상향류식 혐기성 슬러지 블랭킷 반응조에 비교한 생물전기화학 반응조의 산성 주정폐수처리성능

풍경(Qing Feng),송영채(Young-Chae Song),유규선(Kyuseon Yoo),반와리 랄(Banwari Lal),난다쿠마르 쿱파난(Nanthakumar Kuppanan),산죽타 수부디(Sanjukta Subudhi) 대한환경공학회 2016 대한환경공학회지 Vol.38 No.6

중화하지 않은 주정폐수를 처리할 때 상향류식 혐기성반응조에 전극을 배치한 생물전기화학반응조의 성능을 UASB 공정과 비교하였다. UASB 공정은 유기물부하율 4.0 g COD/L.d 이하에서 pH, VFA 및 알카리도 등에 있어서 안정한 상태를 유지하였지만, 4.0 g COD/L.d 이상의 유기물부하율에서는 불안정하였다. 그러나, 생물전기화학 반응조는 UASB 반응조에 비하여 유기물부하율 배가시 상태변수들의 변동폭이 작았으며, 빠르게 정상상태로 회복하였다. 생물전기화학 반응조는 4.0-8.0g COD/L.d의 높은 유기물부하율에서 상태변수들이 UASB 반응조에 비하여 안정하였으며, 유기물부하율 8.0 g COD/L.d에서 비메탄발생율(2,076 mL CH₄/L.d), 바이오가스의 메탄함량(66.8%) 그리고 COD 제거율(82.3%) 등의 측면에서 UASB 반응조보다 우수하였다. 생물전기화학 반응조의 메탄수율은 유기물부하율 4.0 g COD/L.d에서 약 407 mL/g CODr로 최대값을 보였으며, 이 값은 UASB의 282 mL/g CODr보다 크게 높았다. 중화하지 않은 산성 주정폐수를 처리하는 생물전기화학 반응조의 전극반응에서 율속단계는 산화전극반응이었으며, 전극반응은 높은 유기물부하율에서 pH에 의해서 크게 영향을 받았다. 생물전기화학 반응조는 유기물부하율 4.0 g COD/L.d에서 99.5%의 최대에너지효율을 보였다. 중화하지 않은 산성 주정폐수를 처리하는 생물전기화학 반응조는 UASB 공정보다 진보된 고율 혐기성 기술이 될 수 있다. The performance of upflow anaerobic bioelectrochemical reactor (UABE), equipped with electrodes (anode and cathode) inside the upflow anaerobic reactor, was compared to that of upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor for the treatment of acidic distillery wastewater. The UASB was stable in pH, alkalinity and VFAs until the organic loading rate (OLR) of 4.0 g COD/L.d, but it became unstable over 4.0 g COD/L.d. As a response to the abrupt doubling in OLR, the perturbation in the state variables for the UABE was smaller, compared to the UASB, and quickly recovered. The UABE stability was better than the UASB at higher OLR of 4.0-8.0 g COD/L.d, and the UABE showed better performance in specific methane production rate (2,076 mL CH₄/L.d), methane content in biogas (66.8%), and COD removal efficiency (82.3%) at 8.0 g COD/L.d than the UASB. The maximum methane yield in UABE was about 407 mL/g CODr at 4.0 g COD/L.d, which was considerably higher than about 282 mL/g CODr in UASB. The rate limiting step for the bioelectrochemical reaction in UABE was the oxidation of organic matter on the anode surface, and the electrode reactions were considerably affected by the pH at 8.0 g COD/L.d of high OLR. The maximum energy efficiency of UABE was 99.5%, at 4.0 g COD/L.d of OLR. The UABE can be an advanced high rate anaerobic process for the treatment of acidic distillery wastewater.

UASB 공정에 비교한 생물전기화학 공정의 주정폐수처리 특성

풍경 ( Qing Feng ),송영채 ( Young-chae Song ),유규선 ( Kyuseon Yoo ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2016 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2016 No.-

제2철 이온을 이용한 상온조건에서 하수슬러지의 생물전기화학 혐기성소화 성능향상

풍경(Qing Feng),송영채(Young-Chae Song),장성호(Seong-Ho Jang) 대한환경공학회 2016 대한환경공학회지 Vol.38 No.11

상온조건(25℃)에서 하수슬러지처리를 위한 생물전기화학 혐기성소화조의 성능에 미치는 제2철 이온(Fe<SUP>+3</SUP>)의 영향을 연구하였다. 생물전기화학 혐기성소화조를 상온에서 운전하였을 때 pH, 알카리도, COD 및 VFAs 등의 상태변수들은 안정하였으며, VS 제거율과 비메탄발생율은 각각 65.9% 및 370 mL/L/d이었다. 생물전기화학 혐기성소화조에 제2철 이온(200 ppm)을 주입한 후 상태변수들의 안정도는 더욱 향상되었으며, VS 제거율 및 비메탄발생량은 각각 69.8%, 396 mL/L/d로 증가하였다. 그러나, 제2철 이온을 주입 이후에 바이오가스의 메탄함량은 76.6%로 주입 이전의 77.3%에서 비하여 약간 감소하였다. 부유슬러지의 미생물 군집을 변화를 분석한 결과 공생 혐기성미생물(Cloacamonas) 및 가수분해균(Saprospiraceae, Ottowia pentelensis) 등의 우점균의 비율이 제2철 이온의 주입으로 증가하였다. 이것은 철이온의 주입으로 부유혐기성미생물(planktonic anaerobic bacteria, PAB)의 활성이 증가하였음을 나타낸다. 제2철 이온은 상온조건에서 하수슬러지처리를 위한생물전기화학 혐기성소화조의 성능을 향상시킨다. The influence of ferric ion (Fe<SUP>+3</SUP>) on bioelectrochemical anaerobic digestion for sewage sludge was explored at ambient temperature (25℃). Before the addition of ferric ion, the removal of volatile solids (VS) was 65.9% and the specific methane production rate was 370 mL/L/d. After the addition of ferric ion (200 ppm) to feed sludge, the bioelectrochemical anaerobic digester was more stable in the state variables including pH, alkalinity, COD and VFAs, and the VS removal and specific methane production rate were increased to 69.8% and 396 mL/L/d, respectively. However, the methane content in biogas was slightly reduced by the addition of ferric ion, indicating that the activity of planktonic anaerobic bacteria (PAB) was more improved after the addition of ferric ion. The dominances of syntrophic bacteria (Cloacamonas) and hyrolytic bacteria (Saprospiraceae, Ottowia pentelensis) in the PAB were increased by the addition of ferric ion. The addition of ferric ion improved the performance of bioelectrochemical anaerobic digestion for sewage sludge at ambient temperature.

주정폐수 처리를 위한 상향류식 혐기성 생물전기화학 반응조에 대한 전극배치의 영향

풍경 ( Qing Feng ),송영채 ( Young-chae Song ),유규선 ( Kyuseon Yoo ),난다쿠마르쿱파난 ( K. Nanthakumar ),산죽타수부디 ( S. Sanjukta ),반와리랄 ( L. Banwari ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

상향류식 혐기성 생물전기화학 반응조(upflow anaerobic bioelectrochemical reactor, UABE)를 이용하여 주정폐수를 유기물부하율 16 g COD/L.d에서 처리하는 동안 pH, 알카리도, 유기산 등의 상태변수들의 변화와 COD 제거율, 비메탄발생량 및 메탄함량에 대한 전극배치의 영향을 평가하였으며, 그 성능을 UASB 반응조와 비교하였다. 면적이 27 m²/m³인 전극을 나선형으로 UABE 반응조 전체 공간에 고르게 배치하였을 때 비메탄발 생율은 5.78 L/L.d로서, 전극을 설치하지 않은 UASB 반응조의 3.49 L/L.d보다 약 65.6%로 높았다. 이것은 UABE 반응조에 전기활성미생물이 성장하여 직접 종간전자전달(direct interspecies electron transfer, DIET) 반응이 활성화됨으로서 메탄생성반응이 크게 향상되었다는 것을 의미한다. UABE 반응조의 상부 1/3의 공간에 위치한 전극을 제거하였을 때, 비메탄발생율은 5.74 L/L.d로서 반응조 전체 공간에 전극을 설치한 경우와 큰 차이가 없으나, UABE 반응조 상부 2/3 공간에 설치한 전극을 제거한 경우 비메탄발생율은 5.34 L/L.d로 약 7.5% 감소하였다. 이 결과는 UABE 반응조에서 전극을 하부 1/3의 공간에만 설치한 경우 전기활성미생물도 감소하여 DIET 반응도 감소하였다는 것을 의미한다. 전극을 UABE 반응조 하부로부터 2/3 이상의 공간까지 설치하였을때 COD 제거율은 약 91.5%이었으나 반응조 하부로부터 1/3의 공간에만 설치한 경우 COD 제거율은 88.9%로 약 2.6%로 감소하였다.

고효율 혐기성소화를 위한 생물전기화학적 직접종간전자전달

송영채 ( Young-chae Song ),풍경 ( Qing Feng ) 한국물환경학회 2017 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2017 No.-

생물전기화학혐기성소화에서 메탄생성반응에 대한 부유혐기성미생물의 역할

송영채(Young-Chae Song),풍경(Qing Feng) 유기성자원학회 2017 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2017 No.3

바이오 분극전극을 설치한 생물전기화학 혐기성소화조에서 메탄생성반응에 대한 부유혐기성미생물의 영향을 회분식반응조에서 평가하였다. 실험을 진행하는 동안 바이오가스의 발생량과 조성을 모니터링하였으며, 벌크용액에 전기활성균인 체외전자전달발효균(exoelectrogen fermentation bacteria, EFB) 및 전기영양메탄균(electrotrophic methanogenic bacteria, EFB) 의 존재는 순환전압전류곡선의 산화환원 첨두전류쌍으로부터 확인하였다. 벌크용액의 부유혐기성미생물 농도에 따른 전극의 전하전달저항의 변화는 전기화학임피던스분광곡선으로 부터 구하였다. 실험종료 후에는 파이러시퀀싱법으로 부유혐기성 비생물의 박테리아 및 고세균의 군집분포를 조사하였다. 혐기성소화조에 설치된 바이오분극 전극은 전극표면 뿐만 아니라 벌크용액에 E F B , E F B 그리고 수소이용메탄균(hydrogenotrophic methanogenic bacteria)을 우점시켰다. 분극전극을 설치한 생물전기화학혐기성반응조에서 메탄은 전극표면과 부유미생물로부터 EFB와 EMB의 직접접촉에 의한 전기적연결을 통해 생물학적 종간직접전자전달(biological direct interspecies electgron transfer, bDIET), EFB에서 HMB로의 종간수소전달 또는 bDIET에 의해서 발생하였다. 생물전기화학 혐기성반응조에서 전극에서의 바이오가스생산을 조사하기 위하여 반응조의 벌크용액에서 부유혐기성미생물을 제거한 결과 메탄과 수소로의 에너지회수율이 각각 25.0% 및 7.5%에 불과하였다. 이러한 낮은 바이오가스전환율은 전하전달저항을 포함한 전극의 높은과전위에 기인하는 것으로 평가되었다. 그러나, 벌크용액에서 부유혐기성미생물의 농도가 증가할수록 벌크용액에서의 메탄수율이 점차 증가하였으며, 수소수율은 감소하였다. 벌크용액의 부유혐기성미생물 농도가 4,400mg VSS/L이었을 때 기질의 메탄전환율은 83.3%까지 증가하였으며, 수소로의 전환율은 0.3%에 불과하였다. 생물전기화학혐기성소화조의 향상된 메탄생성반응은 부유혐기성미생물의 역할이다.

생물전기화학 혐기성소화에 대한 환원촉매의 영향

송영채 ( Young-chae Song ),풍경 ( Qing-feng ),유규선 ( Kyu Seon Yoo ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2015 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2015 No.-

하수슬러지의 생물전기화학 혐기성소화에 대한 인가전압의 영향

김동현(Dong Hyun Kim),송영채(Young Chae Song),풍경(Qing Feng) 大韓環境工學會 2015 대한환경공학회지 Vol.37 No.9

하수 슬러지의 생물전기화학 혐기성소화에 대한 인가전압의 영향을 0.2-0.4 V에서 수행하였다. 인가전압 0.3 V에서 pH와 VFAs는 7.32, 760 mg COD/L로 매우 안정한 값을 유지하였다. 이때 비메탄생성량은 1.32 L CH₄/L.d이었으며, 바이오가스의 메탄함량은 73.8%로서 생물전기화학 혐기성소화조에 0.3 V의 낮은 전압을 인가하여도 혐기성 소화의 성능을 크게 향상 시킬 수 있었다. 0.4 V를 인가하였을 때, VFAs 성상의 포름산과 프로피온산 비율이 증가하였으며, 비메탄 생성량과 바이오가스의 메탄함량은 각각 1.24 L CH₄/L.d 및 72.4%로 약간 감소하였다. 인가전압 0.2 V에서 pH는 6.3으로 감소하였으며, VFAs농도는 5,684 mg COD/L로 크게 증가하였다. 또한, VFAs 구성성분 중에서 프로피온산과 뷰티르산의 비율이 급격히 증가하였고 비메탄생성량과 메탄함량이 크게 감소하였다. 인가전압 0.2 V에서 생물전기화학 혐기성 소화조의 성능 저하는 이산화탄소의 환원반응에 대한 열역학적인 전위구동력의 부족에 기인하였다. The bioelectrochemical anaerobic digestion for sewage sludge was attempted at different applied voltages ranged from 0.2 V to 0.4 V. At 0.3 V of the applied voltage, pH and VFAs were at 7.32 and 760 mg COD/L, respectively, which were quite stable. The methane production rate was 1.32 L CH₄/L.d, and the methane content in biogas was 73.8%, indicating that the performance of the bioelectrochemical anaerobic digestion could be considerably improved by applying a low voltage. At 0.4 V of the applied voltage, however, the contents of the minor VFA components including formic acid and propionic acid were increased. The methane production rate was reduced to 1.24 L CH₄/L.d and the biogas methane content was also reduced to 72.4%. At 0.2 V of the applied voltage, the pH was decreased to 6.3, and VFAs was accumulated to 5,684 mg COD/L. The contents of propionic acid and butyric acid in the VFAs were considerably increased, The performances in terms of the methane production rate and the biogas methane content were deteriorated. The poor performance of the bioelectrochemical reactor at 0.2 V of the applied voltage was ascribed to the thermodynamic potential lack for the driving of the carbon dioxide reduction into methane at cathode.