KR20120045372A - 생물전기화학적 오염물질 제거장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산화 전극부에서는 전기 활성 미생물을 이용하여 오염물질 내 유기물을 제거하고, 환원 전극부에서는 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물을 이용하여 오염물질 내 테트라클로로에텐(tetrachloroethene, PCE) 및 트리클로로에텐(trichloroethene, TCE)과 같은 유기 염소 화합물을 비닐클로라이드(vinyl chloride, VC) 및 에틸렌(ethylene, ETH)과 같은 물질로 탈염소화하고, 지하수 내의 질산 이온을 탈질화하는 생물전기화학적 오염물질 제거장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 생물전기화학적 오염물질 제거장치 및 그 방법은 태양전지를 전력원으로 이용하기 때문에 외부에서 추가적인 전력공급이 필요없는 시스템으로서 자체적으로 전원공급이 가능할 뿐만 아니라 친환경적인 시스템이라는 장점이 있다.

Description

생물전기화학적 오염물질 제거장치 및 그 방법{BIOELECTROCHEMICAL APPARATUS FOR REMOVING POLLUTANTS AND THE METHOD}
본 발명은 오염물질 제거장치 및 그 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게 설명드리자면, 산화 전극부에서는 전기 활성 미생물을 이용하여 오염물질 내 유기물을 제거하고, 환원 전극부에서는 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물을 이용하여 오염물질 내 테트라클로로에텐(tetrachloroethene, PCE) 및 트리클로로에텐(trichloroethene, TCE)과 같은 유기 염소 화합물을 비닐클로라이드(vinyl chloride, VC) 및 에틸렌(ethylene, ETH)과 같은 물질로 탈염소화하고, 지하수 내의 질산 이온을 탈질화하는 생물전기화학적 오염물질 제거장치 및 그 방법에 관한 것이다.
따라서 오염물질 내에 존재하는 유기물의 제거, 유기 염소 화합물과 질소 화합물의 탈염소화 및 탈질화 처리가 동시에 가능하다. 또한 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 에너지를 공급하기 때문에 탄소 배출이 없는 친환경 시스템이라고 볼 수 있다.
일반적으로 유기 염소 화합물은 섬유산업의 드라이클리닝 용매, 기기 및 금속생산업의 세정용매, 컴퓨터용 IC 기반 세정용매, PVC 생산을 위한 원료나 화학 합성산업의 반응매개물 등으로 널리 사용되어 왔다.
유기 염소 화합물은 대표적인 토양 및 지하수 오염물질 중의 하나로써, 독성이 있고 발암의 가능성이 있는 물질로 알려져 있다. 또한 질소 화합물은 농작물의 성장을 돕기 위한 인공비료나 퇴비에 많이 포함되어 있는데, 이러한 질소 화합물은 물에 잘 녹아들기 때문에 하천으로 씻겨 가거나 쉽게 지하수로 이동한다는 특징이 있다.
고농도의 질소 화합물은 지표수 및 지하수 오염, 토양 산성화를 일으키며, 질소 화합물로 오염된 지하수를 장기간 음용하면 혈액 속의 헤모글로빈이 산소를 운반하지 못하는 메세모글로빈으로 변화되어 손톱과 입술이 푸르게 변하는 청색증(blue baby disease)을 유발시킨다고 알려져 있다.
국내에서 2004년도의 환경부 자료에 의하면, 지방환경청에서 오염우려 지점을 조사한 결과 수질기준을 초과한 74개 지점 가운데 36%에 해당하는 32개 지점에서 트리클로로에텐(trichloroethene, TCE)이 검출되었으며, 16%에 해당하는 14개 지점에서 테트라클로로에텐(tetrachloroethene, PCE)이 검출되었으며, 2007년도 환경백서에는 2006년도 지하수 수질 측정망 운영 결과 수질기준을 초과한 299개 지점 중 23%에 해당하는 68개 지점에서 질산성 질소 항목을 초과한 것으로 나타나, 유기 염소 화합물과 질소 화합물에 의한 토양 및 지하수 오염이 심각한 것으로 나타났다.
그리고 유기 염소 화합물에 의해 오염된 하, 폐수 또는 지하수의 정화기술로서 많은 물리화학적 방법들이 개발되어 왔으나, 현재로는 혐기성 미생물에 의한 환원적 탈염소화 반응을 이용하는 것이 가장 경제적인 정화방법의 하나로 고려되고 있다.
도 1은 일반적인 혐기성 미생물에 의한 환원적 탈염소화 반응을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 혐기성 상태에서 탈염소화 미생물은 유기 염소 화합물의 염소 치환기를 수소로 대체하는 환원 반응에 의해 단계적으로 PCE, TCE, 디클로로에텐(cis-dichloroethene, cis-DCE), 비닐클로라이드(vinyl chloride, VC)를 거쳐 에틸렌(ETH)으로 탈염소화시킨다.
그리고 Desulfitobacterium sp. strain PCE-S, Desulfuromonas sp. strain BB1, Dehalospirillum multivorans, Dehalobacter restrictus strain PER-K23A, Dehalococcoides ethenogenes와 같은 미생물들은 유기 염소 화합물을 전자수용체로 이용하여 탈염소화하는 것으로 알려져 있다(Smidt, 2004). 하지만 유기 염소 화합물의 완전한 탈염소화 반응은 Dehalococcides spp.를 포함하는 미생물 군집에서만 확인할 수 있었으며, 일반적인 경우에는 탈염소화가 진행될수록 생성된 중간 대사물의 탈염소화 속도가 감소하여, cis-DCE 또는 VC를 축적하는 것으로 보고되고 있다.
이러한 탈염소화 미생물들은 유기 염소 화합물을 탈염소화하는 과정에서 이들을 전자수용체로 이용하여 성장할 수 있으며, 메탄올, 락테이트, 아세테이트 등의 다양한 유기물들이 전자공여체로 사용될 수 있는 것으로 알려져 있으나, 궁극적으로는 많은 탈염소화 미생물이 유기물들의 발효 과정에서 생성되는 수소를 전자공여체로 사용하여 유기 염소 화합물들을 환원적으로 탈염소화하며 성장한다.
최근에는 전극에서 발생되는 전자에 의해 산화환원물질(neutral red, methyl viologen 등)을 환원시키고 이들을 인위적인 전자공여체로 사용함으로써 미생물의 혐기성 호흡을 지원하는 방법이 소개되었다(Nijenhuis, 2005; Aulenta, 2007b). 탈염소화 미생물인 Dehalococcides ethenogenes Strain 195는 화학적으로 환원된 methyl viologen(MV)을 인위적인 전자공여체로 사용하여 TCE를 환원할 수 있는 것으로 보고되었으며(Nijenhuis, 2005), 탈염소화 혼합미생물은 환원 전극을 전자공여체로 TCE를 전자수용체로 이용하여 탈염소화가 가능하다고 보고되었다.
도 2는 일반적인 화학물질 고유의 산화환원 전위를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 일반적으로 PCE가 환원되기 위해서는 약 -0.4V 이상의 환원 전위가 필요하며 질소 화합물이 환원되기 위해서는 약 -0.7V 이상의 환원 전위가 필요하다는 것을 알 수 있다.
그리고 질소 화합물에 의한 오염은 질소 화합물 자체가 화학적으로 안정되어 다른 물질과 결합하지 않고, 토양 입자에 흡착되지 않으며, 물에 잘 녹아 지하수에 침투하기 쉽다는 특징 때문에 물리, 화학적 방법보다는 미생물을 이용한 탈질 방법이 연구되었다. 그러나 국내에서 탈질균을 이용한 토양의 질소 화합물 제거는 일부 시도된 적은 있으나, 대부분의 연구가 주로 폐수나 하천에서의 질소 화합물 제거를 목표로 수행되었다.
질소 화합물류 제거를 목적으로 사용가능한 탈질균으로는 Pseudomonas, Bacillus, Flavobacterium, Hypomicrobium, Moraxella, Paracoccus, Azospillium, Thiosphaera 종이 알려져 있으며, 이 중 Pseudomonas나 Azospillium 종은 국내 토양에도 존재한다는 것이 알려져 있다. 이러한 탈질균을 사용한 토양이나 지하수 내 질소 화합물 제거는 탈질균과 이온교환수지를 함께 처리하는 방법 등이 제안되기는 하였으나 실제로 탈질균을 사용하는 현장적용기술은 확립되지 않은 상태이다.
기존의 생물전기화학 시스템을 이용하는 방법은 탈염소화 내지는 탈질화를 별도로 수행하는 시스템이어서 비효율적인 면이 있었다. 또한, 기존의 생물전기화학 시스템을 이용하는 탈염소화 방법은 외부에서 전원을 공급함으로써 산화 전극부의 물을 전기분해하여 발생하는 전자와 수소 이온을 이용하여 환원 전극부에서 탈염소화시키는 방법으로, 약 1.8~2.0V의 전원공급이 필요하다는 문제점이 발생하였다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 태양전지를 전력원으로 이용하여 환원 전극을 전자공여체로, 지하수 또는 토양 내의 유기 염소 화합물과 질소 화합물을 전자수용체로 이용하는 복합미생물에 의해서 유기 염소 화합물을 탈염소화시키고 동시에 질소 화합물을 탈질화시킬 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 생물전기화학적 오염물질 제거장치에 있어서, 기준 전극; 상기 오염물질 속에 존재하는 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물에 의해 상기 오염물질을 환원처리하여 탈염소화 또는 탈질화시키는 환원 전극부; 상기 기준 전극과 상기 환원 전극부 간의 일정한 전위차를 유지시키는 전위 제어부; 및 상기 전위 제어부에 전기에너지를 공급하는 전원공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거장치에 관한 것이다.
본 발명에서, 상기 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물은 상기 환원 전극부를 전자공여체로 이용하고, 유기 염소 화합물이나 질소 화합물을 전자수용체로 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전위 제어부는 상기 기준 전극과 상기 환원 전극부의 전위차를 -0.5V 내지 -0.74V로 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 생물전기화학적 오염물질 제거장치는 상기 오염물질에 존재하는 유기물을 전기 활성 미생물에 의해 산화시켜 전자와 수소 이온을 발생시키는 산화 전극부를 포함하되, 상기 산화 전극부는 상기 전위 제어부를 통해 상기 기준 전극과 상기 환원 전극부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 환원 전극부와 상기 산화 전극부는 탄소 브러쉬(carbon brush) 또는 탄소봉(carbon rod)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전원공급장치는 태양에너지를 직류형태의 전기에너지로 전환시키는 태양전지; 상기 태양전지에서 발생하는 상기 직류형태의 전기에너지를 교류형태의 전기에너지로 변환시켜주는 변환기; 및 상기 변환기를 통한 상기 교류형태의 전기에너지를 저장할 수 있는 축전지를 포함하되, 상기 변환기와 상기 축전지는 상기 전위 제어부에 상기 교류형태의 전기에너지를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 생물전기화학적 오염물질 제거방법에 있어서, 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 상기 전기에너지를 저장하는 제 1단계; 상기 저장된 전기에너지를 이용하여 기준 전극과 환원 전극부 간의 전위차를 일정하게 유지시켜 주는 제 2단계; 상기 오염물질에 존재하는 유기물을 전기 활성 미생물에 의해 산화시켜 전자와 수소 이온을 발생시키는 제 3단계; 및 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물에 의해 상기 전자 및 수소 이온과, 상기 오염물질 속에 존재하는 유기 염소 화합물과 질소 화합물이 반응하여 환원처리됨으로써 탈염소화 및 탈질화되는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거방법에 관한 것이다.
상기 기준 전극과 상기 환원 전극부의 전위차는 -0.5V 내지 -0.74V로 유지되는 것을 특징으로 하며, 상기 환원 전극부는 탄소 브러쉬(carbon brush) 또는 탄소봉(carbon rod)인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전기에너지는 상기 태양에너지를 직류형태의 전기에너지로 전환시킨 후 상기 직류형태의 전기에너지를 교류형태의 전기에너지로 변환된 에너지인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 생물전기화학적 오염물질 제거장치 및 그 방법은 태양전지를 전력원으로 이용하기 때문에 외부에서 추가적인 전력공급이 필요없는 시스템으로서 자체적으로 전원공급이 가능할 뿐만 아니라 친환경적인 시스템이라는 장점이 있다.
또한 기존의 장치는 반응기 형태로 구성된 것임에 반해, 본 발명은 전원공급장치 이외에 2개 내지 3개의 전극으로만 구성되기 때문에 실제 오염 토양 및 지하수에 쉽게 설치가 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 환원 전극부에 전위 제어부를 통해서 -0.5V 내지 -0.74V 정도의 환원 전위만 공급해 주어도 충분히 탈염소화 및 탈질화가 진행되기 때문에 전원공급량을 감소시킬 수 있는 이점도 존재한다.
또한, 기존의 장치는 반응기 형태로 구성되며 전극 사이에 이온 교환막이 필요하였으나, 본 발명은 이온 교환막이 필요하지 않아 비용적인 측면에서 많은 이점이 존재한다.
도 1은 일반적인 혐기성 미생물에 의한 환원적 탈염소화 반응을 나타내는 도면이다.
도 2는 일반적인 화학물질 고유의 산화환원 전위를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물전기화학적 오염물질 제거장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생물전기화학적 오염물질 제거장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3과 도 4의 환원 전극부의 환원반응을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4의 산화 전극부의 산화반응을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 3과 도 4의 전원공급장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 생물전기화학적 오염물질 제거방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예(환원 전위 공급함)에서 사용한 유기 염소 화합물(PCE)의 탈염소화 과정을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예(환원 전위 공급하지 않음)에서 사용한 유기 염소 화합물(PCE)의 탈염소화 과정을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물전기화학적 오염물질 제거장치를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생물전기화학적 오염물질 제거장치를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 3과 도 4의 환원 전극부의 환원반응을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 4의 산화 전극부의 산화반응을 나타낸 도면이고, 도 7은 도 3과 도 4의 전원공급장치를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 생물전기화학적 오염물질 제거방법을 나타낸 흐름도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예(환원 전위 공급함)에서 사용한 유기 염소 화합물(PCE)의 탈염소화 과정을 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예(환원 전위 공급하지 않음)에서 사용한 유기 염소 화합물(PCE)의 탈염소화 과정을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 오염물질 제거장치(100)는 기준 전극(200), 환원 전극부(300), 전위 제어부(400) 및 전원공급장치(500)를 포함한다. 도 4를 참조하면, 오염물질 제거장치(100)는 산화 전극부(600)를 더 포함한다.
기준 전극(200)은 전극 전위를 측정하고자 할 때, 사용하는 환원 전극부(300)의 전위차를 일정하게 유지하기 위해 기준이 될 수 있는 전극이다. 흔히 기준 전극(200)은 참조 전극 또는 대조 전극이라고도 한다. 각각의 전극의 전위의 절대값을 측정하는 것은 불가능하다. 왜냐하면 전해질에 담긴 하나의 전극의 전위를 측정하려면 반대편에 어떤 도선을 용액과 연결시켜야 하는데, 도선을 용액에 연결시키려는 순간에 새로운 전극과 용액의 계면이 생기기 때문에 측정하려는 전극의 절대적인 전위를 측정할 수 없다. 따라서 측정되는 값은 항상 두 전극 사이의 전위 차이일 뿐이다. 그러므로 항상 전위의 값이 재현성 있게 유지되는 기준 전극(200)을 기준으로 삼아 각 전극의 전위를 측정해야 하는 것이다.
기준 전극(200)에는 여러 가지가 사용되고 있는데, 전극 전위의 기준값의 표준으로 쓰이는 것이 바로 수소 전극이다. 수소 전극 이외에도 염화은(AgCl) 전극, 칼로멜(Hg/Hg2Cl2) 전극 및 황산수은(I) 전극 등을 많이 사용한다. 상기 기준 전극(200)과 환원 전극부(300)로 전지를 만들어 그 기전력을 측정하면, 기준전극(200)의 전위는 이미 알고 있으므로 측정하는 환원 전극부(300)의 전위를 알 수 있는 것이다.
환원 전극부(300)는 전위 제어부(400)에 의해 기준 전극(200)과의 원하는 전위차를 일정하게 유지하게 된다. 환원 전극부(300)는 탄소 브러쉬(carbon brush), 탄소봉(carbon rod) 또는 흑연 부직포(graphite felt) 등의 형태로서 많이 사용한다. 환원 전극의 전위는 기준 전극과 -0.5V 내지 -0.74V로 일정하게 유지시킨다. 상기 -0.5V는 유기 염소 화합물이 ETH로 환원되기 위한 환원 전위를 말하고, 상기 -0.74V는 질소 화합물이 질소(N2)로 환원되기 위한 환원 전위를 말한다. 환원 전극부에서의 생물전기화학적 반응은 도 5에서 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 도 3과 도 4의 환원 전극부의 환원반응을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 환원 전극부(300)는 오염물질 속에 존재하는 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물에 의해 상기 오염물질을 환원 처리하여 탈염소화 또는 탈질화시킨다. 예를 들어, 오염물질 속에 존재하는 PCE는 탈 염소화 미생물에 의해 ETH로 환원된다. 이때 탈염소화 미생물들은 지하수 또는 토양 속에 존재하고, 상기 미생물들은 환원 전극부로 이동하여 부유 또는 부착성장하여 이러한 반응을 위한 매개체로서의 역할을 한다.
또 다른 예를 들면, 오염물질 속에 존재하는 NO3는 탈질화 미생물에 의해 N2로 환원된다. 이때 탈질화 미생물들은 탈염소화 미생물들과 마찬가지로 지하수 또는 토양 속에 존재하고, 상기 탈질화 미생물들은 환원 전극부로 이동하여 부유 또는 부착성장하여 이러한 반응을 위한 매개체로서의 역할을 한다.
다시 말해서, 환원 전극부에 부유 또는 부착성장하는 탈염소화 미생물과 탈질화 미생물은 PCE와 같은 유기 염소 화합물이나 NO3와 같은 질소 화합물을 ETH나 질소로 탈염소화 내지 탈질화시켜 오염물질을 완전히 분해한다. 유기 염소 화합물에는 테트라클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 트리클로로에탄, 사염화탄소 및 클로로포름 등이 있다. 아래 (반응식 1)에 상기 일련의 과정들이 설명되어 있다.
(반응식 1)
전극 + nC2Cl4 -> nC2H4 + nH+ + nCl-
전극 + 2NO3 + (10e- + 12H+)-> N2 + 6H2O
도 3의 환원 전극부(300)는 도 4의 환원 전극부(300)와 달리 수소 이온과 전자를 이용하지 않고서 질소 화합물을 질소로 환원처리한다. (반응식 1)에 나타난 것처럼 질소 화합물의 환원 반응은 수소 이온과 전자 없이도 가능한 반응이라는 것을 알 수 있다. 또한 도 3의 환원 전극부에서는 오염물질 속에 존재하는 수소 이온과 전자에 의해 (반응식 1)에 나타난 것처럼 상기의 반응이 일어날 수도 있다.
산화 전극부(600)는 전위 제어부(400)를 통해 기준 전극(200)과 환원 전극부(300)에 연결되어 있다. 산화 전극부(600)는 환원 전극부(300)와 마찬가지로 탄소 브러쉬(carbon brush), 탄소봉(carbon rod) 또는 흑연 부직포(graphite felt) 등의 형태로서 많이 사용한다. 산화 전극부(600)에서의 생물전기화학적 반응은 도 6에서 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 도 4의 산화 전극부의 산화반응을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 산화 전극부(600)에서는 토양 또는 지하수 내에 존재하는 유기물의 전기분해가 일어난다. 아래 (반응식 2)에 상기 일련의 과정들이 설명되어 있다. 즉, 전기 활성 미생물에 의해 오염물질 속에 존재하는 유기물은 수소 이온과 전자 등으로 분해된다.
(반응식 2)
유기물 + nH2O → nCO2 + 4ne- +4nH+
이와 같이 발생한 전자는 환원력에 의해 전자매개체 없이 산화 전극부(600)로 이동하게 되고, 상기 산화 전극부(600)로 이동한 전자는 외부 도선을 따라 환원 전극부(300)로 이동한다. 그리고 발생한 수소 이온은 토양이나 지하수를 통하여 환원 전극부(300)로 이동하게 된다.
상기의 유기물은 오염물질 속에 존재할 수도 있고 존재하지 아니할 수도 있다. 따라서 오염물질 속에 유기물이 존재하는 경우에는 전기 활성 미생물에 의해 상기 산화 전극부(600)에서 처리가 가능하고, 상기 환원 전극부(300)에서 탈염소화 미생물과 탈질화 미생물에 의해 유기 염소 화합물과 질소 화합물의 처리가 동시에 가능하다. 결국 오염물질 속에 존재하는 유기물, 유기 염소 화합물 및 질소 화합물의 동시 처리가 가능하다는 장점이 존재한다.
본 발명에서 사용하는 전기 활성 미생물, 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물은 바람직하게는 무매개체 미생물연료전지(또는 생물연료전지) 및 생물전기화학 시스템 분야에서 사용되는 미생물이므로, 당업자에게는 잘 알려져 있는 것으로 본 발명의 특징이 되지 않는다.
전위 제어부(400)는 일정 전위기(potentistat)를 일반적으로 사용한다. 전위 제어부(400)는 일정한 전압을 기준 전극(200)에 대하여 환원 전극부(300)에 인가하면, 기준 전극(200)과 환원 전극부(300) 사이에 전류가 흐른다. 환원 전극부(300)의 전위에 따라서 전류의 세기를 측정하기 위하여, 상기의 기준 전극(200)을 환원 전극부(300) 가까이 두고 상기 기준 전극(200)에 대한 환원 전극부(300)의 전위를 읽어 그 값을 원하는 값과 비교하여 원하는 값과 일치하도록 기준 전극(200)과 환원 전극부(300) 사이를 흐르는 전류를 빠르게 조절한다.
전원공급장치(500)는 전위 제어부(400)에 전기에너지를 공급하는 역할을 한다. 도 7을 참조하면, 상기 전원공급장치(500)는 태양전지(510), 변환기(520) 및 축전지(530)를 포함한다. 태양전지(510)는 태양에너지를 직류형태의 전기에너지로 전환시키는 역할을 한다. 변환기(520)는 상기 태양전지(510)에서 발생하는 직류형태의 전기에너지를 교류형태의 전기에너지로 변환시켜 준다. 축전지(530)는 상기 변환기(520)를 통한 교류형태의 전기에너지를 저장한다. 축전지(530)로 이동한 전기에너지의 일부는 전위 제어부(400)에서 소비되며, 일부는 흐린 날 또는 야간과 같이 태양에너지를 사용할 수 없을 때 사용하기 위해 축전지(530)에 저장한다. 또한 변환기(520)로 이동한 전기에너지의 일부는 전위 제어부(400)에서 소비된다.
상기 전원공급장치(500)는 태양에너지를 전기에너지로 공급하는 장치를 예로 들어 설명하였지만, 경우에 따라서 전원공급장치(500)는 전기에너지를 공급하는 장치이기만 하면 상기의 장치 이외에도 얼마든지 변형이 가능할 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 생물전기화학적 오염물질 제거방법을 나타낸 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 생물전기화학적 오염물질 제거방법은 먼저, 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 상기 전기에너지를 저장한다(S110). 이때 상기 전기에너지는 상기 태양에너지를 직류형태의 전기에너지로 전환시킨 후 상기 직류형태의 전기에너지를 교류형태의 전기에너지로 변환된 에너지이다.
그리고 상기 저장된 전기에너지를 이용하여 기준 전극(200)과 환원 전극부(300) 간의 전위차를 일정하게 유지시켜 준다(S120). 환원 전극부(300)의 전위는 기준 전극(200)과 -0.5V 내지 -0.74V로 일정하게 유지시킨다. 상기 -0.5V는 유기 염소 화합물이 ETH로 환원되기 위한 환원 전위를 말하고, 상기 -0.74V는 질소 화합물이 질소(N2)로 환원되기 위한 환원 전위를 말한다.
그리고 상기 오염물질에 존재하는 유기물을 전기 활성 미생물에 의해 산화시켜 전자와 수소 이온을 발생시킨다(S130). 상기 [반응식 2]는 전기 활성 미생물에 의해 유기물이 산화되어 전자와 수소 이온을 발생시키는 반응식이다.
마지막으로, 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물에 의해 상기 전자 및 수소 이온과, 상기 오염물질 속에 존재하는 유기 염소 화합물과 질소 화합물이 반응하여 환원처리됨으로써 탈염소화 및 탈질화시킨다(S140). 상기 (반응식 1)에 탈염소화 및 탈질화 반응식이 설명되어 있다.
이하 본 발명의 실시예를 통하여 상기 탈염소화 방법을 상세히 설명하도록 한다.
1. 생물전기화학적 오염물질 제거장치에서 오염물질의 탈염소화
<실시예 1>
산화 전극부, 환원 전극부, 전위 제어부 및 전원공급장치로 구성된 생물전기화학장치를 운전하였다. 환원 전극부에 탈염소화 미생물을 식종하였으며, 유기 염소 화합물 PCE를 75 umol/l 주입하였다. 그리고 환원 전극부에는 -0.5V의 전위를 공급하여 탈염소화 과정을 관찰하였다.
<실시예 2>
산화 전극부, 환원 전극부, 전위 제어부 및 전원공급장치로 구성된 생물전기화학장치를 실시예 1과 동일한 조건으로 운전하였다. 환원 전극부에 탈염소화 미생물을 식종하였으며, 유기 염소 화합물을 주입하였다. 환원 전극부에는 전위가 공급되지 않았으며, 유기 염소 화합물의 탈염소화 과정을 관찰하였다.
2. 탈염소화 측정
실시예 1에서는 [표 1]에서처럼 환원 전극부에 약 -0.5V의 전위를 공급하고 실시예 2에서는 전위를 공급하지 않고서, 탈염소화 진행과정을 비교하였다.
구분 실시예 1 실시예 2
환원 전위(V) -0.5 0
도 9 및 도 10에서 나타난 것과 같이, 전위가 공급된 실시예 1에서는 PCE가 TCE, cis-DCE, VC를 거쳐 ETH로 완전 탈염소화가 진행되는 것을 관찰할 수 있었으나, 전위 공급이 없었던 실시예 2에서는 PCE가 전혀 분해되지 않는 것을 관찰할 수 있었다.
실험 데이터에 나타나지는 않았지만, 오염물질 속에 존재하는 유기물 및 질소 화합물 또한 동시에 제거되었다.
이상 본 발명에 대하여 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.
본 발명은 토양이나 지하수 등이 오염된 경우에 이를 복원하기 위한 산업, 특히 유기 염소 화합물이나 질소 화합물을 생물전기화학적으로 탈염소화 및 탈질화시키는 분야에 광범위하게 적용될 수 있다.
100: 오염물질 제거장치
200: 기준 전극
300: 환원 전극부
400: 전위 제어부
500: 전원공급장치
510: 태양전지
520: 변환기
530: 축전지
600: 산화 전극부
700: 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물
800: 전기 활성 미생물

Claims (10)

  1. 생물전기화학적 오염물질 제거장치에 있어서,
    기준 전극;
    상기 오염물질 속에 존재하는 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물에 의해 상기 오염물질을 환원처리하여 탈염소화 또는 탈질화시키는 환원 전극부;
    상기 기준 전극과 상기 환원 전극부 간의 일정한 전위차를 유지시키는 전위 제어부; 및
    상기 전위 제어부에 전기에너지를 공급하는 전원공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물은 상기 환원 전극부를 전자공여체로 이용하고, 유기 염소 화합물이나 질소 화합물을 전자수용체로 이용하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전위 제어부는 상기 기준 전극과 상기 환원 전극부의 전위차를 -0.5V 내지 -0.74V로 유지하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 생물전기화학적 오염물질 제거장치는
    상기 오염물질에 존재하는 유기물을 전기 활성 미생물에 의해 산화시켜 전자와 수소 이온을 발생시키는 산화 전극부를 포함하되,
    상기 산화 전극부는 상기 전위 제어부를 통해 상기 기준 전극과 상기 환원 전극부와 연결되는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 환원 전극부와 상기 산화 전극부는 탄소 브러쉬(carbon brush) 또는 탄소봉(carbon rod)인 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전원공급장치는
    태양에너지를 직류형태의 전기에너지로 전환시키는 태양전지;
    상기 태양전지에서 발생하는 상기 직류형태의 전기에너지를 교류형태의 전기에너지로 변환시켜주는 변환기; 및
    상기 변환기를 통한 상기 교류형태의 전기에너지를 저장할 수 있는 축전지를 포함하되,
    상기 변환기와 상기 축전지는 상기 전위 제어부에 상기 교류형태의 전기에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거장치.
  7. 생물전기화학적 오염물질 제거방법에 있어서,
    태양에너지를 전기에너지로 변환하여 상기 전기에너지를 저장하는 제 1단계;
    상기 저장된 전기에너지를 이용하여 기준 전극과 환원 전극부 간의 전위차를 일정하게 유지시켜 주는 제 2단계;
    상기 오염물질에 존재하는 유기물을 전기 활성 미생물에 의해 산화시켜 전자와 수소 이온을 발생시키는 제 3단계; 및
    탈염소화 미생물 및 탈질화 미생물에 의해 상기 전자 및 수소 이온과, 상기 오염물질 속에 존재하는 유기 염소 화합물과 질소 화합물이 반응하여 환원처리됨으로써 탈염소화 및 탈질화되는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 기준 전극과 상기 환원 전극부의 전위차는 -0.5V 내지 -0.74V로 유지되는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 환원 전극부는 탄소 브러쉬(carbon brush) 또는 탄소봉(carbon rod)인 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 전기에너지는
    상기 태양에너지를 직류형태의 전기에너지로 전환시킨 후 상기 직류형태의 전기에너지를 교류형태의 전기에너지로 변환된 에너지인 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 오염물질 제거방법.





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