Microbial community shifts, associated with performance data, were investigated in an anaerobic batch digester treating high-solid food waste under mesophilic conditions using, a combination of molecular techniques and chemical analysis methods. The batch process was successfully operated with an organic removal efficiency of 44.5% associated with a biogas yield of 0.82 L/g $VS_{removal}$. Microbial community structures were examined by denaturing gel gradient electrophoresis. Clostridium and Symbiobacterium organisms were suggested to be mainly responsible for the organic matter catabolism in hydrolysis and acidogenesis reactions. The dynamics of archaeal and methanogenic populations were monitored using real-time PCR targeting 16S rRNA genes. Methanosarcina was the predominant methanogen, suggesting that the methanogenesis took place mainly via an aceticlastic pathway. Hydrogenotrophic methanogens were also supported in high-solid anaerobic digestion of food waste through syntrophism with syntrophic bacterium. Microbial community shifts showed good agreement with the performance parameters in anaerobic digestion, implying the possibility of diagnosing a high-solid anaerobic digestion process by monitoring microbial community shifts. On the other hand, the batch results could be relevant to the start-up period of a continuous system and could also provide useful information to set up a continuous operation.
Biogas created from animal waste is a precious energy source. A practical and successful utilization of the biogas is not easy, because there lie some difficulties in biogas production and facilities investment. In this study, the requisites for a successful biogas utilization were discussed. The production results obtained in the previous operation of anaerobic digestion plant were used for the simulation. When the slurry heating was designed for constant biogas generation, depreciation costs of the facilities amounted 1,175,000 yen per year, and biogas productions at $24.5^{\circ}C$, $30.0^{\circ}C$ and $35.5^{\circ}C$ were $16.8m^3$, $17.6m^3$ and $25.1m^3$, respectively. Removal ratios of organic matters were not so high. At $35.5^{\circ}C$, energy value of the biogas produced was estimated 125.5 Mcal per day, and the following heat loss (y Mcal/day) was brought about by the temperature difference ($X^{\circ}C$) between the digester and atmosphere; y = 0.769X - 5.375. The costs of biogas production per cow were assumed to decrease according to enlargement of feeding scale, especially on scales of more than 30 cows. On recent levels of costs and prices of energy in Japan, they were nearly equal to 2 to 3 fold of the price of municipal mixed gas when a anaerobic digester was compulsorily heated and kept at $30.0^{\circ}C$ or $35.5^{\circ}C$.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.31
no.10
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pp.865-872
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2009
Continuous operation of aerobic sludge digestion reactor was attempted for 279 days. Anaerobic digester sludge, the target material of the experiment, was pretreated by sodium hydroxide at $40^{\circ}C$ for 120 minutes, and the pretreated sludge was fed to 5 L CSTR (continuous stirred tank reactor). Reactor performance was affected by properties of input sludge and HRT (hydraulic retention time). 6 days of HRT showed best and stable performance, and under this condition, removal rates of $NH_3$-N, SCOD, TKN, TCOD, SS, and VSS were 97.4%, 81.7%, 68.7%, 61.4%, 50.6%, and 47.0%, respectively. 73.9% of SS in anaerobic digester sludge was reduced by pretreatment and aerobic digestion. Effluent sludge had low soluble COD of 350 mg/L. This implied the sludge was stabilized and suitable for use as liquid fertilizer. Nitrification took place when HRT was higher than 4 days. $NO_3$-N concentration was as high as 658 mg/L while $NH_3$-N was as low as 20 mg/L.
Molten carbonate fuel cell (MCFC) power plants are one of most attractive electricity generation systems for the use of biogas to generate high-efficiency ultra-clean power. However, MCFCs are considerably more expensive than comparable conventional electricity generation systems. The commercialization of MCFCs has been delayed more than expected. After being effective in the Kyoto protocol and considerably increasing the fossil price, the attention focused on $CO_2$ regression and renewable energy sources has increased dramatically. In particular, the commercialization and application of MCFC systems fed with biogas have been revived because of the characteristics of $CO_2$ collection and fuel variety of MCFCs. Better economic results of MCFC systems fed with biogas are expected because biogas is a relatively inexpensive fuel compared to liquefied natural gas (LNG). However, the pretreatment cost is added when using anaerobic digester gas (ADG), one of the biogases, as a fuel of MCFC systems because it contains high $H_2S$ and other contaminants, which are harmful sources to the MCFC stack in ADG. Thus, an accurate economic analysis and comparison between MCFCs fed with biogas and LNG are very necessary before the installation of an MCFC system fed with biogas in a plant. In this paper, the economic analysis of an MCFC fed with ADG was carried out for various conditions of electricity and fuel price and compared with the case of an MCFC fed with LNG.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.11
no.2
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pp.185-192
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2011
BNR process is an effective method to remove high strength nitrogen included in wastewater and piggery wastewater. There have been many former studies about the induction of nitritation which have many advantages than full nitrification and the impacting factors on nitritation. Especially, it is reported that organic matter has a relation with nitritation. In this study, laboratory sacle reactor was operated using effluent of anaerobic digester, piggery wastewater and anaerobic digester effluent of piggery wastewater. After analyzing the operating results, the impact of organic matter on nitritation was analyzed by classified COD fractions. It was showed that nitritation is affected by organic matter especially by Ss. In conclusion, organic matter should be managed not just as a single gross parameter but in a classified form.
The effect of alkaline pre-treatment on the solubilization of waste activated sludge(WAS) was investigated, and the biodegradability of WAS, pretreated WAS, [PWAS], food waste and two types of mixture were estimated by biochemical methane potential [BMP] test at $35^{\circ}C$. The biodegradability of PWAS and mixture waste were significantly improved due to the effect of alkaline hydrolysis of WAS. An alkaline pre-treatment was identified to be one of the useful pre-treatment for improving biodegradability of WAS and mixture waste. In high-rate anaerobic co-digestion system coordinate with an alkaline pre-treatment in process, the digesters were operated at the HRT of 5, 7, 10 and 13 days with a mixture of FW $50\%\;and\;PWAS\;50\%,\;$In term of $CH_4$ content, VS removal and specific methane production [SMP] which are the parameters in the performance of digester, the optimum operating condition was found to be a HRT of 7 days and a OLR of 4.20g/L-day with the highest SMP of 0.340 L $CH_4/g$ VS.
This work experimentally determined the effect of thermal and microwave pretreatments on the anaerobic digestion of mixtures of municipal primary and secondary sludges in semi-continuous mesophilic digesters at hydraulic retention times (HRT) of 20, 15, 10, 7, and 5 days. The ratio of soluble chemical oxygen demand (COD) to total COD in thermally pretreated and microwaved sludges at $80^{\circ}C$ was 2.7 and 3.2 times higher than that of raw sludge, respectively. The volatile solids (VS) and COD removal efficiencies in all three digesters fed with raw (control), thermally pretreated (TM), and microwaved (MW) sludges decreased as the HRT was reduced. The highest relative improvement in VS removal compared to the control occurred at the HRT of 5 days in the TM and MW (29 and 41% higher than the control, respectively). At this HRT, improvement in the COD removal efficiencies in the TM and MW compared to the control was 28 and 53%, respectively. Improvements in biogas production compared with the control increased in both the TM and MW as the HRT was reduced to 5 days. The relative improvement in daily biogas production compared to the control from the TM and MW was 33 and 53% higher than the control at the HRT of 5 days, respectively. The results show that microwave pretreatment is more effective than thermal pretreatment in increasing the solubilization degree and mesophilic anaerobic biodegradability of sewage sludge.
To increase the efficiency of a two-stage anaerobic wastewater digestion system, various polymers were added to the methanogenic reactor as supports. The addition of polyurethane addition (6%, w/v) to the methanogenic reactor facilitated the organic loading rate (2-day Hydraulic Retention Time), higher than that of the conventional methanogenic reactor (6-day HRT). During the operation of the polyurethane-added reactor, a significant decrease in the organic mass in the effluent (COD 5-6 kg/l) was achieved, compared to that of the conventional reactor (COD 15-20 kg/l). The methane gas production rate also improved about 3-fold in the polyurethane-added reactor. More biomass was found to accumulate in the polyurethane-liquid phase (volatile solid, 26-28kg) than in the free-liquid phase (volatile solid, 5- 7 kg/l) after 90 days of operation. A scaled-up experiment with a polyurethane-added 2.5-1 reactor confirmed the previous results, and no adverse effects such as plugging or channeling due to decreased efficiency was observed even after 4 months of operation.
In Korea, naked barley and tapioca are main raw materials for the production of fermentation ethyl alcohol, and one million drums bf 95% fermentation ethyl alcohol is produced per year by use of them. Stillage of alcoholic fermentation is mostly digested by methane fermentation process, and methane gas occured if methane fermentation process is recovered and mixed with fuel to decrease 25-30% for total fuel used in factories. In the anaerobic digestion process of naked barley stillage, supplement of nutrients is necessary to slove the problems caused by inhibitory materials contained if stillage and deficiency of nutrients. Therefore, the objective of this study was to examine why the anaerobic digesters using the naked barley distillery wastewater have shown the poor digestability frequently and how to control it. As the poor digestion was supposed to be occurred by the lack of iron as trace nutrient, the experiments were carried out to find out the optimum dosage and the way of addition of iron and to assess the quantitative evaluation of the type of iron in digesters. Initially, bottle test as batch digesters and lab-scaled continuous flow digesters were used in order to determine the digestion characteristics with tapioca and naked barley distillery wastewater. According to the results of batch tests, the poor digestion was caused by volatile fatty acids and could be improved by adding of calcium. The activity of the methanogenic bacteria were increased remarkably when the iron was added to the digester in the form of mixture with substrates.
Environmental Sciences Bulletin of The Korean Environmental Sciences Society
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v.1
no.2
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pp.125-136
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1997
Digestion of a municipal wastewater sludge by the anaerobic sequencing batch reactor(ASBR) was investigated to evaluate the performance of the ASBR process at a critical condition of high-solids-content feed. The reactors were operated at an HRT of 10 days with an equivalent loading rate of 0.8-1.5 gVS/L/d at $35^{\circ}C.$ The main conclusions drawn from this study were as follows: 1. Digestion of a municipal wastewater sludge was possible using the ASBR in spite of high concentration of settleable solids in the sludge. The ASBRS with 3- and 4-day cycle period showed almost identical high digestion performances. 2. No adverse effect on digestion stability was observed in the ASBRS in spite of withdrawal and replenishment of $30\%\;or\;40\%$ of liquid contents. A conventional anaerobic digester could be easily converted to the ASBR without any stability problem. 3. Flotation thickening occurred in thicken step of the ASBRS throughout steady state, and floating bed volume at the end of thicken period occupied about $70\%$ of the working volume of the reactor. Efficiency of flotation thickening in the ASBRS could be comparable to that of additional gravity thickening of a completely mixed digester. 4. Solids were accumulated rapidly in the ASBR during start-up period. Solids concentrations in the ASBRS were 2.6 times higher than that in the completely mixed control reactor at steady state. Dehydrogenase activity had a strong correlation with the solids concentration. Dehydrogenase activity of the digested sludge in the ASBR was 2.9 times higher than that of the sludge in the control reactor, and about 25 times higher than that of the subnatant in the ASBR. 5. Remarkable increase in equivalent gas production of $52\%$ was observed at the ASBRS compared with the control reactor in spite of similar Quality of clarified effluent from the ASBRS and control reactor. The increase in gas production from the ASBRS was believed to be combined results of accumulation of microorganisms, higher driving force applied, and additional long-term degradation of organics continuously accumulated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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