초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구는 생물전기화학기술을 혐기성소화에 접목하여 기존의 혐기성소화조가 가진 낮은 소화효율 및 운영상의 현안문제에 대한 답을 제공하는 최종목표로 하고 있다. 이를 위해 1차년도에서는 전극의 제조에 사용할 수 있는 다양한 탄소기반 물질들을 대상으로 내구성, 전기전도도, 생물친화성, 비표면적, 가격 등을 비교검토하고 전기화학적 성능시험을 통하여 산화전극 및 환원전극 재료를 선정하였으며, 선정된 전극재료를 이용하여 혐기성 생물전기화학 공정에 적합한 산화전극 및 환원전극을 개발하고 전극들의 성능을 시험하였다.

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구는 생물전기화학기술을 혐기성소화에 접목하여 기존의 혐기성소화조가 가진 낮은 소화효율 및 운영상의 현안문제에 대한 답을 제공하는 최종목표로 하고 있다. 이를 위해 1차년도에서는 전극의 제조에 사용할 수 있는 다양한 탄소기반 물질들을 대상으로 내구성, 전기전도도, 생물친화성, 비표면적, 가격 등을 비교검토하고 전기화학적 성능시험을 통하여 산화전극 및 환원전극 재료를 선정하였으며, 선정된 전극재료를 이용하여 혐기성 생물전기화학 공정에 적합한 산화전극 및 환원전극을 개발하고 전극들의 성능을 시험하였다. 2차 년도에는 산화전극 및 환원전극의 반응조 내 충진율과 배치방법이 소화효율에 미치는 영향을 평가하였으며, 생물전기화학 혐기성소화조의 초기운전 및 전압인가 방법에 대한 연구를 수행하였다. 3차 년도에는 집전체 및 전극재료 물질과 집전체의 결합방법과 관련된 기술적 한계를 해결할 수 있는 연구, 전극의 전위가 생물전기화학적 메탄생성에 미치는 영향연구를 수행하였다. 또한, 실용화연구로서 상향류식 생물전기화학 혐기성반응조를 설계하여 성능을 시험하였다.

□ 연구결과
1차년도에 개발한 결합제와 촉매를 이용하여 제작한 산화전극과 환원전극을 사용한 생물전기화학 혐기성 반응조의 성능은 각각 대조구에 비해 약 170% 및 150% 향상시켰다. 특히, 바이오가스의 메탄함량은 HRT 15~20일에서 약 77%, 5~10일에는 약 75%로 대단히 높았다. VS 감량은 HRT 20일에서는 70%였으며, HRT 5일에서도 약 52%의 높은 값을 보였다. 2차년도에 생물전기화학 혐기성소화조 내부에 전극을 나선형으로 배치하는 것이 유체의 흐름에 유리한 것으로 평가되었다. 전극의 충진율은 높을수록 소화성능이 향상되었으며, 최적 충진율은 약 14.4 m²/m³ 또는 그 이상으로 평가되었다. 단일전압 인가법으로 0.5V를 인가한 경우 비메탄발생량이 654.0 mL CH₄/L.d, 메탄함량이 71.6%으로 가장 높았다. 2전압 및 3전압 인가법으로 0.3V, 0.5V 및 0.7V를 인가하였을 때에는 메탄수율과 에너지 효율이 낮았으며, 인가전압의 선정은 유기물의 생분해도 및 부하율과 상관관계가 있었다. 3차년도에는 생물전기화학 메탄생성반응에 대한 전계효과를 발견하였으며, 생물전기화학반응조에서 집전체 및 전극과 관련된 문제를 완전히 해결하였다. 또한, 생물전기화학 혐기성반응조에 전계효과를 이용함으로서 메탄발생량은 대조구보다 약 57%로 향상시켰다. 특히, 인가전압 2V 이상일 때 메탄발생량이 약 10% 가량 증가하는 것을 확인하였으며, 생물전기화학 혐기성소화기술의 실용화 가능성을 높였다. 또한, 실용화 연구로서 상향류식 생물전기화학 혐기성소화조를 설계하여 성능을 검증하였으며, 메탄발생량 및 에너지효율이 재래식 UASB 소화조보다 각각 51% 및 25.4% 높음을 확인하였다.

□ 연구결과의 활용계획
본 연구과제에서 연구한 생물전기화학 혐기성반응조는 기존의 하수슬러지 혐기성소화조의 시설개선에 활용하면 하수처리장의 최대의 문제점인 혐기성소화시설의 운영상의 문제를 해결할 수 있다. 생물전기화학기술을 재래식 혐기성소화 기술들과 접목하면 기존 시설의 낮은 소화효율 및 공정의 불안정성 문제에 뚜렷한 효과를 볼 수 있다. 그러나, 바이오분극 전극을 사용하는 기존의 생물전기화학기술은 현장적용을 위해서는 해결하여야 할 여러가지 문제가 있다. 그러나, 본 연구를 통하여 세계최초로 발견한 생물전기화학반응에 대한 전계효과는 2차원기술인 생물전기화학기술을 3차원 기술로 확장시켰으며, 생물전기화학기술을 실용화 가능한 기술로 진보시켰다. 총 3년간의 연구결과는 국내외 학술발표회와 높은 영향지수의 학술지에 다수의 논문을 개제하였으며, 주요 발명들에 대해서는 특허 출원 중이다. 따라서, 파일럿실험을 통하여 주요연구성과들에 대한 규모확대 연구를 수행한다면 세계최초로 실용화 가능한 생물전기화학기술이 탄생할 것으로 판단된다.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

□ Purpose& contents
The final goal of this research is to establish a high-rate bioelectrochemical anaerobic digestion (BEAD) process in the sewage sludge. In the 1^st year, we developed a high performance electrode, based on carbon materials, and their performance were tested in the BE

□ Purpose& contents
The final goal of this research is to establish a high-rate bioelectrochemical anaerobic digestion (BEAD) process in the sewage sludge. In the 1^st year, we developed a high performance electrode, based on carbon materials, and their performance were tested in the BEAD reactor. In the 2^nd year, the surface area, filling ratio and placement method of electrodes were studied. Finally in the 3^rd year, we first discovered the field effect on the methane production, and obtained the technical new findings to overcome the limitations in the electrode and current collector. In addition, the influence of the applied voltage on the methane production was studied in the anaerobic digester using electric field. An upflow anaerobic bioelectrochemical reactor was devised and the performance was compared to UASB process, for the practical use of the BEAD process.

□ Result
At the 1^st year, the methane production of the BEAD reactor using the developed electrodes were 70% and 50% higher than the control reactor, respectively. The methane content in biogas was 77% at HRT 15~20d for sewage sludge, and it was 75% at HRT 5~10d. The VS reduction was as high as 70% at HRT 20d, and 52% at HRT 5d. For the 2^nd year, we found the helical electrode placement is favorable for fluid flow in the reactor, and the optimal filling ratio of electrde is approximately 14.4 m²/m³ or even higher. The methane production and the content by applying single voltage of 0.5 V were 654.0 mL/L.d and 71.6%, higher than applying multiple voltages of 0.3 V, 0.5V & 0.7 V. For the 3^rd year, we first found the effect of electric field on the methane production, and obtained the new findings to overcome the limitations in electrode and current collector. The methane production was improved by 57% over than the control by the field effect. In particular, it was confirmed that the methane production was additionally improved by around 10% when the applied voltage was over 2V, and the field effect improved the practicality of bioelectrochemical anaerobic digestion in field. As a application study, the upflow anaerobic bioelectrochemical reactor was devised and the performance was studied at 16 g COD/L.d, and it's methane production and energy efficiency was 51% and 25.4% higher than the UASB reactor, respectively. These achievements gives obvious hints for the practical use of BEAD process to achieved high performance of anaerobic digestion.

□ Expected Contribution
In this study, we developed the BEAD process for solving the operation problems and improving the performance of anaerobic digestion. This study has achieved remarkable results in many aspects, such as improvement of anaerobic digestion and process stability. Through this study, we first discovered the effect of electric field on anaerobic digestion, which extended the BEAD process from 2D technology to 3D technology. During the 3 years study, we have been published lots of scientific papers in many journals with high impact index, presented at some domestic and international conferences, and applied for patents through this project. Our major research achievements will contribute to the practical application of the bioelectrochemical technology for the first in the world.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9
• 1절. BEAD공정에 적합한 산화전극 및 환원전극 개발 ... 9
• 2절. 산화전극 및 환원전극의 크기, 반응조 내부 배치 및 전극의 충진율이 혐기성 생물전기화학공정의 성능에 미치는 영향평가 ... 51
• 3절. 집전체 및 전극전위가 BEAD공정의 성능에 미치는 영향연구 ... 98
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 138
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 143
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 143
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 143
• 8. 참고문헌 ... 144
• 9. 연구성과 ... 149
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 154
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 154
• 12. 기타사항 ... 158
• [별첨1] 대 표 연 구 실 적 ... 160
• [별첨2] 세부 목표 관련 증빙 ... 170
• 끝페이지 ... 183