바르셀로나 자치대학교(Universitat Autònoma de Barcelona)의 연구진은 폐수처리 공정을 이용하여 전기에너지와 수소를 확보할 수 있는 효율적인 방안을 도출하였다. Water Research 저널에 발표된 이 시스템은 유기물을 소비하는 박테리아를 활용하여 전기를 생산하며, 이를 다시 미래 에너지인 수소 생산에 이용할 수 있다. 연구진은 논문을 통해 향후 상업화 규모로의 확장을 위해 추가적인 개발이 필요하다고 밝혔다.
현재 환경적 문제를 유발하지 않으면서 폐수를 바다나 강으로 흘러들어갈 수 있게 하는 처리기술이 존재한다. 그러나 이들 기술은 높은 에너지 비용을 필요로 하며, 주로 물과 산소를 접촉시키는 포기(Aeration)와 펌핑(Pumping) 단계에서 발생한다. 그리고 폐수처리 공정에서 발생하는 슬러지(Sludge)를 처리하는데에도 많은 비용이 필요하다.
폐수의 유기오염물(Organic Contaminant)에는 상당한 양의 화학에너지가 포함되어 있다. 전세계 과학자들은 이러한 에너지를 활용하기 위해 폐수에서 유기물을 효율적으로 제거하여 수소 형태로 회수할 수 있는 방안을 연구하고 있다. 이러한 연구는 공정에 필요한 에너지 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 생산된 수소에서 에너지를 확보할 수 있다. 이를 달성하는데 있어 중요한 것은 미생물 전기분해전지(Microbial Electrolysis Cell)이며, 이를 위해서 특화된 박테리아인 외부 전자방출 박테리아(Exoelectrogenic Bacteria)가 필요하다. 이 박테리아는 유기물을 산화하고 전기를 생산할 수 있다. 그리고 전기분해전지는 물의 전기분해를 위해 사용되는 것보다 낮은 수준의 추가적 전압만을 필요로 한다. 여기서 생산된 전기는 청정에너지인 수소를 생산하는데 활용될 수 있다.
바르셀로나 자치대학 화학공학과 생물전기화학 연구그룹은 셀 효율 개선에 대해 연구하였다. 실험결과는 매우 긍정적이었으며, 이들 시스템이 상업화 규모의 틈새시장에 진입할 수 있음을 보여주었다. Albert Guisasola와 Juan Antonio Baeza 교수를 중심으로 하는 연구진은 대부분의 일반 실험에서 사용되는 생분해성 합성수 대신 실제 폐수를 사용하였다. 이들은 생물학적 수소를 생산하고 잔유물에 포함되어 있는 에너지의 상당 부분을 회복하는데 성공하였다.
이를 위해 연구진은 메탄올, 낙농 폐기물(Dairy Waste), 탄수화물, 글리세롤과 같은 기질복합체를 전자방출균에 의해 분해될 수 있는 단순한 화합물로 변환할 수 있는 박테리아를 선정하였다. 테스트 결과는 매우 긍정적이었으며, 폐수처리를 통해 대량의 수소를 생산할 수 있었다. 장기적인 면으로 보았을 때 MEC에 낙농 폐수를 공급하는 것이 최적의 결과를 보여주었다. 테스트 결과 0.8V의 전압을 적용하여 전류 세기(반응기 ㎥당 150 암페어), 수소 생산(반응기 ㎥ 및 1일 9.94 ㎥), 공기극(cathode)에서의 전자회수 (91%)면에서 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 결과는 향후 기술 상업화의 기반이 되어 폐수처리를 활용한 수소 생산 시스템 제작에 도움을 줄 것으로 기대된다.
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Renewable energy obtained from wastewater
Researchers from the Universitat Autònoma de Barcelona have devised an efficient way to obtain electrical energy and hydrogen by using a wastewater treatment process. The proposed system, published in Water Research, uses bacteria which consumes the organic material and produces electricity which produces hydrogen, the energetic vector of the future. The results point to further developments of this technology at industrial scale.
Currently, there are treatments in which wastewater can flow out to the river or sea without causing any environmental problems. These technologies however entail high energy costs, mainly in aeration and pumping, and an elevated economic cost in treating the sludge left over from the treatment process.
Wastewater contains an elevated amount of chemical energy in the form of organic contaminants. In order to make use of this energy, researchers from around the world study ways to recover it in the form of hydrogen, a process which efficiently eliminates organic matter from wastewater. It not only reduces the amount of energy needed during the process, it also obtains energy from the produced hydrogen. The key to achieve this is what is known as microbial electrolysis cells (MEC). What is needed is a very special type of bacteria, exoelectrogenic bacteria, capable of oxidising organic material and generating electricity which in turn produces hydrogen. These cells only need a bit of added voltage, much less than what is used for water electrolysis, and which is recovered with the hydrogen, thereby generating clean energy.
Researchers from the Bioelectrochemistry group of the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) Department of Chemical Engineering have improved the energetic efficiency of the cells. The experimental results were very positive and demonstrated that these systems would have a market niche at industrial scale. The scientists, coordinated by professors Albert Guisasola and Juan Antonio Baeza, used real wastewater instead of the biodegradable synthetic water used in most experiments, and achieved a biological production of hydrogen and, to a large extent, the recovery of a good part of the energy contained in the residues. To achieve this, researchers selected a set of bacteria capable of transforming complex substrates such as methanol, dairy waste, starch and glycerol, into simpler compounds which could, in turn, be degraded by exoelectrogens.
The results were very positive and high hydrogen production and energy intensity was obtained through the wastewater treatment. In the long term, the MEC fed with dairy wastewater yielded the best results in terms of current intensity (150 amps per cubic metre of reactor), in hydrogen production (0.94 cubic metres of hydrogen per cubic metre of reactor and day), and in recovery of electrons at the cathode (91%); all that with an applied voltage of only 0.8 V. These results are the basis for a potential industrial development of this technology and therefore for the creation of systems capable of producing hydrogen from wastewater treatment.
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