KR20120119690A - Control of malodorous volatile sulfur compounds in the urban sewage system using a microbial fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
발명은 생물학적 전기생산기기(미생물연료전지)의 기작을 이용하여 악취 발생을 억제할 수 있는 장치 및 그 방법에 관한 것으로써, 특히 생활주변 기초 환경시설물(맨홀, 오/우수받이, 오/우수 관로, 유수지 등)의 바닥 퇴적층에서 흔히 생성되는 악취유발물질인 휘발성 황화합물의 발생을 억제하거나, 발생된 악취전구물질을 분해?저감시킬 수 있는 황 계열 악취 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a device and method for suppressing odor generation by using a mechanism of biological electricity production equipment (microbial fuel cell), and in particular, the basic environmental facilities (manholes, s / w, s / w) The present invention relates to a sulfur-based odor control device and a method for suppressing the generation of odorous sulfur compounds, which are commonly generated in the bottom sedimentation layer of oil and sediment, or decomposing and reducing the generated odor precursors.
생활주변 환경기초시설(맨홀, 오/우수받이, 하수처리시설 등)에서 발생되는 악취는 오/우수에 포함된 유기물질이 분해되며 생성되는 휘발성 황화합물, 휘발성 질소화합물, 휘발성 지방산 등의 악취물질의 혼합물에 기인한다. 특히 황계열 악취물질은 환경기초시설에서 발생되는 대표적인 악취물질로서 주로 음식의 썩는 냄새와 유사하고 대기환경 중에서 일정농도 이상으로 장기간 존재하는 경우 동식물에 다양한 생리적 장해를 일으킬 수 있다.Odors generated from environmental foundations (manholes, sewage / water wells, sewage treatment facilities, etc.) surrounding living are decomposed of organic matters contained in sewage / water. Due to the mixture. In particular, the sulfur-based malodorous substances are representative malodorous substances generated in environmental foundations, which are mainly similar to the rotting smell of food and can cause various physiological obstacles to animals and plants when they exist for a long time at a certain concentration or more in the air environment.
악취를 유발하는 황계열 악취물질은 혐기성의 강한 환원상태(산화환원전위 -250mV 이하)에서 황산염환원균(sulfate-reducing bacteria)이 황산염이온(sulfate, SO4 2-)을 최종적인 전자 수용체로 이용함으로써 황산염을 환원시켜 황화수소(hydrogen sulfide, H2S)과 같은 황화합물(sulfide)로 변환시키면서 발생된다. 이러한 황화합물은 오폐수 유기물과 결합하여 유기성황화합물(organic sulfur compounds)로 변환되기도 하며 이와 같은 황화수소 및 유기성황화합물들은 대표적 휘발성 황화합물(volatile sulfur compound, VSC)로써 상부 대기 중으로 확산되어 악취를 유발한다. 휘발성황화합물은 part per billion (ppb) 단위의 극히 저농도로 존재하는 상태에서도 악취를 유발하는 것으로 알려져 있다. 또한 황화수소는 악취유발 물질이면서 인체에 유해하고 하수관거 내에서 관정부식을 유발하는 원인물질이기도 하다.Sulfur-based malodorous substances that cause odors include sulfate-reducing bacteria using sulfate ions (SO 4 2- ) as the final electron acceptor in the anaerobic strong reducing state (below -250mV redox potential). This is achieved by reducing the sulfate to convert it to a sulfur compound such as hydrogen sulfide (H 2 S). These sulfur compounds may be converted into organic sulfur compounds by combining with wastewater organic materials. Such hydrogen sulfide and organic sulfur compounds are representative volatile sulfur compounds (VSCs), which are diffused into the upper atmosphere to cause odors. Volatile sulfur compounds are known to cause odors even in extremely low concentrations in parts per billion (ppb). In addition, hydrogen sulfide is a odor-causing substance and is harmful to the human body, and is also a causative agent of causing governmental eating in sewage pipes.
황계열 악취물질을 저감하기 위한 방법에는 호기성 상태의 유지, 황산염환원균의 활동성 억제, 화학적인 황화합물 제거 등이 있다. 이러한 방법들 중에서 악취를 방지하기 위한 가장 이상적인 방법은 호기성 상태를 유지하는 것이다. 환경기초시설 바닥을 호기성 상태로 유지하면 미생물의 신진대사에 의한 유기물질의 산화 분해 시 나타날 수 있는 악취물질의 생성을 근원적으로 억제할 수 있다. 이를 위해 공기를 주입하거나 과산화수소 등의 산화제를 주입하여 혐기성 구역이 형성되는 것을 방지하는 방법이 사용되고 있다. Methods for reducing sulfur-based malodorous substances include maintaining aerobic conditions, inhibiting activity of sulfate reducing bacteria, and removing chemical sulfur compounds. Of these methods, the most ideal way to prevent odors is to maintain aerobic conditions. Maintaining aerobic floors in the environment can fundamentally suppress the production of odorous substances that can occur during the oxidative degradation of organic substances by metabolism of microorganisms. To this end, a method of injecting air or injecting an oxidant such as hydrogen peroxide to prevent the formation of anaerobic zones has been used.
그러나 공기를 주입시키는데 에너지 소비가 크며, 강한 산화제를 주입하는 경우 악취를 발생시키지 않는 많은 다른 유기화합물들이 동시에 산화됨으로써 산화제가 비효율적으로 소모되어 산화공정에 과도한 비용이 요구된다. 이로 인하여 실제 하수관거 및 하수처리시설에는 원천적인 악취 방지보다는 악취가 발생한 후에 포집하여 처리하는 후처리 제어기술이 일반적으로 적용되고 있다. However, the energy consumption is high to inject air, and when injecting a strong oxidant, many other organic compounds which do not cause odor are oxidized at the same time, so that the oxidant is consumed inefficiently, and excessive cost is required for the oxidation process. For this reason, the post-treatment control technology is generally applied to sewage pipes and sewage treatment facilities to collect and process odor after occurrence, rather than to prevent odor.
그러나 기상조건(기온, 강수량), 유기물 특성에 따라 계절별, 지역별로 악취 발생량, 냄새 특성, 강도가 크게 다른 특징을 가지므로, 발생한 악취를 저감하거나 제어하는 수동적인 기존의 악취저감기술은 하수관거나 맨홀, 오/우수받이 등의 비점오염원에 적용시키기는 부적절하다.However, due to the weather conditions (temperature, precipitation) and the characteristics of organic matter, the amount of odor generated, odor characteristics, and intensity vary greatly depending on the season and region. Therefore, the existing passive odor reduction technology for reducing or controlling odor generated is a sewer pipe or manhole. Inappropriate application to nonpoint sources such as sewage and sewers may be inadequate.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고 상기의 필요성에 의하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 설치 및 유지보수 비용이 저렴하고 충실한 악취제거 효과를 발휘하며, 시스템으로부터 발생되는 전기를 이용하여 악취발생 가능성을 모니터링 할 수 있는 친환경적, 경제적, 효율적인 비점오염 황계열 악취 제어장치를 제공하는 것이다.The present invention solves the above-mentioned problems and created by the necessity of the above, the object of the present invention is low installation and maintenance costs, exhibits a faithful odor removal effect, the possibility of odor generation using electricity generated from the system It is to provide an eco-friendly, economical, and efficient non-point pollution sulfur series odor control device that can be monitored.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 혐기성 퇴적물 상에 설치되는 산화전극(111)과, 오/우수 상에 설치되는 환원전극(112); 및 상기 산화전극(111)과 환원전극(112)을 연결하는 전선(120)과 전기발생량을 측정할 수 있도록 전선(120) 중간에 저항소자(130)와 전압측정기(140)를 구비하는 생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성황화합물 제어 장치를 제공한다.The present invention for achieving the above object is an anode (111) installed on the anaerobic deposits, and a reduction electrode (112) installed on the sewage / excellent; And a
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제어 장치는 두 전극을 고정시키는 고정대(113)를 더욱 포함하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the control device preferably further includes a
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 산화전극(111), 상기 환원전극(112), 및 상기 고정대(113)는 불용성인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In another embodiment of the present invention, the
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 산화전극(111)과 환원전극(112)는 흑연(graphite) 소재로 이루어진 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In another embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전압측정기(140)는 단순 또는 멀티형 디지털 또는 아나로그 전압계인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 장치는 양이온교환막을 더욱 포함하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In another embodiment of the present invention, the apparatus preferably further includes a cation exchange membrane, but is not limited thereto.
또한 본 발명은 환경기초시설 바닥의 혐기성 퇴적물에 산화전극을 설치하고, 상부 오/우수 상에 환원전극을 설치하여, 환경기초시설에서 발생하는 악취를 제거하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for removing the odor generated in the environmental foundation by installing an anode on the anaerobic deposits of the bottom of the environmental infrastructure, and a reduction electrode on the upper effluent.
이하 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.
본 발명에 따르면, 고형물과 부패성 유기물질로 이루어진 혐기성 퇴적물 상에 산화전극이, 퇴적물 상층으로 흐르는 오/우수 상에는 환원전극이 수평으로 설치되며, 두 전극을 4개의 비전도성 고정대에 고정된 직사각형 형태의 전극세트로 구성된다. 상기 산화 전극판과 환원 전극판은 전자가 이동할 수 있는 불용성 전선으로 연결되며, 상기 전선 중간에 저항소자가 연결되고 저항소자에 걸린 전압을 이용해 전기발생량을 측정할 수 있도록 전압측정기가 구비된다.According to the present invention, an anode is disposed horizontally on an anaerobic deposit composed of a solid material and a perishable organic material, and a cathode is horizontally disposed on a sewage / excellent flow to an upper layer of the deposit, and two electrodes are fixed to four non-conductive stators. It consists of an electrode set. The oxidation electrode plate and the reduction electrode plate are connected to an insoluble wire through which electrons can move, and a resistance meter is connected to the middle of the wire, and a voltage meter is provided to measure an amount of electricity generation using a voltage applied to the resistance element.
여기서 상기 산화 전극판과 환원 전극판은 실표면적이 상대적으로 넓고 불용성인 graphite 소재로 만들어진 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.Here, the oxide electrode plate and the reduction electrode plate are preferably made of graphite material having a relatively large surface area and insoluble, but are not limited thereto.
상기 산화전극과 환원 전극을 연결하는 전선을 통하여 전기발생량 또는 산화환원전위를 측정하여 하수구에서 발생하는 악취를 제어하는 방법을 제공한다.It provides a method for controlling the odor generated in the sewer by measuring the amount of electricity generated or the redox potential through the wire connecting the anode and the reduction electrode.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제어방법은 휘발성 황 화합물과 같은 황 계열 악취물질의 생성을 억제하기 위하여 산화전극 주변 퇴적물 층의 산화환원 전위값을 -150mV 이상, 즉 황산염 환원균의 활동을 억제하는 상태를 유지하며 전기가 생성되는 환경을 제공한다.In one embodiment of the present invention, the control method is a redox potential of -150mV or more, that is, the activity of sulfate reducing bacteria of the deposit layer around the anode in order to suppress the generation of sulfur-based odorous substances such as volatile sulfur compounds It provides an environment where electricity is generated while maintaining a restraining state.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제어시스템에서 산화전극 주변 퇴적물 층이 황산염환원균의 활동이 활발해지는 혐기성의 강한 환원상 환경으로 바뀌어 황계열 악취물질의 전구물질이 발생하였을 경우에도 생성된 황계열 악취전구물질이 산화전극에서 영가의 황(S0)으로 산화되면서 제거되고 이와 동시에 추가의 전기가 생성되는 환경을 제공한다.In one embodiment of the present invention, the sulfur produced even when the precursor of the sulfur-based malodorous substance is generated by changing the sediment layer around the anode in the control system to an anaerobic strong reducing phase environment in which the activity of sulfate reducing bacteria is active. The series of odor precursors are oxidized to zero-valent sulfur (S 0 ) at the anode and at the same time provide an environment in which additional electricity is generated.
위에 언급된 산화환원전위는 환경분야에서 호기성/혐기성을 구분할 수 있는 지표로써, 강한 혐기성 상태인 -250 mV수준 또는 그 이하(이는 이론적인 값임. 실제 실험에서 측정하는 곳은 산화전극 주변으로 이곳에서 실제 측정 가능한 수준은 -150mV 정도 또는 그 이하)의 산화환원전위 환경에서 황계열 악취물질을 유발하는 미생물인 황산염환원균의 활동이 가장 활발한 것으로 알려져 있다. The above-mentioned redox potential is an indicator for distinguishing aerobic / anaerobic in the environmental field. The strong anaerobic level of -250 mV or less (this is a theoretical value. The actual measurement is performed around the anode. The actual measurable level is known to be the most active activity of sulfate reducing bacteria, microorganisms that cause sulfur-based malodorous substances in the redox potential environment of about -150mV or less).
따라서 하수관거 내 혐기성 상태의 퇴적물내에서 산화환원전위의 범위가 -250 mV이하인 경우 황계열 악취전구물질의 발생이 가장 활발하여 황계열 악취가 발생한다. Therefore, in the anaerobic sediments in sewage pipes, the sulfur-based odor precursors are most active when the redox potential is less than -250 mV, resulting in sulfur-based odor.
본 발명에서 제시된 시스템에서는 하수에 다량 존재하는 철 환원균에 의해서도 전기가 발생될 수 있다. 이 때의 산화 환원 전위는 -50 ~ +10 mV로 황산염 환원균의 활동이 크게 억제되어 황산염이 존재하더라도 악취를 유발하는 황계열 물질로 변환되지 않는다. 따라서 산화 환원 전극 주변 퇴적물의 산화 환원 전위가 -150㎷ 이상일 경우에도 전기가 발생될 수 있으며, 이러한 경우 황 계열 악취물질이 생성되지 않고 철 환원균에 의해 전기가 발생되는 것이다. 이와 같은 환경에서는 황 계열 악취물질의 생성 자체가 억제된다. In the system proposed in the present invention, electricity can also be generated by iron reducing bacteria present in a large amount in sewage. At this time, the redox potential is -50 ~ +10 mV, the activity of the sulfate reducing bacterium is greatly suppressed, and even in the presence of sulfate, it is not converted into a sulfur-based substance causing odor. Therefore, even if the redox potential of the deposit around the redox electrode is -150 전극 or more, electricity may be generated. In this case, electricity is generated by iron reducing bacteria without generating sulfur-based odorous substances. In such an environment, the production of sulfur-based odorous substances itself is suppressed.
그러나 전극 주변의 유기물이 고갈되거나 전극 표면에 미생물성장에 의한 미생물막 형성이 커지면 점차 전기 생산이 줄어들게 되며 철 환원균의 활동이 저하되어 전극 주변 환경이 다시 강한 혐기성, 즉 산화 환원 전위가 -250mV(이는 이론적인 값임. 실제 실험에서 측정하는 곳은 산화전극 주변으로 이곳에서 실제 측정 가능한 값은 -150mV 정도) 이하로 떨어질 수 있다. 이 경우, 황산염 환원균의 활동이 활발해지면서 황산염이 황 계열 악취물질로 환원되게 된다. 이렇게 생성된 황 계열 악취물질은 산화전극에서 영가의 황(elemental sulfur, S0)으로 산화될 수 있고 이 때 추가의 전기가 발생된다. 이 때는 생성된 황 계열 악취물질이 산화제거되며 전기가 추가로 발생하는 상태가 되는 것이다. 이 경우에도 산화전극 주변의 산화환원전위가 -150mV 이상으로 상승하여 황산염의 환원이 제한됨에 따라 황 계열 악취물질의 생성이 억제될 수도 있다.
However, if the organic matter around the electrode is depleted or the formation of microbial film by the microbial growth on the surface of the electrode increases, the electricity production is gradually reduced, and the activity of iron reducing bacteria decreases, so the environment around the electrode is again strong anaerobic, that is, the redox potential is -250mV ( This is a theoretical value, where the actual measurement is around the anode, where the actual measurable value can fall below -150 mV). In this case, the activity of the sulfate reducing bacterium becomes active, and the sulfate is reduced to the sulfur-based malodorous substance. The sulfur-based malodorous substance thus produced can be oxidized to elemental sulfur (S 0 ) at the anode, where additional electricity is generated. At this time, the generated sulfur-based odorous substances are oxidized and removed, and electricity is further generated. Even in this case, the redox potential around the anode rises to -150 mV or more, so that the reduction of sulfate is restricted, and thus the production of sulfur-based odorous substances may be suppressed.
또한 본 발명은 혐기성 퇴적물에 산화전극을 설치하고,In addition, the present invention is to install an anode in the anaerobic deposits,
하폐수 상에 환원전극을 설치하여,By installing a reduction electrode on the sewage water,
하수구에서 발생하는 악취를 제거하는 방법을 제공한다.Provides a way to remove odors from sewers.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 산화 및 환원 전극은 흑연(graphite) 소재로 이루어진 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
In one embodiment of the present invention, the oxidation and reduction electrode is preferably made of graphite (graphite) material, but is not limited thereto.
본 발명에 따른 생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성 황화합물 제어 장치에 의하면, 다음과 같은 효과를 갖는다.According to the volatile sulfur compound control device using a biological electrical production apparatus according to the present invention, it has the following effects.
첫째, 산화전극에서의 산화반응으로 인해 전극 주변 혐기성 퇴적물 상의 산화환원전위가 상승하게 되고, 이로 인해 절대 혐기성 미생물인 황산염환원균의 활동이 억제되어 악취를 유발하는 황계열 화합물의 발생을 근원적으로 억제할 수 있다.First, the oxidation reaction at the anode increases the redox potential on the anaerobic sediments around the electrode, thereby inhibiting the activity of sulfate-reducing bacteria, which are absolute anaerobic microorganisms, thereby fundamentally inhibiting the occurrence of malodorous compounds that cause odor. can do.
둘째, 황산염환원균에 의해 생성되는 황계열 악취물질의 전구물질이 산화전극 표면에 접촉시 산화전극에 전자를 빼앗겨 영가의 황(elemental sulfur, S0)으로 산화되므로 생성된 황계열 악취물질의 전구물질이 산화?제거될 수 있다.Second, the precursor of the sulfur-based malodorous substance generated by the sulfur-based malodorous substance produced by the sulfate reduction bacteria is oxidized to elemental sulfur (S 0 ) by depriving electrons to the anode when it comes in contact with the surface of the anode. The material can be oxidized and removed.
셋째, 본 장치의 운전에 따라 황계열 악취전구물질의 발생 억제 및 발생된 황계열 악취전구물질의 산화제거 과정에서 전기가 발생되고 이러한 발생전기를 통해 황계열 악취 발생의 가능성 또는 악취물질의 제어 가능성을 모니터링 할 수 있다. Third, electricity is generated in the process of suppressing the occurrence of sulfur-based malodorous precursor material and oxidizing and removing the generated sulfur-based malodorous precursor material, and the possibility of occurrence of sulfur-based malodor or control of malodorous substance through the generated electricity. Can be monitored.
넷째, 장치의 구성이 비교적 단순하고, 불용성 소재를 이용함으로써 반영구적으로 사용할 수 있으며, 설치 후 특별한 첨가제나 기타 조작이 필요하지 않기 때문에 장치의 설치 및 유지비용이 저렴하다.
Fourth, the configuration of the device is relatively simple, can be used semi-permanently by using an insoluble material, and the installation and maintenance costs of the device is low because no special additives or other operations are required after installation.
도 1은 전기가 발생되면서 저항소자에서 측정된 전압(이하 전기발생량)의 시간당 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)에서의 산화전극 주변 혐기성슬러지와 두 전극을 연결하지 않은 대조군 반응조(open-circuit reactor)에서의 혐기성슬러지에서의 시간당 산화환원전위 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)와 두 전극을 연결하지 않은 대조군 반응조(open-circuit reactor)에서의 시간당 황산염이온(SO4 2-) 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)와 두 전극을 연결하지 않은 대조군 반응조(open-circuit reactor)에서의 시간당 황화이온(HS-) 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)와 두 전극을 연결하지 않은 대조군 반응조(open-circuit reactor)에서 대표적인 휘발성 황화합물인 황화수소(H2S)가스 발생의 시간당 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 황산염 이온의 농도와 전기발생량 관계, 그리고 퇴적물에 설치된 산화전극 주변에서의 산화환원전위와 전기발생량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 single-chamber 형태의 생물학적 전기생성 반응조에서의 시간당 전기발생량을 나타낸 그래프이다.
도 8은 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 single-chamber 형태의 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)와 두 전극을 연결하지 않은 single-chamber 형태의 대조군 반응조(open-circuit reactor)의 퇴적물 내에서의 시간당 산화환원전위의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 single-chamber 형태의 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)와 두 전극을 연결하지 않은 single-chamber 형태의 대조군 반응조(open-circuit reactor)에서의 시간당 황산염이온(SO4 2-) 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성 황화합물 제어 장치를 간략하게 나타낸 구조도이다. 1 is a graph showing the change in time of the voltage (hereinafter referred to as the amount of electricity generated) measured by the resistance element while electricity is generated.
FIG. 2 shows anaerobic sludge around an anode in a closed-circuit reactor in which an anode and a cathode are connected by wires, and in an anaerobic sludge in an open-circuit reactor in which two electrodes are not connected. Is a graph showing the change in redox potential per hour.
FIG. 3 shows the concentration of sulfate ion (SO 4 2− ) per hour in a closed-circuit reactor in which an anode and a cathode are connected by wires, and an open-circuit reactor in which two electrodes are not connected. A graph showing the change in.
FIG. 4 shows the change in the concentration of sulfide ions (HS − ) per hour in a closed-circuit reactor in which an anode and a cathode are connected by wires, and an open-circuit reactor in which two electrodes are not connected. Is a graph.
FIG. 5 shows hydrogen sulfide (H 2 S) gas, which is a representative volatile sulfur compound in a biological electricity generation reactor (closed-circuit reactor) in which an anode and a cathode are connected by a wire, and an open-circuit reactor in which two electrodes are not connected. A graph showing the change in concentration per hour of development.
6 is a graph showing the relationship between the concentration of sulfate ions and the amount of electricity generated, and the relationship between the redox potential and the amount of generated electricity around the anode installed in the deposit.
7 is a graph showing the amount of electricity generated per hour in a single-chamber type biological electrogeneration reactor.
FIG. 8 is a sediment of a single-chamber type closed-circuit reactor in which an anode and a cathode are connected by a wire, and a control reactor in an open-circuit reactor in a single-chamber type in which two electrodes are not connected. It is a graph showing the change of the redox potential per hour in the.
9 is a closed-circuit reactor of a single-chamber type in which an anode and a cathode are connected by a wire, and in a single-chamber type open-circuit reactor in which two electrodes are not connected. It is a graph showing the change in sulfate ion (SO 4 2- ) concentration per hour.
10 is a schematic structural diagram of a volatile sulfur compound control device using a biological electrical production apparatus according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 비한정적인 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be described in more detail with reference to the following non-limiting examples of preferred embodiments of the invention.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성 황화합물 제어 장치를 간략하게 나타낸 구조도이다. 10 is a schematic structural diagram of a volatile sulfur compound control device using a biological electrical production apparatus according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성 황화합물 제어 장치는, 전극세트(110)와, 전선(120), 저항소자(130), 전압측정기(140)를 구비한다.As shown, the volatile sulfur compound control device using a biological electrical production apparatus according to an embodiment of the present invention, the electrode set 110, a
상기 전극세트(110)은, 혐기성 퇴적물 상에 설치되는 산화전극(111)과, 상부 오/우수 상에 설치되는 환원전극(112), 그리고 두 전극을 고정시키는 고정대(113)를 포함한다. 상기 산화전극(111)과 환원전극(112)은 실표면적이 상대적으로 넓고 불용성인 graphite 소재로 만들어진 것이 바람직하다. 산화전극(111)과 환원전극(112)의 이격 거리는 퇴적물과 오/우수의 높이에 따라 가변적으로 설치된다. 고정대(113)는 오/우수 흐름의 방해를 최소화하도록 봉(bar)형태로 설치된다. 한편, 도면에서는 상기 산화전극(111)과 환원전극(112)의 형태를 직사각형으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로서 처리를 요하는 오/우수 및 퇴적물 층의 높이의 범위 내에서 표면적을 넓힐 수 있는 다양한 형태로서의 설치가 가능하다.The electrode set 110 includes an
상기 산화전극(111)과 환원전극(112)은 저항소자(130)와 연결된 전선(120)으로 연결된다. 여기서 전선(120)은 오/우수 및 퇴적물 상에 설치되므로 부식이 발생되지 않는 백금 및 코팅된 전선 등 불용성 소재의 전선이 사용된다.The
전기가 발생하면서 상기 저항소자(130)에 생기는 전압을 이용해 전기발생량을 측정할 수 있도록 전압측정기(140)가 구비된다. 여기서 전압측정기(140)는 전압을 측정할 수 있는 간단한 기기뿐만 아니라 여러 지점의 전압을 실시간으로 전압을 측정할 수 있는 멀티형 디지털 전압측정기 등 다양한 종류의 측정기기를 사용할 수 있다.As electricity is generated, a
이하 본 발명의 실시예에 따른 생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성 황화합물 제어 장치의 작용 및 효과를 설명하도록 한다.Hereinafter will be described the operation and effect of the volatile sulfur compound control device using a biological electrical production apparatus according to an embodiment of the present invention.
생물학적 전기생산기기는 전기활성미생물에 의해 유기 및 무기물이 가진 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 시스템이다. 전기활성미생물의 유기물 대사과정에서 발생된 전자를 수용하여 환원되며, 환원된 전자매개체는 산화전극에서 다시 산화되면서 전기가 발생하게 된다. 본 발명의 실시예에서, 퇴적물에 존재하는 황산염이온(SO4 2-)이 황산염환원균에 의해 황화이온(HS- 또는 S2-)으로 환원되고, 이렇게 생성된 황화이온은 본 발명에서 제시된 생물학적 전기생산장치의 산화전극에서 다시 산화되어 영가의 황(elemental sulfur, S0)으로 변환된다. 산화전극에서의 산화반응에 의해 수용된 전자는 환원전극으로 이동하게 되며, 오/우수에 존재하는 용존산소와의 환원반응에 의해 물이 생성된다. 산화전극과 환원 전극에서의 화학반응식은 다음과 같다.
Biological electricity production equipment is a system that converts chemical energy of organic and inorganic matter into electrical energy by electroactive microorganisms. Electrons generated during the metabolism of the organic material of the electroactive microorganisms are reduced and reduced, and the reduced electron mediator is oxidized again at the anode to generate electricity. In an embodiment of the present invention, sulfate ions (SO 4 2- ) present in the sediment are reduced to sulfide ions (HS - or S 2- ) by sulfate reducing bacteria, and the sulfides thus produced are It is oxidized again at the anode of the electricity production apparatus and converted into elemental sulfur (S 0 ). The electrons received by the oxidation reaction at the anode move to the cathode, and water is generated by the reduction reaction with dissolved oxygen present in the well / excellent. The chemical reactions at the anode and cathode are as follows.
산화전극Anode
S2- → S0 + 2e-
S 2- → S 0 + 2e -
환원전극Cathode
4H+ + O2 + 4e- → 2H2O 4H + + O 2 + 4e - → 2H 2 O
위와 같은 반응에 의해 생물학적 전기생산기기에서 전기가 발생되면서 동시에 휘발성황화합물의 전구물질인 황화이온(HS- 또는 S2 -)이 산화되어 제거되면서 황계열 악취유발물질인 휘발성황화합물을 제거할 수 있다. 또한 산화전극에서의 산화반응으로 인해 산화전극 주변의 산화환원전위가 증가하게 되며, 이로 인해 절대 혐기성 미생물인 황산염 환원균의 활동이 억제되어 휘발성 황화합물의 전구물질인 황화이온의 생성을 저감시킬 수 있다. 한편, 황화이온으로부터 산화전극에 수용된 전자는 산화전극과 환원전극의 전위차에 의해 환원 전극으로 이동하면서 전기가 발생되며, 전기발생량은 산화전극과 황화이온의 접촉기회 및 접촉횟수와 비례하게 된다. 따라서 본 장치에서 생성되는 전기발생을 통해 황계열 악취발생의 가능성을 모니터링할 수 있다. Above, as electricity is generated in the biological production of electricity the device according to the same response at the same time precursor sulfide of volatile sulfur compounds (HS -, or S 2 -) as the removal is oxidation can remove sulfur-based odor-causing substances in sulfur compounds. In addition, the oxidation reaction at the anode increases the redox potential around the anode, thereby inhibiting the activity of sulfate-reducing bacteria, which are absolute anaerobic microorganisms, to reduce the formation of sulfide ions, precursors of volatile sulfur compounds. . On the other hand, the electrons received from the sulfide ions are moved to the reduction electrode by the potential difference between the anode and the cathode, and electricity is generated. The amount of electricity generated is proportional to the contact opportunity and the number of times of contact between the anode and the sulfide ion. Therefore, it is possible to monitor the possibility of occurrence of sulfur-based odor through the generation of electricity generated in the device.
본 발명에서 제시된 생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성 황화합물 제어 장치는 구성이 비교적 단순하고, 불용성 소재를 이용함으로써 반영구적으로 사용할 수 있으며, 설치 후 특별한 첨가제나 기타 조작이 필요하지 않기 때문에 장치의 설치 및 유지비용이 저렴하다.The volatile sulfur compound control device using the biological electrical production device presented in the present invention is relatively simple in configuration, can be used semi-permanently by using an insoluble material, and installation and maintenance cost of the device is not required because no special additives or other operations are required after installation. This is cheap.
이하 본 발명의 실시예에 대한 실험의 결과를 첨부된 그림을 참조하여 설명하도록 한다. 실험은 퇴적물 대신 혐기성슬러지를, 오/우수 대신 증류수를 적용하고 혐기성슬러지와 증류수가 섞이지 않도록 양이온교환막으로 분리된 two-chamber 형태의 반응조 실험(1) 과 실제 맨홀형태와 동일하게 구성된 single-chamber 형태의 반응조 실험(2)을 수행하였다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more clearly understood from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: The experiment was carried out using a two-chamber type reactor (1) separated by a cation exchange membrane so that anaerobic sludge was used instead of sediment and distilled water instead of sewage, and no anaerobic sludge and distilled water were mixed. Reactor experiment (2) was performed.
(1) Two-Chamber 형태의 반응조 실험
(1) Two-Chamber type reactor experiment
실험조건Experimental conditions
본 실험에서는 하수처리공정 중 소화조에서 발생되는 혐기성 슬러지를 퇴적물 대신에 산화전극용액으로 사용하였고, 오/우수 대신에 용존산소가 충분한 증류수를 환원전극용액으로 사용하였다. Two-chamber 형태의 반응조는 각각의 부피가 0.75 L (L x W x H = 5cm x 10cm x 15cm)인 반응조 2개가 부착된 형태로 설계하였다. 두 반응조 사이에는 각 반응조 상의 용액이 섞이지 않으면서 산화전극에서 생성된 양성자가 환원전극으로 전달되도록 유효면적 48cm2 (8cm x 6cm)의 양이온교환막을 설치하였다. 산화전극과 환원전극은 10cm x 50cm x 0.3cm 규격의 graphite felt를 사용하였다. 전극은 상부에서 보았을 때 S자를 여러 번 겹친 물결무늬 형태가 되도록 수직으로 설치하였고, 각 전극을 백금선(0.3mm diameter)과 전선으로 외부 저항에 연결하였다. 외부저항으로 100 ohm의 저항소자를 사용하였다.
In this experiment, anaerobic sludge from the digester was used as an anode solution instead of sediment, and distilled water with sufficient dissolved oxygen was used as a cathode solution instead of sewage. The two-chamber type reactor was designed with two reactors each having a volume of 0.75 L (L x W x H = 5 cm x 10 cm x 15 cm). A cation exchange membrane having an effective area of 48 cm 2 (8 cm x 6 cm) was installed between the two reactors so that the protons generated at the anode were transferred to the cathode without mixing the solutions on each reactor. The anode and the cathode were used graphite felt of 10cm x 50cm x 0.3cm. The electrodes were installed vertically so as to have an S-shaped overlapped pattern when viewed from the top, and each electrode was connected to an external resistor by a platinum wire (0.3 mm diameter) and an electric wire. A 100 ohm resistor was used as an external resistor.
실험결과Experiment result
도 1은 전기가 발생되면서 저항소자에서 측정된 전압(이하 전기발생량)의 시간당 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the change in time of the voltage (hereinafter referred to as the amount of electricity generated) measured by the resistance element while electricity is generated.
전기화학적으로 전기를 발생시킬 수 있는 무기전자매개체나 특별한 전기활성미생물의 투입이 없었음에도 운전시작과 함께 동시에 10mV의 전기발생량을 보였으며, 약 7일간의 운전기간동안 전기발생이 지속되었다. 이는 하수슬러지에 특별한 전기활성미생물의 주입 없이 하수 및 슬러지의 토착미생물군에 의한 전기발생이 바로 이루어질 수 있음을 의미한다.Although there was no input of an inorganic electron mediator or an electroactive microorganism that could generate electricity electrochemically, it showed 10mV of electricity generation at the same time of operation and electricity generation continued for about 7 days. This means that the generation of electricity by the indigenous microorganisms of sewage and sludge can be achieved without injecting specially active microorganisms into the sewage sludge.
도 2는 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)에서의 산화전극 주변 혐기성슬러지와 두 전극을 연결하지 않은 대조군 반응조(open-circuit reactor)에서의 혐기성슬러지에서의 시간당 산화환원전위 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 2 shows anaerobic sludge around an anode in a closed-circuit reactor in which an anode and a cathode are connected by wires, and in an anaerobic sludge in an open-circuit reactor in which two electrodes are not connected. Is a graph showing the change in redox potential per hour.
전기를 발생시키고 있는 반응조의 산화전극 주변 산화환원전위는 대조군 반응조에서의 산화환원전위에 비해 약 150mV 이상 높은 상태로 유지되었다. 이는 전기가 발생되는 반응조의 산화전극 주변에서 혐기성미생물의 활동을 통한 유기물의 산화분해에 의해 발생된 전자가 철이온, 황화이온 등의 전자매개체에 의해 수용되고, 전자매개체가 산화전극과 접촉하면서 산화전극에 전자를 빼앗기면서 산화되며, 이러한 산화반응에 의해 산화환원전위가 상대적으로 증가한 것으로 판단된다. 전기가 발생되는 반응조의 산화전극 주변에서 산화환원전위는 운전시작 후 3일 동안 -30mV ~ -50mV (vs. SHE)의 범위를 유지하다가 3일 이후에 급격히 감소하여 4일 이후에는 -150mV (vs. SHE)정도를 유지하였다. 전기발생이 운전시작부터 급격히 증가한 후 일정 수준 이상의 전기발생을 유지하는 것으로 미루어 볼 때, 0 ~ 3일과 3일 이후에 anode 전극표면에서의 산화환원전위 값의 차이는 물질의 농도 차이가 아닌 각각 다른 물질의 산화환원반응에 의해 발생되는 것으로 판단된다. The redox potential around the anode of the reactor generating electricity was maintained at about 150 mV or more higher than the redox potential in the control reactor. This is because electrons generated by oxidative decomposition of organic matter through the activity of anaerobic microorganisms around the anode of the reactor where electricity is generated are received by electron media such as iron ions and sulfide ions, and the electron media is oxidized while contacting the anode. It is oxidized as electrons are taken away from the electrode, and it is thought that the redox potential is relatively increased by this oxidation reaction. The redox potential around the anode of the reactor where electricity is generated remains in the range of -30 mV to -50 mV (vs. SHE) for 3 days after the start of operation, and then decreases sharply after 3 days, and after -150 mV (vs. SHE) level was maintained. In view of the fact that the generation of electricity increases rapidly from the start of operation and then maintains a certain level of generation of electricity, the difference in the redox potential value on the surface of the anode after 0 to 3 and 3 days is different from each other, not the difference in the concentration of substances. It is considered to be caused by the redox reaction of the substance.
도 3은 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)와 두 전극을 연결하지 않은 대조군 반응조(open-circuit reactor)에서의 시간당 황산염이온(SO4 2 -) 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 3 shows the concentration of sulfate ions (SO 4 2 − ) per hour in a closed-circuit reactor in which an anode and a cathode are connected by wires, and in an open-circuit reactor in which two electrodes are not connected. A graph showing the change in.
전체 운전 기간 동안 생물학적 전기생성 반응조와 대조군 반응조에서 황산염이온 농도는 감소하는 경향을 보이고 있다. 일반적으로 황산염이온은 혐기성 환경에서 황산염환원균의 활동에 의해 환원되면서 농도가 감소하게 된다. 따라서 운전기간동안 황산염환원균이 활동하고 있음을 알 수 있다. 같은 기간 동안 전기가 발생되고 있는 생물학적 전기생성 반응조에서 황산염 이온의 농도 저감률은 대조군 반응조에 비해 낮은 것으로 관찰되었다. 이는 생물학적 전기생성 반응조에서 황산염 환원균의 활동이 상대적으로 억제되고 있음을 의미한다. 절대 혐기성 미생물인 황산염환원균이 주로 -250mV 이하의 산화환원전위 환경에서 활발한 활동성을 가진다. 같은 기간 동안 생물학적 전기생성 반응조에서의 산화환원전위는 -150mV 이상을 유지하였으며, 따라서 전기가 발생되는 동안 생물학적 전기생성 반응조에서의 황산염환원균은 산화환원전위의 증가로 인해 활동성이 저하되었고 이에 따라 황산염이온의 환원이 대조군에 비해 억제되었음을 알 수 있다.Sulfate ion concentrations tend to decrease in the biological electrogeneration and control reactors during the entire operation period. In general, sulfate ions are reduced by the activity of sulfate reducing bacteria in an anaerobic environment, the concentration is reduced. Therefore, it can be seen that sulfate reducing bacteria are active during the operation period. It was observed that the concentration reduction rate of sulfate ions in the biological electrogeneration reactor during the same period was lower than that in the control reactor. This means that the activity of the sulfate reducing bacterium in the biological electrogeneration reactor is relatively suppressed. Sulfate reducing bacteria, which are absolute anaerobic microorganisms, are active in the redox potential of -250 mV or less. During the same period, the redox potential in the biological electrogeneration reactor remained above -150 mV. Thus, during the generation of electricity, the sulfate reduction bacteria in the biological electrogeneration reactor deactivated due to the increase of the redox potential, and thus sulfate. It can be seen that the reduction of ions was inhibited compared to the control.
도 4는 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)와 두 전극을 연결하지 않은 대조군 반응조(open-circuit reactor)에서의 시간당 황화이온(HS-) 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 4 shows the change in the concentration of sulfide ions (HS − ) per hour in a closed-circuit reactor in which an anode and a cathode are connected by wires, and an open-circuit reactor in which two electrodes are not connected. Is a graph.
대조군 반응조에서 황화이온 농도는 운전시작 후 2일 동안 30 ~ 40mg/L의 농도를 유지하다가 3일 이후 급격히 증가하여 최대 136 mg/L까지 측정되었다. 반면 전기가 발생되고 있는 생물학적 전기생성 반응조에서는 전체 운전기간동안 20 ~ 40 mg/L의 농도를 유지하였다. 운전시작 후 3일간은 전기가 발생되는 동안 산화환원전위의 증가로 인해 황산염환원균의 활동이 억제되어 황화이온의 생성이 억제된 것으로 판단되며, 3일 이후에는 급격히 증가된 황화이온이 산화전극에서의 전기화학적 산화반응에 의해 산화되면서 황화이온의 생성이 저감된 것으로 사료된다.In the control reactor, the sulfide concentration was maintained at a concentration of 30-40 mg / L for 2 days after the start of operation, and then rapidly increased after 3 days, and measured up to 136 mg / L. On the other hand, in the biological electricity generation reactor in which electricity is generated, the concentration of 20-40 mg / L was maintained for the entire operation period. After 3 days of operation, it was judged that the production of sulfide ions was suppressed due to the inhibition of sulfate-reducing bacteria due to the increase of the redox potential during the generation of electricity. It is thought that the formation of sulfide ions was reduced by oxidizing by electrochemical oxidation.
도 5는 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)와 두 전극을 연결하지 않은 대조군 반응조(open-circuit reactor)에서 대표적인 휘발성 황화합물인 황화수소(H2S)가스 발생의 시간당 농도 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 5 shows hydrogen sulfide (H 2 S) gas, which is a representative volatile sulfur compound in a biological electricity generation reactor (closed-circuit reactor) in which an anode and a cathode are connected by a wire, and an open-circuit reactor in which two electrodes are not connected. A graph showing the change in concentration per hour of development.
발생된 황화수소(H2S) 농도의 변화는 황화이온(HS-) 농도의 변화 형태와 거의 일치하였다. 최종 측정일인 7일을 기준으로 대조군 반응조에서 발생한 황화수소가스 대비 생물학적 전기생성 반응조에 의한 저감률을 계산한 결과 96.4%의 저감률을 보였다. 이와 같은 결과는 본 발명에서 제시된 생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성 황화합물 제어 장치에 의해 황산염환원균의 활동성이 억제되고 황화이온이 전기화학적으로 제거되면서 높은 악취 저감 효율을 보일 수 있음을 의미한다. The generated hydrogen sulfide (H 2 S) changes in the concentration of sulphide ions (HS -) was almost the same and change in the form of concentration. As a result of calculating the reduction rate by the biological electrogeneration reactor compared to the hydrogen sulfide gas generated in the control reactor on the basis of the last measurement date, the reduction rate was 96.4%. These results indicate that the volatile sulfur compound control device using the biological electricity production apparatus presented in the present invention can suppress the activity of sulfate reducing bacteria and exhibit high odor reduction efficiency while sulfide ions are electrochemically removed.
도 6은 황산염 이온의 농도와 전기발생량 관계, 그리고 퇴적물에 설치된 산화전극 주변에서의 산화환원전위와 전기발생량의 관계를 나타낸 그래프이다. 앞서 언급하였듯이, 산화전극 주변에서는 황계열 악취물질이 산화전극에 전자를 빼앗겨 영가의 황(elemental sulfur, S0)로 산화되며, 이러한 화학적 반응에 의해 산화전극 표면에서의 산화환원전위 값은 산화전극과 이격된 지점(혹은 산화전극이 설치되지 않은 혐기성 상태의 퇴적물)에서의 산화환원전위에 비해 상대적으로 높아진다.6 is a graph showing the relationship between the concentration of sulfate ions and the amount of electricity generated, and the relationship between the redox potential and the amount of generated electricity around the anode installed in the deposit. As mentioned earlier, around the anode, sulfur-based malodorous substances are oxidized to elemental sulfur (S 0 ) by attracting electrons to the anode, and the redox potential on the surface of the anode is changed to the anode by the chemical reaction. This is relatively high compared to the redox potential at the point away from (or anaerobic deposits without an anode).
상기 그래프에서 -50 ~ 0 mV의 산화환원전위 범위(circuit voltage 범위 50 ~ 60 mV)에서 황산염 이온 농도가 높게 유지되고 있다. 황산염 이온은 황산염 환원균의 활동에 의해 황화 이온이 되는 물질로서, 황산염 이온 농도의 변화가 없음은 황산염환원균의 활동이 거의 없음을 간접적으로 알 수 있다. 또한 상기 그래프에서 -150 mV이하의 산화환원전위 범위(circuit voltage 50 ~ 90 mV)에서 황산염 이온 농도는 감소하고 있으며, 이를 통해 황산염환원균이 활동하고 있음을 알 수 있다. 황산염 환원균의 활동이 없는, 즉 황화 이온의 발생이 없는 상태에서 산화전극 표면에서의 산화 환원 전위는 상대적으로 높은 값을 가지며 전기를 발생시켰으며, 이러한 경우 황화 이온이 아닌 다른 물질(철이온 등)에 의해 전기가 발생되고 있음을 알 수 있다(예를 들어 철 환원균의 활동에 의해). 또한 황산염 환원균이 활동하고 있는, 산화 환원 전위 값이 상대적으로 낮은 상태에서 전기가 발생되는 경우, 황화 이온에 의해 추가적인 전기가 생성되어 전기발생량이 크게 증가되고 있으며, 따라서 황산염 환원균에 의해 지속적으로 발생되는 황 계열 악취물질이 본 발명에서 제시된 시스템에 의해 산화되어 황계열 악취물질이 제거되고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 전기가 발생할 때에는 황 계열 악취물질의 생성이 억제되거나 제거되는 사실에 기초하여 관계를 이용하여 황 계열 악취발생의 가능성, 또는 악취물질의 제어 가능성을 간단하게 전기발생을 신호로 하여 모니터링할 수 있다.
In the graph, the sulfate ion concentration is maintained high in the redox potential range (
(2) Single-Chamber 형태의 반응조 실험
(2) Single-Chamber Type Reactor Experiment
실험조건Experimental conditions
본 발명을 위해 하수 및 퇴적물의 특성과 형태가 유사하도록 양이온교환막이 없는 내경 10cm, 높이 24cm의 투명아크릴를 이용한 원통 형태의 반응조를 구성하였다. 합류식 하수도 맨홀의 퇴적물 및 하수와 유사한 화학적 조성을 모사하기 위해 증류수와 부엽토를 부피비로 5:1로 섞은 후 가라앉은 부엽토를 퇴적물로 사용하고, 나머지 액상부분은 하수로 사용하였다. 황산염환원균의 생장을 위해 필요한 황산염을 공급하기 위해 증류수와 부엽토를 섞는 과정에서 황산염의 농도가 150 mg/L(as SO4 2-)이 되도록 Na2SO4를 주입하였다.
For the present invention, a cylindrical reactor using a transparent acrylic having an inner diameter of 10 cm and a height of 24 cm without a cation exchange membrane was configured to have similar characteristics and shapes of sewage and sediments. In order to simulate the sewage and sewage-like chemical composition of the combined sewer manhole, distilled water and subleaf soil were mixed at a volume ratio of 5: 1, and the subsided soil was used as sediment, and the remaining liquid portion was used as sewage. Na 2 SO 4 was injected so that the concentration of sulfate was 150 mg / L (as SO 4 2- ) in the process of mixing distilled water and sidelobe to supply sulfate required for the growth of sulfate reducing bacteria.
실험결과Experiment result
도 7은 single-chamber 형태의 생물학적 전기생성 반응조에서의 시간당 전기발생량을 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the amount of electricity generated per hour in a single-chamber type biological electrogeneration reactor.
운전을 시작한 후 3일동안 전기발생량은 급격히 증가하였다가 이후 6일까지 증가율이 줄어든 후 6일 이후 급격히 감소하였다. 이후 7일부터 다시 급격히 상승하여 최대 4.44mV 까지 측정되었다. 이는 two-chamber 형태 반응조 실험에서의 전기발생 거동과 거의 유사하다.During the three days after starting operation, the electricity generation increased sharply, and after 6 days, the rate of increase decreased. From the seventh day, it rose sharply again and measured up to 4.44mV. This is very similar to the electricity generation behavior in the two-chamber type reactor experiment.
도 8은 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 single-chamber 형태의 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)와 두 전극을 연결하지 않은 one-chamber 형태의 대조군 반응조(open-circuit reactor)의 퇴적물 내에서의 시간당 산화환원전위의 변화를 나타낸 그래프이다. FIG. 8 is a sediment of a single-chamber type closed-circuit reactor in which an anode and a cathode are connected by wires and an open-circuit reactor in a one-chamber type in which two electrodes are not connected. It is a graph showing the change of the redox potential per hour in the.
운전기간 동안 대조군 반응조의 산화환원전위는 강한 -200mV 이하의 강한 환원상태를 유지하는 반면, 전기를 발생시키고 있는 생물학적 전기생성 반응조에서는 대조군 반응조에 비해 약 100mV 이상의 높은 산화환원전위를 유지하고 있다. 이는 two-chamber 형태 반응조 실험 결과와 거의 유사하다.During the operation period, the redox potential of the control reactor maintains a strong reduction state of less than -200 mV, while the biologically generated reactor that generates electricity maintains a higher redox potential of about 100 mV or more than the control reactor. This is almost the same as the two-chamber type reactor test.
도 9는 산화전극과 환원전극을 전선으로 연결한 single-chamber 형태의 생물학적 전기생성 반응조(closed-circuit reactor)와 두 전극을 연결하지 않은 one-chamber 형태의 대조군 반응조(open-circuit reactor)에서의 시간당 황산염이온(SO4 2 -) 농도 변화를 나타낸 그래프이다. FIG. 9 illustrates a single-chamber type closed-circuit reactor in which an anode and a cathode are connected by wires, and a one-chamber type open-circuit reactor in which two electrodes are not connected. per sulphate ion (SO 4 2 -) is a graph showing the change in concentration.
운전시작 후 대조군 반응조에서 황산염이온의 농도는 꾸준히 감소한 반면, 전기를 발생시키고 있는 생물학적 전기생성 반응조에서의 황산염이온 농도는 약 10일 동안 일정하게 유지되었다. 이는 산화전극 주변에서 산화환원전위의 상승으로 인한 황산염환원균의 활동성 저하로 인한 것으로 판단된다. 운전시작 15일 후에 생물학적 전기생성 반응조와 대조군 반응조의 황화이온(HS-)과 황화수소(H2S)가스의 농도를 측정하여 저감률을 산정한 결과 황화이온의 경우 57.3%, 황화수소가스의 경우 61.1%의 저감효율이 각각 나타났다.After the operation, the concentration of sulfate ion in the control reactor was steadily decreased, while the concentration of sulfate ion in the biological electrogenerating reactor generating electricity was kept constant for about 10 days. This is believed to be due to the deterioration of activity of sulfate-reducing bacteria due to the increase of the redox potential around the anode. 15 days after the operation started sulfide ions of the biological electric generating reactor and control the reaction tank (HS -) and hydrogen sulfide (H 2 S) 57.3% In the case of a result of measuring the concentration of gas calculated to Reduction rate sulfide ions, in the case of hydrogen sulfide gas 61.1 Reduction efficiency of each was shown.
Single-Chamber 형태 반응조의 실험결과는 two-chamber 형태 반응조 실험결과와 거의 유사하며, 전기발생(도 6)과 산화환원전위의 변화(도 7), 황산염이온 농도의 변화(도 8)를 통해 본 발명에서 제시된 생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성 황화합물 제어 장치를 실제 하수 맨홀 또는 오/우수받이에 적용 시, 황화이온의 전기화학적 산화?제거 효과와 산화환원전위의 증가에 의한 황산염환원균 활동의 억제 효과를 통한 황계열 악취발생의 제어가 가능함을 확인할 수 있다.The experimental results of the single-chamber type reactors are almost similar to those of the two-chamber type reactors. When the volatile sulfur compound control device using the biological electricity production device presented in the present invention is applied to sewage manhole or sewage / water well, the electrochemical oxidation / removal effect of sulfide ions and the inhibitory effect of sulfate-reducing bacteria activity by the increase of redox potential It can be confirmed that the control of the sulfur series malodor generation through.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
110 : 전극세트
111 : 산화전극
112 : 환원전극
113 : 고정대
120 : 전선
130 : 저항소자
140 : 전압측정기110: electrode set
111: anode
112: reduction electrode
113: holder
120: wires
130: resistance element
140: voltage measuring instrument
Claims (10)
상기 산화전극(111)과 환원전극(112)을 연결하는 전선(120)과 전기발생량을 측정할 수 있도록 전선(120) 중간에 저항소자(130)와 전압측정기(140)를 구비하는
생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성 황화합물 제어 장치.An anode 111 disposed on the anaerobic deposits, and a cathode 112 disposed on the excellent rainwater; And
The wire 120 connecting the anode 111 and the reducing electrode 112 and the resistance element 130 and the voltage meter 140 in the middle of the wire 120 to measure the amount of electricity generated
Volatile sulfur compound control device using biological electricity production equipment.
상기 전압측정기(140)는 단순 또는 멀티형 디지털 또는 아나로그 전압계인 것을 특징으로 하는 생물학적 전기생산기기를 이용한 휘발성 황화합물 제어 장치.The method of claim 1,
The voltage meter 140 is a volatile sulfur compound control device using a biological electrical production device, characterized in that a simple or multi-type digital or analog voltmeter.
오?우수 상에 환원전극을 설치하고,
상기 산화전극과 환원 전극을 연결하는 전선을 통하여 전기발생량 또는 산화환원전위를 측정하여 하수구에서 발생하는 악취를 제어하는 방법.Installing anodes in anaerobic deposits,
Install the cathode on the right
The method for controlling the odor generated in the sewer by measuring the amount of electricity generated or the redox potential through the wire connecting the anode and the reduction electrode.
오?우수 상에 환원전극을 설치하여,
하수구에서 발생하는 악취를 제거하는 방법.Installing anodes in anaerobic deposits,
By installing a reduction electrode on the
How to get rid of bad smells from sewers.
10. The method of claim 9, wherein the oxidation and reduction electrodes are made of graphite material.
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017083456A1 (en) * | 2015-11-11 | 2017-05-18 | Bioenergysp, Inc. | Method and apparatus for converting chemical energy stored in wastewater |
| US10340545B2 (en) | 2015-11-11 | 2019-07-02 | Bioenergysp, Inc. | Method and apparatus for converting chemical energy stored in wastewater into electrical energy |
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