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.

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.