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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

박영현 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수
이태호
발행연도
2017
저작권
부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (9)

초록· 키워드

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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.

목차

Chapter 1. Introduction 1
1.1. Backgrounds 2
1.2. Research objectives. 6
References. 8
Chapter 2. Literature review 13
2.1. Microbial fuel cell 14
2.1.1. Principle of MFC 14
2.1.2. MFC-based technologies 16
2.1.3. Domestic wastewater treatment based on MFC systems 23
2.2. Nitrogen removal mechanism 29
2.2.1. Nitrification 29
2.2.2. Denitrification 32
2.2.3. Anaerobic ammonium oxidation (anammox) 34
2.2.4. Simultaneous nitritation, anammox and denitrification 39
2.3. Novel nitrogen removal technologies based on MFCs 41
2.3.1. Bioelectrochemical denitrification 41
2.3.2. Ammonia volatilization 43
2.3.3. Simultaneous nitrification and denitrification using MFCs. 44
References. 51
Chapter 3. Evaluation for electricity production from flat-panel air-cathode microbial fuel cells treating domestic wastewater 68
3.1. Introduction 69
3.2. Materials and methods 72
3.2.1. FA-MFC construction 72
3.2.2. FA-MFC operation 74
3.2.3. Chemical and electrochemical analyses 78
3.3. Results and discussion 79
3.3.1. Electricity generation with acetate 79
3.3.2. Electricity generation with domestic wastewater 80
3.3.3. Maximum power density and internal resistance 84
3.3.4. COD removal and Coulombic efficiency 93
3.4. Conclusions 96
References 97
Chapter 4. Evaluation for simultaneous nitrification and denitrification from flat-panel air-cathode microbial nitrogen-removal cells treating domestic wastewater 104
4.1. Introduction 105
4.2. Materials and methods 109
4.2.1. FA- MNC construction and operation 109
4.2.2. Chemical and electrochemical analyses 113
4.2.3. Microbial community analyses 114
4.3. Results and discussion 116
4.3.1. Performance of FA-MNC units in individual operation 116
4.3.2. Electricity generation in the series FA-MNC 120
4.3.3. COD and TN removals in the series FA-MNC 125
4.3.4. Microbial communities 136
4.4. Conclusions 142
References 143
Chapter 5. Understanding complete ammonia removal mechanism in flatpanel air-cathode microbial nitrogen-removal cells treating domestic wastewater 153
5.1. Introduction 154
5.2. Materials and methods 157
5.2.1. FA-MNC construction and operation 157
5.2.2. Analysis methods. 158
5.2.3. DNA extraction 159
5.2.4. High-throughput 16S rRNA gene sequencing 160
5.3. Results and discussion 161
5.3.1. FA-MNC performance 161
5.3.2. Comparative analysis 164
5.3.3. Taxonomic analysis 166
5.3.4. Biological mechanisms in the FA-MNC system 180
5.3.5. Perspective of the FA-MNC system 187
5.4. Conclusions 188
References 189
Chapter 6. Conclusions 198
요약 203

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