혐기성 소화 과정에서 암모니아 억제에 대한 연구 진행 상황은 무엇입니까?

혐기성 소화에 대한 이론적 연구가 지속적으로 심화됨에 따라 혐기성 소화 과정에 대한 연구 개발과 응용이 급속히 발전해 왔습니다. 그러나 낮은 처리 효율성과 낮은 작동 안정성은 혐기성 소화에서 흔히 발생하는 문제입니다. 주된 이유 중 하나는 암모니아 축적으로 인한 암모니아 억제입니다. 이 논문에서는 혐기성 소화 중 암모니아 억제 메커니즘과 암모니아 억제의 주요 영향 요인을 간략하게 설명하고, 암모니아 억제 중 미생물 변화에 대한 최신 연구 현황을 소개하며, 암모니아 억제를 제거 및 완화하는 방법을 요약하고, 혐기성 소화에 대한 주요 연구 방향을 제안합니다. 암모니아 억제.

에너지를 얻을 수 있는 지속가능한 생물학적 처리기술로 혐기성소화는 실용공학에서 널리 활용되어 왔다. 혐기성 소화 과정에서 암모니아 억제는 전반적인 성능에 영향을 미치는 중요한 요소로 간주됩니다. 질소는 혐기성 소화 시스템에서 미생물 대사에 필수적인 요소이지만, 혐기성 소화 시스템에서 과도한 암모니아 질소는 종종 미생물, 특히 메탄생성균의 정상적인 생활 활동을 억제합니다.

국내외 혐기성 소화 암모니아 억제에 관한 최신 메커니즘 연구에 중점을 두고 미생물의 가축화, pH 값 조정, 온도 조절 및 C/N 비율 등 주요 영향 요인 및 제거 조치에 대해 자세히 설명합니다. 조정 등, 혐기성 소화 기술의 공학적 응용에 대한 향후 연구에 대한 특정 참고 자료를 제공합니다.

에너지를 얻을 수 있는 지속 가능한 생물학적 처리 기술로서 혐기성 소화는 소화 과정에서 바이오매스 에너지(주로 메탄 CH4 함량이 60~70)를 생성할 수 있는 매우 유망한 녹색에너지이다. 기후변화를 완화할 수 있다.

혐기성 소화는 소화 과정에서 유기 오염 물질을 안정적으로 분해하고 재생 에너지를 생성하는 특성을 가지고 있어 환경 보호 및 자원 활용 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 혐기성 소화 과정에서 단백질, 요소 및 핵산과 같은 발효 물질의 질소 함유 물질은 결국 미생물의 작용에 따라 암모니아 질소(유리 암모니아 NH3 및 NH4 포함)로 변환됩니다.

암모니아 질소는 혐기성 소화 과정에서 혐기성 미생물에게 필요한 영양소이며 특정 농도의 암모니아 질소는 소화 과정에 좋은 완충 효과를 제공할 수 있지만 시스템 내 암모니아 질소 농도가 너무 높으면 이는 혐기성 소화 반응 시스템을 붕괴시키는 주요 요인으로 간주됩니다. 최근 몇 년 동안 혐기성 소화 중 암모니아 억제에 대한 많은 연구가 국내외에서 수행되었습니다. 이 기사는 확실한 보장을 제공하기 위해 혐기성 소화 중 암모니아 억제의 형성 메커니즘, 영향 요인 및 대책을 요약하는 데 중점을 둡니다. 혐기성 소화 반응 시스템의 안정적인 운영을 위한 참고 자료입니다.

1 혐기성 소화에서 암모니아 억제 메커니즘에 관한 연구

혐기성 소화에서 암모니아 억제의 형성 메커니즘에 대한 많은 연구가 있지만 이러한 연구는 충분히 완성되지 않았으며 통일된 이해가 없습니다.

혐기성 소화 과정은 일반적으로 물질 용해, 가수분해, 산성화, 아세트산화 및 메탄 생성의 5단계로 구성됩니다. 따라서 혐기성 소화 시스템의 안정적인 작동은 주로 가수분해 발효 박테리아, 산생성 박테리아 및 메탄 생성에 달려 있습니다. 정상적인 생리적 활동 하에서 박테리아 및 기타 미생물의 시너지 효과 중 메탄생성균은 시스템 내 암모니아 농도에 대한 내성이 가장 낮습니다.

암모니아 억제는 일반적으로 안정적으로 작동하는 혐기성 소화 시스템에서 바이오가스 생산 감소와 휘발성 지방산 VFA의 축적으로 나타납니다. 많은 연구자들은 메탄 생성균의 세포 내 pH 변화, 정상적인 세포 생활 활동을 유지하는 데 필요한 에너지 증가, 특정 효소 반응 억제 등 암모니아 억제 형성 메커니즘에 대해 추측을 내놓았습니다.

혐기성 소화 수용액에 존재하는 암모니아의 두 가지 주요 형태는 NH 4 이온과 유리 암모니아(NH3)입니다. 유리 암모니아는 우수한 투과성으로 인해 시스템 저해를 일으키는 주요 요인으로 간주됩니다.

일부 학자들은 순수 균주 배양 실험을 통해 시스템 내 메탄 생성 물질에 대한 암모니아 억제의 영향이 주로 다음 두 가지 측면에 반영된다고 추측했습니다.

1) NH 4 이온은 직접적으로 2) 소수성 유리 암모니아 분자는 수동 확산을 통해 박테리아 세포에 들어가 양성자 불균형이나 세포 내 칼륨 결핍을 일으킬 수 있습니다.

유리 암모니아 NH3는 수동확산을 통해 미생물 세포에 들어가 세포외 양성자 H와 결합하여 NH4로 전환되어 세포내 pH 변화를 일으킵니다.

세포 내 양성자 균형을 유지하기 위해 세포는 세포막에 있는 칼륨 펌프를 통해 능동 수송을 위해 에너지를 소비하고, 세포 내 칼륨 이온을 세포 밖으로 이동시켜 세포 내 pH를 유지하므로 세포 유지 에너지 수요가 증가합니다. 그리고 일부 특정 효소 반응을 제한합니다.

암모니아 억제 임계값에 대한 많은 연구가 있습니다(표 1 참조). Hejnfelt와 Angelidaki는 총 암모니아 질소 농도가 1,500~7,000mg/L일 때 혐기성 소화 시스템에서 암모니아가 발생할 수 있음을 발견했습니다. .저해 현상. 다양한 혐기성 소화 시스템의 암모니아 억제 임계값의 차이는 주로 소화 매트릭스 및 접종 물질의 특성, 소화 온도, 시스템의 pH 및 적응 시간에 의해 영향을 받습니다.

표 1 다양한 혐기성 소화 시스템의 암모니아 억제 임계값

현재 혐기성 소화 과정에서 암모니아 억제 메커니즘에 대한 연구는 주로 시스템 내 메탄 생성 물질의 개체군 구조와 다양성에 중점을 두고 있습니다. . 암모니아 농도 증가에 따른 특성 변화. 일부 학자들은 혐기성 소화 과정에서 수소영양 메탄 생성체가 아세트산형 메탄 생성 생성보다 시스템 내 암모니아 농도에 대한 내성이 더 강하다는 사실을 보여주었습니다.

Gao 등은 음식물 쓰레기 혐기성 소화 반응기 테스트를 설계한 결과 시스템 내 암모니아 농도가 계속 증가함에 따라 최종 반응기 내 조효소 F 420(CoF 420)의 상대적 활성이 증가한다는 사실을 발견했습니다. 테스트 단계는 초기 단계의 2.4배, 증가율은 114에 이른다.

CoF 420의 생화학적 효과는 저전위 전자 전달 운반체이기 때문에 특히 중탄산염을 수소로 환원시키고, 이를 수소영양 메탄생성체가 사용하여 메탄을 합성함으로써 반응기로 암모니아가 사용됨을 증명합니다. 농도가 증가하면 수소영양 메탄 생성 물질이 점차 우세해 특정 CoF 420의 활성을 촉진합니다.

Niu 등은 16S rRNA 분자생물학 기술을 사용하여 암모니아 질소에 의한 닭 분뇨의 고온 혐기성 소화 동안 시스템 내 다양한 ​​암모니아 질소 농도에 따른 메탄 생성 물질 군집의 변화를 연구했습니다.

결과에 따르면 수소영양성 Methanothermobacter는 초기 단계의 9.3에서 암모니아 억제 단계의 95로 발달하여 아세토영양성 Methanosarcina를 훨씬 능가하며 고암모니아질소의 메탄생성 과정에서 지배적인 역할을 하고 있는 것으로 나타났다. 시스템. Demirel과 Scherer의 연구도 동일한 결론에 도달했습니다.

2 혐기성 소화에서 암모니아 억제의 영향 요인 및 제거 조치

암모니아 억제는 종종 혐기성 소화 시스템에 심각한 영향을 미치며 결국 시스템 붕괴로 이어집니다. 따라서 많은 연구에서 암모니아 억제에 영향을 미치는 요인과 이를 지연하거나 제거하는 방법을 조사했습니다. 주로 미생물의 가축화, pH 값 조정, 온도 조절, C/N 비율 조정 등이 포함됩니다.

2.1 미생물의 가축화

시스템 내 고농도의 암모니아 질소는 미생물 활동을 직접적으로 억제할 수 있으며, 이는 종종 혐기성 소화 반응기 고장의 주요 원인이 됩니다. 연구에 따르면 낮은 암모니아 질소 농도로 폐수를 처리하는 혐기성 소화 반응기는 종종 시스템의 높은 암모니아 질소 농도에 더 잘 적응할 수 있는 것으로 나타났습니다.

시스템의 암모니아 질소 수준을 점진적으로 높이고 혐기성 소화 시스템에서 미생물을 길들임으로써 암모니아 질소에 대한 메탄 생성 미생물 개체군의 내성을 향상시킬 수 있으며 이는 효과적이고 경제적인 방법입니다.

Abouelenien 등은 시스템 내 미생물을 254일 동안 적응시켜 마침내 높은 암모니아 질소 농도에서 31mL/g(VS)의 가스 생산을 달성했습니다. Sung과 Liu의 연구 결과는 높은 암모니아 질소 순응 하에서 시스템 내 메탄 생성 물질의 전반적인 활성이 감소했지만 암모니아 질소 및 pH 변화에 대한 내성이 향상되었음을 보여주었습니다.

Gao 등은 현장에서 점진적으로 암모니아 내성을 길들였으며 마침내 시스템의 총 암모니아 질소가 4,275mg/L에 도달해도 혐기성 소화 반응기가 여전히 정상적으로 작동할 수 있음을 깨달았습니다.

가축화가 다양한 암모니아성 질소 농도에 대한 시스템 내 미생물의 적응성을 향상시킬 수 있다는 것이 많은 연구에서 확인되었지만, 이는 시스템 내 기존 미생물의 대사 경로의 변형 때문인지 아니면 다양한 암모니아 질소 농도에 적응할 수 있는 것이 가축화인지 여부. 암모니아 질소 농도가 높은 새로운 미생물 개체군은 절대적인 인식에 도달하지 못했습니다.

Gao 등의 연구에 따르면 혐기성 소화 시스템의 총 암모니아 질소 농도는 2,341mg/L(1단계)에서 4,293mg/L(5단계)까지인 것으로 나타났습니다. , 메타노겐(메타노박테리아과) 단계

풍부도는 1단계의 36.16에서 5단계의 69.73으로 증가했으며 성장률은 92.84였습니다. Methanosaetaceae와 Methanosarcinaceae의 상대적 존재비는 1단계에서 각각 31.01과 26.81에서 8.13과 2.77로 떨어졌습니다. 암모니아 질소 농도가 높으면 수소영양 메탄생성체가 점차 우세해지고, 아세테이트를 활용하는 메탄생성 경로는 혐기성 소화 메탄생성 과정에서 속도 제한 단계가 됩니다.

연구에 따르면 혐기성 소화 시스템의 암모니아 농도가 3g/L를 초과하면 시스템 내 아세트산을 이용하는 메탄생성균이 억제되기 시작하고, 상호 영양적인 아세트산 산화 활성이 억제되기 시작하는 것으로 나타났습니다. 박테리아(SAOB)는 점차 증가하여 아세트산을 수소와 이산화탄소로 분해한 다음 수소영양 메탄생성물을 통해 메탄을 합성할 수 있습니다.

Karakashev 등의 연구에서도 시스템 내 암모니아 농도가 증가함에 따라 신트로프 아세트산 산화 박테리아(SAOB)의 활성이 점차 아세트산을 이용하는 메탄 생성균의 활성을 초과하는 것으로 나타났습니다. 아세트산을 소비하는 과정에서 이점이 있습니다.

2. 2 pH 값 조정

혐기성 소화 시스템의 pH 값은 미생물의 정상적인 생활 활동과 밀접한 관련이 있을 뿐만 아니라 유리 농도와도 밀접한 관련이 있습니다. 시스템의 암모니아. 시스템의 pH가 증가함에 따라 시스템의 더 많은 NH4가 유리 암모니아 분자(NH3)로 전환된다는 것을 공식(1)에서 볼 수 있습니다.

시스템 내 메탄 생성 박테리아는 암모니아 농도에 가장 민감하며 이들의 활동이 먼저 영향을 받아 VFA가 어느 정도 축적되면 시스템의 pH가 감소합니다. , 궁극적으로 시스템의 가스 생산이 감소하거나 심지어 충돌이 발생합니다. 시스템의 pH를 효과적으로 제어하는 ​​것은 암모니아 억제 효과를 늦추는 데 중요합니다.

2. 3 온도 제어

온도는 시스템의 암모니아 억제 임계값에 영향을 미치는 중요한 요소로 간주됩니다. 이는 미생물의 성장 속도 및 농도와 밀접한 관련이 있습니다. 혐기성 소화 시스템에서 유리 암모니아(공식 (1) 참조) 밀접 접촉. 일반적으로 온도가 증가함에 따라 미생물의 대사 속도가 가속화되고, 이는 또한 시스템 내 유리 암모니아 농도의 상응하는 증가로 이어진다고 믿어집니다.

또한 많은 학자들은 고질소 함유 유기성 폐기물의 경우 고온(50~60℃) 혐기성 소화가 중온(30~40℃)보다 암모니아 억제에 더 취약하다는 사실을 발견했다. ) 혐기성 소화로 인해 시스템이 불안정해집니다.

Hejnfelt와 Angelidaki는 도축장 폐기물을 혐기성 소화한 결과, 고온 혐기성 반응기(55℃) 내 최종 시스템의 총 질소 농도가 7,000mg/L(유리 암모니아)에 도달한 것으로 나타났습니다. 농도는 999 mg/L에 도달), 중온 혐기성 반응기(37°C)는 유리 암모니아 농도가 400 mg/L에 도달해도 여전히 안정적으로 작동합니다.

Gallert와 Winter는 반응 온도가 각각 37°C와 55°C인 두 세트의 생활 폐기물 혐기성 소화 반응기를 설계했습니다. 두 세트의 반응기에서 50% 억제율에 도달했을 때 해당 유리 암모니아 농도는 각각 220,690mg이었습니다. /엘. 그러나 Masse 등은 돼지 분뇨의 저온(10°C) 혐기성 소화를 연구한 결과 저온 혐기성 소화가 고온 및 중온 혐기성 소화보다 시스템의 높은 암모니아 질소 농도에 더 잘 견딘다는 사실을 발견했습니다. 가능한 이유는 저온 조건에서 시스템 전체 암모니아 질소에 대한 유리 암모니아 농도의 비율이 낮기 때문인 것으로 추측됩니다.

2. 4 C/N 값 조정

혐기성 소화 시스템의 경우 발효 원료의 C/N 비율이 너무 높으면 질소 공급원이 부족해집니다. 반대로, C/N 비율이 너무 낮으면 시스템에 암모니아가 쉽게 축적되어 혐기성 소화 미생물을 억제하게 됩니다. 결합된 혐기성 소화를 위해 다양한 특성을 가진 반응 기질을 선택하는 것은 시스템에서 암모니아 억제 위험을 줄이기 위한 비용 효율적이고 작동하기 쉬운 방법입니다.

발효 원료의 C/N 비율을 조정하면 시스템 내 총 암모니아성 질소 농도 수준을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 그러나 이 과정은 상대적으로 느리고 시스템 내 메탄 생성 미생물이 활성 상태일 때만 상응하는 역할을 할 수 있습니다. 혐기성 소화 시스템의 메탄 생성 미생물이 심각하게 억제되고 이때 발효 공급 원료의 C/N 비율이 조정되면 시스템을 복구하기 어려울 것입니다.

De Vries 등의 연구에 따르면 옥수수 녹색 사료를 별도로 혐기성 소화하는 것과 비교하여 비트 뿌리 및 밀 효모를 혐기성 소화와 결합하면 바이오에너지 글리세롤 생산량이 568% 증가한 것으로 나타났습니다. Hejnfelt와 Angelidaki는 중온성 혐기성 소화를 결합하기 위해 돼지 분뇨에 5가지 돼지고기 부산물을 첨가하면 돼지 분뇨 단독의 혐기성 소화에 비해 메탄 생성이 40% 증가한다는 사실을 발견했습니다.

Molinuevo-Salces 등은 혐기성 소화를 위해 일정량의 야채 가공 폐기물을 돼지 분뇨에 투입한 결과 시스템 내 VS 분해율이 향상되는 것으로 나타났습니다.

Shanmugam과 Horan은 제혁소 폐수의 혐기성 소화를 수행했습니다. 실험 설계는 C/N 비율이 3.2~30인 폐수를 공급하는 것이었습니다. 결과에 따르면 혐기성 소화 시스템의 시스템 pH는 도 6. 5에 도시된 바와 같이, C/N 비율이 15일 때 누적 가스 생산량이 최대에 도달하고 이때 시스템 유리 암모니아 농도(817 mg/L)가 낮습니다. C/N 비율을 조정하지 않은 원래 폐수와 비교하여 유리 암모니아 방출이 80% 감소했습니다.

2.5 기타 영향 요인 및 조치

많은 학자들은 초기 바이오매스, 공급 빈도, 막 접촉기 구성 요소 추가, 미생물 고정화, 미량 원소 추가 및 희석 등을 발견했습니다. 모두 혐기성 소화 시스템의 암모니아 억제에 영향을 미칩니다. 특정 조치를 취하면 암모니아 억제의 영향을 완화할 수 있습니다.

Markou 등은 스피루리나의 혐기성 소화를 연구하여 초기 바이오매스를 각각 125, 250 및 500mg/L로 설계했습니다. 그 결과 혐기성 소화 시스템의 초기 바이오매스가 낮아지는 것으로 나타났습니다. 암모니아 억제에 더 취약합니다. 바이오매스가 높을수록 시스템 내 암모니아 질소의 동화 속도가 빨라지는 것으로 추측됩니다.

Tice 등은 미생물 연료전지에 대한 연구를 진행한 결과, 기질이 2g/L 아세트산나트륨 조건에서 높은 급식빈도(2일에 1회 급식) 그룹인 것으로 나타났다. 암모니아 질소 농도가 4,000mg/L에 도달하면 높은 전력 밀도(1.1 ~ 1.9W/m 2 )를 얻을 수 있습니다.

시스템의 총 암모니아성 질소 농도가 2,500mg/L에 도달할 때 낮은 급식 빈도(6일에 한 번 급식) 그룹의 전력 밀도가 더 낮았습니다.

섭식 빈도를 늘리면 암모니아 억제에 대한 전기 미생물의 내성이 향상될 수 있습니다. 또한, 전력밀도 곡선은 지속적인 전류 모니터링보다 미생물 연료전지의 암모니아 억제 예측에 더 효과적이라는 점도 지적되었다.

Lauterbock 등은 도축장 폐기물의 혐기성 소화 시스템에 중공사막 접촉기 구성 요소를 추가하여 시스템 내 암모니아 질소를 지속적으로 제거한 결과, 유리 암모니아 농도가 1 수준인 것으로 나타났습니다. 제어 반응기 000 ~ 1 200 mg/L, 약 70 감소.

시스템은 더욱 안정적이면서도 더 높은 메탄 생산 및 처리 효율성을 달성합니다. 미생물 고정화를 위해 혐기성 소화 반응기에 불활성 부하 물질(점토, 활성탄, 제올라이트 등)을 추가하면 암모니아 억제를 효과적으로 늦추고 소화 과정을 더욱 안정적으로 만들 수 있습니다.

Sasaki 등은 메탄 생성 물질을 고정하기 위해 고온 혐기성 소화 반응기에 탄소 섬유 직물(CFT)을 추가했습니다. 결과는 시스템의 총 암모니아 질소가 3,000mg/L에 도달했을 때, CFT를 추가한 원자로가 여전히 안정적으로 작동하고 있습니다. 그리고 16S rRNA 유전자 분석을 통해 다수의 메탄 생성균이 CFT에 부착되어 있습니다. CFT가 없는 제어 반응기는 시스템의 총 암모니아 질소가 1,500mg/L에 도달할 때 메탄 수율이 더 낮았습니다.

Banks 등은 혐기성 소화 시스템에 미량 원소인 셀레늄과 코발트를 추가하고 복용량을 최적화했으며, 최적의 조건에서 시스템의 총 암모니아 질소 농도를 5,000mg/h로 제어할 수 있음을 발견했습니다. L 및 안정적인 작동, 대조군의 총 암모니아 질소 농도는 6,100 mg/L에 도달했습니다.

Kayhanian은 희석이 혐기성 소화 시스템의 암모니아 부하를 직접적으로 줄여 암모니아 억제 효과를 완화할 수 있다고 지적합니다. 그러나 이 방법은 희석 후 반응기 부피가 낭비되고 처리 효율이 떨어지기 때문에 경제적이지 않다.

또한 화학적 침전, 스트리핑 등 일부 물리적, 화학적 방법을 사용하여 혐기성 소화 반응기에서 암모니아 질소를 제거하고 암모니아 억제 속도를 늦출 수 있습니다. 연구에 따르면 2단계 혐기성 소화 시스템은 기존의 단상 혐기성 소화 시스템보다 시스템 내 암모니아 질소에 대한 내성이 더 뛰어나고 시스템의 처리 효율성도 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.

따라서 고질소 폐기물을 처리하기 위해 2단계 혐기성 소화 시스템을 사용하는 것은 소화 과정에서 과도한 암모니아 질소가 반응 효율에 미치는 영향을 줄이는 것을 고려할 수 있습니다.

3 결론

현재 혐기성소화 과정에서 암모니아 억제에 관한 많은 연구가 국내외에서 진행되고 있으나, 기존 연구는 그 효과에 더 초점을 두고 있다. 메탄 생성 미생물 군집의 암모니아 억제 패턴 변화 및 암모니아 억제를 완화하는 방법은 여전히 ​​실험실 수준에 있습니다.

암모니아 억제가 일어나는 혐기성 소화 시스템은 조치를 취하면 복구할 수 있지만, 프로세스를 복구하려면 일정 시간이 필요하므로 특히 실제 프로젝트의 경우 소화 프로세스의 연속성과 효율성에 심각한 영향을 미칩니다. .

따라서 향후 연구 방향은 암모니아 억제 과정에서 메탄 생성 물질과 다른 혐기성 미생물 사이의 상호 작용과 시스템 내 암모니아 억제의 예측 및 시뮬레이션에 더 중점을 두어야 합니다. 시스템은 암모니아 억제가 시스템에 미치는 악영향을 방지하기 위해 적절한 조치를 취합니다.

입찰 낙찰률 향상을 위한 엔지니어링/서비스/구매 입찰 문서 작성 및 제작에 대한 자세한 내용을 보려면 하단 공식 웹사이트 고객 서비스를 클릭하여 무료 상담을 받으세요: /#/?source= ㅋㅋㅋㅋㅋㅋ