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APnliedCheㅃStry,
Vol.13,No.2,October2009,249』252
유가공 폐수처리를 위한 미생물 연료전지의 전기생산 특성
뾰뵤豊，노성희,이재욱,김선일’ 조선대학교 생명화학공학과
Characte 『isbcs of electric盼 generation in micㄸ · bial l汕el co∥
for dialy 새Iㅌ IStewㅌ lter treatrtlent
즈브끄g：뾰쁘느느드，Sung-HeeRoh,Jae-W00k Lee,Sun-n Kim ’
DepartmeniofChemicalandBiochemicalEngineering,ChosunUniversityGwangl.u s0l-759,RepublicKorca (sibkim@chosun.ac.kr*)
AbstraCt
Microbialfuelcclls(MFCs) area bioreactorsystcmthatcEIngenerateclectricitycouPledtothe oxidationoforganiccompoundsthoughmierohialactions.MFCs representatechnologyfortrcating wastewate「and simultZllleouslyproducingcleetricity.Performaneeof MFC was evaluatedtotreat synihcticwastewaterand diZlrywastewater.A two-chamberMFC containinga protonexchange membfane(PEM) wasinoculatedwithan anaerobicdigest10nsludgcofsewagedisposalPlant.over
aperiodofafewdays,electricitygenerationgraduallyincreasedtoa maximum p0werdensityof
866 mw/m2. Electricity generation was accompanied with coD removal efficiency of 75. 72%. These
resultsindicatethatwastewatersuchasewagecallbeusedforclectricitygenerZltioninMFCs while atthes紀11llctimeachievingw돈Istewatertre紀I玆Ilent.
1 . 서 론
기존의 하수처리 시스템은 높은 에너지가 요구되므로 낮은 에너지와 적은 비용으로 효율적인 운전을 할 수 있는 대체 처리기술이 필요하다．아울러，세계적으로 환경 중요성과 에너지 불안으 로 인하여 탄화수소 사용의 최소화 및 고갈되지 않는 청정한 에너지 자원을 개발하는데 지대한 관심을 갖고 있다．MFC는폐수 중의 오염물질을 미생물의 먹이로서 제거하면서 에너지 이용을 동시에 함으로써 전기를 회수할 수 있다．따라서 MFC를폐수처리에 적용한다면 청정에너지를 제 공할 수 있고，더불어 폐수의 효과적인 처리도 가능하다．
일반적으로 MFC는양이온교환막 (PEM, Protonexchange membrane）에 의해 나누어진 산화 전극과 환원전극 반응조로 이루어져 있다．산화전극부의 미생물은 공급되는 유기물을 분해하여 전 자와 수소이온으로 변환시키며，생성된 수소이온은 PEM을통해 환원전극으로 이동하고 생성된 전자는 외부서킷을 통해 환원전극으로 이동한다．
본 연구에서는 MFC의전기생산 특성을 파악하고 실폐수 적용 가능성을 평가하고자 하였다．먼
저 선행연구로서 MFC의 효율을 증진시키고， 운전조건을 최적화하고자 외부탄소원으로서 acetate를 적용하여 기질 농도 변화에 따른 전기생산 특성을 알아보았다． 또한 MFC의 실폐수 적용 가능성
을 평가하기 위하여 유기물을 다량 포함하고 있는 유제품 가공 공장의 폐수를 적용하여 전기생산 특성 및 폐수처리 성능올 조사하였다．
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250 이성욱·노성희·이재욱·김선일
2. 실 험
MFC 시스템을 이용하여 폐수처리와 동시에 전기를 생산시키기 위하여 도시하수에 하수종말처
리장의 소화슬러지를 접종하였다． 유입수와 유출수의 수질분석은 채취 즉시 GF/C filter로 여과하
여 standardmethod에의해 분석하였다．MFC 시스템은 Fig.1과같이 산화전극부와 환원전극부를 PEM (NafionTM 117, Dupont co. Delaware） 으로 분리하여 제작하였다． PEM은 HZoZ (30% ),
증류수，0.5 M HZSO4,증류수 순서로 각각 1시간동안 중탕하여 전처리한 후 사용하였다．산화전 극 （anode）으로는 graphitePlate를사용하였으며 환원전극 （cathode）으로는 graphitePlate의한 면이 Pt로코팅된 것을 사용하였다．각 전극은 실험 전 증류수에 하루 동안 담가두었다가 사용하
였으며， 산화전극 반웅조（anode chamber） 는 혐기성조건으로 유지하였다， 실험에 사용한 시료는
DO의영향을 최소화하기 위하여 질소가스로 15분간탈기시킨 후 사용하였으며，MFC의운전조건은 Table l에 나타내었다．
MFC에서생산된 전류를 측정하기 위하여 외부서킷으로 산화전극과 환원전극 사이에 저항을 연 결하였으며，그 저항 사이의 생성 전압을 multimeter(Model2700, Keithley）를 이용하여 연속적 으로 측정하였다． 생성된 파워는 戶 " 로 계산하였으며，여기에서 P(fn비는파워이며 뻐D는 전압，쫴A）는 전류이다．전력밀도 （powerdensity）는 MFC의산화전극 표면적에 대한 값으로 환산 하였다．
Table 1. OperationConditionfor the EXperinlent
tem COndition
Temperature ( ℃ )
pH
25（소2) 7.0（士1)
SubstrElte aCetate,
diEllywastwater COD (mg/L)
Workingvolume Workingvohime/
Electrode (m3/ m3)
10〔卜500
300
Fig.l.Two chamberedmicrobialfuelcen
usedillthisexperl■ment 66. 7
3. 결과 및 토론
MFC의기질 농도에 따른 전기 생성 특성을 조사하기 위해 혐기성 미섕물로 접종한 산화전극 반응조에 acetate의농도를 변화시키면서 유입시켰으며，산화전극과 환원전극을 100 9 저항과 연 결하여 발생되는 v이tage를측정하였다．실험결과 MFC는acetate를에너지원으로 이용하여 전기
를 생성 함을 알 수 있었다． Fig. 2에 나타낸바와 같이 발섕되는 전압은 acetate 농도가 100 mg/L에서 200 mg/L로 증가함에 따라 급격히 상승하였으나， 200 mg/L 이상의 농도에서는 아세
테이트 기질 농도의 증가에 관계없이 거의 일정하였으며 전기발생 시간만 증가하였다． 이와 같이 적정 기질 농도 범위에서 농도 증가에 따라 전압이 급격하게 상승한 이유는 유기물을 분해하면서 전자를 전달하는 활성화된 미생물들이 MFC에적응하여 산화전극 표면에 부착하여 성장하고 있기응용화학，제13권제2호，2009
·미브
유가공폐수처리를위한미생물연료전지의전기생산특성
때문으로 사료된다．또한 기질 농도를 과잉으로 증가시킴에 따른 전압의 생성은 시간당 미생물들 이 소모할 수 있는 기질량이 한정되기 때문에 거의 일정하게 나타난 것으로 사료된다．
실제 폐수를 적용하였을 때의 전기 생산 및 폐수처리 특성을 파악하기 위하여 유가공폐수를 사
용하여 회분식 조건의 MFC 실험을 수행하였다． 고농도의 유가공폐수（558 mg/ L COD） 를 희석하
여 150 mg/ L COD로조절한 폐수를 유입시킨 MFC의발생된 최고 전압은 64 V, 최대 전력밀도는 866 mw/mZ 이었으며， 반웅 6일 후 coD 제거율은 75. 7％ 이었다． 또한 MFc 반응이 완결된
후 처리수를 수질 분석한 결과 T-N은 43% 감소하였고，NH3- N은 57% 감소하였다．
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Fig. 2. Voltage generation with acetate as Fig. 2. Voftage generation and COD an energy souree (extemal resistance l00貂） removal with diary wastewater MFC
4. 결 론
본 연구에서는 MFC의실폐수 적용 가능성을 평가하기 위하여 실제 유제품 가공 공장의 폐수를 사용하여 전기발생 및 폐수처리 성능을 조사하였다．먼저 기질 농도에 따른 전기 생산 특성을 알 아보기 위하여 MFC의산화전극 반응조에 acetate의농도를 변화시키면서 주입한 결과 발생되는 전압은 적정 기질 농도 범위에서 농도 증가에 따라 전압이 급격히 상승하였으나， 기질 농도를 과 잉으로 증가시켰을 경우에는 시간당 미생물들이 소모할 수 있는 기질량이 한정되기 때문에 거의 일정하게 나타났다．또한 실제 유가공 폐수를 이용하여 운전한 MFC의최대 전력밀도는 866
mw/ mZ 이었으며， 이 때 처리수의 coD제거율은 75. 7％ 이었다． 단일의 외부탄소원을 주입한 경우
보다 유가공폐수를 기질로서 주입한 MFC에서전력밀도 및 발전효율이 높았다．이와 같은 MFC의 실폐수 적용 가능성 실험 결과로서 전기발생 효율을 증가시키고 축전을 할 수 있는 기술을 지속 하여 발전시킨다면 MFC 공정은 공장 및 생활 폐수를 처리하는 과정에 적용하여 전기를 생산하면 서 폐수를 처리할 수 있는 획기적인 공정이 될 것으로 기대된다．
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