KR20130029530A - 미생물연료전지 및 미생물전기분해전지가 융합된 에너지 자립형 고도 폐수처리 장치 - Google Patents

미생물연료전지 및 미생물전기분해전지가 융합된 에너지 자립형 고도 폐수처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미생물연료전지와 미생물전기분해전지가 융합된 에너지 자립형 고도 폐수처리 장치 및 상기 장치를 통한 폐수처리 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 폐수처리 장치는 폭기 공정 및 폐수처리시 필요한 에너지를 필요로 하지 않기 때문에 운전비용을 절감할 수 있으며, 폐수내의 유기물과 영양물질을 친환경적 고도 폐수 처리장치로 활용이 가능하다.

Description

미생물연료전지 및 미생물전기분해전지가 융합된 에너지 자립형 고도 폐수처리 장치 {Energy self-sufficient advanced wastewater treatment system by combination of microbial fuel cells and microbial electrolysis cells}
본 발명은 미생물 연료전지와 미생물전기분해전지가 융합된 에너지 자립형 고도 폐수처리 장치 및 상기 장치를 통한 폐수처리 방법에 관한 것이다.
최근 산업화가 진행되며 축산 폐수, 음식물 찌꺼기가 포함된 하수와 같이 다양한 경로로 하·폐수가 발생되고 있다. 이러한 하·폐수는 하천이나 토양을 오염
시켜 생활의 질을 떨어뜨리고 이를 회복하는데 많은 시간과 경제적 비용이 소모된다. 특히 고농도 영양물질이 포함된 하·폐수가 하천으로 유입되면 하천의 부영양화 등을 초래하여 환경문제를 일으킬 수 있으므로, 정화된 상태로 배출되는 것이 바람직하다. 종래의 하·폐수 정화방법은 크게 물리적 정화방법, 화학적 정화방법 및 생물학적 정화방법이 있다. 물리적 정화방법은 입자의 크기나 입자의 비중차 또는 자성 등의 성질을 이용한 체분리, 여과, 투석, 침강, 증류 등의 방법이 있고, 화학적 정화방법은 용해도, 산화환원, 가수분해 또는 이온성 등을 이용한 중화법, 중화침전법, 산화환원법, 분해법, 응집법, 이온교환법 등이 있다. 생물학적 정화방법은 유기물이 다량 포함되어 있는 유기성 하·폐수를 정화하기 위해서 많이 이용되며, 생물 산화분해성이나 생물 환원 분해성 등의 성질을 이용한 활성오니법, 장기포기법, 접촉안정화법 및 순산소 폭기법 등이 있다.
미생물 연료전지(microbial fuel cell; MFC)는 미생물을 촉매로 사용하여 전자공여체인 기질이 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 장치이다.
한편, 하수 또는 폐수 등의 오염수를 처리하는 비용 중 가장 많은 부분을 차지하는 것은 산소 폭기와 잉여 슬러지 처리이다. 산소 폭기 장치는 처리대상의 크기에 따라 전기 에너지 소비량이 증가하며, 또한 상기 산소 폭기를 통해 오염수를 처리하면 호기성 미생물인 잉여 슬러지가 다량 발생하므로 잉여 슬러지를 처리하는 비용이 증대된다. 이를 해결하기 위해, 미생물 연료전지를 사용하여 오염수를 처리하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
그러나, 아직까지 미생물 연료전지는 이를 직접 오염수역에 적용하기에는 개선해야 할 점이 많다. 특히 현재로선 미생물연료전지 단독 기술로는 폐수 내의 영양물질의 처리가 불가능하다.
국내 공개 번호 제2010-0133893호　　
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 미생물 연료전지와 미생물전기분해전지를 융합한 에너지자립형 고도 폐수처리 장치 및 상기 장치를 통한 폐수처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 폐수내 유기탄소화합물이 분해되는 미생물연료전지(20)와 영양물질이 처리되는 미생물전기분해전지(30)가 결합된 고도 폐수처리 장치; 상기 미생물연료전지(20)와 미생물전기분해전지(30)의 사이에 연결된 전기화학적 산화/환원반응조(9); 및 상기 미생물연료전지(2)의 유출수를 미생물전기분해전지(30)로 공급하는 관(4)을 포함하는 고도 폐수처리 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 미생물연료전지(20)의 생물전기화학적 산화반응조(2)로 유입된 폐수의 유기물이 생물전기화학적 산화전극(3)에 부착되어 있는 미생물 촉매에 의해 산화되어 유기물을 제거하는 단계; 상기 유기물이 제거된 폐수를 관(4)을 통해 생물전기화학적 환원반응조(10)로 공급하여 폐수 내의 영양물질을 제거하는 단계; 및 상기 영양물질이 제거된 유출수를 배출하는 단계; 를 포함하는 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 하수처리 장치는 폭기 공정을 필요로 하지 않기 때문에 운전비용을 절감할 수 있으며, 폐수 내의 유기물로부터 미생물연료전지를 통해 생산한 전기에너지를 폐수 내 영양물질 제거를 위해 필요한 미생물전기분해전지 에너지원으로 공급 할 수 있다. 또한 미생물전기분해전지의 전기화학적 산화반응조에서 생성된 고농도 산소는 미생물연료전지의 전기발생 성능을 향상시킨다. 그러므로 본 미생물연료전지와 미생물전기분해전지가 융합된 장치는 폐수 내의 유기물 및 영양물질을 외부에너지의 공급 없이 처리하는 친환경적 고도 폐수 처리장치로 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 미생물연료전지와 미생물전기분해전기가 융합된 폐수처리 장치에 관한 것이다.
도 2는 전기화학적 산화/환원반응조의 측면에 관한 것이다.
도 3은 미생물연료전지 생물전기화학적 산화반응조 및 미생물전기분해전지 생물전기화학적 환원반응조의 측면에 관한 것이다.
도 4는 미생물연료전지 생물전기화학적 산화반응조 및 미생물전기분해전지 생물전기화학 환원반응조의 윗면에 관한 것이다.
도 5는 생물전기화학적 산화반응조(2), 전기화학적 산화/환원반응조(9) 및 생물전기화학적 환원반응조(11) 수직형의 상하로 배치된 하나의 단위 모듈이 여러 개의 단위 모듈을 형성하여 여러 층으로 쌓여진 것이다.
본 발명은 미생물연료전지와 미생물전기분해전지가 융합된 고도 폐수처리 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로,
폐수내 유기탄소화합물이 분해되는 미생물연료전지(20)와 영양물질이 처리되는 미생물전기분해전지(30)가 결합된 고도 폐수처리 장치;
상기 미생물연료전지(20)와 미생물전기분해전지(30)의 사이에 연결된 전기화학적 산화/환원반응조(9); 및
상기 미생물연료전지(20)의 유출수를 미생물전기분해전지(30)로 공급하는 관(4)을 포함하는 고도 폐수처리 장치에 관한 것이다.
상기 폐수라 함은 각 가정 및 공공건물, 영업건물 등에서 배출되는 가정폐수와 공장에서 배출되는 공장폐수, 공장폐수는 다시 광의의 산업폐수 등을 포괄하는 개념이다.
본 발명에서 미생물연료전지(20)란 유기물에 함유된 화학에너지를 미생물을 이용하여 전기에너지로 직접 전환하는 장치로서 이온교환막(5)에 의해 나누어진 혐기성 조건의 생물전기화학적 산화반응조(2)와 호기성 조건의 전기화학적 환원반응조(6)로 구성이 된다.
또한, 본 발명에서 미생물전기분해전지(30)란 물을 전기화학적으로 분해하여 전자를 얻는 전기화학적 산화반응조(8)와 폐수내 영양물질을 환원하여 처리하는 생물전기화학적 환원반응조(11)로 구성이 된다.
상기 생물전기화학적 산화반응조(2) 내부에 생물전기화학적 산화전극(3)이 포함될 수 있으며, 상기 생물전기화학적 환원반응조(11) 내부에 생물전기화학적 환원전극(12)이 포함될 수 있다. 상기 산화전극(3) 및 환원전극(12)은 브러시 형태일 수 있다.
상기 생물전기화학적 산화반응조(2), 전기화학적 산화/환원반응조(9) 및 생물전기화학적 환원반응조(11)는 수직형의 상하로 배치하여 하나의 단위 모듈을 형성할 수 있으며, 경우에 따라 여러 개의 단위 모듈을 여러 층으로 쌓을 수 있다. 즉, 미생물연료전지와 미생물전기분해전지를 단층이 아니라 여러 개의 층으로 연결하여 폐수처리장 BOD(생물학적산소요구량) 및 영양물질 방류수기준을 만족할 수 있게 한다.
또한, 상기 생물전기화학적 산화반응조(2) 및 전기화학적 환원반응조(7) 사이 및 상기 생물전기화학적 환원반응조(11) 및 전기화학적 산화반응조(8) 사이에 이온교환막(5)을 더 포함할 수 있다.
상기 브러시 형태의 산화전극(3), 환원전극(12) 및 이온교환막(5)의 구성으로 인해 장치 내의 내부저항을 줄일 수 있다.
상기 전기화학적 산화/환원반응조(9)에서 생물전기화학적 산화반응조(2)와 접하고 있는 영역에 전기화학적 환원전극(6)이 생물전기화학적 환원반응조(11)와 접하고 있는 영역에 전기화학적 산화전극(10)이 위치할 수 있다.
상기 전력발생장치(13)는 생물전기화학적 산화전극(3)과 전기화학적 환원전극(6)에 연결되어 있고, 외부 전력공급기(14)는 전기화학적 산화전극(8)과 생물전기화학적 환원전극(11)에 연결되어 있다.
상기 생물전기화학적 산화전극(3)과 전기화학적 환원전극(6)간의 전압 차에 의해 전류가 발생되어 전력발생장치(13)에서 전기를 생성할 수 있으며, 발생된 전기는 아래 부분의 외부 전력공급기(14)로 이동되거나 폐수 처리장 내에 필요한 전력으로 공급될 수 있다. 즉, 미생물연료전지(20)에서 생성된 전기에너지를 미생물전기분해전지(30)의 외부전원공급원으로 사용하도록 할 수 있다.
상기 생물전기화학적 산화반응조(2)와 생물전기화학적 환원반응조(11)내에 폐수와 전극의 접촉을 원활하게 하기 위해서 격막(16)을 설치하여 플러그흐름으로 폐수가 이동하도록 할 수 있다.
상기 생물전기화학적 환원반응조(11) 내에서 영양물질이 제거된 유출수를 배출하는 배출관(15)을 더 포함할 수 있으며, 상기 생물전기 환원반응조를 거친 하·폐수(유출수)는 영양염류의 생물학적 정화가 이루어져 질소계 오염물, 인계 오염물, 중금속, 환경호르몬 및 잔류금속과 같은 오염 성분이 거의 포함되어 있지 않기 때문에 역삼투(RO, reverse osmosis)와 같은 고에너지를 필요로 하는 처리시설이 요구되지 않는다.
상기 전기화학적 산화/환원반응조(9)는 미생물연료전지(20)의 생물전기화학적 산화반응조(2)와 미생물전기분해전지(30)의 생물전기화학적 환원반응조(11) 사이에 위치할 수 있으며, 반응에 필요한 산소와 전자발생을 위한 물을 공급할 수 있다. 전기화학적 산화/환원반응조(9)의 내부에 반은 물로 채워지며, 나머지 반은 산소가스로 채워질 수 있다. 즉, 전기화학적 산화/환원반응조(9) 내에서 산소의 환원과 물의 산화가 동시에 일어 날 수 있도록 내부에 반이 물로 채워질 수 있는 것이다.
보다 구체적으로, 전기화학적 산화/환원반응조(9)내의 산화반응에 의해 물에서 산소가 생성이 되고, 생성된 고농도 산소가스는 같은 전기화학적 산화/환원반응조(9)내에서 환원반응에 의해 다시 물로 변환되는 반응이 반복적으로 일어나도록 할 수 있다. 산소는 미생물연료전지 전기발생을 위해 전기화학적 환원전극 표면에서 물로 환원되는 것이다. 전기화학적 산화/환원반응조(9)의 내부에 있는 물의 수위는 산화/환원반응에 따라 변동될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 장치를 통해 폐수처리 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로,
미생물연료전지의 생물전기화학적 산화반응조(2)로 유입된 폐수의 유기물을 제거하는 단계; 상기 유기물이 제거 폐수를 관(4)을 통해 생물전기화학적 환원반응조(11)로 공급하여 폐수 내의 영양물질을 제거하는 단계; 및 상기 영양물질이 제거된 유출수를 배출하는 단계; 를 포함하는 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 먼저 폐수가 생물전지 산화반응조의 유입구(1)를 통하여 미생물연료전지 생물전기화학적 산화반응조(2)로 유입이 되면 폐수내의 생물학적으로 분해 가능한 유기물들이 생물전기화학적 산화전극(3)에 부착되어 있는 미생물 촉매에 의해 산화가 일어난다. 유기물이 산화되면서 발생되는 전자와 수소이온은 전선과 이온교환막(5)으로 각각 통과하여 전기화학적 산화/환원 반응조(9)에서 발생되는 산소와 결합하여 물이 생성될 수 있다.
상기 생물전기화학적 산화전극(3)과 전기화학적 환원전극(6) 간의 전압차에 의해 전류가 발생되어 전력발생장치(13)에서 전기를 생성할 수 있고, 발생된 전기는 아래 부분의 전력공급기(14)로 이동되거나 폐수처리장 내에 필요한 전력으로 공급될 수 있다.
상기 유기물이 제거된 폐수 즉, 생물전기화학적 산화반응조(2)의 유출수는 생물전기화학적 환원반응조(11)로 공급하는 관(4)을 통하여 생물전기화학적 환원반응조(11)로 이동이 될 수 있다. 상기 생물전기화학적 환원반응조(11) 내에서는 폐수 내에 존재하는 영양물질, 즉, 이에 제한되는 것은 아니나, 인 또는 질산을 제거할 수 있다. 구체적으로, 질산염 또는 아질산염은 생물전기화학적 환원반응조(11)에서 질소이온으로 전환되어 수중에서 제거될 수 있다. 외부 전력공급기(14)에 의해 전기화학적 산화/환원 반응조(9)내의 물에서 발생되는 전자는 전선을 통하여 아래 부분의 생물전기화학적 환원반응조(11)의 생물전기화학적 환원전극(12)으로 이동되고, 전극 표면에 부착된 미생물 촉매에 의해 질산염 또는 아질산염을 질소가스로 환원시켜 준다. 유기물과 영양물질이 제거된 폐수는 생물전기화학적 환원반응조 유출구(15)를 통하여 유출될 수 있다.
즉, 폐수는 최상단의 생물전기화학적 산화반응조(2)를 통과하여 최하단의 생물전기화학적 환원반응조(11)로 흐르면서 유기물 및 영양물질이 제거될 수 있으며, 상기에서 설명한 방법으로 전기 에너지가 생산이 될 수 있고, 생성된 전기는 폐수처리장에 필요한 에너지를 공급하며, 정화된 하·폐수는 수질이 개선된 상태이므로 다양한 목적으로 재활용될 수 있다. 구체적인 재활용 분야는 농업용수로의 이용, 공업용수로의 이용 등의 분야이다.
1: 산화반응조의 유입구, 2: 생물전기화학적 산화반응조, 3: 생물전기화학적 산화전극, 4: 관, 5: 이온교환막, 6: 전기화학적 환원전극, 7: 전기화학적 환원반응조, 8: 전기화학적 산화반응조, 9: 전기화학적 산화/환원반응조, 10: 전기화학적 산화전극, 11: 생물전기화학적 환원반응조, 12: 생물전기화학적 환원전극, 13: 전력발생장치, 14: 외부 전력공급기 15: 생물전기화학적 환원반응조 유출구, 16: 격막, 20: 미생물연료전지, 30: 미생물전기분해전지

Claims (10)

  1. 폐수내 유기탄소화합물이 분해되는 미생물연료전지(20)와 영양물질이 처리되는 미생물전기분해전지(30)가 결합된 고도 폐수처리 장치;
    상기 미생물연료전지(20)와 미생물전기분해전지(30)의 사이에 연결된 전기화학적 산화/환원반응조(9); 및
    상기 미생물연료전지(20)의 유출수를 미생물전기분해전지(30)로 공급하는 관(4)을 포함하는 고도 폐수처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 미생물연료전지(20)의 생물전기화학적 산화반응조(2)와 미생물전기분해전지(30)의 생물전기화학적 환원반응조(11) 사이에 전기화학적 산화/환원반응조(9)를 위치시키는 것을 특징으로 하는 고도 폐수처리 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 미생물연료전지(20)의 생물전기화학적 산화반응조(2) 내부에 미생물 촉매가 부착된 생물전기화학적 산화전극(3)이 포함되는 것을 특징으로 하는 고도 폐수처리 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 생물전기화학적 산화반응조(2) 및 전기화학적 환원반응조(7) 사이 및 상기 생물전기화학적 환원반응조(11) 및 전기화학적 산화반응조(8) 사이에 이온교환막(5)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고도 폐수처리 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 생물전기화학적 환원반응조(11) 내부에 미생물 촉매가 부착된 생물전기화학적 환원전극(12)이 포함되는 것을 특징으로 하는 고도 폐수처리 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 전기화학적 산화/환원반응조(9)에서 생물전기화학적 산화반응조(2)와 접하고 있는 영역에 전기화학적 환원전극(6)이, 생물전기화학적 환원반응조(11)와 접하고 있는 영역에 전기화학적 산화전극(10)이 위치하는 것을 특징으로 하는 고도 폐수처리 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 생물전기화학적 산화반응조(2)와 생물전기화학적 환원반응조(11) 내에 격막(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고도 폐수처리 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 생물전기화학적 환원반응조(11)에 연결이 되는 유출수를 배출하는 배출관(15)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고도 폐수처리 장치.
  9. 미생물연료전지(20)의 생물전기화학적 산화반응조(2)로 유입된 폐수의 유기물이 생물전지 산화전극(3)에 부착되어 있는 미생물 촉매에 의해 산화되어 유기물을 제거하는 단계; 상기 유기물이 제거된 폐수를 관(4)을 통해 생물전기화학적 환원반응조(11)로 공급하여 폐수 내의 영양물질을 제거하는 단계; 및 상기 영양물질이 제거된 유출수를 배출하는 단계; 를 포함하는 폐수를 처리하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 영양물질은 인 또는 질소인 것을 특징으로 하는 폐수를 처리하는 방법.
KR1020110092835A 2011-09-15 2011-09-15 미생물연료전지 및 미생물전기분해전지가 융합된 에너지 자립형 고도 폐수처리 장치 KR101306509B1 (ko)

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