A Study on Anaerobic Digestion Characteristic of Rice Husk depending on Substrate Conditions

Abstract

Rice husk is a promising source for biogas production but it is difficult to degrade in an anaerobic digester. In this study, we investigated the effects of pretreatments and substrate conditions on biochemical methane potential (BMP) of rice husk. Two approaches were employed. Firstly, three pretreatments were applied to improve accessibility for microbes to the substrate. Three pretreatments—ball milling, alkaline treatment, and a combined ball milling and alkaline pre-treatment—were evaluated. Secondly, the effects of substrate conditions—the ratio of carbon to nitrogen and trace element content—on biogas production were investigated. After pretreatments, BMP was increased 82, 74, and 118% by the ball milling, alkaline, and combined pretreatments, respectively. When the carbon to nitrogen ratio of the substrate was increased to 20 and trace elements were supplemented, the BMP of rice husk were increased by 5% and 4%, respectively. Microbial community analysis revealed that biomass fed with pretreated rice husk contained more species capable of degrading lignocellulosic biomass such as Prolixibacteraceae sp., Cloacamonas acidaminovorans Ruminofilibacter xylanolyticum, and Bathyarchaeota and producing more methane gas. These results suggest that application of well-designed pretreatment and substrate condition could significantly increase methane yield of an anaerobic digestion process.|왕겨는 바이오가스 생산을 위한 유용한 소재이지만 혐기성 소화에서는 분 해가 잘되지 않기 때문에 적용하기 어렵다. 본 연구에서는 왕겨의 전처리 및 기질의 조건에 따른 biochemical methane potential(BMP)을 알아보았다. 이에 두가지 접근법이 사용되었다. 첫째, 미생물의 기질에 대한 접근성을 향상시키 기 위해 세가지 전처리 방법을 적용하였다. 볼 밀, 알칼리 전처리, 복합 전처 리의 세가지 전처리의 효과를 확인하였다. 볼 밀 전처리의 경우 입자를 분쇄 를 통해 입자 표면적을 넓게 하여 물리적으로 미생물의 접근성을 향상시킨다. 알칼리 전처리는 왕겨 내에 리그닌과 무기물을 제거하여서 화학적으로 미생물 의 접근성을 향상시킨다. 복합 전처리는 물리적, 화학적인 접근성을 동시에 얻게 된다. 둘째, 탄소와 질소의 비율 및 미량 원소 함량과 같은 기질의 조건 이 BMP에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 전처리 후 BMP는 볼 밀, 알칼리, 복합 전처리에 의해 각각 82%, 74%, 118% 증가했다. 왕겨의 탄소와 질소 비율 을 혐기소화에 적당한 20으로 조정하고 미량원소가 보충되었을 때 BMP가 각각 5%, 4% 증가했다. 미생물 군집 분석에 따르면 전처리 된 왕겨를 사용하면 리 그노셀룰로오스를 분해하는 종인 Prolixibacteraceae sp., Cloacamonas acidaminovorans Ruminofilibacter xylanolyticum, Bathyarchaeota가 더 많이 성장하고 이로 인해 메탄가스 생산 또한 증가하였다. 이러한 결과는 적절한 전처리와 기질 조건 변화를 통해 왕겨의 혐기성 소화 공정을 향상시킬 수 있 음을 보여준다.