기존 하수처리공정의 대부분은 활성슬러지공정을 이용한 호기성 공정으로서 하수처리과정에 막대한 양의 에너지가 소비되고 있다. 특히, 포기비용과 슬러지 처분비용은 하수처리 운영비용의 30%이상을 차지하고 있으며, 이러한 비용을 절감하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 미생물연료전지는 전기활성 미생물을 촉매로 이용하여 유기물 제거과정에서 전기를 생산하는 공정으로 새로운 ...
기존 하수처리공정의 대부분은 활성슬러지공정을 이용한 호기성 공정으로서 하수처리과정에 막대한 양의 에너지가 소비되고 있다. 특히, 포기비용과 슬러지 처분비용은 하수처리 운영비용의 30%이상을 차지하고 있으며, 이러한 비용을 절감하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 미생물연료전지는 전기활성 미생물을 촉매로 이용하여 유기물 제거과정에서 전기를 생산하는 공정으로 새로운 환경기술로 주목받고 있다. 미생물연료전지는 혐기성 상태에서 유기물이 분해되기 때문에 폭기를 위한 별도의 운전비용이 필요하지 않으며, 산화전극부에 형성되어 있는 전기활성미생물의 수율이 낮아 슬러지 생산량이 낮기 때문에 슬러지발생량도 저감시킬 수 있다. 하지만 지금까지 미생물연료전지는 실험실 규모의 소형반응기를 대상으로 얻은 결과이며, 고가의 재료사용(전근, 분리막, 촉매 등), 규모확장의 어려움, 전기활성미생물 배양 및 유지의 어려움 등 해결해야 할 문제점들이 남아있다. 따라서, 본 연구에서는 미생물연료전지가 가지고 있는 일부 문제점들을 해결하고 미생물연료전지의 전기활성생물막 공정으로서 하수처리 적용가능성을 평가하기 위하여, 저가의 분리막 개발, 기질에 따른 전자흐름 및 미생물 군집 변화 평가, 규모확장이 용이한 미생물연료전지 개발 연구를 수행하였다. 첫째, 대체 분리막으로서 부직포를 이용한 미생물연료전지의 전기발생량은 이온교환막을 이용한 기존 장치의 70% 수준이었지만, 기존 이온교환막 (2300$/㎡)가격의 1/4000 수준으로 부직포(0.5 $/㎡)를 분리막으로 사용함으로써 미생물연료전지의 운전비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 침지-교환형 미생물연료전지의 연속 및 장기운전을 통해서 부직포의 안정성을 확인할 수 있었다. 둘째, 기질 종류에 따라서 전기발생량은 다르게 나타났지만, 다양한 기질을 이용할 수 있었으며, 전기가 가장 높은 비율을 차지하였다. 또한 실제폐수 적용시 글루코스로 순응후 폐수를 적용한 미생물연료전지가 폐수로 직접 순응한 장치보다 전기발생량이 안정적으로 나타났으며, 회수할 수 있는 전력 밀도값도 높게 나타났다. 따라서 현장적용시 별도의 순응과정을 통해서, 미생물연료전지의 안정성 및 효율성을 높일 수 있을 기대된다. 셋째, 기존하수처리장의 호기조에 직접 침지할 수 있으며, 규모 확장이 용이한 침지-교환형 미생물연료전지를 개발하고, 인공 및 실제하수(100 ㎎-COD/L)를 이용하여 하수처리 적용 가능성을 평가하였다. 유기물 부하량이 약 0.2 ㎏/㎥/day에서 0.4 ㎏/㎥/day으로 증가함에 따라 전력발생량은 증가하였지만, 유기물 제거율을 90%에서 약 70%으로 감소하였다. 따라서 수질기준과 전력발생량을 고려하였을 때 본 장치의 최적 유기물 부하량은 약 0.4 ㎏/㎥/day이하로 나타났다. 하지만, 미생물연료전지의 집적도를 높일 수 있다면, 짧은 운전시간에서도 안정적은 운전이 가능할 수 있을 것이다. 이상과 같이 본 연구를 통해서 개발된 미생물연료전지를 전기활성 생물막공정으로서 하수처리에 적용한다면, 포기비용 감소 및 슬러지 발생량 저감을 통해서 효율적인 하수처리 운영이 가능할 것으로 기대된다. 하지만, 질소제거공정과 미생물연료전지의 효율 증대방안(전지손실 감소, 대체촉매/분리막, 전극재료, 반응기형상 등)은 계속해서 연구되어야 할 것이다.
기존 하수처리공정의 대부분은 활성슬러지공정을 이용한 호기성 공정으로서 하수처리과정에 막대한 양의 에너지가 소비되고 있다. 특히, 포기비용과 슬러지 처분비용은 하수처리 운영비용의 30%이상을 차지하고 있으며, 이러한 비용을 절감하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 미생물연료전지는 전기활성 미생물을 촉매로 이용하여 유기물 제거과정에서 전기를 생산하는 공정으로 새로운 환경기술로 주목받고 있다. 미생물연료전지는 혐기성 상태에서 유기물이 분해되기 때문에 폭기를 위한 별도의 운전비용이 필요하지 않으며, 산화전극부에 형성되어 있는 전기활성미생물의 수율이 낮아 슬러지 생산량이 낮기 때문에 슬러지발생량도 저감시킬 수 있다. 하지만 지금까지 미생물연료전지는 실험실 규모의 소형반응기를 대상으로 얻은 결과이며, 고가의 재료사용(전근, 분리막, 촉매 등), 규모확장의 어려움, 전기활성미생물 배양 및 유지의 어려움 등 해결해야 할 문제점들이 남아있다. 따라서, 본 연구에서는 미생물연료전지가 가지고 있는 일부 문제점들을 해결하고 미생물연료전지의 전기활성생물막 공정으로서 하수처리 적용가능성을 평가하기 위하여, 저가의 분리막 개발, 기질에 따른 전자흐름 및 미생물 군집 변화 평가, 규모확장이 용이한 미생물연료전지 개발 연구를 수행하였다. 첫째, 대체 분리막으로서 부직포를 이용한 미생물연료전지의 전기발생량은 이온교환막을 이용한 기존 장치의 70% 수준이었지만, 기존 이온교환막 (2300$/㎡)가격의 1/4000 수준으로 부직포(0.5 $/㎡)를 분리막으로 사용함으로써 미생물연료전지의 운전비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 침지-교환형 미생물연료전지의 연속 및 장기운전을 통해서 부직포의 안정성을 확인할 수 있었다. 둘째, 기질 종류에 따라서 전기발생량은 다르게 나타났지만, 다양한 기질을 이용할 수 있었으며, 전기가 가장 높은 비율을 차지하였다. 또한 실제폐수 적용시 글루코스로 순응후 폐수를 적용한 미생물연료전지가 폐수로 직접 순응한 장치보다 전기발생량이 안정적으로 나타났으며, 회수할 수 있는 전력 밀도값도 높게 나타났다. 따라서 현장적용시 별도의 순응과정을 통해서, 미생물연료전지의 안정성 및 효율성을 높일 수 있을 기대된다. 셋째, 기존하수처리장의 호기조에 직접 침지할 수 있으며, 규모 확장이 용이한 침지-교환형 미생물연료전지를 개발하고, 인공 및 실제하수(100 ㎎-COD/L)를 이용하여 하수처리 적용 가능성을 평가하였다. 유기물 부하량이 약 0.2 ㎏/㎥/day에서 0.4 ㎏/㎥/day으로 증가함에 따라 전력발생량은 증가하였지만, 유기물 제거율을 90%에서 약 70%으로 감소하였다. 따라서 수질기준과 전력발생량을 고려하였을 때 본 장치의 최적 유기물 부하량은 약 0.4 ㎏/㎥/day이하로 나타났다. 하지만, 미생물연료전지의 집적도를 높일 수 있다면, 짧은 운전시간에서도 안정적은 운전이 가능할 수 있을 것이다. 이상과 같이 본 연구를 통해서 개발된 미생물연료전지를 전기활성 생물막공정으로서 하수처리에 적용한다면, 포기비용 감소 및 슬러지 발생량 저감을 통해서 효율적인 하수처리 운영이 가능할 것으로 기대된다. 하지만, 질소제거공정과 미생물연료전지의 효율 증대방안(전지손실 감소, 대체촉매/분리막, 전극재료, 반응기형상 등)은 계속해서 연구되어야 할 것이다.
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