KR20160078052A - 조류 환원전극을 구비한 미생물연료전지를 이용하는 폐수 처리 장치 - Google Patents

조류 환원전극을 구비한 미생물연료전지를 이용하는 폐수 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화전극 외부에 조류 환원전극을 구비한 수직 구조의 미생물연료전지를 이용하는 폐수 처리 장치 및 폐수 처리 방법을 제공한다. 본 발명은 공간 활용 면에서 효율적이고, 용량 및 표면적의 용이한 확대와 고농도의 산소 발생으로 전력 생산을 극대화시킬 수 있으며, 장기 운전에 용이한 효과를 나타낸다. 또한, 폭기 공정을 필요로 하지 않기 때문에 운전비용을 절감할 수 있으며, 조류 환원반응조 내에서 성장한 조류를 회수하여 메탄 생성 또는 유용한 바이오 에너지 생산에 이용할 수 있는 효과를 나타낸다.

Description

조류 환원전극을 구비한 미생물연료전지를 이용하는 폐수 처리 장치{Wastewater Treatment Apparatus Using Microbial Fuel Cell Having Algae-Cathod}
본 발명은 미생물 균체를 산화전극의 촉매로 사용하여 폐수 내 유기물을 분해하여 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환하고 조류 환원전극을 이용하여 영양물질을 처리하는 친환경 폐수 처리 장치에 관한 것이다.
폐수의 정화방법은 크게 물리적 정화방법, 화학적 정화방법 및 생물학적 정화방법이 있는데, 유기 오염물질을 함유한 생활하수, 산업폐수, 축산폐수 등은 그 동안 활성슬러지공법을 기반으로 한 여러 가지 호기성 생물학적 정화방법으로 처리하여 왔다.
그러나, 활성슬러지공법에 기반을 둔 생물학적 처리법들은 대부분 생물반응조를 교반하고 호기성 미생물이 유기오염물을 분해하는데 필요한 산소를 공급하기 위하여 송풍기를 이용하여 폭기하고 있는데, 생물반응조를 폭기하기 위하여 송풍기를 가동하기 위해서는 많은 양의 에너지를 필요로 한다. 따라서, 최근에는 폭기를 필요로 하지 않는 혐기성 공법에 의한 처리기술들에 대한 관심이 높아지고 있다.
한편, 미생물연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC)는 생명과학과 환경바이오공학의 비약적 발전으로 탄생한 대표적 자원 순환형 시스템이다. 미생물연료전지는 미생물 균체를 촉매로 사용해 화학에너지를 함유하는 유기물을 분해하여 전기에너지로 직접 전환한다. 유기물이 포함된 환경 폐기물을 처리하면서 전기를 생산할 수 있다는 점에서 차세대 그린 에너지 기술로 주목을 받고 있다.
이러한 미생물연료전지에 대한 관심은 최근 10 여년 사이에 가히 폭발적으로 증가하였으며, 미생물연료전지의 전자전달 기작 이해, 전기화학적 활성을 가지는 다양한 미생물 동정, 생물전기화학적 반응 속도 및 손실 해석 등 다양한 과학적 접근에서부터 설계 및 구조의 개선, 전극 및 막 소재의 최적화, 규모 확대와 같은 공학적 접근에 이르기까지 미생물연료전지의 성능을 향상시키기 위한 광범위한 연구 개발이 전 세계적으로 진행되어 왔다.
대한민국 등록특허 제10-1020788호는 산화전극을 바닥에 설치하고 산화전극 상부에는 분리막과 공기와 접하는 환원전극을 각각 설치하고, 하·폐수를 산화전극 반응조의 한쪽 끝단에 공급하여 수평으로 흐르게 한 수평 흐름을 가진 공기양극 반응조를 개시하고 있다. 그러나 수평흐름을 가진 공기환원전극 반응조는 동일한 공간에 다수의 전극을 적층하는데 불리하며 공간활용도 및 장시간 운전하거나 수리, 청소 등을 위하여 해체하는 경우 어려움이 많았다.
위와 같이, 최근에는 액상의 환원전극 반응조를 사용하지 않고 환원전극을 대기 중의 공기에 직접 노출시킴으로써 산소의 함량이 액상에 비해 높은 공기를 환원전극반응에 직접 이용함으로써 전지의 성능을 향상시킨 1실형의 공기환원전극 미생물연료전지에 대한 연구보고가 많다[Logan 등, 2006]. 그러나 상기 환원전극 미생물연료전지 구조는 환원전극의 표면적을 증가시키기 어려운 단점이 있으며 산화전해조에서 발생되는 수소이온의 환원전해조로의 이동성 저하 현상이 발생되어 환원전극의 pH가 높아져 전체 미생물연료전지 성능이 감소하는 문제점이 있다.
또한, 카세트 형의 수직 구조체의 양면에 각각 분리막과 환원전극을 결합하여 밀폐하고 수직 구조체 상부를 개방하여 공기펌프 등을 이용하여 인위적으로 공기의 주입이 가능하도록 하며, 산화전극은 수직 구조체 사이의 수중에 설치한 카세트형 미생물연료전지[Shimoyama 등, 2008]가 개시되어 있으나, 이는 적층이 유리한 반면 고밀도 적층을 위하여 공기층의 두께를 작게 할 경우 자연 통기가 어렵게 되어 전자수용체인 산소의 공급이 원활하지 않고, 환원전극에서 생성되는 수분이 축적되어 미생물연료전지의 효율을 저하시키는 문제가 있다.
바람직한 미생물연료전지의 형상은 전력생산에 있어서 높은 성능을 연속적으로 장시간 유지할 수 있어야 할 뿐만 아니라 유지관리가 쉽고 규모를 확대하여 대규모 폐수처리 현장에 쉽게 적용할 수 있어야 한다. 또한 하폐수 내에 다량의 영양물질을 동시에 처리가 가능한 구조이어야 폐수 처리 장치의 운전비용 면에 있어서도 경제성을 가질 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명에서는 성능 향상 및 운전비용의 절감을 위해 새로운 형상을 갖는 미생물연료전지를 이용한 폐수 처리 장치를 제공하고자 한다.
대한민국 등록특허 제10-1020788호
본 발명의 목적은 공간 활용 면에서 효율적이고, 용량 및 표면적의 용이한 확대와 고농도의 산소 발생으로 전력 생산을 극대화시킬 수 있으며, 장기 운전에 용이한 폐수 처리 장치를 제공하는데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 폐수 처리 장치를 이용하여 폐수를 처리하는 방법을 제공하는데에 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 공간 활용 면에서 효율적이고, 용량 및 표면적의 용이한 확대와 고농도의 산소 발생으로 전력 생산을 극대화시킬 수 있으며, 장기 운전에 용이한, 새로운 폐수 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 폐수 처리 장치는, 산화전극(21)이 구비된 산화반응조(11); 및 조류 환원전극(22)이 구비된 조류 환원반응조(12)를 포함하고, 수직축을 따라 상기 조류 환원반응조가 상기 산화반응조를 둘러싸는 구조를 나타낸다.
또한, 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12) 사이에 분리막(13)을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 분리막(13)은 산화반응조(11)의 내부벽면에 탈부착이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 산화전극(21) 또는 조류 환원전극(22)의 수는 변경 가능할 수 있다.
또한, 상기 산화전극(21)은 상기 산화반응조(11)에 탈부착이 가능할 수 있고, 상기 조류 환원전극(22)은 상기 조류 환원반응조(12)에 탈부착이 가능할 수 있다.
또한, 상기 산화전극(21)은 탄소 브러쉬(Carbon Brush), 탄소 종이(Carbon Paper), 탄소 천(Carbon Cloth), 탄소 팰트(Carbon Felt), 흑연 팰트(Graphite Felt), 흑연 섬유사 브러쉬(Graphite Fiber Brush, HB) 및 흑연 섬유사 타래(Skein of Graphite Fiber, SGF)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 조류 환원전극(22)은 백금(Platinum, Pt), 철프탈로시아닌(Iron Phthalocyanine, FePc) 및 코발트 테트라메톡시페닐포르피린 (Cobalt Tetramethoxyphenylporphyrin, CoTMPP)으로 이루어진 군으로부터 선택된 촉매로 코팅될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 조류 환원전극(22) 표면은 조류가 부착되어 성장할 수 있는 매체(media) 역할을 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 분리막(13)은 수소이온 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM), 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM), 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM), 양극성막(Biopolar Membrane, BPM), 미세여과막(Microfiltration Membrane, MFM), 한외여과막(Ultrafiltration Membrane, UFM) 및 다공성 고분자물질로 이루어진 부직포(Non-woven Paper)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 조류 환원반응조(12)는 밀폐형 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12) 사이에 실리콘 가스켓 시트(Silicon Gasket Sheet)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 산화반응조(11)에 연결된 폐수 유입부(19)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 산화반응조(11)에 연결된 유출수 배출관(14)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 산화반응조(11)에 연결된 이산화탄소 배출관(15)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이산화탄소 배출관(15)에 연결된 이산화탄소 공급관(17)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 조류 환원반응조(12)에 연결된 폐수 배출관(16)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 조류 환원반응조(12)에 연결된 조류 배출관(18)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12)에 연결된 침전조(20)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 산화전극(21) 및 조류 환원전극(22)은 도선으로 연결되어 각각 외부 회로로 구성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 폐수의 유입흐름은 상기 산화반응조(11) 내에서는 상향식 흐름이고 상기 조류 환원반응조(12) 내에서는 하향식 흐름일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 폐수 처리 장치를 이용하여 폐수를 처리하는 방법을 제공한다.
본 발명의 폐수 처리 방법은, (a) 산화반응조(11)로 유입된 폐수의 유기물을 제거하는 단계; (b) 상기 유기물이 제거된 유출수 및 산화반응조에서 발생한 이산화탄소를 조류 환원반응조(12)로 유입시키는 단계; (c) 상기 조류 환원반응조에 유입된 유출수의 영양물질을 제거하는 단계; 및 (d) 상기 유기물 및 영양물질이 제거된 폐수 또는 조류를 배출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 폐수 처리 장치는 공간 활용 면에서 효율적이고, 용량 및 표면적의 용이한 확대와 고농도의 산소 발생으로 유기물로부터 전력 생산을 극대화시킬 수 있으며, 장기 운전에 용이한 작용효과를 나타낸다.
또한, 폭기 공정을 필요로 하지 않기 때문에 운전비용을 절감할 수 있으며, 조류 환원반응조 내 조류 성장은 폐수 내 영양물질을 제거하며 대기 중에 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 성장한 조류는 회수하여 메탄 생성 또는 유용한 바이오 에너지 생산에 이용할 수 있는 작용효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 폐수 처리 장치에 관한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 폐수 처리 장치의 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 폐수 처리 장치의 횡단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
본 발명의 폐수 처리 장치는, 산화전극(21)이 구비된 산화반응조(11); 및 조류 환원전극(22)이 구비된 조류 환원반응조(12)를 포함하고, 수직축을 따라 상기 조류 환원반응조가 상기 산화반응조를 둘러싸는 구조를 나타낸다. 즉, 상기 산화반응조는 폐수 처리 장치의 내부에 위치하고, 상기 조류 환원반응조는 폐수 처리 장치의 외부에 위치한다.
또한, 본 발명의 폐수 처리 장치에서 상기 조류 환원전극(22)은 환원전극 표면에 조류를 부착시킨 일체형이다. 따라서, 본 발명의 조류 환원반응조(12)는 조류반응조와 환원반응조가 분리되지 않는 구조를 나타낸다.
본 발명의 구체예에 따르면, 본 발명의 폐수 처리 장치는 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12) 사이에 분리막(13)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 산화반응조(11), 조류 환원반응조(12) 및 분리막(13)은 본 발명의 폐수 처리 장치 내에서 미생물연료전지를 형성한다.
미생물연료전지란 유기물에 함유된 화학에너지를 미생물을 이용하여 전기에너지로 직접 전환하는 장치로서, 구체적으로 분리막(13), 혐기성 조건의 산화반응조(11) 및 호기성 조건의 조류 환원반응조(12)로 구성이 된다.
본 발명의 분리막(13)은 산화반응조(11)에 탈부착이 가능할 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막(13)은 산화반응조(11) 내부에 구비된 포켓 장치에 끼워 넣는 형태로서 탈부착을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 분리막이 산화반응조와 환원반응조 사이에 놓여 운전 중 문제 발생시 분리막의 분리를 위해 미생물연료전지 전체를 해체해야했던 기존의 미생물연료전지의 문제점을 개선하였다.
미생물연료전지에서 통상 유기물을 함유한 폐수 등의 액상물질을 혐기성 조건의 산화반응조(11)로 주입하면 미생물이 유기물을 분해하여 전자와 양성자를 생산한다. 이때 산화반응조(11)의 미생물은 대부분 전기화학적으로 활성을 가지고 있으며, 생산된 전자를 산화전극(21)으로 전달한다. 산화전극(21)에 전달된 전자는 산화전극(21)에 접속된 외부회로를 통하여 조류 환원전극(22)으로 이동하며, 이 과정에 외부회로에 직결된 부하에서 전기에너지를 회수할 수 있다. 한편, 미생물에 의한 유기물 분해에 의해 생성된 양성자는 산화전극(21)과 조류 환원전극(22) 사이의 전해질 및 분리막(13)을 통하여 조류 환원전극(22)으로 직접 이동하며, 조류 환원전극(22)에서 외부회로를 통하여 전달되어온 전자는 산소, 6시안화철 등의 전자수용체와 반응하여 물을 생성하며 반응이 완결된다.
또한, 폐수 처리를 위한 미생물연료전지에서는 주입한 폐수가 전해질이 된다. 아래는 산소를 전자수용체로 사용하는 본 발명의 미생물연료전지에서 일어나는 반응의 예이다.
산화전극 : 유기물 --> 전자(e-) + 양성자(H+) + 이산화탄소(CO2)
조류 환원전극 : 전자(e-) + 양성자(H+) + 산소(O2) --> 물(H2O)
상기 폐수라 함은 각 가정 및 공공건물·영업건물 등에서 배출되는 가정폐수와 공장에서 배출되는 공장폐수로 나뉘며, 공장폐수는 다시 광의의 산업폐수 등을 포괄하는 개념이다.
또한, 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12)는 원기둥 또는 n각 기둥(n은 3 이상의 정수)의 형태를 나타낼 수 있다.
상기와 같이 상기 산화반응조(11) 및 상기 조류 환원반응조(12)는 원기둥 또는 n각 기둥의 형태를 나타냄으로써, 공간을 적게 차지하고, 용량 및 표면적 확대가 용이하며, 고농도의 산소를 발생하여 전력 생산을 극대화시킬 수 있다.
또한, 상기와 같은 구조는 산화전극(21)의 넓은 표면적과 같은 장점을 유지하고, 산화전극(21) 중앙과 바깥쪽의 수소이온 전달 거리 차이를 최소화시켜 수소이온 전달 손실을 낮춘 새로운 형태의 산화전극(21)을 제작할 수 있게 한다.
본 발명에 있어서, 상기 산화전극(21)은 하나의 일체형일 수 있으며, 또는 복수 개의 산화전극을 산화반응조(11) 내에 수직으로 구비할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 조류 환원전극(22)은 산화반응조(11)를 둘러싸는 하나의 일체형일 수 있으며, 또는 복수 개의 조류 환원전극을 조류 환원반응조(12) 내에 수직으로 구비할 수 있다.
본 발명의 산화전극(21) 및 조류 환원전극(22)은 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12) 각각에 탈부착이 가능하므로 장치 운전 중 문제 발생 시 산화전극 또는 조류 환원전극을 용이하게 분리 및 교체가 가능한 장점이 있어 장기 운전에 용이할 수 있다.
따라서, 산화전극(21) 또는 상기 조류 환원전극(22)의 크기 및 개수에 따라 표면적을 조절할 수 있으며, 그 결과 미생물연료전지의 전력 생산량을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 조류 환원반응조(12)는 상기 산화반응조(11)를 둘러싸는 폐수 처리 장치 외부에 위치하므로, 조류에 빛 에너지를 보다 효율적으로 공급할 수 있다.
조류란 광합성을 하는 미생물로서 독립영양생활을 할 수 있는 생명체이다. 조류의 생육에는 성장영양물질과 그 밖의 생육에 필요한 인자들이 필요한데, 특히 빛, 이산화탄소 및 물을 이용하여 광합성을 하여 탄소화합물을 생성하기 때문에 조류를 원활하게 배양하기 위해서는 빛과 이산화탄소의 효과적인 공급은 필수적이다. 결국, 빛 에너지의 원활한 공급에 의한 조류의 원활한 배양은 미생물연료전지의 성능을 증가시킨다.
이를 위하여, 상기 조류 환원반응조(12)는 빛에너지의 공급 효율을 높일 수 있도록 상기 산화반응조(11) 외부에 위치할 수 있다. 따라서, 본 발명의 폐수 처리 장치는 환원반응조가 수평으로 적층된 구조와 비교하여 조류 환원반응조 전체에 빛 에너지가 골고루 도달될 수 있는 이점이 있다.
또한, 장치 외부의 상기 조류 환원반응조(12)에서 조류에 의해 발생되는 고농도의 산소는 공기 중에 노출된 환원전극 또는 공기 주입의 경우보다 더 많은 전력 생산을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 상기 조류 환원전극(22)은 표면에 조류가 부착되어 성장할 수 있는 매체(media) 역할을 하여, 조류 환원반응조 내에서 고농도의 조류를 유지시킬 수 있게 한다.
한편, 산화전극(21) 표면에는 미생물이 부착되어 생물막(biofilm)을 형성하고, 유기물을 분해하여 전자와 양성자 및 이산화탄소를 생산한다. 따라서 산화전극(21)은 표면적이 넓어 미생물의 친화성이 좋아 부착이 용이하여야 하며 전자를 빨리 전달할 수 있어야 한다. 일반적으로 산화전극의 소재는 높은 전기전도도, 낮은 저항, 높은 미생물 친화성, 화학적 안정성, 비부식성, 넓은 표면적, 적절한 기계적 강도 및 인장강도, 적은 막힘 현상, 경제성, 그리고 쉬운 제작과 대규모 반응기에 적용 가능성 등을 충분히 고려하여 선정한다.
따라서, 산화전극(21)은 일반적으로 전기전도도가 좋고 산화되지 않는 흑연 등의 탄소물질을 사용한다. 본 발명의 산화전극(21)의 재료는 탄소 브러쉬(Carbon Brush), 탄소 종이(Carbon Paper), 탄소 천(Carbon Cloth), 탄소 팰트(Carbon Felt), 흑연 팰트(Graphite Felt), 흑연 섬유사 브러쉬(Graphite Fiber Brush, HB) 및 흑연 섬유사 타래(Skein of Graphite Fiber, SGF)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 조류 환원전극(22)에서는 전자와 양성자 그리고 전자수용체가 만나 촉매의 도움으로 물을 생성하는 반응이 진행된다. 따라서 조류 환원전극(22) 역시 고전도성이며, 넓은 비표면적, 내구성이 있어야 하므로 상기 산화전극(21)에 사용되는 전극 재료 대부분을 사용 가능하다.
한편, 전자수용체가 산소인 산소환원반응은 반응속도가 대단히 느려 미생물연료전지의 성능을 제한하는 요소가 된다. 따라서, 촉매가 대단히 중요한데 본 발명은 활성화 손실(Activation Loss)을 줄이기 위해 백금(Platinum, Pt), 철 프탈로시아닌(Iron Phthalocyanine, FePc) 및 코발트 테트라메톡시페닐포르피린(Cobalt Tetramethoxyphenylporphyrin, CoTMPP)과 같은 다양한 촉매를 환원전극에 코팅할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 분리막(13)은 조류 환원전극(22)에서 산화전극(21)으로의 산소 확산을 최소화하고 산화전극(21)에서 조류 환원전극(22)으로 양성자만 선택적으로 전달하는 역할을 하며, 분리막(13)은 수소이온 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM), 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM), 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM), 양극성막(Biopolar Membrane, BPM), 미세여과막(Microfiltration Membrane, MFM), 한외여과막(Ultrafiltration Membrane, UFM), 및 다공성 고분자물질로 이루어진 부직포(Non-woven Paper)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 조류 환원반응조(12)는 산화반응조(11)에서 발생된 이산화탄소가 조류 환원반응조(12)에서 효율적으로 이용되도록 하기 위하여 밀폐형 구조로 이루어질 수 있다. 공기 중에 노출되는 공기환원전극과 달리 밀폐된 반응조에 조류 환원전극(22)이 포함되어 있으며 조류 환원전극(22) 표면에는 조류를 부착하여 성장시켜 영양물질을 제거하여 전자의 최종 수용체인 산소를 발생하도록 할 수 있다. 밀폐형 조류 환원반응조(12)에서 조류를 성장시키는 것은 대기 중으로 이산화탄소가 배출되는 것을 최소화할 수 있으므로 온실효과 문제를 해결하는 효과도 가지고 있다.
또한, 본 발명의 구체예에 따르면, 각 반응조를 결합하기 위해 볼트와 너트를 이용할 수 있으며, 누수를 방지하기 위해 상기 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12) 간에 실리콘 가스켓 시트(Silicon Gasket Sheet)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 산화반응조(11)에는 폐수 유입부(19)가 연결될 수 있으며, 산화반응조(11)에서 미생물에 의해 유기물이 분해된 유출수는 유출수 배출관(14)을 통해 조류 환원반응조(12)로 유입될 수 있다.
또한, 산화반응조(11) 내의 미생물에 의한 유기물 분해시 이산화탄소가 발생하게 되는데, 상기 이산화탄소는 이산화탄소 배출관(15)을 통해 조류 환원반응조(12)로 유입될 수 있다. 또한, 상기 이산화탄소 배출관(15)에 외부의 고농도의 이산화탄소를 공급할 수 있는 이산화탄소 공급관(17)을 더 포함할 수 있다. 조류 환원반응조(12) 내의 조류는 이산화탄소 배출관(15) 및/또는 이산화탄소 공급관(17)에 의해 유입된 이산화탄소를 탄소 공급원으로 이용할 수 있다.
상기 조류 환원반응조(12)에는 상기 유출수 배출관(14)을 통해 유입된 유출수에서 영양물질을 제거한 폐수를 배출하는 폐수 배출관(16)이 연결될 수 있다. 상기 영양물질로는 이에 제한되지 않으나 질소 또는 인을 포함할 수 있다. 조류는 폐수 내의 영양물질인 질소(N) 또는 인(P)을 성장영양물질로 사용할 수 있다.
조류의 배양 중에 균체침전이 생기면 물질전달이 원활하지 못하여 생육이 어려우며 특히 조류의 농도가 높은 경우에는 침전되지 않더라도 배양액 내부로 빛의 침투가 어려워 빛의 고갈현상이 발생하여 생육 저해를 받는 현상이 생긴다. 따라서, 상기 조류 환원반응조(12)는 성장한 조류를 배출하는 조류 배출관(18)을 더 포함할 수 있으며, 상기 조류를 회수하여 메탄 생성 또는 유용한 바이오에너지 생산에 이용할 수도 있다.
상기 조류 환원반응조(12)를 거친 폐수는 영양염류의 생물학적 정화가 이루어져 질소계 오염물, 인계 오염물, 중금속, 환경호르몬 및 잔류금속과 같은 오염 성분이 거의 포함되어 있지 않기 때문에 RO(Reverse Osmosis)와 같은 고에너지를 필요로 하는 처리시설이 요구되지 않는다. 특히, 질소나 인 계열의 오염물은 조류의 영양분으로 공급되므로 직접적으로 제거가 가능하다.
일반적으로 폐수에는 탄소, 수소, 질소 및 인 이외에도 다양한 종류의 중금속, 난분해성 물질, 내분비성 물질 또는 의학 성분 물질 등이 함유되어 있는데, 이러한 물질은 폐수 처리 공정으로 쉽게 처리되지 않는다. 조류는 크롬(Cr)이나 납(Pb)과 같은 중금속, 난분해성 물질, 유해성 페놀류, 트리부틸린틴(TBT), 환경호르몬 및 의약물질 등을 분해하는 특성을 가지고 있다고 알려져 있으므로, 수질 정화에 의한 폐수의 재활용 측면에서 유리한 효과를 가질 수 있다.
본 발명에 있어서, 폐수의 유입흐름은 상기 산화반응조(11) 내에서는 상향식 흐름이고 상기 조류 환원반응조(12) 내에서는 하향식 흐름일 수 있다. 산화반응조(11) 내에서는 상향식 흐름을 유지하기 위해 펌프가 이용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12)에 슬러지의 회수를 위한 침전조(20)를 더 포함할 수 있다.
슬러지(sludge)란 폐수 처리로부터 남은 잔유물로서 일차적인 물리적 처리로부터 생성되는 유기물이 많은 폐기물이다. 본 발명에서 발생되는 슬러지는 산화반응조(11) 내에서 성장하는 미생물(예, 박테리아) 및 조류 환원반응조(12) 내에서 성장하는 조류를 나타낸다. 슬러지를 탈수한 탈수여액은 적절한 유기물 농도와 pH 범위를 가지고 있어 기질로 공급 시 전력 생산이 가능할 수 있으므로 미생물연료전지 하부에 침전조를 설치하여 슬러지를 수집할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 산화전극(21) 및 조류 환원전극(22)은 도선으로 연결되어 각각 외부 회로로 구성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구체예에 따르면, (a) 산화반응조(11)로 유입된 폐수의 유기물을 제거하는 단계; (b) 상기 유기물이 제거된 유출수 및 산화반응조에서 발생한 이산화탄소를 조류 환원반응조(12)로 유입시키는 단계; (c) 상기 조류 환원반응조에 유입된 유출수의 영양물질을 제거하는 단계; 및 (d) 상기 유기물 및 영양물질이 제거된 폐수 및 조류를 배출하는 단계를 포함하는 폐수 처리 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 폐수 처리 방법은 조류 환원반응조(12)에서 발생된 산소를 전자의 최종수용체로 사용하므로 산소 공급 단계를 생략할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에서의 폐수 처리 장치 및 폐수 처리 방법은 폐수의 유기물 및 영양물질의 제거와 동시에 전력 생산을 가능하게 한다.
상기에서 설명한 방법으로 전력이 생산이 될 수 있고, 생산된 전력은 폐수처리장에 필요한 에너지를 공급하며, 정화된 폐수는 수질이 개선된 상태이므로 다양한 목적으로 재활용될 수 있다. 구체적인 재활용 분야는 농업용수로의 이용, 공업용수로의 이용 및 인공함양 등의 분야이다.
11: 산화반응조
12: 조류 환원반응조
13: 분리막
14: 유출수의 배출관
15: 이산화탄소 배출관
16: 폐수 배출관
17: 이산화탄소 공급관
18: 조류 배출관
19: 폐수 유입부
20: 침전조
21: 산화전극
22: 조류 환원전극

Claims (19)

  1. 산화전극(21)이 구비된 산화반응조(11); 및
    조류 환원전극(22)이 구비된 조류 환원반응조(12)를 포함하고,
    수직축을 따라 상기 조류 환원반응조가 상기 산화반응조를 둘러싸는 구조의 폐수 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12) 사이에 분리막(13)을 더 포함하는 폐수 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 분리막(13)은 산화반응조(11)의 내부벽면에 탈부착 가능한 것인 폐수 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화전극(21) 또는 조류 환원전극(22)의 수는 변경 가능한 것인 폐수 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산화전극(21)은 상기 산화반응조(11)에 탈부착 가능하고, 상기 조류 환원전극(22)은 상기 조류 환원반응조(12)에 탈부착 가능한 것인 폐수 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 산화전극(21)은 탄소 브러쉬(Carbon Brush), 탄소 종이(Carbon Paper), 탄소 천(Carbon Cloth), 탄소 팰트(Carbon Felt) 흑연 팰트(Graphite Felt), 흑연 섬유사 브러쉬(Graphite Fiber Brush, HB) 및 흑연 섬유사 타래(Skein of Graphite Fiber, SGF)로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 폐수 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 조류 환원전극(22)은 백금(Platinum, Pt), 철 프탈로시아닌(Iron Phthalocyanine, FePc) 및 코발트 테트라메톡시페닐포르피린(Cobalt Tetramethoxyphenylporphyrin, CoTMPP)으로 이루어진 군으로부터 선택된 촉매로 코팅된 것인 폐수 처리 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 분리막(13)은 수소이온 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM), 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM), 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM), 양극성막(Biopolar Membrane, BPM), 미세여과막(Microfiltration Membrane, MFM), 한외여과막(Ultrafiltration Membrane, UFM) 및 다공성 고분자물질로 이루어진 부직포(Non-woven Paper)로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 폐수 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 조류 환원반응조(12)는 밀폐형 구조로 이루어진 것인 폐수 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12) 사이에 실리콘 가스켓 시트(Silicon Gasket Sheet)를 더 포함하는 폐수 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 산화반응조(11)에 연결된 폐수 유입부(19)를 더 포함하는 폐수 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 산화반응조(11)에 연결된 유출수 배출관(14)을 더 포함하는 폐수 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 산화반응조(11)에 연결된 이산화탄소 배출관(15)을 더 포함하는 폐수 처리 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소 배출관(15)에 연결된 이산화탄소 공급관(17)을 더 포함하는 폐수 처리 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 조류 환원반응조(12)에 연결된 폐수 배출관(16)을 더 포함하는 폐수 처리 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 조류 환원반응조(12)에 연결된 조류 배출관(18)을 더 포함하는 폐수 처리 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 산화반응조(11) 및 조류 환원반응조(12)에 연결된 침전조(20)를 더 포함하는 폐수 처리 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 산화전극(21) 및 조류 환원전극(22)은 도선으로 연결되어 각각 외부 회로로 구성되는 것인 폐수 처리 장치.
  19. (a) 산화반응조(11)로 유입된 폐수의 유기물을 제거하는 단계;
    (b) 상기 유기물이 제거된 유출수 및 산화반응조에서 발생한 이산화탄소를 조류 환원반응조(12)로 유입시키는 단계;
    (c) 상기 조류 환원반응조에 유입된 유출수의 영양물질을 제거하는 단계; 및
    (d) 상기 유기물 및 영양물질이 제거된 폐수 또는 조류를 배출하는 단계를 포함하는 폐수 처리 방법.
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