본 연구에서는 평판형 외기환원전극(flat panel air-cathode, FA) 미생물 연료전지(microbial fuel cell, MFC) 혹은 미생물 질소제거전지(microbial nitrogen-removal cell, MNC)를 개발하였고, 전기 생산 시스템 혹은 질소 제거 시스템으로써 하수처리공정으로의 적용 가능성에 대해 평가하였다. 하수 내 낮은 전기전도도와 생분해성이 FA-MFC에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위하여 공급 기질을 500 mg-COD/L의 화학적산소요구량(chemical oxygen demand, COD)으로 유지한 채 합성하수에서 실제하수까지 순차적 부피 비율로(25%, 50%, 75%, 100%) 전환시켰다. 최종적으로는 하수(230 mg-COD/L)를 공급하였다. 하수의 비율을 증가시키자 최대 전력 밀도는 187 W/m3에서 60 W/m3로, 유기물 제거효율은 51.5%에서 37.4%로 각각 감소하였다. 하지만 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, CE)은 유사한 수준으로 유지되었다(18.0?18.9%). FA-MFC는 이 기간 동안 전기전도도의 감소를 극복함으로써 낮은 내부 저항을 유지할 수 있었다. 전력 생산에 있어서 아세트산의 농도는 총 유기물 농도보다 더 중요하였다. 본 연구는 FA-MFC 디자인이 하수의 낮은 전기전도도와 생분해성을 극복할 수 있는 전기 생산장치로서 주목할 만하다는 결론을 얻었다. 하지만 빠른 수리학적체류시간(hydraulic retention time, HRT)으로 인하여 높은 전력 생산 및 유기물 제거효율을 동시에 만족할 수 없었기 때문에, 완전한 하수처리를 위해서는 전기 생산이 아닌 다른 이점을 찾을 필요가 있다고 사료된다. 질소 제거는 MFC 기반 기술에 있어 강한 장점이 될 수 있다. 본 연구에서는 MFC의 높은 전력 생산량을 포기하는 대신, 단일 반응조에서 질산화 및 탈질 동시 반응이 가능하고 높은 총 질소(total nitrogen, TN) 제거율을 달성할 수 있는 새로운 개념의 MNC를 제안하였다. 다섯 유닛으로 구성된 연속흐름식 FA-MNC 시스템을 이용하여, 2.5시간의 짧은 HRT에서 하수 내의 유기물과 질소를 동시에 제거하였다. 8개월의 운전 기간 동안 COD와 TN 제거 효율은 각각 85 ± 3%와 94 ± 0%이었으며, 유출 COD와 TN 농도는 각각 20.7 ± 2.5 mg/L와 1.7 ± 0.1 mg/L이었다. 대부분의 COD와 TN은 두번째 유닛 내에서 제거되었고, 이때의 TN 제거 속도는 0.62 kg-N/m3/d이었다. 비록 FA-MNC의 전기 생산량은 낮았지만(6.3 W/m3), COD 및 TN 동시 제거를 성공적으로 유도할 수 있었다. 비생물학적 질소 제거 메커니즘인 암모니아 휘발은 FA-MNC에 거의 영향을 미치지 않았다. DGGE(denaturing gradient gel electrophoresis)를 이용한 미생물군집분석 결과, 질산화에 관여하는 Nitrosomonas 유사종과 탈질에 관여하는 Nitratireductor 유사종이 환원전극 근처에서 발견되었다. 유기물과 질소 제거에 중요한 역할을 하는 것으로 추측되는 Acidovorax 유사종이 산화전극과 환원전극 모두에서 발견되었다. 본 연구는 새로운 개념의 에너지 절약형 하수처리기술인 FA-MNC에 대한 개념을 제시하였다. FA-MNC 시스템의 유기물 및 질소 동시 제거에 관여하는 미생물 메커니즘과 각 군집 간의 상호작용에 대한 이해를 위하여, 고출력 시퀀싱 기법 중 하나인 Illumina MiSeq 분석을 수행하였다. 분석 결과, 질산화와 탈질, 발효, 황산염 환원 및 철 환원 등에 관여하는 다양한 미생물 군집들이 발견되었다. FA-MNC 시스템에서 질소 제거에 관여하는 4가지 메커니즘은 다음과 같았다: (1) 암모니아 산화 및 아질산 산화, (2) 종속영양 탈질, (3) 아나목스(anammox), (4) 독립영양 탈질. 따라서 FA-MNC의 디자인 및 운전조건은 질산화와 아나목스, 탈질 동시 반응을 유도할 수 있었다. 한편 첫번째 유닛에서(30분 이내) 복잡한 유기물이 제거되고 두번째 유닛에서(1시간 이내) 발효성 기질이 주로 제거되는 경향이 발효균의 분포에 의해 확인되었다. 일부 황산염 환원균과 철 환원균은 전극으로의 전자 전달에 관여하는 것으로 추측된다. FA-MNC 시스템은 2.5시간 이내의 짧은 HRT에서 COD와 TN의 방류수 수질기준을 모두 만족시킬 수 있다. 이러한 MNC 기반의 하수처리는 폭기 및 외부탄소원에 소모되는 운전 비용을 크게 절감할 수 있기 때문에, 혁신적이고 지속 가능한 하수처리공정이 될 수 있을 것으로 기대된다.
This study developed a flat-panel air-cathode (FA-) microbial fuel cell (MFC) or microbial nitrogen-removal cell (MNC) unit and evaluated the applicability for domestic wastewater treatment as an MFC or a novel MNC. In order to confirm the effects of the low conductivity and biodegradability of wastewater, FA-MFCs were operated by supplying substrates with different volume ratios of domestic wastewater mixed with an artificial medium: the artificial medium only, 25% wastewater, 50% wastewater, 75% wastewater, 100% of wastewater with 500 mg-COD (chemical oxygen demand)/L by adding acetate, and raw domestic wastewater (230 mg-COD/L). With the increase of wastewater ratio, the maximum power density and organic removal efficiency decreased from 187 to 60 W/m3 and 51.5 to 37.4%, respectively, but the Coulombic efficiency (CE) was maintained in the range of 18.0?18.9%. The FA-MFCs could maintain their low internal resistances and overcome the decreasing conductivity. The acetate concentration was more important than the total organics for power production. This study suggests that the FA-MFC configuration has great applicability for practical applications when supplied by domestic wastewater with low conductivity and biodegradability. Since the simultaneous achievement of high power production and removal of organics was difficult at a short hydraulic retention time (HRT), however, alternative approaches excluding power production should be considered for complete wastewater treatment. Removal of nitrogen in domestic wastewater can be a strong advantage of the MFC-based system. This study suggests a novel MNC, which can achieve simultaneous nitrification and denitrification in a single-chamber reactor and high total nitrogen (TN) removal rate instead of high electricity production. This study developed a FA-MNC system that was comprised of five units connected in series and operated to remove organic and nitrogen compounds from domestic wastewater with a short HRT of 2.5 h. During eight months of operation, the removal efficiencies of COD and TN increased, reaching 85 ± 3% and 94 ± 0%, respectively, and the effluent COD and TN concentrations were 20.7 ± 2.5 mg/L and 1.7 ± 0.1 mg/L, respectively. The greatest removals of COD and TN were in the first and second unit (0.62 kg-N/m3/d of TN removal rate). The FA-MNC system allowed simultaneous removals of COD and TN from domestic wastewater, although it led to minimal power output (6.3 W/m3 in the first unit). Because any abiotic ammonia loss was not found under the supplied potential of ~1.1 V at a short HRT of 30 min, the biological nitrogen removal was thought as a dominant mechanism for TN removal in the FA-MNCs. Microbial community analysis based on denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) revealed that, near the cathode, Nitrosomonas-like strains contributed to nitrification and Nitratireductor-like strains led to denitrification. Acidovorax-like strains, known for their metabolic diversity, were ubiquitous and appeared to contribute to organics and nitrogen removal in anode and cathode biofilms. This study provides proof of concept that the FA-MNC system has a promise for energy sustainable wastewater treatment. To understand in detail mechanisms and interactions among the microorganisms related to organics and nitrogen removal in the FA-MNC system, the high-throughput sequencing of 16S rRNA gene based on the Illumina MiSeq platform was used. Normalized data sets revealed that various bacterial communities involved in nitrification, denitrification, fermentation, sulfate reduction and iron reduction were discovered in the FA-MNC system. Four possible mechanisms for simultaneous nitrification and denitrification have been identified: (1) ammonia and nitrite oxidation, (2) heterotrophic denitrification, (3) anaerobic ammonium oxidation (anammox), and (4) autotrophic denitrification. The design and operating condition of the FA-MNC system can induce simultaneous nitrification, anammox and denitrification. Distribution of fermentation bacteria showed that the fermentative substrates were produced from complex organics in unit 1 (within 30 min) and mainly degraded in unit 2 (within 1 h). Some sulfate-reducing bacteria and iron-reducing bacteria might be possible to transfer electrons to the electrode. The FA-MNC system was shown to successfully treat domestic wastewater in terms of COD and TN removal, satisfied effluent quality standards within a very short HRT (<2.5 h). The MNC-based domestic wastewater treatment will be possible to greatly reduce the operational costs (e.g., aeration and external carbon source), suggesting that this system can be innovative and sustainable domestic wastewater treatment process.
Chapter 1. Introduction 11.1. Backgrounds 21.2. Research objectives. 6References. 8Chapter 2. Literature review 132.1. Microbial fuel cell 142.1.1. Principle of MFC 142.1.2. MFC-based technologies 162.1.3. Domestic wastewater treatment based on MFC systems 232.2. Nitrogen removal mechanism 292.2.1. Nitrification 292.2.2. Denitrification 322.2.3. Anaerobic ammonium oxidation (anammox) 342.2.4. Simultaneous nitritation, anammox and denitrification 392.3. Novel nitrogen removal technologies based on MFCs 412.3.1. Bioelectrochemical denitrification 412.3.2. Ammonia volatilization 432.3.3. Simultaneous nitrification and denitrification using MFCs. 44References. 51Chapter 3. Evaluation for electricity production from flat-panel air-cathode microbial fuel cells treating domestic wastewater 683.1. Introduction 693.2. Materials and methods 723.2.1. FA-MFC construction 723.2.2. FA-MFC operation 743.2.3. Chemical and electrochemical analyses 783.3. Results and discussion 793.3.1. Electricity generation with acetate 793.3.2. Electricity generation with domestic wastewater 803.3.3. Maximum power density and internal resistance 843.3.4. COD removal and Coulombic efficiency 933.4. Conclusions 96References 97Chapter 4. Evaluation for simultaneous nitrification and denitrification from flat-panel air-cathode microbial nitrogen-removal cells treating domestic wastewater 1044.1. Introduction 1054.2. Materials and methods 1094.2.1. FA- MNC construction and operation 1094.2.2. Chemical and electrochemical analyses 1134.2.3. Microbial community analyses 1144.3. Results and discussion 1164.3.1. Performance of FA-MNC units in individual operation 1164.3.2. Electricity generation in the series FA-MNC 1204.3.3. COD and TN removals in the series FA-MNC 1254.3.4. Microbial communities 1364.4. Conclusions 142References 143Chapter 5. Understanding complete ammonia removal mechanism in flatpanel air-cathode microbial nitrogen-removal cells treating domestic wastewater 1535.1. Introduction 1545.2. Materials and methods 1575.2.1. FA-MNC construction and operation 1575.2.2. Analysis methods. 1585.2.3. DNA extraction 1595.2.4. High-throughput 16S rRNA gene sequencing 1605.3. Results and discussion 1615.3.1. FA-MNC performance 1615.3.2. Comparative analysis 1645.3.3. Taxonomic analysis 1665.3.4. Biological mechanisms in the FA-MNC system 1805.3.5. Perspective of the FA-MNC system 1875.4. Conclusions 188References 189Chapter 6. Conclusions 198요약 203