KR100848331B1 - Denitrification Method Using A Bio-Electro-Chemical System - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 생물전기화학 시스템을 이용하는 탈질 방법으로서, 물에 녹아있는 질산성 질소 성분을 담고 있는 하우징 내부 공간을 양이온 선택성 분리막(14)으로 2개의 공간 즉 양극부와 음극부로 분리시키고, 상기 양극부 내에 불용성 양극 전극(12)을 설치하며, 상기 음극부에는 혐기성 미생물막을 부착시킨 탄소계 음극 전극(16)을 설치하며, 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에서 DC 전원공급부(18)를 통해 직류 전류를 공급하도록 구성된 생물전기화학 시스템(10)을 이용하여, 상기 음극부 공간이 혐기성 환경을 유지되게 하면서, 상기 DC 전원공급부(18)에서 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에 10 mA 내지 400 mA의 일정한 직류 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다. 이에 따르면 저농도의 음용수 내의 질소 제거뿐만 아니라 생활하수 및 여러 산업폐수에 포함되어 있는 고농도 질소도 제거가능하다.The present invention provides a denitrification method using a bioelectrochemical system, wherein a space inside a housing containing a nitrate nitrogen component dissolved in water is separated into two spaces, namely, an anode part and a cathode part, by the cation selective separator 14. An insoluble anode electrode 12 is provided in the portion, and a carbon-based cathode electrode 16 having an anaerobic microbial film attached thereto is provided at the cathode portion, and a DC power supply portion between the anode electrode 12 and the cathode electrode 16. By using a bioelectrochemical system 10 configured to supply a direct current through 18, the cathode electrode 12 and the anode electrode 12 at the DC power supply 18 are maintained while maintaining the anaerobic environment. A constant direct current of 10 mA to 400 mA is supplied between the cathode electrodes 16. According to this, it is possible to remove not only nitrogen in low concentration drinking water but also high concentration of nitrogen contained in domestic sewage and various industrial wastewater.

탈질, 질산성 질소, 생물전기화학, 미생물, 전극 Denitrification, Nitric Acid Nitrogen, Bioelectrochemistry, Microorganisms, Electrodes

Description

생물전기화학 시스템을 이용한 탈질 방법{Denitrification Method Using A Bio-Electro-Chemical System}Denitrification Method Using A Bio-Electro-Chemical System

도 1은 본 발명의 방법에 사용되는 생물전기화학 시스템의 구조를 개략적으로 보여주는 개략단면도.1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the structure of a bioelectrochemical system used in the method of the present invention.

도 2는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 사용되는 음극 전극에 부착된 미생물 막을 전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰한 모습을 보여주는 도면.2 is a view showing the observation of the microbial membrane attached to the cathode electrode used in one embodiment of the method of the present invention using an electron microscope (SEM).

도 3은 본 발명의 방법의 일 실시예에서 질산성 질소의 환원 및 산화환원 전위(OPR) 변화를 보여주는 그래프.3 is a graph showing the reduction and redox potential (OPR) change of nitrate nitrogen in one embodiment of the method of the present invention.

도 4는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 적정 전류에 의한 아질산성 질소의 환원 정도를 보여주는 그래프.Figure 4 is a graph showing the degree of reduction of nitrite nitrogen by an appropriate current in one embodiment of the method of the present invention.

도 5는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 질산성 질소의 초기 농도 변화에 따른 질산성 질소의 환원 및 아질산성 질소의 변화를 보여주는 그래프.5 is a graph showing the reduction of nitrate nitrogen and the change of nitrite nitrogen according to the initial concentration change of nitrate nitrogen in one embodiment of the method of the present invention.

<도면의 주요부호의 간단한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>

10 : 생물전기화학 시스템(생물반응기)10: bioelectrochemical system (bioreactor)

12 : 양극 전극 14 : 양이온 선택성 분리막12 anode electrode 14 cation selective separator

16 : 음극 전극 17 : 가스 콜렉터16 cathode electrode 17 gas collector

18 : DC 전원 공급기 18: DC power supply

본 발명은 일반적으로 폐수 등에 포함되어 있는 질소를 제거하기 위한 탈질 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 미생물이 음극 전극 즉 환원된 전극을 전자공여체로서 이용하며 질산성 질소를 전사수용체로서 이용하는 혐기성 호흡을 통해 탈질 반응을 수행하도록 함으로써 폐수 등에 포함되어 있는 질산성 질소를 제거하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a denitrification method for removing nitrogen contained in wastewater and the like, and more particularly, to the anaerobic respiration of a microorganism using a cathode electrode or a reduced electrode as an electron donor and using nitrate nitrogen as a transcription receptor. The present invention relates to a method for removing nitrate nitrogen contained in waste water by performing a denitrification reaction.

통상 수질내 미생물을 이용하여 질소를 제거하는 방법으로는 종속영양탈질(Heterotrophic denitrification)과 독립영양탈질(Autotrophic denitrification)로 크게 나눌수 있다. 현재는 대부분 미생물의 탄소원을 외부에서 공급하는 종속영양탈질에 의존하고 있다. 이 방법은 처리효율이 낮고 recirculation 시(100-400%) 동력비가 많이 들뿐만 아니라 전자공여체로 유기탄소원(methanol, acetic acid)을 필요로 한다. 또한 후속공정에서 미처리된 유기물을 제거해 주어야 하기 때문에 처리 비용이 커지는 단점을 가지고 있다.In general, nitrogen is removed by using microorganisms in the water, which can be classified into heterotrophic denitrification and autotrophic denitrification. Currently, most rely on heterotrophic denitrification, which supplies the carbon source of microorganisms from outside. This method has low treatment efficiency, high energy cost during recirculation (100-400%), and requires organic carbon sources (methanol, acetic acid) as electron donors. In addition, there is a disadvantage in that the treatment cost increases because the untreated organic material must be removed in a subsequent process.

따라서 근래에 들어 이러한 단점을 가지는 종속영양탈질 보다는 상대적으로 부족하게 연구되어있는 독립영양탈질에 대한 관심이 증대되고 있다. 독립영양탈질은 외부탄소원이 필요 없으며 저비용의 공정이 가능하고, 부수적으로 생산되는 슬 러지양이 적다. 독립영양탈질에는 수소(H2)를 이용하는 수소이용성 독립영양탈질(autohydrogentrophic denitrification), 철을 이용하는 경우, 황(sulfur)을 이용하는 경우로 나눌 수 있다. 수소이용성 독립영양탈질은 수소의 낮은 용해도와 폭발의 위험성이 단점이며, 황이용성 독립영양탈질은 탈질시 알칼리도가 파괴되며, 특히 고농도의 질산성질소를 함유하고 알칼리도가 낮은 폐수의 경우 pH가 떨어져 탈질이 더 이상 진행되지 않으며, 고농도의 질산성질소를 처리할 경우 부산물로서 고농도의 황산염이온이 생성된다는 부수적인 단점을 안고 있기 때문에 처리 가능한 폐수는 한정적이었다. 이를 극복하기 위한 한 방안으로 외국에서 석회석을 황입자와 섞어 알칼리도를 공급하는 공정을 연구하기도 하지만 여전히 고농도의 질소 처리시 석회석의 알칼리도 공급제한 및 TDS의 증가, 생성되는 황산염이온 농도의 증가라는 문제점을 가지고 있어(Kim, 2002) 고농도의 질산성 질소를 제거하기에 어렵다는 단점을 가지고 있다.Therefore, in recent years, interest in autotrophic denitrification, which is relatively poorly studied, is increasing rather than heterotrophic denitrification having such disadvantages. Autotrophic denitrification does not require external carbon sources, enables low-cost processes, and generates less sludge produced by-products. Autotrophic denitrification can be divided into hydrogen soluble autohydrogentrophic denitrification using hydrogen (H 2 ), and iron (sulfur). Hydrogen-soluble autotrophic denitrification has the disadvantages of low solubility and explosion risk of hydrogen, and sulfur-soluble autotrophic denitrification destroys alkalinity during denitrification. This process does not proceed anymore, and the treatment of wastewater has been limited because of the side disadvantages of high concentrations of nitrates that produce high levels of sulfate ions as by-products. One way to overcome this is to study the process of supplying alkalinity by mixing limestone with sulfur particles in foreign countries. However, there is still a problem of limiting alkalinity supply of limestone, increase of TDS, and increase of sulfate ion concentration in high nitrogen treatment. (Kim, 2002) has the disadvantage of being difficult to remove high concentrations of nitrate nitrogen.

따라서 종래 종속영양방식의 이차 오염 문제를 제거하면서도 종래 독립영양탈질 방식의 고농도 질소의 제거가 효과적으로 가능한 경제성 있는 탈질 방법을 제공한다면 유리할 것이다.Therefore, it would be advantageous to provide an economical denitrification method capable of effectively removing high concentration nitrogen of the conventional autotrophic denitrification method while eliminating the secondary pollution problem of the conventional heterotrophic method.

본 발명은 상술한 종래의 생물학적 또는 전기화학적 방법의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 특히 전기화학적 방법과 생물학적 방법을 융합한 생물전기화학적 방법을 채용하여 종래 철, 수소, 황을 이용하여 양성자(H+)와 전자(e-)를 전달하 던 방식이 아니라 직접 미생물에 제공하도록 구성한 생물전기화학적 시스템을 이용한 탈질 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention is to solve the problems of the conventional biological or electrochemical method described above, in particular by adopting a bioelectrochemical method in which the electrochemical method and the biological method is fused using conventional iron, hydrogen, sulfur proton (H + ) and electronic (e - and not a way to throw passes) to provide a biological denitrification method using the electrochemical system is configured to provide direct microorganisms that purpose.

일반적으로 생물전기화학적 방법은 현재 생물연료전지 또는 미생물연료전지 분야에 많이 이용되고 있는 방법이다. 미생물연료전지는 음극부(anode)에 있는 미생물을 이용하여 유기물을 분해하면서 생성되는 양성자와 전자를 양극부(cathode)에 전달하며 양극부에서 산소(O2)를 이용하여 양성자와 전자를 소비하는 방식이다. 이 미생물 연료전지는 현재 glucose, acetate등의 유기물을 분해하여 전기를 생산하는 장치로서 잘 알려져 있다.In general, bioelectrochemical methods are currently widely used in the field of biofuel cells or microbial fuel cells. The microbial fuel cell transfers protons and electrons generated while decomposing organic substances using microorganisms in the anode part to the cathode part and consumes protons and electrons using oxygen (O 2 ) at the anode part. That's the way. The microbial fuel cell is well known as a device for producing electricity by decomposing organic substances such as glucose and acetate.

하지만 본 발명은 미생물연료전지와는 다른 개념으로서, 양극부(Anode)에서 물의 전기분해에 의해 생성된 양성자와 전자를 이용하여 음극부(cathode)에서 전자와 양성자가 전자공여체로 이용되어 미생물이 질산성질소를 환원할 수 있도록 한다는 특징을 가진다.However, the present invention is a different concept from the microbial fuel cell, by using electrons and protons at the cathode by using protons and electrons generated by the electrolysis of water at the anode. It is characterized by the ability to reduce acidic nitrogen.

상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 생물전기화학 시스템을 이용한 탈질 방법에 의해 성취된다.This object is achieved by a denitrification method using a bioelectrochemical system provided according to the present invention.

본 발명에 따라 제공되는 탈질 방법은, 생물전기화학 시스템을 이용하는 탈질 방법으로서, 물에 녹아있는 질산성 질소 성분을 담고 있는 하우징 내부 공간을 양이온 선택성 분리막으로 2개의 공간 즉 양극부와 음극부로 분리시키고, 상기 양극부 내에 불용성 양극 전극을 설치하며, 상기 음극부에는 혐기성 미생물 막을 부 착시킨 탄소계 음극 전극을 설치하며, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에서 DC 전원공급부를 통해 직류 전류를 공급하도록 구성된 생물전기화학 시스템을 이용하여, 상기 음극부 공간이 혐기성 환경을 유지되게 하면서, 상기 DC 전원공급부에서 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에 10 mA 내지 400 mA의 일정한 직류 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.The denitrification method provided in accordance with the present invention is a denitrification method using a bioelectrochemical system, wherein a space inside a housing containing nitrate nitrogen dissolved in water is separated into two spaces, namely, an anode part and a cathode part, by a cation selective separator. And installing an insoluble anode electrode in the anode portion, and installing a carbon-based cathode electrode on which the anaerobic microbial membrane is attached to the cathode portion, and supplying a direct current through a DC power supply portion between the anode electrode and the cathode electrode. By using a bioelectrochemical system, while maintaining the anaerobic environment in the cathode space, the DC power supply is characterized in that for supplying a constant direct current of 10 mA to 400 mA between the anode electrode and the cathode electrode .

바람직한 실시예에 있어서, 상기 양극 전극은 불용성 Ag/AgCl을 주성분으로 하는 얇은 플레이트형의 전극이며 주위를 3.3M KCl 수용액이 감싸고 있고, 상기 음극 전극은 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이트형 전극이다.In a preferred embodiment, the positive electrode is a thin plate-shaped electrode containing insoluble Ag / AgCl as a main component and surrounded by a 3.3 M KCl aqueous solution, and the negative electrode is a thin plate-type electrode containing graphite felt as a main component.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이트형 음극 전극의 적어도 일면에는 폐수에서 유래하는 혐기성 슬러지로부터 채취된 미생물을 배양시켜 형성한 혐기성 미생물 막이 덮혀 있다.In a preferred embodiment, at least one surface of the thin plate-shaped negative electrode mainly composed of graphite felt is covered with an anaerobic microbial membrane formed by culturing microorganisms collected from anaerobic sludge derived from wastewater.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a specific embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 방법에 사용되는 생물전기화학 시스템의 구조를 개략적으로 보여주는 개략단면도이며, 도 2는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 사용되는 음극 전극에 부착된 미생물 막을 전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰한 모습을 보여주는 도면이고, 도 3은 본 발명의 방법의 일 실시예에서 질산성 질소의 환원 및 산화환원 전위(OPR) 변화를 보여주는 그래프이며, 도 4는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 적정 전류에 의한 아질산성 질소의 환원 정도를 보여주는 그래프이고, 한편 도 5는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 질산성 질소의 초기 농도 변화에 따른 질 산성 질소의 환원 및 아질산성 질소의 변화를 보여주는 그래프이다.1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the structure of a bioelectrochemical system used in the method of the present invention, Figure 2 is an electron microscope (SEM) microbial membrane attached to the cathode electrode used in one embodiment of the method of the present invention Figure 3 is a view showing the appearance, Figure 3 is a graph showing the reduction and redox potential (OPR) change of nitrate nitrogen in one embodiment of the method of the present invention, Figure 4 is one of the method of the present invention Example is a graph showing the degree of reduction of nitrite nitrogen by the appropriate current, while Figure 5 is a reduction of nitrate nitrogen and the nitrite nitrogen in accordance with the initial concentration change of nitrate nitrogen in one embodiment of the method of the present invention This graph shows the change.

본 발명은 전체적으로, 미생물이 음극 전극 즉 환원된 전극을 전자공여체로서 이용하고 질산성 질소를 전자수용체로 이용하여 혐기성 호흡을 통해 탈질 반응을 수행하는 방법이라는 특징을 가진다. 다시 말해서 본 발명은 수질내 질소를 제거하는 기존의 종속영양 탈질에 대체하는 전기분해를 응용한 새로운 방식의 독립영양 탈질기술에 관한 것이다. 본 발명은 구체적으로, 양극부에는 물을 전기분해하여 양성자(H+)와 전자(e-)를 생성하며, 음극부에서는 양극부에서 생성된 양성자(H+)와 전자(e-)를 받아 질산성 질소(NO3 --N)를 최종적으로 N2로 탈질시키는 것이 특징인 생물전기화학적 방법이라고 할 수 있다.The present invention is characterized in that the microorganism performs a denitrification reaction through anaerobic respiration using a cathode electrode, that is, a reduced electrode as an electron donor and an nitrate nitrogen as an electron acceptor. In other words, the present invention relates to a new method of autotrophic denitrification by applying electrolysis to replace the existing heterotrophic denitrification to remove nitrogen in water. The present invention particularly, the positive electrode portion, by electrolysis of water protons (H +) and electron (e -) and generates, in the cathode portion of the proton (H +) and electron (e -) generated in the anode compartment accepts The bioelectrochemical method is characterized by the final denitrification of nitrate nitrogen (NO 3 -- N) to N 2 .

도 1에 도시된 본 발명에 이용되는 생물전기화학 시스템(10)은, 물에 녹아있는 질산성 질소 성분을 담고 있는 하우징 내부 공간을 양이온 선택성 분리막(14)으로 2개의 공간 즉 양극부와 음극부로 분리시키고, 상기 양극부 내에 불용성 양극 전극(12)을 설치하며, 상기 음극부에는 혐기성 미생물막을 부착시킨 탄소계 음극 전극(16)을 설치하며, 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에서 DC 전원공급부(18)를 통해 직류 전류를 공급하도록 구성된다.In the bioelectrochemical system 10 used in the present invention shown in FIG. 1, a space inside a housing containing nitrate nitrogen dissolved in water is divided into two spaces, namely, an anode part and a cathode part, by a cation selective separator 14. And a carbon-based negative electrode 16 having an anaerobic microbial film attached thereto, and the positive electrode 12 and the negative electrode 16 are disposed in the positive electrode portion. It is configured to supply a DC current through the DC power supply 18 in between.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 양극 전극(12)은 불용성 Ag/AgCl을 주성분으로 하는 얇은 플레이트형의 전극이며 3.3M KCl 수용액에 접하고, 상기 음극 전극(18)은 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이트형 전극이다.In a preferred embodiment, the positive electrode 12 is a thin plate-shaped electrode mainly composed of insoluble Ag / AgCl and is in contact with a 3.3 M KCl aqueous solution, and the negative electrode 18 is a thin plate-shaped electrode mainly composed of graphite felt. Electrode.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이 트형 음극 전극(16)의 적어도 일면에는 폐수에서 유래하는 혐기성 슬러지로부터 채취된 미생물을 배양시켜 형성한 혐기성 미생물 막이 덮혀 있다.In a preferred embodiment, at least one surface of the thin plate-type cathode electrode 16 mainly composed of the graphite felt is covered with an anaerobic microbial membrane formed by culturing microorganisms collected from anaerobic sludge derived from wastewater.

이 혐기성 미생물 막은, 폐수처리시 나오는 활성 슬러지에서 채취된 미생물을 배양하여 부착시킨 것으로서, 이러한 미생물막의 성질과 배양 방법은 종래 생물연료전지 및 그 응용 분야에서 잘 알려져 있다. 생물연료전지 및 그 응용의 예를 들면, 특허 출원번호 10-1996-0036468 “금속염 환원세균을 사용한 생물연료전지”, 특허 출원번호 10-1999-0027168 “폐수 및 폐수처리용 활성슬러지를 사용한 생물연료전지”, 및 특허 출원번호 10-1999-0027167 “미생물의 전기화학적 농화배양 방법 및 유기물질 및 BOD 분석용 바이오센서”등의 등록공보에 잘 기재되어 있다.The anaerobic microbial membrane is obtained by culturing and attaching microorganisms collected from activated sludge from wastewater treatment. The properties and culture methods of such microbial membranes are well known in conventional biofuel cells and their application fields. Examples of biofuel cells and applications thereof are described in Patent Application No. 10-1996-0036468 “Biofuel Cell Using Metal Salt Reducing Bacteria”, Patent Application No. 10-1999-0027168 “Biofuel Using Activated Sludge for Wastewater and Wastewater Treatment Batteries, and Patent Application No. 10-1999-0027167 "Methods for Electrochemical Enrichment of Microorganisms and Biosensors for Organic Substances and BOD Analysis", and the like.

본 발명에서 이용하는 혐기성 미생물들은 산소가 없는 조건에서 유기물을 소비하고 이 과정에서 발생하는 전자를 소비하기 위하여 산소 이외의 최종 전자수용체를 사용하게 되는데 1990년대부터 금속염을 전사수용체로 사용하는 혐기성 미생물인 “금속염 환원세균(metal deducing bacteria)"가 알려져 있다. 예컨대 금속염 환원세균의 일종인 Shewanella putrefaciens는 종래 미생물 연료 전지 분야에서 사용하던 전자전달 매개체 없이 직접 세포 외부에 존재하는 전자수용체에 전자를 전달할 수 있어 무매개체 미생물연료전지 분야의 연구에서 활발히 사용되고 있다. 본 발명에서 사용하는 미생물은 바람직하게는 이러한 무매개체 미생물연료전지(또는 생물연료전지) 분야에서 사용되는 미생물이므로, 당업자에게는 잘 알려져 있고 이를 탄소재질의 플레이트에 농화 배양시키는 방법도 잘 알려져 있다.The anaerobic microorganisms used in the present invention use the final electron acceptor other than oxygen to consume organic matter in the absence of oxygen and electrons generated in this process. Since 1990, an anaerobic microorganism using metal salt as a transcription receptor is used. "Metal deducing bacteria" are known. Shewanella putrefaciens, for example, is a metal salt reducing bacterium that can transfer electrons to electron acceptors that exist directly outside the cell without electron transport media used in microbial fuel cells. The microorganisms used in the present invention are preferably microorganisms used in the field of medium-free microbial fuel cells (or biofuel cells), and are well known to those skilled in the art, Thickening on plate Culture methods are also well known.

본 방법에 따르면, 생물전기화학 시스템(10)을 이용하여, 상기 음극부 공간 이 혐기성 환경을 유지되도록 예컨대 가스 콜렉터(17)와 같은 기구를 사용하여 질소 가스를 퍼징할 수 있다. 이러한 혐기성 환경하에서, 상기 DC 전원공급부(18)에서 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에 10 mA 내지 400 mA의 일정한 직류 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.According to the method, the bioelectrochemical system 10 can be used to purge nitrogen gas, for example using a mechanism such as the gas collector 17 so that the cathode space is maintained in an anaerobic environment. Under such anaerobic environment, the DC power supply unit 18 is characterized in that to supply a constant direct current of 10 mA to 400 mA between the anode electrode 12 and the cathode electrode 16.

공급된 전류에 의해 양극 전극(12)에서 물이 전기분해되어 전자와 양이온이 발생한다. 발생된 전자는 전극들 사이에 연결된 도선을 따라 음극 전극(16)으로 이동하게 되고, 발생된 양이온은 두 전극 사이의 전해질 용액을 통해 양이온 선택성 분리막(14)을 거쳐 미생물 막이 부착되어 있는 음극 전극(16)쪽으로 이동하게 된다. 음극 전극(16)에 부착되어 있는 미생물 막 내의 미생물들은 혐기성 호흡을 하게 되는데, 이때 전자 공여체로서 음극 전극(16)에 도착하는 전자를 이용하며, 전해질 물질 내의 질산성 질소를 전자수용체로서 이용하게 된다. 특히 이 미생물들은 음극 전극(16)의 전자를 별도의 매개체없이 직접 이용한다.Water is electrolyzed at the anode electrode 12 by the supplied current to generate electrons and cations. The generated electrons are moved to the cathode electrode 16 along the conducting wire connected between the electrodes, and the generated cations are passed through the cation selective separator 14 through the electrolyte solution between the two electrodes. To 16). The microorganisms in the microbial membrane attached to the cathode electrode 16 undergo anaerobic respiration, using electrons arriving at the cathode electrode 16 as electron donors, and using nitrate nitrogen in the electrolyte material as the electron acceptor. . In particular, these microorganisms directly use the electrons of the cathode electrode 16 without a separate medium.

<실시예><Example>

본 발명의 탈질 방법의 실시예에서 사용하는 생물전기화학적 시스템(10)은 양극부(Anode)에서 양성자와 전자가 음극부(cathode)로 전달되어 전자공여체로 이용되며 이들 전자공여체로 질산성질소를 환원시키는 반응기로서 음극부 전극에 미생물을 농화배양시켜 만든 ‘생물반응기’라고 할 수 있다. 본 생물반응기(10)는 양극부(anode) 즉 양극 전극(12), 음극부(cathode) 즉 음극 전극(16), 양이온 선택성 분리막(cation-selective membrane)(14), 전원공급기(power supply)(18)로 구성되어 있다.In the bioelectrochemical system 10 used in the denitrification method of the present invention, protons and electrons are transferred from the anode to the cathode and used as an electron donor, and nitrate nitrogen is used as the electron donor. As a reactor for reducing, it can be said to be a 'bioreactor' made by enriching microorganisms on the cathode electrode. The bioreactor 10 has an anode or anode electrode 12, a cathode or cathode electrode 16, a cation-selective membrane 14 and a power supply. It consists of 18.

양극부는 산화방지를 막기위해 불용성 전극을 이용하였고 음극부는 흑연펠트 전극을 이용하였으며 음극부 표면에 미생물을 부착시켜 생물막을 형성시켰다. 양극부에서는 물을 전기분해해서 양성자와 전자를 생성한다.The anode part used insoluble electrode to prevent oxidation, the cathode part used graphite felt electrode, and formed a biofilm by attaching microorganisms to the surface of the cathode part. In the anode section, water is electrolyzed to produce protons and electrons.

(+) : 2H2O --> O2 + 4H+ + 4e- ---- (1) (+): 2H 2 O - > O 2 + 4H + + 4e - ---- (1)

음극부에서는 이들 양성자(H+)와 전자(e-)를 받아 질산성질소를 환원시켜 최종 N2로 전환시킨다.The cathode portion of these proton (H +) and electron (e -) by reduction of nitrate nitrogen to be received is converted to the final N 2.

(-) : 2NO3 - + 5H+ + 5e- --> N2 + 4H2O + 2OH- ---- (2) (-): 2NO 3 - + 5H + + 5e - -> N 2 + 4H 2 O + 2OH - ---- (2)

또한 생물반응기(10)는 양극부(12)와 음극부(16) 사이에 양이온 선택성 분리막(14)을 설치하여 양성자만 음극부(16)로 선택적으로 전달되게 하였다. 전자는 도선을 따라 양극부(12)에서 음극부(16)로 전달된다.In addition, the bioreactor 10 has a cation selective separator 14 installed between the anode portion 12 and the cathode portion 16 to selectively transfer only protons to the cathode portion 16. Electrons are transferred from the anode portion 12 to the cathode portion 16 along the lead.

1. 생물반응기 구성 및 실험 배지1. Bioreactor Configuration and Experiment Medium

본 발명의 실시예에 이용된 생물반응기(10)의 전체 용량은 2.5 리터이고 실제 반응 용량 즉 양성자 선택성 분리막에 의해 분리되어 있는 음극부의 용량은 1리터이다. 양극 전극과 음극 전극의 면적은 각각 105 cm2이다.The total capacity of the bioreactor 10 used in the embodiment of the present invention is 2.5 liters and the actual reaction capacity, that is, the capacity of the negative electrode portion separated by the proton selective membrane is 1 liter. The area of the positive electrode and the negative electrode is 105 cm 2, respectively.

음극부에 미생물 막을 형성시키기 위해 서울중량하수처리장에서 혐기성 슬러지를 채취하고 음극 전극에 약 60일 동안 농화배양시켜 부착하였으며, 전원공급부에서 직류 전원을 공급하여 전류가 200mA로 지속적으로 유지하도록 하였다. 이 때 질산성 질소를 저농도를 음극부로 지속해서 주입하였다.Anaerobic sludge was taken from the Seoul Gravity Sewage Treatment Plant to form a microbial membrane in the negative electrode, and concentrated and cultured on the negative electrode for about 60 days. The DC power was supplied from the power supply to maintain the current at 200 mA. At this time, nitrate nitrogen was continuously injected at low concentration into the cathode portion.

생물 반응기(10)의 온도는 25-30℃ 정도로 유지시켰다. 생물반응기(10)에 사용된 배지는 K2HPO4 6.8 g/l, KH2PO4 8.7 g/l, NaHCO3 2.0 g/l, trace element solution 1 ml 로 구성되어 있다. Trace element solution은 MgSO4·7H2O 10.0 g/l, ZnSO4·7H2O 2.2 g/l, CaCl2·2H2O 7.3 g/l, MnCl2·4H2O 2.5 g/l, CoCl4·6H2O 0.5 g/l, FeSO4·7H2O 5.0 g/l, CuSO4·5H2O 0.2 g/l로 구성되어 있다. The temperature of the bioreactor 10 was maintained at about 25-30 ℃. The medium used for the bioreactor 10 consists of 6.8 g / l K 2 HPO 4 , 8.7 g / l KH 2 PO 4 , 2.0 g / l NaHCO 3 , and 1 ml of trace element solution. Trace element solution is MgSO 4 7H 2 O 10.0 g / l, ZnSO 4 7H 2 O 2.2 g / l, CaCl 2 2H 2 O 7.3 g / l, MnCl 2 4H 2 O 2.5 g / l, CoCl 4 6H is composed of 2 O 0.5 g / l, FeSO 4 · 7H 2 O 5.0 g / l, CuSO 4 · 5H 2 O 0.2 g / l.

2. 음극 전극에 2. cathode electrode 농화배양된Thickened 생물막Biofilm 확인 Confirm

도 2에 도시된 바를 참조하면, 음극 전극에 농화배양된 생물막을 확인하기 위해 미생물 첨가전 음극 전극(도 2의 B. 대조구, 흑연펠트 전극 표면)과 미생물을 첨가하여 배양한 뒤의 음극 전극(도 2의 A. 농화배양하여 미생물 막을 입힌 것)을 취하여 1% glutaldehyde/formaldehyde에 고정시킨 후 Scanning electron microscope (SEM)을 이용하여 생물막을 확인하였다(Bond and Lovley [16]).Referring to FIG. 2, the cathode electrode (B. control, graphite felt electrode surface of FIG. 2) before the addition of microorganisms and the cathode electrode after incubation by adding microorganisms to confirm the biofilm enriched in the cathode electrode ( A. enrichment culture of FIG. 2 coated with a microbial membrane) was taken and fixed in 1% glutaldehyde / formaldehyde, and the biofilm was confirmed using a scanning electron microscope (SEM) (Bond and Lovley [16]).

3. 3. 탈질에To denitrification 의한 산화환원 전위의 변화 Change in redox potential

도 3에 도시된 그래프와 같이 탈질에 의한 산화환원 전위를 측정하기 위해 Ag/AgCl/(3.3M) KCl 전극을 이용하였다. 도시된 바와 같이, 질산성 질소 70 mg NO3 --N/l을 생물반응기(10)를 이용하여 환원시켰을 때 산화환원전위(Oxidation reduction potential, ORP)는 -89.67 mV에서 -260.67 mV로 감소하는 경향을 보였다. 이는 산화환원전위가 질산성 질소의 환원으로 인해 그 값이 변화됨을 알 수 있 었다. 또한 pH 값도 질산성 질소가 환원으로 증가하였음을 알 수 있었다.Ag / AgCl / (3.3M) KCl electrode was used to measure the redox potential by denitrification as shown in the graph shown in FIG. 3. As shown, the oxidation reduction potential (ORP) decreases from -89.67 mV to -260.67 mV when nitrate nitrogen 70 mg NO 3 -- N / l is reduced using the bioreactor (10). Showed a tendency. It can be seen that the redox potential is changed due to the reduction of nitrate nitrogen. In addition, the pH value was found to increase the nitrate nitrogen by reduction.

4. 전자를 이용한 생물반응기의 탈질 반응4. Denitrification of Bioreactors Using Electrons

도 4에 도시된 바와 같이, 전기활성을 갖는 미생물의 최적 적정 전류를 찾기 위해 전류의 값을 변화시키면서 탈질 정도를 확인하였다. 전류는 10 mA부터 500 mA까지 5 mA씩 변화시키면서 전류에 대한 탈질 정도를 확인하였다. 전류를 200 mA까지 증가시켰을 때 탈질은 약 98%정도 이루어졌지만 200 mA를 넘어갔을 때는 오히려 감소하는 경향을 보였다. 도시된 바에 의해 확인되듯이, 전류를 10 mA 내지 400 mA 로 흘렸을 때 80% 이상의 탈질 효과를 볼 수 있었다. Bond and Lovley 논문에서는 100 mA의 정전류를 흘려주었을 때 생산되는 수소의 양이 같은 전류시 환원되는 질소의 양과 비교했을 때 1000배나 부족했으며 본 실험에서도 200 mA에서 생산되는 수소의 양과 질산성 질소의 환원량을 계산했을 때 100배 이상의 차이를 보였다. 따라서 이것은 수소에 의한 탈질이 아니라 생물전기화학적 방법에 의해 생성된 전자에 의한 생물반응이라 할 수 있다.As shown in Figure 4, the degree of denitrification was checked while changing the value of the current in order to find the optimum optimum current of the microorganism having the electrical activity. The current was changed in 5 mA steps from 10 mA to 500 mA to determine the degree of denitrification to the current. When the current was increased to 200 mA, denitrification was about 98%, but when the current exceeded 200 mA, it tended to decrease. As can be seen, when the current flowed from 10 mA to 400 mA, more than 80% of the denitrification effect was seen. In the Bond and Lovley paper, the amount of hydrogen produced at a constant current of 100 mA was 1000 times shorter than the amount of nitrogen reduced at the same current. In this experiment, the amount of hydrogen produced at 200 mA and the reduction of nitrate nitrogen were also reduced. When the amount was calculated, the difference was more than 100 times. Therefore, this is not a denitrification by hydrogen, but a bioreaction by electrons generated by bioelectrochemical methods.

5. 고농도 질산성 질소의 환원5. Reduction of high concentration nitrate nitrogen

도 5에 도시된 바와 같이, 생물반응기에 의한 고농도 질산성 질소의 환원을 확인하기 위해 여러 가지 다양한 농도에서 질산성 질소의 농도를 확인하였다. 질산성 질소의 농도는 20 - 492 mg NO3 --N/l로 다양하게 변화시켰으며 각 농도별 질산성 질소의 변화와 아질산성 질소의 변화를 관찰하였다. 초기 질산성질소의 농도가 증가할수록 환원율도 같이 증가하였으며 아질산성 질소의 생성농도도 증가하였으나 질산성 질소의 환원에 영향을 미치지는 않았다. 기존의 다른 독립영양 탈질 실험들은 거의 저농도 (50 mg NO3 --N/l)에서 실험되었지만 (6, 20, 21, 22) 본 실험에서는 약 500 mg NO3 --N/l 정도의 고농도로 실험했을 때도 거의 질산성 질소가 환원되었다. Monad kinetic model을 이용하여 얻어진 최대 질산성 질소 환원율을 0.17 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day이였다. 이 값은 생물막 반응기를 이용한 기존에 연구된 다른 독립영양 탈질 반응에서 얻어진 최대 환원율과 비교하였다. Kurt et al. [20]의 경우 최대 질산성 질소 환원율은 0.031 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day, Liessens et al. [25]의 경우는 0.023 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day, MacDonald [26]의 경우는 0.083 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day. Sakakibara and Kuroda [9]의 경우는 0.038 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day 이며 Gregory et al. [11] 의 경우는 0.13 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day. 본 생물막을 이용한 실험에서 얻어진 최대 질산성 질소의 환원율이 다른 기존에 연구된 것보다 월등히 뛰어났다.As shown in Figure 5, to confirm the reduction of high concentration nitrate nitrogen by the bioreactor was confirmed the concentration of nitrate nitrogen at various concentrations. The concentration of nitrate nitrogen was varied from 20-492 mg NO 3 -- N / l and the changes of nitrate nitrogen and nitrite nitrogen were observed at each concentration. As the initial concentration of nitrate increased, the reduction rate also increased. The nitrite nitrogen production concentration also increased, but it did not affect the reduction of nitrate nitrogen. While other autotrophic denitrification experiments have been conducted at almost low concentrations (50 mg NO 3 -- N / l) (6, 20, 21, 22), in this experiment high concentrations of about 500 mg NO 3 -- N / l Almost nitrate nitrogen was reduced even in the experiment. The maximum nitrate nitrogen reduction rate obtained using the Monad kinetic model was 0.17 mg NO 3 -- N / cm 2 (biofilm surface area) / day. This value was compared with the maximum reduction rate obtained from other autotrophic denitrification reactions previously studied using biofilm reactors. Kurt et al. For [20], the maximum rate of nitrate nitrogen reduction was 0.031 mg NO 3 -- N / cm 2 (biofilm surface area) / day, Liessens et al. 0.023 mg NO 3 -N / cm 2 (biofilm surface area) / day for [25], 0.083 mg NO 3 -N / cm 2 (biofilm surface area) / day for MacDonald [26]. For Sakakibara and Kuroda [9], 0.038 mg NO 3 -- N / cm 2 (biofilm surface area) / day and Gregory et al. [11] for 0.13 mg NO 3 -N / cm 2 (biofilm surface area) / day. The reduction rate of the maximum nitrate nitrogen obtained in the experiments using the biofilm was much better than that of other studies.

이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 범위가 설명된 예에만 국한되는 것은 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진자 즉 당업자라면 개시된 내용을 기초로 해당 기술분야의 통상의 지식을 응용하여 다양한 변형과 수정이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 예에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위에 의해서 해석되어야 할 것임을 지적해둔다.The present invention has been described above with reference to specific embodiments, but the scope of the present invention is not limited to the described examples, and those skilled in the art, that is, those skilled in the art based on the disclosed contents Various modifications and changes are possible by applying common knowledge. Therefore, it is pointed out that the scope of the present invention should be interpreted not by the examples described, but by the appended claims.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 생물전기화학적 방법을 이용한 생물반응기를 이용했을 때 기존에 많이 연구되었던 종속영양탈질 방법에서 제기된 이차적 오염문제를 해결할 수 있는 장점이 있다. 또한 기존의 독립영양 탈질 방법이 저농도 탈질에만 이용 가능하였지만 본 생물반응기를 이용하여 저농도의 음용수내의 질소 제거뿐만 아니라 생활하수 및 여러 산업폐수에 포함되어 있는 고농도 질소도 제거 가능하다는 효과를 제공한다.As described above, according to the present invention, when using a bioreactor using a bioelectrochemical method, there is an advantage that can solve the secondary pollution problem raised in the heterotrophic denitrification method that has been studied a lot. In addition, although the existing autotrophic denitrification method was available only for low concentration denitrification, this bioreactor provides the effect of removing nitrogen in low concentration drinking water as well as high concentration nitrogen contained in domestic sewage and various industrial wastewater.

Claims (3)

삭제delete 생물전기화학 시스템(10)을 이용하는 탈질 방법으로서, 물에 녹아있는 질산성 질소 성분을 담고 있는 하우징 내부 공간을 양이온 선택성 분리막(14)으로 2개의 공간 즉 양극부와 음극부로 분리시키고, 상기 양극부 내에 불용성 양극 전극(12)을 설치하며, 상기 음극부에는 혐기성 미생물막을 부착시킨 탄소계 음극 전극(16)을 설치하며, 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에서 DC 전원공급부(18)를 통해 직류 전류를 공급하도록 구성된 생물전기화학 시스템(10)을 이용하여, 상기 음극부 공간이 혐기성 환경을 유지되게 하면서, 상기 DC 전원공급부(18)에서 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에 10 mA 내지 400 mA의 일정한 직류 전류를 공급하는 것을 특징으로 하며,As a denitrification method using the bioelectrochemical system 10, a space inside a housing containing nitrate nitrogen dissolved in water is separated into two spaces, that is, an anode portion and a cathode portion, by a cation selective separator 14, and the anode portion An insoluble anode electrode 12 is provided in the inside, and a carbon-based cathode electrode 16 to which an anaerobic microbial film is attached to the cathode portion is disposed between the anode electrode 12 and the cathode electrode 16. 18, the anode electrode 12 and the cathode at the DC power supply 18, while maintaining the anaerobic environment, using the bioelectrochemical system 10 configured to supply a direct current through It is characterized by supplying a constant direct current of 10 mA to 400 mA between the electrodes 16, 상기 양극 전극(12)은 불용성 Ag/AgCl로 이루어진 얇은 플레이트형의 전극이며 3.3M KCl 수용액에 담겨있고, 상기 음극 전극(16)은 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이트형 전극인 것을 특징으로 하는, 생물전기화학 시스템을 이용하는 탈질 방법.The anode electrode 12 is a thin plate-shaped electrode made of insoluble Ag / AgCl and contained in a 3.3M KCl aqueous solution, and the cathode electrode 16 is characterized in that the thin plate-type electrode mainly composed of graphite felt, Denitrification using bioelectrochemical systems. 제 2 항에 있어서, 상기 흑연 펠트로 이루어진 얇은 플레이트형 음극 전극(16)의 적어도 일면에는 폐수에서 유래하는 혐기성 슬러지로부터 채취된 미생물을 배양시켜 형성한 혐기성 미생물 막이 덮혀 있는 것을 특징으로 하는, 생물전기화학 시스템을 이용하는 탈질 방법.3. The bioelectrochemical method according to claim 2, wherein at least one surface of the thin plate-shaped cathode electrode 16 made of graphite felt is covered with an anaerobic microbial membrane formed by culturing microorganisms collected from anaerobic sludge derived from wastewater. Denitrification method using the system.
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