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[국내논문] 하폐수 처리와 동시에 에너지를 생산하는 미래기술; 미생물연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC) 원문보기

물과 미래 : 한국수자원학회지 = Water for future, v.47 no.5, 2014년, pp.8 - 12  

김병군 (K-water연구원) ,  김홍석 (K-water연구원)

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문제 정의

  • 연구사업단의 최종목표는 30 m3/d 규모의 미생물연료전지 기반의 에너지 자립형 수처리 공정을 개발하고, 이를 통해서 기존 하폐수 고도처리 공정(A2/O공정: 혐기조-무산소조-호기조로 구성되어 있는 가장 기본이 되는 고도처리 공정)대비 에너지 자립율 60%(기존공정 대비 에너지를 40%만 사용), 슬러지 저감 및 감량화율 70%(기존 공정대비 슬러지 생산량 30%) 달성을 목표로 한다.
  • 태영건설에서는‘슬러지 감량화 및 유기산생산기술개발(핵심과제 2)’ 연구를 수행하고 있다. 1차 슬러지의 산발효를 통해 미생물연료전지의 전기발생에 도움이 되는 유용한 유기산 또는 CDI의 농축수 처리에 활용할 수 있는 효과적인 산발효 공정개발이 요구되며, 따라서, 슬러지 가용화율을 높이고, 메탄생성균 활동을 억제하기 위해 pH 5~6.5 조건을 유지하고, HRT를 짧게 함으로써 산발효 효율을 극대화할 수 있는 기술 및 이의 최적화 연구를 수행하고 있다.
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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
미생물연료전지 기반의 에너지 자립형 수처리 기술의 공정 구성은? 미생물연료전지 기반의 에너지 자립형 수처리 기술은 기존 공정에 비해 미생물연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC), 분리막 생물반응조(Membrane Bioreactor, MBR), 축전식 탈염장치(Capacitive Deionization, CDI)를 주 공정으로 하고, 슬러지 가용화조를 보조 공정으로 구성하고, 표 1에서와 같이 각 사별 세부과제를 추진하고 있다.
K-water에서 수행하는 K-water형 MFC기술 개발 연구에서는 어떤 내용을 다루고 있나? K-water에서는 ‘K-water형 MFC기술 개발(핵심과제 1)’연구를 수행하고 있다. 우선 미생물연료전지에서 하폐수 중의 유기물을 제거하면서 최대 전력 밀도(단위 산화전극반응조 부피 당 발생 전력; W/㎥)를 낼 수 있는 기술을 개발함과 동시에 미생물연료전지가 성공적으로 상용화되기 위한 저가이면서도 효율적인 재료(내부저항 최소, 비표면적 최대, 전기전도도 최대전극, 사영역 최소 반응기 구조 등), 미생물(미생물 대사, 생물막 특성 등), 운전 조건(전위, 이온강도, 하수 성상 등) 등을 최적화할 수 있는 연구를 수행하고 있다.
수소연료전지, 바이오에탄올 등과 같은 바이오 에너지에 비해서 미생물연료전지는 어떤 장점이 있는가? 게다가 유기오염물질을 분해함으로써 환경정화, 즉 하폐수처리의 기능도 동시에 수행한다. 수소연료전지, 바이오에탄올, 바이오디젤 등과 같은 다양한 바이오 에너지 기술은 복잡한 연료전환 과정을 거치기 때문에 에너지 손실이 매우 높지만, 미생물연료전지는 미생물을 촉매로 이용하여 유기물로부터 직접 전기를 생산하기 때문에 높은 에너지 회수율을 가진다. 가령 하수처리장으로 유입되는 하수를 미생물연료전지를 이용하여 100% 전기에너지로 전환하면, 기존 하수처리장 유지운영비의 약 3배에 달하는 에너지를 생산할 수 있다, 게다가 미생물연료전지는 공기 중의 산소를 직접 사용할 수 있어서, 하수 처리장에 적용할 경우 포기에 필요한 막대한 동력비가 전혀 들지 않으며, 미생물연료전지는 기존 하수처리장에 비해 불과 1/10의 잉여슬러지를 배출하므로, 슬러지 처리 및 이에 따른 환경문제도 크게 줄일 수 있다.
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