KR20130050577A - 수처리 분리막을 포함하는 미생물 연료전지 장치 및 이를 이용한 폐수처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미생물 연료전지 장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 애노드부, 캐소드부, 상기 애노드부 및 캐소드부를 전기적으로 연결하는 전극 연결부, 상기 애노드부와 유체소통하는 폐수 공급부, 상기 캐소드부와 유체소통하는 유출수 배출부, 및 상기 애노드부 및 캐소드부를 분리하는 수처리 분리막을 포함하는 미생물 연료전지 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 종래의 미생물 연료전지 시스템에 비해서 연속적이고 안정적인 폐수처리가 가능하고, 종래의 미생물 연료전지 시스템에서는 제거 불가능했던 부유물질, 유해미생물 및 바이러스, 및 미세오염물질 등을 제거할 수 있기 때문에 양질의 유출수를 생산할 수 있으면서도 높은 전력밀도를 갖는 전기에너지를 생산할 수 있으며, 고가의 양이온 교환막을 대체할 수 있어서 경제적인 폐수처리 시스템의 구현이 가능하다. 또한, 종래 미생물 연료전지 시스템에서 관찰되던 애노드부와 캐소드부 사이의 pH 격차에 따른 성능저하 현상을 방지하고, 처리된 유출수는 재처리 과정을 거치지 않고도 산업적으로 재사용가능하다.

Description

수처리 분리막을 포함하는 미생물 연료전지 장치 및 이를 이용한 폐수처리방법 {Microbial fuel cell having membrane for wastewater treatment and method for wastewater treatment using the same}
본 발명은 미생물 연료전지 장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 관한 것이다.
미생물 연료전지 (microbial fuel cell; MFC)란, 미생물의 대사로 인해서 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 구체적으로는 반응조 내에 존재하는 미생물에 의하여 폐수의 유기물이 분해되는 과정에서 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 회수하는 기술을 의미하며, 폐수처리 및 전기에너지 생산이라는 두 가지 과정을 동시에 수행할 수 있는 장점을 갖는다. 도 1에는 종래에 통상적으로 사용되는 미생물 연료전지 시스템 및 그 작동원리를 개략적으로 도시하였으며, 도 1을 참조하면, 반응조 내로 유입된 폐수는 반응조 내의 애노드 전극에서 폐수 중의 유기물이 분해되며 이산화탄소 및 전자를 생성하고, 생성된 전자는 캐소드 전극으로 전달됨으로써 전류가 발생된다. 또한, 이 과정에서 생성된 여분의 수소이온들은 애노드 전극부와 캐소드 전극부를 분리하는 양이온 교환막 등과 같은 분리막을 통과하여 애노드 전극부로부터 캐소드 전극부로 수송된다. 그러나, 종래의 미생물 연료전지는 폐수처리 및 전기에너지 생산이라는 두 가지 목적을 달성할 수 있다는 장점에도 불구하고 여러 가지 문제점들을 내포하고 있었다.
첫 번째로, 미생물 연료전지에 의해서 처리된 처리 유출수의 수질이 문제된다. 미생물 연료전지가 폐수처리 공정에 효과적으로 적용되기 위해서는 효율적인 전기에너지 회수도 중요하지만, 처리 유출수의 수질도 적정 수준을 유지하여야 한다. 그러나, 미생물 연료전지 기술을 이용한 폐수처리는 다른 생물학적 폐수처리공정과 마찬가지로 유입수 내의 유기물만이 애노드 전극의 전기활성 미생물에 의해서 제거되기 때문에, 상기 미생물에 의해 미처 처리되지 못한 부유물질, 유해미생물 또는 미세오염물질 등이 유출수 중에 여전히 잔류하게 되므로, 상기 유출수를 하천에 그대로 방류하거나 재이용수로 사용할 수가 없다는 문제점이 있다.
두 번째로, 전술한 유출수의 수질 문제로 인해서, 종래의 미생물 연료전지들은 유출수 중의 잔류 오염물질들을 제거하기 위해서 2차 침전지 등과 같은 추가적 후처리 공정을 필요로 하고, 이는 더 넓은 처리장 부지 확보 및 처리시간의 지연이라는 문제점들을 야기한다.
세 번째로, 종래의 미생물 연료전지는 애노드 전극과 캐소드 전극을 분리하는 분리막으로서 나피온 (Nafion, 미국 Dupont사) 등과 같은 양이온 교환막을 사용하는데, 이러한 양이온 교환막들은 가격이 매우 비싸고, 장시간 사용될 경우 지속적인 수소이온 전달성능을 발휘하지 못하기 때문에 애노드부와 캐소드부 사이에서 pH 차이를 야기하므로, 결과적으로 미생물 연료전지의 시스템 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
종래기술로서, 대한민국 공개특허공보 제2010-0026675호는 전기생산 및 폐수처리를 위한 전기활성 박테리아 융합장치를 개시하고 있으며, 구체적으로는 산화부, 환원부 및 산화부와 환원부를 분리하는 수소이온교환막을 포함하는 전기활성 박테리아 융합장치를 개시하고 있다. 대한민국 공개특허공보 제2002-0028342호는 전이원소를 고정한 전극을 이용한 생물연료전지를 개시하고 있으며, 구체적으로는 음극, 양극, 반응조, 전해질, 이온투과막 및 미생물 촉매를 포함하는 생물연료전지를 개시하고 있다. 또한, 대한민국 공개특허공보 제2003-0088263호는 양이온 교환막이 없는 무매개체 미생물 연료전지를 개시하고 있으며, 구체적으로는 양극부, 음극부 및 상기 양극부와 음극부를 분리하는 글래스울 (glass wool) 및 글래스비드 (glass bead)를 포함하는 무매개체 미생물 연료전지를 개시하고 있다.
그러나, 전술한 종래기술들은 양극과 음극을 분리하는 분리막으로서 종래의 값비싼 수소이온교환막 또는 이온투과막을 사용하고 있으며, 그 대체수단으로서 글래스 재질의 분리막을 사용하기 때문에 수소이온 전달성능이 저하되어 결과적으로 미생물 연료전지 시스템의 성능을 저하시킨다는 문제점들을 지니고 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래 미생물 연료전지 시스템에서 널리 사용되던 고가의 양이온 교환막을 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 애노드부에서의 전기활성 미생물에 의한 유기물 제거 및 애노드부에서 캐소드부로의 막여과 공정이 가능하기 때문에, 종래의 미생물 연료전지 기술과 마찬가지로 전기에너지를 생산할 수 있으면서도, 동시에 부가적인 유출수의 후처리 공정이 필요 없는 미생물 연료전지 장치 및 이를 이용한 폐수처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서,
애노드부, 캐소드부, 상기 애노드부 및 캐소드부를 전기적으로 연결하는 전극 연결부, 상기 애노드부와 유체소통하는 폐수 공급부, 상기 캐소드부와 유체소통하는 유출수 배출부, 및 상기 애노드부 및 캐소드부를 분리하는 수처리 분리막을 포함하는 미생물 연료전지 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수처리 분리막은 한외여과막 또는 정밀여과막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수처리 분리막의 분자량 컷-오프 범위는 1 kDa 내지 30 kDa일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 애노드부의 애노드 전극은 스테인레스 스틸 메시, 카본 펠트 (carbon felt) 및 카본 페이퍼 (carbon paper)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 전극일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극의 표면에는 지오박터 속 (Geobacter sp.) 및 슈와넬라 속 (Shwanella sp.)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 전기활성 미생물이 부착될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 캐소드부의 캐소드 전극은 카본 펠트, 카본 페이퍼 및 카본 클로스 (carbon cloth)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 전극일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서,
본 발명에 따른 미생물 연료전지 장치를 이용한 폐수처리방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 수처리 분리막을 통과하는 투과수의 투과 속도는 10 L/m2/h 내지 20 L/m2/h일 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 미생물 연료전지 시스템에 비해서 연속적이고 안정적인 폐수처리가 가능하고, 종래의 미생물 연료전지 시스템에서는 제거 불가능했던 부유물질, 유해미생물 및 바이러스, 및 미세오염물질 등을 제거할 수 있기 때문에 양질의 유출수를 생산할 수 있으면서도 높은 전력밀도를 갖는 전기에너지를 생산할 수 있으며, 고가의 양이온 교환막을 대체할 수 있어서 경제적인 폐수처리 시스템의 구현이 가능하다. 또한, 종래 미생물 연료전지 시스템에서 관찰되던 애노드부와 캐소드부 사이의 pH 격차에 따른 성능저하 현상을 방지하고, 처리된 유출수는 재처리 과정을 거치지 않고도 산업적으로 재사용가능하다.
도 1은 종래에 통상적으로 사용되는 미생물 연료전지 장치 및 그 작동원리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 미생물 연료전지 장치 및 그 작동원리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 미생물 연료전지 장치 및 이와 연결된 인공 폐수 탱크, 액체이송펌프 및 압력게이지를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 미생물 연료전지를 20일 동안 가동시킨 경우에 발생되는 전류 및 비투과속도를 도시한 도면이다.
도 5는 이온투과막 (Nafion)을 구비한 종래의 일반적인 미생물 연료전지에 대한 전력 밀도 곡선을, UF1K를 구비한 본 발명에 따른 미생물 연료전지에 대한 전력 밀도 곡선과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 6은 20일 가동의 경우 본 발명에 따른 미생물 연료전지 장치의 COD 제거 효율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 미생물 연료전지 장치 및 종래기술에 따른 미생물 연료전지 장치의 애노드부 및 캐소드부에서의 pH 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 미생물 연료전지 장치는, 애노드부, 캐소드부, 상기 애노드부 및 캐소드부를 전기적으로 연결하는 전극 연결부, 상기 애노드부와 유체소통하는 폐수 공급부, 상기 캐소드부와 유체소통하는 유출수 배출부, 및 상기 애노드부 및 캐소드부를 분리하는 수처리 분리막을 포함한다.
도 2에는 본 발명에 따른 미생물 연료전지 장치 및 그 작동원리를 개략적으로 도시하였다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 장치의 애노드부와 유체소통하는 폐수 공급부를 통해서 처리되어야 할 폐수가 유입되며, 폐수 공급부를 통해서 장치 내로 유입되는 유입수는 2가지 공정에 의해서 처리된다. 즉, 첫째는 애노드부의 애노드 전극 표면에 존재하는 전기활성 미생물에 의한 유기물의 분해과정으로서, 상기 전기활성 미생물은 유입수 중의 유기물 분해과정을 통해서 전기에너지를 생산하게 된다. 이어서, 둘째로 상기 유입수는 애노드부와 캐소드부 사이에 위치하여 이를 분리하는 수처리 분리막을 통과하게 되는데, 유입수의 계속된 유입으로 애노드부에 일정 수준의 압력 이상이 걸리게 되면, 애노드부에서 캐소드부 쪽으로 막여과가 발생된다. 특히, 본 발명에서는 이러한 수처리 분리막으로서, 대부분의 부유물질과 유해미생물 및 바이러스의 여과가 가능한 반면 물 및 유입수 중에 용해된 이온은 그대로 통과시키는 재질의 분리막을 사용함으로써, 전기에너지 생산을 위한 종래의 양이온 교환막을 대체할 수 있고, 양질의 유출수를 생산할 수 있게 된다. 전술한 과정에 의해서 2가지 처리 공정을 거친 유출수는 캐소드부와 유체소통하는 유출수 배출부를 통해서 외부로 방출된다.
상기 수처리 분리막으로는 전술한 특성을 보유한 막이라면 다양한 종류의 막이 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니지만, 한외여과막 (ultrafiltration membrane) 또는 정밀여과막 (microfiltration membrane)과 같은 막이 사용될 수 있다. 또한, 부유물질, 유해미생물 및 바이러스는 여과시키면서도 물 및 이온은 통과시킬 수 있도록 하기 위해서, 상기 상기 한외여과막의 분자량 컷-오프 범위는 1 kDa 내지 30 kDa인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 사용되는 애노드 전극 및 캐소드 전극은 종래의 미생물 연료전지 장치에서 사용되는 통상적인 전극들이 제한없이 사용될 수 있으며, 구체적으로, 상기 애노드부의 애노드 전극으로는 스테인레스 스틸 메시, 카본 펠트 (carbon felt) 및 카본 페이퍼 (carbon paper)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 전극이, 상기 캐소드부의 캐소드 전극으로는 카본 펠트, 카본 페이퍼 및 카본 클로스 (carbon cloth)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 전극이 사용될 수 있다. 또한, 애노드 전극의 표면에 존재하며 유입수 중의 유기물을 분해하여 전기에너지를 발생시키는 전기활성 미생물도 종래의 미생물 연료전지 장치에서 사용되는 통상적인 미생물들이 제한없이 사용될 수 있으며, 구체적으로, 지오박터 속 (Geobacter sp.) 및 슈와넬라 속 (Shwanella sp.)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 전기활성 미생물이 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 미생물 연료전지 장치를 이용한 폐수처리방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법을 실시함에 있어서, 수처리 분리막을 통과하는 투과수의 투과 속도는 미생물에 의한 유기물 분해 및 수처리 분리막에 의한 여과 효율을 최대화하기 위해서 적당한 범위 내로 조절되는 것이 바람직한데, 예를 들어, 상기 수처리 분리막을 통과하는 투과수의 투과 속도는 10 L/m2/h 내지 20 L/m2/h인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니며, 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 서술된 것이다.
실시예. 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 제조
각각 175 ml의 용량을 갖는 2개의 정사각형 반응조를 애노드부 및 캐소드부로 하고, 5 cm × 5 cm의 넓이를 갖고, 1 kDa의 분자량 컷-오프 범위 (UF1K)를 갖는 한외여과막 (DIAFLO ultrafiltration, Amicon, Inc. USA)을 애노드부 및 캐소드부의 사이에 장착시켰다. 아세테이트-공급 미생물 연료전지 (3개월 가동)로부터 수집한 카본 펠트 애노드 전극 (5 cm × 5 cm)을 애노드 전극으로 사용하였으며, 백금-코팅된 티타늄 플레이트 (0.5 mg/cm2, 5 cm × 5 cm)를 캐소드 전극으로 사용하였다.
CH3COONa 0.246 g, CaCl2 0.15 g, MgCl2·6H2O 0.20 g, NH4Cl 0.53 g, NaH2PO4 6 g을 함유하는 인공 폐수를 유입수로 사용하고, 1 리터 탈이온수 (deionized water, DI, 사용 전에 pH를 7로 조절) 중의 미네랄 베이스 I 용액 (1 mL)을 애노드부 용액으로 사용하고, 액체이송펌프 (Masterflex, USA)를 인공 폐수를 애노드부로 지속적으로 공급하는데 사용하였다. 압력 게이지 (Dwyer Instruments Inc., USA)를 애노드부 및 액체이송펌프 사이에 장착함으로써 막투과 동안의 작동 압력을 측정하였다. 인산완충용액 (50 mM, pH 7)을 사용하여 캐소드부를 채웠고, 캐소드 전극으로 산소를 공급하기 위해서 지속적으로 공기를 주입하였으며, 멀티미터 (Keithly Instruments, US)를 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연결하여 매 10분마다 전압을 측정하였다 (도 3 참조).
평가예. 본 발명에 따른 미생물 연료전지 장치의 구동 및 평가방법
전술한 인공 폐수를 액체이송펌프를 사용하여 일정한 유속 (O.5 mL/분)으로 본 발명에 따른 미생물 연료전지 장치의 애노드부로 지속적으로 공급하였다 (별도의 배출부 없음). 애노드부에 축적되는 압력을 사용하여 애노드 용액을 여과하였으며, 이를 통하여 용해된 이온 및 물이 캐소드부 내로 통과 유입되었고, 반면에 거대분자들 및 미세유기체들은 애노드부 내에 잔류하였다. 투과 속도 (L/m2/h)는 일정한 시간 간격으로 캐소드부로부터의 유출 속도를 측정함으로써 계산하였다. 캐소드 청소는 발생 전류가 0.4 mA 미만으로 떨어졌을 때에 35% 염산 (HCl; SigmaAldrich, USA)을 사용하여 수행하였다. 전반적인 작동 동안에, 외부 저항은 100 Ω으로 고정되었다.
COD는 표준방법 (Humas Co. Ltd, South Korea)을 사용하여 분석하였다. 이어서, 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 작동이 정적 상태에 도달한 이후에 유출액의 수질을 pH (Thermo Scientific, USA), 총 용해 고형분 (TDS), 전도성 (ISTEK, South Korea) 및 총 대장균수 (Colilert, USA)를 측정함으로써 분석하였다. 또한, 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 전력 생산능력을, 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 작동이 정적 상태에 도달한 이후에, 외부 저항을 5Ω으로부터 5000Ω까지 증가시킴으로써 측정하였다.
<전류 발생 및 투과 속도>
초기 5일 동안 가동 중에 비투과 속도 (specific permeate flux)는 5.0 ± 0.7 LMH/bar (13.8 ± 1.4 LMH at 2.8 bar)이었다. 그 후에, 12.7 ± 1.3 LMH/bar (14.1 ± 1.2 LMH at 1.2 bar)로 증가하였으며, 이러한 수준을 공정 마지막 (20일)까지 유지하였다. 도 4는 본 발명에 따른 미생물 연료전지를 20일 동안 가동시킨 경우에 발생되는 전류 및 비투과속도를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 초기 5일 동안 낮은 비투과 속도는 이 기간 동안 높은 작동 압력이 유지되었기 때문이며 (2.8 bar), 이 기간이 경과된 후에는 압력이 1.2 bar로 유지되었는데, 이는 본 발명에서 비여과 한외여과막 (unfiltered ultrafiltration membrane)을 사용하기 때문이다. 15일 동안은 유속 감소 없이 일정한 투과 속도 (14.1 ± 1.2 LMH at 1.2 bar)가 유지되었는데, 이는 막 파울링 (fouling) 현상 때문에 막 공정에서 일반적으로 발생된다. 막 파울링 현상은 투과물을 유기 또는 무기 화합물 및/또는 미세유기체 및 그 대사물질들로 막음으로써, 투과물이 막 기공을 통과하여 흐르는 것을 방지한다. 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 작동 중에, 유속 감소는 관찰되지 않았다. 이는 다른 MBR 공정들과 비교할 때에 상대적으로 가동 시간 (20일)이 짧기 때문으로 추측된다. 또한, 막 표면 바이오파울링을 일으킬 수 있는 미세유기체들은 주로 미생물 연료전지의 애노드 전극에 부착되는 것을 관찰되었다.
최대 1.4 mA의 전류가 발생되었다; 그러나, 전류는 이후 감소하였으며, 이는 전류 발생에 필요한 탄소원을 포함하는 신선한 인공 폐수가 애노드부로 지속적으로 공급되는 경우에도 마찬가지였다. 최대 전류값은 캐소드 세척 작업 이후에는 재생성되었다는 점을 주목할 필요가 있다 (도 4의 화살표 시점들; 6일 경과 시점에서는 탈이온수로 세척하고, 8일 경과 이후부터는 강염산 (35%)으로 세척하였으며, 강염산 세척이 더욱 효과적임을 알 수 있다). 종래의 일반적인 미생물 연료전지 시스템에서 관찰되는 전류 감소 현상은 다양한 요인들에 의해서 발생된다. 그러한 요인들 중의 하나는 캐소드 전극 (Pt-코팅)의 기능과 관련이 있는데, 이는 다시 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 한외여과막의 특성과 관련이 있다. 즉, 저분자량 유기화합물 및 대부분의 용해된 이온들은 한외여과막을 통과할 수 있다는 점이 그것이다. 이온교환막을 구비한 일반적인 통상의 미생물 연료전지의 경우에는, 낮은 확산 속도 때문에 애노드부로부터 캐소드부로의 기질 확산은 무시할 수 있는 수준이지만, 본 발명에 따른 미생물 연료전지에서는 캐소드 전극으로의 기질 및 영양분 수송은 무시할 만한 수준이 아닌데, 이는 잔류 유기원 (아세테이트) 및 용해된 영양분들이 애노드부로부터 캐소드부로 여과를 통해서 수송될 수 있기 때문이다. 비록, 아세테이트 (본 발명에 따른 장치에서 주된 탄소원)가 캐소드 전극의 포텐셜에 의해서 직접적으로 영향을 받지는 않았으나, 유기원 및 용해된 영양분들에 의한 캐소드 전극 상의 바이오필름 형성은 Pt 촉매의 기능을 저하시킬 수 있다.
<전력 생산>
이온투과막 (Nafion)을 구비한 종래의 일반적인 미생물 연료전지에 대한 전력 밀도 곡선을, UF1K를 구비한 본 발명에 따른 미생물 연료전지에 대한 전력 밀도 곡선과 비교하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다. 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 작동이 정적 상태에 도달한 이후에 최대 전력 밀도는 53.5 mW/m2였고, 종래의 미생물 연료전지의 경우에는 55.7 mW/m2였다. 이러한 결과는 미생물 연료전지 시스템의 전력 발생능력이 나피온 막을 UF1K 막으로 대체하는 것에 의해서 크게 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다. 본 발명에서는, 다른 막들에 비해서, UF1K 막을 공기-캐소드 단일-챔버 미생물 연료전지에 채용하는 경우에 가장 높은 전력 밀도값을 나타내었다.
<COD 제거능 및 유출수 수질>
도 6은 20일 가동의 경우 본 발명에 따른 미생물 연료전지 장치의 COD 제거 효율을 도시한 그래프이다. COD 로딩 속도는 0.79 g COD/L/d였으며, 비록 애노드부 내의 COD는 급격하게 변동됨에도 불구하고 (90-190 mg/L), 유출수의 COD는 전체 공정을 통털어서 10 mg/L 미만으로 유지되었다. 한외여과막의 기공 크기는 고정되어 있기 때문에, 이를 통과할 수 있는 유기 화합물의 양은, 애노드부 내의 유기 화합물 농도가 높게 유지된다 하더라도, 제한적이었다. 전반적인 공정 동안, 높은 COD 제거율 (> 90 %)이 유지된다는 사실은, COD 제거라는 관점에서는 본 발명에 따른 미생물 연료전지가 우수한 폐수처리 장치로 기능할 수 있다는 것을 의미한다.
수소 이온의 수송이 원활하지 못한 경우 애노드부 및 캐소드부에 pH 농도구배를 야기하며, 이는 이온교환막을 구비한 종래의 일반적인 미생물 연료전지에 있어서 심각한 문제점이었다. 이는 애노드부에서의 pH 감소로 인해서 엑소일렉트로젠 (exoelectrogen) 활성이 감소하고, 더 나아가, 캐소드 전극 역시 캐소드부에서의 pH 증가에 의해서 영향을 받기 때문이다. 도 7에는 본 발명에 따른 장치 및 종래 장치의 애노드부 및 캐소드부에서의 pH 변화를 도시하였으며, 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 미생물 연료전지에서는 캐소드부 및 애노드부에서 심각한 pH 변화가 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 미생물 연료전지에서는 양성자 및 다른 양이온들이 애노드부로부터 캐소드부로 활발하게 수송될 수 있기 때문이다. 즉, 이는 본 발명에서는, 애노드부에서는 엑소일렉트로젠의 활성을, 그리고 캐소드부에서는 캐소드의 기능 수행을 위한 적절한 수준의 pH (pH 7)가 유지될 수 있다는 것을 의미한다.
더 나아가, 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 유출수 수질을 알아보기 위해서, 총 현탁 고형분 (total suspended solids, TSS), 총 대장균, 전도성 및 TDS를 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 도시하였다 (평균 ± 표준편차, 4회 반복 수행).
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장치에서는, 인공 폐수 및 애노드부 중의 현탁 고형분 농도가 낮기 때문에 TSS는 검출되지 않았으나, 한외여과막이 폐수 중에 존재하는 대부분의 현탁 고형분들을 차단할 수 있기 때문에, TSS의 제거율이 높게 관찰되었다 (> 99%). 한편, 97% 이상의 총 대장균이 본 발명의 장치에 의해서 제거되었고, 높은 제거율이 관찰되었다. 유출수에서 검출된 소량의 총 대장균은 캐소드 오염 현상에 의한 것으로서, 이는 애노드부로부터 여과를 통해서 탄소원 및 영양분들이 수송되기 때문으로 추측된다. 유출수의 전도성 및 TDS는 막 생반응기 (Membrane Bio-Reactor) 공정을 사용하는 다른 폐수처리방법에 비해서 상대적으로 높은 편이었으며, 이는 본 발명에서 사용된 인산 완충 용액의 농도가 높은 편이었기 때문으로 추측된다.

Claims (8)

  1. 애노드부, 캐소드부, 상기 애노드부 및 캐소드부를 전기적으로 연결하는 전극 연결부, 상기 애노드부와 유체소통하는 폐수 공급부, 상기 캐소드부와 유체소통하는 유출수 배출부, 및 상기 애노드부 및 캐소드부를 분리하는 수처리 분리막을 포함하는 미생물 연료전지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수처리 분리막은 한외여과막 또는 정밀여과막인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수처리 분리막의 분자량 컷-오프 범위는 1 kDa 내지 30 kDa인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 애노드부의 애노드 전극은 스테인레스 스틸 메시, 카본 펠트 및 카본 페이퍼로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 전극인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 애노드 전극의 표면에는 지오박터 속 (Geobacter sp.) 및 슈와넬라 속 (Shwanella sp.)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 전기활성 미생물이 부착된 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 캐소드부의 캐소드 전극은 카본 펠트, 카본 페이퍼 및 카본 클로스로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 전극인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 미생물 연료전지 장치를 이용한 폐수처리방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 수처리 분리막을 통과하는 투과수의 투과 속도는 10 L/m2/h 내지 20 L/m2/h 인 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
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