주정폐수의 혐기성소화에 미치는 생물전기화학인자

Abstract

생물전기화학기술은 혐기성소화조 내부에 산화전극과 환원전극 쌍을 설치하고, 외부전원을 이용하여 전극에 전압을 인가함으로서 전극들을 전기적으로 분극시키는 방법이다. 이러한 생물전기화학 혐기성소화는 혐기성소화조 내부에 높은 면적/부피 비로 설치할 때 혐기성소화조의 성능이 크게 향상된다. 그러나, 혐기성소화조 내부에 높은 면적/부피비로 설치된 전극들은 혐기성소화조의 교반이나 청소를 방해하고 초기시설비 및 유지관리비를 증가시킨다는 단점이 있다. 최근 전극사이의 벌크용액에 존재하는 전기활성을 가진 부유혐기성미생물이 메탄생성에 기여하는 바가 크며, 분극전극들 사이에 생성되는 정전기장이 전기활성미생물의 성장과 종간직접전자전달을 촉진할 수 있다는 것이 발견되었다. 그러나, 아직까지 정전기장의 세기가 생물전기화학 혐기성소화의 성능에 미치는 영향은 거의 연구되지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 고분자 유전물질로 피복된 전극을 설치한 상향류식 혐기성반응조(Electric field upflow anaerobic bioelectrochemical anaerobic reactor, EF-UABE)에 인가전압을 단계적으로 증가시킴으로서 전기장의 세기가 주정폐수의 혐기성소화 효율에 미치는 영향을 연구를 하였다. 또한, 분극전극을 설치한 기존의 상향류식 생물전기화학 혐기성반응조(Conventional upflow anaerobic bioelectrochemical reactor, C-UABE)를 동일한 조건에서 운전하여 혐기성소화 효율을 비교하였다. 또한, 대조구로서 분극전극을 설치하지 않은 상향류식 혐기성반응조를 동일한 조건에서 운전하였다. EF-UABE에 0.5 V의 인가전압에서 운전을 시작하였으며, 정상상태의 메탄발생량은 386 mL/L.d 이었다. 이값은 C-UABE의 399 mL/L.d와 큰 차이가 없었으나, 대조구의 메탄발생량 101 mL/L.d 보다는 크게 높았다. EF-UABE와 C-UABE에서의 메탄발생량의 차이가 크지 않은 것은 C-UABE의 메탄생성에 대한 분극전극표면의 기여도가 전극사이의 벌크용액에 존재하는 미생물의 기여도에 비하여 크지 않음을 나타낸다. EF-UABE 반응조에서는 인가전압의 증가에 따라 메탄발생량이 증가하였으며, 인가전압 5.0 V에서 456.4 mL/L.d로서 최대 값을 보였다. 그러나, 인가전압 10V에서는 메탄발생량이 393.9 mL/L.d로 약간 감소하였다. C-UABE 반응조의 메탄발생량은 인가전압 1.5V에서 432.9 mL/L.d 까지 증가하였으나 2.0V 이상에서는 인가전압의 증가에 따라 점차 감소하였다. 이 결과는 C-UABE 공정은 높은 전압을 인가할 경우 전극표면에서 일어나는 물의 전기분해 반응으로 인하여 부정적인 영향이 있다는 것을 나타낸다. 그러나, 전극의 표면을 유전물질로 절연한 EF-UABE 반응조에서는 물의 전기분해없이 높은 전압의 인가가 가능하며, 높은 인가전압에서는 전극 사이에 형성되는 정전기장이 더욱 커지게 된다. 또한, 높은 정전기장은 전기활성균의 전자전달반응을 더욱 촉진시켜 메탄생성율이 증가한다는 것을 나타낸다. EF-UABE 반응조에 설치한 전극은 고분자물질로 표면이 피복된 형태로서 C-UABE 반응조에 설치하는 전극에 비하여 저렴하게 제작과 설치가 가능하다. EF-UABE 반응조는 고농도 유기성 폐수처리를 위해 실용화가 용이한 생물전기화학 혐기성반응조이다.