KR20180110511A - Apparatus for bioelectrochemical anaerobic digestion using electrode coated with dielectric material - Google Patents

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Abstract

An apparatus for bioelectrochemical anaerobic digestion of the present invention includes: an anaerobic reaction tank into which anaerobic microorganisms flow in; and an insulating electrode pair where an insulating positive electrode and an insulating negative electrode coated with a dielectric material are installed in a pair while being spaced apart from each other so as to face each other in the anaerobic reaction tank. A direct current power source is applied to the insulating positive electrode and the insulating negative electrode so that an electric field is formed between the insulating positive electrode and the insulating negative electrode; and when the anaerobic microorganisms are exposed to the electric field, electroactive microorganisms grow under the influence of the electric field. According to the present invention, the direct electron transfer between the electroactive microorganisms and methanogenic microorganisms is activated to improve the electron transfer rate and efficiency, thereby improving the anaerobic digestion performance.

Description

유전물질로 피복된 절연전극을 이용한 생물전기화학 혐기성소화 장치{Apparatus for bioelectrochemical anaerobic digestion using electrode coated with dielectric material}[0001] The present invention relates to a bioelectrochemical anaerobic digestion apparatus using an insulating electrode coated with a dielectric material,

본 발명은 혐기성상태에서 유기성폐수, 하수슬러지, 농축산폐기물, 음식물쓰레기 등에 함유된 유기오염물질을 분해하여 안정화시킴과 동시에 메탄과 같은 유용한 생성물을 얻는 혐기성소화 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 혐기성반응조 내부에 유전물질로 피복된 절연전극을 설치하여 작은 전압을 인가함으로서 전계를 형성시켜 전기활성미생물을 배양하는 것을 특징으로 하여 전기활성미생물과 메탄생성균 사이에 직접종간전자전달을 활성화시킴으로써, 높은 효율의 혐기성소화가 가능하도록 하는 생물전기화학 혐기성소화 기술에 대한 것이다.The present invention relates to an anaerobic digestion technique for decomposing and stabilizing organic pollutants contained in organic wastewater, sewage sludge, agricultural and animal wastes, food waste, etc., in an anaerobic state and obtaining useful products such as methane, And an electric field is formed by applying a small voltage to an electroactive microorganism to activate an interelectronic electron transfer between the electroactive microorganisms and the methanogenic microorganisms, whereby a highly efficient anaerobic It is about bioelectrochemical anaerobic digestion technology that enables digestion.

생물전기화학 혐기성소화는 혐기성소화조에 산화전극과 환원전극을 설치하고, 외부전원을 이용하여 전극 사이에 전위차를 인가하는 혐기성소화 기술이다. Biological electrochemical anaerobic digestion is an anaerobic digestion technique in which an oxidizing electrode and a reducing electrode are installed in an anaerobic digestion tank and a potential difference is applied between the electrodes using an external power source.

혐기성소화는 유기성폐수, 하수슬러지, 농축산폐기물, 음식물쓰레기 등의 유기오염물질을 분해하여 안정화시킴과 동시에 메탄과 같은 유용한 생성물을 얻는 기술이다. Anaerobic digestion is a technique to decompose and stabilize organic pollutants such as organic wastewater, sewage sludge, agricultural and livestock waste, food waste, and to obtain useful products such as methane.

도 3을 참조하여 혐기성소화과정을 설명하면 다음과 같다. The anaerobic digestion process will be described with reference to FIG.

도 3에서 보는 바와 같이, 유기성폐기물을 구성하는 복잡한 고분자 유기물이 아미노산, 지방산, 단당류 등의 단량체로 가수분해되고, 가수분해되어 생성된 산물은 산발효균에 의해 발효되어 석신산, 낙산, 휘발성 지방산 등의 저분자 유기물과 초산, 수소 및 이산화탄소를 생성한다. 저분자유기물은 초산생성균에 의해 다시 발효되어 초산을 생성한다. 이러한 발효과정에서 발생하는 전자는 수소/개미산을 생성하거나, 직접 세포벽을 통하여 외부로 방출하여 메탄생성균으로 전달하기도 한다. 기존의 재래식 혐기성소화조에서는 주로 초산이용 메탄생성균 및 수소이용 메탄생성균이 각각 초산을 이용하거나 수소/개미산을 이용하는 종간간접전자전달 경로(2)를 통하여 메탄을 생성하였다. As shown in FIG. 3, complex organic matters constituting the organic waste are hydrolyzed into monomers such as amino acids, fatty acids, and monosaccharides, and products produced by hydrolysis are fermented by acid fermenting bacteria to produce a mixture of succinic acid, Hydrogen, and carbon dioxide. The low-molecular organic matter is fermented again by acetic acid-producing bacteria to produce acetic acid. The electrons generated during this fermentation process generate hydrogen / formic acid, or they are released directly to the outside through the cell wall and transferred to methanogenic bacteria. In conventional conventional anaerobic digestion tanks, mainly acetic acid - using methane - producing bacteria and hydrogen - using methane - producing bacteria produced methane by using acetic acid or indirect electron transfer pathway (2) using hydrogen / formic acid, respectively.

그러나, 초산이용 또는 수소이용 메탄생성균은 성장속도가 느리고, pH, 온도, 유기물부하율 등과 같은 환경 및 운전인자의 변화에 민감하기 때문에, 전체 혐기성반응의 속도와 성능을 지배하는 율속단계인 경우가 많았다. However, acetic acid-use or hydrogen-using methanogenic bacteria are slow in growth rate and susceptible to changes in environment and operating factors such as pH, temperature, organic loading rate, etc., and thus are often rate-controlling stages that govern the speed and performance of the total anaerobic reaction .

따라서, 여러 가지 환경요인에 의하여 메탄생성반응이 저해를 받거나 산생성반응의 속도가 상대적으로 빠른 경우, 발효과정에서 생성되는 초산이나 수소/개미산이 메탄생성균에 의해 충분히 소비되지 못하기 때문에 혐기성반응조 내부에 축적될 수 있다. 이때, 메탄생성균은 기질저해효과가 있어 축적된 초산과 수소/개미산에 의해 메탄생성반응은 더욱 저해를 받게 된다. 특히, 수소는 용해성이 낮아 주로 가스 상으로 존재하는데, 저분자 유기물의 발효반응은 가스 상의 수소분압이 한계치 이내일 때만 열역학적으로 가능하게 된다. 이것은 메탄생성반응의 속도를 향상시키면 혐기성소화효율을 개선될 수 있다는 것을 의미한다. Therefore, when the methane production reaction is inhibited or the rate of the acid production reaction is relatively fast due to various environmental factors, the acetic acid or the hydrogen / formic acid produced in the fermentation process is not consumed sufficiently by the methanogenic bacteria, Lt; / RTI > At this time, the methanogenic bacteria have a substrate inhibitory effect, and the methanogenic reaction is further inhibited by accumulated acetic acid and hydrogen / formic acid. Particularly, hydrogen is low in solubility and exists mainly in a gas phase. The fermentation reaction of a low molecular organic material becomes thermodynamically possible only when the hydrogen partial pressure of the gas phase is within a limit value. This means that improving the rate of methanogenic reaction can improve anaerobic digestion efficiency.

지금까지는 혐기성소화조에 메탄생성반응의 속도를 향상시키기 위하여 소화조 내부에 메탄생성균의 생체량을 늘릴 수 있는 공정들이 주로 연구되어 왔는데 상향류식 혐기성 슬러지블랭킷공정(Upflow anaerobic sludge blanket reactor, UASB), 혐기성생물막여과공정(Anaerobic filter, AF), 혐기성막분리공정(Anaerobic membrane bioreactor, AnBR) 등이 그것이다. Up to now, processes that can increase the biomass of methanogenic bacteria in the digestion tank have been studied mainly to improve the rate of methanogenic reaction to the anaerobic digestion tank. Upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB), anaerobic biofilm filtration Anaerobic filter (AF), and anaerobic membrane bioreactor (AnBR).

또한, 최근에는 생물전기화학장치를 혐기성소화조에 설치한 생물전기화학 혐기성소화조를 이용하여 메탄생성반응을 향상시키기 위한 노력들이 경주되고 있다. 생물전기화학장치는 0.3-0.7V 정도의 작은 전압이 인가된 산화전극, 환원전극과, 전압을 인가하는 직류전원 공급장치로 이루어진다. In recent years, efforts have been made to improve the methanogenic reaction by using a bioelectrochemical anaerobic digester in which a bioelectrochemical device is installed in an anaerobic digestion tank. The bioelectrochemical device is composed of an oxidation electrode to which a small voltage of about 0.3-0.7 V is applied, a reduction electrode, and a DC power supply device for applying a voltage.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

생물전기화학 혐기성소화조에서는 표준상태에서 수학식 1에서와 같이 산화전극의 전위가 -0.486 V(Ag/AgCl) 보다 높은 경우, 산화전극 표면에 부착성장하는 전기활성 미생물에 의해 저분자물질이 분해되어 양성자와 이산화탄소를 생산하고, 이때 발생하는 전자는 산화전극으로 직접 전달된다. 이때, 이산화탄소는 수중의 알카리도와 반응하여 중탄산 이온 등으로 존재하기도 한다.In the bioelectrochemical anaerobic digestion tank, when the potential of the oxidized electrode is higher than -0.486 V (Ag / AgCl) in the standard state as shown in Equation 1, the low molecular weight material is decomposed by the electroactive microorganisms adhering to the surface of the oxidized electrode, And carbon dioxide, and the generated electrons are directly transferred to the oxidation electrode. At this time, carbon dioxide reacts with alkaline water in water and is present as bicarbonate ion or the like.

환원전극에서는 표준상태에서 수학식 2에서와 같이 환원전극전위가 -0.445V (Ag/AgCl) 보다 낮은 경우, 전자와 양성자를 이용하여 이산화탄소 또는 중탄산이온을 환원시킴으로써, 메탄을 생성시킨다. When the reduction electrode potential is lower than -0.445 V (Ag / AgCl) as shown in Equation (2) in a standard state, methane is produced by reducing carbon dioxide or bicarbonate ions using electrons and protons.

종래에는 환원전극에서 메탄을 생성하는 이산화탄소 환원반응의 반응속도를 향상시키기 위하여 환원전극 표면에 부착성장하는 메탄생성균 또는 플레티늄 등과 같은 귀금속을 촉매로 사용하였다.Conventionally, a noble metal such as methane-producing bacteria or platinum adhering to the surface of the reducing electrode was used as a catalyst in order to improve the reaction rate of the carbon dioxide reducing reaction that generates methane in the reducing electrode.

생물전기화학 혐기성소화조는 기존의 재래식 혐기성소화조에 비하여 약 50-80% 이상 혐기성소화효율을 향상시킬 수 있다고 알려지고 있다. It is known that bioelectrochemical anaerobic digesters can improve anaerobic digestion efficiency by about 50-80% compared to conventional anaerobic digesters.

한편, 생물전기화학반응을 유도하기 위하여 생물전기화학 혐기성소화조에 설치하는 산화전극 및 환원전극은 저렴하여야 하며, 비표면적이 넓고 혐기성미생물이 부착성장할 수 있도록 생물친화성이 높아야 하며, 혐기성소화조의 환경에서 부식되지 않고 내구성이 있는 고전도성 재료를 사용하여야 한다. On the other hand, the oxidizing electrode and the reducing electrode provided in the bioelectrochemical anaerobic digestion tank to induce the bioelectrochemical reaction must be inexpensive, have a large specific surface area, have high biocompatibility so that the anaerobic microorganism adheres and grow, and the environment of the anaerobic digestion tank High-conductivity materials that are not corroded and durable should be used.

지금까지는 주로 내구성과 생물친화성이 높은 탄소섬유의 표면을 탄소나노튜브, 그래핀 등으로 전처리하여 전도성을 개선한 물질을 전극재료로 가장 많이 사용하여 왔다. 그러나, 탄소기반의 전극재료들은 표면처리하여 개선할 수 있는 전도성의 한계가 존재하기 때문에 전극의 크기에 비례하여 오옴저항이 증가할 수밖에 없었다. 따라서, 생물전기화학 혐기성소화조에서 사용할 수 있는 전극의 크기에는 제한이 있었으며, 이러한 오옴저항의 영향을 배제하기 위해서는 전도성이 크고 내식성이 있는 고가의 금속 집전체가 반드시 필요하였다. Until now, carbon fiber has been mainly used as an electrode material by improving the conductivity by pretreating the surface of carbon fiber having high durability and biocompatibility with carbon nanotubes and graphene. However, since the carbon-based electrode materials have a limitation of conductivity that can be improved by surface treatment, the ohmic resistance increases in proportion to the size of the electrode. Therefore, the size of the electrode that can be used in the bioelectrochemical anaerobic digestion tank was limited. In order to eliminate the influence of the ohmic resistance, a metal collector having high conductivity and high corrosion resistance was indispensable.

또한, 환원전극 촉매로 사용하기도 하는 플레티늄 등의 촉매는 고가의 귀금속으로서 전극제조 비용을 상승시키는 원인이 되기 때문에 현장의 실제 플랜트에서는 사용하기 어려운 상황이며, 실험실 연구 등에서만 사용하는 실정이다.The catalyst such as platinum which is also used as a reducing electrode catalyst is expensive noble metal and causes the electrode manufacturing cost to increase. Therefore, it is difficult to use in actual plant in the field and it is used only in laboratory research.

또한, 혐기성소화조에 설치하여 사용하는 과정에 표면 탄소기반 전극의 재료 그리고 표면 처리에 사용한 탄소나노튜브 등의 재료들이 소화조 내용물의 교반으로 인한 난류도에 의해 손상되기도 하며, 사용시간에 비례하여 열화되기 때문에 전극의 내구 년수가 짧다는 것이 단점이 지적되고 있다. Also, in the process of installing and using in the anaerobic digestion tank, the material of the surface carbon-based electrode and the materials such as the carbon nanotubes used in the surface treatment are damaged by the turbulence due to the stirring of the contents of the digestion tank, Therefore, it is pointed out that the shortness of life of electrode is short.

또한, 생물전기화학 혐기성소화조의 성능은 혐기성소화조에 설치하는 전극들의 면적에 비례하기 때문에 넓은 면적의 전극을 혐기성소화조 내부에 설치하여야 한다는 단점이 있었다. In addition, since the performance of the anaerobic digester is proportional to the area of the electrodes installed in the anaerobic digestion tank, it is disadvantageous that a large area of the electrodes should be installed inside the anaerobic digestion tank.

따라서, 생물전기화학 혐기성소화는 내부에 설치하는 산화전극 및 환원전극과 관련된 여러 가지 단점들로 인하여 실험실 연구단계에 머물고 있으며, 아직까지 실용화되지 못하고 있는 실정이다. Therefore, bioelectrochemical anaerobic digestion remains in the laboratory research stage due to various disadvantages related to the oxidizing electrode and the reducing electrode installed therein, and it has not been practically used yet.

대한민국 등록특허 10-0895122Korean Patent No. 10-0895122

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전기활성미생물과 메탄 생성균 사이의 종간직접전자전달을 활성화시킴으로써, 전자전달속도와 효율을 향상시킬 수 있는 고효율 생물전기화학 혐기성소화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 즉, 본 발명은 종래의 생물전기화학 혐기성반응조에 설치하는 탄소기반 및 금속전극들이 가지는 단점을 해결하여 생물전기화학 혐기성소화기술을 현장에서 쉽게 활용할 수 있도록 하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a high-efficiency bioelectrochemical anaerobic digestion device capable of improving electron transfer rate and efficiency by activating direct electron transfer between species of electro- It has its purpose. That is, the present invention solves the disadvantages of carbon-based and metal electrodes installed in a conventional bioelectrochemical anaerobic reaction tank so that bioelectrochemical anaerobic digestion technology can be easily utilized in the field.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 생물전기화학 혐기성소화 장치는 혐기성 미생물이 유입되는 혐기성반응조 및 유전물질로 피복된 절연 양극와 절연 음극이, 상기 혐기성반응조 내부에서 마주보도록 서로 이격되어 쌍으로 설치되는 절연전극 쌍을 포함하며, 외부로부터 직류전원이 상기 절연 양극 및 절연 음극에 인가되어, 상기 절연 양극 및 절연 음극 사이에 전계가 형성되고, 상기 혐기성 미생물이 상기 전계에 노출되면, 반응하여 전기활성 미생물이 성장한다. To achieve the above object, an anaerobic digester of the present invention comprises an anaerobic reactor into which anaerobic microorganisms flow, an insulated anode coated with a dielectric material, and an insulated cathode, which are spaced apart from each other to face each other in the anaerobic reactor Wherein an electric field is formed between the insulating anode and the insulating cathode so that a direct current power is applied from the outside to the insulating anode and the insulating cathode to cause an electric field to be formed between the insulating anode and the insulating cathode, This grows.

상기 절연전극 쌍은 전도성을 갖는 금속 또는 탄소계열의 물질로 된 바탕전극과, 상기 바탕전극의 표면을 피복하는 고분자 또는 세라믹 계열의 유전물질로 이루어질 수 있다. The insulating electrode pair may be formed of a conductive metal or a carbon-based material, and a polymer or ceramic-based dielectric material covering the surface of the ground electrode.

상기 절연전극 쌍에 인가되는 전압을 상기 절연 양극과 상기 절연 음극 사이의 거리로 나눈 값이 0.01 내지 1.5 V/cm 사이가 되도록, 외부의 직류전원공급장치를 이용하여 상기 절연전극 쌍에 전압을 인가할 수 있다. 그러나, 절연전극 쌍에 인가하는 전압을 거리로 나눈값이 1.5 V/cm 이상이 되면 전기활성미생물의 성장이 오히려 저해를 받는다. A voltage is applied to the pair of insulated electrodes using an external direct current power supply so that a value obtained by dividing the voltage applied to the insulated electrode pair by the distance between the insulated positive electrode and the insulated negative electrode is between 0.01 and 1.5 V / can do. However, when the voltage applied to the insulating electrode pair divided by the distance is 1.5 V / cm or more, the growth of the electroactive microorganisms is rather inhibited.

상기 절연전극 쌍 사이의 전계에 혐기성 미생물을 정치시켜 혐기성 미생물이 연속으로 전계에 노출되도록 구현할 수 있다. And the anaerobic microorganisms are allowed to stand on the electric field between the pair of insulating electrodes so that the anaerobic microorganisms are continuously exposed to the electric field.

상기 생물전기화학 혐기성소화 장치는, 상기 혐기성반응조의 내용물을 교반하기 위한 교반용 프로펠러 및 상기 교반용 프로펠러를 회전시키기 위한 전기모터를 더 포함하며, 상기 교반용 프로펠러를 통해 상기 혐기성반응조의 내용물을 교반하여, 혐기성 미생물이 상기 절연전극 쌍 사이에 형성된 전계에 주기적으로 통과되도록 하고, 이에 따라 상기 혐기성반응조 내부의 혐기성 미생물이 상기 전계에 노출되는 것을 평균화시킬 수 있다. Wherein the anaerobic digester further comprises an agitating propeller for agitating the contents of the anaerobic reactor and an electric motor for rotating the agitator propeller so that the contents of the anaerobic reactor are agitated through the agitating propeller, So that the anaerobic microorganisms are allowed to pass periodically through the electric field formed between the pair of insulating electrodes so that the exposure of the anaerobic microorganisms inside the anaerobic reactor to the electric field can be averaged.

본 발명에 의하면, 생물전기화학 혐기성소화장치에서 유전물질로 피복된 절연전극을 혐기성소화조에 마주보도록 쌍으로 설치함으로써, 전기활성미생물과 메탄 생성균 사이의 종간직접전자전달을 활성화시킴으로써, 전자전달속도와 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, by inserting insulation electrodes coated with a dielectric material in a bioelectrochemical anaerobic digestion device in pairs so as to face the anaerobic digestion tank, the direct electron transfer between the electroactive microorganisms and the methanogenic bacteria is activated, There is an effect that the efficiency can be improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물전기화학 혐기성소화 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연전극의 형상을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 유전물질로 피복된 절연전극을 이용한 생물전기화학 혐기성소화에서 메탄생성을 위한 종간직접전자전달 경로와, 종래 혐기성소화조에서 메탄생성을 위한 종간간접전자전달 경로를 도시한 도면이다.
도 4는 종래 생물전기화학 혐기성소화조와 본 발명의 생물전기화학 혐기성소화조의 누적메탄생산량을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 5는 종래 생물전기화학 혐기성소화조와 본 발명의 생물전기화학 혐기성소화조의 누적수소생산량을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 6은 종래 생물전기화학 혐기성소화조와 본 발명의 생물전기화학 혐기성소화조의 혐기성소화반응 성능을 비교한 도표이다.
1 is a schematic view of a bioelectrochemical anaerobic digester according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing the shape of an insulating electrode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing interspecific direct electron transfer pathways for methane production in bioelectrochemical anaerobic digestion using dielectric materials coated with a dielectric material of the present invention and interspecies indirect electron transfer pathways for methane production in a conventional anaerobic digester .
FIG. 4 is a graph showing a comparison between cumulative methane production amounts of a conventional bioelectrochemical anaerobic digestion tank and a bioelectrochemical anaerobic digestion tank of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a comparison of accumulated hydrogen production amounts of a conventional bioelectrochemical anaerobic digestion tank and a bioelectrochemical anaerobic digestion tank of the present invention.
FIG. 6 is a chart comparing the anaerobic digestion performance of a conventional bioelectrochemical anaerobic digestion tank and a bioelectrochemical anaerobic digestion tank of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless expressly defined in the present application Do not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

본 발명은 생물전기화학 혐기성소화조에서 사용하는 탄소기반, 금속전극들의 오옴저항, 내구성, 형상 및 크기제한, 고비용 등의 단점을 개선하기 위한 것으로서, The present invention is intended to improve the disadvantages of carbon-based and metal electrodes used in bioelectrochemical anaerobic digestion tanks, such as ohmic resistance, durability, shape and size limitation, and high cost,

유전물질로 바탕전극인 전도성 전극물질의 표면을 피복한 절연전극 쌍을 간격을 두고 마주보도록 혐기성반응조에 설치한다. An insulating electrode pair covering the surface of the conductive electrode material as a base electrode is provided as a dielectric material in the anaerobic reactor so as to face each other with a gap therebetween.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물전기화학 혐기성소화 장치의 개략도이다. 1 is a schematic view of a bioelectrochemical anaerobic digester according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물전기화학 혐기성소화 장치는 혐기성소화조(1), 절연양극(2), 절연음극(3), 직류전원공급장치(4), 도선(5), 전기모터(7), 교반용 프로펠러(8)를 포함한다. 1, an anaerobic digester 1 comprises an anaerobic digester 1, an insulated anode 2, an insulated cathode 3, a DC power supply 4, a conductor 5, ), An electric motor (7), and a stirring propeller (8).

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 생물전기화학 혐기성소화 장치는 혐기성소화조(1) 내부에 절연전극을 마주보도록 쌍으로 설치하고, 외부 직류전원장치(4)를 이용하여 마주보는 절연전극 사이에 전압을 인가하여, 전계(11)를 형성시킨다. As shown in FIG. 1, the bioelectrochemical anaerobic digestion apparatus of the present invention is installed in an anaerobic digestion tank 1 in a pair so as to face the insulated electrodes, and is installed between the opposing insulated electrodes Voltage is applied to form an electric field 11.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연전극의 형상을 도시한 도면이다. 2 is a view showing the shape of an insulating electrode according to an embodiment of the present invention.

도 2에서 보는 바와 같이, 절연전극은 전도성이 높은 금속 등의 전극물질(이하, “바탕전극”이라 함)의 표면을 유전물질로 피복하는 방식으로 형성된다. As shown in FIG. 2, the insulating electrode is formed in such a manner that the surface of an electrode material (hereinafter referred to as " background electrode ") having high conductivity is covered with a dielectric material.

도 2를 참조하면, 전도성 전극재료인 바탕전극(21)과, 바탕전극(21)을 피복한 유전물질(22)이 도시되어 있다. Referring to FIG. 2, there is shown a background electrode 21, which is a conductive electrode material, and a dielectric material 22, which is coated with a background electrode 21.

그리고, 절연전극의 형태적 실시예로서 망상전극(23), 판상전극(24), 선형전극(25)이 예시되어 있다. The network electrode 23, the plate electrode 24, and the linear electrode 25 are illustrated as exemplary embodiments of the insulating electrode.

도 3은 본 발명의 유전물질로 피복된 절연전극을 이용한 생물전기화학 혐기성소화에서 메탄생성을 위한 종간직접전자전달 경로와, 종래 혐기성소화조에서 메탄생성을 위한 종간간접전자전달 경로를 도시한 도면이다. FIG. 3 is a diagram showing interspecific direct electron transfer pathways for methane generation in bioelectrochemical anaerobic digestion using dielectric materials coated with a dielectric material of the present invention and interspecies indirect electron transfer pathways for methane production in a conventional anaerobic digester .

도 3을 참조하면, 본 발명의 혐기성소화조(1)에서 혐기성 미생물들이 전계에 노출되면 혐기성미생물들 중에서 전기활성미생물들의 성장이 촉진되어 전기활성미생물과 메탄생성균 사이의 종간직접전자전달(1)에 의한 메탄생성반응이 활성화된다. 3, when the anaerobic microorganisms are exposed to an electric field in the anaerobic digestion tank 1 of the present invention, the growth of the electroactive microorganisms among the anaerobic microorganisms is promoted and the direct electron transfer between the electroactive microorganisms and the methanogenic bacteria The methane production reaction by the methane is activated.

혐기성소화과정에서 종간직접전자전달(1)에 의하여 메탄을 생성하는 전자전달 과정이 활성화되면, 종래의 혐기성소화과정에서 초산, 수소/개미산 등의 중간생성물을 경유하여 메탄을 생성하는 종간간접전자전달(2) 경로보다 전자의 전달속도가 빨라지고, 전달손실이 적어 고효율의 생물전기화학 혐기성소화가 가능하게 된다.In the anaerobic digestion process, when the electron transfer process that generates methane by the interspecies direct electron transfer (1) is activated, the inter-species indirect electron transfer which generates methane via intermediates such as acetic acid, hydrogen / formic acid in the conventional anaerobic digestion process (2) the electron transfer rate is faster than the path, and the transfer loss is small, so that highly efficient anaerobic digestion of bioelectrochemical is possible.

도 1을 참조하면, 본 발명의 생물전기화학 혐기성소화 장치는 혐기성소화조(1)에 설치된 유전물질을 피복한 절연전극 쌍(2, 3)에 직류전원공급장치(4)로 전압을 인가하면, 피복된 절연양극(2)의 표면은 전극과 극성이 반대인 음전하들이 로렌츠힘에 의해 하전되며, 절연음극(3)의 표면은 양전하들이 하전된다. 따라서, 하전된 전하들에 의해서 절연전극 쌍 사이에는 전계(11)가 형성된다. 1, in the bioelectrochemical anaerobic digester of the present invention, when a voltage is applied to a pair of insulated electrodes 2 and 3 coated with a dielectric material provided in an anaerobic digestion tank 1 by a DC power supply device 4, The surface of the coated insulating anode 2 is charged by Lorentz force with negative charges whose polarity is opposite to that of the electrode, and the surface of the insulating cathode 3 is charged with positive charges. Therefore, the electric field 11 is formed between the pair of insulating electrodes by the charged charges.

본 발명은 혐기성소화조(1)에서 절연전극 쌍(2, 3) 사이의 공간에 형성된 전계(11)에 혐기성미생물이 노출되면, 전기활성미생물이 성장하게 되어 전기활성미생물과 메탄생성균 사이의 종간직접전자전달이 활성화되어 혐기성소화에서의 메탄생성속도와 메탄수율이 향상된다. When the anaerobic microorganisms are exposed to the electric field 11 formed in the space between the pair of insulated electrodes 2 and 3 in the anaerobic digestion tank 1, the electro-active microorganisms are grown, and the direct interaction between the electroactive microorganisms and the methanogenic bacteria Electron transport is activated to improve methane production rate and methane yield in anaerobic digestion.

본 발명의 일 실시에에서 절연전극 쌍(2, 3) 사이의 전계에 혐기성 미생물을 정치시켜 혐기성 미생물이 연속으로 전계(11)에 노출되도록 구현할 수 있다. In one embodiment of the present invention, anaerobic microorganisms may be continuously exposed to the electric field 11 by keeping the anaerobic microorganisms in the electric field between the pair of insulated electrodes 2, 3.

본 발명에서 생물전기화학 혐기성소화 장치는 교반용 프로펠러(8)를 통해 혐기성반응조(1)의 내용물을 교반하여, 혐기성 미생물이 절연전극 쌍(2, 3) 사이에 형성된 전계(11)에 주기적으로 통과되도록 하고, 이에 따라 혐기성반응조(1) 내부의 혐기성 미생물이 전계(11)에 노출되는 것을 평균화시킬 수 있다. The anaerobic digester of the present invention agitates the contents of the anaerobic reactor 1 through the agitating propeller 8 so that the anaerobic microorganisms periodically accumulate in the electric field 11 formed between the pair of insulated electrodes 2, So that the exposure of the anaerobic microorganisms inside the anaerobic tank 1 to the electric field 11 can be averaged.

도 2를 참조하면, 본 발명에서 유전물질을 피복한 절연전극의 바탕전극(21)의 재료로 사용되는 물질은 전도성이 우수하고 저렴하며, 여러 가지 형상으로 쉽게 제작 가능한 철, 스텐리스, 알루미늄 등의 금속물질이면 바람직하고, 탄소나노튜브, 그래핀 등으로 이루어진 탄소기반의 고전도성 물질도 사용가능하다. 2, a material used as a material of the ground electrode 21 of the insulating electrode coated with a dielectric material according to the present invention is a material having excellent conductivity and being inexpensive and easily manufactured in various shapes such as iron, stainless steel, aluminum And a carbon-based highly conductive material made of carbon nanotubes or graphene can be used.

본 발명에서 바탕전극(21)의 표면을 피복하는 유전물질(22)은 유전율이 높고 내식성이 높으며, 전도성물질의 표면에 피복작업이 용이한 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 폴리에스터, 폴리우레탄, 에폭시, 테프론, 플루오르화 폴리비닐리덴 등과 같은 고분자물질이나, 세라믹 계열의 물질을 사용할 수도 있다. 이때, 절연전극의 유전물질 피복 두께는 전기장의 세기 감소를 최소화하기 위해서 얇을수록 유리하지만, 내구성을 감안하면 통상적으로 0.05mm 이상이면 바람직하다.In the present invention, the dielectric material 22 covering the surface of the backing electrode 21 is made of polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyvinyl chloride, polyester, or the like, which has a high dielectric constant and high corrosion resistance, , Polyurethane, epoxy, Teflon, polyvinylidene fluoride, or the like, or ceramic materials may be used. At this time, the thickness of the insulating material coated with the dielectric material is preferably as thin as possible in order to minimize the decrease in the strength of the electric field, but is preferably 0.05 mm or more in view of durability.

도 1에서 본 발명에 의한 유전물질로 피복된 절연전극 쌍(2, 3)은 완전혼합형, 플러그흐름형, 상향류식, 하향류식 또는 교차흐름식 등 혐기성반응조의 형상이나 유체흐름 특성에 무관하게 다양한 혐기성반응조에 설치하여도, 같은 효과를 발휘한다. In FIG. 1, the insulating electrode pairs 2 and 3 coated with a dielectric material according to the present invention have various shapes irrespective of the shapes of the anaerobic reactors such as a completely mixed type, a plug flow type, an upward flow type, a downflow type, The same effect can be obtained even when the device is installed in an anaerobic reaction tank.

본 발명에 의한 유전물질로 피복된 절연전극(2, 3)은 혐기성반응조(1) 내부에 마주보도록 쌍으로 설치되며, 설치된 유전물질로 피복된 절연전극 쌍(2, 3)에는 외부의 직류전원공급장치(4)를 이용하여 전압을 인가하는데, 이때 절연전극 쌍(2, 3)에 인가하는 전압의 크기는 인가하는 전압을 절연전극 쌍(2, 3) 사이의 거리로 나눈 값이 0.01~1.5V/cm 가 되도록 하는 것이 바람직하다. The insulating electrodes 2 and 3 covered with the dielectric material according to the present invention are installed in pairs in the anaerobic reaction tank 1 so as to face each other and the insulating electrode pairs 2 and 3 coated with the dielectric material provided are connected to an external DC power source The voltage applied to the pair of insulated electrodes 2 and 3 at this time is a value obtained by dividing a voltage applied by the distance between the pair of insulated electrodes 2 and 3 by a value of 0.01 - 1.5 V / cm.

또한, 본 발명에서 유전물질을 피복한 절연전극 쌍(2, 3)은 혐기성반응조(1) 내부에 공간을 두고 이격 배치함으로써, 혐기성미생물이 전계(11)에 가능한 많이 노출될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the pair of insulating electrodes 2 and 3 coated with a dielectric material are spaced apart from each other in the anaerobic reaction tank 1 so that the anaerobic microorganisms can be exposed to the electric field 11 as much as possible Do.

종래 생물전기화학 혐기성반응조는 산화전극 및 환원전극 표면에서 전기활성미생물이 부착 성장하여야 하기 때문에 전극의 전기전도도 뿐만 아니라 전극표면의 생물친화도와 비표면적이 중요하였다. In the conventional bioelectrochemical anaerobic reactor, the bioconjugation and specific surface area of the electrode surface as well as the electrical conductivity of the electrode were important because electroactive microorganisms adhere to the surface of the oxidizing electrode and the reducing electrode.

따라서, 종래의 생물전기화학 혐기성반응조에서는 주로 탄소섬유, 흑연판, 망상유리탄소 등과 같이 전기활성미생물이 표면에 직접 부착성장하면서 산화, 환원 반응에 참여할 수 있는 물질을 전극재료로 많이 사용하였다. 그러나, 이러한 탄소기반의 물질들은 전기전도도가 금속물질에 비하여 크게 낮았으며, 다양한 형상으로 가공이 어려웠다. Therefore, in the conventional bio-electrochemical anaerobic reactor, electroactive microorganisms such as carbon fiber, graphite plate, and reticulated glass carbon, which are directly adhered to the surface, can participate in the oxidation and reduction reactions. However, the electrical conductivity of these carbon-based materials was much lower than that of metal materials, and it was difficult to process them in various shapes.

또한, 종래에는 생물친화도와 전기전도도를 향상시키기 위하여 흑연탄소나노튜브, 그래핀 등의 물질들로 표면을 개질하는 작업이 필요하였으며, 전극의 크기를 크게 하기 위해서는 고가의 내식성 금속을 사용한 집전체가 별도로 필요하였다. 따라서, 종래의 생물전기화학 혐기성반응조에서는 전극이 혐기성반응조의 내용물에 직접 노출됨으로 인해 전극의 사용기간이 경과함에 따라 급격하게 열화 또는 손상되는 현상을 막기가 어려웠다.Conventionally, in order to improve the bio-affinity and electrical conductivity, it has been necessary to modify the surface with materials such as graphite carbon nanotubes and graphene. In order to increase the size of the electrode, a collector using an expensive corrosion- It was necessary separately. Therefore, in the conventional bio-electrochemical anaerobic reactor, the electrodes are exposed directly to the contents of the anaerobic reactor, so that it is difficult to prevent rapid deterioration or damage of the electrodes due to the use of the electrodes.

또한, 종래 생물전기화학 혐기성반응조에서는 탄소기반 전극들이 가지는 오옴저항으로 인하여 전기활성미생물로부터 메탄생성균으로 전달되는 전자의 전달효율에 손실을 가져왔다. In addition, in conventional bioelectrochemical anaerobic reactors, ozone resistance of carbon-based electrodes has resulted in loss of efficiency of transfer of electrons from electroactive microorganisms to methanogenic bacteria.

이러한 종래 생물전기화학 혐기성반응조가 가지는 이러한 여러 가지 단점들은 생물전기화학 혐기성소화기술의 실용화를 막는 걸림돌이었다.These various disadvantages of the conventional bioelectrochemical anaerobic reactor have been obstacles to the practical application of bioelectrochemical anaerobic digestion technology.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 유전물질을 피복한 절연전극의 형상은 망상(23), 판상(24), 선형(25) 등 혐기성반응조의 형태에 따라 다양한 형상으로 제작 가능하며, 절연전극 형상에 대한 제약은 없다. 본 발명의 효과는 절연전극 쌍에 의해 형성되는 전계와 이러한 전계에 노출되는 혐기성미생물에 의해 결정된다.As shown in FIG. 2, the shape of the insulating electrode coated with the dielectric material according to the present invention can be formed into various shapes according to the shape of the anaerobic reaction tank such as the mesh shape 23, the plate shape 24, and the linear shape 25, There is no restriction on the shape of the electrode. The effect of the present invention is determined by the electric field formed by the pair of insulating electrodes and the anaerobic microbe exposed to such an electric field.

본 발명에 의한 혐기성반응조(1) 내부의 혐기성미생물을 유전물질을 피복한 절연전극 쌍(2, 3) 사이에서 위치하도록 하여, 지속적으로 전계(11)에 노출시키면 전기활성 미생물이 활성화되는 효과가 있다. 그리고, 혐기성반응조(1)의 내용물을 교반용 프로펠러(8)를 통해 교반하여 혐기성미생물이 전계(11)에 주기적으로 노출되도록 하는 것만으로도 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 혐기성반응조(1)의 내용물을 교반하면 혐기성반응조(1)에 존재하는 혐기성미생물들의 전계 노출을 평균화할 수 있기 때문에 전체적으로 전기활성미생물의 활성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. When the anaerobic microorganisms in the anaerobic tank 1 according to the present invention are positioned between the insulating electrode pairs 2 and 3 coated with a dielectric material and continuously exposed to the electric field 11, have. A similar effect can also be obtained by stirring the contents of the anaerobic tank 1 through the agitating propeller 8 so that the anaerobic microorganisms are periodically exposed to the electric field 11. In addition, since the exposure of the anaerobic microorganisms present in the anaerobic tank 1 can be averaged by agitating the contents of the anaerobic tank 1, the activity of the electroactive microorganisms as a whole can be improved.

본 발명에 의한 유전물질로 피복된 절연전극(2, 3)은 다양한 형상과 크기로 가공 및 제작이 용이하며, 전도도가 우수한 금속물질을 바탕전극(21)으로 사용하면 별도의 집전체가 필요없이 대형전극을 제작하여 사용할 수 있다. The insulating electrodes 2 and 3 coated with the dielectric material according to the present invention can be easily processed and manufactured into various shapes and sizes. When a metal material having excellent conductivity is used as the base electrode 21, a separate collector is not required Large electrodes can be made and used.

또한, 산이나 염기 등에 강한 내식성의 고분자 유전물질을 피복물질로 사용하면 열화를 방지할 수 있기 때문에 전극의 사용 연한을 크게 늘릴 수 있다.In addition, when a polymer dielectric material having high corrosion resistance such as an acid or a base is used as a covering material, deterioration can be prevented, and the life of the electrode can be greatly increased.

본 발명에 의한 유전물질로 피복된 절연전극(2, 3)을 혐기성반응조(1)에 설치하여 전기활성미생물의 성장을 자극하여 메탄생성균으로 종간직접전자전달을 유도하면, 내부저항을 크게 감소시킬 수 있어 종래의 생물전기화학 혐기성반응조 보다 더 우수한 전자전달속도와 전자전달효율을 통한 메탄 생성이 가능하다.When insulation electrodes 2 and 3 coated with a dielectric material according to the present invention are installed in the anaerobic reaction tank 1 to stimulate the growth of electroactive microorganisms and induce direct direct electron transfer to methanogenic bacteria, It is possible to produce methane through an electron transfer rate and an electron transfer efficiency which are superior to those of conventional bioelectrochemical anaerobic reactors.

본 발명의 실제 실험 예를 기술하면 다음과 같다. An experimental example of the present invention will be described below.

본 발명의 혐기성소화조(1)의 내부에 절연양극(2)와 절연음극(3)을 각각 설치하고, 도선(5)를 이용하여 유전물질로 피복된 절연양극(2)과 절연음극(3)을 외부의 직류전원 공급장치(4)에 각각 연결하여 양극과 음극 사이에 전압을 인가하여 전계(11)를 형성시킨다. 이후, 하수처리장의 혐기성소화조에서 채취한 혐기성슬러지를 식종하고, 유기물 기질을 주입한 뒤 항온에서 전기모터(7)로 교반용 프로펠러(8)을 회전시켜 혐기성소화조(1)를 운전한다. 이때 절연양극(2)과 절연음극(3)의 사이에 형성된 전계(11)에 혐기성미생물들을 직접 노출시킨 결과, 전기활성을 가진 혐기성미생물이 성장하여 메탄생성균에 직접 전자를 전달하는 종간직접전자전달 반응이 활성화되고, 메탄생성속도와 메탄수율이 크게 증가한다. 본 발명에 의한 메탄생성속도와 메탄수율이 향상되는 효과는 종래 혐기성소화보다 약 60%가량 높다.An insulating anode 2 and an insulating cathode 3 are provided in the anaerobic digestion tank 1 of the present invention and an insulating anode 2 and an insulating cathode 3 coated with a dielectric material by using a conductor 5, Is connected to an external direct-current power supply (4), and a voltage is applied between the anode and the cathode to form an electric field (11). Thereafter, the anaerobic sludge collected from the anaerobic digestion tank of the sewage treatment plant is imitated, the organic substance substrate is injected, and the stirring propeller 8 is rotated by the electric motor 7 at a constant temperature to operate the anaerobic digestion tank 1. As a result of direct exposure of the anaerobic microorganisms to the electric field 11 formed between the insulated anode 2 and the insulating cathode 3, an anaerobic microorganism having an electroactive property grows and direct electrons are transferred to the methanogenic bacteria The reaction is activated, and the methane production rate and methane yield are greatly increased. The improvement in methane production rate and methane yield according to the present invention is about 60% higher than the conventional anaerobic digestion.

본 발명의 유전물질로 피복된 절연전극을 이용한 생물전기화학 혐기성소화 장치의 실시 예는 본 발명에 의한 유전물질로 피복된 전극을 이용한 생물전기화학 혐기성소화조의 메탄생성 속도와 메탄발생량 및 수율을 동일한 사양의 종래 생물전기화학 혐기성소화조를 비교함으로써, 본 발명의 효과를 검증하기 위하여 수행된다. An embodiment of the bioelectrochemical anaerobic digestion apparatus using the dielectric material coated with the dielectric material of the present invention is similar to the one in which the methane production rate, methane generation rate and yield of the bioelectrochemical anaerobic digestion tank using the electrode coated with the dielectric material according to the present invention are the same And comparing the conventional biochemical anaerobic digestion tank of the present invention with that of the conventional bioelectrochemical anaerobic digestion tank.

본 발명의 실시 예에서는 생물전기화학 혐기성소화조에 필요한 전극을 제작하기 위하여 팽창흑연과 탄소나노튜브를 나피온 용액과 혼합하여 만든 반죽을 만들었으며, 이를 스텐리스망(STS 316L)에 스크린 프린팅한 뒤, 열압착하여 바탕전극(6cm × 10cm)을 제작하였다. 제작된 바탕전극의 표면은 주변에서 쉽게 구할 수 있는 유전물질인 에폭시로 피복하여, 본 발명의 유전물질로 피복된 절연전극을 완성하였다. In an embodiment of the present invention, a dough made by mixing expanded graphite and carbon nanotubes with a Nafion solution was prepared to produce an electrode required for a bioelectrochemical anaerobic digestion tank, and screen printing was performed on a stainless steel mesh (STS 316L) , And thermocompression was performed to prepare a back electrode (6 cm x 10 cm). The surface of the prepared base electrode was covered with epoxy which is a dielectric substance easily obtainable from the periphery, thus completing the insulating electrode coated with the dielectric material of the present invention.

생물전기화학 혐기성소화에서 본 발명의 유전물질로 피복된 절연전극의 효과를 검증하기 위하여, 4개의 유효부피 1L의 혐기성 회분식 반응조를 준비하였다. 이때 1개의 혐기성 회분식반응조에는 본 발명에 의한 유전물질로 피복된 절연전극 쌍을 5cm 간격으로 내부에 마주보도록 설치하였으며, 1번 대조구로 사용한 종래의 생물전기화학 혐기성반응조에는 유전물질로 피복하지 않은 바탕전극을 같은 방법으로 설치하였다. 그리고, 모든 회분식 혐기성반응조의 상판에는 바이오가스 배출구를 설치하고, 고무관으로 부유식 가스수집기와 연결하여 가스발생량을 모니터링할 수 있도록 하였다. 또한, 회분식반응조 상판에 n-butyl rubber stopper로 밀봉된 바이오가스 채취구를 설치하고, 이를 통하여 회분식반응조 상부의 바이오가스를 채취한 뒤, 열전도도검출기와 Porapak-Q 분리관이 설치된 가스 크로마토그래피를 이용하여 가스의 조성 변화를 관찰하였다. 그리고, 내부에 전극을 설치하지 않은 재래식 혐기성 회분식반응조 1개를 별도로 준비하여 비교 목적의 2번 대조구로 사용하였다. 그러나, 전극을 설치한 반응조와 동일한 유체교반 특성을 가지도록 하기 위하여 부도체 전극모형을 전극과 같은 형상으로 제작하여 내부에 설치하였다. To verify the effect of the insulating electrode coated with the dielectric material of the present invention in bioelectrochemical anaerobic digestion, four effective volume 1L anaerobic batch reactors were prepared. In this case, in one anaerobic batch reactor, pairs of insulating electrodes coated with the dielectric material according to the present invention were installed so as to face each other at intervals of 5 cm. In the conventional bioelectrochemical anaerobic reactor used as the control 1, The electrodes were installed in the same way. In addition, a biogas outlet is installed on the top plate of all batch anaerobic reactors, and the amount of gas generated can be monitored by connecting the floating gas collector with a rubber tube. In addition, a biogas sampling port sealed with an n-butyl rubber stopper was installed on the upper surface of the batch type reactor, and the biogas on the upper side of the batch type reactor was sampled. Then, the gas chromatograph equipped with a thermal conductivity detector and Porapak- The change of gas composition was observed. Then, one conventional anaerobic batch reactor without an electrode installed therein was separately prepared and used as a second control for comparison purpose. However, in order to have the same fluid agitation characteristics as the reaction vessel equipped with the electrode, the non-conductive electrode model was formed in the same shape as the electrode and installed therein.

초기운전을 위하여 하수종말처리장 혐기성소화조에서 혐기성소화 슬러지를 채취하였으며, 체거름하여 분순물을 제거한 뒤, 준비된 혐기성반응조 각각에 0.4L씩 식종하였다. 또한, 기질과 영양분을 함유한 배지를 채워 유효부피가 1L가 되도록 하였다. 이때 식종된 혐기성 회분식반응조들의 초기 VSS 및 용해성 COD는 각각 5,630 mg/L 및 3,284 mg/L이었다. 또한, 회분식반응조 운전 초기의 기질과 영양분의 농도는 각각 포도당 3g/L, Na2PO4 2.45g/L, Na2HPO4 4.58g/L, NH4Cl 0.31g/L, KCl 0.31g/L, 비타민 용액 10mL/L, 미량원소 5mL/L 이었다. 준비가 완료된 혐기성 회분식반응조는 섭씨 35도의 항온실에 설치하였으며, 양극과 음극 사이에 0.5V의 전압을 인가한 뒤 마그네틱 바로 교반하면서 운전을 시작하였다. 또한, 식종슬러지에서 발생하는 메탄발생량을 보정하기 위하여 초기 기질을 배지에 주입하지 않은 1개의 반응조를 동일한 방법으로 준비하여 운전하였다. 혐기성 회분식반응조를 운전하는 동안 바이오가스의 성분 및 발생량을 모니터링하였으며, 바이오가스 발생이 멈추었을 때, 교반을 중단하여 내용물을 30분간 침전시켰으며, 상등수를 새로운 배지로 교환하였다.For the initial operation, anaerobic digestion sludge was collected from the anaerobic digestion tank at the sewage end treatment plant, sieved to remove impurities, and 0.4L was added to each of the prepared anaerobic reactors. In addition, the medium containing the substrate and the nutrient was filled to make the effective volume 1 L. The initial VSS and solubility COD of the impregnated anaerobic batch reactors were 5,630 mg / L and 3,284 mg / L, respectively. The initial substrate and nutrient concentrations in the batch reactor were 3 g / L of glucose, 2.45 g / L of Na2PO4, 4.58 g / L of Na2HPO4, 0.31 g / L of NH4Cl, 0.31 g / L of KCl, The element was 5 mL / L. The prepared anaerobic batch reactor was installed in a thermostatic chamber at 35 ° C, and a voltage of 0.5 V was applied between the anode and the cathode, and then the operation was started with magnetic bar stirring. Also, in order to correct the amount of methane generated from the sludge, one reaction tank without the initial substrate was prepared and operated in the same manner. During the operation of the anaerobic batch reactor, the composition and amount of biogas were monitored. When the biogas production was stopped, stirring was stopped, the contents were settled for 30 minutes, and the supernatant was replaced with fresh medium.

도 4는 종래 생물전기화학 혐기성소화조와 본 발명의 생물전기화학 혐기성소화조의 누적메탄생산량(Cumulative methane production)을 비교하여 도시한 그래프이고, 도 5는 종래 생물전기화학 혐기성소화조와 본 발명의 생물전기화학 혐기성소화조의 누적수소생산량(Cumulative hydrogen production)을 비교하여 도시한 그래프이다. FIG. 4 is a graph showing the cumulative methane production of a conventional anaerobic bioreactor and anaerobic digestion tank of the present invention, and FIG. 5 is a graph showing the cumulative methane production of anaerobic anaerobic digestion tank of the present invention, And the cumulative hydrogen production of the chemical anaerobic digester.

도 4 및 도 5에서, BEAD는 Bioelectrochemical anaerobic digestion을 나타내고, DE는 electrode coated with dielectric material을 나타내고, CE는 conventional electrode를 나타낸다. In FIGS. 4 and 5, BEAD represents bioelectrochemical anaerobic digestion, DE represents electrode coated with dielectric material, and CE represents conventional electrode.

그리고, 도 4 및 도 5에서 BEAD w/DE는 본 발명의 생물전기화학 혐기성소화조에서의 실험 결과를 나타내고, BEAD w/CE는 종래 전극을 사용한 생물전기화학 혐기성소화조에서의 실험 결과를 나타내고, Control은 재래식 혐기성소화조에서의 실험 결과를 나타낸다. In FIGS. 4 and 5, BEAD w / DE represents experimental results in the anaerobic anaerobic digestion tank of the present invention, BEAD w / CE represents experimental results in a bioelectrochemical anaerobic digestion tank using conventional electrodes, and Control Shows experimental results in a conventional anaerobic digester.

도 4에서 보는 바와 같이, 종래의 생물전기화학 혐기성반응조와 유전물질로 피복한 절연전극을 사용한 반응조에서 누적메탄 메탄발생량은 약 3일의 지체기 후에 급격하게 증가하였다. As shown in FIG. 4, cumulative methane production in the reaction tank using the conventional bioelectrochemical anaerobic reactor and the dielectric material coated with the dielectric material sharply increased after a delay of about 3 days.

그러나, 도 5에서 보는 바와 같이, 초기 적응기에 해당하는 이 기간 동안 재래식 혐기성반응조에서는 수소가 약 63.7mL 발생하였다. 그러나, 종래의 생물전기화학반응조에서는 44.8mL로서 재래식 혐기성반응조 보다 낮았다. 본 발명에 의한 유전물질로 코팅된 전극을 사용한 반응조에서는 수소발생량이 41.3mL로서 종래의 생물전기화학반응조 보다 약간 낮았다. However, as shown in FIG. 5, during the period corresponding to the initial adaptation period, about 63.7 mL of hydrogen was generated in the conventional anaerobic reactor. However, it was 44.8 mL in conventional bio-electrochemical reactors and was lower than that of conventional anaerobic reactors. In the reactor using the electrode coated with the dielectric material according to the present invention, the amount of generated hydrogen was 41.3 mL, which was slightly lower than that of the conventional bioelectrochemical reactor.

수소발생은 발효과정에서 생성된 전자의 축적에 의한 NADH/NAD+의 비와 관련이 있는데, 재래식 혐기성반응조에서 운전 초기의 수소발생은 산발효균, 초산발효균에 의한 전자생산속도보다 메탄균에 의한 전자처분 속도가 낮기 때문이다. 종래의 생물전기화학반응조의 상대적으로 낮은 수소발생량은 초기운전 이후 생물전기화학반응조에서 메탄생성균의 활성이 빠르게 높아졌다는 것을 나타낸다. 그러나, 본 발명에 의한 유전물질로 피복된 전극을 이용한 반응조에서는 수소발생량이 상대적으로 적었는데, 이것은 종래의 생물전기화학반응조 보다 메탄생성균의 활성이 좀더 빨리 활성화 되었다는 것을 의미한다. Hydrogen generation is related to the ratio of NADH / NAD + due to the accumulation of electrons generated during the fermentation process. In the conventional anaerobic reactor, the hydrogen production is lower than the electron production rate by acid fermentation bacteria and acetic acid fermentation bacteria. This is because the speed is low. The relatively low amount of hydrogen generated in conventional bioelectrochemical reactors indicates that the activity of methanogens rapidly increased in the bioelectrochemical reactor after the initial operation. However, in the reaction vessel using the electrode coated with the dielectric material according to the present invention, the amount of hydrogen generation was relatively small, which means that the activity of the methanogenic bacteria was activated more rapidly than the conventional bio-electrochemical reaction tank.

본 발명에 의한 유전물질로 피복된 전극을 이용한 혐기성반응조와 종래의 생물전기화학반응조의 누적메탄발생량의 증가는 거의 비슷한 경향을 보였으나, 재래식 혐기성소화조 보다는 크게 높았다. The increase in cumulative methane production in the anaerobic reactor using the electrode coated with the dielectric material according to the present invention and the conventional bioelectrochemical reactor showed almost the same tendency, but was higher than that of the conventional anaerobic digester.

운전 16일경 기질고갈로 배지를 교체하였다. 2번째 회분식 실험에서는 짧은 지체기 이후에 누적메탄 발생량이 빠르게 증가하였다. 그러나, 수소의 발생은 모든 반응조에서 관찰되지 않았다. The medium was replaced for 16 days with substrate depletion. In the second batch experiment, cumulative methane production increased rapidly after a short lag period. However, the generation of hydrogen was not observed in all reactors.

도 6은 종래 생물전기화학 혐기성소화조와 본 발명의 생물전기화학 혐기성소화조의 혐기성소화반응 성능을 비교한 도표이다. 도 6에서 CODr은 Chemical oxygen demand removed의 약자이다.FIG. 6 is a chart comparing the anaerobic digestion performance of a conventional bioelectrochemical anaerobic digestion tank and a bioelectrochemical anaerobic digestion tank of the present invention. In FIG. 6, CODr stands for Chemical oxygen demand removed.

도 6에서 보는 바와 같이, 수정 Gompertz 식으로 해석한 결과는 본 발명에 의한 유전물질로 피복한 절연전극을 사용한 생물전기화학 혐기성소화조의 최종메탄발생량 및 메탄 수율은 각각 948.1mL 및 283.1mL/g CODr으로서, 종래의 생물전기화학 혐기성소화조의 936.1mL 및 279.4mL/g CODr 보다 약간 높았다. 그러나, 재래식 혐기성소화의 589.7mL 및 193.2mL/g CODr 보다는 각각 약 61%, 46.5% 높았다. 본 발명에 의한 유전물질로 피복한 절연전극을 사용한 생물전기화학 혐기성소화조와 종래의 생물전기화학반응조의 최대메탄발생속도는 각각 231.8mL/d 및 238.0 mL/d로서 재래식 혐기성소화의 171.9mL/d보다 약 38.8% 높았다. 이 결과는 본 발명에 의한 유전물질로 피복한 절연전극을 사용한 생물전기화학 혐기성소화방법은 종래의 생물전기화학 혐기성소화기술을 대체할 수 있는 기술임을 의미한다.As shown in FIG. 6, the results of the modified Gompertz equation show that the final methane production and methane yield of the bioelectrochemical anaerobic digestion tank using the insulating material coated with the dielectric material according to the present invention were 948.1 mL and 283.1 mL / g CODr , Slightly higher than 936.1 mL and 279.4 mL / g CODr of a conventional biochemical anaerobic digester. However, it was about 61% and 46.5% higher than the conventional anaerobic digestion of 589.7 mL and 193.2 mL / g CODr, respectively. The maximum rate of methane generation in the bioelectrochemical anaerobic digester and the conventional bioelectrochemical reactor using insulating material coated with dielectric material according to the present invention was 231.8 mL / d and 238.0 mL / d, respectively, which was 171.9 mL / d of conventional anaerobic digestion . This result means that the bioelectrochemical anaerobic digestion method using the insulating electrode coated with the dielectric material according to the present invention is a technique that can replace the conventional bioelectrochemical anaerobic digestion technique.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.While the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not restrictive. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit of the invention and the scope of the appended claims.

1 혐기성소화조 2 절연양극
3 절연음극 4 직류전원공급장치
5 도선 7 전기모터
8 교반용 프로펠러
1 anaerobic digester 2 insulated anode
3 Isolated cathode 4 DC power supply
5 conductor 7 Electric motor
8 Propellers for agitation

Claims (5)

유기물로부터 메탄을 생성하는 혐기성반응조; 및
유전물질로 피복된 절연 양극와 절연 음극이, 상기 혐기성반응조 내부에서 마주보도록 서로 이격되어 쌍으로 설치되는 절연전극 쌍을 포함하며,
외부로부터 직류전원이 상기 절연 양극 및 절연 음극에 인가되어, 상기 절연 양극 및 절연 음극 사이에 전계가 형성되고, 혐기성 미생물이 상기 전계에 노출되면, 반응하여 전기활성 미생물이 성장하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학 혐기성소화 장치.
An anaerobic tank for generating methane from organic matter; And
An insulated anode coated with a dielectric material and an insulated negative electrode comprising a pair of insulating electrodes spaced apart from each other so as to face each other in the anaerobic reactor,
A direct current power source is externally applied to the insulating anode and the insulating cathode so that an electric field is formed between the insulating anode and the insulating cathode and when the anaerobic microbe is exposed to the electric field, Electrochemical anaerobic digester.
청구항 1에 있어서,
상기 절연전극 쌍은 전도성을 갖는 금속 또는 탄소계열의 물질로 된 바탕전극과, 상기 바탕전극의 표면을 피복하는 고분자 또는 세라믹 계열의 유전물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 생물전기화학 혐기성소화 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the insulating electrode pair comprises a ground electrode made of a conductive metal or a carbon-based material, and a polymeric or ceramic-based dielectric material covering the surface of the ground electrode.
청구항 1에 있어서,
상기 절연전극 쌍에 인가되는 전압을 상기 절연 양극과 상기 절연 음극 사이의 거리로 나눈 값이 0.01 내지 1.5 V/cm 사이가 되도록, 외부의 직류전원공급장치를 이용하여 상기 절연전극 쌍에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학 혐기성소화 장치.
The method according to claim 1,
A voltage is applied to the pair of insulated electrodes using an external direct current power supply so that a value obtained by dividing the voltage applied to the insulated electrode pair by the distance between the insulated positive electrode and the insulated negative electrode is between 0.01 and 1.5 V / Wherein the anaerobic digestion device is a biogeochemical anaerobic digestion device.
청구항 1에 있어서,
상기 절연전극 쌍 사이의 전계에 혐기성 미생물을 정치시켜 혐기성 미생물이 연속으로 전계에 노출되도록 하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학 혐기성소화 장치.
The method according to claim 1,
And the anaerobic microorganisms are allowed to stand on the electric field between the pair of insulating electrodes so that the anaerobic microorganisms are continuously exposed to the electric field.
청구항 1에 있어서,
상기 생물전기화학 혐기성소화 장치는,
상기 혐기성반응조의 내용물을 교반하기 위한 교반용 프로펠러; 및
상기 교반용 프로펠러를 회전시키기 위한 전기모터를 더 포함하며,
상기 교반용 프로펠러를 통해 상기 혐기성반응조의 내용물을 교반하여, 혐기성 미생물이 상기 절연전극 쌍 사이에 형성된 전계에 주기적으로 통과되도록 하고, 이에 따라 상기 혐기성반응조 내부의 혐기성 미생물이 상기 전계에 노출되는 것을 평균화시키는 것을 특징으로 하는 생물전기화학 혐기성소화 장치.
The method according to claim 1,
The bioelectrochemical anaerobic digestion apparatus comprises:
A stirring propeller for stirring the contents of the anaerobic tank; And
Further comprising an electric motor for rotating the stirring propeller,
The contents of the anaerobic reactor are agitated through the agitating propeller so that the anaerobic microorganisms periodically pass through an electric field formed between the pair of insulating electrodes so that the anaerobic microorganisms inside the anaerobic reactor are exposed to the electric field, Characterized in that the anaerobic digestion system is an anaerobic digester.
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