상향류식 혐기성 생물전기화학 반응조(upflow anaerobic bioelectrochemical reactor, UABE)를 이용하여 주정폐수를 유기물부하율 16 g COD/L.d에서 처리하는 동안 pH, 알카리도, 유기산 등의 상태변수들의 변화와 COD 제거율, 비메탄발생량 및 메탄함량에 대한 전극배치의 영향을 평가하였으며, 그 성능을 UASB 반응조와 비교하였다. 면적이 27 m²/m³인 전극을 나선형으로 UABE 반응조 전체 공간에 고르게 배치하였을 때 비메탄발생율은 5.78 L/L.d로서, 전극을 설치하지 않은 UASB 반응조의 3.49 L/L.d보다 약 65.6%로 높았다. 이것은 UABE 반응조에 전기활성미생물이 성장하여 직접 종간전자전달(direct interspecies electron transfer, DIET) 반응이 활성화됨으로서 메탄생성반응이 크게 향상되었다는 것을 의미한다. UABE 반응조의 상부 1/3의 공간에 위치한 전극을 제거하였을 때, 비메탄발생율은 5.74 L/L.d로서 반응조 전체 공간에 전극을 설치한 경우와 큰 차이가 없으나, UABE 반응조 상부 2/3 공간에 설치한 전극을 제거한 경우 비메탄발생율은 5.34 L/L.d로 약 7.5% 감소하였다. 이 결과는 UABE 반응조에서 전극을 하부 1/3의 공간에만 설치한 경우 전기활성미생물도 감소하여 DIET 반응도 감소하였다는 것을 의미한다. 전극을 UABE 반응조 하부로부터 2/3 이상의 공간까지 설치하였을 때 COD 제거율은 약 91.5%이었으나 반응조 하부로부터 1/3의 공간에만 설치한 경우 COD 제거율은 88.9%로 약 2.6%로 감소하였다.

혐기성소화기술은 지난 백여년 이상동안 많은 연구자들에 의하여 연구되어 온 전통기술로서 최근 지구온난화 문제가 전 세계적인 이슈로 부상하면서 새롭게 조명 받고 있다. 그러나, 혐기성소화기술은 여전히 메탄생성균의 느린 성장속도와 환경인자에 대한 민감성에 기인하여 20일 이상의 긴 체류시간을 필요로 하고 유기물감량율이 낮으며, 운전조건이 까다롭다는 단점을 지니고 있다. 최근 들어 환경생물전기화학자들에 의해 연구되기 시작한 생물전기화학기술(Bioelectrochemical technology)을 혐기성소화공정에 활용하면 메탄생성반응과 가수분해반응을 크게 촉진시킬 수 있어 전통적인 혐기성소화기술의 단점들이 상당 부분 극복할 수 있다. 혐기성소화공정에 활용하는 생물전기화학기술은 소화조 내에 설치하는 산화전극과 환원전극으로 이루어지며, 외부회로에 의하여 서로 연결된 산화전극과 환원전극 사이에 외부전원을 이용하여 전압을 인가하여 일정한 전위차가 유지되도록 한 미생물전해전지(Microbial electrolysis cells, MECs)의 형태이다. 혐기성소화조에서 전기적으로 활성을 가진 미생물들은 유기물이나 유기산을 빠른 속도로 분해하여 전자와 양성자를 생성하며, 전자는 산화전극으로 전달된 뒤 외부회로를 통하여 환원전극으로 이동한다. 환원전극의 표면에서는 전자와 양성자 또는 전자와 양성자 및 이산화탄소가 반응하여 수소나 메탄과 같은 바이오가스가 생성된다. 본 연구에서는 완전혼합형 혐기성소화조에 생물전기화학장치가 설치된 반응조 (Bioelectrochemical anaerobic digestion, BEAD)을 이용하여 수리학적 체류시간에 따른 PTA 폐수의 처리특성을 평가하였다. PTA (purified terephthalic acid) 폐수는 A 산업에서 채취한 것으로서 COD 값이 약 6,000-8,000mg/L였으며, 주요 구성성분은 terephthalic acid, p-toluic acid, benzoic acid, acetic acid 등이었으며, pH는 5-6이었다. 먼저, 실험에 사용한 산화전극 및 환원전극은 흑연직물 섬유의 표면에 탄소나노튜브를 초음파분산법으로 고정하여 제작하였다. 교반기가 설치된 유효부피 15L의 원통형 혐기성 소화조에 산화전극과 환원전극을 각각 설치하였으며, 산화전극과 환원전극 사이에 0.3V의 전압을 인가하였다. 하수슬러지를 이용하여 운전 중인 생물전기화학장치가 설치된 혐기성소화조에서 유출 슬러지를 초기 운전을 위한 식종균으로 사용하였으며, PTA 폐수를 1일 1회 정량 주입하여 수리학적 체류시간을 20일로 유지하였다. 소화조가 안정화되었을 때 수리학적 체류시간을 단계적으로 10일, 5일, 2.5일 그리고 1.25일 까지 변화시키면서 총 바이오가스발생량 및 메탄함량, COD 제거율과 전류의 변화 등을 관측하였다. 생물전기화학장치가 설치된 혐기성소화조의 COD 감량율은 수리학적 체류시간에 관계없이 약 60%로서 보였으며, 바이오가스의 메탄함량(%)은 80% 이상을 유지하였다. 그러나, 메탄발생량은 수리학적 체류시간의 감소에 따른 유기물 부하율 증가에 비례하여 증가하였다. 그러나, 외부회로의 전류와 메탄가스 발생량으로부터 계산한 쿨롱효율은 수리학적 체류시간이 감소에 따라 오히려 증가하였다. COD 제거율, 바이오가스의 메탄함량 및 메탄가스발생량으로 평가한 생물전기화학장치가 설치된 혐기성소화공정의 안정성은 수리학적 체류시간 20일부터 1.25일의 범위에서 영향을 받지 않았다.

미생물전해전지(Microbial Electrolysis Cells, MECs)는 산화전극과 환원전극 사이에 적당한 전위차가 유지되도록 외부전원을 이용하여 전압을 인가함으로서 산화전극 표면에 부착 성장하는 전기적으로 활성을 가진 미생물에 의한 유기물 분해를 촉진시키고 수소나 메탄과 같은 유용물질을 생성시키는 장치이다. 따라서, 최근 미생물전해전지를 이용하여 유기성 폐수의 처리 및 에너지회수를 위한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 미생물전해전지의 운전과 성능에서 미치는 가장 중요한 인자 중의 한 가지는 전극이다. 지금까지 미생물전해전지 연구에 사용되어온 전극들은 대부분 전기전도성이 낮거나 부식이 문제가 된 경우가 많아 실용화에 걸림돌이 되고 있다. 여러 가지 전극재료들 중 흑연섬유직물(GFF; Graphite Fiber Fabric)은 내구성이 강하고 비표면적이 넓지만 전기전도성이 낮다는 단점이 있으며, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 전도성이 대단히 우수한 물질이지만 전극으로 성형, 가공하기 위한 제작기술이 없는 상황이다. 본 연구에서는 흑연섬유직물의 표면에 탄소나노튜브를 전기영동전착법(Electrophoretic deposition, EPD)으로 고정함으로서 내구성이 높고 비표면적과 전도성이 우수한 전극을 제작하기 위한 연구를 수행하였다. 탄소나노튜브를 흑연섬유직물의 표면에 전착시키기 위하여 먼저, 탄소나노튜브(1g)와 PEI(Polyethylenimine) 및 nickel pyrite(PEI1000-Ni500ppm, PEI500-Ni250ppm, PEI500- Ni500ppm)를 초순수 1L에 혼합한 다음 초음파를 이용하여 분산시켜 전기영동 용액을 준비하였다. 면적이 동일한 흑연섬유직물(Working Electrode: GFF)과 스텐리스망(Counter Electrode: stainless steel mesh)을 전기영동 용액에 평행하게 고정하고 두 전극 사이에 전압을 인가하여 전착시켰으며, 200℃에서 열처리를 하여 미생물전해전지용 전극을 제작하였으며, 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 흑연섬유직물의 표면에 전착된 탄소나노튜브의 상태를 확인하였다. 준비된 전극들은 1cm² 크기로 잘라 four-point법으로 저항 측정하였다. 흑연직물섬유은 저항이 0.115Ω/cm이었으나, 탄소나노튜브가 표면에 전착된 흑연섬유직물 전극의 저항은 크게 감소하였다. 특히, 탄소나노튜브 및 PEI500-Ni250ppm으로 구성된 전기영동용액으로 탄소나노튜브를 표면에 전착한 흑연섬유직물 전극은 저항이 0.006Ω/cm로서 코팅하지 않은 흑연섬유직물 보다 전기전도성이 약 20배 증가하였다. 탄소나노튜브를 전기영동법으로 흑연섬유직물의 표면에 전착한 전극은 비표면적이 넓고 부식성이 강한 고전도성의 우수한 미생물전해전지용 전극으로 사용 할 수 있을 것으로 판단된다.