2.1. 회분식 혐기성 소화 실험

암모니아에 의한 메탄생성 미생물의 억제 및 적응 정도를 파악하기 위해 3가지 다른 유기물 부하와 암모니아 부하 조건에서 양돈 분뇨를 사용한 회분식 형태의 혐기성 소화 실험을 수행하였다. 본 실험에 적용된 기질 및 접종물의 특성을 Table 1에 나타내었는데 본 실험에 사용된 양돈분뇨는 충남 당진의 G 농장에서 채취하여 스크린 등의 전처리를 거친 시료를 사용하였으며, 최초 접종된 혐기성 소화 슬러지는 대전하수처리장의 소화조 슬러지를 이용하였다. 두 번의 phase 운전에서 phase 1은 고농도 암모니아에 미적응된 하수처리장 소화조 접종액을 이용한 실험 결과이며 phase 2는 phase 1에서 5개월의 적응 기간을 거친 후 유사한 조건에서 적응 미생물에 대한 동일한 실험을 수행한 결과이다.

Table 1.

The Characteristics of inoculum and substrate applied in this study.

회분식 소화 실험은 양돈분뇨에 미적응된 하수처리장 소화슬러지를 접종한 후 약 8개월간 운전되었다. 실험실 반응조로 활용된 BPC Instruments사의 AMPTS(Automatic Methane Potential Test Systems) Ⅱ Light 장비로 6개의 배양조는 각 2L 용량의 유리병으로 되어있으며 자동 혼합 장치가 부착되어있다. 혼합은 2시간 혼합 후 1시간 정치의 방식으로 연속적으로 작동하였다. 운전온도는 35±1 ℃로 운전되었으며, 각 반응조는 유효용량 1.6L로 운전하여, 3개의 다른 부하 조건으로 각각 원수: 접종액의 비율(비율별 phase별 운전번호)을 0.5:1.1 (1-1, 1-4, 2-1, 2-4), 0.7:0.9 (1-2, 1-5, 2-2, 2-5), 0.9:0.7(1-3, 1-6, 2-3, 2-6)로 하여 운전하였다. 양돈 농장 원수의 농도가 수시로 변화하는 것을 반영하여 동일 조건 다른 농도의 원수를 각각 2개씩 운영하였다. 메탄가스의 측정은 장치에 부착되어있는 이산화탄소 흡수조와 액체 탱크에서 메탄의 부력을 감지하는 유량 측정장치(flow cell array DAQ unit)을 활용하였으며 연결된 pc에서 24시간 자동 측정된 결과를 획득한 것이다. 실험실 장치의 사진을 Fig. 1에 보여주고 있으며 Table 2에 장치의 작동 원리와 세부적인 내용을 나타내고 있다.

Fig. 1.

AMPTS(Automatic Methane Potential Test Systems) Ⅱ Light.

Table 2.

Technical specification of AMPTS apparatus.

2.2. 동역학적 모델의 적용

고농도 암모니아에 적응하지 못한 메탄 생성 미생물은 정상조건의 운전이 되기까지 충분한 시간이 필요한 것으로 알려져 있으며 회분식 실험들에서 지체 시간, 메탄 수율 및 최대 메탄 생성 속도에 대한 암모니아 농도의 영향이 조사되어 보고되고 있다[6,13,14,15,16]. 대부분의 실험은 하수슬러지를 적용하는 실험들이었으며, 고농도 조건의 영향을 파악하기 위해 인공으로 주입한 암모니아 농도에 따른 미생물의 억제 수준을 보여주고 있다. 문헌에 보고된 억제 농도는 매우 다양하며, 이는 운전 조건의 차이와 활성 미생물 군집과 순응 미생물 군집 간의 차이에 기인하는 것으로 알려지고 있으며 미생물 군집은 적용된 기질에 따라 다양한 형태로 나타나는 것으로 알려지고 있다[1,2,17]. 고농도 암모니아를 포함하는 양돈 분뇨의 모델 계수는 거의 알려지지않고 있다. 메탄 생산량을 동역학적 모델로 적용하기 위해 Masih-Das 및 Tao [18]에 의해 소개된 변형 Gompertz 모델(식 1)을 사용하였는데 모든 운동 상수(P_m1, P_m2, K, R_m 및 λ)는 Microsoft Excel 함수식을 사용하여 비선형 곡선 피팅을 통해 모든 계수를 동시에 추정하였다.

여기서 t는 day로 표현된 운전 시간이며 Pt는 시간 t에서의 누적 바이오가스생산량(L)이고, P_m1과 P_m2는 바이오가스의 최대 생산량이다. K는 첫 번째 단계의 반포화 시간(day)이고 exp(e)는 오일러 수(2.718)이다. R_m은 두 번째 단계의 최대 바이오가스 생산율 (L/g VS/d) 이고 λ는 지체기(d)로 표현된다.

3.1. 암모니아 적응성에 따른 혐기성 미생물의 메탄가스 생성률 분석

Table 3은 2개의 phase로 운전된 회분식 테스트의 결과로 각각의 회분식 운전 전, 후의 VS 및 암모니아 제거효율과 각 단계별 메탄 생성률을 보여주고 있다. 전체 운전 결과의 VS 제거효율은 평균 36.6%(22.6~53.2)로 나타나고 있으며, 암모니아의 제거효율 평균은 16.8%(11.0~25.6)이다. 미생물이 적응되기 전인 phase 1과 phase 2의 VS 제거효율이 상당히 다르게 나타나고 있는데 고농도 암모니아에 적응하기 전에는 평균 31.1% 인 반면 적응 후인 phase 2에서는 42.1%로 유기물 제거효율이 크게 향상되는 것을 보여준다. 반면 암모니아 제거효율은 적응전에 평균 16.6%에서 적응 후에는 17.0%로 큰 차이를 보이지 않고 있다. Fig. 2와 Fig. 3은 각각 암모니아에 적응 전인 Phase 1 과 적응 후인 phase 2의 운전 기간별 메탄가스 누적 생산량을 보여주고 있다. 고농도 암모니아에 적응전인 phase 1에서 유기물 부하와 암모니아 부하에 따라 다르기는 하지만 전반적으로 운전 시작 후 35일 이상의 지체기를 거친 후 메탄이 생성되는 것을 보여주고 있다. Phase 1에 나타난 적응기간은 약 45일에서 90일 이상으로 농도가 비교적 낮은 1, 4번에서 가장 적은 적응 기간을 보였고, 2, 3, 5, 6번에서 약 70일 정도의 비슷한 적응기간을 보인 것으로 보아 일정 농도 이상에서는 비슷한 적응 기간 후에 메탄가스가 생산되며 고농도 암모니아의 적응기간은 유기물 부하와 직접 관련이 있는 것을 알 수 있다. Phase 2의 경우 phase 1에서 적응이 끝난 미생물을 이용하여 유사한 유기물 및 암모니아 부하 조건에서 운전을 진행하였는데, 암모니아에 대한 적응기간 없이 가스가 발생하는 것으로 보아 일정 정도의 암모니아 부하까지는 추가적인 적응기간이 필요가 없는 것으로 추정된다.

Table 3.

Experimental results from AMPTS batch anaerobic test.

Fig. 2.

Methane gas production profiles in batch anaerobic digestion experiments at different initial digestate TAN concentrations with unadapted inoculum (phase 1).

Fig. 3.

Methane gas production profiles in batch anaerobic digestion experiments at different initial digestate TAN concentrations with adapted inoculum(phase 2).

3.2. 메탄생성 미생물의 암모니아 적응 및 억제의 동역학

본 실험의 운전 일자별 누적 메탄 생산량 분석결과 정상운전 전의 지체시간은 초기 암모니아 농도와 매우 깊은 상관관계를 보이는 것으로 나타나고 있다. Fig. 4는 초기 암모니아 농도와 지체기(λ)를 나타낸 것인데 본 실험의 미적응 미생물의 phase 1에서는 45일에서 99일까지로 나타나고 있다. 적응되지 않은 하수슬러지에 고농도 암모니아를 적용한 Van Velsen [16]과 Eldem et al. [14]의 결과와 매우 유사한 지체시간을 보여주고 있는 반면 5개월간 적응된 미생물을 활용한 phase 2는 적응된 활성 미생물을 이용한 Ageymen et al. [19]과 유사한 결과를 보여주고 있다. 본 연구의 암모니아 농도가 6,000 mg/L이하에서 적용되어 그 고농도 조건의 억제상황을 보여주지 못하고 있으나 Ageyman et al. [19]의 결과를 토대로 보면 10,000 mg/L 이상의 암모니아 농도에서는 적응된 미생물도 농도에 비례하여 추가적인 지체 현상이 나타나고 있음을 보여주고 있다.

Fig. 4.

Variations of lag phase length of in this test and compared with other study results in initial TAN concentrations.

본 실험의 운전 온도인 35℃와 최종 pH 7.5-7.9 의 조건에서 암모니아의 3.0-8.9%가 분자상 암모니아(NH₃) 형태로 추정된다[20]. Jiang et al. [2]은 유리 암모니아와 암모늄 이온이 메탄 생성균의 활동 억제 메커니즘을 보고하고 있는데, 메탄생성균의 억제는 분자상태의 암모니아(NH₃)가 아닌 총 암모니아에 기인하는 것으로 보고하고 있다. Phase 1 반응조에서 TAN 농도가 4.07 g/L에서 3.36 g/L로 감소하였으며 phase 2 반응조에서는 TAN 농도가 3.30 g/L에서 2.72 g/L 감소하여 감소율의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. Fig. 5에 암모니아 농도에 따른 메탄가스 발생율을 나타내고 있는데 phase1 과 phase 2의 조건에서 암모니아 농도에 따른 메탄가스 발생율은 큰 차이를 보여주고 있다. 암모니아 농도에 적응전의 메탄 발생율은 TAN 2,700 mg/L에서 0.68 L/gVS 로 나타나는 반면 적응 후의 미생물은 TAN 4,250 mg/L에서 0.82 L/gVS 의 발생율을 보여주고 있다. 미생물의 메탄가스 발생율은 초기에 암모니아 농도가 증가함에 따라 증가하다가 최대값 이후에 감소되는 양상을 보이고 있다. 초기의 일정 농도까지 암모니아가 증가함에 따라 메탄 가스 발생율이 증가하는 현상은 중탄산 암모늄의 pH 완충 효과로 알려지고 있다[17,21]. TAN 농도의 지속적인 증가는 메탄가스 발생량의 감소로 이어지는데 Yan et al. [4]은 과도한 암모니아 농도 조건에서 운영되는 혐기성 미생물이‘억제된 정상 상태’라고 하는 적응과 억제를 반복하는 현상을 보고하고 있다. 일단 고농도 암모니아에 적응된 메탄균은 Fig. 5에 보여주는 것과 같이 적응되지 않은 메탄균보다 메탄 발생율이 더 높아지게 되는데, 적응성은 암모니아 억제를 견딜 수 있는 저항력있는 메탄 생성 종을 발전시키는데 필수적인 것으로 알려지고 있다[4,5,22,23].

Fig. 5.

Effects of ammonia concentration in digestate with adapted and unadapted inocula on specific biogas yield.

3.3. 암모니아 적응과 억제를 실현하는 동역학적 모델의 적용

문헌상에 나타난 암모니아 억제의 역치는 억제의 형태에 관계없이 대부분이 단기간의 회분식 실험으로 결과를 보여주고 있다[24,25]. 생물 반응에서 미생물의 활동과 성장률에 대한 기질에 따른 미생물 억제와 적응에 대한 15개 이상의 동역학적 모델이 있다. 이 모델들은 경험식을 기반으로 만들어졌으며 미생물 생산량과 메탄가스 발생율에 대한 적응 및 억제 과정을 모사하는 데 사용할 수 있다. 미생물 성장률과 제한 기질 농도 사이의 관계를 나타내는 Monod 모델과 같은 성장 동역학 모델과 달리, 대부분의 자극-억제 모델은 기질 및 생성물의 낮은 농도에서 기질 자극과 높은 농도에서의 억제를 모두 반영하고 있다. Fig. 5와 Fig. 6은 동력학적 모델링 계수를 적용한 각 phase 별 측정값과 모델값을 함께 나타낸 것이다. 모든 실험결과에서 99%의 일치를 보여줬는데 phase 1의 경우 메탄 생산 지연과 적응 기간을 보여주고 있으며 phase 2에서는 비슷한 암모니아 농도가 적용되었음에도 지체 구간없이 실험 시작 후 바로 메탄 생산이 가능함을 보여주고 있다.

Fig. 6.

Comparison of accumulated methane production with inhibition models calibrated and the measured in unadapted batch test.

Fig. 7.

Comparison of accumulated methane production with inhibition models calibrated and the measured in adapted batch test.

Table 4는 각 phase 별 반응조의 메탄생산량 모델링을 위해 적용된 계수들을 나타낸 것이다. 고농도 암모니아에 적응되지 않은 phase 1과 적응 완료 후의 phase 2에서의 P_m1 과 λ값들이 확연히 상이하게 나타나는 것을 볼 수 있는데 phase1에서 P_m1은 0.3~0.9, phase 2에서는 2.2~5의 값들을 보여주고 있으며, λ의 경우 phase 1에서 45~99, phase 2에서 7~30의 값으로 나타나고 있다. 미생물의 적응 여부에 따라 지체시간을 나타내는 λ값의 차이 뿐 아니라 단계별 메탄생산량을 나타내는 P_m1은 더 큰 차이를 보이는 반면, 반포화시간인 K와 2단계에서의 최대 가스생산율인 R_m은 유기물부하에 따라 변화하고 미생물의 적응 여부에 관계없이 유사한 값을 보여주고 있다.

Table 4.

Parameter values of the best inhibition models calibrated with the measured specific biogas yields and maximum biogas production rate in batch digestion inoculated with unadapted and adapted digestates.