유기성 폐수처리에 대한 미생물 연료전지(MFC)의 적용성 평가
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2016
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146-146(1쪽)
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최근 에너지 비용 증가로 인해 대체에너지와 에너지 효율이 높은 공정 개발에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있으며 특히 유기성 폐자원을 이용하여 에너지생산이 가능한 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC)에 대한 연구가 진행되어지고 있다. 미생물연료전지는 전기화학적으로 활성이 있는 미생물을 이용, 유기물을 분해하여 전기에너지를 생산하는 장치이며 미생물 연료전지를 이용하여 하·폐수 내 존재하는 유기오염물을 처리함과 동시에 에너지를 생산할 수 있다.
미생물 연료전지는 축산폐수, 음식물류폐기물 침출폐수, 하수슬러지, 식품가공 공정 폐수 등 유기물 함량이 높은 유기성 폐수를 기질로 사용할 수 있으며, 기질의 종류에 따라 전기발생량 및 산화전극부의 미생물 군집에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 미생물 연료전지는 산화전극부, 이온교환막, 환원전극부, 물질전달매개체 등으로 이루어져 있으며, 산화전극부에서는 미생물에 의해 유기물이 분해되면서 전자와 수소이온이 발생하고 이때 생성된 수소이온은 이온교환막을 통해 환원전극으로 이동한다. 또한 이때 발생한 전자는 물질전달 매개체를 통해 환원전극부로 이동하게 되고 환원전극부로 이동한 수소 및 전자는 전자수용체인 산소와 반응하여 물을 생성하는 메커니즘으로 전기를 생산한다. 따라서 미생물 연료전지의 전기생산효율을 높이기 위해서는 산화·환원전극의 소재 및 물질전달매개체의 전자전달 효율 개선이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 미생물연료전지의 전기생산효율을 증대시키기 위한 전극소재개발 및 폐수처리공정과의 결합을 도모함으로써 폐수처리공정 내 유기물 및 영양염류 제거효율 검토를 통해 미생물 연료전지와 폐수처리공정의 적용가능성을 평가하였다.
연구 방법으로써 실험실규모(Lab. scale)의 미생물연료전지 장치를 설치하였으며, 미생물 연료전지 내 전극 소재 개발을 위해 전기방사장치(Electro spining)를 이용하였다. 그 결과 전기방사장치에 의해 Nano fiber가 교차되어 섬유상을 이루는 것을 확인하였으며, 또한 전기전달력이 우수한 Carbon 소재를 혼합하여 미생물 연료전지 내 적용가능한 전극소재를 제조하였다. 개발된 전극소재를 이용 미생물연료전지에 적용할 경우 4일(96hr) 이후 최대 7.6mA까지 전류가 생성되는 것을 알 수 있었으며 이는 24시간 이후 전기방출 미생물이 증식하기 시작하면서 전류가 생성되는 것으로 판단된다. 또한 실험실규모 미생물 연료전지 내 유기물 및 영양염류제거효율을 평가하기 위하여 합성폐수를 제조하여 주입하였으며, 약 10일간 미생물 연료전지를 운전한 결과 유기물의 경우 총 58.6% 제거되었으며, NH<sub>3</sub>-N, NO<sub>3</sub> <sup>-</sup>-N 및 PO<sub>4</sub> <sup>3-</sup>-P의 경우 각각 73.5, 80.4 및 83.2%의 제거효율을 나타내고 있으며 이는 회분식 실험에 따른 높은 체류시간 및 미생물 세포합성에 의한 영양염류제거로 판단된다. 따라서 향후 연속식 운전조건을 통한 유기물 및 영양염류제거효율 평가를 통해 생물학적 폐수처리와의 연계처리 가능성 평가가 필요할 것으로 사료된다.
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