Effects of High Molecular Hardwood Lignin on Anaerobic Digestion at Different Temperatures and Sludge Concentrations

혐기성 소화에 미치는 온도와 슬러지의 농도별 고분자 활엽수 리그닌의 영향

Lignin is a major component of wastewater generated in the chemical processing of wood. Because it is recalcitrant, it inhibits biological treatment of wastewater of pulp manufacturing, especially high concentration of lignin may inhibit the anaerobic digestion. The objective of this study was to evaluate the toxicity of high molecular hardwood lignin (lignosulfonate, MW $\geq$ 20,000) on aceticlastic methanogens in the batch reactors at different temperatures with different sludge concentrations, using anaerobic serum bottles. The hardwood lignin was found to inhibit anaerobic conversion of acetate to methane and carbon dioxide, shown with a long lag-phase before methanogenesis started. The methanogens assumed not to be able to acclimate to the lignin were found to be acclimated slowly in the batch experiments, finally reaching non-toxic levels in which methane production could start. The hardwood lignin was found not to be bacteriocidal but bacteriostatic to aceticlastic methanogens. Hardwood lignin(lignosulfonate) at 1.3, 2.6, and 3.9%(w/w) inhibited the acetateutilizing methanogens of anaerobic digester sludge by 14.5, 17.8, 21.1 days(in noninhibitory condition it took 10 days) to produce the same amount of methane. The inhibitory effect of lignin was examined at temperature ranges of $30^{\circ}C$ to $50^{\circ}C$. When 2.6% of lignin was contained in wastewater, methane production was highest at $30^{\circ}C$ during initial 8 days. At $4^{\circ}C$, methane production rapidly increased after 12 days of digestion, the value became higher than that at $30^{\circ}C$ after 14 days. However, the methane production was completely inhibited during whole digestion period at $50^{\circ}C$. High ratio of lignin concentration to initial anaerobic sludge concentration gave tolerance to the inhibition. In this experiment, high molecular hardwood lignin was not degraded and decolorized.

리그닌은 펄프나 제지공장에서 나무의 화학적 처리를 하는 과정에서 생성되는 주요한 부산물이다. 이런 리그닌은 난분해성 물질로서 제지폐수의 생물학적 처리에 어려움을 초래하며, 특히 함량이 높을 경우 혐기성 소화에서 억제(inhibition) 물질로 작용하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 회분실험을 통하여 혐기성 소화에서 온도와 혐기성 소화 슬러지의 양에 따른 고분자 활엽수 리그닌(lignosulfonate, MW $\geq$ 20,000)의 영향을 관찰하였다. 고분자 활엽수 리그닌은 혐기성 소화 초기에는 메탄생성에 강한 억제작용을 하였으나 일정한 시간이 지난 후에는 이런 억제작용은 사라지고 메탄생성이 정상적으로 이루어졌다. 즉, 고분자 활엽수 리그닌은 aceticlastic methanogen에 대해 bacteriocidal 작용보다는 bacteriostatic 물질로서 작용하였다. 리그닌이 첨가되지 않은 대조군의 경우에는 메탄생성이 10일간 이루어지는데 반하여 1.3%, 2.6%와 3.9%의 리그닌이 첨가된 경우에는 같은 양의 메탄올 생성하는데 각각 14.5일, 17.8일 과 21.1일이 소요되었다. 2.6%의 리그닌을 첨가한 경우 초기 8일간은 $30^{\circ}C$ 조건에서의 메탄생성속도가 가장 컸으나 12일째부터 $40^{\circ}C$에서의 메탄생성속도가 급속히 증가하여 14일 후에는 총 메탄생성량이 $30^{\circ}C$를 초과하였다. 그러나 $50^{\circ}C$에서는 줄곧 메탄생성이 거의 이루어지지 않았다. 즉, aceticlastic methanogen에 대한 리그닌의 억제작용을 중온 (mesophilic)보다 고온(thermophilic)에서 더 컸다. 리그닌에 의한 이런 억제작용은 또 리그닌의 양(L)과 초기 혐기성 소화슬러지의 농도(AnS)의 비와 중요한 관계가 있었다. L/AnS의 비가 작으면 작을수록 이런 억제작용은 감소되는 것으로 나타났다. 그리고 본 실험에서 고분자 활엽수 리그닌의 분해와 탈색은 이루어지지 않았다.