[학위논문]하·폐수처리공정의 효율 개선 및 전기에너지 생산 증대를 위한 미생물 연료전지 시스템 적용에 관한 연구 Application of Microbial Fuel Cell(MFC) System for Enhancing the Efficiency of Wastewater Treatment Process and the Production of Electrical Energy원문보기
화석연료의 사용으로 인한 CO₂ 발생에 의한 온실효과와 그에 따른 지구 온난화로 지구적인 대재앙이 도래할 것이라는 전망과 함께 세계는 새로운 대체 에너지 개발에 전력을 쏟고 있다. 이러한 시점에서 환경 분야에서는 하·폐수를 포함한 유기성 폐기물을 처리함과 동시에 청정에너지 전기를 생산하는 미생물 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 성능의 효율을 증가시키기 위해 주요 제한요소인 ...
화석연료의 사용으로 인한 CO₂ 발생에 의한 온실효과와 그에 따른 지구 온난화로 지구적인 대재앙이 도래할 것이라는 전망과 함께 세계는 새로운 대체 에너지 개발에 전력을 쏟고 있다. 이러한 시점에서 환경 분야에서는 하·폐수를 포함한 유기성 폐기물을 처리함과 동시에 청정에너지 전기를 생산하는 미생물 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 성능의 효율을 증가시키기 위해 주요 제한요소인 cathode 반응을 촉진시키기 위하여 ferricyanide와 과산화수소를 사용하며 산소의 낮은 환원속도를 극복하기 위해 백금을 촉매로 한 코팅전극을 가장 널리 사용 하는데 경제성과 지속성에 대한 한계가 있는 것이 현실이다. 이에 본 연구에서는 새로운 촉매의 대안으로 떠오르는 미생물을 적용한 bio-cathode MFC를 이용하여 기존의 A₂O 공정에 적용을 통한 효율적인 유기물과 질소의 동시제거 및 전력생산의 효율상승을 도모하고자 하였다. 실험은 cathode 수용액의 전기전도도가 전력생산에 미치는 영향과 무산소 bio-cathode MFC에서 anode에서 cathode로 유입되는 공정 configuration 1과 anode에서 oxic 조로 유입되는 configuration 2의 두 가지 공정흐름과 C/N비를 7, 5, 2로 변화시켜가며 운전하였고 폭기조건의 bio-cathode MFC에서 C/N비와 cathode의 aeration rate을 변화시켜가며 운전하여 유기물과 질소의 동시제거와 함께 전력생산을 평가하였으며 폭기조건의 bio-cathode MFC에서 질산화가 성능에 미치는 영향에 대하여 알아보고자 하였다. Cathode 수용액의 전기전도도는 Phosphate Buffer Solution(PBS) 50mM, 10mM과 tap water를 이용하여 변화시켜주었으며 각각 32.76mW/㎡, 24.1mW/㎡, 6.67mW/㎡를 나타내었으며 cathode 수용액의 전기전도도가 높을수록 전력이 증가되는 결과가 나왔다. 무산소 bio-cathode configuration 1에서는 전력생산 면에서 C/N비 2에서 5.13mW/㎡, C/N 7에서 total inorganic nitrogen(TIN)과 nitrate removal rate이 각각 71.24%, 61.24mg/L·d로 가장 높은 효율을 보였다. configuration 2에서는 C/N비 2에서 7.06mW/㎡의 전력과 25.79mg/L·d의 nitrate removal rate을 보였고 C/N비 7에서 25.95%의 가장 높은 제거효율을 보였다. 폭기조건의 bio-cathode에서는 aeration rate 300mL/min, 500mL/min, 2500mL/min으로 변화시켰을 때 전력생산은 13.78mW/㎡, 13.5mW/㎡, 14.37mW/㎡으로 큰 차이를 보이지 않았으며 C/N비 7, 5, 2의 조건에서도 13.76mW/㎡, 13.55mW/㎡, 12.8mW/㎡로서 큰 차이를 보이지 않았다. TIN 제거효율과 nitrogen removal rate은 34.17%와 30.4mg/L·d 의 높은 효율이 C/N비 7에서 나타났다. 질산화가 폭기조건의 bio-cathode에 미치는 영향은 초반에 활성슬러지 식종 후 질산화에 의해 positive effect한 양상을 보였지만 fed-batch에서 enrichment된 nitrifying bacteria를 식종한 뒤 negative effect한 양상을 보였다. 아직 bio cathode에서 bacteria의 생리학은 명료하게 밝혀진 바가 없으며 위와 같은 결과는 bacteria의 population과 그에 따른 생리학의 차이에 의한 것으로 추정되며 추후 연구가 필요할 것으로 보인다.
화석연료의 사용으로 인한 CO₂ 발생에 의한 온실효과와 그에 따른 지구 온난화로 지구적인 대재앙이 도래할 것이라는 전망과 함께 세계는 새로운 대체 에너지 개발에 전력을 쏟고 있다. 이러한 시점에서 환경 분야에서는 하·폐수를 포함한 유기성 폐기물을 처리함과 동시에 청정에너지 전기를 생산하는 미생물 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 성능의 효율을 증가시키기 위해 주요 제한요소인 cathode 반응을 촉진시키기 위하여 ferricyanide와 과산화수소를 사용하며 산소의 낮은 환원속도를 극복하기 위해 백금을 촉매로 한 코팅전극을 가장 널리 사용 하는데 경제성과 지속성에 대한 한계가 있는 것이 현실이다. 이에 본 연구에서는 새로운 촉매의 대안으로 떠오르는 미생물을 적용한 bio-cathode MFC를 이용하여 기존의 A₂O 공정에 적용을 통한 효율적인 유기물과 질소의 동시제거 및 전력생산의 효율상승을 도모하고자 하였다. 실험은 cathode 수용액의 전기전도도가 전력생산에 미치는 영향과 무산소 bio-cathode MFC에서 anode에서 cathode로 유입되는 공정 configuration 1과 anode에서 oxic 조로 유입되는 configuration 2의 두 가지 공정흐름과 C/N비를 7, 5, 2로 변화시켜가며 운전하였고 폭기조건의 bio-cathode MFC에서 C/N비와 cathode의 aeration rate을 변화시켜가며 운전하여 유기물과 질소의 동시제거와 함께 전력생산을 평가하였으며 폭기조건의 bio-cathode MFC에서 질산화가 성능에 미치는 영향에 대하여 알아보고자 하였다. Cathode 수용액의 전기전도도는 Phosphate Buffer Solution(PBS) 50mM, 10mM과 tap water를 이용하여 변화시켜주었으며 각각 32.76mW/㎡, 24.1mW/㎡, 6.67mW/㎡를 나타내었으며 cathode 수용액의 전기전도도가 높을수록 전력이 증가되는 결과가 나왔다. 무산소 bio-cathode configuration 1에서는 전력생산 면에서 C/N비 2에서 5.13mW/㎡, C/N 7에서 total inorganic nitrogen(TIN)과 nitrate removal rate이 각각 71.24%, 61.24mg/L·d로 가장 높은 효율을 보였다. configuration 2에서는 C/N비 2에서 7.06mW/㎡의 전력과 25.79mg/L·d의 nitrate removal rate을 보였고 C/N비 7에서 25.95%의 가장 높은 제거효율을 보였다. 폭기조건의 bio-cathode에서는 aeration rate 300mL/min, 500mL/min, 2500mL/min으로 변화시켰을 때 전력생산은 13.78mW/㎡, 13.5mW/㎡, 14.37mW/㎡으로 큰 차이를 보이지 않았으며 C/N비 7, 5, 2의 조건에서도 13.76mW/㎡, 13.55mW/㎡, 12.8mW/㎡로서 큰 차이를 보이지 않았다. TIN 제거효율과 nitrogen removal rate은 34.17%와 30.4mg/L·d 의 높은 효율이 C/N비 7에서 나타났다. 질산화가 폭기조건의 bio-cathode에 미치는 영향은 초반에 활성슬러지 식종 후 질산화에 의해 positive effect한 양상을 보였지만 fed-batch에서 enrichment된 nitrifying bacteria를 식종한 뒤 negative effect한 양상을 보였다. 아직 bio cathode에서 bacteria의 생리학은 명료하게 밝혀진 바가 없으며 위와 같은 결과는 bacteria의 population과 그에 따른 생리학의 차이에 의한 것으로 추정되며 추후 연구가 필요할 것으로 보인다.
As supplied of fossil fuels dwindle and concerns about continued contributions of additional carbon dioxide to the atmosphere intensify, there in an increasing need for new sources of energy from renewable carbon-neutral sources with minimal negative environment impact. To date, microbial fuel cell(...
As supplied of fossil fuels dwindle and concerns about continued contributions of additional carbon dioxide to the atmosphere intensify, there in an increasing need for new sources of energy from renewable carbon-neutral sources with minimal negative environment impact. To date, microbial fuel cell(MFC) have attracted growing attention for their capability to produce electricity and simultaneously treat organic waste streams. Purpose of this study is to enhance the organic and nitrogen removal efficiency with the production of electrical energy using a bio-cathode MFC system. In which, the cathode compartment was operated under both oxic and anoxic condition. The results from abiotic cathode MFC showed that maximum power density was increased proportionally with the magnitude of catholyte conductivity. When MFC system operated under anoxic bio-cathode condition, two hydraulic flow paths were designed and the performances of system were therefore evaluated in two configuration. In configuration 1 system (the effluent of anode chamber was used as a feed for cathode chamber), maximum power density reached 5.13mW/m2 at C/N 2 and highest nitrate removal rate was 61.9mg/L·d at a C/N 7. Meanwhile, in configuration 2 system (the anodic effluent was fed directly into oxic tank, and liquor recycled from final clarifier was used as cathodic influent), obtainable maximum power density was 7.06mW/m2 and highest nitrate removal rate of 24.6mg/L·d was achieved at C/N 2. Similar power density achieved 13.88±0.4mW/m2, 13.37±0.5mW/m2 in the oxic bio-cathode system at all examined aeration rate and C/N ratio, respectively. Further study is needed to evaluated the positive and negative effect of ammonium on the performance of oxic bio-cathode MFC.
As supplied of fossil fuels dwindle and concerns about continued contributions of additional carbon dioxide to the atmosphere intensify, there in an increasing need for new sources of energy from renewable carbon-neutral sources with minimal negative environment impact. To date, microbial fuel cell(MFC) have attracted growing attention for their capability to produce electricity and simultaneously treat organic waste streams. Purpose of this study is to enhance the organic and nitrogen removal efficiency with the production of electrical energy using a bio-cathode MFC system. In which, the cathode compartment was operated under both oxic and anoxic condition. The results from abiotic cathode MFC showed that maximum power density was increased proportionally with the magnitude of catholyte conductivity. When MFC system operated under anoxic bio-cathode condition, two hydraulic flow paths were designed and the performances of system were therefore evaluated in two configuration. In configuration 1 system (the effluent of anode chamber was used as a feed for cathode chamber), maximum power density reached 5.13mW/m2 at C/N 2 and highest nitrate removal rate was 61.9mg/L·d at a C/N 7. Meanwhile, in configuration 2 system (the anodic effluent was fed directly into oxic tank, and liquor recycled from final clarifier was used as cathodic influent), obtainable maximum power density was 7.06mW/m2 and highest nitrate removal rate of 24.6mg/L·d was achieved at C/N 2. Similar power density achieved 13.88±0.4mW/m2, 13.37±0.5mW/m2 in the oxic bio-cathode system at all examined aeration rate and C/N ratio, respectively. Further study is needed to evaluated the positive and negative effect of ammonium on the performance of oxic bio-cathode MFC.
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