미생물 연료전지와 간헐적으로 통기되는 생물학적 필터를 결합한 에너지자체 시스템

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 18070(2015) 이 기사 인용

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에너지 자급자족은 지속 가능한 폐수 처리의 매우 바람직한 목표입니다. 본 연구에서는 미생물 연료전지와 간헐적으로 통기되는 생물학적 필터(MFC-IABF)를 결합한 시스템을 에너지 자급자족 방식으로 설계하고 운영하였다. 시스템에는 실온(~25°C)에서 3개월 이상 연속 모드로 합성 폐수(COD = 1000 mg L−1)가 공급되었습니다. 커패시터 기반 회로를 사용하여 전압 출력을 5 ± 0.4V로 높였습니다. MFC는 IABF의 펌핑 및 폭기 시스템에 전력을 공급하는 동시에 COD를 제거하기 위해 전기를 생산했습니다. 간헐적 폭기 모드(폭기 속도 1000 ± 80 mL h−1) 하에서 작동하는 IABF는 잔류 영양분을 제거하고 HRT = 7.2 h에서 수질을 개선했습니다. 이 2단계 결합 시스템은 93.9% SCOD 제거율과 91.7% TCOD 제거율을 얻었습니다(유출수 SCOD = 61 mg L−1, TCOD = 82.8 mg L−1). 에너지 분석에 따르면 MFC 장치는 펌핑 시스템(0.014kWh m−3) 및 폭기 시스템(0.22kWh m−3)을 지원하기에 충분한 에너지(0.27kWh m−3)를 생산했습니다. 이러한 결과는 결합된 MFC-IABF 시스템이 에너지 자급자족 방식으로 운영되어 고품질 유출수를 생성할 수 있음을 보여주었습니다.

에너지 위기와 환경 오염은 오늘날 세계가 직면한 두 가지 주요 과제입니다. 미생물 연료전지(MFC)는 초기 단계이지만 이러한 과제를 부분적으로 해결하는 데 도움이 되는 유망한 기술입니다1. 이는 엑소전기소2, 전극 재료3, 반응기 구성4 등에서 널리 연구되어 왔습니다. MFC 기술의 주요 기능은 폐수 처리입니다. 그러나 MFC 배출수 품질을 둘러싼 문제는 아직 충분히 해결되지 않았습니다. MFC만으로는 엄격한 폐수 품질 요구 사항을 충족할 수 있는 실행 가능한 방법이 될 수 없으므로 처리된 폐수를 추가로 정화하려면 MFC와 막 기술5 또는 기존 처리 기술6을 통합하는 등의 또 다른 단계가 필요합니다. 또한 직접 전력 생산은 MFC의 필수 특성입니다. 일반적인 MFC 시스템은 유입수 특성, 반응기 구성 및 작동 매개변수에 따라 밀리와트(mW) 수준에서 전력을 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 낮고 불안정한 전력 출력은 재생 가능 전력원인 MFC가 기존 발전에서 설치 용량의 kW 또는 MW 수준인 전력망에 접근하는 것을 막는 데 큰 장애물이 되어 왔습니다. 따라서 최근 몇 년 동안 전력 생산에 대한 적절한 책임 부족이 더 많은 관심을 끌었습니다.

MFC 기반 복합시스템7을 이용한 에너지 자급자족 폐수처리 공정을 위해 생산된 전력의 현장 활용을 기반으로 가능한 전략이 제안되었습니다. 다양한 폐수에 저장된 잠재 에너지는 4.92 ~ 7.97kWh kgCOD–1 범위로 다양하며, 이는 처리에 필요한 에너지 요구량을 초과합니다8. 따라서 MFC 기반 시스템이 자급자족 폐수 처리 공정에 충분한 에너지를 생성할 수 있는 가능성을 제공한다면 매우 흥미로울 것입니다. 과거에는 전기화학 막 생물반응기9, 막 생물전기화학 반응기10, 2단계 미생물 연료전지 및 혐기성 유동층 막 생물반응기11와 같은 많은 반응기에서 이론적으로 폐수 처리 공정에서 중성 또는 양의 에너지 균형이 입증되었습니다. 그러나 에너지 자립형 MFC 기반 폐수처리 복합시스템은 실제 운영된 바가 없다.

MFC 기반 복합시스템으로 실제 에너지 자립형 폐수처리 공정을 구현하기 위해서는 MFC 전압을 높이는 효과적인 방법이 필요하다. 과거에는 MFC 전압을 높이기 위해 다양한 접근 방식이 사용되었습니다. 여기에는 여러 MFC를 직렬로 연결하거나 DC-DC 변환기를 사용하는 것이 포함됩니다12. 응용 분야의 또 다른 방법은 MFC의 직렬 스태킹입니다. 이는 전압 반전으로 인해 전압을 높이는 데 효과적이지 않은 것으로 입증되었으며, 이로 인해 전체 시스템이 고장날 수 있습니다13. DC-DC 컨버터는 MFC 전압을 효과적으로 승압하는 것으로 나타났으나 듀얼 부스팅 시스템에서는 회로가 복잡하고 에너지 손실이 크다는 한계도 있었다. 그러나 커패시터 기반 회로를 사용하는 대체 접근 방식은 전력 증폭에 도움이 되는 것으로 입증되었습니다14. 이 방법을 사용하면 전기 에너지가 먼저 커패시터에 수집된 다음 간헐적으로 고전압 출력이 분배됩니다. 커패시터는 여러 MFC를 사용하여 병렬로 충전되고 직렬로 방전되어 무시할 수 있는 에너지 손실로 전압 출력을 향상시켰습니다12.