The removal of organic carbon and nutrients (i.e. N and P) from wastewater is essential for the protection of the water environment. Especially, nitrogen compounds cause eutrophication in the water environment, resulting in bad water quality. Conventional nitrogen removal systems require high aeration costs and additional organic carbon. Microbial electrochemical system (MES) is a sustainable environmental system that treats wastewater and produces energy or valuable chemicals by using microbial electrochemical reaction. Innovative and cost-effective nitrogen removal is feasible by using MESs and increasing attention has been given to the MES development. In this review, recent trends of MESs for nitrogen removal and their mechanism were conclusively reviewed and future research outlooks were also introduced.

In this study, we evaluated the energy production from plant-microbial fuel cells using representative indoor plants, such as Scindapsus aureus and Clatha minor. The maximum power density of microbial fuel cell (MFC) using S. aureus (3.36 mW/m2) was about 2 times higher than that of the MFC using C. minor (1.43 mW/m2). It was confirmed that energy recovery is possible using plant-MFCs without fuel. However, further research is needed to improve the performance of plant-MFCs. Nevertheless, plant-MFCs have proved their potential as a novel energy source to overcome the limitations of the conventional renewable energy sources such as wind power and solar cells, and could be employed to a power source for the sensor in charge of the fourth industrial revolution.

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.

생물전기화학시스템은 미생물 연료전지로 불리며, 연료전지의 음극, 양극, 분리막으로 구성된 시스템에서 미생물의 활동을 기반으로 유기물을 분해 및 전력생산을 동시에 할 수 있는 장치이다. 생물전기화학시스템을 이용한 전력생산 및 오염물질의 분해의 측면에서 액상 기질을 이용한 많은 연구가 이루어졌다. 액상의 기질은 미생물이 이용하기 쉬운 유기물질을 포함하여 쉽게 전력을 생산할 수 있으나 슬러지의 경우 전처리를 통하여 기질을 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고 슬러지를 직접적으로 이용하는 생물전기 화학시스템의 연구는 여전히 초기단계에 있다. 본 연구에서는 하수슬러지를 이용하여 생물전기화학시스템에서 직접적으로 전력을 생산하고 동시에 슬러지 감량화를 이루고자 하였다. 슬러지를 직접적으로 기질로 사용한 경우, 기존의 액상기질을 사용한 반응조와 비교하여 장시간 일정한 전력생산을 기대할 수 있었으며 기질의 충진시간 간격을 길게 하는 장점을 보였다. 그러나, 완전한 기질의 제거는 기대할 수 없었으며 생물전기화학시스템으로 1차적으로 에너지 및 슬러지 감량화를 하여 2차적인 처리가 필요할 것으로 판단되었다.

A bioelectrochemical anaerobic digester for food waste was developed by installing an anode (−250 mV vs. Ag/AgCl) and a cathode (−550 mV vs. Ag/AgCl) inside a conventional lab-scale anaerobic digester. The performance of the bioelectrochemical anaerobic digester was investigated at different organic loading rates of 0.70-4.25 g VS/L.d. The bioelectrochemical anaerobic digester was rapidly stabilized within 25 days after start up, and at an organic loading rate of less than 1.97 g VS/L.d., state variables such as pH (7.0-7.8) and alkalinity (10-12 g/L as CaCO3) were very stable. The volatile fatty acids were maintained at 400-500 mg HAc/L with their main component being acetic acid (80%). At an organic loading rate of 1.97 g VS/L.d, the performance was significantly high in terms of the specific methane production rate (1.37 L CH4/L.d) and the methane content in the biogas (around 74%). The removal efficiencies of volatile solid and chemical oxygen demand were also as high as 80.1% and 85.1%, respectively, and the overall energy efficiency was 91.2%. However, the process stability deteriorated at an organic loading rate of 4.25 g VS/L.d.

유기성폐기물을 안정화시키는 동시에 바이오가스를 회수하는 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 환경변화에 대한 민감성에 기인하여 20일 이상의 긴 체류시간을 필요로 하고 유기물 감량율과 메탄생성율이 높지 않다는 단점이 있다. 또한, 혐기성소화조는 성능을 유지시키기 위하여 중온(35℃) 또는 고온(55℃) 조건에서 운전하게 되는데, 소화조의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 가온하는데 많은 에너지를 필요로 한다. 그러나, 혐기성소화조를 저온에서 운전하게 될 경우 가온에 필요한 에너지를 절약할 수 있지만 생화학반응속도가 감소하여 소화성능이 크게 저하하는 결과로 이어지게 된다. 한편, 생물전기화학 혐기성소화(bioelectrochemical anaerobic digestion)는 재래식 혐기성소화가 가진 단점들을 극복하기 위하여 기존의 혐기성소화조에 산화전극과 환원전극으로 이루어진 생물전기화학장치를 설치하고 전극들에 일정한 전위를 인가함으로서 유기물의 혐기성분해 반응을 촉진시키는 기술이다. 본 연구에서는 하수슬러지를 대상으로 25℃의 저온조건에서 생물전기화학 혐기성소화성능을 평가하고, 중온조건에서의 결과와 비교하였다. 또한, 저온소화 성능에 대한 철염의 영향을 조사하였다. 본 연구는 교반기가 설치된 유효용량 12L의 재래식 혐기성소화조에 산화전극과 환원전극을 설치한 생물전기화학 혐기성소화조를 이용하여 수행하였다. 이때 산화전극은 흑연직물섬유의 표면에 탄소나노튜브를 전기영동전착법으로 고정시킨 것을 사용하였으며, 환원전극은 흑연직물섬유의 표면에 탄소나노튜브와 니켈을 동시에 고정시킨 것을 사용하였다. 준비된 생물전기화학 혐기성소화조의 산화전극과 환원전극 사이에는 외부의 직류전원을 이용하여 0.3V의 전압을 인가하였다. 초기운전을 위하여 S 하수처리장 혐기성소화조로부터 채취한 혐기성슬러지를 식종하였으며, Y 하수종말처리장에서 채취한 하수슬러지를 1일 1회 정량 주입하여 수리학적 체류시간은 20일로 유지하였다. 생물전기화학 혐기성소화조를 운전하는 동안 pH, VFA, COD 및 VS 그리고 바이오가스발생량 및 메탄함량과 전류의 변화 등을 관측하였다. 생물전기화학 혐기성소화조를 35℃의 중온에서 운전한 경우 초기운전기간 이후 정상상태에 도달하였을 때 비메탄발생율과 VS 감량은 각각 0.412L CH4/L/d 및 72.5%로서 대단히 우수한 소화성능을 보였다. 그러나, 생물전기화학 혐기성소화조를 저온에서 운전하였을 때 메탄발생량과 유기물 감량율은 전차감소하였으며, 정상상태에서 비메탄발생율과 VS 감량은 각각 0.354 L CH4/L/d 및 61.3%로서 중온조건의 85% 정도 소화성능을 보였다. 그러나, 유입슬러지에 철염을 첨가하여 생물전기화학 혐기성소화조를 운전하였을 때 메탄발생량과 VS 감량율은 빠르게 회복하였으며, 비메탄발생량과 VS 감량은 각각 403L CH4/L/d 및 69.8%로서 중온성능의 98% 가량의 성능을 보였다.

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.

Nitrate contamination of water environments can create serious problems such as eutrophication of rivers. Conventional biological processes for nitrate removal by heterotrophic denitrification often need additional organic substrates as carbon sources and electron donors. We tried to accelerate biological denitrification by using bioelectrochemical reactor (BER) in which electrode works as an electron donor. Denitrification activity of 8 environmental samples from various sediments, soils, groundwaters, and sludges were tested to establish an efficient enrichment culture for BER. The established enrichment culture from a soil sample showed stable denitrification activity without any nitrite accumulation. Microbial community analysis by using PCR-DGGE method revealed that dominant denitrifiers in the enrichment culture were Pantoea sp., Cronobacter sakazakii, and Castellaniella defragrans. Denitrification rate (0.08 kg/m3·day) of the enrichment culture in BER with electrode poised at -0.5 V (vs Ag/AgCl) was higher than that (2.1×10-2kg/m3·day) of BER without any poised potential. This results suggested that biological denitrification would be improved by supplying potential throughout electrode in BER. Further research using BER without any organic substrate addition is needed to apply this system for bioremediation of water and wastewater contaminated by nitrate.