KR20080020012A - 생물전기화학 시스템을 이용한 탈질 방법 - Google Patents

생물전기화학 시스템을 이용한 탈질 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 생물전기화학 시스템을 이용하는 탈질 방법으로서, 물에 녹아있는 질산성 질소 성분을 담고 있는 하우징 내부 공간을 양이온 선택성 분리막(14)으로 2개의 공간 즉 양극부와 음극부로 분리시키고, 상기 양극부 내에 불용성 양극 전극(12)을 설치하며, 상기 음극부에는 혐기성 미생물막을 부착시킨 탄소계 음극 전극(16)을 설치하며, 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에서 DC 전원공급부(18)를 통해 직류 전류를 공급하도록 구성된 생물전기화학 시스템(10)을 이용하여, 상기 음극부 공간이 혐기성 환경을 유지되게 하면서, 상기 DC 전원공급부(18)에서 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에 10 mA 내지 400 mA의 일정한 직류 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다. 이에 따르면 저농도의 음용수 내의 질소 제거뿐만 아니라 생활하수 및 여러 산업폐수에 포함되어 있는 고농도 질소도 제거가능하다.
탈질, 질산성 질소, 생물전기화학, 미생물, 전극

Description

생물전기화학 시스템을 이용한 탈질 방법{Denitrification Method Using A Bio-Electro-Chemical System}
도 1은 본 발명의 방법에 사용되는 생물전기화학 시스템의 구조를 개략적으로 보여주는 개략단면도.
도 2는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 사용되는 음극 전극에 부착된 미생물 막을 전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰한 모습을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 방법의 일 실시예에서 질산성 질소의 환원 및 산화환원 전위(OPR) 변화를 보여주는 그래프.
도 4는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 적정 전류에 의한 아질산성 질소의 환원 정도를 보여주는 그래프.
도 5는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 질산성 질소의 초기 농도 변화에 따른 질산성 질소의 환원 및 아질산성 질소의 변화를 보여주는 그래프.
<도면의 주요부호의 간단한 설명>
10 : 생물전기화학 시스템(생물반응기)
12 : 양극 전극 14 : 양이온 선택성 분리막
16 : 음극 전극 17 : 가스 콜렉터
18 : DC 전원 공급기
본 발명은 일반적으로 폐수 등에 포함되어 있는 질소를 제거하기 위한 탈질 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 미생물이 음극 전극 즉 환원된 전극을 전자공여체로서 이용하며 질산성 질소를 전사수용체로서 이용하는 혐기성 호흡을 통해 탈질 반응을 수행하도록 함으로써 폐수 등에 포함되어 있는 질산성 질소를 제거하는 방법에 관한 것이다.
통상 수질내 미생물을 이용하여 질소를 제거하는 방법으로는 종속영양탈질(Heterotrophic denitrification)과 독립영양탈질(Autotrophic denitrification)로 크게 나눌수 있다. 현재는 대부분 미생물의 탄소원을 외부에서 공급하는 종속영양탈질에 의존하고 있다. 이 방법은 처리효율이 낮고 recirculation 시(100-400%) 동력비가 많이 들뿐만 아니라 전자공여체로 유기탄소원(methanol, acetic acid)을 필요로 한다. 또한 후속공정에서 미처리된 유기물을 제거해 주어야 하기 때문에 처리 비용이 커지는 단점을 가지고 있다.
따라서 근래에 들어 이러한 단점을 가지는 종속영양탈질 보다는 상대적으로 부족하게 연구되어있는 독립영양탈질에 대한 관심이 증대되고 있다. 독립영양탈질은 외부탄소원이 필요 없으며 저비용의 공정이 가능하고, 부수적으로 생산되는 슬 러지양이 적다. 독립영양탈질에는 수소(H2)를 이용하는 수소이용성 독립영양탈질(autohydrogentrophic denitrification), 철을 이용하는 경우, 황(sulfur)을 이용하는 경우로 나눌 수 있다. 수소이용성 독립영양탈질은 수소의 낮은 용해도와 폭발의 위험성이 단점이며, 황이용성 독립영양탈질은 탈질시 알칼리도가 파괴되며, 특히 고농도의 질산성질소를 함유하고 알칼리도가 낮은 폐수의 경우 pH가 떨어져 탈질이 더 이상 진행되지 않으며, 고농도의 질산성질소를 처리할 경우 부산물로서 고농도의 황산염이온이 생성된다는 부수적인 단점을 안고 있기 때문에 처리 가능한 폐수는 한정적이었다. 이를 극복하기 위한 한 방안으로 외국에서 석회석을 황입자와 섞어 알칼리도를 공급하는 공정을 연구하기도 하지만 여전히 고농도의 질소 처리시 석회석의 알칼리도 공급제한 및 TDS의 증가, 생성되는 황산염이온 농도의 증가라는 문제점을 가지고 있어(Kim, 2002) 고농도의 질산성 질소를 제거하기에 어렵다는 단점을 가지고 있다.
따라서 종래 종속영양방식의 이차 오염 문제를 제거하면서도 종래 독립영양탈질 방식의 고농도 질소의 제거가 효과적으로 가능한 경제성 있는 탈질 방법을 제공한다면 유리할 것이다.
본 발명은 상술한 종래의 생물학적 또는 전기화학적 방법의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 특히 전기화학적 방법과 생물학적 방법을 융합한 생물전기화학적 방법을 채용하여 종래 철, 수소, 황을 이용하여 양성자(H+)와 전자(e-)를 전달하 던 방식이 아니라 직접 미생물에 제공하도록 구성한 생물전기화학적 시스템을 이용한 탈질 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
일반적으로 생물전기화학적 방법은 현재 생물연료전지 또는 미생물연료전지 분야에 많이 이용되고 있는 방법이다. 미생물연료전지는 음극부(anode)에 있는 미생물을 이용하여 유기물을 분해하면서 생성되는 양성자와 전자를 양극부(cathode)에 전달하며 양극부에서 산소(O2)를 이용하여 양성자와 전자를 소비하는 방식이다. 이 미생물 연료전지는 현재 glucose, acetate등의 유기물을 분해하여 전기를 생산하는 장치로서 잘 알려져 있다.
하지만 본 발명은 미생물연료전지와는 다른 개념으로서, 양극부(Anode)에서 물의 전기분해에 의해 생성된 양성자와 전자를 이용하여 음극부(cathode)에서 전자와 양성자가 전자공여체로 이용되어 미생물이 질산성질소를 환원할 수 있도록 한다는 특징을 가진다.
상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 생물전기화학 시스템을 이용한 탈질 방법에 의해 성취된다.
본 발명에 따라 제공되는 탈질 방법은, 생물전기화학 시스템을 이용하는 탈질 방법으로서, 물에 녹아있는 질산성 질소 성분을 담고 있는 하우징 내부 공간을 양이온 선택성 분리막으로 2개의 공간 즉 양극부와 음극부로 분리시키고, 상기 양극부 내에 불용성 양극 전극을 설치하며, 상기 음극부에는 혐기성 미생물 막을 부 착시킨 탄소계 음극 전극을 설치하며, 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에서 DC 전원공급부를 통해 직류 전류를 공급하도록 구성된 생물전기화학 시스템을 이용하여, 상기 음극부 공간이 혐기성 환경을 유지되게 하면서, 상기 DC 전원공급부에서 상기 양극 전극과 상기 음극 전극 사이에 10 mA 내지 400 mA의 일정한 직류 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 양극 전극은 불용성 Ag/AgCl을 주성분으로 하는 얇은 플레이트형의 전극이며 주위를 3.3M KCl 수용액이 감싸고 있고, 상기 음극 전극은 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이트형 전극이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이트형 음극 전극의 적어도 일면에는 폐수에서 유래하는 혐기성 슬러지로부터 채취된 미생물을 배양시켜 형성한 혐기성 미생물 막이 덮혀 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 방법에 사용되는 생물전기화학 시스템의 구조를 개략적으로 보여주는 개략단면도이며, 도 2는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 사용되는 음극 전극에 부착된 미생물 막을 전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰한 모습을 보여주는 도면이고, 도 3은 본 발명의 방법의 일 실시예에서 질산성 질소의 환원 및 산화환원 전위(OPR) 변화를 보여주는 그래프이며, 도 4는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 적정 전류에 의한 아질산성 질소의 환원 정도를 보여주는 그래프이고, 한편 도 5는 본 발명의 방법의 일 실시예에서 질산성 질소의 초기 농도 변화에 따른 질 산성 질소의 환원 및 아질산성 질소의 변화를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 전체적으로, 미생물이 음극 전극 즉 환원된 전극을 전자공여체로서 이용하고 질산성 질소를 전자수용체로 이용하여 혐기성 호흡을 통해 탈질 반응을 수행하는 방법이라는 특징을 가진다. 다시 말해서 본 발명은 수질내 질소를 제거하는 기존의 종속영양 탈질에 대체하는 전기분해를 응용한 새로운 방식의 독립영양 탈질기술에 관한 것이다. 본 발명은 구체적으로, 양극부에는 물을 전기분해하여 양성자(H+)와 전자(e-)를 생성하며, 음극부에서는 양극부에서 생성된 양성자(H+)와 전자(e-)를 받아 질산성 질소(NO3 --N)를 최종적으로 N2로 탈질시키는 것이 특징인 생물전기화학적 방법이라고 할 수 있다.
도 1에 도시된 본 발명에 이용되는 생물전기화학 시스템(10)은, 물에 녹아있는 질산성 질소 성분을 담고 있는 하우징 내부 공간을 양이온 선택성 분리막(14)으로 2개의 공간 즉 양극부와 음극부로 분리시키고, 상기 양극부 내에 불용성 양극 전극(12)을 설치하며, 상기 음극부에는 혐기성 미생물막을 부착시킨 탄소계 음극 전극(16)을 설치하며, 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에서 DC 전원공급부(18)를 통해 직류 전류를 공급하도록 구성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 양극 전극(12)은 불용성 Ag/AgCl을 주성분으로 하는 얇은 플레이트형의 전극이며 3.3M KCl 수용액에 접하고, 상기 음극 전극(18)은 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이트형 전극이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이 트형 음극 전극(16)의 적어도 일면에는 폐수에서 유래하는 혐기성 슬러지로부터 채취된 미생물을 배양시켜 형성한 혐기성 미생물 막이 덮혀 있다.
이 혐기성 미생물 막은, 폐수처리시 나오는 활성 슬러지에서 채취된 미생물을 배양하여 부착시킨 것으로서, 이러한 미생물막의 성질과 배양 방법은 종래 생물연료전지 및 그 응용 분야에서 잘 알려져 있다. 생물연료전지 및 그 응용의 예를 들면, 특허 출원번호 10-1996-0036468 “금속염 환원세균을 사용한 생물연료전지”, 특허 출원번호 10-1999-0027168 “폐수 및 폐수처리용 활성슬러지를 사용한 생물연료전지”, 및 특허 출원번호 10-1999-0027167 “미생물의 전기화학적 농화배양 방법 및 유기물질 및 BOD 분석용 바이오센서”등의 등록공보에 잘 기재되어 있다.
본 발명에서 이용하는 혐기성 미생물들은 산소가 없는 조건에서 유기물을 소비하고 이 과정에서 발생하는 전자를 소비하기 위하여 산소 이외의 최종 전자수용체를 사용하게 되는데 1990년대부터 금속염을 전사수용체로 사용하는 혐기성 미생물인 “금속염 환원세균(metal deducing bacteria)"가 알려져 있다. 예컨대 금속염 환원세균의 일종인 Shewanella putrefaciens는 종래 미생물 연료 전지 분야에서 사용하던 전자전달 매개체 없이 직접 세포 외부에 존재하는 전자수용체에 전자를 전달할 수 있어 무매개체 미생물연료전지 분야의 연구에서 활발히 사용되고 있다. 본 발명에서 사용하는 미생물은 바람직하게는 이러한 무매개체 미생물연료전지(또는 생물연료전지) 분야에서 사용되는 미생물이므로, 당업자에게는 잘 알려져 있고 이를 탄소재질의 플레이트에 농화 배양시키는 방법도 잘 알려져 있다.
본 방법에 따르면, 생물전기화학 시스템(10)을 이용하여, 상기 음극부 공간 이 혐기성 환경을 유지되도록 예컨대 가스 콜렉터(17)와 같은 기구를 사용하여 질소 가스를 퍼징할 수 있다. 이러한 혐기성 환경하에서, 상기 DC 전원공급부(18)에서 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에 10 mA 내지 400 mA의 일정한 직류 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.
공급된 전류에 의해 양극 전극(12)에서 물이 전기분해되어 전자와 양이온이 발생한다. 발생된 전자는 전극들 사이에 연결된 도선을 따라 음극 전극(16)으로 이동하게 되고, 발생된 양이온은 두 전극 사이의 전해질 용액을 통해 양이온 선택성 분리막(14)을 거쳐 미생물 막이 부착되어 있는 음극 전극(16)쪽으로 이동하게 된다. 음극 전극(16)에 부착되어 있는 미생물 막 내의 미생물들은 혐기성 호흡을 하게 되는데, 이때 전자 공여체로서 음극 전극(16)에 도착하는 전자를 이용하며, 전해질 물질 내의 질산성 질소를 전자수용체로서 이용하게 된다. 특히 이 미생물들은 음극 전극(16)의 전자를 별도의 매개체없이 직접 이용한다.
<실시예>
본 발명의 탈질 방법의 실시예에서 사용하는 생물전기화학적 시스템(10)은 양극부(Anode)에서 양성자와 전자가 음극부(cathode)로 전달되어 전자공여체로 이용되며 이들 전자공여체로 질산성질소를 환원시키는 반응기로서 음극부 전극에 미생물을 농화배양시켜 만든 ‘생물반응기’라고 할 수 있다. 본 생물반응기(10)는 양극부(anode) 즉 양극 전극(12), 음극부(cathode) 즉 음극 전극(16), 양이온 선택성 분리막(cation-selective membrane)(14), 전원공급기(power supply)(18)로 구성되어 있다.
양극부는 산화방지를 막기위해 불용성 전극을 이용하였고 음극부는 흑연펠트 전극을 이용하였으며 음극부 표면에 미생물을 부착시켜 생물막을 형성시켰다. 양극부에서는 물을 전기분해해서 양성자와 전자를 생성한다.
(+) : 2H2O --> O2 + 4H+ + 4e- ---- (1)
음극부에서는 이들 양성자(H+)와 전자(e-)를 받아 질산성질소를 환원시켜 최종 N2로 전환시킨다.
(-) : 2NO3 - + 5H+ + 5e- --> N2 + 4H2O + 2OH- ---- (2)
또한 생물반응기(10)는 양극부(12)와 음극부(16) 사이에 양이온 선택성 분리막(14)을 설치하여 양성자만 음극부(16)로 선택적으로 전달되게 하였다. 전자는 도선을 따라 양극부(12)에서 음극부(16)로 전달된다.
1. 생물반응기 구성 및 실험 배지
본 발명의 실시예에 이용된 생물반응기(10)의 전체 용량은 2.5 리터이고 실제 반응 용량 즉 양성자 선택성 분리막에 의해 분리되어 있는 음극부의 용량은 1리터이다. 양극 전극과 음극 전극의 면적은 각각 105 cm2이다.
음극부에 미생물 막을 형성시키기 위해 서울중량하수처리장에서 혐기성 슬러지를 채취하고 음극 전극에 약 60일 동안 농화배양시켜 부착하였으며, 전원공급부에서 직류 전원을 공급하여 전류가 200mA로 지속적으로 유지하도록 하였다. 이 때 질산성 질소를 저농도를 음극부로 지속해서 주입하였다.
생물 반응기(10)의 온도는 25-30℃ 정도로 유지시켰다. 생물반응기(10)에 사용된 배지는 K2HPO4 6.8 g/l, KH2PO4 8.7 g/l, NaHCO3 2.0 g/l, trace element solution 1 ml 로 구성되어 있다. Trace element solution은 MgSO4·7H2O 10.0 g/l, ZnSO4·7H2O 2.2 g/l, CaCl2·2H2O 7.3 g/l, MnCl2·4H2O 2.5 g/l, CoCl4·6H2O 0.5 g/l, FeSO4·7H2O 5.0 g/l, CuSO4·5H2O 0.2 g/l로 구성되어 있다.
2. 음극 전극에 농화배양된 생물막 확인
도 2에 도시된 바를 참조하면, 음극 전극에 농화배양된 생물막을 확인하기 위해 미생물 첨가전 음극 전극(도 2의 B. 대조구, 흑연펠트 전극 표면)과 미생물을 첨가하여 배양한 뒤의 음극 전극(도 2의 A. 농화배양하여 미생물 막을 입힌 것)을 취하여 1% glutaldehyde/formaldehyde에 고정시킨 후 Scanning electron microscope (SEM)을 이용하여 생물막을 확인하였다(Bond and Lovley [16]).
3. 탈질에 의한 산화환원 전위의 변화
도 3에 도시된 그래프와 같이 탈질에 의한 산화환원 전위를 측정하기 위해 Ag/AgCl/(3.3M) KCl 전극을 이용하였다. 도시된 바와 같이, 질산성 질소 70 mg NO3 --N/l을 생물반응기(10)를 이용하여 환원시켰을 때 산화환원전위(Oxidation reduction potential, ORP)는 -89.67 mV에서 -260.67 mV로 감소하는 경향을 보였다. 이는 산화환원전위가 질산성 질소의 환원으로 인해 그 값이 변화됨을 알 수 있 었다. 또한 pH 값도 질산성 질소가 환원으로 증가하였음을 알 수 있었다.
4. 전자를 이용한 생물반응기의 탈질 반응
도 4에 도시된 바와 같이, 전기활성을 갖는 미생물의 최적 적정 전류를 찾기 위해 전류의 값을 변화시키면서 탈질 정도를 확인하였다. 전류는 10 mA부터 500 mA까지 5 mA씩 변화시키면서 전류에 대한 탈질 정도를 확인하였다. 전류를 200 mA까지 증가시켰을 때 탈질은 약 98%정도 이루어졌지만 200 mA를 넘어갔을 때는 오히려 감소하는 경향을 보였다. 도시된 바에 의해 확인되듯이, 전류를 10 mA 내지 400 mA 로 흘렸을 때 80% 이상의 탈질 효과를 볼 수 있었다. Bond and Lovley 논문에서는 100 mA의 정전류를 흘려주었을 때 생산되는 수소의 양이 같은 전류시 환원되는 질소의 양과 비교했을 때 1000배나 부족했으며 본 실험에서도 200 mA에서 생산되는 수소의 양과 질산성 질소의 환원량을 계산했을 때 100배 이상의 차이를 보였다. 따라서 이것은 수소에 의한 탈질이 아니라 생물전기화학적 방법에 의해 생성된 전자에 의한 생물반응이라 할 수 있다.
5. 고농도 질산성 질소의 환원
도 5에 도시된 바와 같이, 생물반응기에 의한 고농도 질산성 질소의 환원을 확인하기 위해 여러 가지 다양한 농도에서 질산성 질소의 농도를 확인하였다. 질산성 질소의 농도는 20 - 492 mg NO3 --N/l로 다양하게 변화시켰으며 각 농도별 질산성 질소의 변화와 아질산성 질소의 변화를 관찰하였다. 초기 질산성질소의 농도가 증가할수록 환원율도 같이 증가하였으며 아질산성 질소의 생성농도도 증가하였으나 질산성 질소의 환원에 영향을 미치지는 않았다. 기존의 다른 독립영양 탈질 실험들은 거의 저농도 (50 mg NO3 --N/l)에서 실험되었지만 (6, 20, 21, 22) 본 실험에서는 약 500 mg NO3 --N/l 정도의 고농도로 실험했을 때도 거의 질산성 질소가 환원되었다. Monad kinetic model을 이용하여 얻어진 최대 질산성 질소 환원율을 0.17 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day이였다. 이 값은 생물막 반응기를 이용한 기존에 연구된 다른 독립영양 탈질 반응에서 얻어진 최대 환원율과 비교하였다. Kurt et al. [20]의 경우 최대 질산성 질소 환원율은 0.031 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day, Liessens et al. [25]의 경우는 0.023 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day, MacDonald [26]의 경우는 0.083 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day. Sakakibara and Kuroda [9]의 경우는 0.038 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day 이며 Gregory et al. [11] 의 경우는 0.13 mg NO3 --N/cm2 (biofilm surface area)/day. 본 생물막을 이용한 실험에서 얻어진 최대 질산성 질소의 환원율이 다른 기존에 연구된 것보다 월등히 뛰어났다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 범위가 설명된 예에만 국한되는 것은 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진자 즉 당업자라면 개시된 내용을 기초로 해당 기술분야의 통상의 지식을 응용하여 다양한 변형과 수정이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 예에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위에 의해서 해석되어야 할 것임을 지적해둔다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 생물전기화학적 방법을 이용한 생물반응기를 이용했을 때 기존에 많이 연구되었던 종속영양탈질 방법에서 제기된 이차적 오염문제를 해결할 수 있는 장점이 있다. 또한 기존의 독립영양 탈질 방법이 저농도 탈질에만 이용 가능하였지만 본 생물반응기를 이용하여 저농도의 음용수내의 질소 제거뿐만 아니라 생활하수 및 여러 산업폐수에 포함되어 있는 고농도 질소도 제거 가능하다는 효과를 제공한다.

Claims (3)

  1. 생물전기화학 시스템(10)을 이용하는 탈질 방법으로서, 물에 녹아있는 질산성 질소 성분을 담고 있는 하우징 내부 공간을 양이온 선택성 분리막(14)으로 2개의 공간 즉 양극부와 음극부로 분리시키고, 상기 양극부 내에 불용성 양극 전극(12)을 설치하며, 상기 음극부에는 혐기성 미생물막을 부착시킨 탄소계 음극 전극(16)을 설치하며, 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에서 DC 전원공급부(18)를 통해 직류 전류를 공급하도록 구성된 생물전기화학 시스템(10)을 이용하여, 상기 음극부 공간이 혐기성 환경을 유지되게 하면서, 상기 DC 전원공급부(18)에서 상기 양극 전극(12)과 상기 음극 전극(16) 사이에 10 mA 내지 400 mA의 일정한 직류 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는, 생물전기화학 시스템을 이용하는 탈질 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 전극(12)은 불용성 Ag/AgCl을 주성분으로 하는 얇은 플레이트형의 전극이며 3.3M KCl 수용액에 담겨있고, 상기 음극 전극(16)은 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이트형 전극인 것을 특징으로 하는, 생물전기화학 시스템을 이용하는 탈질 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 흑연 펠트를 주성분으로 하는 얇은 플레이트형 음극 전극(16)의 적어도 일면에는 폐수에서 유래하는 혐기성 슬러지로부터 채취된 미생 물을 배양시켜 형성한 혐기성 미생물 막이 덮혀 있는 것을 특징으로 하는, 생물전기화학 시스템을 이용하는 탈질 방법.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010023677A2 (en) * 2008-08-25 2010-03-04 Thermax Limited Apparatus and method for wastewater treatment
NL2003812C2 (en) * 2009-11-17 2011-05-18 Stichting Wetsus Ct Excellence Sustainable Water Technology Bio-electrochemical device and method for upgrading a fluid.
CN102491515A (zh) * 2011-11-22 2012-06-13 重庆大学 一种适用于处理低碳氮比高氨氮废水的三维电极生物膜系统
CN103183402A (zh) * 2013-04-21 2013-07-03 北京工业大学 一种适用于低碳氮比再生水的强化脱氮除磷方法
KR101360374B1 (ko) * 2013-05-28 2014-02-10 주식회사 미래지앤씨 전기응집 및 독립영양탈질 반응장치
CN105859054A (zh) * 2016-06-15 2016-08-17 句容苏米特环保科技有限公司 利用微生物电化学处理污水的装置、方法及微生物膜培养方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101082767B1 (ko) 2009-11-02 2011-11-11 태극아이비에이(주) 다중벽 탄소나노튜브 음극의 전자 방출에 의한 직접 환원 공정을 이용한 전기 화학적 폐수 탈질 방법, 및 그 탈질 장치
KR101137479B1 (ko) * 2010-02-26 2012-04-20 명지대학교 산학협력단 음극반응조에 산소를 공급하기 위해 음극반응조에 대기중의 공기를 주입하는 대신 오존을 주입하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지
KR101212975B1 (ko) 2010-10-12 2012-12-18 태극아이비에이(주) 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법 및 그 장치
KR101325209B1 (ko) * 2011-12-09 2013-11-04 한국원자력연구원 생물전기화학적 방법을 이용하여 하폐수의 유기물 및 질소를 동시에 제거하는 폐수처리 방법
KR20210097529A (ko) 2020-01-30 2021-08-09 (주)한국생물전기화학 아질산이온 및 질산이온을 전자수용체로 사용하는 생물전기화학 기반 혐기성 질소제거방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100332932B1 (ko) * 1999-07-07 2002-04-20 박호군 폐수 및 폐수처리용 활성슬러지를 사용한 생물연료전지
KR100382745B1 (ko) * 2000-03-24 2003-05-09 주식회사 이바이오텍 염색폐수의 생물전기화학적 처리

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010023677A2 (en) * 2008-08-25 2010-03-04 Thermax Limited Apparatus and method for wastewater treatment
WO2010023677A3 (en) * 2008-08-25 2011-01-06 Thermax Limited Apparatus and method for wastewater treatment
NL2003812C2 (en) * 2009-11-17 2011-05-18 Stichting Wetsus Ct Excellence Sustainable Water Technology Bio-electrochemical device and method for upgrading a fluid.
WO2011062485A3 (en) * 2009-11-17 2011-07-07 Stichting Wetsus Centre Of Excellence For Sustainable Water Technology Bio-electrochemical device and method for upgrading a fluid
CN102491515A (zh) * 2011-11-22 2012-06-13 重庆大学 一种适用于处理低碳氮比高氨氮废水的三维电极生物膜系统
CN102491515B (zh) * 2011-11-22 2013-10-02 重庆大学 一种适用于处理低碳氮比高氨氮废水的三维电极生物膜系统
CN103183402A (zh) * 2013-04-21 2013-07-03 北京工业大学 一种适用于低碳氮比再生水的强化脱氮除磷方法
CN103183402B (zh) * 2013-04-21 2014-09-03 北京工业大学 一种适用于低碳氮比再生水的强化脱氮除磷方法
KR101360374B1 (ko) * 2013-05-28 2014-02-10 주식회사 미래지앤씨 전기응집 및 독립영양탈질 반응장치
CN105859054A (zh) * 2016-06-15 2016-08-17 句容苏米特环保科技有限公司 利用微生物电化学处理污水的装置、方法及微生物膜培养方法

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