[논문]식종원 및 유기물 농도 변화에 따른 평판형 외기환원전극 미생물 연료전지의 질소 제거

박영현; 유재철; 이태호

doi:10.4491/ksee.2016.38.12.635

식종원 및 유기물 농도 변화에 따른 평판형 외기환원전극 미생물 연료전지의 질소 제거
Nitrogen Removal in Flat-Panel Air-Cathode Microbial Fuel Cell according to Various Inoculum Sources and Organic Concentration 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.38 no.12, 2016년, pp.635 - 640

박영현 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 유재철 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 이태호 (부산대학교 사회환경시스템공학과)

초록
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미생물연료전지(MFC)는 하 폐수내의 유기물로부터 전기를 생산할 수 있는 획기적인 기술이지만, 실용화를 위해서는 하 폐수 내의 질소를 제거할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 두 개의 대면적 SEA (separator electrode assembly)로 구성된 평판형 외기환원전극 미생물연료전지(FA-MFC)를 이용하여 질산화 전배양의 유무와 식종원에 따른 총질소제거율을 평가하였다. 질산화 전배양 단계에서 FA-MFC의 질산화율은 식종원과는 무관하게 99% 이상을 나타냈다. 질산화 및 탈질 단계에서 300 mg-COD/L 이하의 낮은 유기물 농도에서는 전배양을 하지 않은 조건의 총질소제거율이 가장 높았다. 유기물 농도가 증가할수록 더 높은 총질소제거율을 나타냈으며, 유기물제거율은 모든 조건에서 95% 이상을 나타냈지만, 종속영양탈질에만 이용되지는 않은 것으로 판단된다. FA-MFC의 전기 발생량은 매우 낮았지만, 유기물과 질소를 동시에 제거할 수 있다는 장점이 있기 때문에 획기적인 하 폐수처리공법으로 발전시킬 수 있으리라 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Although microbial fuel cell (MFC) can produce electricity from organics in wastewater, nitrogen removal is required for application of process for wastewater treatment plant. This study developed flat-panel air-cathode MFCs (FA-MFCs) comprised of two large separator electrode assemblies (SEAs) and evaluate total nitrogen removal according to three inoculum sources and pre-nitrification acclimation. The nitrification efficiencies were >99% regardless of inoculum sources under the phase for pre-nitrification acclimation. The total nitrogen removal efficiencies of FA-MFCs without pre-nitrification acclimation were the highest at the low organic conditions (95% but were not used for heterotrophic denitrification totally. This study suggests that application of FA-MFC system for wastewater treatment can allow the simultaneous removal of organic and nitrogen compounds, although this affects the low electricity production.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

본 연구에서는 두 개의 대면적 SEA (separator electrode assembly)로 구성된 평판형 외기환원전극 미생물연료전지(flat-panel air-cathode MFC, FA-MFC)를 이용하여 다음의 두 운전 단계, 1) 질산화 전배양 단계와 2) 질산화 및 탈질 단계에서 식종원에 따른 영향 평가를 수행하였다. 본 연구에서 사용한 식종원은 1) 아질산화, 2) 아질산화 및 혐기성 암모늄산화(anaerobic ammonium oxidation, Anammox), 3) 활성슬러지였으며, 질산화 및 탈질 단계에서는 질산화 전 배양을 거치지 않은 활성슬러지 조건을 추가하였다. 이를 통하여 질산화 전배양 단계에서는 암모니아성 질소의 산화 효율을 평가하였고, 질산화 및 탈질 단계에서는 유기물 및 총질소제거율과 전기 발생량을 평가하였다.
본 연구에서는 두 개의 대면적 SEA (separator electrode assembly)로 구성된 평판형 외기환원전극 미생물연료전지(flat-panel air-cathode MFC, FA-MFC)를 이용하여 다음의 두 운전 단계, 1) 질산화 전배양 단계와 2) 질산화 및 탈질 단계에서 식종원에 따른 영향 평가를 수행하였다. 본 연구에서 사용한 식종원은 1) 아질산화, 2) 아질산화 및 혐기성 암모늄산화(anaerobic ammonium oxidation, Anammox), 3) 활성슬러지였으며, 질산화 및 탈질 단계에서는 질산화 전 배양을 거치지 않은 활성슬러지 조건을 추가하였다.

대상 데이터

외기환원전극을 제조하기 위하여 탄소천의 한 면에는 누수 방지를 위한 PTFE (polytetrafluoroethylene) 처리를, 다른 면에는 백금 촉매 처리를 하였다.¹¹⁾ 분리막은 폴리프로필렌(polypropylene) 재질의 부직포 (Korea Non-Woven Tech. Co, Ltd., Korea)를 사용하였다.¹²⁾
단일 SEA의 면적은 300 cm² (15 cm × 20 cm)이었으며, 조립된 FA-MFC의 산화전극부 부피는 150 mL이었다. 산화전극과 환원전극은 흑연펠트 (graphite felt)와 탄소천(catbon cloth, E-Tek, BASF Fuel Cell, Inc., USA)을 각각 사용하였다. 외기환원전극을 제조하기 위하여 탄소천의 한 면에는 누수 방지를 위한 PTFE (polytetrafluoroethylene) 처리를, 다른 면에는 백금 촉매 처리를 하였다.

데이터처리

22 µm)를 이용하여 여과를 거친 후에 각 성분을 분석하였다. 암모니아성 질소와 COD는 각각 분석용 키트(Humas Co. Ltd., Korea)를 이용하여 측정하였고, 아질산성 질소와 질산성 질소는 Ion Chromatography (DX-300, DIONEX, Sunnyvale, USA)를 이용하여 분석하였다.

성능/효과

1) FA-MFC의 질산화 반응은 식종원에 무관하였고, 질소 제거에 관여하는 미생물을 선별적으로 우점화시키지 않더라도 완전한 질산화 반응을 유도해낼 수 있었다.
2) FA-MFC의 질산화 및 탈질 통시 반응을 위해서는 질산화 전배양이 필요하지 않았고, 300 mg-COD/L 이하의 낮은 유기물 농도에서는 전배양을 하지 않은 조건이 더 높은 총질소제거율을 나타냈다.

후속연구

3) FA-MFC는 95% 이상의 COD 제거율을 나타냈지만, 모든 유기물이 종속영양탈질에 이용되지는 않았기 때문에, 향후 유기물과 질소의 최적 제거율을 달성시킬 수 있는 운전조건을 찾을 필요가 있다.
4) FA-MFC의 전기 발생량은 낮았지만, 유기물과 질소를 동시에 제거할 수 있다는 장점이 있기 때문에, 추가 연구를 수행하여 이를 더 발전시킨다면 획기적인 하수처리공법으로써 주목받을 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미생물연료전지는 어떤 기술인가 ?	미생물연료전지(MFC)는 하 폐수내의 유기물로부터 전기를 생산할 수 있는 획기적인 기술이지만, 실용화를 위해서는 하 폐수 내의 질소를 제거할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 두 개의 대면적 SEA (separator electrode assembly)로 구성된 평판형 외기환원전극 미생물연료전지(FA-MFC)를 이용하여 질산화 전배양의 유무와 식종원에 따른 총질소제거율을 평가하였다.
	MFC로 제거하기 위해서 어떤 메커니즘을 고려해볼수 있는가 ?	하․폐수 내의 질소화합물은 대부분 암모니아성 질소의 형태로 존재하기 때문에, 이를 MFC로 제거하기 위해서는 다음의 두 가지 메커니즘을 고려해볼 수 있다. 첫 번째는 암모니아 휘발 (ammonia volatilization)로써, MFC의 전기 생산 메커니즘 에 따라 외기환원전극 근처의 pH가 상승하여 암모니아성 질소가 탈기되는 현상이다. Kim 등9)은 축산폐수를 처리하는 외기환원전극 MFC를 통해 이 현상을 연구하였다. 그러나 암모니아 휘발은 MFC의 전기 발생량에 크게 영향을 받기 때문에, 9) 실제 하․폐수를 이용한 MFC의 낮은 전기 생산량이 제한 인자로 작용할 위험이 있다. 두 번째는 외기환 원전극 MFC 내부에 질산화 및 탈질균 등을 전기생산균과 함께 식종하여 생물학적 질소제거 및 전기 생산 반응을 동 시에 유도해내는 방법이다. 8) 외기환원전극을 통해 MFC 내부로 투과된 산소를 이용하여 질산화 반응이 일어나고, 하․ 폐수 내의 유기물을 이용하여 탈질 반응이 일어나기 때문 에, 전기 생산량과는 무관하게 안정적인 질소제거율을 유지할 수 있다는 장점이 있다. 10) 하지만 산소의 존재로 인해 MFC의 전기 생산량이 낮으며, 특정 균을 선별적으로 식종 해야 한다는 번거로움이 있다.
	미생물연료전지이 실용화가 되려면 어떤 절차가 필요한가 ?	미생물연료전지(MFC)는 하 폐수내의 유기물로부터 전기를 생산할 수 있는 획기적인 기술이지만, 실용화를 위해서는 하 폐수 내의 질소를 제거할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 두 개의 대면적 SEA (separator electrode assembly)로 구성된 평판형 외기환원전극 미생물연료전지(FA-MFC)를 이용하여 질산화 전배양의 유무와 식종원에 따른 총질소제거율을 평가하였다.

참고문헌 (18)

Jung, S., "Practical implementation of microbial fuel cells for bioelectrochemical wastewater treatment," J. Korean Soc. Urban Envrion., 13(2), 93-100(2013).
Logan, B. and Rabaey, K., "Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical technologies," Sci., 337(6095), 686-690(2012).

상세보기
Lefebvre, O., Uzabiaga, A., Chang, I. S., Kim, B. H. and Ng, H. Y., "Microbial fuel cells for energy self-sufficient domestic wastewater treatment - a review and discussion from energetic consideration," Appl. Microbiol. Biotechnol., 89(2), 259-270(2011).

상세보기
Kim, H., Kim, B. and Yu, J., "Power generation response to readily biodegradable COD in single-chamber microbial fuel cells," Bioresour. Technol., 186, 136-140(2015).

상세보기
Zhang, F., Ge, Z., Grimaud, J., Hurst, J. and He, Z., "Longterm performance of liter-scale microbial fuel cells treating primary effluent installed in a municipal wastewater treatment facility," Environ. Sci. Technol., 47(9), 4941-4948(2013).

상세보기
Yu, J., Seon, J., Park, Y., Cho, S. and Lee, T., "Electricity generation and microbial community in a submerged-exchangeable microbial fuel cell system for low-strength domestic wastewater treatment," Bioresour. Technol., 117, 172-179 (2012).

상세보기
Chun, J., Yu, J., Park, Y., Seon, J., Cho, S. and Lee, T., "Acceleration of biological denitrification by using bioelectrochemical reactor," J. Environ. Sci., 21(8), 989-996(2012).
Yan, H., Saito, T. and Regan, J. M., "Nitrogen removal in a single-chamber microbial fuel cell with nitrifying biofilm enriched at the air cathode," Water Res., 46(7), 2215-2224 (2012).

상세보기
Kim, J., Zuo, Y., Regan, J. M. and Logan, B. E., "Analysis of ammonia loss mechanisms in microbial fuel cells treating animal wastewater," Biotechnol. Bioeng., 99(5), 1120-1127 (2008).

상세보기
Yan, H. and Regan, J. M., "Enhanced nitrogen removal in single-chamber microbial fuel cells with increased gas diffusion areas," Biotechnol. Bioeng., 110(3), 785-791(2013).

상세보기
Cheng, S., Liu, H. and Logan, B. E., "Increased performance of single-chamber microbial fuel cells using an improved cathode structure," Electrochem. Commun., 8(3), 489-494 (2006).

상세보기
Yu, J., Park, Y. and Lee, T., "Effect of separator and inoculum type on electricity generation and microbial community in single-chamber microbial fuel cells," Bioprocess Biosyst. Eng., 37(4), 667-675(2014).

상세보기
Logan, B. E., Hamelers, B., Rozendal, R. A., Schrorder, U., Keller, J., Freguia, S., Aelterman, P., Verstraete, W. and Rabaey, K., "Microbial fuel cells: Methodology and technology," Environ. Sci. Technol., 40(17), 5181-5192(2006).

상세보기
Dosta, J., Fernandez, I., Vazquez-Padin, J. R., Mosquera- Corral, A., Campos, J. L., Mata-Alvarez, J. and Mendez, R., "Short- and long-term effects of temperature on the Anammox process," J. Hazard. Mater., 154(1-3), 688-693(2008).

상세보기
Jung, J., Kang, S., Chung, Y. and Ahn, D., "Factors affecting the activity of anammox bacteria during start up in the continuous culture reactor," Water Sci. Technol., 55(1), 459-468 (2007).

상세보기
Jo, K., Park, Y., Cho, S. and Lee, T., "Variation of nitrogen removal efficiency and microbial communities depending on operating conditions of a CANON process," J. Korean Soc. Environ. Eng., 37(6), 332-339(2015).

원문보기 상세보기
Gao, C., Wang, A., Wu, W. M., Yin, Y. and Zhao, Y. G., "Enrichment of anodic biofilm inoculated with anaerobic or aerobic sludge in single chambered air-cathode microbial fuel cells," Bioresour. Technol., 167, 124-132(2014).

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Min, B., Kim, J. R., Oh, S., Regan, J. M. and Logan, B. E., "Electricity generation from swine wastewater using microbial fuel cells," Water Res., 39(20), 4961-4968(2005).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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