KR20100026675A - 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치 - Google Patents

전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치에 관한 것으로 이를 더욱 상세히 설명하면 구조적으로 산화부에 혐기조건 및 환원부에 호기조건이 형성되도록 하여 폐수를 미생물에 의해 처리하고 이와 동시에 전기가 발생하도록 하며, 전기발생 및 폐수처리를 할 수 있는 유닛을 모듈화 함으로써 필요한 폐수처리량 등에 따라 선택적으로 전기발생량 및 폐수처리량을 조절할 수 있고, 기존의 활성슬러지조에 설계변경이 없이 사용이 가능한 전기생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치에 관한 것이다.
전기활성박테리아 융합장치, 산화부, 환원부, 전기반응부

Description

전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치{Electrically active bacteria Fusion Equipment for electricity generation and wastewater treatment}
본 발명은 전기생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치에 관한 것으로 이를 더욱 상세히 설명하면 구조적으로 산화부에 혐기조건 및 환원부에 호기조건이 형성되도록 하여 폐수를 미생물에 의해 처리하고 이와 동시에 전기가 발생하도록 하며, 전기발생 및 폐수처리를 할 수 있는 유닛을 모듈화 함으로써 필요한 폐수처리량 등에 따라 선택적으로 전기발생량 및 폐수처리량을 조절할 수 있고, 기존의 활성슬러지조에 설계변경이 없이 사용이 가능한 전기생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기활성박테리아 융합장치는 종래 생물연료전지(Biofuel Cell), 미생물연료전지(Microbial Fuel Cells), 머드배터리(Mud Battery) 등으로 불리는 전기활성박테리아를 이용한 바이오연료전지 기술을 수정 개선하여 기존 폐수처리장 에 실제 적용이 가능한 실용적 구조의 환경기술-바이오기술 융합형 장치이다.
한편 미생물연료전지는 미생물을 생촉매로 이용하여 미생물이 유기물을 분해 산화하는 과정에서 발생하는 환원력을 전기에너지로 직접 전환시키는 것이다. 최초의 미생물연료전지 개념은 1912년 Potter에 의해 제안되었으며, 이 후 1980년대에 Bennetto에 의해 순수 종의 박테리아가 인공적인 전자매개체를 첨가하였을 때 유기물로부터 비교적 높은 전기를 발생시킬 수 있음을 보여주었다. [Potter, Proc R Soc Ser B, 1912, 84, 260-276; Bennetto 등, Bioeng., 1983, 25, 559; Bennetto 등, Biotechnol. Lett., 1985, 7, 699]
상기 전자매개체는 미생물막을 통과하여 미생물 대사과정에서 발생한 전자를 포획하여 환원된 후 다시 막을 통과하여 산화전극으로 이동하여 전극에 전자를 전달하고 산화되는 물질로써 미생물과 전극 간에 전자를 전달하는 역할을 한다. 하지만 전자매개체는 연속 주입에 따른 비용 문제, 미생물에 대한 독성 문제 등으로 인해 영속적인 시스템 운전에 장애를 유발한다.
이에 1999년 한국과학기술연구원 김병홍박사 연구팀에서 세계 최초로 개발한 무매개체 미생물연료전지는 혐기성 세균인 철환원 박테리아를 농화 배양하여 전자매개체 도움 없이 미생물로부터 전극으로 전자를 전달하여 전기를 생산할 수 있음을 입증하였고, 이를 통해 새로운 대체 에너지원으로 미생물연료전지의 연구가 활발하게 진행되어 왔다. [김병홍 등, 1999, 한국특허출원, 10-1999-0027168; Kim 등, 1999, J. Microbiol. Biotechnol., 9, 127-131; Kim 등, 1999, Biotechnol. Tech., 13, 475-478]
많은 미생물들이 유기물 대사 과정에서 발생한 전자를 전극으로 직접 전달할 수 있으며, 대표적으로 Geobacter sulfurreducens , Shewanella putrefaciens , Clostridium butyricum , Desulfovibrio desulfurcans , Rhodoferax ferrireducens 등이 있다.
하지만 상기에서 열거한 미생물(전기활성박테리아)은 엄격한 혐기조건을 요구하거나 기질 특이성에 따라 특정 유기물만 분해 가능하다는 단점이 있으며, 외부 환경 변화에 쉽게 활성도가 영향을 받기 때문에 까다로운 운전 조건을 유지해야 한다는 한계점이 있다.
이에 다양한 전기활성박테리아를 혼합 배양할 경우 기질 이용의 폭이 넓어져 유기물이 다량 함유된 폐수를 연료로 사용하여 폐수 처리와 동시에 전기를 생산할 수 있을 것으로 예상되어 이에 관한 연구가 활발히 진행되었다. 하지만 글루코스, 아세테이트와 같은 순수 기질을 주입한 경우에 비해서 폐수를 주입한 경우는 전기 발생량이 현저히 떨어졌으며, 유기물 제거율 또한 낮은 것으로 보고되고 있다. [Aelterman 등, Wat. Sci. Technol., 2006, 54(8), 9-15]
또한 현재까지 보고된 전기활성박테리아 융합장치 즉 전기활성박테리아를 이용한 미생물연료전지는 단지 실험실 규모의 소형 반응기를 대상으로 얻어진 결과이다. 또한, 이들 장치들은 전기활성박테리아의 농화 배양에 어려움, 미생물 최적 활성을 위한 까다로운 운전 조건, 환원전극으로의 수소이온 이동에 따른 내부 저항, 산화전극으로 산소의 확산에 따른 효율 저하 등 다양한 문제점들이 복합적으로 산재하여 낮은 전기발생량 및 폐수처리 효율을 나타내고 있다.
상기에서 언급한 전기활성박테리아를 이용한 무매개체 미생물연료전지(전기활성박테리아융합장치)에 대한 일 예로 대한민국 특허등록 제332932호 "폐수 및 폐수처리용 활성슬러지를 사용한 생물연료전지"에서는 양극과 음극, 이들 양극 및 음극의 전도매체 및 이들 두 극 사이의 이용교환막으로 이루어지며, 음극부위에 활성슬러지와 폐수가 함유되어 있는 생물연료전지를 제시하고 있다.
그런데 상기 발명에서는 음극에 질소를 별도로 주입하여 혐기조건을 형성하도록 하며 양극에는 별도로 산소를 주입하여 호기조건을 형성하도록 하는 번거로움이 있으며, 구조적으로 산화부(산화전극)로 산소의 확산에 따른 효율 저하의 문제점이 상존하고 있는 것이고, 실제로 폐수처리장에 적용 시 활성슬러지조 등에 설계변경이 필요한 문제점이 있다.
따라서, 상기 언급한 문제점들을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 구조적으로 산화부에 혐기조건 및 환원부에 호기조건을 생성함으로써 별도의 장치 없이 전기활성박테리아 등에 의해 전기발생과 동시에 폐수처리가 가능하도록 하며, 기존 폐수처리장에서 설계 구조의 변경 없이 바로 전기를 생산함과 동시에 폐수처리가 가능한 한 전기활성박테리아 융합장치를 제공하고자 함이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치는 폐수가 유입되는 유입구가 하나 이상 상면에 형성되는 산화부와;
상기 산화부와 접하며 상단에 월류구가 형성되는 환원부와; 상기 산화부와 상기 환원부를 나뉘면서 하방향으로 돌출되고 하부에 상기 산화부에서 산기 환원부로의 유동로가 형성되도록 하며 상기 산화부 방향에 산화전극이 상기 환원부 방향에 환원전극이 사이에 수소이온교환막을 두고 형성되는 전기반응부;로 구성되는 하나 이상의 미생물연료전지 유닛이 조립되어 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치는 상기 미생물연료전지 유닛의 조립에 의해 형성되는 바, 상기 유닛의 조립 시 유닛과 타 유닛의 산화부와 환원부의 접합부에는 상기 산화부 방향에 산화전극이 상기 환원부 방향에 환원전극이 사이에 수소이온교환막을 두고 형성되는 접합부 전기반응부가 구성됨이 바람직하다.
본 발명의 일 구성인 상기 월류구는 상기 환원부의 상단에 형성됨에 있어 산화부의 수위보다 낮게 구성되어 수두차에 의해 자연스런 유입 폐수의 흐름이 형성되도록 구성됨이 바람직하다.
본 발명의 상기 환원부의 하면에는 복수의 관통공이 형성됨에 의해 활성슬러지조로부터의 폭기에 의한 산소가 상기 환원부 내부로 유입될 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 산화부의 하면에는 상기 유동로 방향으로 하향 경사구배가 형성되는 경사면을 구성하여 폐수의 흐름을 유도하고, 산소의 산화부로의 유입을 방지함이 바람직하다.
본 발명의 각각의 산화전극과 환원전극에는 연계형 인버터가 전기적으로 연결됨을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 산화부의 폭이 상기 환원부의 폭보다 작게 구성됨으로써 구조적으로 상기 산화부에 혐기조건을 형성하도록 구성됨에 특징이 있다.
한편 본 발명은 기존의 활성슬러지조에 장착시킴에 의해 사용될 수 있는 바, 본 발명을 기존의 활성슬러지조에 장착시킴에 있어 상기 월류구는 벌크용액의 수위보다 높거나 같게 활성슬러지조에 장착(내장)시킴을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치는 구조적으로 산화부에 혐기조건 및 환원부에 호기조건을 생성함으로써 전기활성박테리아 등에 의해 전기발생과 동시에 폐수처리가 가능하도록 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치는 기존 폐수처리장 활성슬러지조에 직접 침지(장착)하여 설계 구조의 변경 없이 바로 전기를 생산함과 동시에 폐수처리가 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치는환원부 내 독립영양박테리아를 환원반응의 생촉매로 이용하여 폭기량을 감소하도록 유도함으로써 폐수처리장의 에너지 사용량을 크게 감소시킬 수 있어 경제적인 장점이 있다.
또한, 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치는 연계형 인버터를 통해 일정한 출력으로 공급함으로써 폐수처리장 소모 전력의 일부를 충당하는 자원 순환형 시스템을 구축할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치는 각각 전기 생산 및 폐수처리를 할 수 있는 복수의 유닛을 조립하여 사용할 수 있는 바, 필요한 전력량 및 폐수처리의 용량 등에 따라 그 용량을 선택적으로 구성할 수 있으며, 유닛의 모듈화에 의해 전력 발생 및 폐수 처리 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구성을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치가 활성슬러지조에 장착된 상태를 나타내는 사시도이고,
도 2는 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치가 활성슬러지조에 장착된 상태를 나타내는 측단면도이고,
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치에 있어 일 유닛 및 2개의 유닛이 조립된 상태를 나타내는 측단면도 이고,
도 4는 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치에 있어서, 유닛 내부에서 작동관계를 나타내는 측단면도이고, 도 5는 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치를 표준활성슬러지법으로 운전되는 기존 폐수처리장에 적용 시 예상되는 공정 개략도이다.
본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치는 산화부(110), 환원부(120) 및 전기반응부(130)로 구성된 미생물연료전지 유닛(100)이 하나 이상 조립되어 기존의 활성슬러지조(10)에 침지(장착)시킴으로써 전기 생산 및 폐수처리가 가능하도록 하는 장치이다.
우선 산화부(110)는 도 2 등에서 보는 바와 같이 상면에 폐수가 유입되는 유입구(111)가 하나 이상 형성되어 외부 즉 도 5에서 보는 바와 같이 1차침전조(2)로부터 1 차 침전이 완료된 폐수가 유입되도록 하는 구성으로 상기 산화부(110)의 형상은 다양하게 구성될 수 있으나, 도 1 등에서는 일 예로 폭이 좁고 내부에 공간부가 형성되는 육면체 형상으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 산화부(110)의 하면에는 이하에서 설명할 유동로(131) 방향으로 하향 경사구배가 형성된 경사면(112)이 구성됨이 타당하다. 상기 경사면(112)의 구성에 의해 산화부(110)에서 하향하는 폐수의 흐름이 이하에서 설명할 환원부(120)로 유도될 것이며, 환원부(120)로부터 산소가 산화부(110)로 유도되는 것이 방지될 수 있는 것이다. 즉 산화부(110)의 혐기조건이 구조적으로 만족될 수 있는 것이다.
또한, 상기 산화부(110)의 폭(D1)이 상기 환원부(120)의 폭(D2)보다 작게 구 성됨이 타당한데, 상기에서 언급하는 폭은 이하에서 설명할 전기반응부(130)와 직교하는 방향에서의 폭으로써 이렇게 상기 산화부(110)의 폭(D1)을 상기 환원부(120)의 폭(D2)보다 작게 구성하는 것은 산화부(110)의 공간을 좁고 길게 구성함으로써 환원부(120) 보다 빠른 폐수의 하향유동을 유도하고 산화부(110) 내부의 혐기조건을 만족시키기 위함이다. 즉 혐기 조건에 의해 폐수 및 활성슬러지에 존재하는 다양한 미생물 중 이하에서 설명할 산화전극(132)을 전자수용체로 사용할 수 있는 전기활성박테리아만이 생존에 유리하게 함으로써, 이들이 산화전극(132) 표면에 선택적으로 농화 배양되어 생물막(a)이 형성될 수 있도록 하기 위함이다.
상기 환원부(120)는 상기 산화부(110)와 이하에서 설명할 전기반응부(130)를 경계로 내부에 공간부가 형성되면서 나뉘는 구성으로 상기 환원부(120)의 형상도 다양하게 구성될 수 있으나, 도 1 등에서 보는 바와 같이 폭이 넓고(산화부(110) 보다) 내부에 공간부가 형성되는 육면체 형상으로 구성될 수 있다. 상기 환원부(120)의 하면에는 복수의 관통공(122)이 형성되어 도 2에서 보는 바와 같이 활성슬러지조(10)로부터의 폭기(송풍기(11)와 산기기(12)가 연동하여 산소를 발생시키는 것)에 의한 산소가 상기 환원부(120) 내부로 유입될 수 있도록 구성된다. 이렇게 환원부(120) 내부로 산소가 유입됨에 의해 산화부(110)로부터 유동된 폐수는 산소의 부상과 함께 상향흐름을 형성하며 이하에서 설명할 환원전극(133) 표면에서는 독립영양박테리아를 생촉매로 이용하여 산화부(110)에서 이동한 수소와 환원전극(133)으로 전달된 전자, 그리고 환원부(120) 내 산소 혹은 결합산소(질산염 등)가 생화학반응을 일으켜 최종 환원반응이 일어나게 되는 것이다.
상기 환원부(120)에는 상단에 월류구(121)가 형성되는 바, 상기 월류구(121)를 통해 환원부(120)에서 유기물이 분해가 된 폐수가 활성슬러지조(10)로 유출되는 것이다. 상기 월류구(121)는 도 2 등에서 보는 바와 같이 상기 환원부(120)의 상단에 형성됨에 있어 상기 산화부(110)의 수위보다 낮게 구성됨이 바람직하다. 이렇게 구성되는 것은 상기 산화부(110)의 수위와 상기 환원부(120)의 수위에 수두차가 발생하게 하여 구조적으로 어떠한 동력원도 없이 폐수의 흐름을 상기 산화부(110)에서 상기 환원부(120)로 유동하게 하는 것이다. 또한, 본 발명은 기존의 활성슬러지조(10)에 장착시킴에 의해 사용될 수 있는 바, 본 발명을 기존의 활성슬러지조(10)에 장착시킴에 있어 도 2 등에서 보는 바와 같이 상기 월류구(121)는 활성슬러지조(10)의 벌크용액(13)의 수위보다 높거나 같게 활성슬러지조(10)에 침지(장착)시킴이 타당하다. 즉 상기 월류구(121)의 밑테두리가 벌크용액(13)의 수위보다 높거나 같게 구성함으로써 벌크용액(13)이 환원부(120)로 역유입 되는 것을 방지하고, 이 또한 본 발명과 벌크용액(13) 간에 수두차를 형성하게 하여 환원부(120)로부터 유기물이 최종적으로 제거된 폐수가 벌크용액(13)으로 유출될 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 구성인 미생물연료전지 유닛(100)에는 전기반응부(130)가 구성되는데, 상기 전기반응부(130)는 상기 산화부(110)와 상기 환원부(120)를 나뉘면서 하방향으로 돌출되고 하부에 상기 산화부(110)에서 산기 환원부로(120)의 유동로(131)가 형성되도록 하며 상기 산화부(110) 방향에 산화전극(132)이 상기 환원부(120) 방향에 환원전극(133)이 사이에 수소이온교환막(134)을 두고 형성된다.
즉 도 3a 등에서 보는 바와 같이 전기반응부(130)는 상기 산화부(110)와 상기 환원부(120)의 경계로써 하부에 상기 산화부(110)와 상기 환원부(120)를 연통하도록 하는 유동로(131)가 형성되도록 하는 구성이다. 또한 상기 전기반응부(130)는 상기 산화부(110)와 접하는 면에 산화전극(132)이 구성되고, 상기 환원부(120)와 접하는 면에 환원전극(133)이 구성되며, 산화전극(132)과 환원전극(133) 사이에 수소이온교환막(134)이 구성되는 것으로 상기 산화전극(132), 상기 환원전극(133) 및 수소이온교환막(134)은 볼트결합(도면번호 도시되지 않음.) 등에 의해 부착되는 구성에 해당한다. 이렇게 산화전극(132)과 환원전극(133)을 수소이온교환막(134)과 접하도록 구성함에 의해 즉 각각의 전극(132, 133) 간의 간격을 최소화 함으로써 도 4에서 보는 바와 같이 수소이온의 이송 과정에서 발생하는 저항을 최소화 할 수 있게 되는 것이다.
상기 산화전극(132)은 상기 산화부(110)의 혐기 조건에 의해 폐수의 연속적인 공급으로 인해 폐수 내에 존재하는 전기활성박테리아가 선택적으로 산화전극(132) 표면에 생물막(a)을 형성하여 우점화 될 수 있는 환경이 조성되는 것이다.
상기 산화전극(132)에서의 작용을 더욱 상세히 설명하면, 산화부(110)의 혐기조건에 따라 혐기성 세균인 발효미생물들이 일차적으로 폐수의 고분자 유기물을 분해하여 대사과정에 사용하며, 이 후 저분자 형태의 유기물 및 발효산물은 산화전극(132) 표면에 우점 화 된 전기활성박테리아의 기질로 사용되어 이들 미생물의 대사과정에서 발생한 전자가 환원력에 의해 전자매개체 없이 산화전극(132)을 통해 이하에서 설명할 환원전극(133)으로 이동하여 전기를 발생시키는 것이다. 또한, 이 렇게 전기를 발생시키는 것과 더불어 산화전극(132) 및 산화부(110) 내에서 대부분의 폐수 중의 유기물이 분해됨으로써 높은 효율의 폐수처리를 달성하게 되는 것이다. 또한, 산화전극(132) 및 산화부(110) 내 우점종인 전기활성박테리아는 일반적으로 혐기성 세균으로 고유 세포 성장률이 호기성 세균에 비해 낮다. 이에 더하여 전기활성박테리아는 대사 과정에서 발생한 전자를 산화전극(132)으로 전달하여 외부 부하에 소모함으로써 세포 생장을 위한 대사 에너지의 제한을 받게 되므로 일반적은 혐기성 세균에 비해 보다 낮은 세포 성장률을 나타낸다. 이러한 이유로 산화부(110) 내에서는 활성슬러지조(10)에 비해 발생하는 슬러지 량이 현저하게 감소할 수 있게 되는 것이다.
상기 환원전극(133)은 상기 산화전극(132)으로부터 전자가 이동하여 전기가 발생하게 하는 것이고, 폐수처리 부분에서는 상기 환원전극(133)을 전자공여체로 활용하고 환원부(120)에 공급되는 산소 또는 결합산소(질산염, 황산염 등)를 전자수용체로 사용하는 독립영양박테리아가 상기 환원전극(133) 표면에 생물막을 형성하여 우점화 될 수 있게 된다. 즉 환원전극(133)에 기존의 백금 등의 화학물질을 촉매로 사용하지 않고 상기 독립영양박테리아를 생촉매로 하여 환원전극(133) 및 환원부(120)의 환원반응 효율을 개선시키게 되는 것이다.
상기에서 보듯이 본 발명은 산화부(110) 내에서 폐수 중의 대부분 유기물이 분해가 일어나도록 함으로써 호기 조건이 유지되는 환원부(120) 및 환원전극(133)에서는 폐수 중의 암모니아성 질소가 질산염으로 질산화 되는 환경을 조성하게 되는 것이며, 이러한 질산염이 환원전극(133) 표면상에 존재하는 탈질 박테리아에 의 해 질소 가스로 탈질 되어 질소 제거가 동시에 일어날 수 있게 되는 것이다.
상기 수소이온교환막(134)은 도 4에서 보는 바와 같이 수소이온을 선택적으로 투과시키는 기능을 갖는 것이다.
도 4를 참조하여 상기 미생물연료전지 유닛(100)의 작용을 살펴보면 폐수는 일차적으로 산화부(110)의 유입구(111)를 통해 분산 주입되며, 폭이 좁고 깊이가 깊은 산화부(110) 내부를 하향하면서 산화부(110) 양 측면(일 측면)에 설치된 산화전극(132) 표면의 생물막(a)과 접촉하여 전기활성박테리아에 효과적으로 유기물이 공급된다. 폐수는 산화부(110)를 이동하면서 대부분의 유기물이 전기활성박테리아 등에 의해 소모되고, 환원부(120)로 유동을 하고, 환원부(120)에서는 잔여 유기물의 분해, 암모니아성 질소의 질산화 과정이 진행됨과 동시에 환원전극(133) 표면에서는 독립영양박테리아를 생촉매로 이용하여 산화부(110)로부터 이동한 수소와 환원전극으로 전달된 전자, 그리고 환원부(120) 내 산소 혹은 결합산소(질산염 등)가 생화학반응을 일으켜 최종 환원반응이 일어나게 된다.
이렇게 환원전극(133)을 통과하여 상부로 이동한 폐수는 환원부(120) 상단에 구성된 월류구(121)를 통해 월류하여 활성슬러지조(10) 벌크 용액(130)과 합류하며, 합류된 폐수는 도 5에서 보는 바와 같이 추가적으로 유기물 제거와 질산화 반응이 유도된 뒤 2차 침전조(3) 혹은 제 2 혹은 제 3의 활성슬러지조로 이동하게 되는 것이다.
한편 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치는 상기 미생물연료전지 유닛(100)의 조립에 의해 형성되는 바, 도 3a는 미생물연료전 지 유닛(100) 1개를 나타내는 측단면도이고, 도 3b는 미생물연료전지 유닛(100) 2개가 조립된 상태를 나타내는 측단면도이다.
도 3b에서 보는 바와 같이 상기 미생물연료전지 유닛(100)의 조립 시 유닛과 유닛 사이에 접합부 전기반응부(140)가 구성됨이 바람직한데, 상기 접합부 전기반응부(140)의 경우도 산화전극(132)과 환전전극(133)이 구성되고 그 사이에 수소이온교환막(134)이 구성됨은 상기 전기반응부(130)와 동일하다. 따라서 접합부 전기반응부(140)에서 산화전극(132), 환전전극(133) 및 수소이온교환막(134)의 기능에 대한 설명은 생략한다. 단 접합부 전기반응부(140)는 유닛(100)의 조립 시 유닛과 유닛 사이에 접합부에 구성되는 구조로, 도 3b에서 보는 바와 같이 유닛(100)의 환원부(120)와 타 유닛(100’)의 산화부(110’)의 접합부에 구성되는 구조가 제시되는 바, 상기 산화부(110’) 방향에 접합부 전기반응부(140)의 산화전극(132)이 위치하도록 구성되며, 상기 환원부(120) 방향에 접합부 전기반응부(140)의 환원전극(133)이 위치하도록 구성되는 것이다. 이렇게 구성됨에 의해 유닛(100)의 조립 시 각각의 산화부(110) 및 환원부(120)에 산화전극(132) 및 환원전극(133)이 2개씩 대향하도록 구성됨에 의해 결국 전극 표면적을 두 배 향상시킴으로써 생물막(a,b)의 부착 공간을 늘리고 결과적으로 폐수의 처리효율을 배가시키게 되는 것이다.
본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 복수의 미생물연료전지 유닛(100)이 결합되어 구성되고, 이를 통해 단위부피당 발생할 수 있는 전력발생량을 극대화하고 폐수 처리효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다. 한편 본 발명은 도 5에서 보는 바와 같이 각각의 유닛(100)에서 발생하는 전기가 일정하지 않을 것이므로 각각의 유닛(100)으로부터 발생한 전기가 시간에 따라 일정한 출력으로 공급되도록 하는 연계형 인버터(150)가 더 구성된다.
즉 도 5에서 보는 바와 같이 실제 폐수처리장에 적용된 본 발명은 각 유닛(100)의 환경 조건, 즉 부하량, 미생물 활성도, 우점 미생물 농도, 환원반응 속도 등 다양한 인자들이 조금씩 차이가 나기 때문에 시간에 따라 일정한 양의 전기가 발생하지 않는다. 따라서 이와 같은 문제를 해결하기 위해서 각 유닛(100)으로부터 수집된 불안정한 전기를 연계형 인버터(150)를 통해 일정한 출력을 가지는 전기를 생산할 수 있도록 한 것이다.
상기 연계형 인버터(150)는 직/교류 변환장치로써, 각각의 유닛(100)으로부터 공급되는 직류 전기를 일반적으로 사용하는 교류 전기로 바꿔주는 역할을 한다. 특히 상기 연계형 인버터(150)는 각각의 유닛(100)으로부터 발생하는 불안정한 직류 전기와 계통선의 교류 전원을 균형 있게 조화시켜 교류부하에 안정적으로 전류를 공급하는 것이다. 일 예로 각각의 유닛(100)으로부터 발생한 인버터 출력이 부하를 필요로 하는 전력보다 클 경우 그 잉여전력은 계통선으로 공급되며, 각각의 유닛(100)으로부터 발생한 인버터 출력이 부하를 필요로 하는 전력보다 적은 경우 부족한 전력은 계통선으로부터 공급됨으로써 안정적으로 출력을 유지하도록 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치가 활성슬러지조에 장착된 상태를 나타내는 사시도이고,
도 2는 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치가 활성슬러지조에 장착된 상태를 나타내는 측단면도이고,
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치에 있어 일 유닛 및 2개의 유닛이 조립된 상태를 나타내는 측단면도이고,
도 4는 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치에 있어서, 유닛 내부에서 작동관계를 나타내는 측단면도이고,
도 5는 본 발명의 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치를 표준활성슬러지법으로 운전되는 기존 폐수처리장에 적용 시 예상되는 공정 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 활성슬러지조 100 : 미생물연료전지 유닛
110 : 산화부 120 : 환원부
130 : 전기반응부 131 : 유동로
132 : 산화전극 133 : 환원전극
140 : 접합부 전기반응부

Claims (8)

  1. 폐수가 유입되는 유입구가 하나 이상 상면에 형성되는 산화부와;
    상기 산화부와 접하며 상단에 월류구가 형성되는 환원부와;
    상기 산화부와 상기 환원부를 나뉘면서 하방향으로 돌출되고 하부에 상기 산화부에서 산기 환원부로의 유동로가 형성되도록 하며 상기 산화부 방향에 산화전극이 상기 환원부 방향에 환원전극이 사이에 수소이온교환막을 두고 형성되는 전기반응부;로 구성되는 하나 이상의 미생물연료전지 유닛이 조립되어 구성되는 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 미생물연료전지 유닛의 조립 시
    유닛과 타 유닛의 산화부와 환원부의 접합부에는 상기 산화부 방향에 산화전극이 상기 환원부 방향에 환원전극이 사이에 수소이온교환막을 두고 형성되는 접합부 전기반응부가 구성됨을 특징으로 하는 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 월류구는 상기 환원부의 상단에 형성함에 있어 산화부의 수위보다 낮게 구성됨을 특징으로 하는 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 환원부의 하면에는 복수의 관통공이 형성됨을 특징으로 하는 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 산화부의 하면에는 상기 유동로 방향으로 하향 경사구배가 형성되는 경사면이 구성됨을 특징으로 하는 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    각각의 산화전극과 환원전극이 연계형 인버터와 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 산화부의 폭은 상기 환원부의 폭보다 작게 구성됨을 특징으로 하는 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치.
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 월류구는 벌크용액의 수위보다 높거나 같게 활성슬러지조에 내장됨을 특징으로 하는 전기 생산 및 폐수처리를 위한 전기활성박테리아 융합장치.
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