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메타노젠의 고정화를 위한 새로운 방법과 그 메탄화 특성
2004-8-2 16:53:00 1 수도 사범대학교 생물학과, 2 광저우 에너지 연구소, 중국어 Academy of Sciences
요약: Methanosarcina를 고정하기 위한 매립 매체로 PVA를 사용하는 단점을 극복하기 위해 흡착 및 매립 방법을 조합하여 Methanosarcina를 고정화했으며, 고정화 Methanosarcina를 사용했습니다. 인공폐수 및 콩제품 폐수를 처리하고 그 특성을 연구한다. 인공폐수를 이용한 운영결과 최대부하량은 14.7kgCOD/m3·d, 최대 COD 제거율은 94.3%, 최소보수기간은 16.4h, 메탄함량은 65%~73%로 나타났다. 콩제품 폐수를 운전한 결과 최대 COD 부하량은 17·6kgCOD/m3·d, 평균 체적 부하량은 82kgCOD/m3·d, 최단 수분 보유 기간은 13·7h로 나타났다. 최대 가스 발생률은 7L/d·L입니다. 고정화 배지의 평균 가스 생성률은 비고정화 배지의 15.2배이며, 최대 COD 제거율은 87.0%에 달합니다. 물질 전달이 좋고 탈기 성능은 매립 방법으로 고정화에 존재하는 문제를 더 잘 해결합니다.
키워드: 흡착 및 캡슐화 방법; 고정화 메탄화
0 소개
고정화 세포는 유기 폐수를 처리하므로 연구의 중심지가 되었습니다. 높은 처리 효율, 높은 바이오매스, 작은 발자국, 낮은 슬러지 발생 등의 장점이 있습니다. 고정화 세포를 이용한 폐수 처리에 대해서는 국내외 학자들이 많은 연구를 진행해 왔지만[1-4], 고정화 메탄균을 이용한 유기성 폐수의 처리에 관한 연구는 거의 없는 실정이다. 우리 연구실의 고정화 Methanosarcina에 대한 연구보고서[5-8] 외에는 다른 보고가 없다. 고농도 유기폐수의 메탄화에 있어서 Methanosarcina는 높은 μmax와 Ks로 인해 메탄화에 중요한 역할을 한다. 그러나 가장 큰 단점은 더 큰 입자로 소화조에 머물 수 없다는 것입니다. 삽입 방법과 흡착 방법은 일반적으로 사용되는 두 가지 세포 고정 방법입니다. 우리 연구실에서는 Methanosarcina를 고정하기 위한 매립 매체로 PVA를 사용합니다. 그러나 고정된 박테리아 볼의 가스 생성, 부유, 부풀음 및 접착은 여전히 어려운 문제입니다. 흡착 방식 역시 셀이 쉽게 분리되고 충격 저항성이 좋지 않아 대중화 및 적용에 영향을 미친다. 이 기사에서는 위의 문제를 해결하기 위해 이 두 가지 방법을 결합하려고 시도합니다. 이 새로운 유형의 석션백 방식은 가격이 저렴하고 흡착 효과가 좋은 담체를 알긴산나트륨으로 감싸서 사용하며 직교법에 의해 최적의 기술 조건이 결정됩니다. 고정화 메타노사르시나(Immobilized Methanosarcina)는 인공 폐수 및 콩 제품 폐수 처리에도 사용되었으며 우수한 메탄화 효과를 얻었습니다.
1 재료 및 방법
1.1 직교시험
1.1 세균, 배양액
세균 : Methanosarcina 분리 및 보존 균주로는 우리 연구실에서 사용하였으며, 세균 함량은 2,280×109/mL, 접종량은 10%였다.
배지: 0.2% 트립톤, 0.2% 효모 추출물, 0.04% K2HPO4, 0.1% NH4Cl, 0.01% MgCl2, 1% 메탄올, pH 7.2(HCl로 조정). 각 혐기성 병에는 100mL가 들어 있습니다.
1 1 2 가스 생산량 측정 포화 수산화나트륨이 들어 있는 눈금이 매겨진 가스 수집 병을 사용하여 메탄 생산량을 측정합니다.
1 1 3 흡착담체 : 내화벽돌, 세람사이트, 부직포
1 1 4 고정화 방법
내화벽돌 또는 세람사이트 담체 사용시 : 먼저 박테리아와 흡착담체를 균일하게 혼합한 후, 포매배지와 균일하게 혼합한 후 가교용 가교제에 분산시킨 후 꺼내어 사용합니다. 부직포를 캐리어로 사용하는 경우: 먼저 부직포에 박테리아를 고르게 적용한 다음 부직포에 포매 매체를 고르게 적용한 다음 가위를 사용하여 천을 작은 조각으로 잘라서 넣습니다. 가교용 가교제를 꺼내어 따로 보관합니다.
1 2 UASB 반응기 검증
1 2 1 접종원, 인공폐수, 반응기
접종원: 석션백 방식과 대조군을 별도로 연결하여 Methanosarcina 250mL를 분리하였다. 이 실험실에 보관하였고, 세균 함량은 2,280×109/mL이었다.
인공 폐수: 0.2% 트립톤, 0.2% 효모 추출물, 0.04% K2HPO4, 0.1% NH4Cl, 0.01% MgCl2, 0.5% 메탄올, 0.5% 아세트산 나트륨, pH 72(아세트산으로 조정). CODcr 농도는 약 8000~11000mg/L입니다.
대두 제품 폐수: 대두 제품 폐수는 베이징 왕즈허 발효 두부 공장에서 채취됩니다. CODcr 농도는 약 6000~11000mg/L이고 pH 값은 35~60입니다. pH 값을 60 NaOH로 조절하고 인공폐수로 55일간 운전한 후, 콩제품 폐수를 희석하지 않고 직접 원수로 사용하였다.
반응기: 두 개의 실험실 규모 UASB 반응기가 유기 폐수를 처리하는 데 사용되었으며, 하나는 흡입백 방식(반응기 A)을 사용하고 다른 하나는 제어 장치(반응기 B)로 사용되었습니다. 반응기는 유기유리로 제작되었으며, 직경 7cm, 높이 50cm, 유효부피 2L, 외부 고액분리기를 갖추고 있다. 8~10°C에 저장된 폐수는 정유량 펌프를 통해 반응기 바닥에서 반응기로 유입됩니다.
1.2.2 가스 생산량, CODcr, 메탄 및 휘발성 산(에틸, 프로필렌 및 부티르산) 결정
폐활량 측정 장비를 사용하여 일일 가스 생산량을 측정합니다. 표준 중크롬산칼륨 방법을 사용하여 COD를 결정합니다. 메탄 및 휘발성 산 함량은 가스 크로마토그래프(SP2304, Beijing Analytical Instrument Factory)를 사용하여 분석되었습니다.
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2 결과 및 분석
2.1 직교 테스트
2.1 흡착 캐리어 선택
2% 알긴산나트륨을 매립매체로 사용하여 흡착담체인 내화벽돌, 세람사이트, 부직포의 장단점을 비교하였다. 생성된 가스와 부상 여부를 지표로 삼아 부직포를 흡착 담체로 사용하였고, 반응 5일째에는 가스가 모두 부상하여 배기관을 막아 실험이 불가능하였다. 브릭과 세람사이트에는 이런 문제가 없습니다. 따라서 부직포를 흡착 담체로 사용하지 않습니다. 가스 생산을 지표로 사용하여 실험 결과에 따르면 내화 벽돌 담체는 동일한 조건에서 가스 생산의 가장 빠른 피크를 가지며 가스 생산도 높습니다. 이는 내화 벽돌이 박테리아 활동에 가장 적은 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. , ceramsite 담체의 가스 생산량은 Late이며 내화 벽돌보다 가스 생산량이 낮습니다. 따라서 세라믹 입자가 제거되고 내화 벽돌 입자가 흡착 담체로 사용됩니다.
2. 1. 2 기타 기본 조건 결정
내화 벽돌이 흡착 담체임을 확인한 후에는 흡착제의 효과에 영향을 미치는 다른 4가지 요소를 결정해야 합니다. 흡입 백 방법: 내화 벽돌 입자의 크기, 알긴산 나트륨의 농도, 알긴산 나트륨과 CaCl2의 가교 시간: 고정된 입자의 침지 시간. 요인 수준은 Table 1과 같으며, 직교 실험의 헤더 디자인은 Table 2와 같다. 테스트 결과는 그림 1에 나와 있습니다.
테스트 목적에 따라 테스트 효과를 판단하는 지표는 누적 메탄 생산량과 고정화된 비드의 수명이다. 그림 1은 각 지표와 4가지 요인 사이의 간접적인 관계를 보여줍니다. 9번의 실험에 대한 누적 메탄량은 그림 2에 나와 있습니다. 고정화된 Methanosarcina의 테스트에서는 볼의 수명이 길수록 좋고, 가스 생산량이 많을수록 좋습니다. 그림 1의 분석에서 수명을 지표로 사용하면 A3, B2, C2 및 D3가 최상의 조건임을 알 수 있으며, 가스 생산을 지표로 사용하면 A3, B2, C2 및 D2가 최상의 조건임을 알 수 있습니다. , 그러나 D2와 D3의 격차가 상대적으로 크기 때문에 테스트 비용을 고려하여 D3를 선택했습니다. 그림 2의 분석을 보면 No.5와 No.9의 누적 가스 생산량이 더 큰 것을 알 수 있다. 따라서 위의 요인을 토대로 직교 실험을 통해 최종적으로 결정한 최적 조건은 A3, B2, C2 및 D3입니다. 즉, 내화 벽돌의 입자 크기는 20~36 메쉬이고 알긴산 나트륨의 농도는 4입니다. %; 가교 시간은 1시간입니다. 침지 방법은 수돗물에 2시간 동안 담가 두는 것입니다.
2.2 고정화 Methanosarcina를 이용한 폐수 처리
2.2.1 인공 폐수 처리
직교 실험에 따라 제조된 고정화 비드를 2LUASB 반응에 로딩했습니다. 이 장치는 55일 동안 인공 폐수로 작동되었습니다. 일일 가스 생산량은 그림 3에 나와 있습니다. 고정화 Methanosarcina의 일일 가스 생산량은 고정화의 일일 가스 생산량이 각각 8500mL/d 및 4350mL/d에 달했습니다. 고정되지 않은 것의 24배입니다. 체적부하량과 COD 제거율은 Figure 4에 나타나 있다. 그림을 보면 고정화군과 대조군의 체적부하가 기본적으로 동일하고, 고정화군의 COD 제거율이 고정화군의 COD 제거율보다 현저히 높은 것을 알 수 있다. 대조군의 가장 높은 COD 제거율은 각각 94.3%와 94.3%에 달했습니다.
두 가지 모두에서 생산되는 가스의 메탄 함량은 65%~73%입니다. 두 유출수의 휘발성산 함량을 분석한 결과, 주로 아세트산이었고 프로피온산과 부티르산은 거의 없었다.
2 2 2 콩 제품 폐수 처리
인공 폐수로 55일 동안 운영한 후 희석하지 않은 콩 제품 폐수를 급수로 사용하여 고정화 콩 제품 처리에 대해 알아봅니다. Methanosarcina 폐수의 특성. 이 단계에서 ***는 34일 동안 운영되었습니다. 콩 제품 폐수를 사용하는 동안 반응기 A와 B의 수분 보유 기간은 13 7h 및 14 9h에 도달했습니다. 이 중 B호기는 낮은 COD 제거율과 일일 가스 발생으로 인해 7일 동안 물을 공급받지 못하였고, 물 보유 기간을 8일 더 연장하였습니다.
가동 중 일일 가스 생산량의 변화는 그림 5와 같습니다. 그림에서 최대 일일 가스 생산량은 14000mL/d, 가스 생산량은 7 0L/( L·d), 대조구의 일일 최대 생산량은 가스량은 5250mL/d에 불과하고, 가스 생산량은 263L/(L·d)이다. 전자가 후자의 2.7배, 평균 가스 발생률은 비고정형의 15.2배이다. 운전 중 반응기 A에서 생성된 가스의 메탄 함량은 약 65%로 안정적인 반면, 반응기 B에서 생성된 가스의 메탄 함량은 크게 변동합니다.
운전 중 COD 부하 변화는 그림 6과 같다. 그림에서 알 수 있듯이 두 곳의 평균 COD 부하량은 8·2kgCOD/m3·d, 5·3kgCOD/m3·d로, 비고정형에 비해 현저히 높으며, 전자의 최대 COD 부하량은 17.6kgCOD/m3·d에 이릅니다. 두 가지 중 가장 높은 COD 제거율은 각각 87.0%와 78.6%입니다. 안정운전기간 동안의 평균 COD 제거율은 각각 75.6%, 62.19%였다. 고정화된 Methanosarcina는 수분 보유 기간이 짧고 COD 부하가 높은 조건에서 여전히 더 높은 COD 제거율과 더 높은 가스 생산을 달성할 수 있다는 것이 분명합니다.
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3 결론
1) 가스 발생 여부와 일일 가스 발생 여부를 평가 지표로 삼아 내화 벽돌 입자가 세람사이트보다 흡착력이 우수함 캐리어.
2) 누적 메탄 생산량과 고정화 펠릿의 수명을 지표로 직교 실험을 통해 석션백법에 의한 고정화 Methanosarcina 폐수 처리의 최적 조건은 다음과 같이 결정되었습니다. 입자 크기는 36메쉬~20메쉬이고, 알긴산 나트륨의 농도는 4%이며, 침지 방법은 수돗물에서 2시간입니다.
3) 인공폐수 처리에는 2L 용량의 UASB 반응기를 사용하였으며, 55일간 가동한 결과 하루 가스 생산량 측면에서 석션백 방식이 비고정화 Methanosarcina에 비해 우수한 것으로 나타났다. 및 COD 제거율.
4) 이 고정화 Methanosarcina는 34일 동안 콩 제품 폐수를 처리하는 데 사용되었습니다. 결과는 고정화 Methanosarcina가 수분 보유 기간이 짧고 COD 부하가 높은 조건에서도 여전히 상대적으로 높은 효율을 얻었음을 보여줍니다. COD 제거율과 더 높은 가스 생산량은 고정화되지 않은 Methanosarcina에 비해 상당히 높았습니다.
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