침지 및 직립 평판형 MFC 스택에서 전극연결 방식에 따른 전기발생량 비교

유재철,박영현,이태호,Yu, Jaecheul,Park, Younghyun,Lee, Taeho 한국전력공사 2016 KEPCO Journal on electric power and energy Vol.2 No.4

Microbial fuel cell (MFC) can produce electricity from oxidation-reduction of organic and inorganic matters by electrochemically active bacteria as catalyst. Stacked MFCs have been investigated for overcoming low electricity generation of single MFC. In this study, two-typed stacked-MFCs (submerged-flat and stand-falt) were operated according to electrode connection for optimal stacked technology of MFC. In case of submerged-flat MFC with all separator electrode assembly (SEA) sharing anode chamber, MFC with mixed-connection showed more voltage loss than MFC with single-connection method. And MFC stacked in parallel showed better voltage production than MFC stacked in series. In case of stand-flat MFC, voltage loss was bigger when SEAs sharing anodic chamber only were connected in series. Voltage loss was decreased when SEAs parallel connected SEAs sharing anodic chamber were connected in series. 미생물연료전지(Microbial Fuel Cell; MFC)는 전기화학활성미생물로 불리는 미생물을 촉매로 이용하여, 유/무기물의 산화환원 반응을 통해서 전기에너지를 생산할 수 있는 장치이다. 단일 MFC에서 발생하는 낮은 전기생산량을 극복하기 위해, 다수의 형태의 MFC를 직렬 또는 병렬로 연결하는 방법이 연구되고 있다. 본 연구에서는 6개의 단위 막전극접합체(Separator Electrode Assembly; SEA)로 구성된 침지평판형과 직립평판형 MFC 스택을 운전하였다. 단위 MFC와 MFC 스택의 전기발생량을 비교하였으며, 이를 통해서 MFC의 최적 스택기술을 확보하기 위한 기초자료로 활용하고자 하였다. 모든 SEA가 산화전극부를 공유하고 있는 침지평판형 MFC의 경우, 직렬과 병렬을 함께 사용할 경우, 단일 연결 방식을 사용하는 것보다 전압의 손실이 더 크게 나타났으며, 단일 연결방법 중 병렬연결 하는 것이 손실을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다. 직립평판형 MFC의 경우, 산화전극부를 공유하고 있는 SEA만 직렬 연결할 경우에는 전압의 손실이 크게 나타났으며, 산화전극부를 공유하고 있는 SEA간에 병렬 연결 후, 병렬 연결된 SEA를 직렬연결하는 방식이 전압의 손실을 최소화 할 수 있을 것으로 나타났다.

식물-미생물전기화학 기반의 미활용 에너지 회수 기초 연구

유재철 ( Jaecheul Yu ),신춘환 ( Choon Hwan Shin ) 한국환경과학회 2019 한국환경과학회지 Vol.28 No.2

In this study, we evaluated the energy production from plant-microbial fuel cells using representative indoor plants, such as Scindapsus aureus and Clatha minor. The maximum power density of microbial fuel cell (MFC) using S. aureus (3.36 mW/㎡) was about 2 times higher than that of the MFC using C. minor (1.43 mW/㎡). It was confirmed that energy recovery is possible using plant-MFCs without fuel. However, further research is needed to improve the performance of plant-MFCs. Nevertheless, plant-MFCs have proved their potential as a novel energy source to overcome the limitations of the conventional renewable energy sources such as wind power and solar cells, and could be employed to a power source for the sensor in charge of the fourth industrial revolution.

부산시 정수시설 현황 및 문제점

유재철(Jaecheul Yu),최영근(Younggeun Choi),신춘환(Choonhwan Shin),최기충(Gichoong Choi) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

일실형 전기활성생물막 공정에서 전극면적-부피비율에 따른 질소제거효율 및 미생물 군집변화

유재철(Jaecheul Yu),이태호(Taeho Lee) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.11

부피가 다른 전기활성생물막반응기에서 질소원 종류에 따른 질소거동평가

유재철(Jaecheul Yu),이태호(Taeho Lee) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

식종원 및 유기물 농도 변화에 따른 평판형 외기환원전극 미생물 연료전지의 질소 제거

박영현(Younghyun Park),유재철(Jaecheul Yu),Thi Hien Nguyen,이태호(Taeho Lee) 대한환경공학회 2016 대한환경공학회지 Vol.38 No.12

미생물연료전지(MFC)는 하·폐수내의 유기물로부터 전기를 생산할 수 있는 획기적인 기술이지만, 실용화를 위해서는 하·폐수 내의 질소를 제거할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 두 개의 대면적 SEA (separator electrode assembly)로 구성된 평판형 외기환원전극 미생물연료전지(FA-MFC)를 이용하여 질산화 전배양의 유무와 식종원에 따른 총질소제거율을 평가하였다. 질산화 전배양 단계에서 FA-MFC의 질산화율은 식종원과는 무관하게 99% 이상을 나타냈다. 질산화 및 탈질 단계에서 300㎎-COD/L 이하의 낮은 유기물 농도에서는 전배양을 하지 않은 조건의 총질소제거율이 가장 높았다. 유기물 농도가 증가할수록 더 높은 총질소제거율을 나타냈으며, 유기물제거율은 모든 조건에서 95% 이상을 나타냈지만, 종속영양탈질에만 이용되지는 않은 것으로 판단된다. FA-MFC의 전기 발생량은 매우 낮았지만, 유기물과 질소를 동시에 제거할 수 있다는 장점이 있기 때문에 획기적인 하·폐수처리공법으로 발전시킬 수 있으리라 기대된다. Although microbial fuel cell (MFC) can produce electricity from organics in wastewater, nitrogen removal is required for application of process for wastewater treatment plant. This study developed flat-panel air-cathode MFCs (FA-MFCs) comprised of two large separator electrode assemblies (SEAs) and evaluate total nitrogen removal according to three inoculum sources and prenitrification acclimation. The nitrification efficiencies were >99% regardless of inoculum sources under the phase for pre-nitrification acclimation. The total nitrogen removal efficiencies of FA-MFCs without pre-nitrification acclimation were the highest at the low organic conditions (<300 mg-COD/L) under the phase for nitrification and denitrification. The increase of organic concentration influenced the total nitrogen removal efficiency, positively. The organics were removed >95% but were not used for heterotrophic denitrification totally. This study suggests that application of FA-MFC system for wastewater treatment can allow the simultaneous removal of organic and nitrogen compounds, although this affects the low electricity production.

고염분 조건의 농화배양 과정에서 하수슬러지와 염분폐수슬러지의 아질산화 미생물군집 변화 비교

김정미(Jeongmi Kim),유재철(Jaecheul Yu),정소연(Soyeon Jeong),김연주(Yeonju Kim),배효관(Hyokwan Bae),이태호(Taeho Lee) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회지 Vol.43 No.1

목적: 탈암모니아 공정을 이용하여 고농도 염분폐수의 질소를 성공적으로 처리하기 위해서는 아질산화 미생물의 농화배양이 중요하다. 본 연구에서는 하수처리장 슬러지(하수슬러지)와 공동어시장의 폐수처리장 슬러지(염분폐수슬러지)를 각각 식종원으로 이용하여 고농도 염분 조건의 농화배양 과정에서 발생하는 암모늄 산화 미생물(Ammonia oxidizing bacteria, AOB)군집 변화를 비교하고자 하였다. 방법: 하수슬러지를 식종한 PN1 반응기에서는 고농도의 암모늄(500-3,000 mg NH₄+-N/L)을 아질산염으로 전환할 수 있는 AOB를 먼저 농화배양하였으며, 이후 염분농도를 단계적으로 20 g NaCl/L까지 증가시켰다. 염분폐수슬러지를 식종한 PN2 반응기에서는 순응 단계 없이 곧바로 염분농도 20 g NaCl/L에서 AOB를 농화배양하였다. 결과 및 토의: PN1과 PN2 반응기 모두 염분농도 20 g NaCl/L에서 고농도의 암모늄을 60% 이상 아질산염으로 전환하였다. 미생물군집분석 결과, 문(phylum) 수준에서는 두 반응기 모두에서 질산화 관련 미생물이 속하는 Proteobacteria가 우점하는 것으로 나타났다. 하지만, 종(species) 수준에서는 PN1에서 Nitrosomonas eutropha (60.7%)가, PN2에서 N. halophila (20.2%)가 각각 우점하였다. 결론: 하수슬러지와 염분폐수슬러지에서 우점하는 AOB는 다르게 나타났지만, 두 슬러지 모두 고염분 조건에서 PN 공정을 성공적으로 구축할 수 있었다. 따라서, 두 슬러지 모두 고염분 환경에서 암모늄을 처리하는 PN 공정구축을 위한 식종원으로 사용할 수 있을 것이다. Objectives : It is important to enrich and cultivate ammonia oxidation bacteria (AOB) in order to successfully treat nitrogen in high saline wastewater using a deammonification process. Two different inocula, a sewage sludge and a fish-market wastewater sludge, were cultivated to enrich AOB and compared the changes of microbial community. Methods : A sequential batch reactor (SBR) inoculated with the sewage sludge (PN1) enriched AOB under high-strength ammonium condition (500-3,000 mg NH₄+-N/L) and then the salt concentration in the medium was gradually increased up to 20 g-NaCl/L. The other SBR seeded with the fish market wastewater sludge (PN2) was operated to enrich AOB directly under 20 g NaCl/L without any acclimation step. Results and Discussion : Both PN1 and PN2 successfully showed more than 60% of the nitrite accumulation efficiency at a high saline concentration of 20 g NaCl/L. At the level of the phylum, Proteobacteria containing nitrifying microorganisms became dominant in both PN1 and PN2. However, the most dominant bacterial species in PN1 and PN2 were Nitrosomonas eutropha (60.7%) and N. halophila (20.2%), respectively. Conclusions : Although different results of the most abundant AOB were shown in both sewage sludge and fish-market wastewater sludge conditions, nitritation was successfully developed even with wastewater containing high salinity. Therefore, in this study, both sludges can be applied for inoculation to the PN process for efficiently treating wastewater with high concentration of ammonium and saline.

평판형 외기환원전극 미생물연료전지에서 반응기 폭과 수리학적 체류시간이 유기물과 질소 동시 제거에 미치는 영향

박영현(Younghyun Park),유재철(Jaecheul Yu),Evy Widyaningsih,이태호(Taeho Lee) 대한환경공학회 2019 대한환경공학회지 Vol.41 No.2

일실형 미생물연료전지(MFC)는 폭기 및 외부탄소원 비용 없이 유기물과 질소를 동시에 제거할 수 있기 때문에 경제적인 하․폐수처리공정으로 발전할 수 있는 유망한 기술이다. 본 연구에서는 평판형 외기환원전극 MFC의 최적 구조를 평가하기 위하여 3가지 조건의 산화전극부 폭을 선정하였고, 다양한 수리학적체류시간(HRT) 조건에서 유기물 및 질소제거율과 전기 생산량을 평가하였다. 산화전극부 용존산소 농도는 폭이 좁을수록, HRT가 길수록 더 높았다. 최적의 질산화 반응을 위한 HRT는 산화전극부 폭 4 mm는 2시간 이상, 8 mm는 6시간 이상, 16 mm는 8시간이었다. 총질소제거율은 폭 8 mm가 가장 우수했으며(94%), 설계인자인 환원전극 비표면적은 250 m²/m³이었다. 유기물제거율은 모든 조건에서 80% 이상을 나타냈다. 전압은 HRT 2시간에서만 발생하였고, 폭 16 mm, 8 mm, 4 mm 순으로 높게 나타났다. 평판형 외기환원전극 MFC는 구조 및 HRT 조건 변화에 따라, 유기물 및 질소 제거와 전기 생산 등이 가능한 범용성 있는 기술로 발전할 수 있다. A single-chamber microbial fuel cell (MFC) is a promising technology for cost-effective wastewater treatment because it can remove organics and nitrogen simultaneously without aeration and external carbon source. This study evaluated organics and nitrogen removal and electricity production using flat-type air-cathode MFCs with three widths of anode chamber at various hydraulic retention times (HRTs). A shorter width and a longer HRT showed higher dissolved oxygen concentration. For optimum nitrification, the widths of 4 mm, 8 mm and 16 mm required HRTs of >2 h, >6 h and 8 h, respectively. The width of 8 mm (cathode specific surface area of 250 m²/m³ as design factor) showed highest total nitrogen removal efficiency (94%). Removal efficiencies of organics were more than 80% at all conditions. Voltage generation occurred (16 mm > 8 mm > 4 mm) at HRT of 2 h. According to the change of design and HRT conditions, a flat-type air-cathode MFC can be developed as a versatile technology for organics and nitrogen removal and electricity production.

침지형 미생물연료전지에서 유입 COD 및 HRT 변화가 하수 수준의 질소 제거에 미치는 영향

박영현(Younghyun Park),양희천(Heechun Yang),유재철(Jaecheul Yu),이태호(Taeho Lee) 대한환경공학회 2018 대한환경공학회지 Vol.40 No.8

침지형 미생물연료전지(MFC)는 하수처리공정에 쉽게 적용할 수 있는 구조이지만, 질소 제거에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구에서는 4개의 유닛으로 구성된 침지형 MFC 시스템을 이용하여 기질의 종류 및 농도와 HRT에 따른 COD 및 TN 제거율, 에너지 회수를 평가하였다. 유기물 제거를 위한 최적 HRT는 모든 기질 조건에서 6시간이었고, 아세트산 500 mg-COD/L는 78%, 150 mg-COD/L는 89%, 글루코스 150 mg-COD/L는 76%가 제거되었다. 하수 수준의 질소 농도(40 mg-N/L) 제거를 위한 최적 HRT는 아세트산은 3시간, 글루코스는 8시간이었고, 우리나라 하수처리시설의 TN 방류수 수질기준(<20 mg-N/L)을 만족시켰으며, 이때의 질소 제거속도는 72-192 g-N/m³/d이었다. 침지형 MFC의 에너지 회수량은 모든 조건에서 0.004 kW/kg-COD 이하로 나타났지만, 질소 제거에 소비되는 추가 에너지가 없기 때문에, 향후 에너지 중립적인 하수처리공정으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다. Submerged-type microbial fuel cells (MFCs) have been developed to cost-effectively treat organics in wastewater. However, evaluation of nitrogen removal in MFCs is still limited to apply MFCs for domestic wastewater treatment. This study developed submerged MFC system consisting of 4 units and evaluated COD and TN removal efficiencies and energy recovery according to substrate type and concentration and HRT. The organic removal efficiencies were 78% (500 mg-COD/L), 89% (150 mg-COD/L of acetate) and 76% (150 mg-COD/L of glucose) at the optimal HRT of 6 h. Submerged MFC system for removal of low-strength nitrogen (40 mg-N/L) could satisfy the TN discharge limit (<20 mg-N/L) and the nitrogen removal rates of 72-192g-N/m³/d at the optimal HRTs of 3 h (acetate) and 8 h (glucose). Because additional energy for nitrogen removal is not required, despite low energy recoveries (<0.004 kW/kg-COD), it is expected that the submerged MFC system can be applied as the energyneutral domestic wastewater treatment process.

유글레나로부터 바이오 플라스틱 원료인 숙신산 생산을 위한 호기-혐기 전환배양조건 최적화

김민정(Minjeong Kim),류팡(Liu Fang),김근호(Keunho Kim),유재철(Jaecheul Yu),이태호(Taeho Lee) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11