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KR102093895B1 - 생물학적 바이오가스 고질화 방법 및 그 시스템 - Google Patents

생물학적 바이오가스 고질화 방법 및 그 시스템 Download PDF

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KR102093895B1
KR102093895B1 KR1020190071535A KR20190071535A KR102093895B1 KR 102093895 B1 KR102093895 B1 KR 102093895B1 KR 1020190071535 A KR1020190071535 A KR 1020190071535A KR 20190071535 A KR20190071535 A KR 20190071535A KR 102093895 B1 KR102093895 B1 KR 102093895B1
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KR
South Korea
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methane
hydrogen
biogas
tank
carbon dioxide
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Application number
KR1020190071535A
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김현욱
이종찬
리단
백지원
정대열
김학찬
Original Assignee
서울시립대학교 산학협력단
주식회사 테크로스워터앤에너지
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Publication date
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Abstract

본 발명은 생물학적 바이오가스 고질화 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 고질화 방법은 1) 유기성 폐기물을 산발효하는 단계; 2) 상기 산발효 단계의 유출액을 기질로 하는 메탄발효 단계; 3) 외부에서 이산화탄소 및 수소를 공급받아 상기 산발효 단계와 메탄발효 단계에서 생성된 바이오가스 및 상기 외부에서 공급받은 이산화탄소를 고순도의 메탄가스로 개질하는 단계를 포함하되, 상기 고순도의 메탄가스로 개질하는 단계가 호열성 수소이용 메탄생성조에서 수소메탄화균(Hydrogenotrophic Methanogen)에 의해 진행되고, 50~60℃의 고온에서 이루어지며, 1~6bar의 가압조건에서 이루어진다.
본 발명에 따라 기존 혐기소화조에서 설비를 크게 개선하지 않고 보통의 산발효조의 0.5-1배 정도의 크기의 호열성 수소이용 메탄발효조만을 추가 설치하여 활용가치가 떨어지던 저품질의 기존 바이오가스를 고품질의 메탄가스로 전환할 수 있다.

Description

생물학적 바이오가스 고질화 방법 및 그 시스템{BIOMETHANATION PROCESS FOR BIOGAS UPGRADING}
본 발명은 생물학적 바이오가스 고질화 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혐기성 소화공정을 이용한 기존의 바이오가스화 공정을 이용하여 산업부문 발생 이산화탄소 및 혐기성 소화공정의 바이오가스 내 이산화탄소를 메탄으로 전환하여 수송용 가스연료를 생산하는 생물학적 바이오가스 고질화 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
이산화탄소 배출량을 감축하기 위한 방안으로 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄으로 전환하는 기술이 연구되고 있다.
이러한 종래의 이산화탄소 전환기술로서 물리·화학적 기술이 상용화되어 있으나, 물리·화학적 이산화탄소 전환기술은 고온, 고압 조건에서 반응이 이루어지기 때문에 넓은 부지와 많은 초기 투자비가 요구되며, 설비의 유지관리에도 적지 않은 비용이 소요되는 문제점이 있다.
이에 적은 비용으로 이산화탄소를 메탄으로 전환할 수 있는 생물학적 메탄화 기술이 연구되고 관련특허들도 출원되고 있으나 대부분이 생물막이나 반응탱크와 같은 요소기술에 한정되어 있다.
한편, 기존 혐기성 소화공정을 통해 생성된 바이오가스는 메탄함량(55~65%)이 낮고, 이산화탄소 등의 불순물 함량이 높아 연료 등으로의 활용도를 높이기 위해서는 메탄의 순도를 높이는 정제과정이 필요하다.
그리고 정제기술로서 바이오가스로부터 메탄을 분리해내는 물리·화학적 방법이 주로 사용되는데, 이는 이산화탄소의 상태를 기체에서 액체 또는 고체로 바꾸는 것으로 근본적인 이산화탄소 저감법이라 할 수 없으며, 바이오가스 중 메탄의 함량이 낮아(55~65%) 연료로 활용할 수 있는 양이 많지 않은 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2004-0054962호(2004. 6. 26. 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0007519호(2018. 1. 23. 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0067853호(2014. 6. 5. 공개)
본 발명은 종래의 물리·화학적 이산화탄소 전환기술에 대한 단점을 보완하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 기존 혐기소화조에서 설비를 크게 개선하지 않고 산발효조의 0.5-1배 정도 크기의 호열성 수소이용 메탄발효조만을 추가 설치하여 기존 혐기성 소화공정의 메탄 수율 증대뿐만 아니라 산업부문 유래 이산화탄소를 메탄가스화하여 바이오가스 고질화와 수송가스 연료 생산을 생물학적 방법으로 동시에 달성할 수 있는 생물학적 바이오가스 고질화 방법 및 그 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 발전소 등 다량의 이산화탄소를 배출하는 시설의 온실가스 저감 시스템으로 활용할 수 있는 생물학적 바이오가스 고질화 방법 및 그 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 바이오가스에 포함된 이산화탄소와 산업부문에서 발생하는 이산화탄소를 가스연료로 전환함으로써 혐기성 소화공정을 보다 친환경적인 에너지 전환공정(carbon negative process)으로 변환할 수 있는 생물학적 바이오가스 고질화 방법 및 그 시스템을 제공하기 위한 것이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 보다 구체적으로 이하의 것을 제공한다.
본 발명은 1) 유기성 폐기물을 산발효하는 단계; 2) 상기 산발효 단계의 유출액을 기질로 하는 메탄발효 단계; 3) 상기 산발효 단계에서 생성된 바이오가스와 상기 메탄발효 단계에서 생성된 바이오가스를 외부 수소, 이산화탄소로써 메탄가스화하는 단계를 포함하여 이루어지는 생물학적 바이오가스 고질화 방법을 제공한다.
여기서 바이오가스를 메탄가스화하는 단계는 호열성 수소이용 메탄생성조(200)에서 수소메탄화균(Hydrogenotrophic Methanogen)에 의해 진행된다.
또한, 본 발명은 유기성 폐기물을 혐기소화의 원료로 사용하는 이상 혐기소화조와, 외부에서 이산화탄소 및 수소를 공급받아 상기 혐기소화조의 바이오가스 및 상기 외부에서 공급받은 이산화탄소를 수소메탄화균(Hydrogenotrophic Methanogen)을 이용하여 고순도의 메탄가스로 개질하는 호열성 수소이용 메탄생성조(200)를 포함하여 이루어지는 생물학적 바이오가스 고질화 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 유기성 폐기물을 혐기발효하여 바이오가스를 생산하는 산발효조(100); 상기 산발효조(100)의 유출액으로부터 바이오가스를 생산하는 메탄발효조(300); 상기 산발효조(100)와 메탄발효조(300)의 바이오가스 중 메탄가스의 순도를 높이는 호열성 수소이용 메탄생성조(200)를 포함하여 이루어지는 생물학적 바이오가스 고질화 시스템을 제공한다.
여기서 호열성 수소이용 메탄생성조(200)는 외부의 이산화탄소 및 수소가스를 이용하여 메탄 생산을 증대시킬 수 있다.
또한, 여기서 호열성 수소이용 메탄생성조(200)는 50~60℃, pH 7.0, 1~6bar의 가압조건에서 운전될 수 있다,
또한, 여기서 호열성 수소이용 메탄생성조(200)는 가스 순환장치(400)를 구비할
수 있다.
또한, 여기서 호열성 수소이용 메탄생성조(200)는 유입 전단에 산소 흡착 설비를 구비할 수 있다.
또한, 여기서 산발효조는 체류시간 1.5~2.5일, pH 5.0~5.5로 운전될 수 있다.
본 발명은 기존 혐기성 소화공정의 메탄 수율 증대뿐만 아니라 산업부문 유래 이산화탄소를 메탄가스화하여 바이오가스 고질화와 수송가스 연료 생산을 생물학적 방법으로 동시에 달성할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 기존 혐기소화조에서 설비를 크게 개선하지 않고 보통의 산발효조의 0.5-1배 정도의 크기의 호열성 수소이용 메탄발효조만을 추가 설치하여 기존에 활용가치가 떨어지던 저품질의 기존 바이오가스를 고품질의(메탄비율 90% 이상) 메탄가스를 생산할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 아직까지 상용화되지 않은 생물학적 이산화탄소의 수송연료화 전환기술의 새로운 시스템 구성을 제안함으로써 경쟁력 있는 이산화탄소 전환기술을 확보할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 바이오가스에 포함된 이산화탄소와 산업부문에서 발생하는 이산화탄소를 가스연료로 전환함으로써 혐기성 소화공정을 보다 친환경적인 에너지 전환공정(carbon negative process)으로 변환할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 발전소 등 다량의 이산화탄소를 배출하는 시설의 온실가스 저감 시스템으로 활용할 수 있는 효과를 가진다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 이하의 명세서에 기재되어 있는 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 바이오가스 고질화 시스템의 공정 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 바이오가스 고질화 시스템을 좀더 알기쉽게 나타낸 공정 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서의 기재 중 "고질화", "업그레이딩"은 바이오가스 중 "메탄가스의 순도를 높이는 것"을 의미한다.
또한, 명세서의 기재 중 "%"는 "중량 %"를 의미한다.
이하 본 발명의 일 실시예에서는 유기성 폐기물을 혐기소화의 원료로 사용하는 이상 혐기소화조와 연결되고, 산업계에서 유래한 배가스에 포함된 이산화탄소 및 신재생에너지 또는 잉여전력으로 생산된 수소를 공급받아, 혐기소화조의 바이오가스 및 산업배가스인 이산화탄소를 고순도의 메탄가스로 개질하는 호열성 수소이용메탄생성 반응기를 포함하여 이루어지는 생물학적 바이오가스 고질화 공정을 설명한다.
본 발명은 본 실시예에 한정되지 않으며 수소메탄화균을 활용한 유기성 폐기물의 혐기소화 공정이면 모두 적용가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 바이오가스 고질화 시스템의 공정 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 고질화 공정은 1) 유기성 폐기물을 산발효하는 단계; 2) 상기 산발효 단계의 유출액을 기질로 하는 메탄발효 단계; 3) 상기 산발효 단계에서 생성된 바이오가스와 상기 메탄발효 단계에서 생성된 바이오가스를 외부 수소, 이산화탄소로써 메탄가스화하는 단계를 포함하여 이루어진다.
먼저, 상기 1) 단계는 기존 혐기소화의 산 생성 공정에 관한 것으로, 도 1에서 보는 바와 같이, 유기성 폐기물(음식물류 폐기물, 하수 슬러지, 가축분뇨 등의 폐바이오매스)(10)이 산발효조(100)에서 가수분해 및 산발효되며, 이 과정에서 생성된 바이오가스는 호열성 수소이용 메탄생성조(Thermophilic Hydrogenotrophic Methanogenesis: THM)(200)로 유입된다.
산발효조(10)에서 생성되는 바이오가스는 이산화탄소 40~50%, 수소 30~40%, 기타(황화수소, 메탄 등) 10~20%로 이루어지며, 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)로 유입되기 전에 황화수소 등의 생물독성 성분은 불순물 제거설비에 의해 제거될 수 있다.
상기 2) 단계에서는 유기산(VFAs)이 다량 포함된 산발효조(100)의 소화액이 메탄발효조(300)에 유입되고, 유기산메탄생성균(Acetoclastic methanogen)이 우점화된 메탄발효조(300)에서는 유기산을 기질로 하여 메탄을 생성하며 이 과정에서 생성되는 바이오가스도 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)로 유입되고 소화 폐액은 시스템에서 배출된다.
메탄발효조(30)에서 생성되는 바이오가스는 메탄 50~65%, 이산화탄소 30~40%, 기타(황화수소, 암모니아 등) 5~10%로 이루어지며, 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)로 유입되기 전에 황화수소, 암모니아 등의 생물독성 성분은 불순물 제거설비에 의해 제거될 수 있다.
상기 3) 단계에서는 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)에 유입된 상기 1) 단계 및 2) 단계의 바이오가스가 수소메탄화균(Hydrogenotrophic Methanogen)에 의해 이산화탄소, 수소 가 1:4 비율로 반응하여 1몰의 메탄으로 전환된다.
이때, 이산화탄소에 비해 부족한 수소는 외부에서 공급해주고, 필요에 따라 외부 이산화탄소도 주입하여 최종적으로 생산되는 메탄의 양을 늘릴 수 있다.
상기 3) 단계의 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)에서는 수소메탄화균(Hydrogenotrophic Methanogen)의 먹이로 공급되는 수소의 낮은 용해도로 인해 수소의 용해도가 반응속도의 제한 인자가 되므로 반응속도를 높이기 위해 소정의 가압조건(1~6bar)이 요구된다.
이때, 가압조건은 메탄생성을 증대 또는 이산화탄소 배출저감을 위해 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)로 공급한 외부 이산화탄소량에 따라 다음과 같이 적절히 조정될 수 있다.
Figure 112019061617948-pat00001
Figure 112020000258708-pat00002
: 호열성 수소이용 메탄생성조 운전압력(bar)
Figure 112019061617948-pat00003
: 반응기 활성도(bar m3 day / g)
Figure 112019061617948-pat00004
: 수소메탄화균 농도(g/m3)
Figure 112020000258708-pat00005
: 호열성 수소이용 메탄생성조 유입 이산화탄소 유량(m3/day)
Figure 112020000258708-pat00006
: 호열성 수소이용 메탄생성조 부피(m3)
호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)는 산발효조의 0.5-1배 정도의 크기를 가지고, 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)에 주입되는 외부 이산화탄소, 수소의 주입량은 반응조의 pH, 바이오가스 성분비 등의 상황에 따라 유동적으로 조절할 수 있으며, 반응조는 pH 7.0에서 운전될 수 있다.
아울러 수소메탄화균(Hydrogenotrophic Methanogen)은 혐기조건에서만 활성을 띄기 때문에 반응기로 유입되는 미량의 산소들이 제거되어야 하며 이를 위해 메탄생성조 유입 전단에 산소 흡착 설비가 설치될 수 있다.
또한, 산발효조(100)에서 수소 생산을 최대화하여 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)의 외부 수소 요구량을 최소화하기 위한 방안으로 산발효조
(100)의 운영조건을 체류시간 1.5~2.5일, pH 5.0~5.5로 운영할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 바이오가스 고질화 시스템은 유기성 폐기물을 혐기발효하여 바이오가스를 생산하는 산발효조(100), 상기 산발효조(100)의 유출액으로부터 바이오가스를 생산하는 메탄발효조(300) 및 상기 산발효조(100)와 메탄발효조(300)의 바이오가스 중 메탄가스의 순도를 높이고, 동시에 외부의 이산화탄소원을 이용하여 메탄을 생산하는 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)로 구성되어 고순도(90% 이상)의 바이오가스를 생산한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 공정은 유기성 폐기물을 1차적으로 산발효조(100)에서 발효시켜 수소가스 및 이산화탄소가 주된 함량을 이루는 산발효조 바이오가스(101) 및 유기산이 다량 포함된 산발효조 소화액(102)을 생성하여, 상기 바이오가스(101)는 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)로 유입하고, 상기 유기산이 다량 포함된 산발효조 소화액(102)은 메탄발효조(300)로 공급한다.
그러면 메탄발효조(300)에서 유기산이 다량 포함된 산발효조 소화액(102)의 유기산(아세트산) 소화를 통해 메탄가스 함량이 증가된 메탄발효조 바이오가스(301)를 생산하여 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)로 유입한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)는 고온(50~60℃)에서 수소메탄화균(Hydrogenotrophic Methanogen)을 이용하여 상기 산발효조 바이오가스(101) 및 메탄발효조 바이오가스(301)의 이산화탄소를 메탄으로 전환하여 최종적으로 메탄분율 90% 이상의 업그레이드된 바이오가스(201)를 생산한다.
이때 이산화탄소에 비해 부족한 수소는 외부에서 신재생 에너지나 전기분해를 통해 공급해준다. 아울러 발전소 등에서 발생된 외부 이산화탄소도 주입하면 최종적으로 생산되는 메탄의 양을 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)는
내부 체류시간 증대로 수소가스 용해량을 증대시켜 메탄 순도를 높이기 위한 방안으로 가스 순환장치(400)를 포함할 수 있다.
호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200)의 가스 재순환은(순환방향: 하부에서 상부) 용해도가 낮은 수소가스를 반응기에 최대한 오래 체류시키기 위한 방안으로, 이를 통해 최종 배출가스의 수소함량을 낮게 하고 메탄 순도를 높게 할 수 있다.
또한, 가스 재순환 효과를 극대화하고 호열성 수소이용 메탄생성조(THM: 200) 내부의 배양균을 균질하게 유지하기 위해 배양액 순환을 가스 순환과 역으로 설정하여(순환방향: 상부에서 하부) 운영할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 유기성폐기물
100: 산발효조
101: 산발효조 바이오가스
102: 산발효조 소화액
200: 호열성 수소이용 메탄생성조(THM)
201: 업그레이드된 바이오가스
300: 메탄발효조
301: 메탄발효조 바이오가스
302: 메탄발효조 소화액
400: 가스순환장치
1000: 이산화탄소
2000: 수소

Claims (12)

1) 유기성 폐기물을 산발효하는 단계;
2) 상기 산발효 단계의 유출액을 기질로 하는 메탄발효 단계;
3) 외부에서 이산화탄소 및 수소를 공급받아 상기 산발효 단계와 메탄발효 단계에서 생성된 바이오가스 및 상기 외부에서 공급받은 이산화탄소를 고순도의 메탄가스로 개질하는 단계를 포함하는 생물학적 바이오가스 고질화 방법으로서,
상기 고순도의 메탄가스로 개질하는 단계가 호열성 수소이용 메탄생성조에서 수소메탄화균(Hydrogenotrophic Methanogen)에 의해 진행되고, 50~60℃의 고온에서 이루어지며, 1~6bar의 가압조건에서 이루어지되, 상기 가압조건이 아래 식에 따라 조정되는 생물학적 바이오가스 고질화 방법.
Figure 112020000258708-pat00015

Figure 112020000258708-pat00016
: 호열성 수소이용 메탄생성조의 운전압력(bar)
Figure 112020000258708-pat00017
: 반응기 활성도(bar m3 day / g)
Figure 112020000258708-pat00018
: 수소메탄화균 농도(g/m3)
Figure 112020000258708-pat00019
: 호열성 수소이용 메탄생성조의 유입 이산화탄소 유량(m3/day)
Figure 112020000258708-pat00020
: 호열성 수소이용 메탄생성조의 부피(m3)
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유기성 폐기물을 혐기발효하여 바이오가스를 생산하는 산발효조(100);
상기 산발효조(100)의 유출액으로부터 바이오가스를 생산하는 메탄발효조(300);
외부에서 이산화탄소 및 수소를 공급받아 상기 산발효조(100)와 메탄발효조(300)의 바이오가스 및 상기 외부에서 공급받은 이산화탄소를 수소메탄화균(Hydrogenotrophic Methanogen)을 이용하여 고순도의 메탄가스로 개질하는 호열성 수소이용 메탄생성조(200)를 포함하는 생물학적 바이오가스 고질화 시스템으로서,
상기 호열성 수소이용 메탄생성조(200)가 50~60℃의 고온에서 운전되고, 1~6bar의 가압조건에서 운전되며, 상기 가압조건이 아래 식에 따라 조정되는 생물학적 바이오가스 고질화 시스템.
Figure 112020000258708-pat00021

Figure 112020000258708-pat00022
: 호열성 수소이용 메탄생성조의 운전압력(bar)
Figure 112020000258708-pat00023
: 반응기 활성도(bar m3 day / g)
Figure 112020000258708-pat00024
: 수소메탄화균 농도(g/m3)
Figure 112020000258708-pat00025
: 호열성 수소이용 메탄생성조의 유입 이산화탄소 유량(m3/day)
Figure 112020000258708-pat00026
: 호열성 수소이용 메탄생성조의 부피(m3)
삭제
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제 4항에 있어서,
상기 호열성 수소이용 메탄생성조(200)가 pH 7.0에서 운전되는 생물학적 바이오가스 고질화 시스템.
삭제
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제 4항에 있어서,
상기 호열성 수소이용 메탄생성조(200)가 가스 순환장치(400)를 구비하는 생물학적 바이오가스 고질화 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 호열성 수소이용 메탄생성조(200)가 유입 전단에 산소 흡착 설비를 구비하는 생물학적 바이오가스 고질화 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 산발효조(100)가 체류시간 1.5~2.5일, pH 5.0~5.5로 운전되는 생물학적 바이오가스 고질화 시스템.
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