KR101991991B1 - Dual-chamber type bioelectrochemical apparatus for removing arsenic and nitrogen compounds and the method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질소 및 비소의 동시제거가 가능한 이실형(dual chamber-type) 생물전기화학적 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화 전극부에서는 지하수 내의 독성이 강한 3가 비소를 상대적으로 독성이 약하고 흡착으로 쉽게 제거할 수 있는 5가 비소의 형태로 산화시키고, 환원 전극부에서는 지하수 내의 질산 이온을 탈질화하는 이실형 생물전기화학적 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이실형 생물전기화학적 장치는 일반적으로 분리막으로 사용되는 수소이온 교환막 대신 양극성 막을 분리막으로서 사용함으로써 질산성 질소의 투과 현상 없이 3가 비소의 산화와 질산성 질소의 환원을 동시에 수행할 수 있으며, 낮은 외부전위 공급으로 인한 전자전달 미생물의 자발적인 반응을 이용하기 때문에 타기술에 비해 경제적이고 친환경적이며, 전위공급방법에 있어서 산화전극에 전위를 공급하고, 비소 산화에 특정 우점화균을 포함하는 혼합균주를 이용함으로써 종래 방법에 비해 더욱 높은 효율로 3가 비소의 산화와 질산성 질소의 환원을 동시에 수행할 수 있다는 장점이 있다.The present invention relates to a dual chamber-type bio-electrochemical device capable of simultaneous removal of nitrogen and arsenic, and more particularly, to a method and apparatus for removing toxic ternary arsenic The present invention relates to a biodegradable biochemical electrochemical device for oxidizing nitric acid ions in groundwater in the form of pentavalent arsenic which is weak and easily removable by adsorption. The biodegradable bio-electrochemical device according to the present invention can generally perform oxidation of trivalent arsenic and reduction of nitrate nitrogen without permeation of nitrate nitrogen by using a bipolar membrane as a separator instead of a hydrogen ion exchange membrane used as a separator It is economical and eco-friendly compared to other technologies because it utilizes the spontaneous reaction of electron transfer microorganisms due to low external potential supply. It supplies electric potential to the oxidized electrode in the potential supply method, The use of the mixed strains has the advantage that oxidation of trivalent arsenic and reduction of nitrate nitrogen can be performed simultaneously with higher efficiency than the conventional method.

Description

비소 및 질소의 제거를 위한 이실형 생물전기화학적 장치 및 그 방법{DUAL-CHAMBER TYPE BIOELECTROCHEMICAL APPARATUS FOR REMOVING ARSENIC AND NITROGEN COMPOUNDS AND THE METHOD}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a biosynthetic bioelectrochemical device for removing arsenic and nitrogen, and a method thereof. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 질소 및 비소의 제거가 가능한 이실형(dual chamber-type) 생물전기화학적 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화전극부에서는 지하수 내의 독성이 강한 3가 비소를 상대적으로 독성이 약하고 흡착으로 쉽게 제거할 수 있는 5가 비소의 형태로 산화시키고, 환원전극부에서는 지하수 내의 질산 이온을 탈질화하는 이실형 생물전기화학적 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dual chamber-type bioelectrochemical device capable of removing nitrogen and arsenic, and more particularly, to a method and apparatus for removing toxic trivalent arsenic from groundwater, The present invention relates to a biodegradable biochemical electrochemical device for oxidizing nitric acid ions in groundwater in a form of pentavalent arsenic which is weak and easily removable by adsorption.

도시화 및 산업화로 인해 다양한 산화된 형태의 유해화학물질(질산성 질소, 중금속 등)에 의한 오염이 증가하고 있다. 환경부의 2013년 지하수 수질측정망 운영결과를 살펴보면, 총 6,073개 지하수 시료 중 8%인 484개가 수질기준을 초과한 것으로 나타났다. 지하수 오염은 질산성 질소와 같은 일반오염물질(84.8%)이 대부분을 차지하고 있지만, 특정유해물질에 의한 오염(15.2%), 특히 비소에 의한 오염(6.3%)이 심각한 실정이다. 이에 따라 보다 효율적이고 안정적으로 이를 제거할 수 있는 처리기술 개발이 시급하다.Due to urbanization and industrialization, contamination by various oxidized forms of toxic chemicals (nitrate nitrogen, heavy metals, etc.) is increasing. According to the Ministry of Environment 's operation of the groundwater quality monitoring network in 2013, 8,4% of 6,073 groundwater samples exceeded the water quality standards. Groundwater contamination is mostly caused by general pollutants such as nitrate nitrogen (84.8%), but contamination by specific hazardous substances (15.2%), especially arsenic contamination (6.3%) is serious. Accordingly, it is in urgent need to develop a treatment technique capable of eliminating it more efficiently and stably.

기존의 지하수 복원에는 물리/화학적, 전기투석법, 이온교환법, 생물학적 방법 등 다양한 기술들이 이용되었으나, 물리/화학적, 전기투석법의 경우, 2차처리가 필요하거나 많은 양의 슬러지를 발생시킬 수 있다는 문제점이 있다. 또한 생물학적 방법의 경우, 메탄올, 락테이트, 아세테이트 등 다양한 유기물들이 전자공여체로 사용될 수 있기 때문에 유기물을 이용하는 다른 종속영양균들과 경쟁이 발생할 수 있고, 다양한 발효산물들은 2차 오염물질이 될 수 있으며, 지하수의 흐름을 방해하는 것으로 알려져 있다.Various techniques such as physical / chemical, electrodialysis, ion exchange, and biological methods have been used for restoration of groundwater. However, in the case of physical / chemical and electrodialysis, secondary treatment is required or a large amount of sludge There is a problem. In the case of biological methods, various organic substances such as methanol, lactate, and acetate can be used as electron donors, so that competition with other heterotrophic bacteria using organic substances may occur, and various fermentation products may be secondary pollutants , Which is known to interfere with groundwater flow.

한편, 생물전기화학장치는 전극에서 발생되는 전자에 의해 산화환원물질을 환원시키고 이들을 인위적인 전자공여체로 사용하거나 환원전극을 전자공여체로 사용해서 생물의 혐기성 호흡을 지원할 수 있다. 생물전기화학장치는 비교적 저렴한 비용으로 지하수 내의 오염물질을 제거할 수 있는 기술이다. 또한 유지관리의 어려움, 2차 오염문제 발생, 고가의 처리비용, 미생물 유지의 어려움 등 여러 가지 문제점을 가지고 있는 기존의 지하수 정화 방법에 비해 콤팩트한 시설, 적은 에너지 투입(저비용)만으로도 효율적으로 오염물질 제거가 가능하다.On the other hand, bioelectrochemical devices can support the anaerobic respiration of organisms by reducing the redox substances by the electrons generated from the electrodes and using them as artificial electron donors or using the reduction electrodes as electron donors. Bioelectrochemical devices are technologies that can remove pollutants from groundwater at relatively low cost. Compared with conventional groundwater purification methods, which have various problems such as maintenance difficulties, secondary pollution problems, expensive treatment costs, and difficulties in maintaining microorganisms, the use of a compact facility and a low energy input (low cost) Removal is possible.

종래 생물전기화학장치를 이용한 오염물질 제거 방법으로는 대한민국 공개특허 제2012-0045372호에 질산성 질소 및 유기염소화합물의 제거를 위한 생물전기화학적 오염물질 제거장치가 개시되어 있고, 대한민국 등록특허 제1176437호에는 암모니아 및 유기물의 동시제거를 위한 생물전기화학적 폐수처리 장치 및 이를 이용한 폐수처리 방법, 대한민국 등록특허 제1267541호에는 유기성 질소 및 유기물의 동시제거를 위한 생물전기화학적 폐수처리 장치 및 이를 이용한 폐수처리 방법이 개시되어 있다.Conventionally, Korean Patent Publication No. 2012-0045372 discloses a bio-electrochemical contaminant removal apparatus for removing nitrate nitrogen and organic chlorine compounds as a conventional method for removing contaminants using bioelectrochemical devices. Korean Patent No. 1176437 The present invention relates to a biological electrochemical wastewater treatment apparatus for simultaneous removal of ammonia and organic matter and a wastewater treatment method using the same, Korean Patent Registration No. 1267541 discloses a biological electrochemical wastewater treatment apparatus for simultaneous removal of organic nitrogen and organic matter, Method is disclosed.

하지만, 지하수 환경에 적용한 기존의 생물전기화학장치는 대부분 질산성 질소 및 유기염소화합물 제거에만 초점을 맞추었고, 비소 등 중금속 오염물질을 제거하기 위한 장치는 극히 드물며, 특히, 질산성 질소와 비소를 동시에 제거하는 생물전기화학장치는 전무한 실정이다.However, the existing bioelectrochemical devices applied to the groundwater environment focus mostly on the removal of nitrate nitrogen and organic chlorine compounds, and devices for removing heavy metal contaminants such as arsenic are extremely rare, especially nitrate nitrogen and arsenic There is no biochemical device to remove at the same time.

이에, 본 발명자들은 지하수 내의 질산성 질소와 비소를 효과적으로 제거할 수 있는 방법에 대한 연구를 거듭한 결과, 양극성 막(bipolar membrane)을 분리막으로 사용한 이실형 생물전기화학적 장치에서 특정 우점화균을 포함하는 혼합균주를 식종원으로 사용하고 산화전극에 전위를 공급할 때, 산화전극부에서 높은 효율로 독성이 높은 3가 비소를 독성이 낮은 5가 비소로 산화시키고, 환원전극부에서 질산성 질소를 높은 효율로 탈질화함으로써, 이를 통해 질산성 질소와 비소를 동시에 제거할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.As a result, the inventors of the present invention have conducted extensive research on a method for effectively removing nitrate nitrogen and arsenic in ground water. As a result, it has been found that the use of a bipolar membrane as a separator in a disposable bioelectrochemical device When arsenic is highly toxic and highly toxic, it is oxidized to pentavalent arsenic, which is low in toxicity, and the nitrate nitrogen is high in the reducing electrode part. Denitrification efficiency, and it is confirmed that nitrate nitrogen and arsenic can be removed at the same time, thereby completing the present invention.

일본특허 2009-241049Japanese Patent 2009-241049

따라서, 본 발명의 목적은 비소 및 질소를 동시에 제거할 수 있는 이실형 생물전기화학적 장치를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a discrete bioelectrochemical device capable of simultaneously removing arsenic and nitrogen.

또한 본 발명의 목적은 상기 이실형 생물전기화학적 장치를 이용한 처리수 내의 비소 및 질소의 동시 제거 방법을 제공하는데 있다.It is also an object of the present invention to provide a method for simultaneous removal of arsenic and nitrogen in treated water using the above-mentioned biotic electrochemical device.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, In order to achieve the above object,

중앙에 위치하는 양극성 막(bipolar membrane)에 의해 산화전극부 및 환원전극부로 구분되며, 상기 산화전극부는 산화전극을 포함하여 처리수를 공급받아 전기활성 비소 산화 관련 미생물에 의해 처리수 내의 3가 비소를 5가 비소로 산화시키고, 상기 환원전극부는 기준전극 및 환원전극을 포함하여 처리수를 공급받아 전기활성 탈질화 미생물에 의해 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 탈질화시키는 이실형(dual chamber-type) 반응기; 및The oxidized electrode part includes an oxidized electrode and is supplied with the treated water. The electrolyzed arsenic-oxidizing microorganism treats the oxidized electrode part and the reduced electrode part by the bipolar membrane located at the center, And the reducing electrode unit includes a reference electrode and a reducing electrode. The reducing electrode unit is a dual chamber-type unit which is supplied with treated water and denitrifies nitrate nitrogen into nitrogen gas by an electroactive denitrifying microorganism, ) Reactor; And

상기 기준 전극과 상기 산화전극 또는 환원전극 간에 일정한 전위를 제어하기 위하여 전원공급장치 및 도선으로 이루어진 전위 제어부;A potential control unit comprising a power supply unit and a lead to control a constant potential between the reference electrode and the oxidation electrode or the reduction electrode;

를 포함하는 처리수 내의 비소 및 질소를 동시에 제거할 수 있는 이실형 생물전기화학적 오염물질 제거장치를 제공한다.Which can remove arsenic and nitrogen in the treatment water simultaneously.

더욱 바람직하게는, 상기 전기활성 비소 산화 관련 미생물은 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacteria) 및 베타프로테오박테리아(Betaproteobacteria)를 우점화균으로 하는 혼합균주일 수 있다.More preferably, the electroactive arsenic oxidation-related microorganism may be a mixed strain comprising Alphaproteobacteria and Betaproteobacteria as the right firing bacteria.

더욱 바람직하게는, 상기 전위 제어부는 산화전극에 전위를 공급하되, 상기 기준 전극과 상기 산화전극의 전위차를 +0.5 V로 유지 할 수 있다.More preferably, the potential control unit supplies a potential to the oxidizing electrode, and maintains the potential difference between the reference electrode and the oxidizing electrode at +0.5 V can do.

또한, 본 발명은 이실형 생물전기화학적 오염물질 제거장치를 이용한 처리수 내의 비소 및 질소의 동시 제거 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for simultaneous removal of arsenic and nitrogen in treated water using an apparatus for removing biotic electrochemical contaminants.

더욱 바람직하게는, 상기 방법은 반응기의 유입구로 처리수를 주입하고 반응기에 전위를 공급하는 제 1 단계; 제 1 단계에서 주입된 처리수 내의 3가 비소는 반응기의 산화전극부에서 전기활성 비소 산화 관련 미생물에 의해 5가 비소로 산화되고, 이때 발생한 전자와 수소이온은 각각 외부의 도선과 양극성 막을 따라서 환원전극부로 이동하며, 이와 동시에 환원전극부 내에서 전기활성 탈질화 미생물에 의해 질산성 질소가 질소가스로 환원되어 질소가 제거되는 제 2 단계를 포함한다.More preferably, the method comprises: a first step of injecting treatment water into the inlet of the reactor and supplying a potential to the reactor; The trivalent arsenic in the treated water injected in the first step is oxidized to the pentavalent arsenic by the electroactive arsenic oxidation-related microorganisms in the oxidation electrode portion of the reactor, and the generated electrons and hydrogen ions are reduced And a second step in which the nitrate is reduced by the electroactive denitrifying microorganism in the reducing electrode unit to nitrogen gas to remove nitrogen.

더욱 바람직하게는, 상기 방법은 제 2 단계에서 산화된 5가 비소를 흡착제를 이용하여 흡착하여 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.More preferably, the method may further comprise the step of adsorbing and removing the oxidized pentavalent arsenic using an adsorbent in the second step.

더욱 바람직하게는, 상기 전기활성 비소 산화 관련 미생물은 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacteria) 및 베타프로테오박테리아(Betaproteobacteria)를 우점화균으로 하는 혼합균주일 수 있다.More preferably, the electroactive arsenic oxidation-related microorganism may be a mixed strain comprising Alphaproteobacteria and Betaproteobacteria as the right firing bacteria.

더욱 바람직하게는, 상기 전위의 공급은 산화전극에 전위를 공급하되, 기준 전극과 산화전극의 전위차를 +0.5 V로 유지시킬 수 있다.More preferably, the supply of the potential can supply a potential to the oxidized electrode, while maintaining the potential difference between the reference electrode and the oxidized electrode at +0.5 V.

본 발명에 따른 이실형 생물전기화학적 장치는 일반적으로 분리막으로 사용되는 수소이온 교환막 대신 양극성 막을 분리막으로서 사용함으로써 질산성 질소의 투과 현상 없이 3가 비소의 산화와 질산성 질소의 환원을 동시에 수행할 수 있으며, 낮은 외부전위 공급으로 인한 전자전달 미생물의 자발적인 반응을 이용하기 때문에 타기술에 비해 경제적이고 친환경적이며, 전위공급방법에 있어서 산화전극에 전위를 공급하고, 비소 산화에 특정 우점화균을 포함하는 혼합균주를 이용함으로써 종래 방법에 비해 더욱 높은 효율로 3가 비소의 산화와 질산성 질소의 환원을 동시에 수행할 수 있다는 장점이 있다.The biodegradable bio-electrochemical device according to the present invention can generally perform oxidation of trivalent arsenic and reduction of nitrate nitrogen without permeation of nitrate nitrogen by using a bipolar membrane as a separator instead of a hydrogen ion exchange membrane used as a separator It is economical and eco-friendly compared to other technologies because it utilizes the spontaneous reaction of electron transfer microorganisms due to low external potential supply. It supplies electric potential to the oxidized electrode in the potential supply method, The use of the mixed strains has the advantage that oxidation of trivalent arsenic and reduction of nitrate nitrogen can be performed simultaneously with higher efficiency than the conventional method.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이실형 생물전기화학적 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 이실형 생물전기화학적 장치에서 일어나는 3가 비소의 산화 및 질산성 질소의 환원 반응에 대한 모식도이다.
도 3a은 본 발명의 일 실험예에 따른 이실형 생물전기화학적 장치 내에서 일정전위기를 이용하여 +0.5 V의 전위를 산화전극부에 공급하는 조건에서의 3가 비소 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실험예에 따른 이실형 생물전기화학적 장치 내에서 일정전위기를 이용하여 +0.5 V의 전위를 산화전극부에 공급하는 조건에서의 질산성 질소 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 본 발명의 일 실험예에 따른 이실형 생물전기화학적 장치 내에서 일정전위기를 이용하여 +0.5 V의 전위를 산화전극부에 공급한 조건에서의 산화전극 및 환원전극의 전위 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일 실험예에 따른 이실형 생물전기화학적 장치 내에서 파워서플라이를 이용하여 1.0 V의 전위를 공급하는 조건에서의 3가 비소 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일 실험예에 따른 이실형 생물전기화학적 장치 내에서 파워서플라이를 이용하여 1.0 V의 전위를 공급하는 조건에서의 질산성 질소 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4c는 본 발명의 일 실험예에 따른 이실형 생물전기화학적 장치 내에서 파워서플라이를 이용하여 1.0 V의 전위를 공급하는 조건에서의 산화전극 및 환원전극의 전위 변화를 나타내는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram of a discrete bioelectrochemical device according to an embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram of oxidation of trivalent arsenic and reduction of nitrate nitrogen occurring in the discrete biochemical apparatus of the present invention. FIG.
FIG. 3A is a graph showing a change in trivalent arsenic concentration under a condition that a potential of +0.5 V is supplied to an oxidized electrode portion using a constant electric field in a discrete bioelectrochemical device according to an experimental example of the present invention. FIG.
FIG. 3B is a graph showing a change in nitrate nitrogen concentration under a condition that a potential of +0.5 V is supplied to the oxidized electrode portion using a constant electric field in a discrete bioelectrochemical device according to an experimental example of the present invention. FIG.
FIG. 3c is a graph showing changes in the potentials of the oxidizing electrode and the reducing electrode under the condition that a potential of +0.5 V is supplied to the oxidizing electrode portion using a constant electric field in a disposable bioelectrochemical device according to an experimental example of the present invention Graph.
FIG. 4A is a graph showing a change in trivalent arsenic concentration under a condition of supplying a potential of 1.0 V using a power supply in a disposable bioelectrochemical device according to an experimental example of the present invention. FIG.
FIG. 4B is a graph showing changes in nitrate nitrogen concentration under a condition of supplying a potential of 1.0 V using a power supply in a disposable bioelectrochemical device according to an experimental example of the present invention. FIG.
FIG. 4C is a graph showing the potential change of the oxidizing electrode and the reducing electrode under the condition of supplying a potential of 1.0 V using a power supply in a disposable bioelectrochemical apparatus according to an experimental example of the present invention. FIG.

이하에서 본 발명의 실시예에 따른 이실형 생물전기화학적 장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a discrete bioelectrochemical device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 질소 및 비소의 동시제거가 가능한 이실형 생물전기화학적 장치를 제공한다.The present invention provides a discrete biochemical electrochemical device capable of simultaneous removal of nitrogen and arsenic.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이실형 생물전기화학적 장치의 모식도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram of a discrete bioelectrochemical device according to an embodiment of the present invention; FIG.

본 발명의 오염물질 제거 장치는 중앙에 위치하는 양극성 막(bipolar membrane)(30)에 의해 산화전극부(40) 및 환원전극부(50)로 구분되며, 상기 산화전극부(40)는 산화전극(41)을 포함하며 처리수를 공급받아 전기활성 비소 산화 관련 미생물에 의해 처리수 내의 3가 비소를 5가 비소로 산화시키고, 상기 환원전극부는 기준 전극(42) 및 환원전극(51)을 포함하며 처리수를 공급받아 전기활성 탈질화 미생물에 의해 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 탈질화시키는 이실형(dual chamber-type) 반응기; 및 상기 기준 전극과 상기 산화전극 또는 환원전극 간에 일정한 전위를 제어하기 위하여 전원공급장치(10) 및 도선(20)으로 이루어진 전위 제어부를 포함한다.The apparatus for removing contaminants according to the present invention is divided into an oxidation electrode unit 40 and a reduction electrode unit 50 by a bipolar membrane 30 located at the center, (41), and is supplied with treated water to oxidize trivalent arsenic in the treated water by the electroactive arsenic oxidation-related microorganisms into pentavalent arsenic, and the reduction electrode unit includes a reference electrode (42) and a reduction electrode A dual chamber-type reactor for supplying treated water and denitrifying nitrate nitrogen into nitrogen gas by an electroactive denitrifying microorganism; And a potential control unit comprising a power supply unit 10 and a lead 20 for controlling a constant potential between the reference electrode and the oxidation electrode or the reduction electrode.

상기 장치는 반응기 내에서 원활한 반응을 유도하기 위한 마그네틱 바(60)와 시료 채취를 위한 샘플링 포트(70)를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a magnetic bar 60 for inducing a smooth reaction in the reactor and a sampling port 70 for sampling.

본 발명의 이실형 생물전기화학적 장치 내의 비소 및 질소 제거 메카니즘은 다음과 같다.The arsenic and nitrogen removal mechanism in the discrete biochemical apparatus of the present invention is as follows.

도 2는 본 발명에 따른 이실형 생물전기화학적 장치 내부에서 일어나는 비소 산화 및 질소 환원 현상의 모식도를 나타내는 것이다.FIG. 2 is a schematic view of the phenomenon of arsenic oxidation and nitrogen reduction occurring in a discrete bioelectrochemical device according to the present invention.

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 생물전기화학 장치에서 처리수는 산화전극부(10)의 유입구(미도시)를 통해 주입되며, 산화전극부(40) 내 설치된 산화전극(41)에 부착 또는 부유 성장하고 있는 전기활성 비소 산화 관련 미생물에 의해 효과적으로 처리수 내 3가 비소는 5가 비소로 산화되고, 처리된 처리수는 유출구(미도시)를 통해 배출되며, 상기 산화전극부(40)에서 발생한 전자와 수소이온은 각각 외부의 도선(20)과 양극성 막(30)을 따라서 환원전극부로 이동한다. 산화된 5가 비소는 3가 비소에 비해 상대적으로 독성과 이동성이 낮으며, 흡착으로 쉽게 제거할 수 있다.2, the treated water is injected through an inlet (not shown) of the oxidized electrode unit 10 and attached to the oxidized electrode 41 provided in the oxidized electrode unit 40, The treated trivalent arsenic is effectively oxidized to pentavalent arsenic by the growing electroactive arsenic oxidation-related microorganisms, and the treated water is discharged through an outlet (not shown) The electrons and the hydrogen ions move to the reduction electrode portion along the external lead wire 20 and the bipolar membrane 30, respectively. Oxidized pentavalent arsenic has relatively low toxicity and mobility compared to trivalent arsenic and can be easily removed by adsorption.

이때, 상기 전기활성 비소 산화 관련 미생물은 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacteria) 및 베타프로테오박테리아(Betaproteobacteria)를 우점화균으로 하는 혼합균주를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 혼합균주를 사용할 때, 순수 단일균주(Klebsiella sp. JHW3) 또는 다른 우점화균을 사용하는 경우보다 약 1.4배~60배 높은 비소 산화율을 나타낼 수 있다(실험예 5 및 표 3, 4 참조).At this time, it is preferable that the electroactive arsenic oxidation-related microorganism is a mixed strain having Alphaproteobacteria and Betaproteobacteria as the right firing bacteria. When using the above-mentioned mixed strains, the arsenic oxidation rate can be about 1.4 to 60 times higher than that in the case of using a pure single strain ( Klebsiella sp. JHW3) or other right-sided fungus (see Experimental Example 5 and Tables 3 and 4) .

한편, 질산성 질소가 함유된 처리수는 환원전극부(50)의 유입구(미도시)를 통해 주입되며, 질산성 질소는 환원전극부(50) 내 환원전극(51)에 부착 또는 부유성장하고 있는 전기활성 탈질화 미생물의 최종 전자수용체로서 환원되어 처리되고, 처리된 처리수는 유출구(미도시)를 통해 배출된다.On the other hand, the treated water containing nitrate nitrogen is injected through the inlet (not shown) of the reducing electrode unit 50, and the nitrate nitrogen adheres to the reducing electrode 51 in the reducing electrode unit 50 or floats The treated water is reduced and treated as a final electron acceptor of the electroactive denitrifying microorganism, and the treated water is discharged through an outlet (not shown).

여기서 환원전극부로 이동한 수소이온이 환원전극부 내 탈질화 미생물의 전자공여체로 사용되기 위해서는 수소로 환원될 필요가 있으며, 1몰의 수소이온이 1몰의 수소로 환원되기 위해서는 0.2 ~ 0.3 V의 전원공급이 필요하게 되는데, 이는 기존의 생물전기화학시스템에 공급되는 전기공급량의 1/8에 해당하는 양으로서 에너지를 저감할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 처리의 대상으로만 여겨져 왔던 폐슬러지 내의 미생물을 이용하여 비소 및 질소 처리가 동시에 가능한 에너지 소비량이 적은 방법을 제공할 수 있게 되는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 생물전기화학적 장치를 사용하면 비소와 질산성 질소를 동시에 제거할 수 있다.Here, in order for the hydrogen ions migrating to the reduction electrode portion to be used as the electron donor of the denitrifying microorganisms in the reduction electrode portion, it is necessary to reduce the hydrogen to 1 mole of hydrogen ions, A power supply is required, which is equivalent to one eighth of the amount of electricity supplied to a conventional bioelectrochemical system, thereby reducing energy consumption. In addition, it is possible to provide a method of reducing energy consumption which can simultaneously treat arsenic and nitrogen using microorganisms in waste sludge, which have been regarded as objects of treatment. Therefore, using the bioelectrochemical device according to the present invention, arsenic and nitrate nitrogen can be simultaneously removed.

본 발명에서 사용하는 전기활성 탈질화 미생물은 무매개체 미생물연료전지(또는 생물연료전지) 및 생물전기화학 시스템 분야에서 사용되는 미생물이므로, 당업자에게는 잘 알려져 있으며, 농화 배양시키는 방법도 잘 알려져 있는 것으로 본 발명의 특징이 되지 않는다.The electroactive denitrifying microorganisms used in the present invention are well known to those skilled in the art because they are microorganisms used in the field of a non-mediated microbial fuel cell (or biofuel cell) and bioelectrochemical system. It is not a feature of the invention.

본 발명에서 상기 산화전극부(40)에 유입되는 처리수는 3가 비소를 함유한 하폐수 또는 지하수 등의 처리수이고, 상기 환원전극부(50)에 유입되는 처리수는 질산성 질소를 함유한 하폐수 또는 지하수 등의 처리수인 것이 바람직하다.In the present invention, the treated water flowing into the oxidation electrode unit 40 is treated water such as wastewater or ground water containing trivalent arsenic, and the treated water flowing into the reducing electrode unit 50 contains nitrate nitrogen Wastewater, ground water, or the like.

본 발명에서 상기 산화전극(41) 및 환원전극(51)은 탄소천(carbon paper) 또는 흑연봉(graphite rod)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the oxidizing electrode 41 and the reducing electrode 51 may be carbon paper or graphite rod, but the present invention is not limited thereto.

본 발명에서 양극성 막은 분리막으로서 사용되며, 환원전극부에서 산화전극부로의 질산성 질소의 투과 현상을 방지하여 전체적인 질산성 질소 제거율을 증가시키는 역할을 한다.In the present invention, the bipolar membrane is used as a separator and prevents permeation of nitrate nitrogen from the reducing electrode portion to the oxidizing electrode portion, thereby increasing the overall nitrate nitrogen removal rate.

본 발명에서 상기 전위의 공급은 산화전극에 전위를 공급하는 것이 바람직하다. 전위 공급을 산화전극에 할 경우, 환원전극에 공급하는 경우보다 질산성 질소 제거율이 높게 나왔으며(실험예 4 및 표 2 참조), 더불어 비소 산화율도 증가할 수 있다. 이때, 기준 전극과 산화전극의 전위차를 +0.5 V로 유지시키는 것이 바람직한데 이는 상기 범위를 벗어나는 경우에는 3가 비소의 생물전기화학적 산화 반응이 저해될 수 있다.In the present invention, it is preferable that the supply of the potential supplies a potential to the oxidizing electrode. In the case of supplying the potential to the oxidizing electrode, the nitrate nitrogen removal rate is higher than that in the case of supplying the oxidizing electrode to the reducing electrode (see Experimental Example 4 and Table 2), and the arsenic oxidation rate may also increase. At this time, it is preferable to maintain the potential difference between the reference electrode and the oxidation electrode at +0.5 V, which may inhibit the bioelectrochemical oxidation reaction of trivalent arsenic.

이때, 상기 전원공급장치(10)는 일정전위기(potentiostat) 또는 파워서플라이(power supply)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the power supply apparatus 10 may use a potentiostat or a power supply, but the present invention is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 이실형 생물전기화학적 장치를 이용한 처리수 내의 비소 및 질소의 동시 제거 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for simultaneous removal of arsenic and nitrogen in treated water using the above-mentioned two-dimensional bioelectrochemical device.

구체적으로, 본 발명에 따른 이실형 생물전기화학적 장치를 이용한 처리수 내의 비소 및 질소의 동시 제거 방법은,Specifically, a method for simultaneous removal of arsenic and nitrogen in treated water using a discrete bioelectrochemical device according to the present invention,

반응기의 유입구로 처리수를 주입하고 반응기에 전위를 공급하는 제 1 단계; 제 1 단계에서 주입된 처리수 내의 3가 비소는 반응기의 산화전극부에서 전기활성 비소 산화 관련 미생물에 의해 5가 비소로 산화되고, 이때 발생한 전자와 수소이온은 각각 외부의 도선과 양극성 막을 따라서 환원전극부로 이동하며, 이와 동시에 환원전극부 내에서 전기활성 탈질화 미생물에 의해 질산성 질소가 질소가스로 환원되어 질소가 제거되는 제 2 단계를 포함한다.A first step of injecting treatment water into an inlet of the reactor and supplying a potential to the reactor; The trivalent arsenic in the treated water injected in the first step is oxidized to the pentavalent arsenic by the electroactive arsenic oxidation-related microorganisms in the oxidation electrode portion of the reactor, and the generated electrons and hydrogen ions are reduced And a second step in which the nitrate is reduced by the electroactive denitrifying microorganism in the reducing electrode unit to nitrogen gas to remove nitrogen.

이때, 제 2 단계에서 산화된 5가 비소는 3가 비소에 비해 상대적으로 독성과 이동성이 낮으며, 흡착으로 쉽게 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 제 2 단계에서 산화된 5가 비소를 흡착제를 이용하여 흡착하여 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 흡착제는 상기 5가 비소를 흡착할 수 있는 흡착제이기만 하면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면, 당 업계에 공지된 흡착제를 사용할 수 있다.In this case, the pentavalent arsenic oxidized in the second step is relatively less toxic and mobile than the trivalent arsenic and can be easily removed by adsorption. Accordingly, the method according to the present invention may further comprise a step of adsorbing and removing the oxidized pentavalent arsenic using an adsorbent in the second step. At this time, the adsorbent can be used without limitation as long as it is an adsorbent capable of adsorbing the pentavalent arsenic. For example, an adsorbent known in the art can be used.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 전기활성 비소 산화 관련 미생물은 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacteria) 및 베타프로테오박테리아(Betaproteobacteria)를 우점화균으로 하는 혼합균주를 사용하는 것이 바람직한데, 상기 혼합균주를 사용할 때, 순수 단일균주(Klebsiella sp. JHW3) 또는 다른 우점화균을 사용하는 경우보다 약 1.4배~60배 높은 비소 산화율을 나타낼 수 있다.In the method according to the present invention, it is preferable that the electro-active arsenic oxidation-related microorganism uses a mixed strain comprising the alphaproteobacteria and the betaproteobacteria as the right-burner, When used, it can exhibit an arsenic oxidation rate of about 1.4 to 60 times higher than when using a pure single strain ( Klebsiella sp. JHW3) or other right fungus.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 전위의 공급은 산화전극에 전위를 공급하는 것이 바람직하다. 전위 공급을 산화전극에 할 경우, 환원전극에 공급하는 경우보다 질산성 질소 제거율이 높게 나왔으며, 더불어 비소 산화율도 증가할 수 있다. 이때, 기준 전극과 산화전극의 전위차를 +0.5 V로 유지시키는 것이 바람직한 바, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 3가 비소의 생물전기화학적 산화 반응이 저해될 수 있다.In the method according to the present invention, it is preferable that the supply of the potential supplies a potential to the oxidizing electrode. When the potential is supplied to the oxidizing electrode, the nitrate nitrogen removal rate is higher than that in the case of supplying it to the reducing electrode, and the arsenic oxidation rate may also increase. At this time, it is preferable to maintain the potential difference between the reference electrode and the oxidizing electrode at +0.5 V, and if it is outside the above range, the bioelectrochemical oxidation reaction of trivalent arsenic may be inhibited.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 산화전극부에 유입되는 처리수는 3가 비소를 함유한 하폐수 또는 지하수 등의 처리수이고, 상기 환원전극부에 유입되는 처리수는 질산성 질소를 함유한 하폐수 또는 지하수 등의 처리수인 것이 바람직하다.In the method according to the present invention, the treated water flowing into the oxidizing electrode portion is treated water such as wastewater or ground water containing trivalent arsenic, and the treated water flowing into the reducing electrode portion is wastewater containing nitrate nitrogen Or treated water such as ground water.

본 발명에 따른 이실형 생물전기화학적 장치는 일반적으로 분리막으로 사용되는 수소이온 교환막 대신 양극성 막을 분리막으로서 사용함으로써 질산성 질소의 투과 현상 없이 3가 비소의 산화와 질산성 질소의 환원을 동시에 수행할 수 있으며, 낮은 외부전위 공급으로 인한 전자전달 미생물의 자발적인 반응을 이용하기 때문에 타기술에 비해 경제적이고 친환경적이며, 전위공급방법에 있어서 산화전극에 전위를 공급하고, 비소 산화에 특정 우점화균을 포함하는 혼합균주를 이용함으로써 종래 방법에 비해 약 60배 이상의 높은 효율로 3가 비소를 산화시킬 수 있고, 동시에 질산성 질소의 환원을 수행할 수 있다는 장점이 있으므로, 종래 오염물질 제거 장치를 대신하여 유용하게 사용될 수 있다.The biodegradable bio-electrochemical device according to the present invention can generally perform oxidation of trivalent arsenic and reduction of nitrate nitrogen without permeation of nitrate nitrogen by using a bipolar membrane as a separator instead of a hydrogen ion exchange membrane used as a separator It is economical and eco-friendly compared to other technologies because it utilizes the spontaneous reaction of electron transfer microorganisms due to low external potential supply. It supplies electric potential to the oxidized electrode in the potential supply method, It is possible to oxidize trivalent arsenic at an efficiency of about 60 times or more as compared with the conventional method by using a mixed strain and at the same time to reduce nitrate nitrogen, Can be used.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are only the preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited by the following Examples.

<< 실시예Example 1>  1> 이실형A real type 생물전기화학적 장치의 제조 Manufacture of bioelectrochemical devices

도 1에 나타낸 바와 같이 산화전극부와 환원전극부가 분리된 이실형 생물전기화학적 장치를 제조하였다. 산화전극부 및 환원전극부의 부피는 각각 350 mL이었고, 산화전극 및 환원전극은 탄소천을 이용하여 2.5 × 5.0 cm의 크기로 제작되었다. 도선은 구리선을 이용하였으며, 기준전극은 Ag/AgCl 전극을 사용하였다. 분리막은 양극성 막(bipolar membrane)을 사용하였으며, 산화전극은 비소 오염 토양을, 환원전극은 활성슬러지를 각각 식종원으로 이용하였다. 주입되는 3가 비소의 농도는 80 mg/L, 질산성 질소의 농도는 50 mg/L이었으며, 모든 실험은 회분식으로 진행되었다. 여기서, 산화전극부의 8번의 회분식 반응 동안 환원전극부는 1번의 회분식 반응만 진행하였는데, 이는 질산성 질소의 환원속도가 3가 비소의 산화속도보다 느리기 때문이다.As shown in FIG. 1, a discrete bioelectrochemical device in which an oxidized electrode portion and a reduced electrode portion were separated was prepared. The volumes of the oxidized electrode and the reduced electrode were 350 mL respectively, and the oxidized electrode and the reduced electrode were fabricated to have a size of 2.5 × 5.0 cm using a carbon cloth. The lead wire was a copper wire and the reference electrode was an Ag / AgCl electrode. The bipolar membrane was used as the separation membrane, the arsenic - contaminated soil as the oxidation electrode, and the activated sludge as the reduction electrode. The concentration of trivalent arsenic introduced was 80 mg / L and the concentration of nitrate nitrogen was 50 mg / L. All experiments were carried out batchwise. Here, during the 8th batch reaction of the oxidized electrode portion, only one batch reaction of the reducing electrode portion proceeded, because the reduction rate of nitrate nitrogen is slower than the oxidation rate of trivalent arsenic.

<< 실시예Example 2>  2>

이 때, 환원전극부에 질산성 질소를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that no nitrate nitrogen was added to the reducing electrode portion.

<< 실험예Experimental Example 1> 일정전위기를 이용한 전위 공급시 3가 비소 농도 및 질산성 질소 농도의 변화 1> Changes in arsenic concentration and nitrate nitrogen concentration during dislocation supply

본 발명의 이실형 생물전기화학적 장치에서 일정전위기를 이용하여 산화전극부의 산화전극과 기준전극 사이에 +0.5 V의 전위를 일정하게 걸어주며 3가 비소 농도의 변화 및 질산성 질소 농도의 변화를 관찰하여 각각 도 3a 및 도 3b에 나타내었다.In the discrete bioelectrochemical device of the present invention, a potential of +0.5 V was constantly applied between the oxidizing electrode and the reference electrode of the oxidizing electrode portion using a constant electric field, and the change of the trivalent arsenic concentration and the nitrate nitrogen concentration Are observed and shown in Figs. 3A and 3B, respectively.

도 3a에 나타낸 바와 같이, 8번의 회분식 반응 동안 3일 이내에 3가 비소가 5가 비소로 산화되는 것으로 나타났다. 구체적으로, 6번째 회분식 반응까지의 3가 비소 산화효율은 >95%이었으며, 7번째 회분식 반응은 88%, 8번째 회분식 반응은 78%이었다.As shown in Figure 3A, trivalent arsenic was oxidized to pentavalent arsenic within 3 days during the 8 batch reactions. Specifically, the trivalent arsenic oxidation efficiency to the 6th batch reaction was> 95%, the 7th batch reaction was 88%, and the 8th batch reaction was 78%.

또한, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 산화전극부에서 8번의 회분식 반응이 진행되는 동안 환원전극부에서는 1번의 회분식 반응이 진행되었는데, 질산성 질소는 아질산성 질소의 축적 없이 일정하게 감소하였으며, 최종적으로 >99%의 제거효율을 나타냈다.Also, as shown in FIG. 3B, one batch reaction occurred in the reducing electrode portion during 8 batch reactions in the oxidation electrode portion. The nitrate nitrogen decreased uniformly without accumulation of nitrite nitrogen, and finally, Gt; 99%. &Lt; / RTI &gt;

따라서, 본 발명에 따른 이실형 생물전기화학적 장치는 낮은 전위 공급만으로도 독성이 강한 3가 비소를 상대적으로 독성이 약하고 흡착으로 쉽게 제거할 수 있는 5가 비소의 형태로 산화시킬 수 있으며, 동시에 질산성 질소를 99% 이상의 제거효율로 제거할 수 있다.Therefore, the discrete bioelectrochemical device according to the present invention can oxidize trivalent arsenic, which is highly toxic even with a low potential supply, in the form of pentavalent arsenic which is relatively less toxic and can be easily removed by adsorption, Nitrogen can be removed with a removal efficiency of 99% or more.

나아가, 본 발명에 따른 이실형 생물전기화학적 장치에서, 일정전위기를 이용하여 산화전극부에 +0.5 V의 전위를 일정하게 공급한 조건에서 산화전극 및 환원전극의 전위 변화를 관찰하여 도 3c에 나타내었다.Further, in the discrete bioelectrochemical device according to the present invention, the potential change of the oxidizing electrode and the reducing electrode was observed under the condition that +0.5 V potential was constantly supplied to the oxidizing electrode portion using a constant electric field, Respectively.

도 3c에 나타낸 바와 같이, 산화전극 전위는 일정한 전위공급으로 인하여 +0.5 V를 연속적으로 유지하였지만, 환원전극 전위는 두 번째 회분식 반응부터 -0.5 ~ -0.7 V의 편차를 나타냈다.As shown in FIG. 3c, the oxidized electrode potential maintained +0.5 V due to the constant potential supply, but the reduced electrode potential showed a deviation of -0.5 to -0.7 V from the second batch reaction.

<< 실험예Experimental Example 2>  2> 파워서플라이를Power supply 이용한 전위 공급시 3가 비소 농도 및 질산성 질소 농도의 변화 Changes in arsenic concentration and nitrate nitrogen concentration during the use of dislocation supply

본 발명의 이실형 생물전기화학적 장치에서 파워서플라이를 이용하여 산화전극과 환원전극 사이에 1.0 V의 전위를 걸어주며 3가 비소 농도의 변화 및 질산성 질소 농도의 변화를 관찰하여 각각 도 4a 및 도 4b에 나타내었다.In the discrete bioelectrochemical device of the present invention, a potential of 1.0 V was applied between the oxidizing electrode and the reducing electrode using a power supply, and the change of the trivalent arsenic concentration and the nitrate nitrogen concentration were observed, 4b.

비소 농도에 대하여는 도 4a에 나타낸 바와 같이, 8번의 회분식 반응 동안 3일 이내에 3가 비소가 5가 비소로 산화되었는데, 1번째 회분식 반응의 3가 비소 산화효율은 88%이었으며, 2번째부터 6번째 회분식 반응은 >95%, 7번째 회분식 반응은 90%, 8번째 회분식 반응은 88%이었다.As to arsenic concentration, trivalent arsenic was oxidized to pentavalent arsenic within 3 days during 8 batches of reactions. The efficiency of trivalent arsenic oxidation in the first batch was 88%, and from the 2nd to the 6th The batch reaction was> 95%, the 7th batch reaction was 90%, and the 8th batch reaction was 88%.

또한, 질산성 질소 농도에 있어서는, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 초기에는 아질산성 질소 축적현상이 발견되었으나 최종적으로는 아질산성 질소의 축적 없이 >99%의 제거효율을 나타냈다.In addition, as shown in FIG. 4B, at the nitrate nitrogen concentration, the nitrite nitrogen accumulation phenomenon was found initially, but finally the removal efficiency was> 99% without the accumulation of nitrite nitrogen.

나아가, 본 발명에 따른 이실형 생물전기화학적 장치에서, 파워서플라이를 이용하여 전위를 공급한 조건에서 산화전극 및 환원전극의 전위 변화를 관찰하여 도 4c에 나타내었다.Further, in the discrete bioelectrochemical device according to the present invention, the potential change of the oxidizing electrode and the reducing electrode is observed under the condition that the potential is supplied using the power supply, and is shown in FIG. 4C.

실험예 1과 비교하면 상대적으로 불안정한 전위가 산화전극과 환원전극 모두에서 발견되었으며, 산화전극부의 3가 비소가 고갈될수록 전위가 감소하는 경향을 나타냈다.Compared with Experimental Example 1, relatively unstable dislocations were found in both the oxidizing electrode and the reducing electrode, and the dislocation tended to decrease as the trivalent arsenic of the oxidizing electrode portion became depleted.

따라서, 본 발명의 이실형 생물전기화학적 장치는 다른 전위공급 장치를 적용하더라도, 최종적으로 3가 비소의 산화와 질산성 질소의 환원 반응을 동시에 달성함으로써, 독성이 강한 3가 비소 및 질산성 질소를 동시에 제거할 수 있다.Therefore, the discrete bioelectrochemical device of the present invention achieves simultaneously the oxidation of trivalent arsenic and the reduction reaction of nitrate nitrogen, even when other potential supply devices are applied, so that the toxic trivalent arsenic and nitrate nitrogen It can be removed at the same time.

<< 비교예Comparative Example 1> 종래 문헌에 따른  1 > 단일조Single group 생물전기화학 장치의 제조 Manufacture of bio-electrochemical devices

문헌[Journal of Hazardous Materials 283 (2015) 617-622]에 따른 단일조(일실형) 생물전기화학 장치를 제조하였다.A single-chamber bioelectrochemical device according to Journal of Hazardous Materials 283 (2015) 617-622 was prepared.

단일조의 부피는 250 mL이었고, 산화전극 및 환원전극은 흑연봉(Graphite rod (5 cm2))을 사용하였으며, 기준전극은 Ag/AgCl 전극을 사용하였다. 산화전극에 주입되는 3가 비소의 농도는 15 mg/L이었다.The volume of a single bath was 250 mL. A silver electrode (graphite rod (5 cm 2 )) was used as the oxidizing electrode and the reducing electrode, and an Ag / AgCl electrode was used as the reference electrode. The concentration of trivalent arsenic introduced into the oxidation electrode was 15 mg / L.

<< 실험예Experimental Example 3> 반응기 구조에 따른 3가 비소  3> Triglyceride according to reactor structure 산화율의Oxidation rate 측정 Measure

본 발명에 따른 생물전기화학적 장치에 있어서, 반응기 구조가 오염물질 제거에 미치는 영향을 알아보기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.In the bioelectrochemical device according to the present invention, the following experiment was conducted to examine the effect of the reactor structure on contaminant removal.

구체적으로, 실시예 1 및 실시예 2의 이실형 생물전기화학적 장치 및 비교예 1의 단일조 생물전기화학 장치에 대하여 3가 비소를 주입한 후, 일정전위기(potentiostat)를 이용하여 산화전극에 +0.5 V의 전위를 가하면서 시간에 따른 3가 비소의 산화율을 측정하였다. Specifically, trivalent arsenic was injected into the discrete bioelectrochemical devices of Example 1 and Example 2 and the single-cell bioelectrochemical device of Comparative Example 1, and then, using a potentiostat, The oxidation rate of trivalent arsenic with time was measured while applying a potential of +0.5 V.

실험 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The experimental results are shown in Table 1 below.

구분division 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 반응기 구조Reactor structure 이실형(각 350 mL)Available (350 mL each) 이실형(각 350 mL)Available (350 mL each) 일실형(250 mL)Single-chambered (250 mL) 산화전극 및 환원전극 재질Oxidation electrode and reduction electrode material Carbon paper
(12.5 cm2)
Carbon paper
(12.5 cm 2 )
Carbon paper
(12.5 cm2)
Carbon paper
(12.5 cm 2 )
Graphite rod
(5 cm2)
Graphite rod
(5 cm 2 )
분리막 재질Membrane Material Bipolar membraneBipolar membrane Bipolar membraneBipolar membrane 없음none 기준 전극Reference electrode Ag/AgClAg / AgCl Ag/AgClAg / AgCl Ag/AgClAg / AgCl 전원공급장치Power supply 일정전위기Schedule crisis 일정전위기Schedule crisis 일정전위기Schedule crisis 전위공급량Potential supply amount +0.5 V+0.5 V +0.5 V+0.5 V +0.5 V+0.5 V 산화전극부의 전자공여체The electron donor 3가 비소
(80 mg/L)
Trivalent arsenic
(80 mg / L)
3가 비소
(80 mg/L)
Trivalent arsenic
(80 mg / L)
3가 비소
(15 mg/L)
Trivalent arsenic
(15 mg / L)
환원전극부의 전자공여체The electron donor 질산성 질소Nitrate nitrogen 없음none 없음none 3가 비소 산화율Trivalent arsenic oxidation rate 27 g/m3/d27 g / m 3 / d 27 g/m3/d27 g / m 3 / d 0.42 g/m3/d0.42 g / m 3 / d

표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 분리막이 없는 단일조(일실형) 반응기의 경우에는 3가 비소의 산화율이 0.42 g/m3/d로 나타난 반면, 본 발명에 따른 이실형 생물전기화학적 장치는 환원전극부에 전자수용체의 유무와 관계없이 3가 비소의 산화율이 27 g/m3/d로 나타났다. 이와 같이, 본 발명에 따른 이실형 생물전기화학적 장치는 단일조 반응기에 비해 약 64배 높은 3가 비소 산화율을 나타냄으로써, 높은 효율로 독성이 높은 3가 비소를 처리할 수 있다.As shown in Table 1, the oxidation rate of trivalent arsenic was found to be 0.42 g / m 3 / d in the case of the single-chamber (single chamber) reactor without the separation membrane of Comparative Example 1, The device showed that the oxidation rate of trivalent arsenic was 27 g / m 3 / d regardless of the presence or absence of an electron acceptor in the reducing electrode. As described above, the discrete bioelectrochemical apparatus according to the present invention exhibits a trivalent arsenic oxidation rate which is about 64 times higher than that of the single-tank reactor, and thus can treat highly toxic trivalent arsenic with high efficiency.

<< 실험예Experimental Example 4> 분리막 종류 및 전위 공급 방법에 따른 탈질 효율의 측정 4> Measurement of denitration efficiency according to membrane type and potential supply method

본 발명에 따른 생물전기화학적 장치에 있어서, 분리막의 종류 및 전위 공급 방법이 오염물질 제거에 미치는 영향을 알아보기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to investigate the effect of the type of separation membrane and the potential supply method on the removal of contaminants in the bioelectrochemical device according to the present invention.

구체적으로, 실시예 1의 이실형 생물전기화학적 장치에 있어서, 분리막을 양극성 막 대신 양성자 교환막(Proton exchange membrane, 이하 PEM)으로 사용하여 일정전위기(potentiostat)를 이용하여 환원전극에 -0.4 V의 전위를 가하였다. 또한 산화전극부에 전자공여체의 존재 없이, 질산성 질소만을 주입하여 시간에 따른 질산성 질소 제거율을 측정하였다.Specifically, in a discrete bioelectrochemical device of Example 1, a separation membrane was used as a proton exchange membrane (PEM) instead of a bipolar membrane, and a reduction electrode of -0.4 V was applied to the reduction electrode using a potentiostat Lt; / RTI &gt; In addition, nitrate nitrogen removal rate with time was measured by injecting only nitrate nitrogen without the presence of an electron donor in the oxidized electrode part.

실험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The experimental results are shown in Table 2 below.

구분division 실시예 1Example 1 비교예 3Comparative Example 3 반응기 구조Reactor structure 이실형A real type 이실형A real type 산화전극 및 환원전극 재질Oxidation electrode and reduction electrode material Carbon paperCarbon paper Carbon paperCarbon paper 분리막 재질Membrane Material Bipolar membraneBipolar membrane PEMPEM 기준전극Reference electrode Ag/AgClAg / AgCl Ag/AgClAg / AgCl 전원공급장치Power supply 일정전위기Schedule crisis 일정전위기Schedule crisis 전위공급량Potential supply amount 산화전극에 +0.5 V
(비소 산화 기준)
+0.5 V to the oxidation electrode
(Based on arsenic oxidation)
환원전극에 -0.4 V
(탈질 기준)
-0.4 V to the reducing electrode
(Based on denitration)
산화전극부의 전자공여체The electron donor 3가 비소Trivalent arsenic 없음none 환원전극부의 전자수용체The electron acceptor 질산성 질소Nitrate nitrogen 질산성 질소Nitrate nitrogen 질산성 질소 제거율 (환원전극부)Nitrate Removal Rate (Reduced Electrode) 2.8 g/m3/d2.8 g / m 3 / d 1.8 g/m3/d1.8 g / m 3 / d 질산성 질소 투과 현상
(환원전극부 -> 산화전극부)
Nitrate nitrogen permeation phenomenon
(Reduction electrode part -> oxidation electrode part)
없음none 있음has exist
전체적인 질산성 질소 제거율 Overall nitrate removal rate 2.8 g/m3/d2.8 g / m 3 / d 1.3 g/m3/d1.3 g / m 3 / d

표 2에 나타난 바와 같이, 분리막을 PEM으로 사용한 경우, 환원전극부의 질산성 질소가 산화전극부로 투과되어 이동하는 현상이 나타났다. 반면, 분리막을 양극성 막으로 사용하는 경우에는 질산성 질소 투과 현상이 발견되지 않았으며, 질산성 질소 제거율 또한 2.8 g/m3/d로 나타남으로써, PEM 분리막 사용시(1.3 g/m3/d)에 비하여 2배 이상 높게 나타남을 알 수 있었다.As shown in Table 2, when the separator was used as the PEM, the nitrate nitrogen of the reducing electrode portion was transmitted through the oxidized electrode portion. On the other hand, when the membrane was used as a bipolar membrane, no nitrate nitrogen permeation phenomenon was found and the nitrate nitrogen removal rate was also 2.8 g / m 3 / d. Thus, when using the PEM membrane (1.3 g / m 3 / Which is more than twice as high.

또한, 전위 공급 방법에 있어서는, 산화전극부에 전자공여체(비소)가 존재하고, 환원전극에 전위를 공급하는 것보다 산화전극에 전위를 공급할 때, 더 높은 질산성 질소 제거율을 나타냄을 알 수 있었다.In addition, in the dislocation supplying method, it was found that an electron donor (arsenic) exists in the oxidized electrode portion and exhibits a higher nitrate removal rate when the potential is supplied to the oxidized electrode, rather than supplying the potential to the reducing electrode .

따라서, 본 발명의 이실형 생물전기화학적 장치는 분리막 재료로서 양극성 막을 사용하고, 산화전극부에 전자공여체로서 비소 존재하에서, 산화전극에 전위를 공급할 때, 높은 질소 제거율로 질소를 제거하면서 동시에 3가 비소를 산화시킬 수 있다.Therefore, the discrete bioelectrochemical device of the present invention uses a bipolar membrane as a separation membrane material, and when a potential is supplied to an oxidizing electrode in the presence of arsenic as an electron donor in an oxidizing electrode portion, nitrogen is removed at a high nitrogen removing rate, Arsenic can be oxidized.

<< 실험예Experimental Example 5> 균주에 따른 3가 비소  5> Tertiary arsenic 산화율의Oxidation rate 측정 Measure

<5-1> <5-1> 우점화균의Right 차이에 따른 3가 비소  Differential arsenic 산화율의Oxidation rate 변화 change

본 발명에 따른 실시예 2의 생물전기화학적 장치에 있어서, 산화전극부에서 3가 비소의 산화에 식종원으로 사용된 비소 오염 토양 내의 혼합균주 중의 우점화균을 DGGE(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)의 패턴 분석방법을 사용하여 분석하였고, 비교예 1의 장치 내의 3가 비소의 산화에 사용된 식종원의 혼합균주에 대하여는 CARD-FISH 기법을 이용하여 프로테오박테리아(proteobacteria)계를 대상으로 우점화균을 선정하였다.In the biochemical electrochemical device of Example 2 according to the present invention, the right-firing bacteria in the mixed strains in the arsenic-contaminated soil used as the seed source for the oxidation of trivalent arsenic at the oxidized electrode portion were analyzed by the pattern of DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis) The mixed strains used in the oxidation of trivalent arsenic in the device of Comparative Example 1 were analyzed using the CARD-FISH technique, and the bacteria of the proteobacteria system were subjected to the right- Respectively.

실험 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The experimental results are shown in Table 3 below.

구분division 실시예 2Example 2 비교예 1Comparative Example 1 반응기 구조Reactor structure 이실형 (각 350 mL)Available (350 mL each) 일실형 (250 mL)Single-chambered (250 mL) 산화전극 및 환원전극 재질Oxidation electrode and reduction electrode material Carbon paper (12.5 cm2)Carbon paper (12.5 cm 2 ) Graphite rod (5 cm2)Graphite rod (5 cm 2 ) 분리막 재질Membrane Material Bipolar membraneBipolar membrane 없음none 기준전극Reference electrode Ag/AgClAg / AgCl Ag/AgClAg / AgCl 전원공급장치Power supply 일정전위기Schedule crisis 일정전위기Schedule crisis 전위공급량Potential supply amount +0.5 V+0.5 V +0.5 V+0.5 V 전자공여체 대상물질Target substance for electron donors 3가 비소 (80 mg/L)Trivalent arsenic (80 mg / L) 3가 비소 (15 mg/L)Trivalent arsenic (15 mg / L) 전자수용체 대상물질Target substance for electron acceptor 없음none 없음none 3가 비소 산화율Trivalent arsenic oxidation rate 27 g/m3/d27 g / m 3 / d 0.42 g/m3/d0.42 g / m 3 / d 식종원Expression center 혼합균주Mixed strain 혼합균주Mixed strain 우점화균Right-burner Alphaproteobacteria
Betaproteobacteria
Alphaproteobacteria
Betaproteobacteria
Gammaproteobacteria
Deltaproteobacteria
Gammaproteobacteria
Deltaproteobacteria

표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 생물전기화학적 장치 내의 혼합균주 중 우점화균은 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacteria) 및 베타프로테오박테리아(Betaproteobacteria)였으나, 비교예 1의 장치 내의 혼합균주 중 우점화균은 감마프로테오박테리아(Gammaproteobacteria) 및 델타프로테오박테리아(Deltaproteobacteria)였다.As shown in Table 3, among the mixed strains in the bioelectrochemical device according to the present invention, the right-sided fungus was Alphaproteobacteria and Betaproteobacteria, but in the case of the mixed strains in the device of Comparative Example 1 Ignition bacteria were Gammaproteobacteria and Deltaproteobacteria.

따라서, 본 발명에 따른 생물전기화학적 장치에 있어서, 3가 비소의 산화율을 높이기 위해서는 우점화균으로서 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacteria) 및 베타프로테오박테리아(Betaproteobacteria)를 포함하는 혼합균주를 식종원으로 사용하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.Therefore, in the bioelectrochemical device according to the present invention, in order to increase the oxidation rate of trivalent arsenic, mixed strains including Alphaproteobacteria and Betaproteobacteria are used as the seed sources It is thought that it is desirable to do.

<5-2> <5-2> 혼합균주와Mixed strains 순수균주의Pure strain 차이에 따른 비소  Arsenic 산화율의Oxidation rate 변화 change

본 발명에 따른 실시예 1의 생물전기화학적 장치에 있어서, 식종원을 혼합균주로 사용할 경우와 순수균주를 사용할 경우의 비소 산화율의 변화를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In the bioelectrochemical device of Example 1 according to the present invention, the following experiment was carried out to examine the change of the arsenic oxidation rate in the case of using mixed seeds as a mixed strain and pure strains.

구체적으로, 비소 식종원으로서 혼합균주 대신 순수 균주 Klebsiella sp. JHW3을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행한 생물전기화학적 장치(비교예 2)에서의 3가 비소 산화율을 측정하여 표 4에 나타내었다.Specifically, instead of the mixed strain as an arsenic seed, a pure strain Klebsiella sp. The trivalent arsenic oxidation rate in the bioelectrochemical device (Comparative Example 2) performed in the same manner as in Example 1 was measured, except that JHW3 was used.

구분division 실시예 2Example 2 비교예 2Comparative Example 2 반응기 구조Reactor structure 이실형 (각 350 mL)Available (350 mL each) 이실형 (각 350 mL)Available (350 mL each) 산화전극 및 환원전극 재질Oxidation electrode and reduction electrode material Carbon paper (12.5 cm2)Carbon paper (12.5 cm 2 ) Carbon paper (12.5 cm2)Carbon paper (12.5 cm 2 ) 분리막 재질Membrane Material Bipolar membraneBipolar membrane Bipolar membraneBipolar membrane 기준전극Reference electrode Ag/AgClAg / AgCl Ag/AgClAg / AgCl 전원공급장치Power supply 일정전위기Schedule crisis 일정전위기Schedule crisis 전위공급량Potential supply amount +0.5 V+0.5 V +0.5 V+0.5 V 전자공여체 대상물질Target substance for electron donors 3가 비소 (80 mg/L)Trivalent arsenic (80 mg / L) 3가 비소 (150 mg/L)Trivalent arsenic (150 mg / L) 전자수용체 대상물질Target substance for electron acceptor 없음none 없음none 3가 비소 산화율Trivalent arsenic oxidation rate 27 g/m3/d27 g / m 3 / d 19 g/m3/d19 g / m 3 / d 식종원Expression center 혼합균주Mixed strain 순수균주
(Klebsiellasp.JHW3)
Pure strain
( Klebsiella sp. JHW3)

표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 생물전기화학적 장치에 있어서, 식종원으로서 순수 균주를 사용한 경우에는 주입되는 비소의 농도가 높음에도 불구하고 3가 비소의 산화율이 19 g/m3/d로 나타났으나, 혼합균주를 식종원으로 사용한 경우에는 3가 비소의 산화율이 27 g/m3/d로서 순수 균주에 비해 약 1.4배 정도 더 높은 것으로 나타났다.As shown in Table 4, in the case of using pure strains as a seed source in the bioelectrochemical device according to the present invention, the oxidation rate of trivalent arsenic is 19 g / m 3 / d . However, when the mixed strains were used as the seed source, the oxidation rate of trivalent arsenic was 27 g / m 3 / d, which was about 1.4 times higher than that of pure strains.

따라서, 본 발명에 따른 생물전기화학적 장치에 있어서, 3가 비소의 산화율을 높이기 위해서는 순수 균주보다 우점화균으로서 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacteria) 및 베타프로테오박테리아(Betaproteobacteria)를 포함하는 혼합균주를 식종원으로 사용하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.Therefore, in the bioelectrochemical device according to the present invention, in order to increase the oxidation rate of trivalent arsenic, a mixed strain containing Alphaproteobacteria and Betaproteobacteria as the right- It is preferable to use it as a seed source.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

10 : 전원공급장치
20 : 도선
30 : 양극성 막
40 : 산화전극부
41 : 산화전극
42 : 기준 전극
50 : 환원전극부
51 : 환원전극
60 : 마그네틱 바
70 : 샘플링 포트
10: Power supply
20: Lead wire
30: bipolar membrane
40: oxidation electrode part
41: oxidized electrode
42: reference electrode
50: reduction electrode portion
51: reduction electrode
60: magnetic bar
70: Sampling port

Claims (8)

중앙에 위치하는 양극성 막(bipolar membrane)에 의해 산화전극부 및 환원전극부로 구분되며, 상기 산화전극부는 산화전극을 포함하여 처리수를 공급받아 전기활성 비소 산화 관련 미생물에 의해 처리수 내의 3가 비소를 5가 비소로 산화시키고, 상기 환원전극부는 기준전극 및 환원전극을 포함하여 처리수를 공급받아 전기활성 탈질화 미생물에 의해 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 탈질화시키는 이실형(dual chamber-type) 반응기; 및
상기 기준 전극과 상기 산화전극 또는 환원전극 간에 일정한 전위를 제어하기 위하여 전원공급장치 및 도선으로 이루어진 전위 제어부;
를 포함하고,
상기 전기활성 비소 산화 관련 미생물은 비소 오염 토양을 식종원으로 이용하는 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacteria) 및 베타프로테오박테리아(Betaproteobacteria)를 우점화균으로 하는 혼합균주인 것을 특징으로 하는, 처리수 내의 비소 및 질소를 동시에 제거할 수 있는 이실형 생물전기화학적 오염물질 제거장치.
The oxidized electrode part includes an oxidized electrode and is supplied with the treated water. The electrolyzed arsenic-oxidizing microorganism treats the oxidized electrode part and the reduced electrode part by the bipolar membrane located at the center, And the reducing electrode unit includes a reference electrode and a reducing electrode. The reducing electrode unit is a dual chamber-type unit which is supplied with treated water and denitrifies nitrate nitrogen into nitrogen gas by an electroactive denitrifying microorganism, ) Reactor; And
A potential control unit comprising a power supply unit and a lead to control a constant potential between the reference electrode and the oxidation electrode or the reduction electrode;
Lt; / RTI &gt;
Wherein the electro-active arsenic oxidation-related microorganism is a mixed strain comprising, as a fungus, Alphaproteobacteria and Betaproteobacteria which use arsenic-contaminated soil as a seed source. A biosynthetic biochemical contaminant removal device capable of simultaneously removing nitrogen.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 전위 제어부는 산화전극에 전위를 공급하되, 기준 전극과 산화전극의 전위차를 +0.5 V로 유지시키는 것을 특징으로 하는, 이실형 생물전기화학적 오염물질 제거장치.
The method according to claim 1,
Wherein the potential control unit supplies a potential to the oxidizing electrode and maintains a potential difference between the reference electrode and the oxidizing electrode at +0.5 V.
제 1 항의 이실형 생물전기화학적 오염물질 제거장치를 이용한 처리수 내의 비소 및 질소의 동시 제거 방법.A method for simultaneous removal of arsenic and nitrogen in treated water using the apparatus for removing odorous bio-electrochemical contaminants of claim 1. 제 4 항에 있어서,
상기 방법은 반응기의 유입구로 처리수를 주입하고 반응기에 전위를 공급하는 제 1 단계; 및
제 1 단계에서 주입된 처리수 내의 3가 비소는 반응기의 산화전극부에서 전기활성 비소 산화 관련 미생물에 의해 5가 비소로 산화되고, 이때 발생한 전자와 수소이온은 각각 외부의 도선과 양극성 막을 따라서 환원전극부로 이동하며, 이와 동시에 환원전극부 내에서 전기활성 탈질화 미생물에 의해 질산성 질소가 질소가스로 환원되어 질소가 제거되는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 처리수 내의 비소 및 질소의 동시 제거 방법.
5. The method of claim 4,
The method includes: a first step of injecting treatment water into an inlet of a reactor and supplying a potential to the reactor; And
The trivalent arsenic in the treated water injected in the first step is oxidized to the pentavalent arsenic by the electroactive arsenic oxidation-related microorganisms in the oxidation electrode portion of the reactor, and the generated electrons and hydrogen ions are reduced And a second step in which the nitrate is removed by the electroactive denitrifying microorganism in the reducing electrode part to reduce the nitrate nitrogen to nitrogen gas. Simultaneous removal method.
제 5 항에 있어서,
제 2 단계에서 산화된 5가 비소를 흡착제를 이용하여 흡착하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 처리수 내의 비소 및 질소의 동시 제거 방법.
6. The method of claim 5,
Further comprising the step of adsorbing and removing the oxidized pentavalent arsenic using an adsorbent in the second step.
삭제delete 제 4 항에 있어서,
상기 전위의 공급은 산화전극에 전위를 공급하되, 기준 전극과 산화전극의 전위차를 +0.5V로 유지시키는 것을 특징으로 하는, 처리수 내의 비소 및 질소의 동시 제거 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the supply of the electric potential supplies the electric potential to the oxidizing electrode while maintaining the potential difference between the reference electrode and the oxidizing electrode at +0.5 V.
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