KR102398075B1 - Up-flow bioelectrochemical apparatus and method for advanced wastewater treatment - Google Patents

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Abstract

본 발명의 상향류식 생물전기화학장치는 생물전기화학 초고도처리 반응조내에 유전물질로 피복된 절연전극을 수직으로 설치하고 전극들 사이에 전도성 매개체를 주입한 뒤 외부전원공급장치로 전극을 분극시켜 전계를 형성시킴으로서 전기활성균을 우점성장시키고 전기활성균들 사이에 이종간 전자전달을 촉진시키는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명의 상향류식 생물전기화학장치를 이용하면 하폐수 및 2차 처리 하폐수의 초고도처리가 가능하다.In the upflow bioelectrochemical device of the present invention, an insulated electrode coated with a dielectric material is vertically installed in a bioelectrochemical ultra-high-level processing reactor, a conductive medium is injected between the electrodes, and the electrode is polarized with an external power supply to generate an electric field. It is characterized by dominant growth of electroactive bacteria and promoting electron transfer between the electroactive bacteria by forming them. Therefore, by using the upflow bioelectrochemical device of the present invention, it is possible to treat wastewater and secondary treated wastewater in an ultra-advanced manner.

Description

하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치 및 방법 {Up-flow bioelectrochemical apparatus and method for advanced wastewater treatment}Up-flow bioelectrochemical apparatus and method for advanced wastewater treatment

본 발명은 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치에 관한 것이다. 구체적으로는 유전물질로 피복된 절연 전극이 설치된 상향류식 반응조 내부에 입자형태의 전도성매개체를 충진하고, 전극에 작은 전압을 인가하여 분극시킴으로서 전극사이에 형성된 전계에 의해 전도성매개체 표면과 벌크용액에 전기활성균을 우점성장시키고, 이들 사이의 이종간전자전달을 촉진시키는 방법으로 혐기성 상태에서 하폐수 및 하폐수처리 시설 2차 처리수를 효과적으로 초고도처리 할 수 있는 상향류식 생물전기화학장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater. Specifically, the conductive medium in the form of particles is filled inside an upflow reactor equipped with an insulating electrode coated with a dielectric material and polarized by applying a small voltage to the electrode. It relates to an upflow type bioelectrochemical device and method that can effectively treat wastewater and secondary treated water from a wastewater treatment facility in an anaerobic state in an anaerobic state by a method of predominantly growing active bacteria and facilitating the transfer of electrons between them.

하폐수는 일반적으로 생분해성 유기물질, 부유물질, 질소화합물 등의 다양한 오염물질을 함유하고 있어 미처리 또는 불완전하게 처리된 상태로 하천 및 바다 등의 공공수역으로 방류하는 경우 유입수역의 수환경에 심각한 악영향을 미친다. 상기의 문제를 해결하기 위하여 지금까지 하폐수는 혐기조, 무산소조 그리고 호기조의 다양한 조합으로 이루어진 고도처리 공정들을 이용하여 처리하여 왔다. 그러나, 상기한 기존의 하폐수 처리 시설에서 배출되는 방류수의 수질은 유입 수질과 유량의 변동에 연동하여 매우 불안정하며, 수온과 같은 계절적 요인이 복합적으로 작용하는 경우 방류수 수질기준을 만족시키지 못하는 경우가 많다. 따라서 하폐수 처리 시설에서 배출되는 방류수의 수질을 더욱 향상시키고 또한 수질의 변동성을 완화시켜 안정화하는 것은 수계의 환경 관리에서 대단히 중요한 사안이다. 이를 위해 기존에는 하폐수 처리 시설의 생물반응조를 미생물보유량을 크게 늘릴 수 있는 분리막 생물반응조로 교체하거나 활성탄 흡착 및 이온교환 등과 같은 물리화학적 고도처리 과정의 추가설치를 검토하는 경우가 많다. 그러나, 분리막 생물반응조를 기존 하폐수 처리 시설에 도입하는 경우 시설의 설치 및 유지관리에 많은 비용이 필요하며, 생물반응조에서 늘어난 미생물보유량 만으로 처리수의 수질을 더욱 향상시키는 것은 한계가 있다. 또한, 2차 처리가 끝난 하폐수는 미생물이 효과적으로 대사하여 성장하기에는 오염 물질들의 농도가 너무 낮아 생물학적 초고도처리는 열역학적으로 불리하며, 물리화학적 초고도처리의 경우도 기술적 또는 경제적인 이유로 인해 하폐수 처리 현장에 적용하기 힘든 실정이다.Sewage wastewater generally contains various pollutants such as biodegradable organic matter, suspended matter, and nitrogen compounds. go crazy In order to solve the above problems, so far, wastewater has been treated using advanced treatment processes consisting of various combinations of anaerobic tanks, anoxic tanks and aerobic tanks. However, the water quality of the effluent discharged from the existing wastewater treatment facilities is very unstable in connection with the fluctuations of the inflow water quality and flow rate. . Therefore, improving the water quality of the effluent discharged from the wastewater treatment facility and stabilizing it by alleviating water quality variability is a very important issue in the environmental management of the water system. To this end, it is often considered to replace the bioreactor of a wastewater treatment facility with a membrane bioreactor that can significantly increase the amount of microorganisms, or to install additional physicochemical advanced treatment processes such as activated carbon adsorption and ion exchange. However, when a membrane bioreactor is introduced into an existing wastewater treatment facility, a large amount of cost is required for installation and maintenance of the facility, and there is a limit to further improving the water quality of treated water only with the increased amount of microorganisms in the bioreactor. In addition, since the concentration of contaminants in the wastewater after secondary treatment is too low for microorganisms to metabolize and grow effectively, biological ultra-high-level treatment is thermodynamically disadvantageous. It is difficult to do.

일반적으로 하폐수에 함유된 오염물질들은 각종 박테리아들로 이루어진 활성슬러지 미생물이 오염물질을 기질로 이용하여 대사하고 성장하도록 함으로서 생물학적으로 처리된다. 이러한 생물학적 처리과정에서 오염물질 분해와 관련된 미생물의 성장 동력학을 수학식(1)의 Monod 식을 이용하여 살펴보면 기질 농도가 높을 경우 기질농도에 대한 0차식으로, 기질 농도가 낮을 경우 기질농도에 대한 1차식을 따른다. In general, pollutants contained in wastewater are biologically treated by allowing activated sludge microorganisms composed of various bacteria to metabolize and grow using the pollutants as substrates. When looking at the growth kinetics of microorganisms related to the decomposition of contaminants in this biological treatment process using the Monod equation of Equation (1), it is the zero-order equation for the substrate concentration when the substrate concentration is high, and 1 for the substrate concentration when the substrate concentration is low. follow the formula

Figure 112019101428550-pat00001
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여기서, μ는 미생물의 비성장속도이며, μm은 최대비성장속도이다. Ks는 반포화속도상수이며, S는 기질농도이다. 따라서 높은 기질농도에서의 미생물의 성장 동력학은 미생물의 최대 비성장속도에 의해 결정되며, 기질농도와는 무관하다. 대조적으로 낮은 기질 농도에서의 미생물의 성장 동력학은 주로 기질농도에 의해 제한받으며, 미생물의 성장에 영향을 미치는 주된 매개변수는 반포화속도상수이다. 여기서, 반포화속도상수의 역수는 일반적으로 기질 친화도라 불린다. 완전 혼합형 생물반응조에서 이루어지는 대부분의 생물학적 하폐수 처리공정은 생물반응조의 기질 농도가 유출수의 농도 같기 때문에 미생물의 성장은 낮은 기질농도에 의해서 크게 제한 받는다. 따라서, 하폐수의 생물학적 처리는 미생물의 기질 친화도(낮은 Ks)가 높은 경우 상대적으로 유리하다. 하폐수의 생물학적 처리과정에서 미생물이 오염물질을 대사하여 성장하기 위해서는 기질인 전자공여체와 산소 등의 전자수용체가 생물반응조 내의 벌크용액에서 물리적인 이류(advection)에 의해 미생물 플럭까지 먼저 이동하여야 하며, 이들이 미생물 플럭에서 다시 미생물세포의 표면으로 확산하여 미생물에 의해 흡수되어야 한다. 따라서, 반포화속도상수의 값은 생물 반응조에서 미생물이 이용하는 기질의 이동 및 확산과 같은 물리적 요소와 미생물의 세포막을 통한 흡수, 그리고 기질을 대사하는 생화학반응과 같은 생물학적인 요소에 의하여 결정된다. 일반적으로 교반은 벌크용액에서 기질의 이류에 의한 이동을 촉진하고 미생물 플럭의 크기를 감소시켜 기질의 확산에 필요한 거리를 줄임으로서 미생물의 기질 친화도를 향상시키는 물리적 방법이다. 기질 친화도를 향상시키는 생물학적인 방법으로는 기질 흡수력이 뛰어난 미생물 종을 이용하거나 기질의 대사과정을 촉진시키는 방법 등이 있다. 그런데, 생물전기화학적인 방법을 활용하면 기질의 대사과정을 크게 촉진시킬 수 있다. 이를 위해서는 먼저 생물 반응조에 전극을 설치하고 직류전원 공급 장치를 이용하여 전압을 인가함으로서 전극 사이의 벌크용액에 전계를 형성시켜야 한다. 전계 하에서 미생물은 C형 시토크롬(cytochrome type C)이나 전도성 섬모(conductive pili)와 같은 보조 인자를 통해 전자를 미생물 세포 외부와 직접 교환할 수 있도록 하는 전기활성유전자를 발현시킨다. 전기활성유전자가 발현된 미생물은 체외전자방출균(exoelectrogens) 및 전자영양균(electrotrophs)등으로 대별할 수 있으며, 전기활성균(electroactive microorganisms)이라 불린다. Here, μ is the specific growth rate of the microorganism, and μ m is the maximum specific growth rate. K s is the half-saturation rate constant, and S is the substrate concentration. Therefore, the growth kinetics of microorganisms at high substrate concentration is determined by the maximum specific growth rate of microorganisms and is independent of substrate concentration. In contrast, the growth kinetics of microorganisms at low substrate concentrations is mainly limited by the substrate concentration, and the main parameter influencing the growth of microorganisms is the half-saturation rate constant. Here, the reciprocal of the half-saturation rate constant is generally called substrate affinity. In most biological wastewater treatment processes in a fully mixed bioreactor, the growth of microorganisms is greatly limited by the low substrate concentration because the concentration of the substrate in the bioreactor is the same as that of the effluent. Therefore, biological treatment of wastewater is relatively advantageous when the substrate affinity (low Ks) of microorganisms is high. In order for microorganisms to metabolize and grow pollutants in the biological treatment process of wastewater, electron donors, such as substrates, and electron acceptors, such as oxygen, must first move from the bulk solution in the bioreactor to the microbial flocs by physical advection. It must diffuse from the microbial floe back to the surface of the microbial cells and be absorbed by the microorganisms. Therefore, the value of the half-saturation rate constant is determined by physical factors such as movement and diffusion of substrates used by microorganisms in a bioreactor, absorption through cell membranes of microorganisms, and biological factors such as biochemical reactions that metabolize substrates. In general, agitation is a physical method to improve substrate affinity of microorganisms by accelerating movement by advection of substrates in bulk solution and reducing the size of microbial flocs, thereby reducing the distance required for substrate diffusion. Biological methods for improving substrate affinity include using a microbial species with excellent substrate absorption or accelerating substrate metabolism. However, if the bioelectrochemical method is used, the metabolic process of the substrate can be greatly accelerated. To do this, first, an electric field must be formed in the bulk solution between the electrodes by installing an electrode in the bioreactor and applying a voltage using a DC power supply. Under an electric field, microorganisms express electroactive genes that enable direct exchange of electrons with the outside of the microbial cell through cofactors such as cytochrome type C or conductive pili. Microorganisms in which electroactive genes are expressed can be roughly classified into exoelectrogens and electrotrophs, and are called electroactive microorganisms.

전기활성균들은 서로가 물리적으로 직접 접촉하여 이루어지는 직접종간전자전달(direct interspecies electron transfer) 또는 비생물학적 산화환원물질의 매개에 의한 이종간전자전달(mediated interspecies electron transfer)을 이용하여 전자를 전달할 수 있고 이러한 이종간전자전달이 전계 하에서 더욱 향상되기 때문에 효율적인 기질대사가 가능해진다. 상기 전기활성균은 전계에 노출된 혐기성 반응조의 벌크 용액이나, 분극시킨 전극의 표면에서 성장한다. 그러나, 분극전극이 설치되지 않은 일반 생물반응조에서도 활성탄, 탄소 나노 튜브 및 자철광과 같은 전도성 물질이 존재하는 경우 이들의 표면에 전기활성균이 성장할 수 있으며, 전도성물질들은 종간전자전달을 매개하는 도관 역할을 한다.Electroactive bacteria can transfer electrons using direct interspecies electron transfer through direct physical contact with each other or mediated interspecies electron transfer mediated by abiotic redox substances. Efficient substrate metabolism is possible because the heterogeneous electron transfer is further enhanced under an electric field. The electroactive bacteria grow on the surface of the polarized electrode or the bulk solution of the anaerobic reactor exposed to an electric field. However, even in a general bioreactor without polarization electrodes, if conductive materials such as activated carbon, carbon nanotubes, and magnetite exist, electroactive bacteria can grow on their surfaces, and the conductive materials serve as a conduit to mediate electron transfer between species. do

한편, 전계에 의해 향상되는 이종간전자전달에 의한 미생물의 대사과정이 기질 친화도에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 반포화속도상수를 자유에너지 변화량의 함수로 나타내면 수학식 (2)와 같다.On the other hand, in order to examine the effect of the metabolic process of microorganisms by heterogeneous electron transfer enhanced by an electric field on substrate affinity, the half-saturation rate constant is expressed as a function of the change in free energy as in Equation (2).

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여기서, ΔG0 및 ΔG는 표준 상태와 현재 상태의 자유에너지 변화량 그리고 R 및 T는 이상기체상수 및 절대온도를 각각 의미한다. 상기 수학식(2)에서 현재 상태의 자유 에너지변화량(ΔG)이 커지면 반포화속도상수(Ks) 값이 작아지게 되어 기질 친화도가 증가하기 때문에 미생물은 낮은 기질농도에서도 상대적으로 성장을 위한 높은 기질대사를 할 수 있게 된다. 산화환원반응에 있어서 자유 에너지 변화량은 Nernst 식과 자유에너지식을 결합하면 하기 수학식 (3)와 같이 나타낼 수 있다.Here, ΔG 0 and ΔG are the changes in free energy between the standard state and the present state, and R and T are the ideal gas constant and absolute temperature, respectively. In Equation (2), when the amount of free energy change (ΔG) in the current state increases, the half-saturation rate constant (K s ) value becomes small and the substrate affinity increases. able to metabolize the body. The amount of change in free energy in the redox reaction can be expressed as in Equation (3) below by combining the Nernst equation and the free energy equation.

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여기서, n은 산화환원반응에서 전달되는 전자의 몰수이고, F는 패러데이상수이다. 또한, E는 전자의 이동에 영향을 주는 전극의 분극전위 또는 전계의 세기를 나타낸다. 생물반응조 내에 설치된 전극의 분극전위 또는 전극 사이의 전계는 반응물질의 극성과 영구 쌍극자의 정렬을 변화시킴으로서 반응계의 엔탈피와 엔트로피에 영향을 주어 자유에너지 변화량을 크게 만들 수 있다. 이는 분극전극의 표면이나 전계에 노출된 영액에서는 미생물의 기질 친화도가 향상됨으로서 하폐수의 오염물질이 좀 더 낮은 농도까지 효과적으로 제거될 수 있다는 것을 의미한다. 이는 하폐수처리를 위한 생물반응조에 분극전극을 설치하여 전계를 형성시키고 전자전달 매개체 역할을 할 수 있는 전도성물질을 주입하면 오염물질을 낮은 농도까지 더욱 효과적으로 제거시킬 수 있음을 열역학적으로 보여주는 것이다.Here, n is the number of moles of electrons transferred in the redox reaction, and F is the Faraday constant. In addition, E represents the polarization potential of the electrode or the strength of the electric field that affects the movement of electrons. The polarization potential of the electrodes installed in the bioreactor or the electric field between the electrodes changes the polarity of the reactant and the alignment of the permanent dipole, thereby affecting the enthalpy and entropy of the reaction system, thereby increasing the amount of free energy change. This means that contaminants in wastewater can be effectively removed to a lower concentration by improving the substrate affinity of microorganisms on the surface of the polarization electrode or in the solution exposed to an electric field. This thermodynamically demonstrates that contaminants can be more effectively removed even to low concentrations by installing a polarizing electrode in a bioreactor for wastewater treatment to form an electric field and injecting a conductive material that can act as an electron transport medium.

그러나 위와 같은 생물반응조에 전도성매개체를 주입하고 전계를 형성시킨 방법으로 하폐수를 초고도처리하는 방법은 아직까지 보고된 사례가 없다. However, there has been no reported case of ultra-advanced treatment of wastewater by injecting a conductive medium into the bioreactor as above and creating an electric field.

본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다. The patents and references mentioned in this specification are hereby incorporated by reference to the same extent as if each publication were individually and expressly specified by reference.

한국 공개 특허 10-2006-0119282Korean Patent Laid-Open Patent 10-2006-0119282

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본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 상향류식 생물반응조 내부에 입자형태의 전도성매개체를 주입하고 분극 전극을 설치하여 전계를 형성시킴으로서 전기활성균을 우점성장시켜 체외전자방출균과 전자영양균 사이에 이종간전자전달을 향상시킴으로서 미생물의 기질친화도를 증가시켜 하폐수의 초고도고처리가 가능하게 하는 생물전기화학 장치에 대한 것이다.The present invention is to solve the above problems by injecting a conductive medium in the form of particles into an upflow bioreactor and installing a polarizing electrode to form an electric field, thereby predominately growing electroactive bacteria between in vitro electron-emitting bacteria and electrontrophic bacteria. It relates to a bioelectrochemical device that enables ultra-high-level treatment of wastewater by increasing the substrate affinity of microorganisms by improving interspecies electron transfer.

본 발명의 목적은 다공성 유입수 분배기에 의해 하폐수가 상향류식으로 공급되는 생물전기화학 초고도처리 반응조; 상기 생물전기화학 초고도처리 반응조의 내부에 위치하며 유전물질이 피복된 2개 이상의 절연전극; 및 상기 2개 이상의 절연전극 사이에 배치된 전도성 매개체를 포함하는 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치 및 이를 이용한 하폐수의 초고도처리방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is a bioelectrochemical ultra-advanced treatment reactor in which wastewater is supplied in an upward flow by a porous influent distributor; two or more insulated electrodes positioned inside the bioelectrochemical ultra-high-level processing reactor and coated with a dielectric material; And to provide an upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater including a conductive medium disposed between the two or more insulating electrodes, and a method for ultra-advanced treatment of wastewater using the same.

본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다. Other objects and technical features of the present invention are more specifically set forth by the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명은 다공성 유입수 분배기에 의해 하폐수가 상향류식으로 공급되는 생물전기화학 초고도처리 반응조; 상기 생물전기화학 초고도처리 반응조의 내부에 위치하며 유전물질이 피복된 2개 이상의 절연전극; 및 상기 2개 이상의 절연전극 사이에 배치된 전도성 매개체; 를 포함하는 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치를 제공한다.The present invention relates to a bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank in which wastewater is supplied in an upward flow by a porous influent distributor; two or more insulated electrodes positioned inside the bioelectrochemical ultra-high-level processing reactor and coated with a dielectric material; and a conductive medium disposed between the two or more insulating electrodes. It provides an upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater comprising a.

상기 하폐수는 화학적 산소요구량(COD)이 40㎎/ℓ이하 이거나 총 질소(TN) 농도가 20㎎/ℓ 이하인 저농도 하폐수 또는 하수처리장 유입수인 것을 특징으로 하며 상기 생물전기화학장치의 초기운전을 위한 식종균으로 하폐수처리 시설의 생물반응조에서 채취한 활성슬러지, 혐기성 슬러지 또는 이들의 혼합물을 식종균으로 하는 것을 특징으로 한다.The wastewater is characterized in that it is low-concentration wastewater or sewage treatment plant inflow water having a chemical oxygen demand (COD) of 40 mg/L or less or a total nitrogen (TN) concentration of 20 mg/L or less, and the formula for the initial operation of the bioelectrochemical device It is characterized in that activated sludge, anaerobic sludge, or a mixture thereof collected from a bioreactor of a wastewater treatment facility as a seed strain is used as a seed strain.

본 발명은 상기 2개 이상의 절연전극 사이에는 0.2 내지 3.3 V/cm의 전계가 형성되도록 전압을 인가하여 분극시키며 상기 절연전극 사이에 전계 세기의 감쇄를 완화시키고 전기활성균이 부착성장을 촉진시키기 위하여 상기 전도성이 있고 생물친화도가 높은 탄소기반 입자성물질을 전도성 매개체로서 충진시키는 것을 특징으로 한다.The present invention polarizes by applying a voltage so that an electric field of 0.2 to 3.3 V/cm is formed between the two or more insulating electrodes. It is characterized in that the carbon-based particulate material having high conductivity and high biocompatibility is filled as a conductive medium.

본 발명은 생물전기화학 초고도처리 반응조에 식종 슬러지를 주입하는 제 1 단계;The present invention provides a first step of injecting seedling sludge into a bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank;

상기 식종 슬러지가 공급된 생물전기화학 초고도처리 반응조에 상향류식으로 하폐수를 공급하는 제 2 단계; 및 상기 하폐수가 공급된 생물전기화학 초고도처리 반응조에 전도성 매개체를 주입하고 유전물질이 피복된 2개 이상의 절연전극을 설치한 후 상기 절연전극에 전압을 인가하여 전극사이에 0.2 내지 3.3 V/cm의 전계가 형성되도록 분극시키는 제 3 단계;를 포함하는 상향류식 생물전기화학장치를 이용한 하폐수의 초고도처리방법을 제공한다.a second step of supplying wastewater in an upflow manner to the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank to which the seedling sludge is supplied; and injecting a conductive medium into the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank supplied with the wastewater, installing two or more insulating electrodes coated with dielectric material, and then applying a voltage to the insulating electrodes to obtain a voltage of 0.2 to 3.3 V/cm between the electrodes. It provides a method for ultra-advanced treatment of wastewater using an upflow bioelectrochemical device comprising; a third step of polarizing to form an electric field.

본 발명 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치에서 유전물질이 피복된 절연전극들 사이에 주입된 입자형태의 전도성 매개체는 전극 사이의 벌크용액에 형성된 전계세기의 거리감쇄를 완화하여 반응조 내부에 고르게 전계가 형성될 수 있도록 한다. 또한, 주입한 전도성 매개체에의 표면에 전기활성균이 부착 성장함으로서 전기활성균의 생체량을 증가시키는 역할을 한다. 따라서 본 발명의 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치를 이용하면 하폐수의 안정적인 초고도처리 및 기질친화도가 낮아 생물학적 처리가 열역학적으로 불가능한 2차 처리 하폐수처리장 유출수의 추가적인 초고도처리(3차 처리)가 가능하다.In the upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater according to the present invention, the conductive medium in the form of particles injected between insulating electrodes coated with dielectric material relieves the distance attenuation of the electric field strength formed in the bulk solution between the electrodes, and the inside of the reaction tank so that an electric field is evenly formed in the In addition, the electroactive bacteria attach and grow on the surface of the injected conductive medium, thereby increasing the biomass of the electroactive bacteria. Therefore, if the upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater of the present invention is used, stable ultra-advanced treatment of wastewater and additional ultra-advanced treatment (tertiary treatment) of secondary treatment sewage treatment plant effluent thermodynamically impossible due to low substrate affinity ) is possible.

도 1은 본 발명의 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 절연전극과 전도성 매개체를 보여준다.
도 3은 본 발명의 2차 처리 하폐수처리장 유출수와 같은 물리화학적 특성을 가진 모델폐수를 대상으로 한 3차 처리 실시예 1과 비교예 1에서 처리시간에 따른 화학적 산소요구량(COD)의 변화를 보여준다.
도 4는 본 발명의 2차 처리 하폐수처리장 유출수와 같은 물리화학적 특성을 가진 모델폐수를 대상으로 한 3차 처리 실시예 1과 비교예 1의 처리시간에 따른 총 질소(TN) 농도의 변화를 보여준다.
도 5은 본 발명의 2차 처리 하폐수처리장 유출수의 3차 처리 실시예 2와 비교예 2의 처리시간에 따른 화학적 산소요구량(COD)의 변화를 보여준다.
도 6은 본 발명의 2차 처리 하폐수처리장 유출수의 3차 처리에 대한 실시예 2와 비교예 2의 처리시간에 따른 총 질소(TN) 농도의 변화를 보여준다.
도 7은 본 발명의 하폐수 초고도처리 실시예 3과 비교예 3의 처리시간에 따른 화학적 산소요구량(COD)의 변화를 보여준다.
도 8은 본 발명의 하폐수 초고도처리 실시예 3과 비교예 3의 처리시간에 따른 총 질소(TN) 농도의 변화를 보여준다.
1 is a schematic diagram of an upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater according to the present invention.
2 shows an insulating electrode and a conductive medium of the present invention.
Figure 3 shows the change in chemical oxygen demand (COD) according to the treatment time in the tertiary treatment Example 1 and Comparative Example 1 for model wastewater having the same physicochemical properties as the effluent from the secondary treatment wastewater treatment plant of the present invention; .
4 shows the change in total nitrogen (TN) concentration according to the treatment time of the tertiary treatment Example 1 and Comparative Example 1 for model wastewater having the same physicochemical properties as the effluent from the secondary treatment wastewater treatment plant of the present invention; .
Figure 5 shows the change in chemical oxygen demand (COD) according to the treatment time of the tertiary treatment Example 2 and Comparative Example 2 of the effluent from the secondary treatment wastewater treatment plant of the present invention.
6 shows the change in total nitrogen (TN) concentration according to the treatment time of Example 2 and Comparative Example 2 for the tertiary treatment of the effluent from the secondary treatment wastewater treatment plant of the present invention.
7 shows the change in chemical oxygen demand (COD) according to the treatment time of the ultra-advanced wastewater treatment Example 3 and Comparative Example 3 of the present invention.
Figure 8 shows the change in total nitrogen (TN) concentration according to the treatment time of the ultra-advanced wastewater treatment Example 3 and Comparative Example 3 of the present invention.

본 발명은 생물전기화학 초고도처리 반응조(10); 상기 생물전기화학 초고도처리 반응조(10) 하부에 위치한 다공성 유입수 분배기(50); 상기 생물전기화학 초고도처리 반응조의 내부에 수직으로 설치된 절연전극쌍(21, 22); 및 상기 절연전극쌍(21, 22) 사이에 배치된 전도성 매개체(60); 절연전극에 전압을 인가하여 분극시키기 위한 외부전압원(30)으로 구성된 것을 특징으로 하는 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치에 대한 것이다. 이하에서 상기 생물전기화학 초고도처리 반응조는 생물전기화학 초고도처리 반응조와 혼용되어 사용될 수 있다.The present invention is a bioelectrochemical ultra-high-level processing reactor (10); a porous influent distributor 50 located under the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10; Insulated electrode pairs (21, 22) installed vertically inside the bioelectrochemical ultra-high-level processing reactor; and a conductive medium (60) disposed between the insulated electrode pairs (21, 22); It relates to an upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater, characterized in that it comprises an external voltage source 30 for polarization by applying a voltage to the insulated electrode. Hereinafter, the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank may be used in combination with the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank.

또한, 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)에 식종슬러지를 주입하고 외부전압원(30)을 이용하여 절연전극(21, 22)을 양극 및 음극으로 분극시킴으로서 절연전극들(21, 22) 사이에 전계를 형성시키고, 하폐수를 하부의 유입수 분배기(50)을 통하여 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)에 상향류식으로 공급하여 하폐수가 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)를 통과하는 동안 초고도 처리 되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다. In addition, by injecting the seeding sludge into the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 and using the external voltage source 30 to polarize the insulating electrodes 21 and 22 to positive and negative poles, the electric field between the insulating electrodes 21 and 22 Forming and supplying the wastewater in an upflow manner to the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 through the influent distributor 50 at the bottom so that the wastewater is ultra-highly treated while passing through the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 A method of characterizing it is provided.

상기 생물전기화학 초고도처리 반응조(10) 내부에 형성된 전계는 식종슬러지에 존재하는 일부 미생물들의 전기활성유전자를 발현시켜 전기활성균으로 변화시키고 이들이 벌크용액 및 전도성 매개체(60)의 표면에 우점 성장하도록 하여 이종간전자전달에 의해 오염물질을 효과적으로 제거하는 것을 특징으로 한다.The electric field formed inside the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 expresses the electroactive genes of some microorganisms present in the seeding sludge to change them into electroactive bacteria, and to grow them dominantly on the surface of the bulk solution and the conductive medium 60 Thus, it is characterized in that it effectively removes contaminants by electron transfer between species.

본 발명의 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치의 구성요소들의 역할과 하폐수의 초고도처리 방법에 대하여 상술하면 다음과 같다.The role of the components of the up-flow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater of the present invention and the ultra-advanced treatment method of wastewater of the present invention will be described in detail as follows.

본 발명인 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치는 하폐수가 생물전기화학 초고도처리 반응조(10) 하부로부터 상향류식으로 공급되기 때문에 고형물은 중력에 의해 가라앉고 정화된 청수만이 상부로 유출되는 구조이다. 이러한 구조는 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)를 연속 운전하는 동안 전기활성균과 전도성매개체(60)의 유출을 막음으로서 하폐수의 처리효율을 향상시키고 안정화시키는 효과가 있다. In the up-flow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater according to the present invention, since wastewater is supplied up-flow from the lower part of the bio-electrochemical ultra-advanced treatment tank 10, the solids sink by gravity and only purified fresh water flows to the top. is the structure This structure has the effect of improving and stabilizing the treatment efficiency of wastewater by preventing the outflow of the electroactive bacteria and the conductive medium 60 while continuously operating the bioelectrochemical ultra-advanced treatment reactor 10 .

상기 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)의 하부에 위치한 유입수 분배기(50)는 다공성 구조를 가지며 하부로부터 하폐수가 상부로 반응조 전단면에 균일하게 공급되도록 하는 역할을 한다. The influent distributor 50 located at the lower portion of the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 has a porous structure and serves to uniformly supply wastewater from the bottom to the top to the front end surface of the reactor.

본 발명의 절연전극들(21, 22)은 전기 전도도가 높은 바탕전극(23)의 표면에 유전물질(24)을 코팅하여 제조한다. 바람직하게는 상기 바탕전극(23)은 부식에 강한 티타늄호일일 수 있으며 상기 바탕전극의 표면코팅에 사용하는 유전물질(24)은 폴리에스터, 폴리비닐클로라이드, 폴리프로필렌, 플루오르화폴리비닐리덴 등의 고분자물질이거나 세라믹물질일 수 있다. 생물전기화학 초고도처리 반응조에는 표면을 코팅하지 않은 전극을 사용할 수도 있으나, 전계를 유지하기 위하여 전극에 인가하는 전압이 1.5 V 이상인 경우 전극표면에서 일어나는 물의 전기분해반응에 의해 에너지손실이 발생할 수 있으며, 전극이 쉽게 부식된다는 단점이 있다. The insulating electrodes 21 and 22 of the present invention are manufactured by coating a dielectric material 24 on the surface of the base electrode 23 having high electrical conductivity. Preferably, the base electrode 23 may be a titanium foil resistant to corrosion, and the dielectric material 24 used for surface coating of the base electrode is made of polyester, polyvinyl chloride, polypropylene, polyvinylidene fluoride, etc. It may be a polymer material or a ceramic material. An electrode without a surface coating may be used in the bioelectrochemical ultra-high-level treatment tank, but if the voltage applied to the electrode to maintain the electric field is 1.5 V or higher, energy loss may occur due to the electrolysis reaction of water occurring on the electrode surface, The disadvantage is that the electrode is easily corroded.

상기 전도성 매개체(60)는 절연전극들(21, 22) 사이에 위치한다. 상기 전도성 매개체(60)는 전기활성균의 종간전자전달을 증진시키는 역할 뿐만 아니라 상기 전기활성균들이 부착하여 성장할 수 있는 지지대 역할도 하기 때문에 생물친화도와 전기전도성을 가진 물질이어야 바람직하다. 상기 전도성 매개체(60)는 전도성이 있는 탄소계 물질이나 마그네타이트 등일 수 있으나 바람직하게는 입자형(60) 또는 판형(61)의 카본블랙, 활성탄, 탄소나노튜브, 그래핀 또는 그라파이트 등의 탄소계물질이다. 보다 바람직한 형태는 직경이 5 내지 10㎜인 입자형 활성탄이다. 상기 탄소류는 생물친화성이 뛰어날 뿐 아니라 높은 전도성을 가지고 있어 전기활성균들의 성장에 유리한 장점을 가지고 있다. 상기 탄소류는 전처리를 수행하여 표면에 존재하는 오염물질을 산화시켜 제거하고 다공성과 전도성을 향상시키면 표면에 부착성장하는 전기활성균의 생체량을 증가하고 이종간전자전달을 향상되는 장점이 있다. 상기 탄소류의 바람직한 전처리방법은 펜톤 산화(fenton oxidation)방법이다. 상기 펜톤 산화방법을 사용하면 탄소류 표면에 존재하는 유기물 등의 이물질이 모두 제거되고 표면의 공극과 거칠기 그리고 전기전도도가 증가하여 전기활성균의 부착이 용이하게 된다. 상기 펜톤 산화방법은 과산화수소와 철이온을 혼합한 펜톤 용액에 카본류를 담지하고 교반하는 방법으로 수행될 수 있다. The conductive medium 60 is positioned between the insulating electrodes 21 and 22 . The conductive medium 60 not only serves to promote interspecies electron transfer of the electroactive bacteria, but also serves as a support for the electroactive bacteria to attach and grow. The conductive medium 60 may be a conductive carbon-based material or magnetite, but is preferably a carbon-based material such as carbon black, activated carbon, carbon nanotubes, graphene or graphite in the form of particles (60) or plate (61). am. A more preferable form is particulate activated carbon having a diameter of 5 to 10 mm. The carbons have excellent biocompatibility as well as high conductivity, which is advantageous for the growth of electroactive bacteria. When the carbons are pre-treated to oxidize and remove contaminants present on the surface and improve porosity and conductivity, the biomass of the electroactive bacteria attached to and growing on the surface is increased, and there is an advantage of improving electron transfer between species. A preferred pretreatment method of the carbons is a Fenton oxidation method. When the Fenton oxidation method is used, all foreign substances such as organic substances present on the carbon surface are removed, and the voids, roughness, and electrical conductivity of the surface are increased, so that the attachment of electroactive bacteria is facilitated. The Fenton oxidation method may be performed by supporting carbons in a Fenton solution in which hydrogen peroxide and iron ions are mixed and stirring.

상기 절연전극(21, 22)은 외부전압원(30)을 이용하여 분극시키면 절연전극들(21, 22) 사이에 전계가 형성되고 상기 전계에 노출된 일부 미생물들은 전기활성유전자를 발현하여 전기활성균으로 바뀌게 된다. 전계에 노출된 상기 전기활성균들은 물리적 접촉에 의한 직접이종간전자전달(direct interspecies electron transfer) 또는 비생물학적 산화환원물질의 매개에 의한 이종간전자전달(mediated interspecies electron transfer)에 의해 기질을 빠르게 효과적으로 대사한다. 비생물학적 산화환원물질은 미생물들이 내생상태에서 분비하는 플래빈, 퀴논 등의 물질이거나 휴믹질 물질 일 수 있다. When the insulating electrodes 21 and 22 are polarized using an external voltage source 30, an electric field is formed between the insulating electrodes 21 and 22, and some microorganisms exposed to the electric field express electroactive genes and thus electroactive bacteria. will be changed to The electroactive bacteria exposed to the electric field rapidly and effectively metabolize the substrate by direct interspecies electron transfer by physical contact or mediated interspecies electron transfer mediated by abiotic redox substances. . The abiotic redox material may be a material such as flavin and quinone secreted by microorganisms in an endogenous state, or a humic material.

상기 절연전극(21, 22)들을 양극과 음극으로 분극시켜 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)에 형성되는 전계는 0.2 V/cm 내지 3.3 V/cm이며, 바람직하게는 0.83 V/cm이다. 상기 전계가 0.2 V/cm 미만이면 전계의 세기가 약하여 전기활성균의 이종간전자전달 현상이 활발하지 않아 하폐수 처리효율이 저하될 수 있으며, 전계가 3.3V/cm를 초과하는 경우에는 전기활성균들의 종수가 감소하여 결국 이종간전달되는 전자의 양이 감소하며, 절연전극 표면의 코팅 층이 쉽게 약해지는 단점이 있다. The electric field formed in the bioelectrochemical ultra-high-level processing reactor 10 by polarizing the insulating electrodes 21 and 22 to positive and negative poles is 0.2 V/cm to 3.3 V/cm, preferably 0.83 V/cm. If the electric field is less than 0.2 V/cm, the strength of the electric field is weak and the heterogeneous electron transfer phenomenon of the electroactive bacteria is not active, so that the wastewater treatment efficiency may be lowered. As the number of species decreases, the amount of electrons transferred between species decreases, and the coating layer on the surface of the insulating electrode easily weakens.

상기 생물전기화학 초고도처리 반응조의 운전 초기에 주입하는 식종슬러지로는 기존의 하폐수처리 시설에서 채취 가능한 생물반응조의 활성슬러지, 하수슬러지의 혐기성소화조 내에 서식하는 혐기성슬러지, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.As the seeding sludge injected at the initial stage of operation of the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank, activated sludge of a bioreactor that can be collected from an existing wastewater treatment facility, anaerobic sludge living in an anaerobic digestion tank of sewage sludge, or a mixture thereof can be used. .

본 발명에서 식종균에 내포된 미생물을 전계에 노출시키면 일부 미생물들은 전기활성유전자를 발현시켜 전기활성균으로 변하게 되며, 생물전기화학 초고도처리 반응조에 전계에 연속적으로 노출되면 이들이 우점성장하게 된다. 상기 전기활성균은 체외전자방출균(exoelectrogens)과 전자영양균(electrotrophs)을 포함한다. 상기 체외전자방출균은 세포 외부로 전자를 전달하는 세균이며, 전자영양균(electrotrophs)은 전계에 의해 활성화되어 전자방출균에서 전달되는 전자를 이용하는 세균이다. 상기 전자영양균은 전계에 노출된 벌크용액에서 성장하며 체외전자방출균으로부터 전자를 직접 취하거나 비생물학적 산화환원물질의 매개에 의하여 전자를 취할 수 있는 세균이다. In the present invention, when the microorganisms contained in the inoculum are exposed to an electric field, some microorganisms express electroactive genes to change into electroactive bacteria, and when continuously exposed to an electric field in a bioelectrochemical ultra-high-level treatment tank, these microorganisms grow dominantly. The electroactive bacteria include exoelectrogens and electrotrophs. The in vitro electron-emitting bacteria are bacteria that transfer electrons to the outside of cells, and electrotrophs are bacteria that are activated by an electric field and use electrons transferred from the electron-emitting bacteria. The electron-trophic bacteria grow in a bulk solution exposed to an electric field, and are bacteria capable of taking electrons directly from the in vitro electron-emitting bacteria or taking electrons through the mediation of abiotic redox substances.

본 발명에 의한 상향류식 생물전기화학장치에 의해 초고도처리 가능한 하폐수는 생활하수, 산업폐수, 음폐수, 침출수, 농축산폐수, 수산양식폐수 등으로 다양하다. 그러나, 화학적 산소요구량(COD)이 40㎎/ℓ 이하이고 총 질소(TN) 농도가 20㎎/ℓ 이하인 것을 특징으로 하는 저농도 하폐수인 경우에도 효과적으로 초고도처리할 수 있다. 하폐수의 생물학적 처리에 있어서 기질(substrate)인 오염물질의 농도는 처리효율을 결정하는 중요한 요소이다. 따라서, 미생물의 기질친화도가 낮으면 낮은 농도의 오염물질은 효과적으로 처리할 수 없게 된다. 종래에는 하폐수를 침전 등의 물리화학적 방법으로 1차 처리한 뒤 생물학적으로 2차 처리한 뒤 방류하는 경우가 많았다. 그러나, 수계의 환경관리가 큰 사회적 이슈가 되고 있는 최근 하폐수처리 시설의 방류수기준이 점차 강화되고 있는 추세이다. 따라서, 강화되고 있는 방류수기준을 만족시키기 위해서는 하폐수처리장 2차 처리 유출수의 3차 처리에 해당하는 추가적인 초고도처리가 반드시 필요하다. 그러나, 하폐수처리장 2차 처리 유출수의 생물학적인 초고도처리는 열역학적인 한계로 인해 처리효율과 경제성이 낮았다. 본 발명에서는 상기 기질 친화도를 향상시키는 방법으로 체외전자방출균 및 전자영양균 등의 전기활성균들 사이의 이종간전자전달을 향상시켜 미생물의 대사과정을 향상시키는 방법을 사용한다. The sewage wastewater that can be treated at a very high level by the upflow bioelectrochemical device according to the present invention is diverse, such as domestic sewage, industrial wastewater, food wastewater, leachate, livestock and livestock wastewater, aquaculture wastewater, and the like. However, even in the case of low-concentration wastewater characterized in that the chemical oxygen demand (COD) is 40 mg/L or less and the total nitrogen (TN) concentration is 20 mg/L or less, it can be effectively treated with ultra-high-level treatment. In the biological treatment of wastewater, the concentration of contaminants as a substrate is an important factor determining treatment efficiency. Therefore, if the substrate affinity of microorganisms is low, it is impossible to effectively treat low concentrations of contaminants. Conventionally, there have been many cases in which wastewater is first treated by physicochemical methods such as sedimentation and then biologically secondarily treated and then discharged. However, in recent years, where environmental management of aquatic systems has become a major social issue, standards for effluent from wastewater treatment facilities are gradually being strengthened. Therefore, in order to satisfy the strengthened effluent standards, additional ultra-advanced treatment corresponding to the tertiary treatment of the effluent from the secondary treatment of the wastewater treatment plant is absolutely necessary. However, the biological ultra-advanced treatment of the secondary treatment effluent from the wastewater treatment plant had low treatment efficiency and economic feasibility due to thermodynamic limitations. In the present invention, as a method of improving the substrate affinity, a method of improving the metabolic process of microorganisms by improving the heterogeneous electron transfer between electroactive bacteria such as in vitro electron-emitting bacteria and electrontrophic bacteria is used.

본 발명은 다음의 단계를 포함하는 상향류식 생물전기화학장치를 이용한 하폐수의 초고도처리 방법을 제공한다. The present invention provides a method for ultra-advanced treatment of wastewater using an upflow bioelectrochemical device comprising the following steps.

제 1 단계: 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)에 전기활성균이 포함된 식종 슬러지를 공급하는 단계; Step 1: supplying the seeding sludge containing the electroactive bacteria to the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10;

제 2 단계: 상기 식종 슬러지가 공급된 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)에 상향류식으로 하폐수를 주입하는 단계;Second step: injecting wastewater in an up-flow manner into the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 to which the seeding sludge is supplied;

제 3 단계: 상기 하폐수가 공급된 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)에 전도성 매개체(60)를 주입하고 유전물질이 피복된 절연전극들(21), (22)을 설치하여 전극사이에 0.2 V/cm 내지 3.3 V/cm의 전계가 형성되도록 전압을 인가하는 단계.Step 3: Inject a conductive medium 60 into the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 supplied with the wastewater, and install dielectric materials-coated insulating electrodes 21 and 22 between the electrodes at 0.2 V Applying a voltage such that an electric field of /cm to 3.3 V/cm is formed.

생물전기화학 초고도처리 반응조(10)는 하부에 다공성인 유입수 분배기(50)가 설치되어 있으며, 하폐수의 처리가 진행되는 생물전기화학 초고도처리 반응조의 유효부에 절연전극(21, 22)이 설치되고 상기 절연전극(21, 22) 사이에 전도성 매개체(60)가 채워져 있으며, 상부에 처리수가 유출되는 통로가 위치한다. In the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10, a porous influent water distributor 50 is installed at the bottom, and insulating electrodes 21 and 22 are installed in the effective part of the bio-electrochemical ultra-advanced treatment tank in which the wastewater treatment is in progress. A conductive medium 60 is filled between the insulating electrodes 21 and 22, and a passage through which the treated water flows out is located.

상기 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)의 운전을 위하여 초기에 주입하는 식종 슬러지의 부피는 상기 반응조(10) 유효부피의 40 내지 60%이며, 바람직하게는 50%이다. 상기 식종 슬러지가 40% 미만으로 공급되면 전기활성균의 우점화를 위한 시간이 더 소요되어 초기 운전시간이 길어질 수 있으며 상기 식종 슬러지가 60%를 초과하더라도 전기활성균의 우점화 시간은 유사하다.The volume of the seeding sludge initially injected for the operation of the bioelectrochemical ultra-advanced treatment reactor 10 is 40 to 60% of the effective volume of the reactor 10, preferably 50%. When the seeding sludge is supplied at less than 40%, it takes more time for the dominance of the electroactive bacteria, and thus the initial operation time may be lengthened, and even if the seeding sludge exceeds 60%, the dominance time of the electroactive bacteria is similar.

상기 식종 슬러지가 공급된 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)의 유입수 분배기(50)를 통하여 하폐수를 상향류식으로 공급하여 식종 슬러지와 하폐수가 접촉하도록 하고 상기 공급한 하폐수에 의해 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)의 절연전극들(21, 22)이 잠기게 되면 절연전극들(21, 22) 사이에 0.2 V/cm 내지 3.3 V/cm의 전계가 형성되도록 전압을 인가하여 전극을 분극시킨다. The wastewater is supplied in an upward flow through the influent distributor 50 of the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 to which the seedling sludge is supplied, so that the seeding sludge and the wastewater come into contact, and the bioelectrochemical ultra-advanced treatment reactor by the supplied wastewater When the insulating electrodes 21 and 22 of (10) are submerged, a voltage is applied so that an electric field of 0.2 V/cm to 3.3 V/cm is formed between the insulating electrodes 21 and 22 to polarize the electrodes.

상기 절연전극들(21, 22) 사이에 채워진 전도성 매개체(60)는 생물친화도가 우수한 카본류로 구성되고, 상기 카본류는 전기활성균이 부착하여 성장하기 좋은 조건을 제공하기 위하여 산화방법을 이용하여 전처리함으로서 다공성이며 표면 거칠기가 향상된 상태이다. 상기 절연전극에 의해 형성된 전계로 인하여 전기활성균이 우점성장하게 되면 하폐수 뿐만 아니라 하수처리시설 2차 처리수와 같이 오염물질 농도가 낮은 폐수인 경우에도 효과적인 처리가 가능해진다. The conductive medium 60 filled between the insulating electrodes 21 and 22 is composed of carbons with excellent biocompatibility. It is porous and has improved surface roughness by pre-treatment using it. When the electroactive bacteria predominantly grow due to the electric field formed by the insulating electrode, effective treatment is possible not only in wastewater but also in wastewater with a low concentration of contaminants, such as secondary treated water from sewage treatment facilities.

하기 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.The present invention will be described in detail through the following examples.

실시예 Example

<상향류식 생물전기화학 초고도처리 장치><Upstream bioelectrochemical ultra-advanced processing device>

실시예에서 사용한 본 발명의 상향류식 생물전기화학장치는 유입수 분배기(50), 생물전기화학 초고도처리 반응조(10), 절연전극(21, 22), 전도성 매개체(60), 직류전원공급장치(30), 도선(40)으로 구성하였다.The upflow bioelectrochemical device of the present invention used in the embodiment is an inflow water distributor 50, a bioelectrochemical ultra-high-level processing reactor 10, insulating electrodes 21 and 22, a conductive medium 60, a DC power supply device 30 ), and a conducting wire (40).

상기 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)는 직사각형의 아크릴 수지로 제작하였으며, 생물전기화학 초고도처리 반응조(10) 하단에는 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)에 상향류식으로 유입수를 고르게 공급을 위하여 아크릴 판으로 제작된 다공성 유입수 분배기(50)를 설치하였다. 절연전극들(21, 22)을 생물전기화학 초고도처리 반응조(10) 내부에 3cm 간격으로 수직 설치하였으며, 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)의 잔여 내부공간에 전도성 매개체(60)를 충진시켰다. 생물전기화학 초고도처리 반응조(10) 상부에는 정화된 처리수를 배출하기 위한 유출구를 설치하였다.The bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 is made of rectangular acrylic resin, and at the bottom of the bio-electrochemical ultra-advanced treatment tank 10, the inflow water is evenly supplied to the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 in an upward flow manner. A porous influent distributor 50 made of a plate was installed. Insulated electrodes 21 and 22 were vertically installed at intervals of 3 cm inside the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10, and a conductive medium 60 was filled in the remaining internal space of the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10. An outlet for discharging purified treated water was installed at the upper portion of the bioelectrochemical ultra-high-level treatment reactor 10 .

상기 절연전극(21, 22)에는 직류전압원(30)를 연결하여 전압을 인가하면 분극되어 전계가 형성되도록 하였다(도 1 참조). 상기 절연전극들(21, 22)은 0.3 ㎜ 두께의 티타늄 호일의 표면을 유전물질인 폴리에스터로 코팅하여 제작하였다. A DC voltage source 30 is connected to the insulating electrodes 21 and 22 so that, when a voltage is applied, the insulating electrodes 21 and 22 are polarized to form an electric field (see FIG. 1 ). The insulating electrodes 21 and 22 were manufactured by coating the surface of a 0.3 mm thick titanium foil with polyester, which is a dielectric material.

상기 전도성 매개체(60)로는 전도성과 생물친화도가 우수한 활성탄(60)을 사용하였다(도 2 참조). 실시예에 이용한 전도성 매개체(60)는 7.5g/ℓ의 과산화수소와 1g/ℓ의 철이온이 혼합된 펜톤(fenton)용액에 담지하여 1 시간 동안 250rpm으로 교반하는 방법으로 전처리한 후 세척하여 건조한 직경 5 내지 8 ㎜의 활성탄 입자를 사용하였다. Activated carbon 60 having excellent conductivity and biocompatibility was used as the conductive medium 60 (see FIG. 2 ). The conductive medium 60 used in the example was loaded in a Fenton solution in which 7.5 g/L of hydrogen peroxide and 1 g/L of iron ions were mixed, pretreated by stirring at 250 rpm for 1 hour, washed and dried. Activated carbon particles of 5 to 8 mm were used.

<상향류식 생물전기화학 초고도처리 장치의 운전><Operation of upstream bioelectrochemical ultra-advanced processing equipment>

본 발명의 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치는 다음의 방법으로 운전하였다. 먼저 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)에 하수처리장의 생물반응조에서 채취한 호기성슬러지와 혐기성 소화조에서 채취한 혐기성 슬러지(식종균)의 1대 1 혼합물을 식종하였다. 생물전기화학 초고도처리 반응조(10)의 하부에 설치된 유입수 분배기(50)를 통해 하폐수를 상향류로 연속 주입하면서 절연전극들(21, 22)을 분극시켜 0.83 V/cm의 전극사이에 전계를 형성시켰다. 상기 식종균은 절연전극들 (21, 22) 사이에 형성된 전계에 의해 전기활성유전자를 발현시켜 전기활성균으로 변하여 우점성장하도록 하였으며, 이들 사이의 이종간전자전달에 의해 하수처리시설 2차 처리수에 포함된 저농도의 유기물질 및 질소가 고도로 처리되도록 하였다. 상기 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치의 처리수는 상부의 배출구를 통해 배출되도록 하였다.The upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater of the present invention was operated in the following manner. First, a one-to-one mixture of the aerobic sludge collected from the bioreactor of the sewage treatment plant and the anaerobic sludge (seeding bacteria) collected from the anaerobic digester was inoculated into the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank 10 . The insulated electrodes 21 and 22 are polarized while continuously injecting wastewater in an upward flow through the inflow water distributor 50 installed at the bottom of the bioelectrochemical ultra-high-level treatment tank 10 to form an electric field between the electrodes of 0.83 V/cm. made it The seeding bacteria expressed electroactive genes by the electric field formed between the insulated electrodes 21 and 22 to transform into electroactive bacteria to grow dominantly, and to the secondary treatment water of sewage treatment facilities by transferring electrons between them. The low concentrations of organic matter and nitrogen contained were made to be highly processed. The treated water of the upflow bioelectrochemical device for the ultra-advanced treatment was discharged through the upper outlet.

1) 실시예 및 비교예 1: 저농도 2차 처리 하폐수의 고도정화1) Examples and Comparative Examples 1: Advanced purification of low-concentration secondary treatment wastewater

실시예 (1)을 위한 저농도인 하수처리시설 2차 처리수의 3차 처리 실시예에서 사용한 모델폐수는 하폐수처리장 방류수기준을 바탕으로 합성하였으며, 그 특성은 <표 1>과 같다. 실시예 1에서는 상기한 구조의 상향류식 생물전기화학장치에 상기 모델폐수를 수리학적 체류시간 60분이 되도록 공급하여 상기한 방법으로 실험을 실시하였다. 비교예 (1)에서는 생물전기화학 초고도처리 반응조에 전계를 형성시키지 않았지만 실험장치와 다른 방법은 실시예 (1)과 동일하였다. The model wastewater used in the tertiary treatment example of the secondary treatment water of the low concentration sewage treatment facility for Example (1) was synthesized based on the effluent standard of the wastewater treatment plant, and its characteristics are shown in <Table 1>. In Example 1, the model wastewater was supplied to the upflow bioelectrochemical device having the above structure so that the hydraulic residence time was 60 minutes, and an experiment was conducted in the above-described manner. In Comparative Example (1), an electric field was not formed in the ultra-high-level bioelectrochemical treatment tank, but the experimental apparatus and other methods were the same as in Example (1).

조성(1ℓ) Composition (1ℓ) 분석결과Analysis 종류Kinds 함유량content 화학적 산소요구량(COD)Chemical Oxygen Demand (COD) 총 질소(TN)
(질소함유비, 몰비율)
Total Nitrogen (TN)
(Nitrogen content ratio, molar ratio)
CH3COONaCH 3 COONa 0.051g0.051g 40㎎/ℓ40mg/L 20㎎/ℓ
(암모니아성 질소 : 아질산성 질소: 질산성 질소 = 80 : 2 : 18)
20mg/L
(Ammonia nitrogen: nitrite nitrogen: nitrate nitrogen = 80: 2: 18)
KClKCl 0.005g0.005g NH3ClNH 3 Cl 0.061g0.061g NaCO2 NaCO 2 0.002g0.002g KNO3 KNO 3 0.023g0.023g

총 40일 동안 본 발명의 상향류식 생물전기화학장치를 운전하는 동안 2일에 한 번씩 처리수의 화학적 산소요구량(COD), 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소를 standard method에 따라 분석하였다.The chemical oxygen demand (COD) of treated water, ammonia nitrogen, nitrite nitrogen, and nitrate nitrogen were analyzed according to the standard method once every 2 days while operating the upflow bioelectrochemical device of the present invention for a total of 40 days. .

도 3은 실시예 1(BER)과 비교예 1(Control)의 화학적 산소 요구량(COD)의 시간에 따른 변화이다.3 is a change with time of the chemical oxygen demand (COD) of Example 1 (BER) and Comparative Example 1 (Control).

도 3의 결과에 따르면, 실시예 1 및 비교예 1 모두에서 유출수의 수질은 약 12일 후 안정화되었다. 그러나 유출수에서 비교예 1의 화학적 산소 요구량은 16.2㎎/ℓ로 높았으나 실시예 1의 화학적 산소 요구량은 1.49㎎/ℓ로 낮았다. According to the results of FIG. 3 , in both Example 1 and Comparative Example 1, the water quality of the effluent was stabilized after about 12 days. However, in the effluent, the chemical oxygen demand of Comparative Example 1 was as high as 16.2 mg/L, but the chemical oxygen demand of Example 1 was as low as 1.49 mg/L.

도 4는 실시예 1(BER)과 비교예 1(Control)에서 측정한 총 질소(T-N)의 시간에 따른 변화이다.4 is a change with time of the total nitrogen (T-N) measured in Example 1 (BER) and Comparative Example 1 (Control).

도 4의 결과에 따르면, 비교예 1에서 유출수의 총 질소 농도는 18.6㎎/ℓ에서 안정화된 반면, 실시예 1에서 유출수 총 질소 농도는 운전시작 약 4일부터 급격하게 감소하였으며, 3.48㎎/ℓ의 낮은 농도에서 안정한 값을 유지하였다.According to the results of FIG. 4 , the total nitrogen concentration of the effluent in Comparative Example 1 was stabilized at 18.6 mg/L, while the total nitrogen concentration of the effluent in Example 1 was sharply decreased from about 4 days after the start of operation, and 3.48 mg/L A stable value was maintained at low concentrations of

상기 결과에 따르면, 종래의 생물학적 반응조(비교예 1)는 기질인 오염물질의 농도가 낮은 2차 처리수의 효과적인 처리가 어렵다는 것을 나타낸다. 이에 반하여 본 발명의 상향류식 생물전기화학장치(실시예 1)는 전기활성균의 이종간전자전달에 의해 저농도 오염물질의 초고도처리가 가능하다는 것을 보여준다. According to the above results, the conventional biological reactor (Comparative Example 1) indicates that it is difficult to effectively treat secondary treated water having a low concentration of contaminants as a substrate. On the other hand, the upflow bioelectrochemical device (Example 1) of the present invention shows that ultra-high-level treatment of low-concentration contaminants is possible by heterogeneous electron transfer of electroactive bacteria.

2) 실시예 및 비교예 2: 실제 하수처리시설의 2차 처리 유출수의 초고도처리2) Examples and Comparative Example 2: Ultra-advanced treatment of secondary treatment effluent from actual sewage treatment facilities

실시예 2) 및 비교예 2)에서는 실제 하수처리시설의 2차 처리 유출수를 이용하여 실시예 1) 및 비교예 1)에서 사용한 것과 각각 동일한 본 발명의 하폐수 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치 및 방법을 사용하여 처리성능을 검증하였다. 상기 실제 하수처리시설의 2차 처리수의 특성은 하기 표 2와 같다.In Example 2) and Comparative Example 2), an upflow type bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater of the present invention, which is the same as that used in Example 1) and Comparative Example 1), respectively, using secondary treatment effluent from an actual sewage treatment facility and method were used to verify processing performance. The characteristics of the secondary treated water of the actual sewage treatment facility are shown in Table 2 below.

분석결과Analysis 화학적 산소요구량(COD)Chemical Oxygen Demand (COD) 총질소(TN)
(질소함유비, 몰비율)
Total nitrogen (TN)
(Nitrogen content ratio, molar ratio)
5.88 내지 6.11㎎/ℓ5.88 to 6.11 mg/L 4.74 내지 6.03㎎/ℓ
(암모니아성 질소 : 아질산성 질소: 질산성 질소 = 1 : 0 : 2.14)
4.74 to 6.03 mg/L
(Ammonia nitrogen: nitrite nitrogen: nitrate nitrogen = 1: 0: 2.14)
암모니아성 질소ammonia nitrogen 1.5 내지 1.95㎎/ℓ1.5 to 1.95 mg/L 아질산성 질소Nitrous Nitrogen 0㎎/ℓ0mg/L 질산성 질소nitrate nitrogen 3.22 내지 4.25㎎/ℓ3.22 to 4.25 mg/L

도 5는 실시예 2(BER)와 비교예 2(Control)에서의 측정한 화학적 산소 요구량(COD) 결과이다.5 is a chemical oxygen demand (COD) result measured in Example 2 (BER) and Comparative Example 2 (Control).

도 5의 결과에 따르면, 실시예 2 및 비교예 2 모두에서 유출수의 COD는 약 12일 후에 안정화되었다. 실시예 2의 유출수 COD는 약 1.5㎎/ℓ로 매우 낮았다. 이것은 본 발명에 의해 유입수의 COD 값이 5.88 내지 6.11㎎/ℓ로 매우 낮음에도 초고도처리할 수 있음을 보여준다. 이는 본 발명의 상향류식 생물전기화학장치를 이용하여 저농도인 2차 처리 하폐수의 유기성 오염물질을 초고도처리 할 수 있다는 것을 검증한 결과이다.According to the results of Figure 5, in both Example 2 and Comparative Example 2, the COD of the effluent was stabilized after about 12 days. The effluent COD of Example 2 was very low, about 1.5 mg/L. This shows that even though the COD value of the influent is very low as 5.88 to 6.11 mg/L by the present invention, it is possible to perform ultra-high-level treatment. This is the result of verifying that organic pollutants in low-concentration secondary treatment wastewater can be treated at a very high level using the upflow bioelectrochemical device of the present invention.

도 6은 실시예 2(BER)와 비교예 2(Control)에서 측정한 총 질소(T-N) 농도 결과이다.6 is a result of total nitrogen (T-N) concentration measured in Example 2 (BER) and Comparative Example 2 (Control).

도 6에서 보는 바와 같이, 비교예 2에서는 유입수 총 질소 농도 4.74 내지 6.03㎎/ℓ이었으며, 유출수 총 질소 농도는 약 5.8㎎/ℓ로 총 질소가 추가적으로 제거되지 않음을 확인할 수 있었다. 그러나 절연전극을 분극시켜 형성시킨 전계 하에서 실시한 실시예 2의 유출수 총 질소 농도는 2.62㎎/ℓ로 본 발명에 의하면 추가적인 총질소의 제거가 가능한 것으로 나타났다. 이는 본 발명의 상향류식 생물전기화학장치를 사용하면 저농도인 하수처리시설 2차 처리 유출수를 초고도처리할 수 있다는 것을 의미한다.As shown in FIG. 6 , in Comparative Example 2, the total nitrogen concentration in the influent was 4.74 to 6.03 mg/L, and the total nitrogen concentration in the effluent was about 5.8 mg/L, confirming that the total nitrogen was not additionally removed. However, the total nitrogen concentration of the effluent in Example 2 under the electric field formed by polarizing the insulating electrode was 2.62 mg/L, indicating that additional total nitrogen can be removed according to the present invention. This means that using the upflow bioelectrochemical device of the present invention, it is possible to ultra-highly treat low-concentration secondary treatment effluent from a sewage treatment facility.

3) 실시예 및 비교예 3: 실하폐수의 초고도처리3) Examples and Comparative Example 3: Ultra-advanced treatment of actual wastewater

실시예 3) 및 비교예 3)에서는 실제 하수처리시설 유입수를 본 발명의 하폐수 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치에 수리학적 체류시간 1시간, 3시간 및 5시간이 되도록 주입하여 실시예 1) 및 실시예 2)에서 사용한 것과 각각 동일한 방법으로 처리성능을 검증하였다. 또한, 수리학적체류시간 5시간에서 유출수를 반송하여 그 효과를 검증하였다. 상기 실제 하수처리시설의 유입폐수의 특성은 하기 표 3과 같다.In Example 3) and Comparative Example 3), the actual sewage treatment facility influent was injected into the upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater of the present invention so that the hydraulic residence time was 1 hour, 3 hours, and 5 hours. ) and Example 2), respectively, and the processing performance was verified by the same method. In addition, the effect was verified by returning the runoff at a hydraulic residence time of 5 hours. The characteristics of the inflow wastewater of the actual sewage treatment facility are shown in Table 3 below.

분석결과Analysis 화학적 산소요구량(COD)Chemical Oxygen Demand (COD) 총질소(TN)
(질소함유비, 몰비율)
Total nitrogen (TN)
(Nitrogen content ratio, molar ratio)
62.51 내지 68.21㎎/ℓ62.51 to 68.21 mg/L 26.88 내지 30.15㎎/ℓ
(암모니아성 질소 : 아질산성 질소: 질산성 질소 = 1 : 0 : 0.08)
26.88 to 30.15 mg/L
(Ammonia nitrogen: nitrite nitrogen: nitrate nitrogen = 1: 0: 0.08)
암모니아성 질소ammonia nitrogen 13.12 내지 15.44㎎/ℓ13.12 to 15.44 mg/L 아질산성 질소Nitrous Nitrogen 0㎎/ℓ0mg/L 질산성 질소nitrate nitrogen 1.05 내지 1.35㎎/ℓ1.05 to 1.35 mg/L 유기성 질소organic nitrogen 10.89 내지 14.65㎎/ℓ10.89 to 14.65 mg/L

도 7은 실시예 3(BER)와 비교예 3(Control)의 수리학적 체류시간과 반송에 따른 화학적 산소 요구량(COD) 처리성능을 보여준다.7 shows the chemical oxygen demand (COD) processing performance according to the hydraulic residence time and conveyance of Example 3 (BER) and Comparative Example 3 (Control).

도 7의 결과에 따르면, 수리학적 체류시간을 1시간으로 운전할 때 실시예 3 및 비교예 3 모두에서 약 12일 후 안정화되는 것이 확인 되었으며 실시예 3의 유출수의 화학적 산소 요구량(COD)은 약 6.00㎎/ℓ로 유지되었다. 유입되는 실폐수의 화학적 산소 요구량이 62.51 내지 68.21㎎/ℓ인 것을 고려하면 실폐수도 충분히 처리할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 수리학적 체류 시간을 3시간 이상으로 조정하여 운전하면 유출수의 화학적 산소 요구량(COD) 농도는 1.84 내지 2.90㎎/ℓ까지 감소하였다. 그러나 비교예 3의 유출수의 화학적 산소 요구량(COD) 농도는 수리학적 체류시간을 3시간 이상으로 조정하였음에도 불구하고 11.91 내지 12.40㎎/ℓ로 유지되어 실하수를 더 이상 낮은 농도로 처리 할 수 없었다. According to the results of FIG. 7 , when the hydraulic residence time was 1 hour, it was confirmed that in both Example 3 and Comparative Example 3, they were stabilized after about 12 days, and the chemical oxygen demand (COD) of the effluent of Example 3 was about 6.00. mg/L. Considering that the chemical oxygen demand of the incoming real wastewater is 62.51 to 68.21 mg/L, it was found that the real wastewater can be sufficiently treated. In addition, when the hydraulic residence time was adjusted to 3 hours or more, the chemical oxygen demand (COD) concentration of the effluent was reduced to 1.84 to 2.90 mg/L. However, the chemical oxygen demand (COD) concentration of the effluent of Comparative Example 3 was maintained at 11.91 to 12.40 mg/L even though the hydraulic residence time was adjusted to 3 hours or more, so that the real sewage could no longer be treated at a low concentration.

도 8은 실시예 3(BER)와 비교예 3(Control)의 총 질소(T-N) 처리성능을 보여준다.8 shows the total nitrogen (T-N) treatment performance of Example 3 (BER) and Comparative Example 3 (Control).

도 8에서 보는 바와 같이, 비교예 3의 유출수 총 질소 농도는 수리학적 체류시간을 1시간에 5시간까지 늘리고 0.5Q로 내부 반송을 하여도 약 21.05㎎/ℓ로 유지되어 유입총 질소 농도 26.88 내지 30.15㎎/ℓ인 하수의 총 질소는 거의 처리되지 않았다. 그러나 절연전극에 전압을 인가한 실시예 3의 유출수 총 질소 농도는 수리학적 체류시간을 1시간으로 조정하여 운전하였을 경우 약 11.28㎎/ℓ, 3시간일 경우 5.17㎎/ℓ, 5시간일 경우 4.15㎎/ℓ으로 제거효율이 크게 향상되었다. 또한, 수리학적 체류시간을 5시간에서 내부 반송을 0.5Q로 하여 운전하였을 경우에는 유출수 총 질소 농도는 2.98㎎/ℓ까지 감소하였다. 이는 절연전극에 전압을 인가한 상향류식 생물전기화학 초고도처리 반응조를 사용하면 하수를 효과적으로 처리가 가능함을 의미한다.As shown in FIG. 8, the total nitrogen concentration of the effluent of Comparative Example 3 was maintained at about 21.05 mg/L even when the hydraulic residence time was increased to 5 hours per hour and internally returned to 0.5Q, and the inflow total nitrogen concentration was 26.88 to The total nitrogen in the sewage of 30.15 mg/l was hardly treated. However, the total nitrogen concentration of the effluent in Example 3 in which a voltage was applied to the insulated electrode was about 11.28 mg/L when the hydraulic residence time was adjusted to 1 hour, 5.17 mg/L for 3 hours, and 4.15 for 5 hours. The removal efficiency was greatly improved with mg/L. In addition, when the hydraulic residence time was 5 hours and the internal return was 0.5Q, the total nitrogen concentration in the effluent was reduced to 2.98 mg/L. This means that it is possible to effectively treat sewage using an upflow bioelectrochemical ultra-high-level treatment tank in which voltage is applied to the insulated electrode.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.Although the present invention has been described above using several preferred embodiments, these examples are illustrative and not restrictive. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention and the scope of the appended claims.

10: 생물전기화학 초고도처리 반응조 21, 22: 절연전극
23: 바탕전극 24: 유전물질
30: 직류전원공급장치 40: 도선
50: 다공성 유입수 분배기 60: 입자형 전도성 매개체
61: 판형 전도성 매개체
10: bioelectrochemical ultra-high-level processing reactor 21, 22: insulated electrode
23: base electrode 24: dielectric material
30: DC power supply device 40: lead wire
50: porous influent distributor 60: particulate conductive medium
61: plate-shaped conductive medium

Claims (8)

하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치에 있어서,
다공성 유입수 분배기에 의해 하폐수가 상향류식으로 공급되는 생물전기화학 초고도처리 반응조;
상기 생물전기화학 초고도처리 반응조의 내부에 위치하며 유전물질이 피복된 2개 이상의 절연전극; 및
상기 2개 이상의 절연전극 사이에 배치된 전도성 매개체;
를 포함하며,
상기 하폐수는 화학적 산소요구량(COD)이 40㎎/ℓ이하 이거나 총 질소(TN) 농도가 20㎎/ℓ 이하인 저농도 하폐수 또는 하수처리장 유입수이며,
상기 전도성 매개체는 생물친화도가 높은 탄소기반 입자성 물질로서 과산화수소와 철이온이 혼합된 펜톤용액으로 전처리된 활성탄 입자인 것을 특징으로 하는 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치.
In the upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater,
a bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank in which wastewater is supplied in an upward flow by a porous influent distributor;
two or more insulating electrodes located inside the bioelectrochemical ultra-high-level processing reactor and coated with a dielectric material; and
a conductive medium disposed between the two or more insulating electrodes;
includes,
The wastewater is low-concentration wastewater or sewage treatment plant inflow water having a chemical oxygen demand (COD) of 40 mg/L or less or a total nitrogen (TN) concentration of 20 mg/L or less,
The conductive medium is a carbon-based particulate material with high biocompatibility, and is an up-flow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater, characterized in that it is activated carbon particles pretreated with a Fenton solution mixed with hydrogen peroxide and iron ions.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 2개 이상의 절연전극 사이에 0.2 내지 3.3 V/cm의 전계가 형성되도록 전압을 인가하여 분극시키는 것을 특징으로 하는 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치.
The upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater according to claim 1, wherein the polarization is applied by applying a voltage so that an electric field of 0.2 to 3.3 V/cm is formed between the two or more insulating electrodes.
제 1 항에 있어서, 상기 절연전극 사이에 전계 세기의 감쇄를 완화시키고 전기활성균이 부착성장을 촉진시키기 위하여 상기 전도성 매개체를 충진시킨 것을 특징으로 하는 하폐수의 초고도처리를 위한 상향류식 생물전기화학장치.
[Claim 2] The upflow bioelectrochemical device for ultra-advanced treatment of wastewater according to claim 1, wherein the conductive medium is filled between the insulating electrodes in order to alleviate the attenuation of the electric field strength and promote the adhesion growth of electroactive bacteria. .
삭제delete 생물전기화학 초고도처리 반응조에 식종 슬러지를 주입하는 제 1 단계;
상기 식종 슬러지가 공급된 생물전기화학 초고도처리 반응조에 상향류식으로 하폐수를 공급하는 제 2 단계; 및
상기 하폐수가 공급된 생물전기화학 초고도처리 반응조에 전도성 매개체를 주입하고 유전물질이 피복된 2개 이상의 절연전극을 설치한 후 상기 절연전극에 전압을 인가하여 전극사이에 0.2 내지 3.3 V/cm의 전계가 형성되도록 분극시키는 제 3 단계;를 포함하며,
상기 하폐수는 화학적 산소요구량(COD)이 40㎎/ℓ이하 이거나 총 질소(TN) 농도가 20㎎/ℓ 이하인 저농도 하폐수 또는 하수처리장 유입수이며,
상기 전도성 매개체는 생물친화도가 높은 탄소기반 입자성 물질로서 과산화수소와 철이온이 혼합된 펜톤용액으로 전처리된 활성탄 입자인 것을 특징으로 하는 상향류식 생물전기화학장치를 이용한 하폐수의 초고도처리방법.
A first step of injecting seedling sludge into a bioelectrochemical ultra-high-level treatment tank;
a second step of supplying wastewater in an upflow manner to the bioelectrochemical ultra-advanced treatment tank to which the seedling sludge is supplied; and
An electric field of 0.2 to 3.3 V/cm between the electrodes is applied by injecting a conductive medium into the high-level bioelectrochemical treatment tank supplied with the wastewater, installing two or more insulating electrodes coated with dielectric materials, and then applying a voltage to the insulating electrodes. A third step of polarizing to form
The wastewater is low-concentration wastewater or sewage treatment plant inflow water having a chemical oxygen demand (COD) of 40 mg/L or less or a total nitrogen (TN) concentration of 20 mg/L or less,
The conductive medium is a carbon-based particulate material with high biocompatibility, and is an ultra-advanced treatment method of wastewater using an upflow bioelectrochemical device, characterized in that it is activated carbon particles pretreated with a Fenton solution mixed with hydrogen peroxide and iron ions.
제 7 항에 있어서, 상기 하폐수 초고도처리를 위한 수리학적 체류시간이 60 내지 480분인 것을 특징으로 하는 상향류식 생물전기화학장치를 이용한 하폐수의 초고도처리방법.
[8] The method according to claim 7, wherein the hydraulic residence time for the ultra-advanced treatment of the wastewater is 60 to 480 minutes.
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