KR20170064321A - Single chamber microbial fuel cell to remove organic and nitrogen compounds - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기물 및 질소 동시제거가 가능한 단일조 미생물연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대면적 공기환원전극을 단일조 미생물연료전지의 양면에 설치하여 산소가 자발적으로 확산됨으로써, 산화전극에 부착된 전기활성미생물을 이용한 하폐수 내의 유기물 분해 및 전기에너지 회수와 동시에, 상기 산소를 전자수용체로 이용하는 질산화 반응, 하폐수 내의 유기물을 전자공여체로 이용하는 탈질 반응, 및 전극에서 전달되는 전자를 이용하는 전기활성미생물에 의한 탈질반응으로 인한 완전한 질소제거를 유도하여 유기물과 질소를 동시에 제거시킬 수 있고, 제조가 간편한 단일조 미생물연료전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 단일조 미생물연료전지는 형태가 단순하여 쉽게 제작이 가능하고, 산화전극부만으로 유기물 분해와 전기 생산, 질산화 및 탈질 반응을 동시에 유도할 수 있다. 이에 따라 기존 하폐수 처리에 필요한 폭기 및 외부탄소원 비용을 없애고, 부가적인 전기에너지 생산이 가능하다. 뿐만 아니라 상대적으로 작은 부피의 단일 반응조를 사용하기 때문에 하폐수처리장의 부지면적을 크게 감소시킬 수 있다.
The present invention relates to a single coarse microbial fuel cell capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen, and more particularly, to a coarse microbial fuel cell capable of simultaneously removing organic substances and nitrogen, Decomposition reaction using an organic substance in the wastewater as an electron donor, and an electroactive microorganism using electrons transferred from the electrode. The present invention relates to a single-celled microbial fuel cell capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen by inducing complete nitrogen removal due to a denitrification reaction by the denitrification reaction.
The single-celled microbial fuel cell according to the present invention can be easily manufactured because it is simple in shape, and can simultaneously induce decomposition of organic matter, electricity production, nitrification and denitrification with only the oxidized electrode part. As a result, it is possible to eliminate the aeration and external carbon source cost required for the conventional wastewater treatment, and to produce additional electric energy. In addition, the site area of the wastewater treatment plant can be greatly reduced since a single reaction vessel with a relatively small volume is used.

Description

유기물 및 질소의 동시제거가 가능한 단일조 미생물연료전지{Single chamber microbial fuel cell to remove organic and nitrogen compounds}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a single-cell microbial fuel cell,

본 발명은 유기물 및 질소 동시제거가 가능한 단일조 미생물연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대면적 공기환원전극을 단일조 미생물연료전지의 양면에 설치하여 산소가 자발적으로 확산됨으로써, 산화전극에 부착된 전기활성미생물을 이용한 하폐수 내의 유기물 분해 및 전기에너지 회수와 동시에, 상기 산소를 전자수용체로 이용하는 질산화 반응, 하폐수 내의 유기물을 전자공여체로 이용하는 탈질 반응, 및 전극에서 전달되는 전자를 이용하는 전기활성미생물에 의한 탈질반응으로 인한 완전한 질소제거를 유도하여 유기물과 질소를 동시에 제거시킬 수 있고, 제조가 간편한 단일조 미생물연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a single coarse microbial fuel cell capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen, and more particularly, to a coarse microbial fuel cell capable of simultaneously removing organic substances and nitrogen, Decomposition reaction using an organic substance in the wastewater as an electron donor, and an electroactive microorganism using electrons transferred from the electrode. The present invention relates to a single-celled microbial fuel cell capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen by inducing complete nitrogen removal due to a denitrification reaction by the denitrification reaction.

미생물연료전지(microbial fuel cell, MFC)는 박테리아의 대사에너지를 이용하여 전기를 생성하는데, 폐기물을 포함한 모든 유기물질은 박테리아의 먹이가 될 수 있기 때문에 연료전지의 동력에 이용될 수 있다. 대체에너지 기술의 하나로 주목받고 있는 MFC는 하폐수 중의 오염물질을 미생물의 먹이로서 제거하면서 연료로써 에너지 이용을 동시에 할 수 있을 뿐만 아니라 오염물질에서 직접 전기를 회수할 수 있는 고효율의 에너지 변환장치이다.Microbial fuel cells (MFCs) generate electricity using the metabolic energy of bacteria, which can be used to power fuel cells because all organic matter, including wastes, can feed on bacteria. MFC, which is attracting attention as an alternative energy technology, is a highly efficient energy conversion device that can simultaneously recover energy from pollutants as well as simultaneously use energy as a fuel while removing pollutants in wastewater as food of microorganisms.

따라서 MFC를 하폐수처리에 적용한다면 청정에너지를 제공할 수 있고, 더불어 하폐수의 효과적인 처리도 가능하다.Therefore, if MFC is applied to wastewater treatment, clean energy can be provided and effective treatment of wastewater is possible.

미생물연료전지는 산화전극부(anode chamber)와 환원전극부(cathode chamber)로 구성되어 있으며, 각 전극부는 분리막(separator)으로 구분되어 있다. 혐기성 조건 또는 무산소조건의 산화전극부에서는 박테리아에 의해 유기물질이 분해되고, 수소이온과 전자가 발생한다. 전자는 외부도선을 따라 산화전극(anode)에서 환원전극(cathode)으로 이동하게 되고, 수소이온은 분리막을 통과하여 환원전극으로 이동한다. 환원전극부로 이동한 전자와 수소이온은 환원전극부에 공급되는 산소와 질산염과 같은 전자수용체와 최종 환원반응을 하게 되고, 위와 같은 일련의 과정을 통해서 전기에너지를 회수할 수 있다.The microbial fuel cell is composed of an anode chamber and a cathode chamber, and each electrode section is divided into a separator. In the oxidizing electrode part under anaerobic condition or oxygen-free condition, organic substances are decomposed by bacteria, and hydrogen ions and electrons are generated. The electrons move from the anode to the reduction electrode along the external conductor, and the hydrogen ions pass through the separation membrane and move to the reduction electrode. The electrons and hydrogen ions migrating to the reduction electrode part are subjected to a final reduction reaction with an electron acceptor such as oxygen and nitrate that is supplied to the reduction electrode part, and the electric energy can be recovered through the above-described series of processes.

미생물연료전지 개념으로 대변되는 전극시스템을 이용한 기술은 폐수처리를 수행하면서 바로 전기를 얻을 수 있다는 장점으로 인하여 연구자들로부터 높은 관심을 받고 있는데, 이러한 미생물연료전지에 의한 처리는 대부분 아세테이트(acetate), 부티레이트(butyrate), 글루코오스(glucose) 또는 하폐수의 복잡한 유기물들을 다양한 탄수화물로 변환시키는데 사용되어 왔다.The microbial fuel cell technology has been attracting much attention from researchers due to its advantage of being able to obtain electricity directly by performing wastewater treatment. Most of the treatment by the microbial fuel cell is acetate, It has been used to convert complex organisms of butyrate, glucose or wastewater into various carbohydrates.

그러나, 일반적인 미생물연료전지는 하폐수 내의 유기물 제거만 가능하다. 미생물연료전지를 하폐수 처리에 완전히 적용하기 위해서는 유기물뿐만 아니라 영양염류인 질소까지 제거할 수 있어야 하며, 기존 생물학적 질소제거 공정의 다양한 단점들, 질산화를 위한 폭기 비용 문제 및 탈질을 위한 외부 탄소원 비용 문제 등을 확실히 해결할 수 있어야만 한다. 따라서, 유기물과 질소를 동시에 제거할 수 있는 새로운 개념의 하폐수 처리 시스템의 개발이 요구된다.However, general microbial fuel cells can only remove organic matter from wastewater. In order to fully utilize the microbial fuel cell for wastewater treatment, it is necessary to remove not only organic matter but also nutrients such as nitrogen, various disadvantages of the conventional biological nitrogen removal process, aeration cost for nitrification and external carbon source cost for denitrification Must be able to solve it. Therefore, it is required to develop a new concept of a wastewater treatment system capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen.

이를 해결하기 위해, 대한민국등록특허공보 제10-0974928호(2010.08.09.)에는 하이브리드형 하폐수 고도처리 장치가 개시되어 있다.To solve this problem, Korean Patent Registration No. 10-0974928 (Aug. 10, 2010) discloses a hybrid type wastewater treatment apparatus.

상기 하이브리드형 하폐수 고도처리 장치는 하나 이상의 혐기조 및 무산소조를 각각 포함하되, 상기 혐기조와 무산소조는 양이온투과막으로 구획되며, 상기 혐기조는 유기물산화미생물 및 산화전극을 포함하고, 상기 무산소조는 탈질미생물이 표면에 부착된 환원전극을 포함하며, 상기 산화전극 및 환원전극은 저항기가 장착된 전선으로 연결된 것으로, 유기물과 질소를 동시에 제거할 수 있는 장점이 있지만, 상기 무산소조로 이송된 반송슬러지에는 용존산소가 함유되어 있어 환원전극의 표면에 부착된 탈질미생물의 작용을 저해시켜 질소 처리효율이 떨어지는 문제가 있다.Wherein the anaerobic tank includes an organic substance oxidizing microorganism and an oxidizing electrode, wherein the anaerobic tank includes a denitrifying microorganism which is disposed on the surface of the denitrifying microorganism, The oxidation electrode and the reduction electrode are connected by a wire to which the resistor is attached. The oxidation electrode and the reduction electrode are connected by a wire to which the resistor is attached, which is advantageous in that the organic matter and nitrogen can be removed at the same time. However, in the transporting sludge transferred to the anoxic tank, And the effect of the denitrifying microorganisms adhering to the surface of the reducing electrode is impaired to lower the nitrogen treating efficiency.

또한, 종래의 질소 제거가 가능한 대부분의 미생물연료전지는 에너지 측면에서 비효율적이다. 일정 전위를 공급하여 환원전극부의 질산성 질소를 생물전기화학적으로 탈질화 시키는 기술은 낮은 제거율과 추가적인 전기 에너지를 계속 공급해줘야 한다는 단점이 있고, 추가적인 장치를 연결하여 질소를 제거하는 미생물연료전지는 반응조가 여러 개 필요하고 질산화를 위한 폭기 에너지가 요구된다는 단점이 있다.In addition, most conventional microbial fuel cells capable of nitrogen removal are inefficient in terms of energy. There is a disadvantage in that a technique of supplying dense nitrate of the reducing electrode portion to a denitrification process by feeding a constant potential to the denitrification electrode portion has a disadvantage in that it is required to continuously supply a low removal rate and additional electrical energy and a microorganism fuel cell for removing nitrogen by connecting additional devices, And aeration energy for nitrification is required.

이에, 본 발명자들은 종래 미생물연료전지의 문제점을 개선하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 미생물연료전지에 환원전극을 대면적 공기환원전극으로 사용하여 유기물 제거, 질산화 및 탈질을 위한 폭기 및 외부탄소원 비용의 추가 없이, 단일조에서 유기물과 질소를 제거하고 동시에 전기를 생산할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.As a result, the inventors of the present invention have conducted researches to improve the problems of conventional microbial fuel cells. As a result, they have found that the use of a reducing electrode as a large-area air reducing electrode in a microbial fuel cell enables aeration, nitrification, It is possible to remove organic matter and nitrogen in a single tank and produce electricity at the same time without addition, and the present invention has been completed.

대한민국등록특허공보 제10-0974928호Korean Patent Publication No. 10-0974928

따라서, 본 발명의 목적은 초저에너지로 단일조에서 유기물과 질소를 동시에 제거할 수 있는 미생물연료전지를 제공하는데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a microbial fuel cell capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen in a single tank with ultralow energy.

또한 본 발명의 목적은 상기 단일조 미생물연료전지를 이용한 하폐수 내의 유기물 및 질소의 동시 제거 방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a method for simultaneously removing organic matter and nitrogen in wastewater using the single microorganism fuel cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,

내부가 중공된 몸체를 포함하여 구성되며, 몸체 내부에 하폐수를 유입받아 전기활성미생물에 의한 유기물 분해 및 투과된 산소에 의한 질소의 질산화, 잔류 유기물을 전자공여체로 이용한 종속영양 탈질, 및 전기활성미생물에 의하여 발생된 일부 전자를 이용한 생물전기화학적 탈질 반응이 이루어지는 산화전극부와;The present invention relates to a method for removing nitrogen oxides, which comprises the steps of introducing wastewater into an interior of a body, decomposing organic matters by electroactive microorganisms, nitrifying nitrogen by transmitted oxygen, An oxidizing electrode part for performing a biochemical electrochemical denitrification using some electrons generated by the oxidizing electrode part;

상기 산화전극부의 양쪽 외측에 밀착되게 구비되고, 전기활성미생물이 부착되어 미생물에 의한 유기물 분해를 수행하고, 발생되는 수소 및 전자를 도선 및 분리막을 통해 공기환원전극으로 이동시키는 산화전극과;An oxidizing electrode which is provided on both outer sides of the oxidation electrode unit and performs electrochemical decomposition by the microorganisms attached to the electroactive microorganisms and moves the generated hydrogen and electrons to the air reducing electrode through the leads and the separator;

상기 산화전극의 외측에 구비되어서 상기 산화전극과 상기 공기환원전극을 전기적으로 절연시키는 분리막;A separation membrane provided outside the oxidation electrode to electrically isolate the oxidation electrode from the air reduction electrode;

상기 분리막의 외측에 구비되어서 상기 산화전극으로부터 이동된 전자를 외부공기와 반응시켜 전자의 흐름을 유지시키고, 산소를 산화전극부로 투과시키는 공기환원전극;An air reducing electrode provided outside the separation membrane to react electrons moved from the oxidation electrode with external air to maintain the flow of electrons and to transmit oxygen to the oxidation electrode unit;

상기 공기환원전극의 외측으로 구비되는 외부 틀; 및An outer frame provided outside the air reducing electrode; And

산화전극과 공기환원전극에 각각 연결되고, 전지의 상단부에 노출되어 있는 형태의 도선;A conductor connected to the oxidizing electrode and the air reducing electrode, respectively, and exposed to the upper end of the cell;

을 포함하여 구성된, 하폐수 내의 유기물 및 질소를 동시에 제거할 수 있는 단일조 미생물연료전지를 제공한다.The present invention provides a single-celled microbial fuel cell capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen in wastewater.

더욱 바람직하게는, 상기 미생물연료전지는 공극이 넓은 재질의 산화전극 및 분리막을 사용하는 형태일 수 있다.More preferably, the microbial fuel cell may be in the form of using a separation membrane and an oxidation electrode having a wide gap.

더욱 바람직하게는, 상기 미생물연료전지는 나사 접합부를 제외한 외부 틀의 대다수를 차지하는 대면적의 공기환원전극을 사용하는 형태일 수 있다.More preferably, the microbial fuel cell may be configured to use a large-sized air reducing electrode that occupies the majority of the outer frame except for the screw joint portion.

더욱 바람직하게는, 상기 미생물연료전지는 산소가 자발적으로 확산되도록 공기환원전극이 전지 양면에 대면적으로 위치할 수 있다.More preferably, the microbial fuel cell may have a large area on both sides of the cell so that oxygen is spontaneously diffused.

더욱 바람직하게는, 상기 미생물연료전지는 이를 하나의 단위 모듈로 하여 여러 개의 단위 모듈을 일정 간격으로 횡으로 구비하여 연속흐름식으로 연결하여 사용할 수 있다.More preferably, the microbial fuel cell has a plurality of unit modules, which are provided as a single unit module at a predetermined interval and are connected to each other in a continuous flow manner.

또한, 본 발명은 상기 단일조 미생물연료전지를 이용한 하폐수 내의 유기물 및 질소의 동시 제거 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for simultaneous removal of organic matter and nitrogen in wastewater using the single microorganism fuel cell.

더욱 바람직하게는, 상기 방법은 상기 단일조 미생물연료전지의 산화반응조로 유입된 하폐수 내의 유기물이 산화전극에 부착된 전기활성미생물에 의해 일부 제거되고, 이때 발생한 전자와 수소이온은 각각 외부의 도선과 분리막을 따라서 공기환원전극으로 이동하며, 이와 동시에 산화반응조 내에서 암모니아성 질소가 공기 중에서 산화전극부로 투과된 산소에 의해 질산화 되고, 잔류 유기물을 전자공여체로 이용한 종속영양 탈질과 전기활성미생물에 의하여 발생된 일부 전자를 이용한 생물전기화학적 탈질 반응에 의해 유기물 및 질소가 제거되는 단계를 포함한다.More preferably, the method further comprises removing the organic matter in the wastewater introduced into the oxidation reaction tank of the single-stage microbial fuel cell by an electroactive microorganism attached to the oxidizing electrode, wherein the generated electrons and hydrogen ions are respectively connected to external leads At the same time, the ammonia nitrogen is oxidized in the air by the oxygen permeated to the oxidized electrode part, and it is generated by the heterotrophic denitrification using the residual organic matter as the electron donor and the electroactive microorganism And removing the organic matter and nitrogen by a biochemical electrochemical denitrification using some electrons.

본 발명에 따른 단일조 미생물연료전지는 형태가 단순하여 쉽게 제작이 가능하고, 산화전극부만으로 유기물 분해와 전기 생산, 질산화 및 탈질 반응을 동시에 유도할 수 있다는 장점이 있다.The single-celled microbial fuel cell according to the present invention is simple in shape and can be easily manufactured, and has an advantage that it can simultaneously induce decomposition of organic matter, electricity production, nitrification and denitrification with only the oxidized electrode part.

이에 따라 기존 하폐수 처리에 필요한 폭기 및 외부탄소원 비용을 없애고, 부가적인 전기에너지 생산이 가능하다. 뿐만 아니라 상대적으로 작은 부피의 단일 반응조를 사용하기 때문에 하폐수처리장의 부지면적을 크게 감소시킬 수 있다.As a result, it is possible to eliminate the aeration and external carbon source cost required for the conventional wastewater treatment, and to produce additional electric energy. In addition, the site area of the wastewater treatment plant can be greatly reduced since a single reaction vessel with a relatively small volume is used.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일조 미생물연료전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일조 미생물연료전지의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 일 실시예에 따른 단일조 미생물연료전지 내부에서 일어나는 유기물 및 질소제거 현상의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일조 미생물연료전지의 연속흐름식 시스템의 사시도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실험예에 따른 단일조 미생물 연료전지에서 유입 유기물 1,000 mg-COD/L일때의 수리학적체류시간 조건에 따른 질소 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일 실험예에 따른 단일조 미생물 연료전지에서 유입 유기물 500 mg-COD/L일때의 수리학적체류시간 조건에 따른 질소 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5c는 본 발명의 일 실험예에 따른 단일조 미생물 연료전지에서 유입 유기물 300 mg-COD/L일때의 수리학적체류시간 조건에 따른 질소 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실험예에 따른 단일조 미생물 연료전지에서 유입 유기물 1,000 mg-COD/L일때의 수리학적체류시간 조건에 따른 유기물 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 일 실험예에 따른 단일조 미생물 연료전지에서 유입 유기물 500 mg-COD/L일때의 수리학적체류시간 조건에 따른 유기물 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6c는 본 발명의 일 실험예에 따른 단일조 미생물 연료전지에서 유입 유기물 300 mg-COD/L일때의 수리학적체류시간 조건에 따른 유기물 농도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 일 실험예에 따른 단일조 미생물 연료전지에서 유입 유기물 1,000 mg-COD/L일때의 수리학적체류시간 조건에 따른 전압 생산량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실험예에 따른 단일조 미생물 연료전지에서 유입 유기물 500 mg-COD/L일때의 수리학적체류시간 조건에 따른 전압 생산량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7c는 본 발명의 일 실험예에 따른 단일조 미생물 연료전지에서 유입 유기물 300 mg-COD/L일때의 수리학적체류시간 조건에 따른 전압 생산량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 하수 조건에서 연속흐름식으로 연결한 미생물연료전지 시스템의 유기물 및 질소 농도 변화를 나타내는 그래프이다.
FIG. 1 is a perspective view of a single-celled microbial fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG.
2 is an exploded perspective view of a single cell microbial fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of organic matter and nitrogen removal phenomena occurring in the single-celled microbial fuel cell according to one embodiment of the present invention.
4 is a perspective view of a continuous flow system of a single coarse microbial fuel cell in accordance with one embodiment of the present invention.
FIG. 5A is a graph showing a change in nitrogen concentration according to a hydraulic residence time condition when the input organic matter is 1,000 mg-COD / L in a single microorganism fuel cell according to an experimental example of the present invention.
FIG. 5B is a graph showing a change in nitrogen concentration according to a hydraulic residence time condition when the organic compound 500 mg-COD / L is introduced into a single microorganism fuel cell according to an experimental example of the present invention.
FIG. 5c is a graph showing the change in nitrogen concentration according to the hydraulic residence time condition when the inflow organic matter is 300 mg-COD / L in the single-bed microorganism fuel cell according to an experimental example of the present invention.
FIG. 6A is a graph showing the change in organic matter concentration according to the hydraulic residence time condition when the input organic matter is 1,000 mg-COD / L in the single-bed microorganism fuel cell according to an experimental example of the present invention.
FIG. 6B is a graph showing the change in organic matter concentration according to the hydraulic residence time condition when the inflow organic matter is 500 mg-COD / L in the single-bed microorganism fuel cell according to an experimental example of the present invention.
FIG. 6C is a graph showing the change in organic matter concentration according to the hydraulic retention time condition when the inflow organic matter is 300 mg-COD / L in the single-bed microorganism fuel cell according to an experimental example of the present invention.
FIG. 7A is a graph showing changes in the voltage production according to the hydraulic residence time condition when the input organic matter is 1,000 mg-COD / L in the single-bed microorganism fuel cell according to an experimental example of the present invention.
FIG. 7B is a graph showing changes in the voltage production according to the hydraulic retention time condition when the inflow organic matter is 500 mg-COD / L in the single coarse microbial fuel cell according to an experimental example of the present invention.
FIG. 7C is a graph showing changes in the voltage production according to the hydraulic retention time condition when the inflow organic matter is 300 mg-COD / L in the single-bed microorganism fuel cell according to one experimental example of the present invention.
8 is a graph showing changes in organic matter and nitrogen concentration in a microbial fuel cell system connected in a continuous flow manner under actual sewage conditions according to an embodiment of the present invention.

이하에서 본 발명의 실시예에 따른 단일조 미생물연료전지에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a single microorganism fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 유기물과 질소를 동시에 제거하는 단일조 미생물연료전지를 제공한다.The present invention provides a monolithic microbial fuel cell that simultaneously removes organic matter and nitrogen.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일조 미생물연료전지의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단일조 미생물연료전지의 분리사시도이다.FIG. 1 is a perspective view of a single microorganism fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of a single microorganism fuel cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 단일조 미생물연료전지는 직육면체 형상의 산화전극부(10)와, 산화전극부(10)의 양측면에 각각 구비되는 산화전극(60)과, 각 산화전극(60)의 외측으로 구비되는 분리막(50)과, 각 분리막(50)의 외측으로 구비되는 공기환원전극(30)과, 각 공기환원전극(30)의 외측으로 구비되는 외부 틀(20)을 포함하여, 산화전극(60)과 공기환원전극(30)에 각각 연결된 도선(40)이 전지의 상단부에 노출되어 있는 형태로 구성된다.The single-group microbial fuel cell of the present invention comprises a rectangular parallelepiped-shaped oxidation electrode unit 10, an oxidation electrode 60 provided on both side surfaces of the oxidation electrode unit 10, The oxidizing electrode 60 including the separator 50, the air reducing electrode 30 provided on the outer side of each separator 50, and the outer frame 20 provided on the outer side of each air reducing electrode 30, And the lead wire (40) connected to the air reducing electrode (30) are exposed on the upper end of the battery.

산화전극부(10)는 내부가 중공된 직육면체 형상의 몸체를 포함하여 구성되어서, 하폐수를 유입받아 내부에 서식하는 미생물에 의해 하폐수의 유기물이 분해되도록 하며, 몸체 양 측면에 산화전극(60)이 구비되어서 유기물의 분해 과정에서 발생되는 전기에너지를 외부로 전달할 수 있도록 한다.The oxidizing electrode unit 10 includes a hollow rectangular parallelepiped body to allow the organic matter contained in the wastewater to be decomposed by microorganisms in the wastewater into which the oxidizing electrode 60 is attached, So that the electric energy generated in the decomposition process of the organic matter can be transmitted to the outside.

이러한 산화전극부(10)는 몸체 하부 일측면에 유입구(11)가 형성되어서 하폐수를 유입받고, 몸체 상부 일측면에 유출구(12)가 형성되어 유기물 분해 과정을 거친 처리수를 배출할 수 있도록 한다.The oxidation electrode unit 10 has an inlet 11 formed at one side of the lower portion of the body to receive the wastewater and an outlet 12 formed at one side of the body to discharge the treated water having undergone organic decomposition .

산화전극(60)은 산화전극부(10)의 넓은 두 측면의 외측에 밀착되게 구비되며, 하폐수 내의 유기물은 상기 산화전극에 부착된 전기활성미생물에 의해 산화되어 수소이온과 전자를 생성하고, 발생된 수소이온과 전자가 각각 도선(40)과 분리막(50)에 의해 공기환원전극(30)으로 이동될 수 있도록 한다.The oxidation electrode 60 is provided in close contact with the outside of the wide two sides of the oxidation electrode unit 10, and organic matter in the wastewater is oxidized by the electroactive microorganisms attached to the oxidation electrode to generate hydrogen ions and electrons, Hydrogen ions and electrons can be moved to the air reducing electrode 30 by the conductive wire 40 and the separating film 50, respectively.

산화전극(60)의 측면 중 산화전극부(10)와 접촉하고 있는 반대측 측면에는 분리막(50)이 구비되어서 후속되는 공기환원전극(30)과 전기적 절연이 되도록 한다.A separation membrane 50 is provided on the opposite side of the side surface of the oxidation electrode 60 that is in contact with the oxidized electrode unit 10 so as to be electrically insulated from the air reduction electrode 30 that follows.

분리막(50)은 산화전극(60)의 외측에 밀착되게 구비되어서 산화전극(60)과 공기환원전극(30)을 전기적으로 절연되도록 한다. 이러한 분리막(50)은 통상 부직포 형태로 제작될 수 있으며, 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 부직포, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 부직포 또는 이 둘의 조합으로 이루어지거나, 이와 등가한 다른 재질 역시 당업자에 의해 선택이 가능함은 물론이다. 또한, 분리막(50)은 부직포 형태로 제작되지 아니하고 통상의 고형 판상으로 제작될 수 있으며, 산화전극(60)과 공기환원전극(30)을 절연하는 기능을 하는 것이면 어느 것이든 가능함은 물론이다. 다만, 분리막은 미생물의 이동을 차단하지 않을 정도로 충분한 크기(수 ㎛ 이상)의 공극을 가진 재질로 제작되어야 한다.The separation membrane 50 is provided in close contact with the outer side of the oxidation electrode 60 to electrically isolate the oxidation electrode 60 from the air reduction electrode 30. The separator 50 may be generally formed in the form of a nonwoven fabric, and may be formed of a polypropylene (PP) nonwoven fabric, a polyethylene terephthalate (PET) nonwoven fabric, or a combination of the two, Of course, it is possible to select it. Needless to say, the separator 50 may be made of a conventional solid plate instead of being formed in a nonwoven fabric, and may be any material that functions to insulate the oxidizing electrode 60 from the air reducing electrode 30. However, the separation membrane should be made of a material having a pore size of sufficient size (several μm or more) so as not to block the movement of microorganisms.

공기환원전극(30)은 산화전극(60)으로부터 이동된 수소이온(H+)과 전자(e-)를 외부공기(O2)와 반응시켜 물(H2O)을 생성하며, 이 과정에서 전자의 흐름을 지속적으로 유지시킴으로써 전기를 생성하는 역할을 하고, 외부의 산소를 산화전극부로 투과시키는 역할을 한다.The air reducing electrode 30 generates water H2O by reacting the hydrogen ions H + and electrons e transferred from the oxidizing electrode 60 with the external air O2. In this process, And it plays a role of generating electricity by continuously holding it, and permeates the external oxygen to the oxidation electrode portion.

단일조 미생물연료전지는 환원전극이 대기 중에 노출되어 있는데, 이를 공기환원전극(air cathode)이라고 부른다. 이러한 형태의 미생물연료전지는 대기 중의 산소를 직접 전자수용체로 이용할 수 있기 때문에, 두 개의 반응조로 구성된 미생물연료전지보다 전기화학적 성능이 높고, 또한 공기환원전극의 면적이 증가할수록 최종 환원반응이 잘 일어날 수 있기 때문에 미생물연료전지의 성능을 더욱 높일 수 있다.In a single-celled microbial fuel cell, the reducing electrode is exposed to the atmosphere, which is referred to as an air cathode. This type of microbial fuel cell has higher electrochemical performance than a microbial fuel cell composed of two reactors because oxygen in the atmosphere can be used as a direct electron acceptor and the final reduction reaction is more likely to occur as the area of the air- The performance of the microbial fuel cell can be further increased.

이를 위하여 공기환원전극(30)은 분리막(50)의 외측에 각각 구비되며, 반응효율 등을 고려하여 탄소천을 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정하는 것은 아니다.For this purpose, the air reducing electrode 30 is provided on the outer side of the separator 50, and carbon cloth is preferably used in consideration of reaction efficiency and the like, but the present invention is not limited thereto.

외부 틀(20)는 공기환원전극(30)의 외측에 구비되어서 내측의 공기환원전극(30), 분리막(50), 산화전극(60) 및 산화전극부(10)를 가압하여 밀착시키고 고정하는 역할을 한다.The outer frame 20 is provided on the outer side of the air reducing electrode 30 and presses the inner air reducing electrode 30, the separating film 50, the oxidizing electrode 60 and the oxidizing electrode portion 10, It plays a role.

이러한 외부 틀(20)은 볼트와 너트 등의 결합수단을 가지고 내측으로 조여 결합함으로써 견고하게 고정되며, 이때, 결합수단은 산화전극과 접촉하지 않아야 한다.The outer frame 20 is firmly fixed by fastening it to the inside with a coupling means such as a bolt and a nut, at which time the coupling means should not contact the oxidizing electrode.

이때 공기환원전극(30)이 공기와 용이하게 접촉되도록 통공이 관통 형성되어, 생물학적 질산화 및 전기 생산 반응의 최종 전자수용체로 사용될 산소가 반응조의 외부 틀(20)로 고정된 공기환원전극(30)을 통해 장치 내부인 산화전극부(10)로 투과될 수 있고, 이러한 공기환원전극(30)은 전지 양면에 대면적으로 형성되어 있어 자발적인 산소의 확산으로 인한 생물학적인 질산화 반응을 촉진시킬 수 있다.At this time, through holes are formed to penetrate the air reducing electrode 30 so that the air reducing electrode 30 can easily contact with the air. Oxygen to be used as a final electron acceptor for biological nitrification and electricity production reaction is supplied to the air reducing electrode 30 fixed to the outer frame 20 of the reaction tank. And the air reducing electrode 30 is formed on both sides of the battery in a large area, so that the biological nitrification reaction due to the spontaneous diffusion of oxygen can be promoted.

상기 산화전극과 공기환원전극은 도선(40)으로 연결하여 장치의 상단부로 노출시킨다.The oxidizing electrode and the air reducing electrode are connected to each other by a lead wire 40 and are exposed to the upper end of the apparatus.

본 발명의 단일조 미생물연료전지의 유기물 및 질소 제거 메카니즘은 다음과 같다.The organic substance and nitrogen removal mechanism of the single-stage microbial fuel cell of the present invention are as follows.

도 3은 본 발명에 따른 단일조 미생물연료전지 내부에서 일어나는 유기물 및 질소제거 현상의 모식도를 나타내는 것이다.FIG. 3 is a schematic view of the organic matter and nitrogen removal phenomenon occurring in the single-celled microbial fuel cell according to the present invention.

도 3에 나타낸 바와 같이, 하폐수 내의 유기물은 산화전극에 부착된 전기활성미생물에 의해 산화되고, 이때 발생한 전자와 수소이온은 각각 외부의 도선과 분리막을 따라서 공기환원전극으로 이동한다. 최종적으로 공기환원전극 외부의 산소가 전자수용체로 이용되고, 이러한 과정을 연속적으로 거쳐 전기가 발생하게 된다. 이와 동시에 암모니아성 질소는 공기 중에서 산화전극부로 투과된 산소를 이용하여 질산화 되고, 잔류 유기물을 전자공여체로 이용한 종속영양 탈질과 전기활성미생물에 의하여 발생된 일부 전자를 이용한 생물전기화학적 탈질 반응이 일어나게 된다. 상기의 모든 반응들은 단일 산화전극부 내부에서 동시에 일어난다.As shown in FIG. 3, the organic matter in the wastewater is oxidized by the electroactive microorganisms attached to the oxidizing electrode, and the generated electrons and hydrogen ions migrate to the air reducing electrode along the outer conductor and the separation membrane, respectively. Finally, oxygen outside the air reducing electrode is used as the electron acceptor, and electricity is generated continuously through this process. At the same time, ammonia nitrogen is nitrified by using oxygen permeated to the oxidized electrode part in the air, and the heterotrophic denitrification using the residual organic matter as the electron donor and the biochemical electrochemical denitrification reaction using some electrons generated by the electroactive microorganisms occur . All of the above reactions occur simultaneously within a single oxidation electrode portion.

따라서, 본 발명에 따른 단일조 미생물연료전지를 사용하면 하폐수 내의 유기물 및 질소를 동시에 제거할 수 있다.Therefore, by using the single-celled microbial fuel cell according to the present invention, organic matter and nitrogen in the wastewater can be simultaneously removed.

또한, 본 발명에 따른 단일조 미생물연료전지는 도 4에 나타낸 바와 같이, 후단에 쉽게 연결할 수 있어, 상기 미생물연료전지를 하나의 단위 모듈로 하여 여러 개의 단위 모듈을 일정 간격으로 횡으로 구비하여 연속흐름식으로 연결하여 사용할 수 있다. 이때, 모듈의 개수는 유입되는 하폐수 내의 유기물 및 질소 농도와 수리학적체류시간 등의 운전조건에 따라 가변적으로 조절할 수 있다.As shown in FIG. 4, the single-celled microorganism fuel cell according to the present invention can be easily connected to the rear end, so that the microorganism fuel cell can be provided as a single unit module, It can be connected by flow. At this time, the number of modules can be variably controlled according to operating conditions such as organic matter and nitrogen concentration in the incoming wastewater and hydraulic retention time.

또한, 본 발명은 상기 단일조 미생물연료전지를 이용한 하폐수 내의 유기물 및 질소의 동시 제거 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for simultaneous removal of organic matter and nitrogen in wastewater using the single microorganism fuel cell.

구체적으로, 본 발명에 따른 단일조 미생물연료전지를 이용한 하폐수 내의 유기물 및 질소의 동시 제거 방법은, 상기 단일조 미생물연료전지의 산화반응조로 유입된 하폐수 내의 유기물이 산화전극에 부착된 전기활성미생물에 의해 일부 제거되고, 이때 발생한 전자와 수소이온은 각각 외부의 도선과 분리막을 따라서 공기환원전극으로 이동하며, 이와 동시에 산화반응조 내에서 암모니아성 질소가 공기 중에서 산화전극부로 투과된 산소에 의해 질산화 되고, 잔류 유기물을 전자공여체로 이용한 종속영양 탈질과 전기활성미생물에 의하여 발생된 일부 전자를 이용한 생물전기화학적 탈질 반응에 의해 유기물 및 질소가 제거되는 단계를 포함한다.Specifically, the method of simultaneously removing organic substances and nitrogen in wastewater using a single-celled microbial fuel cell according to the present invention is characterized in that the organic substances in the wastewater introduced into the oxidation reaction tank of the single- And the generated electrons and hydrogen ions migrate to the air reducing electrode along the outer conductor and the separator, respectively. At the same time, ammonia nitrogen is nitrified in the air by oxygen permeated to the oxidizing electrode portion, And removing organic substances and nitrogen by a heterotrophic denitrification using residual organic matter as an electron donor and a bioelectrochemical denitrification using some electrons generated by the electroactive microorganisms.

본 발명에 따른 단일조 미생물연료전지는 형태가 단순하여 쉽게 제작이 가능하고, 산화전극부만으로 유기물 분해와 전기 생산, 질산화 및 탈질 반응을 동시에 유도할 수 있다. 이에 따라 기존 하폐수 처리에 필요한 폭기 및 외부탄소원 비용을 없애고, 부가적인 전기에너지 생산이 가능하다. 뿐만 아니라 상대적으로 작은 부피의 단일 반응조를 사용하기 때문에 하폐수처리장의 부지면적을 크게 감소시킬 수 있다.The single-celled microbial fuel cell according to the present invention can be easily manufactured because it is simple in shape, and can simultaneously induce decomposition of organic matter, electricity production, nitrification and denitrification with only the oxidized electrode part. As a result, it is possible to eliminate the aeration and external carbon source cost required for the conventional wastewater treatment, and to produce additional electric energy. In addition, the site area of the wastewater treatment plant can be greatly reduced since a single reaction vessel with a relatively small volume is used.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are only the preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited by the following Examples.

[[ 실시예Example 1]  One] 단일조Single group 미생물연료전지 제조 Microbial fuel cell manufacturing

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 산화전극, 분리막 및 공기환원전극을 포함하는 단일조 미생물연료전지를 150 mL 규모로 제작하였다. 여기서, 산화전극과 분리막, 공기환원전극은 각각 흑연팰트와 부직포, 탄소천을 이용하였으며, 상기 공기환원전극을 대면적으로 단일조 미생물연료전지의 양면에 설치하여 산소가 자발적으로 확산되도록 하였다. 단일 전극의 면적은 300 ㎠이었고, 활성슬러지를 식종원으로, 글루코스를 탄소원으로(300-1,000 mg-COD/L), 황산암모늄을 질소원으로(50 mg-N/L) 이용하였다.As shown in Figs. 1 and 2, a single microorganism fuel cell including an oxidizing electrode, a separating membrane, and an air reducing electrode was fabricated on a 150-mL scale. Here, graphite feldspar, nonwoven fabric and carbon cloth were used as the oxidizing electrode, the separator, and the air reducing electrode, respectively, and the air reducing electrode was installed on both sides of the single coarse microbial fuel cell in a large area so that oxygen was spontaneously diffused. The area of the single electrode was 300 cm 2. Activated sludge was used as a seed source, glucose was used as a carbon source (300-1,000 mg-COD / L), and ammonium sulfate was used as a nitrogen source (50 mg-N / L).

[[ 실험예Experimental Example 1] 본 발명의  1] 단일조Single group 미생물연료전지에서  In microbial fuel cells 수리학적체류시간Hydraulic residence time 조건에 의한 질소 농도의 변화 Changes in Nitrogen Concentration by Conditions

본 발명의 단일조 미생물연료전지에서, 유입 유기물에 대하여 수리학적 체류시간에 따른 질소 농도의 변화를 관찰하여 도 5a 내지 5c에 나타내었다.5a to 5c show changes in the nitrogen concentration with respect to the hydraulic retention time for the inflowing organic matter in the single coarse microbial fuel cell of the present invention.

도 5a는 유입 유기물 1,000 mg-COD/L일 때 수리학적체류시간 조건에 의한 질소 농도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 수리학적체류시간 12시간 조건에서 유출 총질소의 농도는 <10 mg-N/L이었고(제거효율 >80%), 6시간 조건에서는 <5 mg-N/L이었으며(제거효율 >90%), 3시간 조건에서는 <12 mg-N/L이었다(제거효율 >76%).FIG. 5A is a graph showing changes in nitrogen concentration due to hydraulic retention time conditions when the influent organic matter is 1,000 mg-COD / L. FIG. As shown in FIG. 5A, the total nitrogen concentration of the effluent was <10 mg-N / L (removal efficiency> 80%) under the hydraulic retention time of 12 hours and <5 mg-N / L at 6 hours Removal efficiency> 90%) and <12 mg-N / L for 3 hours (removal efficiency> 76%).

도 5b는 유입 유기물 500 mg-COD/L일 때 수리학적체류시간 조건에 의한 질소 농도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5b에 나타낸 바와 같이, 수리학적체류시간 3시간 조건에서 유출 총질소의 농도는 <17 mg-N/L이었고(제거효율 >66%), 6시간 조건에서는 <12 mg-N/L(제거효율 >76%)이었으며, 일부 질산성 질소 축적 현상이 일어났다.FIG. 5B is a graph showing a change in nitrogen concentration due to the hydraulic retention time condition when the influent organic matter is 500 mg-COD / L. As shown in FIG. 5B, the total nitrogen concentration at the hydraulic retention time of 3 hours was <17 mg-N / L (removal efficiency> 66%) and <12 mg-N / Efficiency> 76%), and some nitrate nitrogen accumulation occurred.

도 5c는 유입 유기물 300 mg-COD/L일 때 수리학적체류시간 조건에 의한 질소 농도의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5c에 나타낸 바와 같이, 수리학적체류시간 6시간, 3시간 조건에서 모두 유출 총질소의 농도가 <15 mg-N/L(제거효율 >70%)을 나타냈고, 일부 질산성 질소의 축적현상이 발견되었다.FIG. 5C is a graph showing changes in nitrogen concentration due to the hydraulic residence time condition when the influent organic matter is 300 mg-COD / L. FIG. As shown in FIG. 5C, the total nitrogen concentration of the effluent was <15 mg-N / L (removal efficiency> 70%) at the hydraulic retention time of 6 hours and 3 hours, and the accumulation phenomenon of some nitrate nitrogen .

이로부터, 본 발명에 따른 단일조 미생물연료전지에서 유입 유기물의 농도가 1,000 mg-COD/L일 때 수리학적체류시간을 6시간으로 조절함으로써 90% 이상의 탈질을 유도할 수 있음을 알 수 있다.From this, it can be seen that the denitrification of 90% or more can be induced by adjusting the hydraulic retention time to 6 hours when the concentration of the influent organic substance is 1,000 mg-COD / L in the single-stage microbial fuel cell according to the present invention.

[[ 실험예Experimental Example 2] 본 발명의  2] 단일조Single group 미생물연료전지에서  In microbial fuel cells 수리학적체류시간Hydraulic residence time 조건에 의한 유기물 농도의 변화 Change of organic matter concentration by condition

본 발명의 단일조 미생물연료전지에서, 유입 유기물에 대하여 수리학적 체류시간에 따른 유기물 농도의 변화를 관찰하여 도 6a 내지 6c에 나타내었다.6A to 6C show changes in the organic matter concentration with respect to the incoming organic matter in the single-celled microbial fuel cell of the present invention with respect to the hydraulic residence time.

도 6a는 유입 유기물 1,000 mg-COD/L일 때 수리학적체류시간 조건에 의한 유기물 농도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6a에 나타낸 바와 같이, 수리학적체류시간 12시간, 6시간 조건에서 유출 유기물의 농도는 <50 mg-COD/L이었고(제거효율 >95%), 3시간 조건에서는 <100 mg-COD/L이었다(제거효율 >90%).FIG. 6A is a graph showing changes in the organic matter concentration by the hydraulic residence time condition when the influent organic matter is 1,000 mg-COD / L. FIG. As shown in FIG. 6A, the concentration of effluent organic matter was <50 mg-COD / L (removal efficiency> 95%) under the hydraulic retention time of 12 hours and 6 hours, (Removal efficiency> 90%).

도 6b는 유입 유기물 500 mg-COD/L일 때 수리학적체류시간 조건에 의한 유기물 농도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6b에 나타낸 바와 같이, 수리학적체류시간 3시간, 6시간 조건에서 모두 유출 유기물의 농도가 <25 mg-COD/L이었다(제거효율 >95%).FIG. 6B is a graph showing the change of the organic matter concentration by the hydraulic retention time condition when the influent organic matter is 500 mg-COD / L. As shown in FIG. 6B, the concentration of effluent organic matter was <25 mg-COD / L (removal efficiency> 95%) at the hydraulic retention time of 3 hours and 6 hours.

도 6c는 유입 유기물 300 mg-COD/L일 때 수리학적체류시간 조건에 의한 유기물 농도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6c에 나타낸 바와 같이, 수리학적체류시간 6시간 조건에서 유출 유기물의 농도는 <10 mg-COD/L이었고(제거효율 >96%), 3시간 조건에서는 <25 mg-COD/L이었다(제거효율 >92%).FIG. 6C is a graph showing changes in the organic matter concentration by the hydraulic residence time condition when the influent organic matter is 300 mg-COD / L. FIG. As shown in FIG. 6C, the concentration of effluent organic matter was <10 mg-COD / L (removal efficiency> 96%) under the condition of hydraulic retention time of 6 hours and <25 mg-COD / Efficiency> 92%).

이와 같이, 본 발명의 단일조 미생물연료전지는 유입 유기물의 농도 및 수학학적체류시간을 조절함으로써, 유기물 및 질소를 90% 이상의 높은 효율로 동시 제거할 수 있다.As described above, the single-stage microbial fuel cell of the present invention can simultaneously remove organic matter and nitrogen at a high efficiency of 90% or more by controlling the concentration of the introduced organic substances and the mathematical residence time.

[[ 실험예Experimental Example 3] 본 발명의  3] 단일조Single group 미생물연료전지에서  In microbial fuel cells 수리학적체류시간Hydraulic residence time 조건에 의한 전압 생산량의 변화 Changes in Voltage Output by Conditions

본 발명의 단일조 미생물연료전지에서, 유입 유기물에 대하여 수리학적 체류시간에 따른 전압 생산량의 변화를 관찰하여 도 7a 내지 7c에 나타내었다.7A to 7C show changes in the voltage production with respect to the hydraulic retention time for the inflowing organic matter in the single coarse microbial fuel cell of the present invention.

도 7a는 유입 유기물 1,000 mg-COD/L일 때 수리학적체류시간 조건에 의한 전압 생산량의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 7a에 나타낸 바와 같이, 수리학적 체류시간 12시간 조건에서는 최대 120 mV의 전압이 발생하였고, 6시간 조건에서는 최대 150 mV의 전압이 발생하였으며, 3시간 조건에서는 최대 280 mV의 전압이 발생하였다.FIG. 7A is a graph showing the change in the voltage production amount under the hydraulic residence time condition when the influent organic matter is 1,000 mg-COD / L. FIG. As shown in FIG. 7A, a maximum voltage of 120 mV was generated under the hydraulic retention time of 12 hours, a maximum voltage of 150 mV was generated under the condition of 6 hours, and a voltage of 280 mV was generated at the time of 3 hours.

도 7b는 유입 유기물 500 mg-COD/L일 때 수리학적체류시간 조건에 의한 전압 생산량의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 7b에 나타낸 바와 같이, 수리학적 체류시간 3시간 조건에서는 최대 480 mV의 전압이 발생하였고, 6시간 조건에서는 전압 생산량이 점차 감소하는 추세를 보이다가 최종적으로 120 mV의 전압이 발생하였다.FIG. 7B is a graph showing the change in the voltage production amount under the hydraulic residence time condition when the influent organic matter is 500 mg-COD / L. As shown in FIG. 7B, the maximum voltage of 480 mV was generated under the hydraulic retention time of 3 hours, and the voltage output gradually decreased during the 6 hours of operation. Finally, the voltage of 120 mV was generated.

도 7c는 유입 유기물 300 mg-COD/L일 때 수리학적체류시간 조건에 의한 전압 생산량의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 7c에 나타낸 바와 같이, 수리학적 체류시간 6시간 조건에서는 최대 70 mV의 전압이 발생하였고, 3시간 조건에서는 최대 250 mV의 전압이 발생하였다.FIG. 7C is a graph showing the change in the voltage production amount under the hydraulic residence time condition when the input organic matter is 300 mg-COD / L. FIG. As shown in FIG. 7C, a maximum voltage of 70 mV was generated under the hydraulic retention time of 6 hours, and a voltage of 250 mV was generated at the maximum of 3 hours.

이와 같이, 본 발명의 단일조 미생물연료전지는 유입 유기물의 농도 및 수학학적체류시간을 조절함으로써, 최대 480 mV의 전압의 전기에너지 생산이 가능함을 알 수 있다.As described above, it can be seen that the single-celled microbial fuel cell of the present invention is capable of producing electrical energy at a maximum voltage of 480 mV by controlling the concentration of the input organic matter and the mathematical residence time.

[[ 실시예Example 2]  2] 연속흐름식Continuous flow type 미생물연료전지 시스템 Microbial fuel cell system

도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 단일조 미생물연료전지를 연속흐름식으로 연결하여 실제 하수 조건에서 유기물 및 질소 농도 변화를 측정하였다.As shown in FIG. 4, the single coarse microbial fuel cells prepared in Example 1 were connected in a continuous flow manner to measure changes in organic matter and nitrogen concentration under actual sewage conditions.

연속흐름식 미생물연료전지 시스템에서, 각 단위 유닛(unit)의 수리학적 체류시간은 0.5시간으로 설정하였으며, 시스템의 총 수리학적 체류시간은 1.5시간으로 유지시켰다. 실제 하수의 유입 유기물 농도는 142 ± 11 mg-COD/L, 질소 농도는 29 ± 1 mg-N/L이었다. 측정 결과를 도 8에 나타내었다.In a continuous flow microbial fuel cell system, the hydraulic residence time of each unit unit was set at 0.5 hour, and the total hydraulic retention time of the system was maintained at 1.5 hours. The actual organic matter concentration of sewage was 142 ± 11 mg-COD / L and the nitrogen concentration was 29 ± 1 mg-N / L. The measurement results are shown in Fig.

도 8에 나타낸 바와 같이, 첫 번째 장치(unit-1)의 유출 유기물 농도는 70 ± 5 mg-COD/L, 질소 농도는 14 ± 2 mg-N/L이었고, 두 번째 장치(unit-2)의 유출 유기물 농도는 37 ± 7 mg-COD/L, 질소 농도는 3 ± 1 mg-N/L, 세 번째 장치(unit-3)의 유출 유기물 농도는 29 ± 3 mg-COD/L, 질소 농도는 2 ± 0 mg-N/L이었으며, 이들 유출 유기물 및 질소 농도는 대한민국 방류수 수질기준을 모두 만족하였다(유기물 40 mg-COD/L 이하, 질소 20 mg-N/L 이하).As shown in FIG. 8, the effluent organic concentration of the first unit (unit-1) was 70 ± 5 mg-COD / L and the nitrogen concentration was 14 ± 2 mg-N / , The effluent organic matter concentration of the third unit (unit-3) was 29 ± 3 mg-COD / L, the nitrogen concentration was 3 ± 1 mg-N / (20 mg-N / L or less in nitrogen and less than 40 mg-COD / L in organic matter). The concentration of organic matter and nitrogen in the effluent was 2 ± 0 mg-N / L.

따라서, 본 발명에 따른 단일조 미생물연료전지는 연속흐름식으로 연결시 실제 하수 조건에서 추가적인 폭기 비용(유기물 제거, 질산화) 및 외부탄소원 비용(탈질)을 들이지 않고도 유기물 및 질소 농도를 국내 방류수 수질기준을 만족하도록 동시에 제거할 수 있으므로 경제적이며, 부가적으로 전기 에너지를 생산할 수 있으므로, 종래 하폐수 공정을 대체하여 실제 하수 시스템에 유용하게 적용시킬 수 있다.Therefore, the single-celled microbial fuel cell according to the present invention can maintain the concentration of organic matter and nitrogen at the domestic sewage water quality standard (without detriment of additional aeration cost (organic matter removal, nitrification) and external carbon source cost It is economical and can additionally produce electric energy, so that it can be applied to an actual sewage system in place of the conventional sewage treatment.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

10 : 산화전극부
11 : 유입구
12 : 유출구
20 : 외부 틀
30 : 공기환원전극
40 : 도선
50 : 분리막
60 : 산화전극
10: oxidation electrode part
11: Inlet
12: Outlet
20: External framework
30: air reducing electrode
40: lead
50: membrane
60: oxidized electrode

Claims (7)

내부가 중공된 몸체를 포함하여 구성되며, 몸체 내부에 하폐수를 유입받아 전기활성미생물에 의한 유기물 분해 및 투과된 산소에 의한 질소의 질산화, 잔류 유기물을 전자공여체로 이용한 종속영양 탈질, 및 전기활성미생물에 의하여 발생된 일부 전자를 이용한 생물전기화학적 탈질 반응이 이루어지는 산화전극부와;
상기 산화전극부의 양쪽 외측에 밀착되게 구비되고, 전기활성미생물이 부착되어 미생물에 의한 유기물 분해를 수행하고, 발생되는 수소 및 전자를 도선 및 분리막을 통해 공기환원전극으로 이동시키는 산화전극과;
상기 산화전극의 외측에 구비되어서 상기 산화전극과 상기 공기환원전극을 전기적으로 절연시키는 분리막;
상기 분리막의 외측에 구비되어서 상기 산화전극으로부터 이동된 전자를 외부공기와 반응시켜 전자의 흐름을 유지시키고, 산소를 산화전극부로 투과시키는 공기환원전극;
상기 공기환원전극의 외측으로 구비되는 외부 틀; 및
산화전극과 공기환원전극에 각각 연결되고, 전지의 상단부에 노출되어 있는 형태의 도선;
을 포함하여 구성된, 하폐수 내의 유기물 및 질소를 동시에 제거할 수 있는 단일조 미생물연료전지.
The present invention relates to a method for removing nitrogen oxides, which comprises the steps of introducing wastewater into an interior of a body, decomposing organic matters by electroactive microorganisms, nitrifying nitrogen by transmitted oxygen, An oxidizing electrode part for performing a biochemical electrochemical denitrification using some electrons generated by the oxidizing electrode part;
An oxidizing electrode which is provided on both outer sides of the oxidation electrode unit and performs electrochemical decomposition by the microorganisms attached to the electroactive microorganisms and moves the generated hydrogen and electrons to the air reducing electrode through the leads and the separator;
A separation membrane provided outside the oxidation electrode to electrically isolate the oxidation electrode from the air reduction electrode;
An air reducing electrode provided outside the separation membrane to react electrons moved from the oxidation electrode with external air to maintain the flow of electrons and to transmit oxygen to the oxidation electrode unit;
An outer frame provided outside the air reducing electrode; And
A conductor connected to the oxidizing electrode and the air reducing electrode, respectively, and exposed to the upper end of the cell;
A single-stage microbial fuel cell capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen in wastewater.
제1항에 있어서,
상기 미생물연료전지는 공극이 넓은 재질의 산화전극 및 분리막을 사용하는 형태인 것을 특징으로 하는, 하폐수 내의 유기물 및 질소를 동시에 제거할 수 있는 단일조 미생물연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the microbial fuel cell is a type using an oxidation electrode and a separation membrane having a wide pore size, and is capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen in the wastewater.
제1항에 있어서,
상기 미생물연료전지는 나사 접합부를 제외한 외부 틀의 대다수를 차지하는 대면적의 공기환원전극을 사용하는 형태인 것을 특징으로 하는, 하폐수 내의 유기물 및 질소를 동시에 제거할 수 있는 단일조 미생물연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the microbial fuel cell uses a large-sized air reducing electrode that occupies a majority of the outer frame except for the screw joint, and is capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen in the wastewater.
제1항에 있어서,
상기 미생물연료전지는 산소가 자발적으로 확산되도록 공기환원전극이 전지 양면에 대면적으로 위치하는 것을 특징으로 하는, 하폐수 내의 유기물 및 질소를 동시에 제거할 수 있는 단일조 미생물연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the microbial fuel cell is capable of simultaneously removing organic matter and nitrogen in the wastewater, wherein the air reducing electrode is located on both sides of the cell in a large area so that oxygen is spontaneously diffused.
제1항에 있어서,
상기 미생물연료전지는 이를 하나의 단위 모듈로 하여 여러 개의 단위 모듈을 일정 간격으로 횡으로 구비하여 연속흐름식으로 연결하여 사용하는 것을 특징으로 하는, 하폐수 내의 유기물 및 질소를 동시에 제거할 수 있는 단일조 미생물연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the microbial fuel cell comprises a plurality of unit modules arranged in a transverse direction at a predetermined interval so that the microbial fuel cells are connected to each other in a continuous flow manner, Microbial fuel cell.
제1항의 단일조 미생물연료전지를 이용한 하폐수 내의 유기물 및 질소의 동시 제거 방법.A method for simultaneous removal of organic matter and nitrogen in wastewater using the single-set microbial fuel cell of claim 1. 제6항에 있어서,
상기 단일조 미생물연료전지의 산화반응조로 유입된 하폐수 내의 유기물이 산화전극에 부착된 전기활성미생물에 의해 일부 제거되고, 이때 발생한 전자와 수소이온은 각각 외부의 도선과 분리막을 따라서 공기환원전극으로 이동하며, 이와 동시에 산화반응조 내에서 암모니아성 질소가 공기 중에서 산화전극부로 투과된 산소에 의해 질산화 되고, 잔류 유기물을 전자공여체로 이용한 종속영양 탈질과 전기활성미생물에 의하여 발생된 일부 전자를 이용한 생물전기화학적 탈질 반응에 의해 유기물 및 질소가 제거되는 단계를 포함하는, 단일조 미생물연료전지를 이용한 하폐수 내의 유기물 및 질소의 동시 제거 방법.
The method according to claim 6,
The organic matter contained in the wastewater flowing into the oxidation reaction tank of the single-stage microorganism fuel cell is partially removed by the electroactive microorganisms attached to the oxidation electrode, and the generated electrons and hydrogen ions migrate to the air- At the same time, the ammonia nitrogen in the oxidation tank is nitrified by the oxygen permeated to the oxidized electrode portion in the air, and the heterotrophic denitrification using the residual organic matter as the electron donor and the bioelectrochemistry using some electrons generated by the electroactive microorganisms A method for simultaneous removal of organic matter and nitrogen in wastewater using a single-stage microbial fuel cell, comprising removing organic matter and nitrogen by a denitrification reaction.
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