1. 연구개발의 목적 및 필요성
그 동안 경제적 하․폐수처리 수단으로 널리 사용된 활성슬러지공법 등의 생물학적 처리공정은 전체 운영관리비 중 30% 이상이 전력비 및 슬러지 처리비로 사용되는 등 방대한 에너지 및 자원 소모가 한계점으로 지적되어 왔다. 이에 최근 정부에서도 하․폐수처리시설의 에너지 사용 효율성에 대한 대처가 필요함을 인식하고 ‘공공하수처리시설의 에너지 자립화’를 주요 정책방향으로 결정하고 관련 원천기술 및 실용기술을 확보하는데 주력하고 있다.

따라서 본 연구에서는 혐기공정에 근간하여 폭기에 따른 전력 소모를 크게 절감시키고 미생물 대사 제어를 통해 폐슬러지 발생량을 원천적으로 저감하며, 나아가 유기물로부터 전기에너지를 직접 생산하는 미생물연료전지 기술을 하․폐수처리 분야에 적용한 혁신적인 저에너지 고효율 폐수처리공정을 개발하고자 하였다.

2. 연구개발의 내용 및 범위
지금까지 보고된 미생물연료전지 기술은 단지 실험실 규모의 소형 반응기를 대상으로 얻은 기초연구가 대다수이며, 효율적인 연료전지 설계기술의 부재, 전기화학활성박테리아 농화배양의 어려움, 미생물 최적 활성을 위한 까다로운 운전조건, 다양한 내부저항에 의한 전력 손실 등의 문제점으로 인하여 실용화에 어려움을 겪어 왔다.

 

이에 본 연구에서는 기존 또는 신규 하․폐수처리장에 직접 설치하여 적용 가능한 독창적 구조를 개발하고, 전기화학활성박테리아의 군집 해석 및 농화배양 기술을 정립하고자 하며, 미생물 간 대사흐름을 종합적으로 평가하여 생화학반응을 최적화할 수 있는 대사흐름 조절 및 예측제어 기술을 확보함으로서 독창적인 ‘전기화학활성박테리아 융합공정(Electrochemically active bacteria Fusion Process, 약칭 EFP)을 개발하고자 하였다.

따라서 본 연구에서는 (1) 신규 및 기존 폐수처리장에 직접 설치 가능한 EFP 설계기술 개발, (2) 전력생산량 1 kWh/kg COD 이상을 달성할 수 있는 EFP 운전기술 개발, (3) 슬러지 발생량 30% 절감을 위한 대사 제어기술 개발, (4) 산소소모량 30% 절감 가능한 EFP 개발, (5) 단위 셀 모듈화를 통한 실용적 규모확대 기술 개발을 주요 연구개발 목표로 설정하고 이를 성공적으로 달성하기 위하여 주관기관과 위탁기관의 주력분야를 효과적으로 고려하여 아래 4개의 세부과제로 분류하였다.

가) 실용적 전기화학활성박테리아 융합공정의 설계 원천기술 개발(주관)
나) 분자생물학적 기법을 이용한 폐수처리 및 전기생산 기술 개발(주관)
다) 대사흐름 분석을 통한 슬러지 발생 및 산소소모 저감기술 개발(위탁)
라) 대사산물 정량화 및 미생물 대사흐름 예측가능 기술 개발(주관)

3. 연구개발결과
세부과제 별 주요연구개발결과를 요약하면 다음과 같다.

가) 실용적 전기화학활성박테리아 융합공정의 설계 원천기술 개발
- 침지형 single-chamber EFP 설계기술 개발함으로서 기존 하․폐수처리공정 호기조에 미생물연료전지 셀을 직접 침지한 구조를 세계 최초로 도입하여 하․폐수 처리와 동시에 bio-cathode를 도입한 바이오전기 생산기술 구현
- 독립형 air-cathode EFP 설계기술을 개발함으로서 대기 중의 산소를 전자수용체로 직접 사용하여 공기공급에 따른 비용을 원천 절감시키고 규모 확대가 용이한 구조 완성
- 제작이 간단하면서 구조적으로 안정저인 Psuedo-MEA(유사 막전극 접합체)를 챔버 양 면에 장착하여 단위 부피당 연료전지의 packing density를 극대화
- 전산유체모사(CFD) 분석을 통해 셀 내 사영역 최소화 및 유체흐름 최적 구조를 진단하여 최적 높이/폭 비 12:1을 도출
- 충분한 체류시간(20시간)에서 유기물 제거효율 90%, 에너지 최대 회수량 1.5 kWh/kg COD 달성
- 듀얼 셀 구조에서 전력발생량을 최대화하기 위해서는 내부저항을 최소화할 수 있는

 

 

[원문 파일첨부 참조]