KR20170047089A - 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템 및 수처리 방법 - Google Patents

분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템 및 수처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템 및 수처리 방법에 관한 것으로, 본 발명은, 내부에 분리막 및 미생물이 수용되며, 처리대상 유입수가 유입되어 상기 분리막 및 상기 미생물에 의해 1차로 처리되는 반응조; 내부에 양극봉 및 1차로 처리된 상기 유입수가 수용되는 산화전극조, 내부에 음극봉 및 음극액이 수용되는 환원전극조 및 상기 산화전극조와 환원전극조 사이를 구획하는 정삼투막을 구비하며, 1차로 처리된 상기 유입수가 처리수로서 2차로 처리되는 전극조;를 포함하며, 상기 분리막의 오염정도에 따라 상기 처리수, 상기 음극액 또는 이들의 혼합액이 선택적으로 상기 반응조에 공급됨으로써 상기 분리막의 세정이 이루어지는 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템 및 수처리 방법을 제공하며, 이에 의하면, 수처리 시스템의 처리수질 향상, 전체적인 시스템에 소모되는 에너지의 절감 및 분리막의 세정에 따른 여과기능 향상의 효과를 갖는다.

Description

분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템 및 수처리 방법{MBR-OsMFC hybrid system for wastewater treatment and method for wastewater treatment using the same}
본 발명은 수처리 시스템 및 수처리 방법에 관한 것으로, 상세하게는 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 공정을 융합하여, 분리막 생물 반응조 공정을 통해 1차적으로 유입수의 유기물을 제거하고, 이 유출수를 삼투 미생물 연료 전지 공정을 통해 2차적으로 처리함으로써 높은 수질의 물 생산과 동시에 삼투-미생물 연료 전지에서 전해질로 사용될 수 있는 음극액과 분리막 생물 반응조의 처리수를 함께 이용하여 분리막을 역세정 할 수 있는 기술이다.
분리막 생물 반응조 공정은 일반적으로 활성슬러지 공정에 비해 많은 장점을 지니고 있으나, 분리막 생물 반응조 공정의 운전이 진행됨에 따라 반응조 내부에 존재하는 미생물들이 분리막 표면에서 부착성장하여 생물막을 형성하며 막 표면을 덮게 된다. 이러한 생물막은 분리막의 여과 성능을 저하시키는 문제를 유발하며, 최종적으로 막투과 유량의 감소, 분리막의 세정주기 및 수명 단축, 세정 비용의 증가, 여과에 필요한 에너지 소비량 증가 등 분리막 공정의 여과 기능을 저하시킴으로써 분리막 생물반응조 공정의 경제성을 악화시킨다는 문제가 있다.
미생물 연료전지 기술을 이용한 하수처리는 다른 생물학적 하수처리 공정과 마찬가지로 유입수 내의 유기물만이 산화전극의 전자방출 미생물에 의해서 제거되기 때문에, 이 미생물에 의해 처리되지 못한 부유물질, 유해미생물 또는 미세오염물질 등이 처리수 중에 여전히 잔류하게 되므로, 이 처리수를 그대로 방류하거나 재이용수로 사용할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 처리수의 수질 문제로 인해서 유출수의 잔류 오염물질들을 제거하기 위해서 추가적 후처리 공정을 필요로 하고, 이는 더 넓은 처리장 부지 확보 및 처리시간의 지연이라는 문제점들을 야기한다.
이와 관련된 것으로, 특허문헌 1에는, 미생물 연료전지와 분리막 생물반응조를 결합하여 수처리 효율을 높이고, 전력을 생산함으로서 전체적인 시스템에 소모되는 에너지를 절감하는 하폐수 처리시스템이 개시되어 있으나, 생산된 전력의 구체적인 사용 및 상기한 분리막에 형성되는 생물막으로 인한 여과기능 저하의 문제를 여전히 안고 있다.
KR 2014-0093441 A
이에, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템을 통해 유입수을 처리하여 깨끗한 물을 생산할 뿐만 아니라 처리과정에서의 화학에너지를 전기에너지로의 전환을 통한 전력 생산, 미생물 연료 전지의 음극액 및 처리수를 분리막 생물 반응조의 오염된 분리막의 세정에 이용함으로써 지속 가능한 하수 처리 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 내부에 분리막 및 미생물이 수용되며, 처리대상 유입수가 유입되어 상기 분리막 및 상기 미생물에 의해 1차로 처리되는 반응조; 내부에 양극봉 및 1차로 처리된 상기 유입수가 수용되는 산화전극조, 내부에 음극봉 및 음극액이 수용되는 환원전극조 및 상기 산화전극조와 환원전극조 사이를 구획하는 정삼투막을 구비하며, 1차로 처리된 상기 유입수가 처리수로서 2차로 처리되는 전극조;를 포함하며, 상기 분리막의 오염정도에 따라 상기 처리수, 상기 음극액 또는 이들의 혼합액이 선택적으로 상기 반응조에 공급됨으로써 상기 분리막의 세정이 이루어지는 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템을 제공한다.
상기 음극봉 및 상기 양극봉과 전기적으로 연결되어, 상기 전극조 내에서의 산화-환원 반응에 의해 발생하는 전기에너지를 회수하는 전력회수수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 유입수, 상기 처리수 및 상기 음극액을 각각 이송하는 펌프 및 상기 반응조에 공기를 공급하는 폭기부를 더 구비하며, 상기 각 펌프 및 폭기부는 상기 전력회수수단과 연결되어 상기 회수수단에서 회수된 전기에너지가 공급됨으로써 구동되는 것이 바람직하다.
또한, (a) 처리대상 유입수가 반응조로 유입되어 반응조 내부의 분리막 및 미생물에 의해 1차로 처리되는 단계; (b) 1차로 처리된 상기 유입수가 산화전극조로 유입되어 수용되고, 음극액이 환원전극조로 유입되어 수용되는 단계; (c) 1차로 처리된 상기 유입수가 처리수로서의 2차 처리가 이루어지는 단계; (e) 상기 분리막의 오염정도에 따라 상기 처리수, 상기 음극액 또는 이들의 혼합액이 선택적으로 상기 반응조에 공급됨으로써 상기 분리막의 세정이 이루어지는 단계;를 포함하는, 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 방법을 제공한다.
상기 (c) 단계는, (c1) 상기 1차 처리수 및 상기 음극액에 의한 산화-환원반응에 따라 전기에너지가 생성되는 단계; (c2) 생성된 상기 전기에너지가 회수되는 단계; 및 (c3) 회수된 상기 전기에너지가 펌프 및 폭기부에 공급되는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템 및 수처리 방법에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 분리막 생물 반응조 공정을 통해 1차적으로 유입된 원수를 처리하고 그 유출수를 삼투-미생물 연료 전지로 유입시킴으로써, 삼투-미생물 연료 전지 공정의 유기물 부하량을 낮출 수 있으므로 정삼투막의 막오염발생을 저감시킬 수 있다. 또한, 하수에 존재하는 유기 오염물질 및 미생물 등을 분리막 생물 반응조를 통해 거의 완벽하게 제거가 가능하기 때문에 처리 수질 향상이 가능하다.
둘째, 기존의 미생물 연료 전지에 사용되는 양이온 교환막 대신 정삼투막을 사용하는 삼투-미생물 연료 전지로서, 정삼투막을 사용하므로 수투과량에 의한 산화전극조에서 환원전극조로의 수소이온 이동의 증가에 따라 기존의 일반적인 미생물 연료 전지에 비해, 유입수인 하/폐수로부터 높은 수질의 물을 생산함과 동시에 높은 전력 생산이 가능하고, 따라서 삼투-미생물 연료 전지에서 생성되는 전력을 분리막 생물 반응조의 폭기 또는 펌프의 가동에 사용함으로써 전체적인 공정의 에너지 저감이 가능하다.
셋째, 삼투-미생물 연료 전지에서의 음극액을 이용하여 분리막 생물 반응조의 막 역세정이 가능하기 때문에 분리막 표면의 생물막 형성으로 인한 분리막 오염의 저감을 통하여 분리막의 세정 및 교체 주기를 연장함으로써 분리막 세정에 소모되는 비용 저감 및 분리막 공정의 여과 기능 향상이 가능하다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 방법의 순서도를 도시한다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템을 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템(이하, 설명의 편의를 위하여 단순히 '수처리 시스템' 이라 칭한다.)을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 시스템은 크게 반응조(200) 및 전극조(300)의 구성을 포함한다.
반응조(200)는 처리대상 유입수가 유입되어 1차적으로 처리되며, 내부에 분리막(210)이 구비되고, 미생물이 수용되며, 또한, 반응조(200) 일측에는 미생물에 의한 유입수의 처리효율을 높이기 위한 공기를 반응조(200) 내로 공급하는 폭기부(220)가 구비될 수 있다.
유입수는 반응조(200)로 직접 유입될 수 있으나, 반응조(200)와 연결된 유입수 공급부(100)에 유입수를 저장하여 이를 반응조(200)로 공급할 수 있고, 유입수 공급부(100)에서는 부유물질 등의 전처리가 이루어질 수 있다.
전극조(300)는 산화전극조(310), 환원전극조(320) 및 정삼투막을 포함한다.
산화전극조(310)는 전극조(300)의 일측에 위치하며, 내부는 혐기성 조건을 이루고, 혐기성 미생물이 수용되어, 반응조(200)에서 1차로 처리된 유입수가 산화전극조(310)로 유입되어 수용되고, 2차적으로 처리된다. 또한, 산화전극조(310) 내부에는 양전극(311)이 구비되어, 1차로 처리되어 산화전극조(310) 내로 유입된 유입수 내에 침지된다.
한편, 산화전극조(310)와 연결된 처리수 저장부(500)가 구비되어, 산화전극조(310) 내에서 2차로 처리된 처리수는 처리수 저장부(500)로 배출될 수 있다.
환원전극조(320)는 산화전극조(310) 일측에 위치하며, 그 내부에 음극액이 수용되며, 음극액 내에 침지되는 음전극(321)이 구비된다. 또한, 음극액을 환원전극조(320)로 공급하기 위한 음극액 공급부(400)가 구비될 수 있다.
음극액은 한정되지 않으나, 예를 들면, NaCl용액 또는 후술할 분리막(210)의 화학적 세정이 가능한 산(Acid)이 포함된 용액이 사용될 수 있다
정삼투막은 산화전극조(310)와 환원전극조(320) 사이에 위치하여 산화전극조(310)와 환원전극조(320) 내부가 정삼투막을 투과하여 서로 소통 가능하다.
또한, 전극조(300)에는 양전극(311) 및 음전극(321)과 연결된 전력회수수단(340)이 구비될 수 있다.
이하, 첨부된 도 2를 더 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 방법(이하, 설명의 편의를 위하여 단순히 '수처리 방법' 이라 칭한다.)
먼저, 처리대상 유입수가 반응조(200)로 유입되어 반응조(200) 내부의 분리막(210) 및 미생물에 의해 1차로 처리된다(S100).
유입수가 유입수 공급부(100)로부터 반응조(200)로 유입되어 수용되며, 반응조(200) 내의 미생물 및 분리막(210)에 의해 유입수에 포함된 유기물의 생물학적 분해와 물리적인 막여과를 통하여 원수 내의 유기물이 직접적으로 처리된다.
다음, 1차로 처리된 유입수가 산화전극조(310)로 유입되어 수용되고, 음극액이 환원전극조(320)로 유입되어 수용된다(S200).
반응조(200)에서 1차로 처리된 유입수가 펌프(P1)를 통하여 산화전극조(310)로 유입되어 수용되며, 음극액이 음극액 공급부(400)로부터 환원공급조로 공급되며, 역시 펌프(P3) 등을 통하여 공급될 수 있다.
다음, 1차로 처리된 유입수가 처리수로서의 2차 처리가 이루어진다(S300).
산화전극조(310)에 수용된 혐기성 미생물(B)에 의해 1차로 처리된 유입수에 포함된 질소 및 인이 제거된다.
1차 처리수 및 상기 음극액에 의한 산화-환원반응에 따라 전기에너지가 생성되는데, 양전극(311)에서는 산화전극조(310) 내의 혐기조건하에서 혐기성 미생물반응에 따라 인과 금속이온, 수소이온 및 전자가 발생된다.
이렇게 발생된 수소이온(C) 및 전자는 정삼투막을 투과하여 환원전극조(320) 내의 음전극(321)으로 이동하여, 환원전극조(320) 내의 산소와 반응하여 물로 전환되며, 이러한 전환과정에서 전기에너지가 생성되며, 기존의 일반적인 미생물 연료전지에서 사용되는 양이온 교환막 대신 정삼투막을 사용함으로써 정삼투막에 의한 물 투과가 함께 이루어짐에 따라 이에 따른 수소이온의 이동증가에 의한 높은 전력생산이 가능하다.
생성된 전기에너지는 양전극(311) 및 음전극(321)과 연결된 전력회수수단(340)에 의해 회수되며, 회수된 전기에너지가 수처리 시스템 상에 구비되는 각 펌프 및 반응조(200) 내의 폭기부(220)에 공급되어 전력원으로 사용됨으로써 수처리 시스템에 소모되는 에너지 소모량을 절감할 수 있다.
다음, 분리막(210)의 오염정도에 따라 처리수, 음극액 또는 이들의 혼합액이 선택적으로 반응조(200)에 공급됨으로써 분리막(210)의 세정이 이루어진다(S400).
상술한 바와 같이, 반응조(200) 내의 유입수 처리가 진행됨에 따라 반응조(200) 내부에 존재하는 미생물들이 분리막(210) 표면에서 부착성장하여 생물막(A)을 형성하며 분리막(210) 표면을 덮게 된다.
이렇게 분리막(210) 표면에 형성된 오염을 제거하기 위해 환원전극조(320) 내의 음극액을 펌프(P2)를 통해 분리막(210) 측으로 유입시킴으로써 분리막(210)의 화학적 세정이 가능하다. 물리적인 역세시에는 처리수 저장조에 저장된 처리수를 펌프(P2)를 이용하여 분리막(210)에 유입시켜 역세정을 행하고, 상기한 화학적 세정의 경우 분리막(210)의 오염정도에 따라 환원전극조(320) 내의 음극액과 처리수 저장조 내의 처리수를 혼합한 혼합액을 사용하거나, 막오염의 정도가 심할 경우 음극액만을 이용하여 분리막(210)을 세정하며, 예를 들면, 분리막(210)의 막간 차압이 45kPa 이하일 경우 환원전극조(320) 내의 음극액과 처리수 저장조 내의 처리수를 혼합한 혼합액을 사용하고, 막간차압이 50~70kPa로 막오염의 정도가 심할 경우 음극액만을 이용하여 분리막(210)을 세정할 수 있다.
또한, 처리수는 처리수 저장부(500)에서 공급되지 않고 산화반응조(200) 내에서 2차 처리된 처리수가 바로 반응조(200)로 공급될 수 있으며, 음극액의 경우도 음극액 공급부(400)에서 바로 공급될 수도 있다.
이와 같이 전극조(300) 내의 음극액을 산화-환원 반응을 위한 전해질로서 사용함과 동시에 반응조(200) 내의 분리막(210) 세정에도 사용할 수 있는 용액을 이용하기에, 분리막(210) 표면의 생물막 형성으로 인한 오염의 저감을 통하여 분리막(210)의 세정 및 교체 주기를 연장함으로써 분리막(210) 세정에 소모되는 비용 저감 및 분리막(210) 공정의 여과 기능 향상이 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
본 연구는 국토교통부 플랜트연구개발사업의 연구비지원(과제번호 15IFIP-B088091-02)에 의해 수행되었음
100: 유입수 공급부
200: 반응조
210: 분리막
220: 폭기부
300: 전극조
310: 산화전극조
311: 양전극
320: 환원전극조
321: 음전극
340: 전력회수수단
400: 음극액 공급부
500: 처리수 저장부

Claims (5)

  1. 내부에 분리막(210) 및 미생물이 수용되며, 처리대상 유입수가 유입되어 상기 분리막(210) 및 상기 미생물에 의해 1차로 처리되는 반응조(200);
    내부에 양전극(311) 및 1차로 처리된 상기 유입수가 수용되는 산화전극조(310), 내부에 음전극(321) 및 음극액이 수용되는 환원전극조(320) 및 상기 산화전극조(310)와 환원전극조(320) 사이를 구획하는 정삼투막을 구비하며, 1차로 처리된 상기 유입수가 처리수로서 2차로 처리되는 전극조(300);를 포함하며,
    상기 분리막(210)의 오염정도에 따라 상기 처리수, 상기 음극액 또는 이들의 혼합액이 선택적으로 상기 반응조(200)에 공급됨으로써 상기 분리막(210)의 세정이 이루어지는,
    분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음전극(321) 및 상기 양전극(311)과 전기적으로 연결되어, 상기 전극조(300) 내에서의 산화-환원 반응에 의해 발생하는 전기에너지를 회수하는 전력회수수단(340)을 더 포함하는,
    분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유입수, 상기 처리수 및 상기 음극액을 각각 이송하는 펌프 및 상기 반응조(200)에 공기를 공급하는 폭기부(220)를 더 구비하며,
    상기 각 펌프 및 폭기부(220)는 상기 전력회수수단(340)과 연결되어 상기 회수수단에서 회수된 전기에너지가 공급됨으로써 구동되는,
    분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 시스템.
  4. (a) 처리대상 유입수가 반응조(200)로 유입되어 반응조(200) 내부의 분리막(210) 및 미생물에 의해 1차로 처리되는 단계;
    (b) 1차로 처리된 상기 유입수가 산화전극조(310)로 유입되어 수용되고, 음극액이 환원전극조(320)로 유입되어 수용되는 단계;
    (c) 1차로 처리된 상기 유입수가 처리수로서의 2차 처리가 이루어지는 단계;
    (e) 상기 분리막(210)의 오염정도에 따라 상기 처리수, 상기 음극액 또는 이들의 혼합액이 선택적으로 상기 반응조(200)에 공급됨으로써 상기 분리막(210)의 세정이 이루어지는 단계;를 포함하는,
    분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 상기 1차 처리수 및 상기 음극액에 의한 산화-환원반응에 따라 전기에너지가 생성되는 단계;
    (c2) 생성된 상기 전기에너지가 회수되는 단계; 및
    (c3) 회수된 상기 전기에너지가 펌프 및 폭기부(220)에 공급되는 단계;를 포함하는,
    분리막 생물 반응조-삼투 미생물 연료 전지 융합 수처리 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107352648A (zh) * 2017-09-11 2017-11-17 上海海事大学 一种厌氧条件下新型上流式mfc‑mbr耦合系统
CN112915559A (zh) * 2021-03-26 2021-06-08 西安理工大学 一种导电膜光热蒸发浓缩装置及其处理废水的方法

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