본 연구에서는 경제적이고 효율적인 Fe/Mn 전극시스템과 세라믹 멤브레인, 생촉매를 기반으로 한 미생물 연료전지 기술을 이용하여 기존 하․폐수 처리장의 retrofitting에 의한 고도처리공정의 전환이 용이하고 전력 생산이 가능한 Fe/Mn 전극시스템 및 생물학적 처리조를 결합한 hybrid형 저에너지․고효율 하․폐수처리 시스템을 개발하고자 하였다.

 

이러한 연구목적에 부합하는 시스템을 개발하기 위하여 경제적인 형태의 전극과 멤브레인 개발, 미생물을 통한 전력생산, Fe/Mn 전극시스템을 이용한 효율적인 전기화학적 탈질 및 전력생산, 새로운 형태의 biocathode 적용을 통한 유기물제거, 암모니아 제거 및 전력생산에 대한 연구가 수행되었으며, A2/O 공정과 결합한 hybrid형 폐수처리시스템의 연속식 운전, 생물막공정과 결합한 hybrid형 폐수처리시스템의 연속식 운전, 막모듈을 모사한 air-cathode형 hybrid 처리시스템의 연속식 운전을 통하여 다양한 조건에서의 전력생산 및 폐수처리효율을 고찰하였다.

미생물연료전지 반응기를 이용하여 전기화학적인 탈질과 동시에 유기물 제거가 이루어지는지를 확인하기 위한 연구를 수행한 결과, 전류밀도 15mA/m2에서 1.7mW/m2의 최고전력밀도와 0.084mg NO3--N/cm2․day(전극의 표면적)의 질산성 질소 제거율을 나타내었다. coulombic efficiency는 약 7%로, 기질의 상당한 부분은 전류생산에 사용되지 않았음을 나타내었다.

미생물 연료전지의 음극반응조에 질산화 미생물의 접종에 따른 양극반응조에서의 유기물 제거와 동시에 음극반응조에서의 질산화가 전기생산에 미치는 영향에 관한 연구에서는 질산화 미생물을 음극반응조에 적용한 시스템이 abiotic cathode 반응조로 운전하는 것보다 훨씬 높은 전압을 발생시킴을 확인하였다. maximum power density는 abiotic 조건과 비교했을 때 68% 증가하였다(22→37mW/m2). 결과적으로 질산화 biocathode의 적용은 질소와 유기물의 동시 제거뿐만 아니라 높은 전력을 생산하는 것으로 나타났다.

기존의 A2O 공정에 전극시스템을 장착한 형태인 하이브리드형 시스템에 의해 기존의 A2O 공정의 유기물, 질소 제거 효율 향상 및 부가적인 전력 생산을 고찰한 연구에서는 비생물학적 음극반응조에서의 전기전도도가 증가함에 따라 최대전력밀도가 비례적으로 증가함을 확인하였다.

생물막공정에 결합된 하이브리드형 시스템에 의한 전력생산 및 폐수처리효율 개선에 관한 연구에서는 Organic loading rate (OLR)을 2 kgCOD/m3NAC.d으로 연속식으로 운전한 결과, Maximum volumetric power는 11±0.5 A/m3 NAC의 전류밀도에서 4.4±0.2 W/m3 net anodic compartment(NAC)를 얻었다. 발생전력은 전해질의 전도성의 세기에 따라 증가함으로 확인하였고, 유입수의 암모니아를 30mgNH4+-N/L 주입한 경우, 암모니아가 50±5% 감소된 것을 확인 할 수 있었다.

막모듈을 모사한 air-cathode형 하이브리드 시스템에 의한 전력생산 및 폐수처리 효율개선에 관한 연구에서는 반응기를 scale-up 했을 때 작은 부피 반응기로 연구한 이전의 결과들과 일치하는 연구결과를 얻을 수 있었고 12시간의 HRT에서 유입수의 농도가 1 gCOD/L일 때 약 95%의 높은 COD 제거효율을 나타내었다.

전극시스템에 부유성 미생물을 이용하는 형태의 공정(A2O 공정), 부착성미생물을 이용하는 형태의 공정(생물막공정) 및 막모듈 공정을 모사한 공정과 결합한 하이브리드형 하폐수처리시스템에 의해서 도출된 원천기술 및 응용기술은 향후 실용화과제에 의한 상용화연구에 활용할 계획이며, 기존 공정의 retrofitting 기술로 활용할 계획이다.

 

[원문 파일첨부 참조]