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KR20230033494A - 바이오 가스 생산 시스템 - Google Patents

바이오 가스 생산 시스템 Download PDF

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Publication number
KR20230033494A
KR20230033494A KR1020210116518A KR20210116518A KR20230033494A KR 20230033494 A KR20230033494 A KR 20230033494A KR 1020210116518 A KR1020210116518 A KR 1020210116518A KR 20210116518 A KR20210116518 A KR 20210116518A KR 20230033494 A KR20230033494 A KR 20230033494A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tank
hydrogen
suspended solids
unit
present
Prior art date
Application number
KR1020210116518A
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English (en)
Inventor
정대열
이호준
한광민
최진수
Original Assignee
(주)바이오엑스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)바이오엑스 filed Critical (주)바이오엑스
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Abstract

본 발명은 바이오 가스 생산 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 유기성 폐기물의 농도 조절 및 적량 투입을 위한 유량조정조(100); 고상 및 액상을 원심분리에 의해 분리하는 탈리조(200); 미세기포를 통해 수중내 부유고형분 또는 고형분을 저감하도록 하는 DGF부(310), 부유고형분 제거를 위해 협기성공정 전 발효 후 부유성 고형물 및 침전물 제거를 위한 여과부(320), 미세 독성 물질을 제거하기 위해 적정 pH 조정 및 적정 온도로 하여 중성화하는 pH 조정부(330)로 구성되는 반응조(300); 수소 그리고 메탄 또는 이산화탄소가 포함된 바이오 가스를 생산하여 저장하는 MEC조(400); 가스를 포집하여 연결된 배관을 통해 저장하는 수소 가스 저장조(500)를 개시한다.

Description

바이오 가스 생산 시스템{BIOGAS PRODUCTION SYSTEM}
본 발명은 음식물류폐수 등의 유기성 폐수를 사용하여 미생물 전기분해전지 (Microbial Electrolysis Cell, MEC)를 통한 고순도 수소 생산을 위한 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음식물류폐수 등의 고농도 유기성 폐기물 처리 및 고순도 수소 생산 공급이라는 다양한 장점을 소유하고 있으며 최종적으로 모듈화된 시스템의 증설을 통해 다양한 시설별 및 설치용량에 유연하게 적용 및 성공적인 플랜트 운영을 가능하도록 하는 바이오 가스 생산 시스템에 관한 것이다.
통상 화석연료의 자원은 고갈되고 있고 환경적으로 미치는 영향을 고려할 때 고효율의 무공해 바이오 가스는 미래지향적인 지속가능한 에너지 자원이라 할 수 있다.
바이오 수소의 경우, 다른 에너지 자원과 비교하여 최종 부산물에 온실가스 배출이 전혀 없기 때문에 더 많은 관심을 받고 있으며, 이러한 바이오 수소는 미생물 기반의 생화학 반응으로 열 화학적처리와 특정 조건 하에 바이오 수소 생산량과 수율이 결정되고 있다.
일반적으로 박테리아, 고세균, 또는 유기성 폐기물, 바이오 매스, 조류 등에 의해 생물학적으로 생성된 수소를 바이오 수소라 칭한다.
이는 많은 에너지를 요구하지 않는 운전조건과 일반적인 수준의 온도, 압력 및 수소가스로 에너지 저장이 가능한 장점이 있고, 낮은 효율의 물 전기분해를 통한 수전해수소나 이산화탄소가 많이 발생하는 추출수소의 한계로 그린 수소생산 중요성이 부각되어 있는 상황이다.
특히 혐기성조건의 낮은 미생물 성장속도 및 기질 분해의 이유로 다양한 방법론들이 바이오수소 생산량 증대를 위하여 제시되고 있다.
유기성 폐기물 배출 및 처리 문제를 살펴보면, 제5차 전국폐기물통계조사에 따르면 전국적으로 음식물류폐기물을 '자원화'하는 업체는 203개(퇴비화 처리 40.6%, 사료화 32.2%)이며, 일반적으로 음식물류폐기물 처리장에서는 발생 음식물의 고액분리 또는 삼상 분리 등의 전단계 공정 후 고형분은 퇴비화 공정을 통해 처리하고 있다.
예로서, 국내 음식물 쓰레기 처리장 운영실태를 살펴보면, 음식물 쓰레기의 고액분리 및 삼상분리 등의 전단계 공정 후 고형분은 퇴비화 공정을 통해 처리하고 있고 탈리액은 현장에서 추가 처리하지 못하고 다시 인근 지역 또는 외부 지자체로 운반되어 위탁 처리되고 있다.
고농도 액상 유기물질인 음식물폐수 탈리액은 바이오가스 생산 외에도 수소연료에너지로 전환되어 질 수 있는 잠재성을 가지고 있는 한편, 축산폐수의 경우 사육 및 처리시설의 직접화가 진행되고 있다.
고농도 유기성폐기물은 유기물, 질소, 인을 고농도로 함유하고 있어 수질오염에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 최근에 혐기소화를 이용하여 고농도 유기성폐기물을 메탄가스로 전환하여 에너지를 회수하고 소화폐액도 동시에 처리하는 바이오가스화 생산 시설이 이 적용되고 있기는 하나, 메탄가스의 생성분율이 낮고 수소생산을 위해서는 바이오가스의 수소개질이라는 복잡한 과정을 다시 사용하여야 하는 문제점이 있다.
여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는데 도움이 되기 위한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 이 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.
KR 특허등록 10-1756446 등록일 2017. 07. 04 KR 특허등록 10-1425104 등록일 2014. 07. 24 KR 특허등록 10-2240142 등록일 2021. 04. 08
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려함과 동시에 기존의 기술이 지닌 기술적 한계 및 문제점들을 해결하려는 발상에서, 낮은 효율의 물 전기분해를 통한 수전해수소나 이산화탄소가 많이 발생하는 추출수소의 한계로 그린 수소 생산을 위한 새로운 구조의 그린 수소 생산 시스템을 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 미생물전기화학 시스템의 일종으로 유기물을 미생물분해 하는 과정에서 전기분해를 접목, 미량의 외부 전압 입력을 통해 혐기적 처리의 안정성과 처리율 및 생산수율의 단점을 극복할 수 있는 그린 수소 생산 시스템을 제공하는 데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 새로운 착상을 구체화하면서 특정의 기술적 목적을 효과적으로 달성하기 위한 본 발명의 실시에 따른 구체적인 수단은,
제시한다.
이로써 본 발명은
새로운 효과가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시
상기와 같은 기술적 과제를 해결하고자 특유한 해결 수단이 기초하고 있는 본 발명의 기술 즉, MEC 반응조 및 전처리(가용화 및 전발효)와 정제처리(정제처리는 필요시 사용함) 등의 연계처리 통합 공정운영을 통하여 얻게 되는 기대효과는 다음과 같다.
첫째; 기존 MEC의 유입기질 대비 고효율의 발효액을 투입함으로 고율의 수소생산속도 및 투입기질 대비 높은 수소 회수율을 기대할 수 있는 장점이 있다.
둘째; 기존 MEC 반응조의 형상대비 미생물-전극간 밀착율이 높고 높은 전류 밀도를 기대할 수 있는 넓은 비표면적과 함께 미생물산화극 환원극 및 분리막의 구성으로 반응조내 전자화 수소이온의 이동을 상승시킨 장점이 있다.
셋째; 미생물 산화조를 연속 순환 유입시킴으로 체류시간대비 빠른 유속 및 맥동식 유량을 통해 미생물 메디아 내부까지 기질전달이 원활함으로 시스템 효율을 증가시키는 장점이 있다.
한편, 전처리, 정체처리 및 MEC 본 반응기의 모듈식 적재 구성을 통하여 실제 사용장소에서 기질 유입 및 수소 생산이 이루어지는 on-site에서 유동적인 설계, 시공 및 생산 구성을 통해 고농도 유기성폐기물의 처리장 및 음식물류폐기물 처리장 등에서 수소 생산의 인프라를 구축할 수 있는 장점이 있다.
여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 그린 수소 생산 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하며, 본 발명을 설명하기에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다. 또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과, 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
아울러 본 명세서에서 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함하는 의미이며, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
즉, '포함하다' 또는 '구비하다', '가지다' 등의 용어는 본 명세서에서 설시(說示)하는 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다.
그리고 상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부, 상측, 하측, 전후, 좌우 등의 용어는 각 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 편의상 사용한 것이다. 예를 들어, 도면상의 위쪽을 상부로 아래쪽을 하부로 명명하거나 지칭하고, 길이 방향을 전후 방향으로, 폭 방향을 좌우 방향으로 명명하거나 지칭할 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있다. 즉, 제1, 제2 등의 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성요소는 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한에서 제2 구성요소로 명명할 수 있고, 또 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명할 수도 있다.
본 발명은 그린 수소 생산 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 유기성 폐기물의 농도 조절 및 적량 투입을 위한 유량조정조(100)와, 고상 및 액상을 원심분리에 의해 분리하는 탈리조(200)와, 미세기포를 통해 수중내 부유고형분 또는 고형분을 저감하도록 하는 DGF(Dissolved Gas Flotation)부(310), 부유고형분 제거를 위해 협기성공정 전 발효 후 부유성 고형물 및 침전물 제거를 위한 여과부(320), PH 5-8 로 조정 및 온도 20-50℃로 하여 미세 독성 물질을 제거하기 위해 중성화하는 pH 조정부(330)로 구성되는 반응조(300)와, 수소 그리고 메탄 또는 이산화탄소가 포함된 바이오 가스를 생산하여 저장하는 MEC(Microbial Electrolysis Cell)조(400)와, 가스를 포집하여 연결된 배관을 통해 저장하는 수소 가스 저장조(500)로 구성할 수 있다.
즉, 본 발명은 크게 미생물전기분해전지에서의 수소 수율을 높이기 위한 전처리 장치인 가용화 및 전발효 장치(삼상원심분리기, 탈수기,DGF, ASBR, TFF 등) (바이오엑스 제공 첨부파일 참조바람) 와 주로 수소를 생산하는 미생물전기분해전지를 포함하고, 경우에 따라 추가적으로 생산된 수소 순도를 높이기 위한 정제 장치를 포함할 수 있다.
음식물류폐수에 기인하는 탈리액을 기질로 사용하여 전처리과정인 Dissolved Gas Flotation (DGF) 방식의 고액분리 장치와 와 Anaerobic Sequencing Batch Reactor(ASBR) 인 유기산 생성 발효조를 이용하여 음폐수내 기질의 성분을 미생물 전기분해장치에 유리한 형태로 가용화 및 전발효를 하고 미생물전기분해전지 공법을 이용하여 90% 이상의 고순도 수소를 생산한다. 생산된 수소는 후단에 멤브레인 또는 PSA와 같은 습식흡착법이정제처리공정과 연계되어 순도 99.995%의 ISO 규격 수준까지 정제 가능하다. 단, 정제전 수소의 생산량은 85~90% 정도이며, 이산화탄소 또는 메탄을 포함할 수도 있어 수소를 포함하는 바이오가스로 정의되어질 수 있다.
유량조정조(100)는, 유기성 폐기물의 농도 조절 및 적량 투입 하도록 되어 있다.
탈리조(200)는, 고상 및 액상을 원심분리에 의해 분리하도록 되어 있다.
반응조(300)는, 미세기포를 통해 수중내 부유고형분 또는 고형분을 저감하도록 하는 DGF(Dissolved Gas Flotation)부(310)와, 부유고형분 제거를 위해 협기성공정 전 발효 후 부유성 고형물 및 침전물 제거를 위한 여과부(320)와, PH 5-8 로 조정 및 온도 20-50℃로 하여 미세 독성 물질을 제거하기 위해 중성화하는 pH 조정부(330)로 구성되어 있다.
MEC(Microbial Electrolysis Cell)조(400)는, 수소 그리고 메탄 또는 이산화탄소가 포함된 바이오 가스를 생산하여 저장하도록 되어 있다.
수소 가스 저장조(500)는, 가스를 포집하여 연결된 배관을 통해 저장하도록 되어 있다.
DGF(Dissolved Gas Flotation)부(310)는 전처리의 고액분리를 담당하는 장치이다. 미세기포의 부상특성을 이용하여 물속의 입자들을 분리하는 물리적처리방법을 통해 미생물전기분해전지에 치명적인 입자성물질의 농도를 허용수준 이하로 낮춘다. 부상분리 기술 중 가압부상(DAF)는 반송수를 가압하여 공기를 포화시켜 상압에서 노출시켜 미세한 공기방울을 형성시킴으로 이를 부상분리에 사용하는 방법이다. 본 발명에서는 공기압축기의 흡입공기를 공정의 폐가스 또는 이산화탄소를 이용하는 Dissolved Gas Flotation(DGF)를 채택함으로서 이는 후속 혐기공정에 저해요소인 산소를 최대한 배제하며 후속공정의 안정성을 도모할 수 있다. DGF공정은 일련의 급속 교반 및 완속 교반의 과정이 수행되며 반응조의 체류시간 및 원수 성성에 따라 응집제 및 화학처리조를 더하여 고액분리 처리효율의 상승을 도모할 수 있다.
ASBR(Anaerobic Sequencing Batch Reactor)은, 분리된 침출수의 경우 아세트산과 같은 유기산, 에탄올과 같은 용매성 물질을 일부 포함하나 혐기성 발효 과정을 통해 이 성상을 후속 MEC 반응조에 더욱더 유리하게 변화를 줄 수 있다. 이 발효 공정을 조절하여 아세트산/에탄올 생성 미생물의 최대생율시간 아래에서 운전을 하여 비수소 발생 미생물, 수소분해 메탄화 미생물등 시스템 저해 관련 미생물 증식을 억제하여 수소 생산의 최적화를 도모할 수 있다. 이는 반응조 운전 온도, pH 및 수리학적 체류시간 조절등을 포함한다. 또한 ASBR은 반응기의 운전조건이, feed-react-settle-decant의 방식으로 운전되어 지기 때문에 부유고형물질를 제거할 수 있는 internal clarification의 내재적 기능을 가지고 있다. TFF(Tangential flow filtration)는, 반응조에서 최종 유입되는 원수의 TSS 농도를 MEC 설계 규정농도 이하로 여과하여 조정하도록 되어 있다.
pH 조정부(330)는, Conditioning process를 통하여 음폐수의 수질 특성상 낮은 pH로 유입되어 pH 조정이 필요하며 이는 원수 조정조에서 타 폐수와의 혼입을 통하여 pH를 올리거나 MEC 생물 반응조에 유입시키기 전에 pH를 6.5이상 끌어올려 반응조내에 Acid 충격을 방지하고 반응조의 성능이 저하되지 않도록 조정 및 반응조에 유입시킨다. conditioning 공정을 필요한 물질은 sodium hydroxide, lime, ammonium hydroxide 등이 사용되어질 수 있다.
MEC(Mecrobial Electrolysis Cells)조(400)는, 생물학적 처리 특성상 사용되는 MEC 공정 미생물의 군집구조와 미생물적 특성이 공정 성능을 좌우한다. 시스템 구성에서 사용되는 미생물은 단일종 배양된 MEC 시스템이거나 복합종으로 배양된 MEC 시스템이 사용된다. 미생물산화 음극에서 잘 배양된 미생물 바이오필름은 수소 생성 효율 및 안정성에 필수적이다. 미생물 산화 음극에서의 선택적 바이오가스 생성 미생물 우점화 방안은 미생물 단일종을 배양하여 접종하는 방법과 혼합형 미생물 가운데 메탄생성 균을 제한하는 기질 또는 선택적으로 작용하는 화학제를 주입하는 방법이 있다. 이런 미생물 성장 제한 인자 조절을 통하여 공정 운영 비용 절감 및 수소생산량 증대를 꾀할 수 있다. MEC 반응조에서 미생물산화극 (Microbial anode)은 유기물을 산화 분해하여 양성자와 전자를 발생시키고 이를 환원극(Cathode)으로 보내게 된다. 미생물 음극의 소재로는 그라파이트 펠트, 탄소섬유 등 단위부피당 비표면적이 넓고 전극 표면사이의 계면저항이 작은 고전도성 물질이 사용되어진다. 본 반응조는 카본펠트를 사용하여 단위부피당 비표면적이 넓은 고전도성 물질을 사용한다. 미생물 연료전지에서 분리막 (membrane)은 듀얼챔버 (dual chamber) 시스템으로 산화조와 환원조를 분리하기 위한것으로 산화조에서 생성된 양성자 (수소전자)를 환원조로 전달하기 위함이다. 분리막은 선택적 양성자 전도성이 우수하여야 하며 산화조와 환원조에서 화학적으로 안정 및 부식성이 없어야 한다. 현재 나피온 117및 CMI-7000등의 양이온 교환막과 AMI-7100등의 음이온 교환막을 필두로 소재개선 및 개질 등의 연구를 통해 효율 증대 연구들이 이루어 지고 있다. 미생물산화극에서 유기물이 산화되며 분해된 전자는 외부회로를 통하여 환원조로 이동하게 되고 분리막을 투과한 수소이온과 전자가 환원극에서 결합하여 수소가스를 생성한다. 환원극재료는 전도성이 높고 부식성이 낮은 금속으로 전달되는 전자와 수용액속의 수소전자가 결합하여 수소가스가 생성된다. 니켈과 스테인리스 등의 소재가 사용되며 전극의 비표면적을 높이기 위하여 100 mesh 의 니켈 메쉬 및 스테인리스 메쉬를 주로 사용한다. 반응조의 구성은 분리막을 기준으로 미생물 산화조와 수소가스 환원조로 분리되며 반응조는 ?湛? 판 모양으로 멤브레인의 비표면적을 최대한으로 이용하며 메쉬망소재의 환원극의 비표면적을 최대한으로 활용할수 있는 형태로 한다. 미생물 산화조는 카본펠트소재의 친수성의 납작한 고전도성 물질로써 분리막에 최대한 가깝게 붙어 미생물에 의해 생성된 양전하의 이동거리를 짧게 하고 생성된 전자가 전극까지 이동하는데 거리를 짧게 한다. 환원조는 미생물 산화조와 비슷한 납작한 모양이나 기체 또는 액체로 채워져 있다. 반응조의 형태상 분리막과 환원전극의 밀착도를 높이고 반응조 형태를 유지시켜주는 브라켓이 존재한다. MEC 반응조의 배관은 pH에 저항성이 있는 소재여야 하며 운전온도는 실온에서 운전된다. 가스 포집을 위한 배관은 수소가스의 투과 저항성이 있는 재질의 배관이 사용된다. MEC 반응조 운전을 위해서 반응조를 순환시켜줄 펌프/모터가 필요하며 MEC Cell 내부 부피 대비 10배 정도의 순환유량 저류조가 필요하다. 순환유량 저류조는 혐기상태 유지를 위해 기밀을 유지한다.
정제조(600)는, 수소 생산의 최종목표 생산물인 고순도의 수소가스를 판매가능한 수준의 상용화 용도 사용시에는 정제처리를 하여야 한다. MEC를 통해 발생하는 수소가스의 경우 CO2와 수증기 미량의 기타성분들이 포함되어 있다. 현장 생산형 (on-site) 수소 정제 설비 유닛을 통하여 고율의 수소 정제를 달성(99.995%) 및 수소 정제 회수율도 85% 이상을 달성한다. 생산된 수소가스를 저장하는 용기와 이를 정제전 수분과 불순물을 걸러내고 흡착여재, 압축을 통하여 CO2와 H2를 분리하는 Pressure Swing Adsorption (PSA)이 일반적인 정제법이나 멤브레인 정제법 또는 이를 혼용하는 hybrid 정제법을 통하여 수소 순도를 상승시킨다.
이상에서와 같이 구성되는 본 발명에 따른 그린 수소 생산 시스템의 작동원리는 다음과 같다.
원수에서 유입되는 폐수속의 고형분에 기포가 부착되면 겉보기 밀도가 낮아지며 수면위로 상승하게 된다. 이때 공기의 용해도는 물속에서 헨리의 법칙에 따라 압력에 비례하고 온도에 반비례한다. 연속해서 일정온도하에 압축기에서 압축시긴 공기를 주입하여 상압에서 감압하면 그 용해도 차만큼 공기가 기포를 형성하면서 상향류로 상승하게 되고 이때 발생하는 미세기포들이 입자속의 고형물과 유분에 부착하여 수면위로 떠오르게 된다. 그러면 수면위에서 자동화된 컨베이어벨트식의 스크러버를 통해 고형분 및 슬러리 처리 통로로 고형물을 이송시킨다. 연속해서 입자 및 유분을 배제하기 위하여 화학응집제를 급속혼합(체류시간 2~3분) 시키면 처리효율을 상승시킬수 있게 된다. 여기서 반응조의 모듈화 및 컴팩트화를 위하여 파이프 믹서등을 통하여 배관내에서 반응이 이루어지는 형식을 취할수 있다. 한편 반응조는 체류시간 20~40분 정도로 짧아 설치면적이 적게 소요될 수 있다.
여기서, 압축공기의 경우 일반적인 컴프레서를 통한 압축공기이나, 공기중에 포함되는 산소의 혐기시스템 내 미칠 악영향을 우려하여 공정에서 발생하는 폐가스나 이산화탄소를 활용하여 DGF로 운영할 수 있다. 이때 DGF는 closed 시스템으로 ASBR에서 발생하는 폐가스(CO2, 수증기)를 압축기에 주입하여 고압압축후 DGF (Dissolved Gas Flotation)에 주입하면 된다. 연속해서 미세기포로 부상한 폐가스는 DGF 반응조 상부에서 취부되어 폐가스 이송라인을 통하여 압축기로 이송하면 된다
ASBR은 단일 반응조 형태로 수리학적 체류시간에 따라 유입, 반응, 침전, 유출을 조절할 수 있으며 기존의 메탄생성 혐기 반응조에 비해 짧은 체류시간을 가지며 특정 발효부산물의 생성 증대를 위하여 온도와 pH를 조절한다. 이는 혐기성 상태에서 바이오수소를 생산하는 Clostridia 혼합 미생물 군집을 우점화하기 위하여 Bacterial Stress Response” 기법 및 발효공정의 대사경로 선택적 진행을 위한 방법으로 실제 최대 이론적 수소 생산을 위한 아세트산 경로와는 달리 대사경로가 일반적인 뷰티릭산의 대사경로로 이루어지는 기존의 산발효의 단점을 상쇄하여 이론적 최대 수소 생산량 가까이 달성 가능하게 해준다. 또한 기존 유기물을 에탄올로 발효시 생산 수소는 아세트산보다 떨어지나 중간대사물로 아세트산이 주요 산물로 발생하므로 이 아세트산-에탄올 대사경로를 유도하는 미생물 군집, Clostridium actobutyricum를 우점화할수 있는 발효공정 운영을 통하여 기존 공정 및 연구결과에 차별화된 생산성을 확보할 수 있다. 이와 같은 발효경로는 pH 4.5보다 낮은 경우 에탄올, 부탄올등의 화학용매가 생산되는 경향이 있으며, pH가 4.5이상인 경우 유기산이 많이 생성되나 pH 조건만으로 생산경로를 한정할 수 없고 폐수 유입 후 주입-반응-침전-배출 싸이클로 운전되는 연속 회분식 혐기 반응조의 운전 조건 및 운전 온도를 통하여 대사경로 유도가 가능하다.
TFF는, 교차류여과방식이며, 급송부유물이 가압하에서 여과매체를 고속 통과하며 이루어지는 여과방식으로 액체의 흐름이 막과 평행하기 때문에 막 위에 쌓이는 슬러지 케이크에 의한 여과저항이 최소화 된다.
여과 매체로는 액체내의 부유성 고형물을 제거할 만한 공극(1.2um 미세여과)을 가진 세라믹, 금속, 고분자 막 등을 이용할 수 있다.
TFF에서 중요한 요소는 막간 차압으로, 여과매체의 공극내부에 축적되는 저항물질과 여과매체 표면에 쌓이는 케이크에 의한 저항물질로 이루어진다.
TFF의 운전 특성상 가압하에 여과 매체와 평행하게 흐르는 유량 이동의 특성상 여과매체 표면에 쌓이는 케이크에 의한 저항을 최소화할수 있고 시스템에서 자동측정되는 막간차압을 기록하여 한계차압에 도달할 경우 역세 운전을 통해 공극내부에 축적되는 저항물질을 제거한다. 역세운전시 역세 효율 상승을 위한 화학케미컬을 더하여 처리율을 제고하면 된다.
pH 조정부는, 발효 종료액의 경우 pH가 6.5 이하인데 MEC의 맞춤형 기질로서 사용하기 위하여 활성탄(activated carbon)이 포함되어 있는 칼럼에 발효액을 통과시킨 후 ammonium hydroxide로 MEC의 적절한 운전 pH인 7.0~7.8로 기질을 중성화하는 조정과정이 본 발명에서의 원리이나 다른 conditioning가 사용되어질 수도 있다.
MEC는, 미생물 산화극 하부로 유입되는 기질은 다이아프램식 펌프 등의 정량펌프를 이용하여 반응조 하부로 유입하도록 되어 있다.
미생물 산화극의 단면을 통과하여 반응조 상부로 유출된 유출수는 배관을 따라 MEC 시스템 순환을 위한 MEC 저류조로 유입된다. 직전 운영조작인 pH 조정 및 TSS가 설계요소 이내로 조정된 전처리 발효액은 연속식 또는 배치식으로 MEC 저류조로 유입되며 혼입된 용액은 다시 다이아프램 펌프 등을 통하여 반응조 하부로 유입되어 순환이 이루어진다. 미생물 산화극에서 전처리 발효액은 미생물의 대사작용에 의해 분해가 되며 수소 이온과 전자를 방출하게 되고 생성된 전자는 미생물의 나노와이어 및 직접 전극 전달 등의 미생물-전극 인터페이스를 통해 전자를 전극으로 전달하고 이는 외부로 이어진 파워서플라이/potentiostat 등으로 통해 환원극으로 전달된다. MEC 미생물의 활성을 유도하기 위하여 0.4~1.4V의 전압이 요구된다. 미생물 산화극에 +극을 환원조에 -극을 연결하여 전압을 인가함으로 전기활성 미생물에 의한 활성을 유도하고 이 전기 촉매작용을 통하여 반응속도를 높이고 에너지 전환에서 손실율을 저감할 수 있다. 생성되는 수소 이온은 분리막의 선택적 이온 투과성에 의하여 환원극으로 이동하거나 수소이온의 전하적 특성에 의해 환원극으로 이동하게 된다. 환원조는 혐기상태를 유지함으로써 전달된 수소이온과 환원극의 전자가 결합하여 수소가스가 생성되도록 한다. 생성된 수소가스는 가스포집부에 연결된 배관을 통하여 수소 가스 저장조로 이송한다.
정제조(600)는, 생성된 수소 가스가 포함하고 있는 수분 및 황화수소등의 불순물을 제거하기 위하여 PSA식 가압식 가스흡착장치와 분리막 등을 을 사용하여 수소의 순도를 높이고, 경우에 따라서는 폐가스에 버려지는 수소를 가스 분리막을 통해 회수함으로써 수소의 순도를 90%이상으로 회수할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예(embodiment) 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지로 다양하게 변형하고 응용할 수 있음은 물론이고 각 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다. 그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.
100: 유량조정조
200: 탈리조
300: 반응조
310: DGF부
320: 여과부
330: pH 조정부
400: MEC조
500: 수소 가스 저장조
600: 정제조

Claims (2)

  1. 유기성 폐기물의 농도 조절 및 적량 투입을 위한 유량조정조(100);
    고상 및 액상을 원심분리에 의해 분리하는 탈리조(200);
    미세기포를 통해 수중내 부유고형분 또는 고형분을 저감하도록 하는 DGF부(310), 부유고형분 제거를 위해 협기성공정 전 발효 후 부유성 고형물 및 침전물 제거를 위한 여과부(320), 미세 독성 물질을 제거하기 위해 적정 pH 조정 및 적정 온도로 하여 중성화하는 pH 조정부(330)로 구성되는 반응조(300);
    수소 그리고 메탄 또는 이산화탄소가 포함된 바이오 가스를 생산하여 저장하는 MEC조(400);
    가스를 포집하여 연결된 배관을 통해 저장하는 수소 가스 저장조(500);
    를 포함하는 바이오 가스 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    생산된 수소를 습식흡착법 또는 분리막 멤브레인을 통해 추가 정제하는 정제조(600);를 더 포함하는 바이오 가스 생산 시스템.
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