Enhancement of mesophilic anaerobic digestion of phenol by magnetite nanoparticles

Abstract

혐기성 소화 공정은 미생물을 기반으로 한 생물학적 폐수 처리 공정으로 혐기성 상태에서 산생성균과 메탄생성균을 포함하는 혐기성 미생물의 생화학적 반응을 통해 폐수 내 유기성 오염물질을 분해하고 신재생에너지원인 메탄으로의 전환이 가능하여 탄소중립 실현을 위한 핵심 요소기술로 각광받고 있는 기술이다. 혐기성 소화 공정은 페놀계 산업폐수 처리에도 접목이 가능하나 페놀계 화합물의 안정적인 구조와 독성으로 인해 기존의 혐기성 소화 기술로는 안정적인 고율 혐기성 소화를 달성하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 미생물간 전자전달을 개선시켜주는 것으로 보고되고 있는 자철석 가루 투입을 이에 대한 해결책으로 제시하고자 한다. 본 연구에서는 두가지 실험을 수행하였다. 첫째, 장기간의 연속 회분식 실험을 통해 자철석 가루 투입에 따른 페놀계 화합물(페놀, 벤조에이트)의 메탄 생성 혐기성 분해의 개선 수준을 평가하였으며, 차세대염기서열분석을 통해 개선 효과의 주요한 역할을 하는 미생물 군집을 규명하고자 하였다. 둘째, 페놀 혐기성 소화 개선을 위한 자철석 가루 최적 투입량을 조사하기 위해 5 - 200 mmmol/L의 자철석 가루를 회분식 혐기성 반응조에 투입하여 메탄생산속도와 지연시간에 미치는 영향을 평가하였다. 첫번째 실험을 통해 자철석 가루 투입에 의해 페놀 혐기성 소화의 메탄생산속도와 메탄생산지연시간이 대조군 대비 9 - 68 %, 8 - 48 % 개선된 것으로 관측되었다. 반면 메탄 수율의 유의미한 변화는 관측되지 않았다. 다변량 통계분석을 통해 이러한 개선효과는 특정 균주의 생장과 함께 유의미한 상관관계를 띄는 것으로 판별되었다. 그 중 Geobacter, Peptoclostridium 및 Methanosaeta는 자철석 기반 직접종간전자전달에 관여하여 개선효과에 기여한 것으로 추정된다. 두번째 실험을 통해 5 - 20 mmol/L의 자철석 가루 농도에서는 대조군 대비 24 - 41 % 개선된 메탄 생산속도를 달성한 것으로 관측되었다. 한편 30 mmol/L 이상의 자철석 가루 농도에서는 자철석 가루의 농도가 증가할수록 메탄 수율과 메탄생산속도가 감소하고, 지연시간은 증가하는 것으로 확인되었다. 가장 높은 농도 조건인 200 mmol/L 에서는 이론적 수율의 12.6 %의 메탄만 생산되어 심각한 저해를 받은 것으로 관측되었다. 본 연구 결과는 자철석 가루 투입을 통한 페놀계 화합물의 고율 혐기성 소화 공정의 가능성을 시사하는 기초 연구 결과로 추후 고율 공정 개발의 중요한 기초 자료로 활용 가능할 것으로 평가된다.