KR20140061283A

KR20140061283A - 상향류 혐기성 입상 슬러지 반응기 및 미생물 연료전지가 결합된 하이브리드 반응기

Info

Publication number: KR20140061283A
Application number: KR1020130137706A
Authority: KR
Inventors: 장인섭; 장재경; 김태영; 김봉규
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2014-05-21
Also published as: KR101528159B1

Abstract

본 발명은 유기 오염물을 처리하면서 바이오가스와 전기를 동시에 생산할 수 있도록 혐기성 소화조 시스템을 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell; MFC) 반응조가 둘러싸고 있는 구조의 하이브리드 미생물 연료전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 하이브리드 미생물 연료전지는 혐기성 소화조를 거쳐 나오는 처리수를 미생물 연료전지 반응조에서 재처리함으로 유기물 처리율이 증대되었으며, 바이오가스와 전기에너지를 동시에 생산할 수 있어, 산업상 유용하게 사용될 수 있다.

Description

상향류 혐기성 입상 슬러지 반응기 및 미생물 연료전지가 결합된 하이브리드 반응기{Hybrid reactor consisting of upflow anaerobic sludge blanket reactor and microbial fuel cell}

본 발명은 상향류 혐기성 입상 슬러지 반응기 및 미생물 연료전지가 결합된 하이브리드 반응기에 관한 것이다.

1970년 대에 발생한 두 차례의 석유파동과 전 세계적으로 에너지 수급의 대부분을 차지하는 화석연료의 매장량 한정은 전 세계에 대체 에너지자원 확보라는 커다란 과제를 남겼다. 현재까지 화석연료를 대체할 만한 획기적인 대체에너지 자원은 개발되지 않은 가운데 한국은 에너지소비 및 석유소비가 각각 세계 8위(BP, 2011년 세계 에너지 통계)에 기록되는 에너지 소비국가이지만 에너지 위기에 극히 취약한 구조를 가지고 있으며, 경제 규모에 비해 상대적으로 에너지를 많이 소비하고 있고, 수입 에너지 의존도가 96.7%로 높아 에너지의 안정적인 확보를 위해 대체 에너지에 대한 연구 개발이 절실한 시점이다.

현재까지 국내ㆍ외에서 연구되고 있는 대체 에너지는 태양열을 비롯하여, 풍력, 지열, 파력에너지 등 자연환경으로부터 에너지를 회수하는 시스템과 Fuel cell 과 같은 청청에너지 개발이 중점적으로 이루어지고 있다. 그러나 이러한 대체에너지 기술의 대부분은 지역적, 시간적으로 제한된다는 문제점을 가지고 있다.

이와 달리, 지구상에서 1년간 생성되는 양이 석유의 전체 매장량과 맞먹을 정도로 많은 양을 차지하고 있는 바이오매스(당질계, 목질계, 해조류, 폐유기물 등)를 에너지원으로 이용하는 바이오에너지 기술은 기존의 대체에너지 기술이 가지는 지역적 시간적 제약의 문제로부터 자유롭다는 장점을 바탕으로 전세계적으로 각광을 받고 있다.

특히, 인류가 살아감에 있어서 발생이 불가피한 생활하수, 음식물 폐기물, 가축분뇨 등의 유기성 폐자원으로부터 가용한 에너지를 회수하여 대체에너지원으로 사용하는 기술의 개발은 오염물질의 처리에만 초점을 두었던 기존의 유기성 폐기물 처리방식과는 달리 오염물질의 처리와 더불어 가용에너지 자원을 획득하는 새로운 패러다임의 지속가능한 친환경 에너지전환 기술로 제시되고 있다.

낙농업이 발달한 유럽은 많은 양의 가축분뇨가 생산되는데 고농도 유기성 폐기물 처리시설의 80% 이상을 혐기성 소화방식의 바이오플랜트로 운전하여 가용에너지로의 전환에 앞장서고 있다. 혐기성 소화는 고농도의 폐수나 분뇨를 비교적 낮은 에너지로 처리할 수 있으며 호기성 처리에 비해 슬러지 발생량이 적고 병원균과 기생충이 사멸되며, 메탄가스 등의 바이오가스 형태로 에너지가 회수되는 장점을 가지고 있으나, 유입 유기물 1 kg당 35 m²의 메탄가스를 생성하며, 이를 에너지로 환산하면 20,930 내지 29,320 kJ/m³에 달하나, 처리효율이 낮기 때문에 추후 처리공정이 필요한 단점이 있다.

미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell; MFC)는 유기ㆍ무기물질을 흡수하고 분해하여 살아가는 미생물 중에서 기질이 산화되어 생성되는 전자를 전극으로 전달시킬 수 있는 미생물을 촉매로 하여 유기ㆍ무기물의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 시스템으로, 폐수를 처리함과 동시에 전력을 생산할 수 있으며, 일반 폐수 처리공정에 비해 슬러지 발생량이 적어 슬러지 처리비용을 저감할 수 있고, 혐기성 소화조에 비해 저농도의 유기물 처리도 가능하며, 상온에서도 구동이 가능한 장점이 있다.

이러한 두 가지 반응기를 각각 단독으로 운전시 유기물 처리율 및 에너지 생산율이 두 반응조를 분리 또는 결합한 상태로 동시에 운전하는 반응조보다 높지 않다. 또한 두 반응기를 따로 건설하여 결합한 상태로 운전하는 경우, 공간을 많이 차지할 뿐만 아니라 두 반응조를 연결하기 위한 라인 신설이 필요하여, 이에 따른 비용 발생, 산소 오염으로 인한 효율감소, 후 공정(MFC)으로 이송시키기 위한 펌프 설비구축에 따른 동력 추가 등의 문제점이 발생하므로, 상기 문제점을 해결하고, 에너지 생산율이 향상시키기 위해 두 반응조가 결합된 형태의 개선된 장치가 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유기물을 처리하면서 바이오가스와 전기에너지를 동시에 생산하는 복합 반응조를 포함하는 하이브리드 연료전지를 제공하는 것이다.

상기 상술한 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

제1 반응조, 상기 제1 반응조를 둘러싸고 있는 제2 반응조를 포함하는 복합 반응조로서,

상기 제1 반응조는 하부에 유입수 유입구 및 상부에 가스 포집부를 포함하고, 내부에 고정된 제1 미생물을 포함하며,

상기 제2 반응조는 상부 또는 하부에 유입수 배출구를 포함하고, 적어도 1개 이상의 통공이 형성되어 있으며, 상기 통공에는 상기 제2 반응조 내부에서 외부 방향으로 애노드 집전체 - 애노드 - 전해질막 - 캐소드 - 캐소드 집전체 순서로 설치되어 있고, 상기 애노드 상에는 제2 미생물이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 반응조를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 의하면, 상기 제1 반응조는 원기둥 또는 다각 기둥 구조일 수 있으며, 상기 제2 반응조는 다각 기둥 구조 일 수 있고, 2개 이상의 서브 반응조가 상하로 결합된 스택 구조일 수 있으며, 상기 제2 반응조에 형성된 통공은 상기 제2 반응조의 복수 개의 옆면의 전부 또는 일부에 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예에 의하면, 상기 제1 미생물은 입상 슬러지 형태로 상기 제1 반응조 하부에 충진되어 고정되거나, 상기 제1 반응조 하부에 충진되어 있는 별도의 충진제에 부착되어 고정될 수 있는데,

상기 입상 슬러지의 각 입자의 평균 직경은 1-3 mm일 수 있고, 슬러지 침전성이 10-30 mL/g일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 의하면, 상기 제1 반응조에서 상기 제2 반응조로의 유입수 이동은 무동력 자연유하 방식으로 수행될 수 있으며,

상기 제1 반응조 및 제2 반응조의 반응은 혐기성 조건에서 수행될 수 있다.

또한, 상기 복합 반응조는 상기 제1 반응조에 유입되기 전에 상기 유입수 내 질소원의 제거 수단을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 제2 반응조는 온도 조절 수단을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명은 미생물을 이용하여 유기물을 처리하면서 바이오가스를 생산하는 혐기성 소화조 시스템을 가지는 반응조를 미생물을 이용하여 유기물을 처리하면서 전기를 생산하는 미생물 연료전지 시스템을 가지는 반응조가 둘러싸는 구조의 복합 반응조에 관한 것으로, 상기 복합 반응조를 포함하는 하이브리드 미생물 연료전지는 유기물을 처리하면서 바이오가스와 전기를 동시에 생산할 수 있다. 본 발명에 따른 복합 반응조를 포함하는 하이브리드 미생물 연료전지는 혐기성 소화 반응조와 미생물 연료전지 반응조를 각각 독립적으로 운전하여 바이오가스 및 에너지를 생산하는 경우보다 바이오가스 및 전기에너지의 생산량이 많으면서도 유기물 처리율이 향상되었으며, 혐기성 소화 반응조와 미생물 연료전지 반응조를 각각 독립적으로 설치하는 경우보다 더 적은 부지를 필요로 하여 설비비용이 절감되며, 가동 비용이 저렴하여 경제적이다. 또한, 혐기성 소화조 시스템의 유출수를 미생물 연료전지에 이용하기 위한 운반장치 및 운반비용이 절감되어 산업상 유용하게 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 반응조인 혐기성 소화조 시스템을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 제2 반응조인 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell; MFC) 반응조를 구성하는 분리막 전극접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)의 분리도이다.
도 3은 본 발명의 제2 반응조인 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell; MFC) 반응조의 반응기작에 대한 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제2 반응조를 구성하는 다각기둥의 일면에 대한 분리도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따라 원통형으로 구성된 제1 반응조의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 사각기둥으로 구성된 제2 반응조의 투시도 및 분리도이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따라 제1 반응조를 제2 반응조가 둘러싸고 있는 구조의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따라 다수 개의 제2 반응조를 상하로 결합하여 스택 구조를 형성한 구조의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 제1 반응조를 스택 구조를 형성한 제2 반응조로 둘러싼 형태의 복합 반응조에 대한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 입상 슬러지(그래뉼)의 구성도이다. 그래뉼 핵 주변으로 메탄가스 생성균(methanosaeta sp.)이 층을 형성하고 있으며, 유기물을 이용하여 메탄가스 및 이산화탄소를 생성한다.
도 11은 본 발명의 일 구현예에 따라 하이브리드 미생물 연료전지가 두 개 이상 연결되어 멀티구조를 형성한 하이브리드 미생물 연료전지 멀티 시스템을 나타낸 사시도이다.

혐기성 소화조는 산소가 존재하지 않는 상태에서 생물학적 분해가 가능한 유기물이 메탄 생성균에 의해 이산화탄소를 전자 수용체로 사용하여 전자 당량(BOD)을 탄소가 가장 환원된 형태인 메탄(CH₄)으로 환원되는 원리로 작동된다. 혐기성 소화는 고농도의 폐수나 분뇨를 비교적 낮은 에너지로 처리할 수 있고, 호기성 처리에 비해 슬러지 발생량이 적고 병원균과 기생충이 사멸되는 장점을 가지고 있으며, 궁극적으로 메탄가스 등의 바이오가스 형태로 에너지를 회수할 수 있다는 특징이 있다. 그러나 유기물의 처리 효율이 낮기 때문에 추후 처리 공정을 필요로 하는 단점이 있다.

미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell; MFC) 공정은 유기ㆍ무기물질을 흡수하고 분해하는 미생물 중에서 기질이 산화되어 생성되는 전자를 전극으로 전달시킬 수 있는 미생물을 촉매로 하여 유기ㆍ무기물의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 시스템을 이용하는 것으로, 미생물로 폐수에 존재하는 유기물을 분해하여 폐수를 처리함과 동시에 전력을 생산할 수 있으며, 일반 폐수처리 공정에 비해 슬러지 발생량이 적어 슬러지 처리비용을 저감할 수 있고, 저농도의 유기물을 처리할 수 있으며, 낮은 온도에서도 구동이 가능하다.

유기물로부터 바이오가스와 전기에너지를 동시에 얻기 위해서는 혐기성 소화 공정과 미생물 연료전지 공정을 연계하여 이용할 수 있는데, 혐기성 소화공정과 미생물 연료전지 공정은 각각 독립적으로 동력 및 장비를 필요로 하며, 혐기성 소화공정을 통해 유출되는 유출수를 미생물 연료전지 공정으로 이송시키는 라인을 구축하여야 함으로 설비비용이 높고 처리효율이 낮았다. 이에 본 발명자들은 하나의 시스템에서 혐기성 소화 공정과 미생물 연료전지 공정을 연계하여 운전할 수 있어 유기물로부터 바이오가스와 전기에너지를 동시에 생산할 수 있는 방법을 찾기 위해 예의 노력한 끝에 본 발명에 따른 복합 반응조를 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 제1 반응조, 상기 제1 반응조를 둘러싸고 있는 제2 반응조를 포함하는 복합 반응조로서,

일 구현예에 따르면, 제1 반응조는 미생물을 이용하여 유기물을 처리하면서 바이오 가스를 생산하는 혐기성 소화조 시스템이고, 제2 반응조는 미생물을 이용하여 유기물을 처리하면서 전기를 생산하는 미생물 연료전지이다. 이와 같은 복합 반응조를 포함하는 하이브리드 연료전지를 통하여, 유기 폐수를 처리하면서 바이오 가스 및 전기가 동시에 생산될 수 있는 효과가 있다.

제1 반응조에서 생산된 가스는 가스 포집부를 통해 포집되어 필요한 곳으로 이송될 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 유입수가 아래로부터 유입될 수 있으며, 생성되는 메탄가스는 상부의 가스포집기를 통해 포집되어 필요한 곳으로 이송될 수 있다. 상향류 혐기성 입상슬러지 반응기를 이용하면 재래식 혐기성 처리 공법에 비해 다량의 유기물 부하(loading)에도 처리효율이 우수하여 작은 용량의 반응조로도 운용이 가능하며, 활성이 우수한 혐기성 미생물을 고농도로 유지시킬 수 있어 짧은 체류시간에도 폐수처리 효율이 우수하다.

특히, 상향류 혐기성 입상슬러지 기술을 이용한 공정은 짧은 체류시간 동안 고부하 운전이 가능한데, 하루에 8-20 kg COD cr/m³를 처리할 수 있고, 이를 통해 300-500 W/m³의 에너지를 획득할 수 있으며, 반응 기작은 아래와 같다.

유기물질 → CH₄ + CO₂ + H₂ + H₂S + NH₃

상기 식에서, CH₄ 1 몰 발생은 BOD 또는 COD 2 몰(64g) 처리와 동일하며, 1 g BOD가 안정화되면 0.3-0.4 ℓ의 CH₄가 발생할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell; MFC) 공정은 유기ㆍ무기물질을 흡수하고 분해하는 미생물 중에서 기질이 산화되어 생성되는 전자를 전극으로 전달시킬 수 있는 미생물을 촉매로 하여 유기ㆍ무기물의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 시스템을 이용하는 것으로, 미생물로 폐수에 존재하는 유기물을 분해하여 폐수를 처리함과 동시에 전력을 생산할 수 있으며, 일반 폐수처리 공정에 비해 슬러지 발생량이 적어 슬러지 처리비용을 저감할 수 있고, 저농도의 유기물을 처리할 수 있으며, 낮은 온도에서도 구동이 가능하다.

미생물 연료전지 공정에서 산소는 애노드에 있는 미생물의 전기화학적인 반응을 저해할 수 있으므로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 이온의 투과가 가능한 전해질막(Membrane)을 사용하여 산화전극조(Anode chamber)와 환원전극조(Cathode chamber)로 나누어 캐소드에 존재하는 산소와 애노드의 미생물을 분리시키는 구조를 가지는 것이 바람직하다.

이때, 환원전극조에는 환원반응을 위해 일반적으로 공기를 폭기시켜 용존산소를 공급한다. 두 전극은 전선을 통해 부하(load)와 연결되어 있는데, 부하로서 저항을 이용할 수 있다. 한편, 전해질막(Membrane)은 수소이온에 투과성이 있으므로 애노드에서 생산된 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드에서 전자와 산소와 반응할 수 있는데 반응기작은 아래와 같다.

Anode: CH₃COO^- + 4H₂O → 2HCO₃ ^- + 9H⁺ + 8e^-

Cathod: 2O₂ + 8H⁺ + 8e^- → 4H₂O

CH₃COO^- + 2O₂ → 2HCO₃ ^- + H⁺

상기와 같은 반응으로 생긴 전류는 전압을 이용하여 계산할 수 있으며, 외부저항에 의해 강하되어 생기는 전압은 전압측정기나 컴퓨터에 연결되어 있는 실시간 데이터 수집 장치를 이용하여 측정할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 제2 미생물은 애노드에 바이오 필름을 형성하며 애노드에 고정될 수도 있다. 애노드에 고정된 제2 미생물은 제1 반응조에서 제2 반응조로 이동된 유입수 내에 존재하는 미생물을 산화시켜 전자와 수소 이온을 발생시키고, 발생된 전자는 애노드 집전체를 거쳐 이와 연결된 외부 전선을 따라 흘러 캐소드 집전체를 거쳐 캐소드로 전달된다. 또한, 발생된 수소 이온은 전해질막을 통과하여 캐소드에서 환원되게 된다. 따라서, 애노드는 혐기성 조건 속에서 유입수에 노출되어야 하고, 캐소드는 외부 공기 또는 산소 조건에 노출되어야 한다. 이를 도식화하여 도 2에 나타내었다.

일 구현예에 따르면, 유체가 유출되지 않도록 애노드 집전체와 인접한 애노드 가스켓과 캐소드 집전체와 인접한 캐소드 가스켓이 추가로 포함될 수 있다. 또한 상기 구조를 고정하기 위하여 애노드 가스켓과 캐소드 가스켓 바깥쪽으로 지지체가 더 포함될 수 있는데, 지지체의 재질로는 제한이 없으며, 예를 들어 아크릴, 테프론, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리에틸렌 및 폴리염화비닐 중에서 선택될 수 있다. 상기 구조의 구체적인 위치는 도 4에 나타낸 바와 같다. 상기 도 4에서 MEA는 도 2에서 나타낸 구조와 같으며, 캐소드 - 멤브레인 - 애노드 집합체를 의미한다.

일 구현예에 따르면, 제1 반응조는 원기둥 또는 다각 기둥 구조이고, 상기 제2 반응조는 다각 기둥 구조일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 원기둥은 위아래 면이 정확하게 원을 구성하는 원기둥일 수도 있으나, 타원을 이루는 타원기둥도 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상기 다각 기둥의 예에는 삼각기둥, 사각기둥, 오각기둥, 육각기둥 등이 포함되나 이에 한정되지 않으며, 이러한 다각기둥은 위아래 면이 정다각형인 정다각 기둥일 수도 있으나 반드시 이에 국한되지 않는다.

제1 반응조를 도식화하여 도 5에 나타냈으며, 제2 반응조로 사각 기둥 구조를 가지도록 도식화하여 도 6에 나타내었다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 분리막 접합체 한 개에 대하여 두 개의 집전체(Current collector)가 연결되어 있는데, 한개는 애노드 집전체이며, 하나는 캐소드 집전체이다. 상기 집전체를 저항에 연결시키고, 멀티메터(multimeter)로 측정하여 컴퓨터에 전류 값을 기록할 수 있다.

이때, 애노드에서 생성된 수소이온은 분리막을 통하여 캐소드로 이동하며, 캐소드에서는 환원반응을 위하여 공기를 폭기시켜 용존산소가 공급될 수 있으며, 이동된 수소이온과 전자가 만나 물이 생성될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 복합 반응조의 구조를 도식화하면 도 7에 나타낸 바와 같다. 도 7은 본 발명에 따른 복합 반응조의 단면을 나타낸 도이다. 도면을 참고하면, 제1 반응조(100)를 제2 반응조(200)가 둘러싸고 있는 구조로, 상기 제1 반응조(100)의 하단에는 유입수가 흘러들어갈 수 있는 유입라인(110)이 구비되어 있으며, 제1 반응조 내부의 하부에는 입상슬러지(140)로 채워지며, 제1 반응조 상부에는 혐기 소화에 의해 생성된 바이오 가스를 포집할 수 있도록 가스포집기(130)와 제1 반응조에서 처리된 처리수가 제2 반응조로 이송될 수 있는 이동라인(120)이 구비되어 있는데, 상기 제1 반응조에서 상기 제2 반응조로의 유입수 이동은 무동력 자연유하 방식으로 수행될 수 있고, 제2 반응조(200)의 벽면에는 분리막 전극접합체(210)가 구비되어 전기에너지를 생산할 수 있다.

상기 유입수의 이동을 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

유기물을 포함하는 유입수는 상기 제1 반응조의 하부 유입구로 유입되어 제1 반응조 전부 또는 일부를 채운 후 제2 반응조로 이동하여 제2 반응조 전부 또는 일부를 채운 후에 유입수 배출구를 통해 배출된다. 제1 반응조를 채우고 제1 반응조를 넘친 유입수가 상기 제2 반응조를 채우고 난 후 유입수 배출구로 배출될 수도 있고, 이때 제2 반응조에서 제1 반응조로 유입수가 역류하지 않도록 제2 반응조의 유입수 배출구는 제1 반응조의 최상단보다는 낮은 곳에 위치하는 것이 바람직하다. 또는 유입수가 제1 반응조를 넘쳐흐르도록 하는 대신에, 제1 반응조에서 제2 반응조로 유입수가 이동할 수 있도록 제1 반응조의 상단 부근에 유입수 유출부가 추가로 설치될 수도 있다.

이와 같이, 유입수는 제1 반응조에서 제2 반응조로 별도의 이동 라인 없이 바로 이송되므로, 혐기성 소화조와 미생물 연료전지를 각각 독립 구성하여 운전하는 경우에 비하여, 별도의 유출수 라인 구성을 위한 비용 절감의 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 복합 반응조에 있어서, 제2 반응조는 2개 이상의 서브 반응조가 상하로 결합된 스택 구조일 수 있으며, 이를 도 8에 도식화하여 나타내었다.

제2 반응조가 직육면체 구조인 경우에 이와 같이 스택을 이루기 위해서는 위아래 서브 반응조를 이격 없이 쉽게 연결할 수 있도록 각 서브 반응조의 위아래에 수평하게 외부로 연장된 결합부를 포함할 수 있고, 각 결합부는 체결을 위한 복수 개의 통공부를 포함할 수 있다.

상기 통공은 상기 제2 반응조의 복수 개의 옆면의 전부 또는 일부에 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 제1 반응조와 상기 스택 구조를 가지는 제2 반응조를 결합한 복합 반응조를 좀 더 이해하기 쉽도록 도 9에 도식화하여 나타내었다.

일 구현예에 의하면, 상기 제1 미생물은 입상 슬러지 형태로 상기 제1 반응조 하부에 충진되어 고정되거나, 상기 제1 반응조 하부에 충진되어 있는 별도의 충진제에 부착되어 고정될 수 있으며, 상기 제1 미생물이 충진된 입상슬러지의 구조는 도 10에 나타낸 바와 같다.

제1 반응조에 고정된 제1 미생물은 유입수 내 미생물과 반응하여 가스를 생산한다. 반응조 내에 접촉제, 충진제, 유동입자 등의 생물막 부착 매개(media)를 이용할 수도 있고, 또는 슬러지가 가지고 있는 응집 기능을 이용하여 침전성이 우수한 입상 슬러지 형태 미생물이 서로 부착하여 핵을 형성한 후 점차 그래뉼 형태로 고농도의 생물량을 반응조 내에 충진시키는 자기 고정화 방식을 이용할 수도 있다.

상기 입상슬러지의 각 입자의 평균 직경은 1-3 mm이고, 슬러지 침전성이 10-30 mL/g일 수 있다.

상기 입상슬러지의 각 입자의 평균 직경이 상기 범위 미만이면, 입자의 크기가 너무 작아 슬러지의 침전성이 저하되고, 상기 입상슬러지의 각 입자의 평균이 상기 범위 이상이면, 입자의 크기가 너무 커, 표면적이 적어짐으로 처리효율이 저하되고, 메탄가스 생성량이 줄어들어 바람직하지 않다.

슬러지의 침전성이 상기 범위 미만이면, 슬러지가 침전되지 않고 부유할 수 있으며, 유출라인을 통해 제2 반응조로 유입될 수 있어 미생물의 손실이 발생되고, 처리 수질이 나빠지며 메탄가스 생성량이 줄어들어 바람직하지 않고, 슬러지의 침전성이 상기 범위를 초과하면 메탄가스 생성량이 줄어들어 바람직하지 않다.

한편, 상기 제1 반응조 및 제2 반응조의 반응은 혐기성 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.

즉, 제1 반응조와 제2 반응조는 모두 혐기성 조건에서 수행되어야 하기 때문에 공기 또는 산소와 차단될 것이 요구된다. 이와 같이 혐기성 소화조와 미생물 연료전지를 결합하여 복합 반응조를 구성하는 경우에, 산소 또는 공기 오염 가능성이 크게 낮출 수 있으므로, 혐기성 소화조와 미생물 연료전지를 각각 독립 구성하여 운전하는 경우에 비하여, 혐기성 조건 유지 비용을 크게 절감할 수 있고, 전기 생산량도 크게 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 상기 제1 반응조에서 생성되는 가스는 메탄 및 이산화탄소 중에서 선택된 1종 이상의 가스일 수 있으며,

복합 반응조는 상기 제1 반응조에 유입되기 전에 상기 유입수 내 질소원의 제거 수단을 추가로 포함할 수 있는데, 상기 유기 폐수의 질소원 농도가 높을 경우, 탄소 대 질소비(C/N 비)가 맞지 않아 혐기성 소화 및 미생물 연료전지의 처리 효율이 떨어질 수 있으므로 질소원을 제거하는 것이 바람직하다. 제거하는 것이 바람직한 질소원의 예에는 질산성 질소 또는 암모니아를 포함되나, 이에 한정되지 않는다.

한편, 본 발명에 따른 복합 반응조 및 상기 복합 반응조를 이용한 하이브리드 연료전지는 단독으로 설치되어 유기물을 처리할 수도 있으나, 하이브리드 연료전지를 2개 이상을 연결하여 멀티시스템을 구축하여 이용할 수도 있으며, 상기 하이브리드 연료전지를 병렬로 연결할 수도 있으나, 직렬로 연결하여 다층을 형성시킬 수도 있고, 직렬 및 병렬을 모두 사용하여 단위셀 형식으로 쌓아올릴 수도 있다. 상기 하이브리드 연료 전지 멀티시스템은 도 11에 나타내었다.

본 발명에 따르면 상기 하이브리드 연료 전지 멀티시스템의 설치공간 효율을 높이기 위하여 제2 반응조는 사각기둥인 것이 본 발명에 따른 하이브리드 미생물 연료전지 멀티 시스템을 구성하는데 있어서 최소의 공간으로 다수의 하이브리드 미생물 연료전지를 설치할 수 있어 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니며, 육각기둥을 다수 개 연결하여 벌집구조를 형성할 수도 있다.

100 제1 반응조 110 유입라인
120 이동라인 130 가스포집부
140 입상슬러지
200 제2 반응조 210 분리막 전극접합체(MEA)
211 분리막

Claims

제1 반응조, 상기 제1 반응조를 둘러싸고 있는 제2 반응조를 포함하는 복합 반응조로서,
상기 제1 반응조는 하부에 유입수 유입구 및 상부에 가스 포집부를 포함하고, 내부에 고정된 제1 미생물을 포함하며,
상기 제2 반응조는 상부 또는 하부에 유입수 배출구를 포함하고, 적어도 1개 이상의 통공이 형성되어 있으며, 상기 통공에는 상기 제2 반응조 내부에서 외부 방향으로 애노드 집전체 - 애노드 - 전해질막 - 캐소드 - 캐소드 집전체 순서로 설치되어 있고, 상기 애노드 상에는 제2 미생물이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 반응조.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응조는 원기둥 또는 다각 기둥 구조이고, 상기 제2 반응조는 다각 기둥 구조인 것을 특징으로 하는 복합 반응조.
제1항에 있어서, 상기 제2 반응조는 2개 이상의 서브 반응조가 상하로 결합된 스택 구조인 것을 특징으로 하는 복합 반응조.
제1항에 있어서, 상기 제2 반응조는 다각 기둥 구조이고, 상기 통공은 상기 제2 반응조의 복수 개의 옆면의 전부 또는 일부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 반응조.
제1항에 있어서, 상기 제1 미생물은 입상 슬러지 형태로 상기 제1 반응조 하부에 충진되어 고정되거나, 상기 제1 반응조 하부에 충진되어 있는 별도의 충진제에 부착되어 고정된 것을 특징으로 하는 복합 반응조.
제5항에 있어서, 상기 입상 슬러지의 각 입자의 평균 직경은 1-3 mm이고, 슬러지 침전성이 10-30 mL/g인 것을 특징으로 하는 복합 반응조.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응조에서 상기 제2 반응조로의 유입수 이동은 무동력 자연유하 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 복합 반응조.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응조 및 제2 반응조의 반응은 혐기성 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 복합 반응조.
제1항에 있어서, 상기 가스는 메탄, 이산화탄소 중에서 선택된 1종 이상의 가스인 것을 특징으로 하는 복합 반응조.
제1항에 있어서, 상기 복합 반응조는 상기 제1 반응조에 유입되기 전에 상기 유입수 내 질소원의 제거 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 반응조.
제1항에 있어서, 상기 제2 반응조는 온도 조절 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 반응조.