생물전기화학적 하·폐수 질소제거
Bio-electrochemical Removal of Nitrogen from Wastewater
- 주제(키워드) Biocathode , Bio-electrochemical system , Denitrification , Microbial fuel cell , Nitrogen removal , Power density
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 윤주환
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2016. 2
- 학위구분 박사
- 학과 대학원 환경공학과
- 세부전공 환경공학전공
- 원문페이지 155 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000065032
- 본문언어 한국어
- 제출원본 000045866340
초록/요약
When released into the aqueous environment, nitrogen can cause serious problems, such as eutrophication of rivers, the deterioration of water quality, and damage to human health. Thus, nitrogen compounds are treated using many methods, such as abiotic and biotic processes. Microbial fuel cells (MFCs) have been researched to reduce energy and carbon dioxide emissions from wastewater treatment. MFCs are regarded as a promising future technology due to their ability to produce electrical energy through the removal of organic matter without the use of energy. This study aimed to find the optimum operational conditions for the simultaneous removal of organics and nitrogen and production of electrical power using a two-chamber biocathode MFC, and a wastewater treatment process was established based on results of the MFC operational factors. Additionally, to remove highly concentrated nitrate in wastewater, a bio-electrochemical system (BES) was operated under different fixed voltage and current conditions. When the C/N ratio in the wastewater, SCODcr and nitrate removal rates and current density increased. Denitrification was possible under a C/N ratio of 1. When there were ammonium ions in the anode, ammonium diffusion occurred because of the concentration gradients and the charge balance between the anode and cathode chambers. Thus, it was determined that the ammonium ions in the anolyte promoted electron movement, increasing the denitrification rate to twice that of the ammonium-free system. The denitrification biocathode-MFC(DNB-MFC) achieved the maximum denitrification rate and power density at low external resistance of 1 Ω and short HRTs of 0.5 h. A wastewater treatment process based on the MFC-MBR was operated to treat real wastewater. This process met Korean wastewater regulations and made it possible to save energy for process operations. A biocathode bio-electrochemical system was operated to remove high concentrations of nitrate-nitrogen without organics in wastewater under different fixed voltage and current conditions. With the open-type BES(O-BES) operation, it was possible to remove NO3—-N when supplying a low current to the O-BES; constant current operational conditions were more efficient because of the reliable electron supply. According to the results of this study, DNB-MFC with the nitrification system allowed the simultaneous removal of organics and nitrogen and production of electrical power. The O-BES achieved nitrogen removal without organic matter under low-current operational conditions. Bio-electrochemical systems, such as the MFC and denitrification-BES, achieved high nitrate reduction rates in these systems.
more목차
1. 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
2. 문헌연구 5
2.1 생물학적 질소제거 5
2.2 Biocathode MFC를 이용한 질소제거 13
2.3 생물전기화학적 시스템을 이용한 질소제거 21
3. 유기물 및 질산성 질소 동시 제거를 위한 Biocathode MFC 적용 가능성 평가 27
3.1 서론 27
3.2 실험방법 27
3.2.1 Biocathode MFC 반응조 27
3.2.2 운전 조건 29
3.2.3 분석방법 31
3.2.4 계산 32
3.3 결과 및 토의 34
3.3.1 유기물 농도 변화에 따른 NO3--N 제거 효율 평가 34
3.3.2 질소 농도 변화에 따른 NO3--N 제거 효율 평가 39
3.3.3 장기운전에 따른 반응조 내 환경 변화 43
3.4 결론 48
4. 질산염 환원 및 전류밀도에 미치는 산화전극부 유입수 내 암모니아성 질소의 영향 49
4.1 서론 49
4.2 실험방법 49
4.2.1 암모니아 이온 물질전달계수 산정을 위한 회분식 실험 49
4.2.2 Biocathode MFC 운영 50
4.2.3 계산 51
4.3 결과 및 토의 53
4.3.1 비생물학적 운영조건에서 암모니아성 질소의 물질전달계수 산정 53
4.3.2 이실형 MFC에서 암모니아성 질소 거동 55
4.3.3 산화전극부 내 NH4+-N가 NO3--N 환원속도 및 전류밀도에 미치는 영향 59
4.4 결론 62
5. 생물환원전극 미생물연료전지에서 외부저항 및 유입부하에 따른 유기물 및 질소 제거와 전기 생산 63
5.1 서론 63
5.2 실험방법 63
5.2.1 DNB-MFC 반응조 형상 및 구성 63
5.2.2 외부저항에 따른 효율 평가를 위한 운전 조건 65
5.2.3 유입부하에 따른 효율 평가를 위한 운전 조건 66
5.2.4 측정 및 분석 방법 67
5.3. 결과 및 토의 68
5.3.1 외부저항에 따른 유기물, 질소 제거 및 전기 생산 특성 68
5.3.2 유기물 및 질소 부하 증가에 따른 처리효율 및 전기 생산 특성 75
5.4 결론 83
6. Biocathode MFC-MBR 기반의 하수처리 공정을 이용한 하수처리
84
6.1 서론 84
6.2 실험방법 84
6.2.1 MFC-MBR 기반 하수처리공정 구성 84
6.2.2 운전조건 및 유입수 특성 86
6.2.3 전극표면 미생물 분석 87
6.3 결과 및 토의 88
6.3.1 MFC 운전 특성 88
6.3.2 각 공정별 오염물 거동 특성 91
6.3.3 MFC-MBR 공정의 전력 소비량 예측 96
6.3.4 MFC 전극표면 및 미생물 분석 98
6.4 결론 107
7. 질산성 질소 함유폐수 처리를 위한 생물환원전극 전기화학시스템의 적용 108
7.1 서론 108
7.2 실험방법 108
7.2.1 실험장치 108
7.2.2 운전조건 110
7.3 결과 및 토의 112
7.3.1 정전압 및 정전류 조건에서 탈질 효율 비교 112
7.3.2 정전류 조건에서 실폐수를 이용한 질산성 질소의 제 114
7.4 결론 119
8. 결 론 120
참고문헌 124
