This study investigated microbial communities and their diversity in a full-scale mesophilic anaerobic digester treating sewage sludge. Influent sewage sludge and anaerobic digester samples collected from a wastewater treatment plant in Busan were analyzed using high-throughput sequencing. It was found that the microbial community structure and diversity in the anaerobic digester could be affected by inoculation effect with influent sewage sludge. Nevertheless, distinct microbial communities were identified as the dominant microbial communities in the anaerobic digester. Twelve genera were identified as abundant bacterial communities, which included several groups of syntrophic bacteria communities, such as Candidatus Cloacimonas, Cloacimonadaceae W5, Smithella, which are (potential) syntrophic-propionate-oxidizing bacteria and Mesotoga and Thermovigra, which are (potential) syntrophic-acetate-oxidizing bacteria. Lentimicrobium, the most abundant genus in the anaerobic digester, may contribute to the decomposition of carbohydrates and the production of volatile fatty acids during the anaerobic digestion of sewage sludge. Of the methanogens identified, Methanollinea, Candidatus Methanofastidiosum, Methanospirillum, and Methanoculleus were the dominant hydrogenotrophic methanogens, and Methanosaeta was the dominant aceticlastic methanogens. The findings may be used as a reference for developing microbial indicators to evaluate the process stability and process efficiency of the anaerobic digestion of sewage sludge.

The present study investigated the effect of ammonia load on microbial communities in mesophilic anaerobic digestion of propionic acid. A laboratory-scale continuous anaerobic digester treating propionic acid as a sole organic substrate was operated under non-inhibitory condition and inhibitory conditions with ammonia (1.5 g and 3.5 g ammonia-N/L, respectively), and bacterial and archaeal communities in the steady states of each ammonia condition were analyzed using high-throughput sequencing. Thirteen bacterial families were detected as abundant bacterial groups in mesophilic anaerobic digestion of propionic acid. Increase in ammonia concentration resulted in significant shifts in microbial community structures. Syntorophobacter, Pelotomaculum, and Thermovigra were determined as the dominant groups of (potential) propionate oxidizing bacteria in the non-inhibitory condition, whereas Cryptanaerobacter and Aminobacterium were the dominant groups of (potential) propionate oxidizing bacteria in the ammonia-inhibitory condition. Methanoculleus and Methanosaeta were the dominant methanogens. Acetate-oxidation coupled with hydrogenotrophic methanogenesis might be enhanced with increases in the relative abundances of Methanoculleus and Tepidanaerobacter acetatoxydans under the ammonia-inhibitory condition. The results of the present study could be a valuable reference for microbial management of anaerobic digestion systems that are exposed to ammonia inhibition and propionic acid accumulation.

혐기성소화는 폐기물처리뿐만 아니라 대체에너지인 메탄가스가 발생하여 에너지를 회수할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 혐기성소화 효율을 높이기 위해 미량중금속을 투입하기도 한다. 이는 대표적인 유기성 폐기물인 음식물류폐기물에 미량중금속의 함량이 낮고, 미량중금속이 미생물의 생장에 중요한 역할을 하기 때문이다. 이에 본 연구에서는 미량중금속의 함량이 낮고 대표적인 유기성폐기물인 음식물류폐기물을 기질로 사용하여 혐기성소화를 진행하였고 식종은 음식물류폐기물과 축산폐수를 병합처리하는 혐기성소화조 소화슬러지를 사용하였다. 사용한 시료는 A시의 폐기물자원화시설에서 채취하였으며 음식물류폐기물은 2 mm, 소화슬러지는 0.85 mm 채로 걸러서 사용하였다. Ni는 메탄생성미생물의 성장에 필수적으로 필요하고 아세트산의 이용효율을 증가시키는 효과가 있어 대상 미량중금속을 Ni로 하였다. Ni 투입량은 0, 0.1, 1, 10, 50 mg/L로 변화를 주었으며 소화온도는 중온(35℃)과 고온(55℃)로 실험을 진행하였다. 실험은 음식물류폐기물과 소화슬러지를 휘발성고형물(volatile solid, VS) 기준으로 1:1 비율로 섞어 500 mL serum bottle에 300 mL를 채워 진행하였고, 반응기에 농도별로 Ni를 투입하였다. 이 후 질소를 이용하여 2분간 퍼지하고, 고무마개와 알루미늄씰(aluminium seal)을 이용하여 밀봉하였다. 제작된 반응기를 항온 진탕배양기(VS-8480, VS-8480SF, KR)에서 중온 및 고온에서 소화를 진행하였다. 발생하는 가스는 기압계(Keller LEO-2, Germany)를 이용하여 반응기 내 압력을 측정하여 발생량을 계산하는 방식을 이용하였다. 본 연구는 아직 진행 중에 있어 결과는 추후 학회에서 발표할 예정이다.

혐기성소화는 환경에 민감하기 때문에, 이에 항상 일정한 환경을 유지해 주는 것이 혐기성소화의 열쇠라고 할 수 있다. 이번 연구에서는 혐기성소화조의 온도를 중온소화영역(30~37℃)을 유지할 수 있도록 해주는 장치를 개발, 설치하여 이의 효용성에 대한 연구를 진행하였다. 설치대상 혐기성소화조는 1m³의 부피를 가진다. 여기에 가온은 총 2가지의 방식으로 진행하였다. 첫 번째는 호기소화열을 이용하였고, 두 번째는 태양열을 이용하여 생산된 온수를 이용하였다. 온수를 이용하여 혐기성소화조를 가온키 위해 태양열을 집열하는 진공관과 온수탱크를 설치하였다. 그리고 온수탱크와 혐기성소화조의 하단부를 자켓으로 연결하여 가온할 수 있도록 하였다. 호기소화열의 제어는 무리가 있어, 온수를 제어하여 혐기성소화조의 온도를 제어하였다. 온도를 제어하기 위해 온수탱크와 혐기성소화조, 진공관에 온도센서를 중앙제어장치와 연결하여 설치하였다. 중앙제어장치에서는 온도센서로부터 측정한 온도를 이용하여 연산을 진행하였다. 진공관의 온도가 온수탱크보다 10℃가 높을 때 온수를 순환시켰고, 온수탱크의 온도가 45℃를 넘고 혐기성소화조가 35℃ 미만이 되었을 때 온수를 순환시켰다. 실험결과 태양열온수장치를 이용하기 전 혐기성소화조, 호기성소화조, 실내의 평균 온도는 각각 33, 49.8, 34.1℃였고, 태양열온수장치를 이용했을 때 혐기성소화조, 호기성소화조, 실내의 평균온도는 각각 33.1, 44, 22.1℃로 측정되었다. 태양열온수장치를 이용했을 때의 호기성소화조의 온도와 실내의 평균온도가 장치를 이용하지 않을때의 호기성소화조와 실내의 평균온도보다 훨씬 낮음에도 불구하고 혐기성소화조의 온도가 더 높게 측정된 것은 태양열온수장치의 가온효과가 고무적으로 보인다고 사료된다.

우리나라는 에너지 다소비적인 산업구조로 인해 화석연료의 의존도가 높다. 에너지의 약 97%를 수입에 의존하고있는 현 시점에서 우리나라는 국제 어네지가격의 급등에 취약할 수밖에 없다. 이러한 국가적 문제를 해결하기 위해 유기성폐기물의 에너지화기술이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 고농도 유기성 폐기물인 돈분뇨와 음식물류폐기물의 전처리를 통해 액상의 고농도유기물만을 중온혐기성소화조에서 병합처리하여 대체 에너지원인 바이오가스를 생산하는 Pilot Plant의 소화효율을 검토하였다. 혐기성소화조에 투입되는 유기물(VS)농도와 원료배합에 변화를 주어 투입되는 유기물의 용적부하(OLR)를 조절하여 변화에 따른 바이오가스 생산량 및 메탄농도, 메탄수율을 분석하여 혐기성소화 효율을 검토하였으며, 각 CASE별 TS, VS농도는 다음과 같다. 분석결과 투입원료의 유기물(VS)량에 따른 바이오가스 발생량은 CASE1에서 유기물(VS)은 평균 2.69%으로 분석되었으며, 이에 따른 바이오가스 발생량과 메탄농도는 평균 0.45 m³/day, 57%로 나타났다. CASE 2는 유기물(VS) 평균 농도가 1.48%, 바이오가스 발생량과 메탄농도가 평균 0.45 m³/day, 56% 그리고 CASE 3에서는 유기물(VS)농도, 바이오가스발생량, 메탄농도가 각각 6.13%, 0.36 m³/day, 59%로 나타났으며, 이 때 CASE1, 2, 3 각각의 유기물 용적부하는 0.54kg･vs/day･m³, 0.3kg･vs/day･m³, 1.23kg･vs/day･m³으로 나타났다. CASE1과 CASE2에 비해 CASE3에서 투입원료의 VS농도가 6.13%로 높은 농도의 유기물이 투입되어 용적부하가 높게 나타났다. 이에 따라 바이오가스 발생량이 다른 실험군에 비해 줄어든 것이 확인되었으며, CASE1, 2, 3 각 실험군의 메탄수율은 0.55 m³/kg･vs, 0.52 m³/kg･vs, 0.4 m³/kg･vs로 CASE1, CASE2의 수율은 CASE3 대비 약 1.4배, 1.3배 높게 분석되었다. 본 연구를 통해 유기물의 용적부하가 증가함에 따라 바이오가스 발생량과 메탄수율이 줄어든 것을 확인 할 수 있었으며, 유기물부하에 따른 소화효율 변화를 검토하여 적절한 유기물부하를 찾아 소화상태 및 조건 등을 고려하여 최적 유기물부하를 결정하고 실험을 진행한다면 좀 더 나은 소화효율을 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 적정한 유기물부하가 혐기성소화 소화효율에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.