BACKGROUND: Global warming is one of the most pressing environmental issues which concomitantly complicates global climate change. Methane emission is a balance between methanogenesis and methane consumption, both of which are driven by microbial actions in different ecosystems producing methane, one of the major greenhouse gases. Paddy fields are major sources of anthropogenic methane emissions and could be compounded by organic fertilization. METHODS AND RESULTS: Literature reviews were conducted to give an overview of the global warming conditions and to present the relationship of carbon and methane to greenhouse gas emissions, and the need to understand the underlying processes of methane emission. A more extensive review was done from studies on methane emission in paddy fields under organic fertilization with greater emphasis on long term amendments. Changes in paddy soils due to organic fertilization include alterations of the physicochemical properties and changes in biological components. There are diverse phylogenetic groups of methanogens and methane oxidizing bacteria involved in methane emission. Also, multiple factors influence methanogenesis and methane oxidation in rice paddy fields under organic fertilization and they should be greatly considered when developing mitigating steps in methane emission in paddy fields especially under long term organic fertilization. CONCLUSION(S): This review showed that organic fertilization, particularly for long term management practices, influenced both physicochemical and biological components of the paddy fields which could ultimately affect methanogenesis, methane oxidation, and methane emission. Understanding interrelated factors affecting methane emission helps create ways to mitigate their impact on global warming and climate change.
The anaerobic oxidation of methane (AOM) in anaerobic sewage sludge was characterized. The net methane oxidation was observed in samples amended with methane plus sulfate or with methane alone, whereas methane formation was observed in the samples without methane, indicating that methane oxidation and formation occurred simultaneously. The ratio of the net methane oxidation rate to $H_2S$ formation was 100:1, suggesting that the AOM was not closely associated with sulfate reduction in the anaerobic sludge. The net AOM was positively associated with the methane concentration and sludge dilution ratio. However, the rate of AOM was negatively correlated with organic substrate (acetate) concentration. Therefore, the production and oxidation of methane could be controlled by environmental conditions and dissolved organic compounds in the bulk solution.
Organic wastewater generated from polyester manufacturing processes was selected from H company to investigate the feasibility of anaerobic digestion that produces gases including methane. Bio Methane Potential (BMP) tests were conducted to measure the gas production and methane concentration for 7 process wastewater and 2 kinds of sludges from the H company. Also, along with monitoring pH and alkalinity during the anaerobic digestion process, the concentrations of COD and 1,4-dioxane were measured with 4 different operating conditions for N Emulsion (NE) and Ethylene Glycol (EG) wastewater. The BMP tests showed that 65% of methane was produced from NE and EG wastewater. This suggests that the organic wastewater from H company can be effectively treated by an anaerobic digester by which more than 90% of COD was removed.
The objective of this study was to evaluate the effects of halogenated compounds, organic acids, unsaturated fatty acids and their mixtures on in vitro methane production and fermentative characteristics of mixed rumen microorganisms. Agents used in two in vitro experiments were bromoethanesulfonic acid (BES) and pyromellitic diimide (PMDI) as halogenated compound, fumarate and malate as organic acid, and linoleic acid and linolenic acid as unsaturated fatty acid sources. Ruminal fluid collected from a Holstein steer fed tall fescue and concentrate mixtures was incubated at $39^{\circ}C$ for 48 h with addition of those materials. Single supplementation of halogenated compounds, organic acids or unsaturated fatty acids decreased in vitro methane production (p<0.05). The second experiment was designed to investigate effects of combination of one of halogenated compounds and either organic acids or fatty acids on methane production. Lower concentration of methane and lower A:P ratio were observed with PMDI compared with BES (p<0.01). In general medium pH, VFA, total gas and hydrogen production, and dry matter degradability were affected by addition of the same compounds. In addition, PMDI+malate treatment resulted in the highest molar proportion of propionate, and lowest A:P ratio and methane production (p<0.01). Hydrogen production was highest in PMDI+linolenic acid and lowest in BES+malate treatment (p<0.01). PMDI+malate combination was the most recommendable in reducing methane production without too much influence on digestibility under conditions of present studies.
Generation of food waste is a serious issue that needs to be addressed worldwide. Developing suitable treatment methods while generating energy (methane) is a common practice for sustainable treatment of waste. In this study, methane generation by food waste was investigated in mesophilic and thermophilic regimes at various hydraulic retention times (HRTs) and organic loading rates (OLR). In temperature regimes, influent concentrations and HRTs ranged from 30 to 110 g COD/L and 18 to 30 days, respectively, which corresponding to an OLR of 1.0 to $6.1kg\;COD/m^3-d$. Better methane production and organic removal was observed under thermophilic conditions because of the enhanced hydrolysis of complex polymers and microbial activity at higher temperature. The peak methane productivities attained in thermophilic and mesophilic regimes were 1.30 and $0.99m^3/m^3-d$, respectively. The maximum methane yields were achieved at 50 g COD/L and HRT of 24 d in both cases, and the values were 264 and $221m^3/ton$ COD, respectively. The results of this study will facilitate the development of sustainable methane production technologies using food waste as a feedstock.
본 연구에서는 표면 메탄농도와 지구통계기법(거리역산가중기법)을 기초로 표면 메탄발산량을 평가하고자 하였다. 실험결과 표면 메탄농도는 표면 메탄발산량과 높은 상관성이 있는 것으로 나타나, 표면 메탄농도를 기초로 표면 메탄발산량을 산정하는 것이 가능한 것으로 나타났다. 또한 지구통계기법 적용 결과 측정 면적의 12.85%가 총 메탄발산량의 42.21%를 나타내어 챔버 방법으로 메탄발산량을 정확하게 평가하기 위해서는 지구통계기법을 반드시 적용해야 하는 것으로 사료된다.
BACKGROUND: Hydrothermal carbonization reaction is the thermo-chemical energy conversion technology for producing the solid fuel of high carbon density from organic wastes. The hydrothermal carbonization reaction is accompanied by the thermal hydrolysis reaction which converse particulate organic matters to soluble forms (hydro-thermal hydrolysate). Recently, hydrothermal carbonization is adopted as a pre-treatment technology to improve anaerobic digestion efficiency. This research was carried out to assess the effects of hydro-thermal reaction temperature on the methane potential and anaerobic biodegradability in the thermal hydrolysate of organic sludge generating from the wastewater treatment plant of poultry slaughterhouse .METHODS AND RESULTS: Wastewater treatment sludge cake of poultry slaughterhouse was treated in the different hydro-thermal reaction temperature of 170, 180, 190, 200, and 220℃. Theoretical and experimental methane potential for each hydro-thermal hydrolysate were measured. Then, the organic substance fractions of hydro-thermal hydrolysate were characterized by the optimization of the parallel first order kinetics model. The increase of hydro-thermal reaction temperature from 170℃ to 220℃ caused the enhancement of hydrolysis efficiency. And the methane potential showed the maximum value of 0.381 Nm3 kg-1-VSadded in the hydro-thermal reaction temperature of 190℃. Biodegradable volatile solid(VSB) content have accounted for 66.41% in 170℃, 72.70% in 180℃, 79.78% in 190℃, 67.05% in 200℃, and 70.31% in 220℃, respectively. The persistent VS content increased with hydro-thermal reaction temperature, which occupied 0.18% for 170℃, 2.96% for 180℃, 6.32% for 190℃, 17.52% for 200℃, and 20.55% for 220℃.CONCLUSION: Biodegradable volatile solid showed the highest amount in the hydro-thermal reaction temperature of 190℃, and then, the optimum hydro-thermal reaction temperature for organic sludge was assessed as 190℃ in the aspect of the methane production. The rise of hydro-thermal reaction temperature caused increase of persistent organic matter content.
This study was carried out to investigate the effect of organic content level on ultimate methane potential and anaerobic biodegradability of substrate by biochemical methane potential assay. Three organic matters (whole sludge and liquid and solid fraction of sludge) of the same origin, which had different organic contents, were fermented at the batch anaerobic reactor for 70 days. Ultimate methane potential and anaerobic biodegradability were determined by the terms of volatile solid (VS) and chemical oxygen demand (COD). Volatile solid contents of whole sludge and solid and liquid fraction of sludge were 2.4, 18.8, and 0.2% and COD were 5.3, 30.4, and 0.5%, respectively. Ultimate methane potentials ($B_u$-COD) and anaerobic biodegradability ($D_{VS}$) determined by VS content were $0.5Nm^3kg^{-1}-VS_{added}$, 76.3% for whole sludge, $0.5Nm^3kg^{-1}-VS_{added}$, 76.3% for the liquid fraction of sludge, and $0.6Nm^3kg^{-1}-VS_{added}$, 77.0% for the solid fraction of sludge. Ultimate methane potentials ($B_u$-COD) and anaerobic biodegradability ($D_{COD}$) determined by COD were $0.2Nm^3kg^{-1}-COD_{added}$, 73.4% for whole sludge, $0.2Nm^3kg^{-1}-VS_{added}$, 74.0% for the liquid fraction of sludge, and $0.33Nm^3kg^{-1}-COD_{added}$, 99.1% for the solid fraction of sludge. In conclusion, ultimate methane potential and anaerobic biodegradability given by the VS term showed more reasonable results because COD might be underestimated by the interference of $NH_4{^+}$ in the case of highly concentrated organic material.
Glucose ($C_6H_{12}O_6$)의 이론적인 최대 메탄수율은 표준상태(1 atm, $0^{\circ}C$)를 기준으로 0.35 L $CH_4/g$ COD이지만, 전통적인 혐기성소화조에서 유기물이 메탄으로 전환되는 양은 연구의 방법이나 유기물의 종류에 따라 매우 다양하게 보고되고 있으며, 대부분의 연구실 규모 실험에서 안정화 후 메탄 수율은 0.35 L $CH_4/g$ COD 이하로 나타난다. 최근, 미생물 전기화학 기술(Microbial Electrochemical Technology, MET)은 지속가능한 신재생에너지 생산 기술로서 큰 주목을 받고 있으며, MET를 혐기성소화조에 적용할 경우 고농도의 유기성폐기물의 빠른 분해가 가능할 뿐만 아니라 전기화학적인 반응에 의해 휘발성지방산(VFAs)이나 독성물질, 생분해 불가능한 물질까지도 분해가 가능하며, 소화조 내 미생물의 활성을 높이고 바이오가스의 생산량을 극대화 할 수 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 MET가 혐기성소화의 메탄발생에 미치는 영향에 대하여 연구하기 위해 음식물 탈리액과 하수슬러지의 원소조성에 따른 이론적인 최대 메탄수율을 분석하였으며, BMP (Biochemical Methane Potential) 실험과 연속식 실험을 통한 메탄수율의 특성을 평가하였다. 그 결과, MET가 적용된 혐기성소화에서의 메탄수율은 일반적인 혐기성소화조에 비하여 기질에 따라 2-3배 정도 높았으며, 이론적인 최대 메탄수율에 미치지는 못하였으나 일부는 거의 근접한 결과가 도출되었다. 또한, 일반적인 혐기성소화조와 MET가 적용된 혐기성소화조의 안정화 후 바이오가스의 조성은 거의 유사하게 나타났다. 결과적으로, MET가 혐기성소화조의 유기물 제거효율을 향상시켜 메탄발생량을 증가시킨 것으로 나타났으며, 향후 추가적인 연구를 통하여 MET에서 메탄발생 메카니즘이 명확히 규명되어야 할 것이다.
Effects of $CO_2$ partial pressure($pCO_2$) on the characteristics of methane production rate and organic matter degradation in anaerobic digestion were investigated by using anaerobic chemostat type reactors at $35{\pm}1^{\circ}C$, at the HRT of 7days. The $pCO_2$ of the reactors was controlled in the range from 0.1 to 0.8 atm. Since the $pCO_2$ in an uncontrolled condition was about 0.4atm, $N_2$ was added for the reactors controlled of $pCO_2$ of between 0.1 and 0.4atm. At $pCO_2$ of 0.5 atm, the methane production rate was approximately 20% more that in an uncontrolled condition of $pCO_2$. Based on the carbon mass balance, it was concluded that methane production was related to the increment of removal organic carbon and consumption of $CO_2$. At $pCO_2$ of 0.5atm, the methane production by the increment of removal substrates increased 13.6%, on the orther hand, hand, the methane production by the conversion of $CO_2$ to methane increased 6.4%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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