래뉼의 배양 및 제조와 혐기성 소화 단계가 함께 수행될 수 있다(도 3).In addition, when the anaerobic digestion step in the wastewater treatment process is carried out separately in the acid fermentation reactor and the methane fermentation tank, the culturing and manufacturing of the anaerobic granules according to the present invention and the anaerobic digestion step in each reaction tank may be performed together (FIG. 3). .
실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples
하부에 초음파 발생장치가 설치된 혐기성 소화 공정에 사용되는 UASB 반응조에 혐기성 식종 슬러지(seeding sludge)를 접종하고 38℃에서 업플로우 1.5m/h로 마그네타이트(Sigma-Aldrich사, 입경 5㎛ 이하)가 0.1g/L의 농도로 첨가된 글루코스용액을 주입하면서 동시에 28kHz 주파수로, 200W 출력의 초음파를 1분에 1초씩 조사하면서 일주일 동안 반응조 운전을 실시하였다(도 4, 초음파).Anaerobic seeding sludge was inoculated into the UASB reactor used for the anaerobic digestion process with the ultrasonic generator installed at the bottom, and the magnetite (Sigma-Aldrich, particle size less than 5㎛) was 0.1 at an upflow of 1.5m/h at 38°C. While injecting the glucose solution added at a concentration of g/L, the reactor was operated for a week while simultaneously irradiating ultrasonic waves of 200 W output at a frequency of 28 kHz for 1 second per minute (FIG. 4, ultrasonic waves).
비교예는 초음파를 조사하지 않은 것을 제외하고 위 실시예와 동일하게 반응조 운전을 수행하였다(도 4, 컨트롤).In Comparative Example, the reactor operation was performed in the same manner as in the above example except that ultrasonic wave was not irradiated ( FIG. 4 , control).
실시예 및 비교예의 마그네타이트 존재 확인 및 농도 측정Confirmation of presence and concentration of magnetite in Examples and Comparative Examples
실시예 및 비교예의 반응조 운전을 마친 후 각 반응조에서 그래뉼을 채취하여 실체현미경으로 관찰하였다(도 5). SEM-EDS를 이용하여 그래뉼 내 마그네타이트의 성분이 존재하는지 확인하였다(도 6).After the operation of the reaction tanks of Examples and Comparative Examples was completed, granules were collected from each reaction tank and observed with a stereoscopic microscope (FIG. 5). It was confirmed whether the component of magnetite in the granules was present using SEM-EDS (FIG. 6).
또한, 실시예 및 비교예의 각 그래뉼 내 마그네타이트 농도를 Ferozine method (페로진 방법)를 이용하여 측정하였으며 그 결과는 다음 표 1과 같다.In addition, the concentration of magnetite in each granule of Examples and Comparative Examples was measured using the Ferozine method (ferrozine method), and the results are shown in Table 1 below.
표 1에 따라 실시예가 비교예에 비해 약80% 높은 농도로 마그네타이트가 포함됨을 확인하였다.According to Table 1, it was confirmed that the example contained magnetite at a concentration about 80% higher than that of the comparative example.
도 5에 따라 실시예의 혐기성 그래뉼 표면이 검정색 부분이 더 많이 보이므로 초음파를 조사한 실시예가 그렇지 않은 비교예에 비해 더 많은 마그네타이트를 삽입한 것을 확인하였다.According to FIG. 5, since the anaerobic granule surface of the Example showed more black parts, it was confirmed that more magnetite was inserted in the Example irradiated with ultrasound compared to the Comparative Example in which it was not.
도 6에 따라 혐기성 그래뉼 표면의 마그네타이트는 초음파를 조사한 실시예가 비교예에 비해 더 고르게 분포(evenly distributed)된 것을 확인하였다.As shown in FIG. 6 , it was confirmed that the ultrasonically irradiated Example was more evenly distributed than the Comparative Example of the magnetite on the surface of the anaerobic granules.
Claims (11)
After injecting a conductive material from the lower part of the reactor into the reactor in which the microbial granules containing the anaerobic microorganisms in which the Direct Interspecies Electron Transfer (DIET) reaction occurs, the conductive material is injected from the bottom of the reactor, and then the substrate flows to the upper part of the reactor The method for culturing and manufacturing anaerobic granules, comprising the step of inserting the conductive material into the microbial mass by irradiating ultrasonic waves at the moment when the conductive material is positioned below the microbial mass or passes through the microbial mass.
The method according to claim 1, wherein the anaerobic microorganisms are electron-donating microorganisms and electron-accepting microorganisms.
The method for culturing and manufacturing anaerobic granules according to claim 1, wherein the conductive material is introduced into the reactor together with a substrate.
The method according to claim 1, wherein the ultrasonic wave will be irradiated to the lower end of the reaction tank, anaerobic granules culture and manufacturing method.
The method according to claim 3, wherein the substrate comprises a microbial nutrient source selected from the group consisting of acetate, propionate, butyrate, ethanol, butanol and saccharides.
The method for culturing and manufacturing anaerobic granules according to claim 1, wherein the ultrasonic waves are irradiated for 0.1 to 10 seconds every minute at 10 to 50 KHz, 50 to 400W.
The method according to claim 1, wherein the anaerobic microorganism is a microorganism of the genus Geobacter; Including one or more selected from the group consisting of microorganisms of the genus Methanocytota, Methanosarcina microbes, Methanospirillum microbes, Metanolinea microbes, Clostridium microbes, Enterobacter microbes and Klebsiella microbes, Methods for culturing and preparing anaerobic granules.
The method according to claim 1, wherein the conductive material is any one selected from the group consisting of magnetite, hematite, activated carbon, graphene and charcoal.
The method according to claim 3, wherein the substrate is domestic sewage, livestock wastewater, dairy wastewater, food waste or food wastewater.
The method for culturing and manufacturing anaerobic granules according to claim 3, wherein the conductive material is present in the substrate in an amount of 0.01 to 1 g/L.
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