KR20150102399A - Wastewater treatment method utilizing microbial fuel cell and microbial fuel cell using the same - Google Patents

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KR20150102399A
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trivalent iron
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박주양
신자원
김유진
송영현
안병민
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for treating waste water by utilizing a microbial fuel cell, and a microbial fuel cell using the same. The method according to the present invention treats waste water by utilizing a microbial fuel cell, wherein an organic material and a nitrogen compound are treated, and at the same time, even ethanol amine may be decomposed and treated. Thus, when waste water is recycled by utilizing a microbial fuel cell, the waste water can be treated to have a better water quality. Moreover, by using a microbial fuel cell using the method, a large quantity of waste water can be recycled in various places, and a large quantity of environmentally-friendly energy can be generated.

Description

미생물 연료전지를 활용한 폐수처리방법 및 이를 이용한 미생물 연료전지{Wastewater treatment method utilizing microbial fuel cell and microbial fuel cell using the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for treating wastewater using a microbial fuel cell and a microbial fuel cell using the microbial fuel cell,

본 발명은 미생물 연료전지를 활용한 폐수처리방법 및 이를 이용한 미생물 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for treating wastewater using a microbial fuel cell and a microbial fuel cell using the same.

최근의 에너지 비용 증가로 인해 대체에너지 개발과 에너지 효율이 높은 공정의 개발에 관한 연구들이 강도 높게 이루어지고 있다. 미생물 연료전지(microbial fuel cell, MFC)는 전기화학적 활성이 있는 미생물을 이용하여 유기물을 분해하고 전기에너지로 전환시키는 장치이다. 이러한 미생물 연료전지는 하, 폐수 내에 존재하는 유기 오염물질을 처리함과 동시에 에너지를 생산할 수 있으므로, 기존의 에너지 소비 공정으로서의 하, 폐수 처리 공정을 에너지 생산 공정으로 바꿀 수 있는 획기적인 공정으로 최근부터 활발한 연구들이 진행되고 있다. Due to recent increases in energy costs, studies on the development of alternative energy and energy-efficient processes have been intensified. A microbial fuel cell (MFC) is a device that uses an electrochemically active microorganism to decompose organic matter and convert it into electrical energy. Such a microbial fuel cell is an epoch-making process that can replace the existing wastewater treatment process as an energy-consuming process into an energy production process because it can produce energy while simultaneously treating organic pollutants present in the wastewater. Studies are underway.

이러한 미생물 연료전지는 산화극(anode), 환원극(cathode) 및 양이온 교환막(proton exchange)으로 구성되어 있으며, 그 기본 원리는 혐기성 조건의 anode reactor 에서 미생물에 의해 유기물이 산화되어 전자와 수소이온을 생산하고 전자는 외부 도선을 통해 cathode로 이동된다. 또한 수소 이온은 양이온 교환막을 통하여 cathode로 이동하여 전자 및 산소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 이때 외부 도선을 통해 흐르는 전자에 의해 전류가 생산된다. 이러한 미생물 연료전지는 오염물질을 처리하면서 전기를 생산하여 부가적인 2차 오염 물질이 생성되지 않는다는 점에서 매우 혁신적인 기술로 평가되고 있다. These microbial fuel cells are composed of an anode, a cathode and a cation exchange membrane. The basic principle is that the organic matter is oxidized by microorganisms in the anode reactor under anaerobic conditions, And the electrons are moved to the cathode through an external lead. The hydrogen ions move to the cathode through the cation exchange membrane and react with electrons and oxygen to produce water. At this time, current is produced by the electrons flowing through the external conductor. These microbial fuel cells are considered to be a very innovative technology in that they do not generate additional secondary contaminants by producing electricity while treating pollutants.

한편 이러한 미생물 연료전지를 가동하는데 있어서, 폐수 내의 유기물을 보다 확실하게 분해하면서 질소 화합물까지 분해하는 미생물 연료전지에 대해서는 현재 연구가 많이 부족한 것이 현실이다. 오염된 폐수 내에는 유기물뿐 만이 아니라 다량의 질소 화합물이 존재하므로, 이들을 보다 확실히 처리할 수 있는 미생물 연료전지를 개발하는 것이 중요한 문제가 된다. On the other hand, in the operation of such a microbial fuel cell, the present research is insufficient for a microbial fuel cell which decomposes nitrogen compounds even more reliably while decomposing organic matters in wastewater. Since contaminated wastewater contains not only organic matter but also a large amount of nitrogen compounds, it is important to develop a microbial fuel cell that can more reliably treat them.

또한 에탄올아민(ethanolamine, ETA)은 오염된 폐수 등의 pH 조정제나 flue gas의 산성 성분 흡수제 등으로 널리 사용되고 있어 폐수 내에는 에탄올아민이 다량으로 존재하는 경우가 많은데, 이러한 에탄올아민도 같이 분해하여 처리할 수 있는 미생물 연료전지의 개발이 시급함에도 이에 관한 연구는 아직 많이 부족한 것이 현실이다. 구체적으로는 에탄올아민은 아세트산과 암모늄으로 분해되며 암모늄의 경우 호기성 조건에서 미생물에 의해 산화 및 분해가 이루어지는데, 일반적인 미생물 연료전지의 산화전극부는 혐기성 조건으로 구성되어 있으므로, 에탄올아민의 분해부산물 중 유기물의 분해에는 유리하지만 유기물과 암모니아의 동시 분해가 어렵다는 문제점이 있다. 또한 에탄올아민을 처리하기 위해서 이온교환수지를 이용한 처리법이 주로 연구되고 있으며, 생물학적 분해방법과 산화 분해방법에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다. 하지만 이러한 방법들은 추가적인 약품 및 에너지 과다 소모에 따른 비용 발생과 처리 후 부산물 발생, 매우 느린 처리 속도 등의 단점이 있어 대체 처리 기술이 필요하다. 기존 생물학적 처리의 경우, 암모늄을 질산화하기 위한 호기성 반응조와 암모늄으로부터 변환된 질산성 질소나 아질산성 질소를 질소 가스로 변환하기 위한 혐기조 또는 무산소조 등의 필요성 때문에 시설이 복잡하고 처리 면적이 넓어지는 단점이 있다. In addition, ethanolamine (ETA) is widely used as a pH adjuster such as contaminated wastewater or an acidic component absorbent of flue gas. Therefore, a large amount of ethanolamine is often present in the wastewater. Although it is urgent to develop a microbial fuel cell that can be used, there is still a lot of researches on it. Specifically, ethanolamine is decomposed into acetic acid and ammonium, and ammonium is oxidized and decomposed by microorganisms under aerobic conditions. Since the oxidation electrode portion of a general microbial fuel cell is composed of anaerobic conditions, But it is difficult to simultaneously decompose the organic material and ammonia. In addition, a treatment method using an ion exchange resin to treat ethanolamine is mainly studied, and a study on a biological decomposition method and an oxidative decomposition method is actively carried out. However, these methods require additional treatment techniques because of the disadvantages of additional chemicals and excessive energy consumption, disadvantages such as byproducts after processing, and very slow processing speed. In the case of conventional biological treatment, there is a disadvantage that the facilities are complicated and the treatment area is widened due to the necessity of an aerobic reaction tank for nitrification of ammonium and an anaerobic or anoxic tank for converting nitrate nitrogen or nitrite nitrogen converted from ammonium into nitrogen gas have.

결국 유기물, 질소 화합물 및 에탄올아민의 동시 처리가 가능한 미생물 연료전지를 개발하여야 함에도 불구하고, 이에 대한 연구가 많이 부족한 문제점이 있다. Although a microbial fuel cell capable of simultaneously treating organic matters, nitrogen compounds, and ethanol amines is required to be developed, there is a problem in that a lot of researches on it are lacking.

본 발명과 관련된 선행기술문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2014-0018728호(특허문헌 1)가 있으며, 구체적으로 상기 특허문헌 1은 미생물 연료전지의 전극 재료 및 형태를 개선하여 미생물 연료전지의 경제성 및 효율성을 향상시키기 위해 탄소 섬유사를 이용하는 것에 관한 발명이다.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2014-0018728 (Patent Document 1) discloses a prior art document related to the present invention. More specifically, the Patent Document 1 discloses a method for improving the electrode material and morphology of a microbial fuel cell, And the use of carbon fiber yarn to improve the efficiency.

특허문헌 1. 대한민국 공개특허 제10-2014-0018728호Patent Document 1. Korean Patent Publication No. 10-2014-0018728

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 폐수 내에 존재하는 각종 유기물, 질소 화합물 및 에탄올아민을 동시에 분해하여 처리하는 것이 가능한 미생물 연료전지를 활용한 폐수처리방법 및 이를 이용한 미생물 연료전지를 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to provide a wastewater treatment method using a microbial fuel cell capable of simultaneously treating various organic substances, nitrogen compounds and ethanolamine present in wastewater, And to provide a microbial fuel cell using the same.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 폐수처리방법은 According to an aspect of the present invention,

미생물 연료전지를 활용하는 폐수처리방법에 있어서,A method for treating wastewater utilizing microbial fuel cells,

상기 미생물 연료전지에 3가 철(Fe(Ⅲ))을 주입하는 단계를 포함한다.
And injecting trivalent iron (Fe (III)) into the microbial fuel cell.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 미생물 연료전지는A microbial fuel cell according to another aspect of the present invention includes:

미생물 연료전지에 있어서,In a microbial fuel cell,

3가 철이 주입되어 폐수 내에 존재하는 유기물, 질소 화합물 및 에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 분해하는 것을 특징으로 한다.
And decomposing at least one selected from the group consisting of organic substances, nitrogen compounds, and ethanol amines contained in the wastewater into which trivalent iron is injected.

본 발명에 따른 폐수처리방법은 미생물 연료전지를 활용하여 폐수를 처리함에 있어서, 유기물과 질소화합물을 처리함과 동시에 에탄올아민까지 분해하여 처리하는 것이 가능하다. 그리하여 미생물 연료전지를 활용하여 폐수를 재활용하는 데 있어서, 폐수를 보다 좋은 수질로 개선시키는 효과가 있다. 또한 이러한 폐수처리방법을 이용하는 미생물 연료전지에 의해 보다 많은 양의 폐수를 다양한 장소에서 재활용하는 처리가 가능하고, 보다 많은 양의 친환경 에너지를 생산해 낼 수 있다.
In the wastewater treatment method according to the present invention, in treating wastewater using a microbial fuel cell, it is possible to treat organic substances and nitrogen compounds, and at the same time decompose ethanolamine. Thus, in recycling wastewater by utilizing a microbial fuel cell, there is an effect of improving wastewater to better water quality. In addition, the microbial fuel cell using the wastewater treatment method can treat more wastewater in various places and produce a greater amount of environmentally friendly energy.

도 1은 실시예 1에 사용된 반응기의 구조도이다.
도 2는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 전압발생량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 미생물 연료전지의 COD 제거율을 비교한 그래프이다.
도 4는 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 미생물 연료전지의 암모니아 제거율을 비교한 그래프이다.
도 5는 실시예 3, 실시예 4, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 미생물 연료전지의 암모니아 제거율 및 쿨롱 효율을 나타낸 그래프이다.
1 is a structural view of a reactor used in Example 1. Fig.
2 is a graph showing the amounts of voltage generation in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1;
3 is a graph comparing COD removal rates of the microbial fuel cells according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG.
4 is a graph comparing ammonia removal rates of the microbial fuel cells according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG.
5 is a graph showing the ammonia removal rate and coulon efficiency of the microbial fuel cells according to Example 3, Example 4, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. FIG.

이에 본 발명자들은 유기물, 질소 화합물 및 에탄올아민의 동시 처리가 가능한 폐수처리방법 및 미생물 연료전지를 개발하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 본 발명에 따른 미생물 연료전지를 활용한 폐수처리방법 및 이를 이용한 미생물 연료전지를 개발하기에 이르렀다.
Accordingly, the present inventors have made extensive efforts to develop a wastewater treatment method and a microbial fuel cell capable of simultaneously treating an organic matter, a nitrogen compound, and an ethanolamine. As a result, they have found that a method for treating wastewater using a microbial fuel cell according to the present invention, Batteries.

구체적으로 본 발명에 따른 폐수처리방법은 미생물 연료전지를 활용하는 것으로서, 상기 미생물 연료전지에 3가 철(Fe(Ⅲ))을 주입하는 단계를 포함한다. Specifically, the method for treating wastewater according to the present invention utilizes a microbial fuel cell, and includes the step of injecting trivalent iron (Fe (III)) into the microbial fuel cell.

이렇게 상기 연료전지는 3가 철이 주입되어 폐수 내에 존재하는 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민을 동시에 분해하는 것이 가능하다. 폐수 내에는 유기물, 질소화합물이 다량으로 존재하며, 또한 근래에는 pH 조정제나 산성성분 흡수제로 에탄올아민이 많이 쓰이므로, 폐수를 처리하려면 이러한 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민을 동시에 처리할 수 있는 방법의 개발이 절실한 실정이었다. 이에 본 발명이 상기 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민을 동시에 처리할 수 있는 폐수처리방법으로 개발된 것이다. Thus, the fuel cell is capable of simultaneously decomposing organic matter, nitrogen compounds, and ethanolamine present in wastewater by injecting trivalent iron. There is a large amount of organic matter and nitrogen compounds in the wastewater, and since ethanolamine is frequently used as a pH adjusting agent and an acidic component absorbent in recent years, a method of simultaneously treating such organic matter, nitrogen compounds and ethanolamine The development was urgent. Accordingly, the present invention has been developed as a waste water treatment method capable of simultaneously treating the organic matter, the nitrogen compound, and the ethanolamine.

한편 상기 3가 철은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 적철석(hematite) 또는 침철석(goethite)일 수 있고, 더욱 바람직하게는 침철석일 수 있다. 상기 적철석 또는 침철석을 3가 철로서 미생물 연료전지에 주입하게 되면 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민을 분해하여 처리하는 효과가 우수하고, 결국에는 COD, 암모니아 제거율 및 에탄올아민 제거율이 우수하게 달성되게 된다. On the other hand, the trivalent iron is not particularly limited, but may preferably be hematite or goethite, more preferably goethite. When the hematite or goethite is injected into the microbial fuel cell as trivalent iron, the effect of decomposing and treating the organic substances, the nitrogen compounds and the ethanolamine is excellent, and the COD, the ammonia removal rate and the ethanolamine removal rate are finally achieved.

또한 폐수 내에 존재하는 질소화합물에는 암모니아(NH3)가 대량으로 존재한다. 이때 본 발명에 따른 폐수처리방법에 의하면, 상기 3가 철은 전자수용체로 작용하며, 이에 대한 전자공여체는 상기 암모니아로부터 생성된 암모늄(NH4 +)이고, 상기 3가 철이 암모늄으로부터 전자를 수용하여 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민을 분해할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 폐수처리방법에 의한 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민의 분해와 처리는 하기 반응식 1로 표시될 수 있다. Also, ammonia (NH 3 ) is present in a large amount in the nitrogen compound present in the wastewater. According to the method for treating wastewater according to the present invention, the trivalent iron acts as an electron acceptor, and the electron donor to it is ammonium (NH 4 + ) produced from the ammonia, and the trivalent iron receives electrons from the ammonium Organic compounds, nitrogen compounds and ethanolamine can be decomposed. The decomposition and treatment of organic matter, nitrogen compounds and ethanolamine by the wastewater treatment method according to the present invention can be represented by the following reaction formula 1.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00001

Figure pat00001

본 발명의 또 다른 특징에 따른 미생물 연료전지는 3가 철이 주입되어 폐수 내에 존재하는 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 분해하는 것을 특징으로 한다. The microbial fuel cell according to another aspect of the present invention is characterized in that the microbial fuel cell decomposes at least one selected from the group consisting of organic matter, nitrogen compounds, and ethanolamine present in the wastewater by injecting trivalent iron.

상기 3가 철은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 적철석(hematite) 또는 침철석(goethite)일 수 있고, 더욱 바람직하게는 침철석일 수 있다.The trivalent iron is not particularly limited, but may preferably be hematite or goethite, more preferably goethite.

한편 상기 질소화합물은 암모니아(NH3)일 수 있으며, 상기 3가 철은 전자수용체로 작용하며, 이에 대한 전자공여체는 상기 암모니아로부터 생성된 암모늄(NH4 +)이고, 상기 3가 철이 암모늄으로부터 전자를 수용하여 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 분해하는 것을 특징으로 하며, 상기 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 분해는 하기 반응식 1을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다. On the other hand, the nitrogen compound may be ammonia (NH 3 ), and the trivalent iron serves as an electron acceptor, and the electron donor to it is ammonium (NH 4 + ) produced from the ammonia, The nitrogen compound and the ethanolamine decomposes at least one selected from the group consisting of an organic substance, a nitrogen compound and an ethanolamine, and the decomposition of any one or more selected from the group consisting of the organic substance, the nitrogen compound and the ethanolamine is represented by the following reaction formula 1 . ≪ / RTI >

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

한편 상기 미생물 연료전지의 COD 제거율은 3 cycle 이후에도 85.0-99.9 %일 수 있으며, 암모니아 제거율은 3 cycle 이후에도 65.0-99.0 %일 수 있고, 에탄올아민 주입 후 암모니아 제거율은 55.0-99.9 %일 수 있다.
Meanwhile, the COD removal rate of the microbial fuel cell may be 85.0-99.9% after 3 cycles, and the ammonia removal rate may be 65.0-99.0% even after 3 cycles, and the ammonia removal rate after ethanolamine injection may be 55.0-99.9%.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 폐수처리장치는 본 발명에 따른 상기 폐수처리방법을 이용하거나, 미생물 연료전지를 포함할 수 있다.
A wastewater treatment apparatus according to another aspect of the present invention may employ the wastewater treatment method according to the present invention or may include a microbial fuel cell.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 전기를 회수하는 장치는 본 발명에 따른 폐수처리방법에 의해 폐수를 처리한 후 상기 미생물 연료전지에 의해 생산된 전기를 회수하거나, 본 발명에 따른 미생물 연료전지에 의해 생산된 전기를 회수할 수 있다.
An apparatus for recovering electricity according to another aspect of the present invention is a system for recovering electricity produced by the microbial fuel cell after treating wastewater by a wastewater treatment method according to the present invention or by means of a microbial fuel cell according to the present invention The generated electricity can be recovered.

이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

실시예Example

실시예Example 1 One

아크릴 재질로 만들어진 공기환원전극을 이용하였으며, 단일조로 구성된 미생물 연료전지(single chamber MFC, 도 1 참조)를 사용하였다. 또한 크기와 재질이 같은 3 개의 반응기를 동시에 fed-batch mode로 운전하였다. 이러한 미생물 연료전지에 3가 철로서 침철석(goethite, FeOOH) 0.2 g을 주입하였다. 또한 준비된 미생물 연료전지를 사용하여 아세테이트(1 g/L) 와 암모늄 (0.3 g/L)을 함유하는 인공폐수 0.08 kg을 처리하면서 전기를 얻었다.
An air-reducing electrode made of acrylic material was used, and a single chamber MFC (see FIG. 1) was used. Three reactors of the same size and material were operated simultaneously in fed-batch mode. 0.2 g of goethite (FeOOH) was injected into the microbial fuel cell as trivalent iron. Using a prepared microbial fuel cell, 0.08 kg of artificial wastewater containing acetate (1 g / L) and ammonium (0.3 g / L) was treated to obtain electricity.

실시예Example 2 2

침철석 대신에 적철석(hematite, Fe2O3)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 폐수를 처리한 후 전기를 얻었다.
Electricity was obtained after treating wastewater using the same method as in Example 1 except that hematite (Fe 2 O 3 ) was used instead of goethite.

실시예Example 3 3

상기 실시예 1에 따른 미생물 연료전지를 사용하여 폐수를 처리하기 이전에, 먼저 에탄올아민(ethanolamine, ETA) 0.5 g/L을 함유한 폐수를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 폐수를 처리한 후 전기를 얻었다.
The same method as in Example 1 was used, except that wastewater containing 0.5 g / L of ethanolamine (ETA) was used before treating the wastewater using the microbial fuel cell according to Example 1 The wastewater was treated and electricity was obtained.

실시예Example 4 4

상기 실시예 2에 따른 미생물 연료전지를 사용하여 폐수를 처리하기 이전에, 먼저 에탄올아민 0.5 g/L을 함유한 폐수를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법을 사용하여 폐수를 처리한 후 전기를 얻었다.
The wastewater was treated in the same manner as in Example 2, except that wastewater containing 0.5 g / L of ethanolamine was used before treating the wastewater using the microbial fuel cell according to Example 2 After that, electricity was obtained.

비교예Comparative Example

비교예Comparative Example 1 One

상기 실시예와는 다르게 어떠한 철도 사용하지 않은 미생물 연료전지를 가지고 폐수를 처리한 후 전기를 얻었다.
Unlike the above example, the wastewater was treated with a microbial fuel cell which did not use any rail, and electricity was obtained.

비교예Comparative Example 2 2

염화철(FeCl3)을 주입한 미생물 연료전지를 가지고 폐수를 처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 폐수를 처리한 후 전기를 얻었다.
Electricity was obtained after treating wastewater using the same method as in Example 1, except that waste water was treated with a microbial fuel cell into which ferric chloride (FeCl 3 ) was injected.

한편 처음에는 기질로 아세테이트를 주입하여 미생물의 생장과 전극 부착을 유도하였으며, 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서의 start-up 단계의 전압 발생 그래프를 도 2(a: 비교예 1, b: 실시예 1, c: 실시예 2)에 나타내었다. 모든 반응기에서 세 번째 cycle 이후 전압이 0.49 ~ 0.5 V 정도로 안정적으로 발생하여 전기활성박테리아가 전극에 충분히 부착된 것으로 판단하고 ETA를 주입하여 실험을 수행하였다.
Initially, acetate was injected into the substrate to induce microbial growth and electrode adhesion. The voltage generation graph of the start-up step in Example 1, Example 2 and Comparative Example 1 is shown in Fig. 2 (a: Comparative Example 1, b: Example 1, and c: Example 2). After the third cycle in all the reactors, the voltage was stable at about 0.49 ~ 0.5 V, and it was judged that the electroactive bacteria were sufficiently attached to the electrodes, and the experiment was performed by injecting ETA.

실험예Experimental Example

실험예Experimental Example 1:  One: CODCOD 제거율 측정 Measurement of removal rate

상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 5의 경우를 가지고 COD 제거율을 비교하는 실험을 진행하였다. 이의 실험은 미생물연료전지 내에서 미생물이 대사과정을 통해 오염물질을 분해하는 것을 이용하였으며, 기질의 소모에 따른 전압강하 시 샘플링을 하여 분석 및 비교하였다. 이의 결과는 하기 도 3에 나타내었다. 하기 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1 및 실시예 2은 비교예 1 내지 비교예 2에 비해 COD 제거율이 월등히 우수한 것임을 확인할 수 있었다. 구체적으로는 실시예 1 및 실시예 2의 경우는 COD 제거율이 3rd cycle 이후에도 계속 증가하여 90 % 이상의 제거율로 치고 올라가고 있음에 반하여, 비교예 1 내지 비교예 2의 경우는 80% 미만에 불과한 것임을 확인하였다. 특히 비교예 2는 3rd cycle 이후에 60 %의 제거율을 간신히 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 더불어 실시예 1의 경우가 실시예 2에 비해 COD 제거율이 보다 우수한 것임을 확인할 수 있었다.
Experiments were conducted to compare the COD removal rates with the cases of Example 1, Example 2, and Comparative Examples 1 to 5. The experiments were carried out using microbial biodegradation of the pollutants through the metabolic process in the microbial fuel cell. The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 3, it can be seen that Examples 1 and 2 have far superior COD removal rates as compared with Comparative Examples 1 to 2. Specifically, in the case of Examples 1 and 2, the COD removal rate continues to increase after the third cycle, reaching a removal rate of 90% or more. On the other hand, in Comparative Example 1 to Comparative Example 2, the COD removal rate is less than 80% Respectively. In particular, it was confirmed that Comparative Example 2 barely maintained the removal rate of 60% after the 3rd cycle. In addition, it can be confirmed that the case of Example 1 is superior to the case of Example 2 in COD removal rate.

실험예Experimental Example 2: 암모니아 제거율 측정 2: Ammonia removal rate measurement

상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 2의 경우를 가지고 암모니아 제거율을 비교하는 실험을 진행하였다. 이의 실험은 미생물연료전지 내에서 미생물이 대사과정을 통해 오염물질을 분해하는 것을 이용하였으며, 기질의 소모에 따른 전압강하 시 샘플링을 하여 분석 및 비교하였다. 이의 결과는 하기 도 4에 나타내었다. 하기 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1 및 실시예 2는 비교예 1 내지 비교예 2에 비해 암모니아 제거율이 월등히 우수한 것임을 확인할 수 있었다. 구체적으로는 실시예 1 및 실시예 2의 경우는 암모니아 제거율이 3 cycle 이후에도 75 % 이상 임에 반하여, 비교예 1의 경우는 65% 미만이며, 특히 비교예 2의 경우는 25 % 미만에 불과한 것임을 확인하였다. 더불어 실시예 1의 경우가 실시예 2에 비해 암모니아 제거율이 보다 우수한 것임을 확인할 수 있었다.
Experiments were carried out to compare the ammonia removal rates in the case of Examples 1, 2 and Comparative Examples 1 to 2. [ The experiments were carried out using microbial biodegradation of the pollutants through the metabolic process in the microbial fuel cell. The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 4, it was confirmed that the ammonia removal rate of Examples 1 and 2 was much higher than that of Comparative Examples 1 to 2. As shown in FIG. Specifically, in Examples 1 and 2, the ammonia removal rate was 75% or more even after 3 cycles, whereas Comparative Example 1 was less than 65%, and Comparative Example 2 was only 25% or less Respectively. In addition, it was confirmed that the ammonia removal ratio of Example 1 was higher than that of Example 2. [

실험예Experimental Example 3:  3: 에탄올아민Ethanolamine 제거율 측정 Measurement of removal rate

아세테이트와 암모늄 처리에 적응된 상기 실시예 3, 실시예 4 및 비교예 1 내지 비교예 2의 경우를 가지고 에탄올아민 제거율을 비교하는 실험을 진행하였다. 이의 실험은 상기 실험예 1 및 실험예 2와 동일한 방법을 사용하여 진행하였으며, 이의 결과는 하기 도 5에 나타내었다. 하기 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 3 및 실시예 4는 비교예 1 내지 비교예 2에 비해 에탄올아민 제거율이 월등히 우수한 것임을 확인할 수 있었다. 구체적으로는 실시예 3 및 실시예 4의 경우 ETA 주입에도 불구하고 암모니아 제거율이 60 % 이상 임에 반하여, 비교예 1 내지 비교에 2의 경우는 40 % 이하에 불과한 것임을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 실시예 3 및 실시예 4가 비교예 1 내지 비교예 2에 비해 에탄올아민 제거 효율이 더 우수한 것임을 확인하였다. 더불어 실시예 3의 경우가 실시예 4에 비해 에탄올아민 제거율이 보다 우수한 것임을 확인할 수 있었다.
Experiments were conducted to compare the ethanolamine removal ratios in the case of Example 3, Example 4, and Comparative Example 1 to Comparative Example 2 adapted to the acetate and ammonium treatment. This experiment was carried out using the same method as Experimental Example 1 and Experimental Example 2, and the result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 5, it was confirmed that the ethanolamine removal rate of Example 3 and Example 4 was much superior to that of Comparative Examples 1 to 2. Specifically, in the case of Example 3 and Example 4, it was confirmed that the ammonia removal rate was 60% or more in spite of the ETA injection, whereas the ammonia removal ratio in Comparative Examples 1 to 2 was only 40% or less. From these results, it was confirmed that the ethanolamine removal efficiency of Example 3 and Example 4 was superior to that of Comparative Examples 1 to 2. [ In addition, it was confirmed that the ethanolamine removal rate of Example 3 was higher than that of Example 4.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. It is natural.

Claims (18)

미생물 연료전지를 활용하는 폐수처리방법에 있어서,
상기 미생물 연료전지에 3가 철(Fe(Ⅲ))을 주입하는 단계를 포함하는 폐수처리방법.
A method for treating wastewater utilizing microbial fuel cells,
And injecting trivalent iron (Fe (III)) into the microbial fuel cell.
제 1항에 있어서,
상기 미생물 연료전지는 3가 철이 주입되어 폐수 내에 존재하는 유기물, 질소 화합물 및 에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 분해하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
The method according to claim 1,
Wherein the microbial fuel cell decomposes at least one selected from the group consisting of organic matter, nitrogen compounds, and ethanolamine present in the wastewater by injecting trivalent iron.
제 2항에 있어서,
상기 질소 화합물은 암모니아(NH3)인 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the nitrogen compound is ammonia (NH 3 ).
제 3항에 있어서,
상기 3가 철은 전자수용체로 작용하며, 이에 대한 전자공여체는 상기 암모니아로부터 생성된 암모늄(NH4 +)이고, 상기 3가 철이 암모늄으로부터 전자를 수용하여 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 분해하는 것을 특징으로 하며, 상기 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 분해는 하기 반응식 1을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
[반응식 1]
Figure pat00003

The method of claim 3,
Wherein the trivalent iron is acting as an electron acceptor, and thus for the electron donor is an ammonium (NH 4 +) generated from the ammonia, wherein the 3 accepts the electron from the iron ammonium organic substance, from the group consisting of nitrogen compounds, and ethanolamine Wherein the decomposition of any one or more selected from the group consisting of organic compounds, nitrogen compounds, and ethanol amines is performed through the following reaction formula (1).
[Reaction Scheme 1]
Figure pat00003

제 1항에 있어서,
상기 3가 철은 적철석(hematite) 또는 침철석(goethite)인 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the trivalent iron is hematite or goethite.
제 1항에 있어서,
상기 3가 철은 침철석(goethite)인 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the trivalent iron is goethite.
미생물 연료전지에 있어서,
3가 철이 주입되어 폐수 내에 존재하는 유기물, 질소 화합물 및 에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 분해하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
In a microbial fuel cell,
Wherein at least one selected from the group consisting of organic matter, nitrogen compounds, and ethanol amines contained in the wastewater is injected into the microbial fuel cell.
제 7항에 있어서,
상기 질소 화합물은 암모니아(NH3)인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the nitrogen compound is ammonia (NH 3 ).
제 8항에 있어서,
상기 3가 철은 전자수용체로 작용하며, 이에 대한 전자공여체는 상기 암모니아로부터 생성된 암모늄(NH4 +)이고, 상기 3가 철이 암모늄으로부터 전자를 수용하여 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 분해하는 것을 특징으로 하며, 상기 유기물, 질소화합물 및 에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 분해는 하기 반응식 1을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
[반응식 1]
Figure pat00004

9. The method of claim 8,
Wherein the trivalent iron is acting as an electron acceptor, and thus for the electron donor is an ammonium (NH 4 +) generated from the ammonia, wherein the 3 accepts the electron from the iron ammonium organic substance, from the group consisting of nitrogen compounds, and ethanolamine Wherein the decomposition of any one or more selected from the group consisting of organic compounds, nitrogen compounds, and ethanol amines is performed through the following reaction formula (1).
[Reaction Scheme 1]
Figure pat00004

제 7항에 있어서,
상기 3가 철은 적철석(hematite) 또는 침철석(goethite)인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the trivalent iron is hematite or goethite.
제 7항에 있어서,
상기 3가 철은 침철석(goethite)인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the trivalent iron is goethite.
제 7항에 있어서,
상기 미생물 연료전지의 COD 제거율은 3 cycle 이후에도 85.0-99.9 %인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the COD removal rate of the microbial fuel cell is 85.0-99.9% after 3 cycles.
제 7항에 있어서,
상기 미생물 연료전지의 암모니아 제거율은 3 cycle 이후에도 65.0-99.0 %인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the microbial fuel cell has an ammonia removal rate of 65.0-99.0% after 3 cycles.
제 7항에 있어서,
상기 미생물 연료전지의 에탄올아민 주입 후 암모니아 제거율은 55.0-99.9 %인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the microbial fuel cell has an ammonia removal rate of 55.0-99.9% after ethanolamine injection.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 폐수처리방법을 이용하는 폐수처리장치.
A wastewater treatment apparatus using the wastewater treatment method according to any one of claims 1 to 6.
제 7항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 미생물 연료전지를 포함하는 폐수처리장치.
15. A wastewater treatment apparatus comprising the microbial fuel cell according to any one of claims 7 to 14.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 폐수처리방법에 의해 폐수를 처리한 후, 상기 미생물 연료전지에 의해 생산된 전기를 회수하는 장치.
An apparatus for recovering electricity produced by a microbial fuel cell after treating wastewater by a wastewater treatment method according to any one of claims 1 to 6.
제 7항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 미생물 연료전지에 의해 생산된 전기를 회수하는 장치.
An apparatus for recovering electricity produced by a microbial fuel cell according to any one of claims 7 to 14.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106374127A (en) * 2016-09-22 2017-02-01 大连理工大学 Drop aeration type microbial fuel cell
WO2022237837A1 (en) * 2021-05-11 2022-11-17 山东建筑大学 Method for monitoring water quality by using wetland microbial fuel cell
GB2613676A (en) * 2021-05-11 2023-06-14 Univ Shandong Jianzhu Method for monitoring water quality by using wetland microbial fuel cell

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