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Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15744(2015) 이 기사 인용

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기존의 폐수 정화 기술은 많은 양의 에너지를 소비하는 반면, 하수에 포함된 풍부한 화학에너지와 영양자원은 이러한 처리 과정에서 낭비됩니다. 미생물 영양분 회수 셀(MNRC)은 폐수에 포함된 에너지를 활용하여 폐수 정화와 영양 이온 회수를 동시에 수행할 수 있도록 개발되었습니다. MNRC의 양극실과 음극실 사이에 폐수가 순환되면 박테리아에 의해 유기물(COD)이 제거되고, 현장 에너지를 이용하여 생성된 전기장에 의해 암모늄과 인산염(NH4+-N 및 PO43--P)이 회수됩니다. 추가 에너지 투입 없이 폐수에서. 모든 운영 주기에서 폐수 제거 효율은 COD의 경우 >82%, NH4+-N의 경우 >96%, PO43−-P의 경우 >64%였습니다. 동시에, 회수실 내 NH4+ 및 PO43- 농도는 초기 폐수 농도에 비해 각각 1.5배 및 2.2배 이상 증가했습니다. MNRC는 포괄적인 생물전기화학 시스템에서 효율적인 폐수 정화 및 영양분 회수에 대한 지속 가능한 자체 구동 접근 방식으로 개념 증명을 제공합니다.

인구 폭발로 인한 세계적인 물 부족과 자원 위기는 수십 년 동안 인류 사회 발전의 중요한 관심사가 되었습니다. 연구자들은 물, 에너지, 영양분의 새로운 원천을 탐구하는 데 집중해 왔습니다. 그러나 폐수에는 풍부한 영양분과 화학 에너지가 포함되어 있을 뿐만 아니라 재사용 가능한 수자원을 제공하기 때문에 물을 재사용하고 폐수에서 자원과 에너지를 회수하는 것이 더욱 중요하고 지속 가능합니다1. 기존의 폐수처리는 자원회수보다는 정화에 중점을 두어 왔습니다. 가장 일반적으로 사용되는 공정인 호기성/무산소/호기성(A2O) 공정은 주로 COD 및 영양소 제거에 활용되지만 회수에는 활용되지 않습니다. 따라서 기존 처리 기술은 폐수에 포함된 영양분과 화학적 에너지를 낭비하는 동시에 폭기 과정에서 많은 양의 전력을 소비합니다. 연구자들은 폐수에 포함된 자원과 에너지를 회수하려는 시도에서 실현 가능한 기술을 탐구하기 위해 많은 노력을 기울여 왔습니다. 여러 종류의 흡착제를 사용하여 흡착하면 폐수에서 인산염을 분리할 수 있는 것으로 보고되었습니다2. 가역적 과정으로 작용하는 이온 교환은 암모늄과 인산염을 모두 회수하는 데 사용될 수 있습니다3,4. 일반적이고 실용적인 접근 방식은 슬러지 소화 탱크에서 스트루바이트로 암모늄과 인산염을 동시에 회수하는 것입니다. 여기서 인은 도시 폐수 처리장에서 배출되는 인이 풍부한 바이오 고형물에서 액체로 방출됩니다5,6,7. 폐수에서 인을 활성 슬러지로 농축하는 것은 폴리인산염 축적 유기체(PAO) 그룹이 혐기성 및 호기성 조건을 교대로 통해 달성할 수 있습니다. 그러나 이러한 생물학적 농축 과정은 일반적으로 에너지 소비와 관련이 있습니다. 따라서 추가 에너지 투입 없이 영양소를 비용 효율적으로 폐수에서 직접 회수할 수 있다면 중요할 것입니다.

생체전기화학 시스템(BES)은 폐수 속의 물질을 산화시키는 동시에 생체 전기 활성 박테리아를 이용하여 전기를 생성하거나 가치 있는 화합물을 생산할 수 있는 새로운 폐수 처리 기술입니다8,9,10,11,12,13. 일반적인 BES에는 전기를 생성하는 미생물 연료 전지(MFC)14,15,16,17,18, 수소를 생산하는 미생물 전기분해 전지(MEC)19,20,21 및 양이온과 양이온 쌍을 사용하여 기수를 담수화하는 미생물 담수화 전지(MDC)가 포함됩니다. 음이온 교환막22,23,24,25,26. MDC의 출현은 하전된 이온의 직접적인 이동과 이에 따른 담수화를 실현하기 위해 폐수의 에너지에서 파생된 전력을 사용하는 새로운 분야를 나타냅니다. 폐수 내 이온 형태의 영양분도 BES 내부 막을 통해 이동될 수 있다는 가능성이 밝혀졌습니다. BES를 통한 영양소 제거에 대한 여러 연구는 이 응용 프로그램의 잠재력을 보여주었습니다. 수소 생산으로 영양분 제거를 달성한 MEC 구성을 기반으로 한 BES는 적절한 외부 전압을 가했을 때 뛰어난 제거 성능을 보여주었습니다. R2-BES라고 불리는 새로 보고된 접근법은 폐수에서 영양분을 회수하려고 시도합니다31. 암모늄은 생체전기의 추진력에 의해 폐수 밖으로 이동하는 반면, 인산염은 음극 반응에서 생성된 수산기와 교환되었습니다. R2-BES는 적절한 외부 전압을 적용하여 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.

90% for COD, >97% for NH4+-N and >64% for PO43−-P in each experiment (Fig. 2B). These results confirm that synthetic wastewater could be well purified in the MNRC when the initial concentrations of recovery solutions varied within a certain range. However, removal performance still showed disparities among the three recovery solution concentrations. The highest removals of COD (92%), NH4+-N (99%) and PO43−-P (71%) were simultaneously achieved with recovery solution containing 164 mg/L NaCl. In that experiment, COD was reduced from 369 mg/L to 30 mg/L, NH4+-N was reduced from 23.8 mg/L to 0.3 mg/L and PO43−-P was reduced from 6.4 mg/L to 1.8 mg/L. The differing removal results for different recovery solution concentrations might be caused by a balance between the MNRC internal resistance and ion diffusions in the recovery chamber. When the concentration of the recovery solution was increased, the conductivity was higher, leading to lower internal resistance and higher current production. However, with more concentrated recovery solution, the diffusion of Na+ and Cl− from recovery chamber to electrode chambers would be reinforced, resulting in an opposed current flow and thus a detrimental effect on the overall current production. Therefore, the concentration of recovery solution could be optimized to obtain the maximum current, which would lead to optimal contaminant removal efficiency. The concentrations of Na+ and Cl− in the 164 mg/L NaCl recovery solution were similar to those in the synthetic wastewater and thus the undesired diffusion of ions could be minimized and the highest COD, NH4+-N and PO43−-P removals were achieved./p>

82%, >96% and >64%, respectively, in all the 10 operational cycles during the two concentrating tests (Fig. 3B). This indicates that the continuous recovery of NH4+-Ns and PO43−-Ps in the recovery solution facilitated steady removal from the synthetic wastewater. The average total removal quantity of PO43−-P in the two concentrating tests was 1.9 ± 0.1 mg, with total recovery of 1.2 ± 0.1 mg. This result shows that approximately 63% of the removed PO43−-P was recovered in the recovery solution. The removal performance of NH4+-N remained high throughout the concentrating tests (Fig. 3B). The average total removal and recovery quantities of NH4+-N in the two concentrating tests were 11.6 ± 0.1 mg and 2.8 ± 0.1 mg. This indicates that the NH4+-N that diffused into the recovery solution, driven by the electrical field, only accounted for 24% of the total removed quantity, whereas more than three quarters of the NH4+-N was removed by other paths. Anion-exchange chromatography showed that concentrations of NO3− and NO2− were below detectable limits and therefore the presence of these ions could not be confirmed. The result of abiotic control shows that, the concentrations of NH4+-N and PO43−-P in the wastewater effluent were nearly the same as that in the initial wastewater (Supporting Information, Fig. S2). In contrast, the result of open circuit control experiment shows that, even without current production, about 60% of NH4+-N and 16% of PO43−-P were removed. It was probably via bio-uptake of microorganisms in the electrode chambers and circulation tubes of MNRC, physical adsorption, chemical precipitation, or membrane fouling, etc. In addition, the nitrification and denitrification might take place in the cathode chamber and thus result in the loss of the nitrogen. The overall mass balances and mechanisms in nutrient removal will be further investigated in the future to illustrate the path to improve the performance of this system./p> PO43− > SO42− under the conditions used in this experiment. H+ was considered to balance the electrical charge and its concentration changes are not discussed further here. After 120 h the total recovered quantities of those ions were 6.04 mM Na+, 2.70 mM NH4+, 1.35 mM H+, 8.06 mM Cl−, 0.52 mM PO43− and 0.49 mM SO42− in the recovery solution. The increments of Na+ and Cl− at 120 h were 5.1 and 4.9 times those in the first 24 h, demonstrating that these two ions maintained a steady rate of migration from synthetic wastewater to the recovery solution throughout the concentrating test. However, the final concentrations of NH4+, PO43− and SO42− were 3.5, 2.5 and 1.9 times those in the first operational cycle, which indicates that the migration rates of those ions decreased in the latter part of the concentrating test. The molar conductivity, radius, mobility and concentration of each ion, in combination with the electrical field intensity and exchange selectivity of membrane, were factors affecting migration processes in the solutions and across the membranes32,33. Further studies will be conducted to better understand the competitive migration characteristics. It should be mentioned that ion recovery quantities were less than removal quantities for all types of ions examined in the MNRC, with losses of: 11% Na+, 77% NH4+, 42% Cl−, 27% PO43− and 51% SO42−. Those ion losses might be due to bio-uptake, adsorption, precipitation, membrane fouling, or measurement error, etc. The mechanisms of the ion losses will be further investigated in the future./p>80%) and HPO42− (<20%) in the solutions in this study. Thus, 1.2 was assumed as the average electric charge of PO43−-P ions for calculation and estimation, although this might introduce some errors./p>