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KR20240052705A - Process for recovery of ammonia, methane and hydrogen from waste - Google Patents

Process for recovery of ammonia, methane and hydrogen from waste Download PDF

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KR20240052705A
KR20240052705A KR1020230137056A KR20230137056A KR20240052705A KR 20240052705 A KR20240052705 A KR 20240052705A KR 1020230137056 A KR1020230137056 A KR 1020230137056A KR 20230137056 A KR20230137056 A KR 20230137056A KR 20240052705 A KR20240052705 A KR 20240052705A
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KR
South Korea
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ammonia
methane
hydrogen
membrane separator
waste
Prior art date
Application number
KR1020230137056A
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Korean (ko)
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조진호
이창원
길다두
김재영
박재범
장윤미
최용주
김승환
김준현
이요셉
Original Assignee
에스케이인천석유화학 주식회사
서울대학교산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 개시의 일 구현예에 따르면, 제1 기체 생성물을 생성하기 위해 피드를 수소 발효하는 단계, 여기서 제1 기체 생성물은 수소 및 이산화탄소를 포함하며; 제1 기체 생성물로부터 수소를 분리하는 단계; 제2 기체 생성물을 생성하기 위해 수소 발효의 여액을 메탄 발효하는 단계, 여기서 제2 기체 생성물은 메탄 및 이산화탄소를 포함하며; 제2 기체 생성물로부터 메탄을 분리하는 단계: 메탄 발효의 여액을 고액 분리하는 단계; 및 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계를 포함하는 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정을 제공하여, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 높은 수율로 회수할 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, hydrofermenting a feed to produce a first gaseous product, wherein the first gaseous product comprises hydrogen and carbon dioxide; separating hydrogen from the first gaseous product; methane fermenting the filtrate of the hydrofermentation to produce a second gaseous product, wherein the second gaseous product comprises methane and carbon dioxide; Separating methane from the second gaseous product: separating the filtrate of methane fermentation into solid and liquid; and separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step. By providing a process for recovering ammonia, methane, and hydrogen from waste, ammonia, methane, and hydrogen can be recovered in high yield.

Description

폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정 {Process for recovery of ammonia, methane and hydrogen from waste}{Process for recovery of ammonia, methane and hydrogen from waste}

본 개시는 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정에 관한 것이다.This disclosure relates to a process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste.

축산 폐기물, 음식물 쓰레기와 같은 폐기물을 배출하기 위하여는 이를 미생물에 의해 분해하는 과정이 요구되며, 이러한 미생물에 의한 폐기물의 분해는 통상적으로 무산소 상태에서 진행되는데, 이와 같은 무산소 상태에서의 미생물에 의한 생분해성 유기물의 분해를 혐기성 소화라고 한다. 혐기성 소화의 산물로서는, 수소, 메탄 및 이산화탄소와 같은 기체가 생성된다. In order to discharge wastes such as livestock waste and food waste, a process of decomposing them by microorganisms is required, and the decomposition of wastes by these microorganisms usually proceeds in anoxic conditions. Biodegradation by microorganisms in such anoxic conditions is required. The decomposition of organic matter is called anaerobic digestion. As products of anaerobic digestion, gases such as hydrogen, methane, and carbon dioxide are produced.

또한, 혐기성 소화의 여액에는 암모니아와 같이, 다른 산업 용도로서 재사용이 가능한 성분이 존재하는데, 이와 같이 혐기성 소화의 생성물, 부산물 및 여액으로부터 재사용 가능한 성분을 효율적으로 회수하기 위한 방법이 활발하게 연구되어 오고 있다.In addition, the filtrate of anaerobic digestion contains components that can be reused for other industrial purposes, such as ammonia. Methods for efficiently recovering reusable components from the products, by-products, and filtrate of anaerobic digestion have been actively studied. there is.

USUS 2016-0206993 2016-0206993 A1A1

본 개시는 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정을 제공하는 것이다.The present disclosure provides a process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste.

본 개시의 제1 관점(first aspect)에 따른 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정은 제1 기체 생성물을 생성하기 위해 피드를 수소 발효하는 단계, 여기서 제1 기체 생성물은 수소 및 이산화탄소를 포함하며; 제1 기체 생성물로부터 수소를 분리하는 단계; 제2 기체 생성물을 생성하기 위해 수소 발효의 여액을 메탄 발효하는 단계, 여기서 제2 기체 생성물은 메탄 및 이산화탄소를 포함하며; 제2 기체 생성물로부터 메탄을 분리하는 단계: 메탄 발효의 여액을 고액 분리하는 단계; 및 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste according to the first aspect of the present disclosure includes hydrofermenting the feed to produce first gaseous products, wherein the first gaseous products comprise hydrogen and carbon dioxide. and; separating hydrogen from the first gaseous product; methane fermenting the filtrate of the hydrofermentation to produce a second gaseous product, wherein the second gaseous product comprises methane and carbon dioxide; Separating methane from the second gaseous product: separating the filtrate of methane fermentation into solid and liquid; And it may include the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step.

일 구현예(one embodiment)에 따르면 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정은 수소 발효 단계 전에 피드를 열가수분해하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.According to one embodiment, the process of recovering ammonia, methane, and hydrogen from waste may further include thermally hydrolyzing the feed before the hydrogen fermentation step.

일 구현예에 따르면 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정은 고액 분리 단계 전에 메탄 발효의 여액을 전처리하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.According to one embodiment, the process of recovering ammonia, methane, and hydrogen from waste may further include the step of pretreating the filtrate of methane fermentation before the solid-liquid separation step.

일 구현예에 따르면 상기 전처리 단계는 메탄 발효의 여액의 중력 침강, 여과, 및 응집 침전 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the pretreatment step may include at least one of gravity sedimentation, filtration, and coagulation sedimentation of the filtrate of methane fermentation.

일 구현예에 따르면 제1 기체 생성물로부터 수소를 분리하는 단계는 제1 멤브레인 분리기에 이산화탄소 흡수제를 공급하는 단계; 및 제1 멤브레인 분리기에 제1 기체 생성물을 공급하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.According to one embodiment, separating hydrogen from the first gaseous product includes supplying a carbon dioxide absorbent to the first membrane separator; and supplying the first gaseous product to the first membrane separator.

일 구현예에 따르면 제1 멤브레인 분리기는 기체-액체 멤브레인 분리기일 수 있다.According to one embodiment, the first membrane separator may be a gas-liquid membrane separator.

일 구현예에 따르면 제2 기체 생성물로부터 메탄을 분리하는 단계는 제2 멤브레인 분리기에 제2 기체 생성물을 공급하는 단계를 더욱 포함하며, 여기서 제2 멤브레인 분리기는 기체-기체 멤브레인 분리기일 수 있다.According to one embodiment, the step of separating methane from the second gaseous product further comprises feeding the second gaseous product to a second membrane separator, where the second membrane separator may be a gas-gas membrane separator.

일 구현예에 따르면 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 제3 멤브레인 분리기에 암모니아 흡수제를 공급하는 단계; 및 제3 멤브레인 분리기에 상기 액체 성분을 공급하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step includes supplying an ammonia absorbent to a third membrane separator; And it may further include supplying the liquid component to a third membrane separator.

일 구현예에 따르면, 제3 멤브레인 분리기는 소수성 멤브레인(hydrophobic membrane)을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the third membrane separator may include a hydrophobic membrane.

일 구현예에 따르면 암모니아 흡수제는 황산, 질산 및 인산 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the ammonia absorbent may include at least one of sulfuric acid, nitric acid, and phosphoric acid.

일 구현예에 따르면 제3 멤브레인은 액체-액체 멤브레인 분리기일 수 있다.According to one embodiment, the third membrane may be a liquid-liquid membrane separator.

일 구현예에 따르면 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정은 회수된 암모니아를 고형화하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.According to one embodiment, the process of recovering ammonia, methane, and hydrogen from waste may further include solidifying the recovered ammonia.

일 구현예에 따르면 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 흡착제를 사용하여 제3 멤브레인 분리기 유출물에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)을 흡착하는 단계; 및 상기 흡착제에 흡착된 암모늄 이온을 탈착하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step includes adsorbing ammonium ions (NH 4 + ) contained in the effluent of the third membrane separator using an adsorbent; And it may further include the step of desorbing ammonium ions adsorbed on the adsorbent.

일 구현예에 따르면 상기 흡착제는 제올라이트를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the adsorbent may include zeolite.

일 구현예에 따르면 암모니아 흡수제는 흡착 단계를 포함하지 않는 공정에서 사용되는 암모니아 흡수제에 비해 저농도의 황산, 질산 및 인산 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the ammonia absorbent may include at least one of sulfuric acid, nitric acid, and phosphoric acid at a lower concentration compared to the ammonia absorbent used in a process that does not include an adsorption step.

본 개시의 제2 관점에 따른 폐기물로부터 암모니아를 회수하는 공정은 피드를 고액 분리하는 단계; 및 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계를 포함하며, 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 제3 멤브레인 분리기에 암모니아 흡수제를 공급하는 단계; 및 제3 멤브레인 분리기에 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분을 공급하는 단계를 포함하고, 제3 멤브레인 분리기는 소수성 멤브레인을 포함한다.The process for recovering ammonia from waste according to the second aspect of the present disclosure includes the steps of separating feed into solid and liquid; and separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step, wherein the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step includes supplying an ammonia absorbent to a third membrane separator; and supplying the liquid component separated in the solid-liquid separation step to a third membrane separator, wherein the third membrane separator includes a hydrophobic membrane.

일 구현예에 따르면 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 흡착제를 사용하여 제3 멤브레인 분리기 유출물에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)을 흡착하는 단계; 및 상기 흡착제에 흡착된 암모늄 이온을 탈착하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step includes adsorbing ammonium ions (NH 4 + ) contained in the effluent of the third membrane separator using an adsorbent; And it may further include the step of desorbing ammonium ions adsorbed on the adsorbent.

본 개시의 제1 관점에 따르면 수소, 메탄 및 암모니아를 높은 수율로 회수할 수 있으며, 각 성분을 회수하기 위한 분리기의 파울링을 방지할 수 있다.According to the first aspect of the present disclosure, hydrogen, methane, and ammonia can be recovered in high yield, and fouling of the separator for recovering each component can be prevented.

도 1은 일 구현예에 따른 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정의 공정 흐름도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 소수성 멤브레인의 모식도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계의 개략도이다.
도 4 내지 6은 일 구현예에 따른 제올라이트 양에 대한 제올라이트의 암모늄 흡착율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7 내지 9는 일 구현예에 따른 제올라이트 양에 대한 이론적인 제올라이트의 암모늄 흡착율 변화를 나타내는 그래프이다.
1 is a process flow diagram of a process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste according to one embodiment.
Figure 2 is a schematic diagram of a hydrophobic membrane according to one embodiment.
Figure 3 is a schematic diagram of the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step according to one embodiment.
Figures 4 to 6 are graphs showing the change in ammonium adsorption rate of zeolite with respect to the amount of zeolite according to one embodiment.
7 to 9 are graphs showing changes in the theoretical ammonium adsorption rate of zeolite with respect to the amount of zeolite according to one embodiment.

본 개시의 목적, 장점, 및 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이나, 본 개시가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. The objects, advantages, and features of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings, but the present disclosure is not necessarily limited thereto. Additionally, in describing the present disclosure, if it is determined that a detailed description of related known technologies may unnecessarily obscure the gist of the present disclosure, the detailed description will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 개시의 일 구현예를 상세히 설명한다.Hereinafter, an implementation example of the present disclosure will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 일 구현예에 따른 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정의 공정 흐름도이다.1 is a process flow diagram of a process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste according to one embodiment.

본 개시의 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정은 제1 기체 생성물을 생성하기 위해 피드를 수소 발효하는 단계를 포함하며, 여기서 제1 기체 생성물은 수소 및 이산화탄소를 포함한다.The process of recovering ammonia, methane and hydrogen from waste of the present disclosure includes hydrofermenting the feed to produce first gaseous products, wherein the first gaseous products include hydrogen and carbon dioxide.

도 1을 참조하면, 피드는 수소 발효조(1)에 공급되어, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 기체 생성물을 생성할 수 있다. Referring to FIG. 1, the feed may be supplied to the hydrogen fermenter 1 to produce a first gaseous product including hydrogen and carbon dioxide.

피드는 생활 폐기물, 공업 폐기물, 축산 폐기물과 같은 폐기물로서, 유기물을 포함하는 폐기물을 포함할 수 있다. 상기 폐기물은 예를 들어, 음식물 쓰레기, 가축분뇨, 하수슬러지, 또는 농업 부산물일 수 있다.Feed is waste such as household waste, industrial waste, and livestock waste, and may include waste containing organic matter. The waste may be, for example, food waste, livestock manure, sewage sludge, or agricultural by-products.

수소 발효 단계는 미생물 또는 균류를 이용하여 폐기물의 구성 성분인 유기물을 분해하는 단계로서, 수소 발효 단계는 바람직하게는 무산소 상태에서 미생물 또는 균류를 이용하여 유기물을 분해하는 혐기성 발효 단계일 수 있다. 수소 발효 단계에서의 미생물에 의한 피드의 발효에 의해, 제1 기체 생성물이 생성되며, 제1 기체 생성물은 수소 및 부산물로서의 이산화탄소를 포함한다.The hydrogen fermentation step is a step of decomposing organic matter, which is a component of waste, using microorganisms or fungi. The hydrogen fermentation step may be an anaerobic fermentation step of decomposing organic matter using microorganisms or fungi, preferably under anaerobic conditions. Fermentation of the feed by microorganisms in the hydrogen fermentation step produces a first gaseous product, which includes hydrogen and carbon dioxide as a by-product.

일 구현예에서, 수소 발효는 30 내지 60 ℃의 온도 및 6 내지 8의 pH에서 수행될 수 있다.In one embodiment, hydrofermentation may be performed at a temperature of 30 to 60° C. and a pH of 6 to 8.

일 구현예에서, 상기 공정은 수소 발효 단계 전에 피드를 열가수분해하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 수소 발효 단계 전에 고온 및 고압의 조건 하에서, 피드에 수증기를 분사하여, 피드에 존재하는 고분자 물질을 저분자 물질로 분해하는 열가수분해를 수행함으로써, 수소 발효 단계에서 미생물의 작용이 활발하게 이루어지도록 하고, 결과적으로 미생물에 의한 피드의 발효의 산물로서 수소의 발생량이 보다 증가하도록 할 수 있다. 구체적으로, 열가수분해 단계에서, 피드에 존재하는 미생물 중 예를 들어 Clostridium sp.과 같은 수소 생성 미생물은 포자를 형성하여 생존하는 반면, Halobacterota와 같은 비-수소 생성 미생물 또는 메탄 생성 미생물의 활성은 억제되어, 수소 발효 단계에서 수소의 발생량이 보다 증가하게 된다. 이후, 억제된 비-수소 생성 미생물은 메탄 발효 단계의 환경에서는 다시 활성화될 수 있으며, 이는 열가수분해 단계에서 얻어진 저분자 물질의 대사에 의해 생성되는 휘발성 지방산을 메탄으로 전환하는 메탄 발효를 수행한다. 즉, 피드의 열가수분해는 수소 발효 및 메탄 발효의 생성물의 양을 증대시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 피드의 열가수분해는 100 내지 200 ℃의 온도 및 1.0 atm 내지 15 atm의 압력, 바람직하게는 120 내지 180 ℃의 온도 및 1.9 atm 내지 10 atm의 압력 하에서 15 내지 30분 동안 수행될 수 있다. In one embodiment, the process may further include thermally hydrolyzing the feed before the hydrogen fermentation step. Before the hydrogen fermentation step, under conditions of high temperature and pressure, water vapor is sprayed on the feed to perform thermal hydrolysis to decompose the high molecular substances present in the feed into low molecular substances, thereby making the action of microorganisms active in the hydrogen fermentation step. , As a result, the amount of hydrogen generated as a product of fermentation of the feed by microorganisms can be increased. Specifically, in the thermal hydrolysis step, among the microorganisms present in the feed, hydrogen-producing microorganisms, such as Clostridium sp., survive by forming spores, while the activity of non-hydrogen-producing microorganisms or methanogenic microorganisms, such as Halobacterota, is reduced. This is suppressed, and the amount of hydrogen generated in the hydrogen fermentation stage increases. Thereafter, the suppressed non-hydrogen producing microorganisms can be activated again in the environment of the methane fermentation step, which performs methane fermentation to convert volatile fatty acids produced by metabolism of low-molecular-weight substances obtained in the thermal hydrolysis step into methane. That is, thermal hydrolysis of the feed can increase the amount of products of hydrogen fermentation and methane fermentation. More specifically, the thermal hydrolysis of the feed is carried out for 15 to 30 minutes at a temperature of 100 to 200 ° C. and a pressure of 1.0 atm to 15 atm, preferably at a temperature of 120 to 180 ° C. and a pressure of 1.9 atm to 10 atm. You can.

상기 공정은 제1 기체 생성물로부터 수소를 분리하는 단계를 포함한다. 전술한 바와 같이, 제1 기체 생성물은 수소 및 이산화탄소를 포함하고 있으며, 이로부터 수소를 회수하기 위하여는 수소만을 분리하는 단계가 요구된다.The process includes separating hydrogen from the first gaseous product. As described above, the first gas product contains hydrogen and carbon dioxide, and in order to recover hydrogen therefrom, a step of separating only the hydrogen is required.

일 구현예에서, 제1 기체 생성물로부터 수소를 분리하는 단계는 제1 멤브레인 분리기에 이산화탄소 흡수제를 공급하는 단계 및 제1 멤브레인 분리기에 제1 기체 생성물을 공급하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 수소 발효조(1)에서 생성된 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 기체 생성물은 제1 멤브레인 분리기(3)에 공급되며, 이 때 이산화탄소 흡수제 또한 이산화탄소 흡수제 공급기(4)로부터 제1 멤브레인 분리기(3)에 공급된다. 제1 기체 생성물에 포함되는 수소 및 이산화탄소는 확산 속도가 유사하여 본 기술분야에서 기체 혼합물의 성분을 분리하기 위해 통상적으로 사용되는 기체 확산 속도의 차이를 이용하는 분리기에 의한 분리가 용이하지 않다. 본 개시의 일 구현예는 이러한 사정을 고려하여, 제1 멤브레인 분리기에 이산화탄소 흡수제를 공급하고 제1 기체 생성물을 공급하여, 제1 멤브레인 분리기에 공급 플로우(flow)로서의 제1 기체 생성물과 흡수 플로우로서의 이산화탄소 흡수제가 멤브레인을 사이에 두고 유동하면서 공급 플로우 내의 이산화탄소만이 흡수 플로우 측으로 멤브레인을 투과하여 확산되도록 하여, 이산화탄소를 수소와 분리한다. 여기서 이산화탄소 흡수제에 대한 용해도가 높은 이산화탄소는 공급 플로우로부터 흡수 플로우로 확산되어 흡수 플로우에 용해되어 공급 플로우로부터 분리된다. 분리된 수소는 회수되며, 멤브레인을 투과하여 확산된 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제의 혼합물은 제1 멤브레인 분리기 외부로 배출되며, 도 1을 참조하면, 이는 이산화탄소 흡수제 공급기(4)로 재순환될 수 있다. 이산화탄소 흡수제 공급기로 재순환된 이산화탄소 흡수제는 고온 및 고압의 조건에서 재생되어, 다시 제1 멤브레인 분리기에 공급될 수 있다.In one embodiment, separating hydrogen from the first gaseous product may further include supplying a carbon dioxide absorbent to the first membrane separator and supplying the first gaseous product to the first membrane separator. Referring to FIG. 1, the first gas product containing hydrogen and carbon dioxide produced in the hydrogen fermentation tank 1 is supplied to the first membrane separator 3, and at this time, the carbon dioxide absorbent is also supplied from the carbon dioxide absorber feeder 4. It is supplied to the membrane separator (3). Hydrogen and carbon dioxide contained in the first gas product have similar diffusion rates, so it is not easy to separate them using a separator that utilizes the difference in gas diffusion rates commonly used to separate components of a gas mixture in the art. In consideration of this situation, one embodiment of the present disclosure supplies a carbon dioxide absorbent and a first gaseous product to the first membrane separator, so that the first gaseous product as a supply flow and the absorption flow as an absorption flow to the first membrane separator. As the carbon dioxide absorbent flows across the membrane, only the carbon dioxide in the supply flow penetrates the membrane to the absorption flow side and diffuses, thereby separating carbon dioxide from hydrogen. Here, carbon dioxide, which has high solubility in the carbon dioxide absorbent, diffuses from the feed flow into the absorption flow, dissolves in the absorption flow, and is separated from the feed flow. The separated hydrogen is recovered, and the mixture of carbon dioxide and carbon dioxide absorbent that has diffused through the membrane is discharged outside the first membrane separator. Referring to FIG. 1, this can be recycled to the carbon dioxide absorbent feeder (4). The carbon dioxide absorbent recycled to the carbon dioxide absorbent feeder may be regenerated under high temperature and high pressure conditions and supplied again to the first membrane separator.

일 구현예에서, 제1 기체 생성물로부터 수소를 분리하는 단계는 20 내지 30 ℃ 상온에서, 500 내지 800 mL/min의 공급 플로우의 유속, 및 300 내지 500 mL/min의 흡수 플로우의 유속으로 수행될 수 있다.In one embodiment, the step of separating hydrogen from the first gaseous product is performed at room temperature between 20 and 30° C., with a feed flow rate of 500 to 800 mL/min and an absorption flow rate of 300 to 500 mL/min. You can.

이산화탄소 흡수제는 공급 플로우로부터 멤브레인을 통해 유입되는 이산화탄소를 흡수할 수 있는 물질이라면 그 제한이 없다. 예를 들어, 이산화탄소 흡수제는 NaOH, KOH, 및 모노에탄올아민(monoethanolamine), 트리에틸아민(triethylamine)과 같은 아민-계 흡수제일 수 있다. The carbon dioxide absorbent is not limited as long as it is a material that can absorb carbon dioxide flowing through the membrane from the feed flow. For example, the carbon dioxide absorbent may be NaOH, KOH, and amine-based absorbent such as monoethanolamine and triethylamine.

일 구현예에서, 상기 제1 멤브레인 분리기는 기체-액체 멤브레인 분리기일 수 있다. 본 개시에서 기술한 바와 같이, 제1 멤브레인 분리기에 공급 플로우와 같은 기체, 및 흡수 플로우가 함께 공급되는 경우, 멤브레인 분리기 내의 멤브레인을 경계로 하여 기체인 공급 플로우 및 액체인 흡수 플로우가 유동하게 된다. 본 개시의 표현 "기체-액체" 멤브레인 분리기는 멤브레인 분리기 내의 멤브레인을 경계로 하여 유동하는 두 플로우의 상태를 의미하는 것으로서, 제1 멤브레인 분리기가 기체-액체 멤브레인 분리기인 경우, 제1 멤브레인 분리기에 공급되는 이산화탄소 흡수제는 액체 상태이다.In one embodiment, the first membrane separator may be a gas-liquid membrane separator. As described in the present disclosure, when a gas such as a supply flow and an absorption flow are supplied together to the first membrane separator, the gas supply flow and the liquid absorption flow flow across the membrane in the membrane separator. The expression "gas-liquid" membrane separator in the present disclosure refers to the state of two flows flowing across the membrane in the membrane separator. When the first membrane separator is a gas-liquid membrane separator, the gas is supplied to the first membrane separator. The carbon dioxide absorbent used is in a liquid state.

일 구현예에서, 제1 멤브레인 분리기는 소수성 멤브레인(hydrophobic membrane)을 포함할 수 있다. 소수성 멤브레인은 높은 소수성 및 높은 기체 투과성을 가져, 수계를 포함하는 분리기에서 액체가 아닌 물질을 선택적으로 통과시키는 멤브레인으로, 전술한 기체-액체 멤브레인 분리기에서 이산화탄소 기체를 분리하는데 사용될 수 있다.In one embodiment, the first membrane separator may include a hydrophobic membrane. A hydrophobic membrane is a membrane that has high hydrophobicity and high gas permeability, allowing non-liquid substances to selectively pass through a separator containing an aqueous system, and can be used to separate carbon dioxide gas in the above-mentioned gas-liquid membrane separator.

일 구현예에서, 상기 공정은 이산화탄소가 제거된 제1 기체 생성물을 데시케이터(desiccator)에 공급하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 수소 및 물을 포함하는 제1 기체 생성물은 데시케이터(5)에 공급된다. 제1 멤브레인 분리기에서 제1 기체 생성물로부터 이산화탄소를 흡수 플로우로 분리하는 과정에서, 전술한 이산화탄소 흡수제로부터 유래된 물이 수증기 상태로 멤브레인을 통과하여 제1 기체 생성물에 함유되어 제1 멤브레인 분리기로부터 유출될 수 있으며, 데시케이터는 제1 기체 생성물에 함유되는 물을 건조에 의해 제거하여, 순수한 수소를 회수할 수 있도록 한다.In one embodiment, the process may further include supplying the first gas product from which carbon dioxide has been removed to a desiccator. Referring to Figure 1, the first gaseous product comprising hydrogen and water is supplied to the desiccator (5). In the process of separating carbon dioxide from the first gas product into an absorption flow in the first membrane separator, water derived from the carbon dioxide absorbent described above passes through the membrane in the form of water vapor, is contained in the first gas product, and flows out from the first membrane separator. The desiccator removes water contained in the first gas product by drying it, allowing pure hydrogen to be recovered.

상기 공정은 제2 기체 생성물을 생성하기 위해 수소 발효의 여액을 메탄 발효하는 단계를 포함하며, 여기서 제2 기체 생성물은 메탄 및 이산화탄소를 포함한다. 본원에서 사용된 용어 "수소 발효의 여액"은 피드의 수소 발효 단계의 생성물 중, 제1 기체 생성물을 제외한 액체 및 고체 생성물, 및 수소 발효 단계에서 발효되지 않은 피드의 부분을 의미한다. 도 1을 참조하면, 수소 발효조의 여액은 메탄 발효조(2)에 공급되며, 메탄 발효조에서 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 제2 기체 생성물이 생성된다. 메탄 발효 단계는 수소 발효 단계와 유사하게 미생물 또는 균류를 이용하여 수소 발효의 여액의 구성 성분인 유기물을 분해하는 단계로서, 바람직하게는 무산소 상태에서 미생물 또는 균류를 이용하여 유기물을 분해하는 혐기성 발효 단계일 수 있다. 메탄 발효 단계에서의 미생물에 의한 수소 발효의 여액의 발효에 의해, 제2 기체 생성물이 생성되며, 제2 기체 생성물은 메탄 및 부산물로서의 이산화탄소를 포함한다.The process includes methane fermentation of the filtrate of the hydrofermentation to produce second gaseous products, wherein the second gaseous products include methane and carbon dioxide. As used herein, the term “filtrate of hydrofermentation” means liquid and solid products of the hydrofermentation step of the feed, excluding the first gaseous product, and the portion of the feed that is not fermented in the hydrofermentation step. Referring to FIG. 1, the filtrate from the hydrogen fermentation tank is supplied to the methane fermentation tank 2, and a second gas product including methane and carbon dioxide is produced in the methane fermentation tank. The methane fermentation step is a step of decomposing organic matter, which is a component of the filtrate of hydrogen fermentation, using microorganisms or fungi, similar to the hydrogen fermentation step, and is preferably an anaerobic fermentation step of decomposing organic matter using microorganisms or fungi under anaerobic conditions. It can be. By fermentation of the filtrate of hydrogen fermentation by microorganisms in the methane fermentation step, a second gaseous product is produced, which includes methane and carbon dioxide as a by-product.

일 구현예에서, 메탄 발효는 수소 발효와 동일한 온도 및 pH에서 수행될 수 있다.In one embodiment, methane fermentation can be performed at the same temperature and pH as hydrogen fermentation.

본 개시의 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정은 제2 기체 생성물로부터 메탄을 분리하는 단계를 포함한다. 전술한 바와 같이, 제2 기체 생성물은 메탄 및 이산화탄소를 포함하고 있으며, 이로부터 메탄을 회수하기 위하여는 메탄만을 분리하는 단계가 요구된다.The process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste of the present disclosure includes separating the methane from the second gaseous product. As described above, the second gas product contains methane and carbon dioxide, and in order to recover methane therefrom, a step of separating only the methane is required.

일 구현예에서, 제2 기체 생성물로부터 메탄을 분리하는 단계는 20 내지 30 ℃의 상온에서, 500 내지 800 mL/min의 공급 플로우의 유속으로 수행될 수 있다.In one embodiment, the step of separating methane from the second gaseous product may be performed at room temperature between 20 and 30° C. and with a feed flow rate of 500 to 800 mL/min.

일 구현예에서, 제2 기체 생성물로부터 메탄을 분리하는 단계는 제2 멤브레인 분리기에 제2 기체 생성물을 공급하는 단계를 더욱 포함할 수 있으며, 여기서 제2 멤브레인 분리기는 기체-기체 멤브레인 분리기일 수 있다. 도 1을 참조하면, 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 제2 기체 생성물은 제2 멤브레인 분리기(6)에 공급된다. 제2 멤브레인 분리기에 공급된 제2 기체 생성물은 공급 플로우로서 멤브레인으로 분리된 일 구역에서 유동하며, 멤브레인으로 분리된 또 다른 구역에는 공기(air)가 침투(permeate) 플로우로서 유동할 수 있다. 따라서, 일 구현예에서 제2 멤브레인 분리기는 기체-기체 멤브레인 분리기일 수 있으며, 메탄과 이산화탄소는 멤브레인 투과 속도가 상이하여, 투과 속도의 차이로 인해 침투 플로우 측으로 확산에 의해 멤브레인을 투과하는 이산화탄소가 메탄으로부터 분리될 수 있다. 분리된 메탄은 회수되며, 이산화탄소는 대기 중으로 배출될 수 있다.In one embodiment, separating methane from the second gaseous product may further include feeding the second gaseous product to a second membrane separator, where the second membrane separator may be a gas-gas membrane separator. . Referring to Figure 1, a second gaseous product comprising methane and carbon dioxide is fed to the second membrane separator (6). The second gaseous product supplied to the second membrane separator may flow in one membrane-separated zone as a feed flow, and air may flow as a permeate flow in another membrane-separated zone. Therefore, in one embodiment, the second membrane separator may be a gas-gas membrane separator, and methane and carbon dioxide have different membrane permeation rates, so that carbon dioxide permeating the membrane by diffusion toward the permeate flow side due to the difference in permeation rate is methane. can be separated from The separated methane is recovered, and the carbon dioxide can be released into the atmosphere.

상기 침투 플로우는 제2 멤브레인 분리기에서 멤브레인에 의해 공급 플로우와 구분되는 별도의 기체 플로우라면 생성 방법에 제한이 없다. 일 구현예에서, 상기 공정은 제2 멤브레인 분리기에 송풍기를 사용하여 송풍하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 송풍기(7)는 제2 멤브레인 분리기(6)에 공기를 송풍한다. 송풍기에 의한 송풍은 멤브레인에 수직인 방향으로 수행되며, 이에 의해 공급 플로우가 멤브레인 방향으로 유동하고, 이 때 멤브레인 투과 속도 차이에 의해 이산화탄소가 침투 플로우 측으로 확산된다. 침투 플로우는 멤브레인을 투과하여 유입되는 이산화탄소를 수용하여, 이를 제2 멤브레인 분리기 외부로 배출할 수 있다. 이러한 과정을 통해 이산화탄소와 분리된 메탄을 포함하는 제2 기체 생성물은 회수된다. There is no limitation in the method of generating the permeate flow as long as it is a separate gas flow separated from the supply flow by a membrane in the second membrane separator. In one embodiment, the process may further include blowing the second membrane separator using a blower. Referring to Figure 1, the blower 7 blows air to the second membrane separator 6. Blowing by the blower is performed in a direction perpendicular to the membrane, whereby the supply flow flows in the direction of the membrane, and at this time, carbon dioxide diffuses toward the permeate flow side due to the difference in membrane permeation speed. The permeation flow may receive carbon dioxide flowing through the membrane and discharge it to the outside of the second membrane separator. Through this process, a second gaseous product containing methane separated from carbon dioxide is recovered.

상기 공정은 메탄 발효의 여액을 고액 분리하는 단계를 포함한다. 본원에서 사용된 용어 "메탄 발효의 여액"은 메탄 발효 단계의 생성물 중, 제2 기체 생성물을 제외한 액체 및 고체 생성물, 및 메탄 발효 단계에서 발효되지 않은 수소 발효의 여액의 부분을 의미한다. 메탄 발효의 여액의 고액 분리는 메탄 발효의 여액의 고체 성분과 액체 성분을 분리할 수 있는 것이라면 방법의 제한이 없다. 도 1을 참조하면, 메탄 발효의 여액은 고액 분리기(8)에 공급되어, 혐기성 탈리액(anaerobic centrate)인 액체 성분과 고체 성분인 슬러지로 분리된다. The process includes the step of separating the filtrate of methane fermentation into solid and liquid. As used herein, the term "filtrate of methane fermentation" refers to the liquid and solid products of the products of the methane fermentation step, excluding the second gaseous products, and the portion of the filtrate of the hydrogen fermentation that is not fermented in the methane fermentation step. There are no limitations to the method for solid-liquid separation of the filtrate of methane fermentation as long as the solid and liquid components of the filtrate of methane fermentation can be separated. Referring to FIG. 1, the filtrate of methane fermentation is supplied to the solid-liquid separator 8 and separated into a liquid component, which is an anaerobic centrate, and a sludge, which is a solid component.

일 구현예에서, 상기 공정은 고액 분리 단계 전에 메탄 발효의 여액을 전처리하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 도 1에서, 상기 전처리 단계는 도시되지 않았다. 메탄 발효의 여액이 고액 분리되고, 분리된 액체 성분은 멤브레인을 포함하는 제3 멤브레인 분리기로 공급되는데, 고액 분리 단계에서 고체와 액체의 중간 상태인 슬러지와 같은 오염 물질이 분리된 액체 성분에 포함될 수 있으며, 이는 제3 멤브레인 분리기의 멤브레인 표면 또는 기공에 축적되어 멤브레인 분리기의 성능을 저하시키는 현상인 파울링(fouling)의 원인이 될 수 있다. 고액 분리 단계 전에 메탄 발효의 여액을 전처리함으로써, 슬러지와 같은 고체와 액체의 중간 상태의 성분이 고체 성분으로 분리되도록 하여, 제3 멤브레인 분리기에 해당 성분이 공급되지 않도록 할 수 있으며, 전처리 단계에 의해 결과적으로 멤브레인 파울링을 방지할 수 있다. 상기 전처리 단계는 제3 멤브레인 분리기의 멤브레인 파울링을 방지할 수 있도록 고액 분리되는 성분 중 액체 성분에 함유될 수 있는 오염 물질을 저감할 수 있는 것이라면 그 방법에 제한이 없다.In one embodiment, the process may further include pretreating the filtrate of methane fermentation before the solid-liquid separation step. In Figure 1, the pretreatment step is not shown. The filtrate of methane fermentation is separated into solid and liquid, and the separated liquid component is supplied to a third membrane separator including a membrane. In the solid-liquid separation step, contaminants such as sludge, which is in an intermediate state between solid and liquid, may be included in the separated liquid component. This may accumulate on the membrane surface or pores of the third membrane separator and cause fouling, a phenomenon that reduces the performance of the membrane separator. By pretreating the filtrate of methane fermentation before the solid-liquid separation step, components in an intermediate state between solid and liquid, such as sludge, can be separated into solid components, preventing the components from being supplied to the third membrane separator, and the pretreatment step As a result, membrane fouling can be prevented. The pretreatment step is not limited to the method as long as it can reduce contaminants that may be contained in the liquid component among the solid-liquid separated components to prevent membrane fouling of the third membrane separator.

일 구현예에서, 상기 전처리 단계는 중력 침강, 여과, 및 응집 침전 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 중력 침강, 여과 및 응집 침전은 고액 분리 단계에서 오염 물질이 제3 멤브레인 분리기에 공급되지 않도록, 액체 성분이 아닌 고체 성분으로서 분리되도록 돕는 전처리에 해당한다. In one embodiment, the pretreatment step may include at least one of gravity sedimentation, filtration, and coagulation sedimentation. Gravity sedimentation, filtration and coagulation sedimentation correspond to pretreatments that help separate contaminants as solid components rather than liquid components so that they are not supplied to the third membrane separator in the solid-liquid separation step.

상기 공정은 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계를 포함한다. 분리된 액체 성분은 인산염(phosphate), 병원균 및 항생제와 같은 오염 물질을 포함할 수 있다.The process includes the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step. The separated liquid components may contain contaminants such as phosphates, pathogens, and antibiotics.

일 구현예에서, 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 제3 멤브레인 분리기에 암모니아 흡수제를 공급하는 단계 및 제3 멤브레인 분리기에 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분을 공급하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 액체 성분인 혐기성 탈리액 및 암모니아 흡수제 공급기(10)으로부터의 암모니아 흡수제는 제3 멤브레인 분리기(9)에 공급된다. 제3 멤브레인 분리기에 공급 플로우로서 공급되는 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분은 다량의 암모니아(NH3)을 포함하는 암모니아 수용액이며, 제3 멤브레인 분리기에 회수 플로우로서 공급되는 암모니아 흡수제는 암모니아를 포함하지 않는 액체 성분일 수 있다. 제3 멤브레인 공급기의 경우, 멤브레인으로 분리된 일 부분에는 공급 플로우가, 멤브레인으로 분리된 다른 부분에는 회수 플로우가 공급되며, 제3 멤브레인 분리기의 멤브레인은 공급 플로우의 암모니아 기체가 회수 플로우로 이동하는 통로 역할을 수행할 수 있다. 이러한 암모니아 기체의 이동은 공급 플로우와 회수 플로우 간의 암모니아 기체의 분압 차이에 의한 것일 수 있다. 공급 플로우의 용존 암모니아는 기체상-수용액상 평형관계에 따라 공급 플로우와 멤브레인 기공의 계면에서 기체상으로 증발하고, 멤브레인을 투과하여 회수 플로우 측으로 확산될 수 있다.In one embodiment, the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step includes supplying an ammonia absorbent to a third membrane separator and supplying the liquid component separated in the solid-liquid separation step to the third membrane separator. More can be included. Referring to FIG. 1, the anaerobic desorption liquid, which is a liquid component, and the ammonia absorbent from the ammonia absorbent feeder 10 are supplied to the third membrane separator 9. The liquid component separated in the solid-liquid separation step supplied as a feed flow to the third membrane separator is an ammonia aqueous solution containing a large amount of ammonia (NH 3 ), and the ammonia absorbent supplied as a recovery flow to the third membrane separator does not contain ammonia. It may be a liquid component. In the case of the third membrane feeder, one part separated by the membrane is supplied with the feed flow and the other part separated by the membrane is supplied with the recovery flow, and the membrane of the third membrane separator provides a passage through which ammonia gas from the feed flow moves to the recovery flow. can perform its role. This movement of ammonia gas may be due to a difference in partial pressure of ammonia gas between the supply flow and the return flow. Dissolved ammonia in the feed flow evaporates into gas phase at the interface between the feed flow and membrane pores according to the gas phase-aqueous liquid phase equilibrium relationship, and can penetrate the membrane and diffuse toward the recovery flow.

일 구현예에서, 공급 플로우로부터 회수 플로우 측으로 확산되는 암모니아의 양은 공급 플로우 및 회수 플로우의 pH를 제어함으로써 조절될 수 있다. 여기서 공급 플로우 및 회수 플로우의 pH 조절은 방법에 제한이 없다. 공급 플로우의 pH가 높아지면 용해도가 감소하여 공급 플로우 내 암모니아(NH3(g))가 증가하고, pH가 낮아지면 공급 플로우 내 암모늄 이온(NH4 + (aq))이 증가할 수 있다. 공급 플로우와 접하는 멤브레인 기공 계면에서는 pH 조절에 의해 암모니아 기체의 분압이 증가하고, 회수 플로우와 접하는 멤브레인 기공 계면에서는 공급 플로우에 비해 비교적 낮은 pH에 의해 암모니아가 암모늄 이온으로 전환되므로 암모니아 기체 분압이 감소할 수 있다. 따라서 공급 플로우와 회수 플로우 간의 암모니아 기체의 분압 차이가 발생하고, 이러한 분압 차이는 암모니아 기체가 공급 플로우로부터 회수 플로우 측으로 지속하여 이동하는 선택적 확산을 유도할 수 있다.In one embodiment, the amount of ammonia diffusing from the feed flow toward the return flow can be controlled by controlling the pH of the feed flow and return flow. Here, the pH adjustment of the feed flow and return flow is not limited to any method. As the pH of the feed flow increases, solubility decreases, causing ammonia (NH 3(g) ) in the feed flow to increase, and as pH decreases, ammonium ions (NH 4 + (aq) ) in the feed flow may increase. At the membrane pore interface in contact with the supply flow, the partial pressure of ammonia gas increases due to pH control, and at the membrane pore interface in contact with the recovery flow, ammonia is converted to ammonium ions due to a relatively low pH compared to the supply flow, so the partial pressure of ammonia gas decreases. You can. Therefore, a partial pressure difference of ammonia gas occurs between the supply flow and the recovery flow, and this partial pressure difference can induce selective diffusion in which ammonia gas continues to move from the supply flow to the recovery flow.

일 구현예에서, 상기와 같이 제3 멤브레인 분리기의 공급 플로우 및 회수 플로우의 주 성분이 모두 액체이므로, 제3 멤브레인 분리기는 액체-액체 멤브레인 분리기일 수 있다.In one embodiment, since the main components of the feed flow and return flow of the third membrane separator are both liquid as described above, the third membrane separator may be a liquid-liquid membrane separator.

일 구현예에서, 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 20 내지 30 ℃의 상온에서, 500 내지 800 mL/min의 공급 플로우 및 회수 플로우의 유속 및 8 내지 12의 pH 조건 하에 수행될 수 있다. In one embodiment, the step of separating ammonia from the liquid component may be performed at room temperature of 20 to 30 °C, flow rates of the feed flow and return flow of 500 to 800 mL/min, and pH conditions of 8 to 12.

일 구현예에서, 제3 멤브레인 분리기는 소수성 멤브레인을 포함할 수 있다. 소수성 멤브레인은 높은 소수성 및 높은 기체 투과성을 가져, 수계에서 액체가 아닌 물질을 선택적으로 통과시키는 멤브레인으로, 전술한 액체-액체 멤브레인 분리기에서 암모니아 기체를 분리하는데 사용될 수 있다. 도 2를 참조하면, 공급 플로우와 회수 플로우의 pH 제어에 의해, 공급 플로우와 회수 플로우 간의 암모니아 기체의 분압 차가 발생하고, 헨리의 법칙에 따라 암모니아 기체는 암모니아 기체의 농도가 높은 공급 플로우로부터 암모니아 기체의 농도가 낮은 회수 플로우 측으로 소수성 멤브레인의 기공을 통해 확산할 수 있다. 이러한 소수성 멤브레인을 포함하는 멤브레인 분리기는 압축성 및 모듈성을 가져, 설치 공간을 적게 차지하며 확장성이 우수하고, 기계적 압력이 아닌 확산에 의해 물질을 전달하여 에너지 효율적이다. 또한, 소수성 멤브레인을 포함하는 멤브레인 분리기는 유량 조절이 가능하여, 에멀젼(emulsion) 생성, 범람(flooding) 및 거품 발생(forming)과 같은 분리기 성능에 영향을 미치는 현상을 방지할 수 있으며, 분리 성능이 우수하여 고순도의 암모니아를 회수하는 것을 가능하게 한다. In one embodiment, the third membrane separator can include a hydrophobic membrane. A hydrophobic membrane is a membrane that has high hydrophobicity and high gas permeability, allowing non-liquid substances to selectively pass through in an aqueous system, and can be used to separate ammonia gas in the liquid-liquid membrane separator described above. Referring to Figure 2, by controlling the pH of the supply flow and the recovery flow, a partial pressure difference of ammonia gas is generated between the supply flow and the recovery flow, and according to Henry's law, ammonia gas is released from the supply flow with a high concentration of ammonia gas. It can diffuse through the pores of the hydrophobic membrane towards the recovery flow side where its concentration is low. Membrane separators containing such hydrophobic membranes have compressibility and modularity, occupy a small installation space, have excellent scalability, and are energy efficient by transferring substances through diffusion rather than mechanical pressure. In addition, membrane separators containing hydrophobic membranes can control the flow rate, preventing phenomena affecting separator performance such as emulsion creation, flooding, and foaming, and improving separation performance. It is excellent and makes it possible to recover high purity ammonia.

일 구현예에서, 상기 암모니아 흡수제는 산을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 암모니아 흡수제는 황산, 질산 및 인산 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제3 멤브레인 분리기에 회수 플로우로서 공급되는 암모니아 흡수제는 산을 포함함으로써, 회수 플로우의 pH를 공급 플로우의 pH보다 낮게 제어할 수 있고, 이는 전술한 바와 같이 멤브레인을 경계로 하는 공급 플로우와 회수 플로우 간 암모니아 기체의 분압 차이를 발생시켜 암모니아 기체의 회수 플로우 측으로의 지속적 확산을 유도할 수 있다. 또한, 암모니아 흡수제는 상기와 같은 산을 포함함으로써, 회수되는 암모니아를 황산 암모늄염, 질산 암모늄염, 인산 암모늄염과 같은 염의 형태로 얻을 수 있다는 이점을 가질 수 있다.In one embodiment, the ammonia absorbent may include an acid. For example, the ammonia absorbent may include at least one of sulfuric acid, nitric acid, and phosphoric acid. The ammonia absorbent supplied as the recovery flow to the third membrane separator contains an acid, so that the pH of the recovery flow can be controlled to be lower than the pH of the supply flow, which is the difference between the supply flow and the recovery flow bordering the membrane as described above. By generating a partial pressure difference of ammonia gas, continuous diffusion of ammonia gas toward the recovery flow can be induced. In addition, by containing the above acid, the ammonia absorbent can have the advantage of being able to obtain the recovered ammonia in the form of a salt such as ammonium sulfate, ammonium nitrate, or ammonium phosphate.

일 구현예에서, 상기 공정은 회수된 암모니아를 고형화하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 예를 들어 암모늄 염의 형태로 회수된 암모니아는 회수 플로우에 존재하는 다른 성분, 예를 들어, 회수 플로우로서 황산을 포함하는 암모니아 흡수제가 사용된 경우, 기체 상으로 이동 가능한 H2S와 같은 성분을 불순물로서 포함할 수 있으며, 이는 악취의 원인이 되는 성분이다. 이와 같은 불순물을 제거하고, 부가 가치가 높은 고형 비료로서 사용 가능한 순수한 암모늄 염을 회수하기 위해, 상기 공정은 회수된 액체 암모늄 형태의 암모니아를 증발 결정화하여 불순물을 증발시키고, 결정화된 고체 형태의 암모늄 염을 얻을 수 있다.In one embodiment, the process may further include solidifying the recovered ammonia. As mentioned above, the ammonia recovered, for example in the form of ammonium salts, may be transferred to other components present in the recovery flow, e.g. H 2 S which can migrate to the gas phase if an ammonia absorbent comprising sulfuric acid is used as the recovery flow. It may contain ingredients such as impurities, which cause bad odor. In order to remove such impurities and recover pure ammonium salt that can be used as a solid fertilizer with high added value, the process involves evaporating and crystallizing ammonia in the form of recovered liquid ammonium to evaporate the impurities and crystallize the ammonium salt in solid form. can be obtained.

일 구현예에서, 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 흡착제를 사용하여 제3 멤브레인 분리기 유출물에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)을 흡착하는 단계; 및 상기 흡착제에 흡착된 암모늄 이온을 탈착하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 도 3에 상기와 같은 암모니아 분리 단계가 개략적으로 도시된다.In one embodiment, the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step includes adsorbing ammonium ions (NH 4 + ) contained in the effluent of the third membrane separator using an adsorbent; And it may further include the step of desorbing ammonium ions adsorbed on the adsorbent. Figure 3 schematically shows the ammonia separation step as described above.

제3 멤브레인 분리기 유출물은 제3 멤브레인 분리기의 회수 플로우로서, 전술한 바와 같이 공급 플로우로부터 확산에 의해 멤브레인을 통과한 암모니아 기체를 암모늄 이온의 형태로 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제3 멤브레인 분리기 유출물에 포함된 암모늄 이온을 흡착 컬럼(11)에서 흡착제로 흡착하는 경우, 제3 멤브레인 분리기 유출물, 즉, 제3 멤브레인 분리기의 회수 플로우에서의 암모니아 축적 및 pH 미터(12)에서 측정되는 회수 플로우의 pH 상승을 방지할 수 있다. 이는 공급 플로우와 회수 플로우 간의 pH 차이의 감소를 방지하며, 이로 인한 암모니아 회수 효율의 감소를 방지할 수 있다. 즉, 제3 멤브레인 분리기에 의한 처리 후단의 흡착 단계는 회수 플로우의 pH 상승을 방지하므로, 후단의 흡착 단계가 없는 제3 멤브레인 분리 단계에 비해 저농도의 산성 용액을 회수 플로우의 암모니아 흡수제로서 사용할 수 있도록 한다. 저농도의 산성 용액의 사용은 고농도의 산을 사용하는 경우에 비해 공정의 안전성 및 경제성을 증가시킬 수 있다. 일 구현예에서, 상기 암모니아 흡수제는 흡착 단계를 포함하지 않는 공정에서 사용되는 암모니아 흡수제에 비해 저농도의 황산, 질산 및 인산 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The third membrane separator effluent is the return flow of the third membrane separator and contains ammonia gas in the form of ammonium ions that has passed through the membrane by diffusion from the feed flow as described above. As shown in FIG. 3, when ammonium ions contained in the third membrane separator effluent are adsorbed with an adsorbent in the adsorption column 11, the third membrane separator effluent, that is, in the recovery flow of the third membrane separator, Ammonia accumulation and an increase in pH of the recovery flow as measured by the pH meter (12) can be prevented. This prevents a decrease in the pH difference between the feed flow and the recovery flow, thereby preventing a decrease in ammonia recovery efficiency. In other words, the adsorption step after treatment by the third membrane separator prevents the pH of the recovery flow from increasing, so that a low-concentration acid solution can be used as an ammonia absorbent in the recovery flow compared to the third membrane separation step without the latter adsorption step. do. The use of a low-concentration acid solution can increase the safety and economic efficiency of the process compared to using a high-concentration acid. In one embodiment, the ammonia absorbent may include at least one of sulfuric acid, nitric acid, and phosphoric acid at a lower concentration compared to the ammonia absorbent used in a process that does not include an adsorption step.

일 구현예에서, 상기 흡착제는 제올라이트를 포함할 수 있다. 제올라이트는 수화 알루미노실리케이트로 구성된 다공성 결정질체로서, 높은 기계적 및 열적 안정성, 및 저렴한 처리 비용을 갖는다. 특히, 제올라이트는 제3 멤브레인 분리기 유출물에 나트륨, 칼슘, 칼륨, 마그네슘과 같은 경쟁하는 양이온이 존재하는 경우에도 암모늄 이온에 대한 높은 선택성을 가져, 회수되는 암모늄 이온에 불순물 이 유입되는 것을 배제할 수 있다는 이점을 갖는다. In one embodiment, the adsorbent may include zeolite. Zeolites are porous crystalline bodies composed of hydrated aluminosilicates, have high mechanical and thermal stability, and low processing costs. In particular, zeolites have high selectivity for ammonium ions even in the presence of competing cations such as sodium, calcium, potassium, and magnesium in the third membrane separator effluent, making it possible to exclude impurities from entering the recovered ammonium ions. It has the advantage of being

일 구현예에서, 상기 암모니아 분리 단계에서 흡착제로서 사용되는 제올라이트는 천연 제올라이트일 수 있으며, 천연 제올라이트는 합성 제올라이트에 비해 경제적 측면에서 유리하다. 천연 제올라이트는 음전하를 띠며, 전기적 중성을 유지하기 위해 양이온 교환 자리에 위치하는 나트륨 이온(Na+), 칼륨 이온(K+)과 같은 약산성 양이온과 결합되어 있다. 이러한 천연 제올라이트가 제3 멤브레인 분리기 유출물에 유입되는 경우 제3 멤브레인 분리기 유출물 내의 H+와 천연 제올라이트의 양이온 교환 자리에 위치하는 약산성 양이온이 교환되어, 결과적으로 제3 멤브레인 분리기 유출물의 pH가 상승될 가능성이 있다. 이와 같은 pH 변화를 방지하기 위해, 상기 천연 제올라이트는 산성 용액에 의해 전처리되어 기공 내부의 약산성 양이온과 같은 불순물을 제거하고 다공성을 증가시킴으로써 흡착 능력이 개선된 상태로 사용될 수 있다.In one embodiment, the zeolite used as an adsorbent in the ammonia separation step may be natural zeolite, and natural zeolite is economically advantageous compared to synthetic zeolite. Natural zeolite has a negative charge and is combined with weakly acidic cations such as sodium ions (Na + ) and potassium ions (K + ) located at cation exchange sites to maintain electrical neutrality. When this natural zeolite is introduced into the third membrane separator effluent, H + in the third membrane separator effluent is exchanged with weakly acidic cations located at the cation exchange sites of the natural zeolite, resulting in an increase in the pH of the third membrane separator effluent. There is a possibility that it will happen. To prevent such pH changes, the natural zeolite can be used with improved adsorption capacity by pre-treating it with an acidic solution to remove impurities such as weakly acidic cations inside the pores and increase porosity.

상기 흡착제에 흡착된 암모늄 이온을 탈착하는 단계에서, 암모늄 이온은 탈착되어 회수되며, 흡착제로부터 암모늄 이온을 탈착하는 방법에는 제한이 없으나, 바람직하게는 흡착제에 열을 가하여 흡착된 암모늄 이온을 탈착하는 방법이 사용될 수 있다. 도 3을 참조하면, 흡착된 암모늄 이온을 탈착하는 방법으로서 열 탈착기(13)가 사용된다. 암모늄 이온의 회수 형태는 고형의 암모늄 염으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 탈착 단계에서 암모늄 이온은 암모니아 기체 또는 암모니아 용액으로 회수될 수 있으며, 황산 암모늄 결정과 같은 고형으로도 회수될 수 있다. 암모늄 이온이 탈착된 흡착제는 다시 제3 멤브레인 분리기 유출물 내의 암모늄 이온을 흡착하기 위한 흡착제로서 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 흡착제가 천연 제올라이트인 경우, 암모늄 이온 탈착 후의 천연 제올라이트는 별도의 전처리 없이도 흡착 단계에서 사용이 가능하다.In the step of desorbing the ammonium ions adsorbed on the adsorbent, the ammonium ions are desorbed and recovered. There is no limit to the method for desorbing the ammonium ions from the adsorbent, but preferably a method of desorbing the adsorbed ammonium ions by applying heat to the adsorbent. This can be used. Referring to FIG. 3, a thermal desorber 13 is used as a method of desorbing the adsorbed ammonium ions. The recovery form of ammonium ion is not limited to solid ammonium salts. For example, in the desorption step, ammonium ions may be recovered as ammonia gas or ammonia solution, or may also be recovered as a solid such as ammonium sulfate crystals. The adsorbent from which the ammonium ions are desorbed can be used again as an adsorbent for adsorbing ammonium ions in the effluent from the third membrane separator. In one embodiment, when the adsorbent is natural zeolite, the natural zeolite after ammonium ion desorption can be used in the adsorption step without separate pretreatment.

즉, 제3 멤브레인 분리 단계 후단의 흡착 및 탈착 단계는 제3 멤브레인 분리기에서 회수 플로우로서 사용되는 산의 세기를 온화하게 하여 암모니아 회수 공정의 안전성 및 경제성을 증가시킬 수 있을 뿐 아니라 회수되는 암모니아의 형태를 보다 다양화할 수 있다는 이점을 갖는다.In other words, the adsorption and desorption steps after the third membrane separation step can not only increase the safety and economic feasibility of the ammonia recovery process by tempering the strength of the acid used as a recovery flow in the third membrane separator, but also increase the form of ammonia to be recovered. It has the advantage of being able to be more diversified.

본 개시의 폐기물로부터 암모니아를 회수하는 공정은 피드를 고액 분리하는 단계를 포함한다. 여기서 피드는 생활 폐기물, 공업 폐기물, 축산 폐기물과 같은 폐기물로서, 유기물을 포함하는 폐기물을 포함할 수 있다. 상기 폐기물은 예를 들어, 음식물 쓰레기, 가축분뇨, 하수슬러지, 또는 농업 부산물일 수 있다. 상기 고액 분리 단계는 피드로부터 고체 성분과 액체 성분을 분리할 수 있는 것이라면 방법의 제한이 없다. 일 구현예에서, 피드는 고액 분리기에 공급되어, 혐기성 탈리액인 액체 성분과 고체 성분인 슬러지로 분리된다.The process for recovering ammonia from waste of the present disclosure includes the step of separating the feed into solid and liquid. Here, the feed is waste such as household waste, industrial waste, and livestock waste, and may include waste containing organic matter. The waste may be, for example, food waste, livestock manure, sewage sludge, or agricultural by-products. The solid-liquid separation step is not limited to a method as long as it can separate solid components and liquid components from the feed. In one embodiment, the feed is supplied to a solid-liquid separator and separated into a liquid component, which is an anaerobic desorbed liquid, and a sludge, which is a solid component.

상기 공정은 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계를 포함한다. 분리된 액체 성분은 인산염, 병원균 및 항생제와 같은 오염 물질을 포함할 수 있다.The process includes the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step. Separated liquid components may contain contaminants such as phosphates, pathogens, and antibiotics.

상기 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 제3 멤브레인 분리기에 암모니아 흡수제를 공급하는 단계 및 제3 멤브레인 분리기에 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분을 공급하는 단계를 포함한다. 상기 공정에서 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정에서와 동일한 방식으로 수행될 수 있다.The step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step includes supplying an ammonia absorbent to a third membrane separator and supplying the liquid component separated in the solid-liquid separation step to the third membrane separator. The step of separating ammonia from the liquid component in the above process can be performed in the same manner as in the process of recovering ammonia, methane and hydrogen from waste.

상기 제3 멤브레인 분리기는 소수성 멤브레인을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 제3 멤브레인 분리기는 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정의 암모니아를 분리하는 단계에서 사용된 것과 동일할 수 있다.The third membrane separator includes a hydrophobic membrane. In one embodiment, the third membrane separator may be the same as that used in the ammonia separation step of the process for recovering ammonia, methane, and hydrogen from waste.

일 구현예에서, 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 흡착제를 사용하여 제3 멤브레인 분리기 유출물에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)을 흡착하는 단계; 및 상기 흡착제에 흡착된 암모늄 이온을 탈착하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 흡착 및 탈착 단계 또한 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정의 암모니아를 분리하는 단계와 동일할 수 있다.In one embodiment, the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step includes adsorbing ammonium ions (NH 4 + ) contained in the effluent of the third membrane separator using an adsorbent; And it may further include the step of desorbing ammonium ions adsorbed on the adsorbent. In one embodiment, the adsorption and desorption steps may also be the same as the steps for separating ammonia in a process for recovering ammonia, methane, and hydrogen from waste.

그 외, 본 개시의 폐기물로부터 암모니아를 회수하는 공정의 공정 조건 및 사용되는 장치, 암모니아 흡수제, 및 흡착제는 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정에서 사용되는 것과 동일할 수 있다.In addition, the process conditions and equipment used, ammonia absorbent, and adsorbent of the process for recovering ammonia from waste of the present disclosure may be the same as those used in the process for recovering ammonia, methane, and hydrogen from waste.

이하에서는, 구체적인 실험예들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 추가적으로 설명한다. 실험예에 포함된 실시예 및 비교예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be further described with reference to specific experimental examples. The examples and comparative examples included in the experimental examples only illustrate the present invention and do not limit the scope of the appended patent claims, and various changes and modifications to the examples are possible within the scope and technical idea of the present invention. It is obvious to those skilled in the art, and it is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended patent claims.

실험예 1 - 제올라이트에 대한 산성 용액 전처리 효과 비교Experimental Example 1 - Comparison of the effect of acidic solution pretreatment on zeolite

본 개시의 공정의 흡착제를 사용하여 제3 멤브레인 분리기 유출물에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)을 흡착하는 단계에서 흡착제로서 사용되는 제올라이트에 대한 전처리의 조건 변화에 따른 제올라이트의 암모늄 흡착율을 비교하기 위해, 1:10의 고액비(S/L, g/㎖)를 갖는 제올라이트를 0 내지 5 노말 농도(N)의 황산(H2SO4) 용액에 침지시켜 개질시킨 후 이를 이용하여 흡착 단계를 수행한 후의 흡착 용액 내 암모니아의 농도를 측정하였다. 상기 측정은 제올라이트 개질에 사용되는 황산 용액의 농도 및 황산 용액에 대한 제올라이트의 침지 시간을 달리하여 측정되었다.Comparing the ammonium adsorption rate of zeolite according to changes in pretreatment conditions for zeolite used as an adsorbent in the step of adsorbing ammonium ions (NH 4 + ) contained in the effluent of the third membrane separator using the adsorbent of the process of the present disclosure. For this purpose, zeolite with a solid-liquid ratio (S/L, g/ml) of 1:10 was modified by immersing it in a sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution with a normal concentration (N) of 0 to 5 and then used to carry out the adsorption step. The concentration of ammonia in the adsorption solution was measured. The above measurements were made by varying the concentration of the sulfuric acid solution used for zeolite modification and the immersion time of the zeolite in the sulfuric acid solution.

초기 흡착 용액 내 암모니아 농도는 2451.2 mg-N/L였으며, 5 N 황산으로 전처리된 제올라이트의 경우에만 초기 흡착 용액 내 암모니아 농도가 2857.85 mg-N/L로 상이하였다. 각 실험 조건 별로 측정된 제올라이트 내 암모늄의 흡착율은 아래 표 1과 같았다.The ammonia concentration in the initial adsorption solution was 2451.2 mg-N/L, and only in the case of zeolite pretreated with 5 N sulfuric acid, the ammonia concentration in the initial adsorption solution was 2857.85 mg-N/L. The adsorption rate of ammonium in zeolite measured for each experimental condition is shown in Table 1 below.

제올라이트의 전처리 산 농도 및 전처리 시간에 따른 암모늄 흡착율Ammonium adsorption rate according to pretreatment acid concentration and pretreatment time of zeolite 황산 농도
(N)
sulfuric acid concentration
(N)
침지 시간
(분)
steeping time
(minute)
흡착 후 흡착 용액 내 암모니아 농도
(mg-N/L)
Ammonia concentration in adsorption solution after adsorption
(mg-N/L)
제올라이트의 암모늄 흡착율
(%)
Ammonium adsorption rate of zeolite
(%)
00 1010 964964 6161 00 3030 11461146 5353 00 9090 10661066 5757 0.010.01 1010 12051205 5151 0.010.01 3030 899899 6363 0.010.01 9090 10131013 5959 0.10.1 1010 10271027 5858 0.10.1 3030 10201020 5858 0.10.1 9090 10651065 5757 1One 1010 11731173 5252 1One 3030 12231223 5050 1One 9090 12361236 5050 55 9090 23282328 1919

실험예 2 - 흡착에 사용된 제올라이트 양에 따른 흡착 정도의 비교Experimental Example 2 - Comparison of the degree of adsorption according to the amount of zeolite used for adsorption

흡착 용액의 황산 농도를 0.001N, 0.1N, 및 5N으로 설정하고, 실험예 1에서와 동일한 제올라이트를 흡착제로 사용하여 흡착 단계를 수행하였다. 각 흡착 단계에서 사용되는 제올라이트의 양(무게)를 달리하여 흡착 단계를 수행한 후 제올라이트 내의 암모늄 흡착율을 평가하였으며, 평가 결과는 아래 표 2 내지 4와 같았다.The sulfuric acid concentration of the adsorption solution was set to 0.001N, 0.1N, and 5N, and the adsorption step was performed using the same zeolite as in Experimental Example 1 as an adsorbent. After performing the adsorption step by varying the amount (weight) of zeolite used in each adsorption step, the ammonium adsorption rate in the zeolite was evaluated, and the evaluation results are shown in Tables 2 to 4 below.

표 2 내지 4에서 알 수 있는 바와 같이, 흡착 용액 내의 초기 암모니아 농도와 관계 없이, 흡착제인 제올라이트의 사용량이 증가할수록 제올라이트의 암모늄 흡착율이 증가함을 알 수 있었다.As can be seen in Tables 2 to 4, it was found that the ammonium adsorption rate of zeolite increased as the amount of zeolite used as an adsorbent increased, regardless of the initial ammonia concentration in the adsorption solution.

도 4 내지 6은 각각 흡착 용액의 황산 농도가 0.001N, 0.1N, 및 5N이고, 초기 암모니아 농도가 2000 mg-N/L인 경우에 있어, 다양한 농도의 황산 용액으로 전처리된 제올라이트 양에 따른 제올라이트의 암모늄 흡착율에 대한 그래프로서, 상기 그래프가 모두 선형을 나타내는 것으로부터 제올라이트 사용량과 암모늄 흡착율은 정비례 관계에 있음을 알 수 있다.Figures 4 to 6 show zeolite according to the amount of zeolite pretreated with various concentrations of sulfuric acid solution, when the sulfuric acid concentration of the adsorption solution is 0.001N, 0.1N, and 5N, and the initial ammonia concentration is 2000 mg-N/L, respectively. This is a graph of the ammonium adsorption rate. Since all of the above graphs are linear, it can be seen that the amount of zeolite used and the ammonium adsorption rate are directly proportional to each other.

또한, 도 4 내지 6의 그래프를 Langmuir 등온흡착식에 의해 도출되는 이론적인 초기 암모니아 농도(Ce)와 Ce/qe(여기서, qe는 제올라이트의 단위 무게 당 흡착 가능한 암모늄 이온의 양에 해당함)와의 관계에 대한 그래프인 도 7 내지 9(도 7 내지 9는 각각 흡착 용액의 황산 농도가 0.001N, 0.1N, 및 5N이고, 초기 암모니아 농도가 2000 mg-N/L인 경우의 등온 흡착식에 해당)와 비교하면, 그래프가 선형으로 나타나는 점 및 유사한 기울기를 나타내는 점을 고려하였을 때 상기 실험 데이터는 이론 상의 수치와도 부합하는 것을 확인할 수 있다.In addition, the graphs of Figures 4 to 6 show the theoretical initial ammonia concentration (C e ) and C e /q e derived by the Langmuir isothermal adsorption equation (where q e corresponds to the amount of ammonium ions that can be adsorbed per unit weight of zeolite. 7 to 9, which are graphs of the relationship with ) (Figures 7 to 9 are the isothermal adsorption equation when the sulfuric acid concentration of the adsorption solution is 0.001N, 0.1N, and 5N, and the initial ammonia concentration is 2000 mg-N/L, respectively. When compared to (corresponding), considering that the graph appears linear and shows a similar slope, it can be confirmed that the experimental data is consistent with the theoretical values.

실험예 3 - 멤브레인 분리기와 연계된 암모늄 이온 흡착 단계에서의 제올라이트에 대한 산성 용액 전처리 효과 비교Experimental Example 3 - Comparison of the effect of acidic solution pretreatment on zeolite in the ammonium ion adsorption step associated with a membrane separator

소수성 멤브레인을 포함하는 제3 멤브레인 분리기에 공급 플로우로서 암모니아 수용액을 공급하고, 회수 플로우로서 저농도의 황산을 포함하는 암모니아 흡수제를 사용하여, 암모니아 기체의 분압 차이에 의해 선택적으로 확산되는 암모니아를 포함하는 회수 플로우를 얻었다. 이후, 상기 회수 플로우를 제올라이트 흡착제를 포함하는 흡착 컬럼에 도입하여, 회수 플로우에 포함된 암모니아를 제올라이트 흡착제에 의해 흡착하였다. 상기와 같은 일련의 과정에 따른 공급 플로우 내의 암모늄 농도 및 흡착 컬럼에서의 제올라이트에 의한 암모늄 흡착율을 제올라이트의 전처리 산 농도를 변화시키면서 시간 경과에 따라 측정하였으며, 공급 플로우 내의 암모늄 농도 측정 결과는 아래의 표 5 내지 7에, 흡착 컬럼에서의 제올라이트에 의한 암모늄 흡착율 측정 결과는 표 8 내지 10과 같았다.Supplying an aqueous ammonia solution as a feed flow to a third membrane separator including a hydrophobic membrane, and using an ammonia absorbent containing a low concentration of sulfuric acid as a recovery flow, recovery containing ammonia that is selectively diffused by a partial pressure difference of ammonia gas. I got the flow. Thereafter, the recovery flow was introduced into an adsorption column containing a zeolite adsorbent, and the ammonia contained in the recovery flow was adsorbed by the zeolite adsorbent. The ammonium concentration in the feed flow according to the above series of processes and the ammonium adsorption rate by zeolite in the adsorption column were measured over time while changing the pretreatment acid concentration of the zeolite. The results of measuring the ammonium concentration in the feed flow are shown in the table below. In 5 to 7, the results of measuring the ammonium adsorption rate by zeolite in the adsorption column were shown in Tables 8 to 10.

제올라이트 흡착제를 포함하는 흡착 컬럼에 의한 처리 과정이 없다는 점을 제외하고는 상기 공정과 동일한 조건에서 공급 플로우 내의 암모늄 이온의 농도 변화를 측정한 결과는 표 11과 같았다.Table 11 shows the results of measuring the change in concentration of ammonium ions in the feed flow under the same conditions as the above process, except that there was no treatment process using an adsorption column containing a zeolite adsorbent.

상기 측정 결과로부터, 제3 멤브레인 분리기와 흡착 컬럼을 연계한 공정에서의 공급 플로우 내 암모늄 제거율이 제3 멤브레인 분리기 단독의 공정에 비해 높다는 점을 알 수 있었다. 멤브레인 분리기에 의한 공급 플로우 내의 암모늄 이온의 회수 플로우로의 이동은 공급 플로우와 회수 플로우의 암모니아 농도 기울기로 인해 이루어진다. 즉, 공급 플로우와 회수 플로우의 암모니아 농도 차가 클수록 공급 플로우에서의 암모늄 제거율이 증가한다. 이러한 점을 고려하였을 때, 암모니아 흡수제로서 동일한 산을 사용하는 경우 멤브레인 분리기 단일 공정에서는 흡수 플로우 내부의 수소 이온이 빠르게 소모되어 더 이상 암모늄 이온을 포집할 수 없기 때문에 농도 기울기가 감소하여 공급 플로우 내의 암모늄 제거율이 상대적으로 낮은 반면, 멤브레인 분리기와 흡착 컬럼 연계 공정에서는 흡착 컬럼의 제올라이트가 암모늄 이온을 흡착함과 동시에 수소 이온을 방출하여 농도 기울기를 유지할 수 있어 공급 플로우 내의 암모늄 제거율이 상대적으로 높은 것임을 추론할 수 있다.From the above measurement results, it was found that the ammonium removal rate in the feed flow in the process linking the third membrane separator and the adsorption column was higher than that in the process using the third membrane separator alone. The transfer of ammonium ions in the feed flow to the recovery flow by the membrane separator is achieved due to the ammonia concentration gradient in the feed and recovery flows. In other words, the greater the difference in ammonia concentration between the supply flow and the recovery flow, the greater the ammonium removal rate in the supply flow. Considering this, when using the same acid as an ammonia absorbent, in a single membrane separator process, the hydrogen ions inside the absorption flow are quickly consumed and ammonium ions can no longer be captured, so the concentration gradient decreases and the ammonium in the feed flow is reduced. While the removal rate is relatively low, in the membrane separator and adsorption column linkage process, the zeolite in the adsorption column can maintain the concentration gradient by adsorbing ammonium ions and releasing hydrogen ions at the same time, so it can be inferred that the ammonium removal rate in the feed flow is relatively high. You can.

또한, 제3 멤브레인 분리기와 흡착 컬럼을 연계한 공정 중에서는 흡착 컬럼의 제올라이트를 보다 고농도의 산으로 전처리한 경우에 공급 플로우 내의 암모늄 제거율 및 제올라이트 내 암모늄 흡착율이 높다는 점을 확인할 수 있었다.In addition, in the process linking the third membrane separator and the adsorption column, it was confirmed that the ammonium removal rate in the feed flow and the ammonium adsorption rate in the zeolite were high when the zeolite in the adsorption column was pretreated with a higher concentration of acid.

실험예 4 - 제올라이트의 종류 및 산에 의한 전처리 유무에 따른 암모늄 흡착 및 탈착 정도의 비교Experimental Example 4 - Comparison of the degree of ammonium adsorption and desorption according to the type of zeolite and the presence or absence of pretreatment with acid.

소정의 암모니아 농도를 갖는 0.03 L의 회수 플로우에 산에 의한 전처리 여부를 달리하는 천연 제올라이트 및 산에 의해 전처리되지 않은 합성 제올라이트 6 g를 투입하고, 제올라이트에 암모늄 이온이 흡착되도록 30분 간 교반하였다. 이후 제올라이트를 회수하여 제올라이트의 암모늄 흡착능을 측정하였고, 회수된 제올라이트를 200 내지 400 ℃의 온도로 설정된 탈착기에 도입하여 제올라이트에 흡착된 암모늄 이온을 암모니아의 형태로 탈착하여 제올라이트의 탈착능 및 열탈착 효율을 측정하였다. 열탈착을 통해 제올라이트로부터 방출되는 암모니아 기체는 황산 용액을 포집 용액으로서 사용하여 포집되었고, 포집 용액 내의 암모니아 농도를 측정함으로써 탈착된 암모니아 양이 평가되었다. 상기 측정 결과는 표 12 내지 16과 같다.Natural zeolite with or without acid pretreatment and 6 g of synthetic zeolite not pretreated with acid were added to a 0.03 L recovery flow with a predetermined ammonia concentration, and stirred for 30 minutes to allow ammonium ions to be adsorbed on the zeolite. Afterwards, the zeolite was recovered and the ammonium adsorption capacity of the zeolite was measured. The recovered zeolite was introduced into a desorber set at a temperature of 200 to 400°C to desorb the ammonium ions adsorbed on the zeolite in the form of ammonia to improve the desorption capacity and thermal desorption efficiency of the zeolite. Measured. Ammonia gas released from zeolite through thermal desorption was collected using a sulfuric acid solution as a collection solution, and the amount of desorbed ammonia was evaluated by measuring the ammonia concentration in the collection solution. The measurement results are shown in Tables 12 to 16.

이상 본 개시를 구체적인 구현예를 통하여 상세히 설명하였다. 구현예는 본 개시를 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 본 개시의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다. The present disclosure has been described in detail above through specific implementation examples. The implementation examples are for specifically explaining the present disclosure, and the present disclosure is not limited thereto. It will be clear that modifications and improvements can be made by those skilled in the art within the technical spirit of the present disclosure.

본 개시의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 개시의 영역에 속하는 것으로 본 개시의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications or changes to the present disclosure fall within the scope of the present disclosure, and the specific scope of protection of the present disclosure will be made clear by the appended claims.

1 수소 발효조 2 메탄 발효조
3 제1 멤브레인 분리기 4 이산화탄소 흡수제 공급기
5 데시케이터(desiccator) 6 제2 멤브레인 분리기
7 송풍기 8 고액 분리기
9 제3 멤브레인 분리기 10 암모니아 흡수제 공급기
11 흡착 컬럼 12 pH 미터
13 열 탈착기
1 Hydrogen fermenter 2 Methane fermenter
3 First membrane separator 4 Carbon dioxide absorbent feeder
5 Desiccator 6 Second membrane separator
7 Blower 8 Solid-liquid separator
9 Third membrane separator 10 Ammonia absorbent feeder
11 Adsorption column 12 pH meter
13 Thermal desorber

Claims (17)

폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정으로서,
제1 기체 생성물을 생성하기 위해 피드를 수소 발효하는 단계, 여기서 제1 기체 생성물은 수소 및 이산화탄소를 포함하며;
제1 기체 생성물로부터 수소를 분리하는 단계;
제2 기체 생성물을 생성하기 위해 수소 발효의 여액을 메탄 발효하는 단계, 여기서 제2 기체 생성물은 메탄 및 이산화탄소를 포함하며;
제2 기체 생성물로부터 메탄을 분리하는 단계:
메탄 발효의 여액을 고액 분리하는 단계; 및
고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계를 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, comprising:
hydrofermenting the feed to produce a first gaseous product, wherein the first gaseous product comprises hydrogen and carbon dioxide;
separating hydrogen from the first gaseous product;
methane fermenting the filtrate of the hydrofermentation to produce a second gaseous product, wherein the second gaseous product comprises methane and carbon dioxide;
Separating methane from the second gaseous product:
Separating the filtrate of methane fermentation into solid and liquid; and
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, comprising the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step.
청구항 1에 있어서,
상기 공정은 수소 발효 단계 전에 피드를 열가수분해하는 단계를 더욱 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 1,
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, further comprising the step of thermally hydrolyzing the feed prior to the hydrogen fermentation step.
청구항 1에 있어서,
상기 공정은 고액 분리 단계 전에 메탄 발효의 여액을 전처리하는 단계를 더욱 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 1,
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, further comprising pre-treating the filtrate of methane fermentation before the solid-liquid separation step.
청구항 3에 있어서,
상기 전처리 단계는 메탄 발효의 여액의 중력 침강, 여과, 및 응집 침전 중 적어도 하나를 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 3,
A process for recovering ammonia, methane, and hydrogen from waste, wherein the pretreatment step includes at least one of gravity settling, filtration, and coagulation precipitation of the filtrate of the methane fermentation.
청구항 1에 있어서,
제1 기체 생성물로부터 수소를 분리하는 단계는
제1 멤브레인 분리기에 이산화탄소 흡수제를 공급하는 단계; 및
제1 멤브레인 분리기에 제1 기체 생성물을 공급하는 단계를 더욱 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 1,
Separating hydrogen from the first gaseous product involves
supplying a carbon dioxide absorbent to the first membrane separator; and
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, further comprising feeding a first gaseous product to a first membrane separator.
청구항 5에 있어서,
제1 멤브레인 분리기는 기체-액체 멤브레인 분리기인, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 5,
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, wherein the first membrane separator is a gas-liquid membrane separator.
청구항 1에 있어서,
제2 기체 생성물로부터 메탄을 분리하는 단계는 제2 멤브레인 분리기에 제2 기체 생성물을 공급하는 단계를 더욱 포함하며, 여기서 제2 멤브레인 분리기는 기체-기체 멤브레인 분리기인, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 1,
Separating the methane from the second gaseous product further includes feeding the second gaseous product to a second membrane separator, wherein the second membrane separator is a gas-gas membrane separator to separate ammonia, methane and hydrogen from the waste. recovery process.
청구항 1에 있어서,
고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 제3 멤브레인 분리기에 암모니아 흡수제를 공급하는 단계; 및
제3 멤브레인 분리기에 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분을 공급하는 단계를 더욱 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 1,
The step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step includes supplying an ammonia absorbent to a third membrane separator; and
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, further comprising feeding the liquid component separated in the solid-liquid separation step to a third membrane separator.
청구항 8에 있어서,
제3 멤브레인 분리기는 소수성 멤브레인(hydrophobic membrane)을 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 8,
A third membrane separator is a process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, comprising a hydrophobic membrane.
청구항 8에 있어서,
암모니아 흡수제는 황산, 질산 및 인산 중 적어도 하나를 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 8,
A process for recovering ammonia, methane, and hydrogen from waste, wherein the ammonia absorbent includes at least one of sulfuric acid, nitric acid, and phosphoric acid.
청구항 8에 있어서,
제3 멤브레인은 액체-액체 멤브레인 분리기인, 혐기성 소화 산물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 8,
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from anaerobic digestion products, wherein the third membrane is a liquid-liquid membrane separator.
청구항 1에 있어서,
상기 공정은 회수된 암모니아를 고형화하는 단계를 더욱 포함하는, 혐기성 소화 산물로부터 암모니아 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 1,
A process for recovering ammonia and hydrogen from anaerobic digestion products, the process further comprising solidifying the recovered ammonia.
청구항 8에 있어서,
고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는:
흡착제를 사용하여 제3 멤브레인 분리기 유출물에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)을 흡착하는 단계; 및
상기 흡착제에 흡착된 암모늄 이온을 탈착하는 단계를 더욱 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 8,
The steps for separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step are:
Adsorbing ammonium ions (NH 4 + ) contained in the third membrane separator effluent using an adsorbent; and
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, further comprising the step of desorbing ammonium ions adsorbed on the adsorbent.
청구항 13에 있어서,
상기 흡착제는 제올라이트를 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 13,
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, wherein the adsorbent includes zeolite.
청구항 13에 있어서,
암모니아 흡수제는 흡착 단계를 포함하지 않는 공정에서 사용되는 암모니아 흡수제에 비해 저농도의 황산, 질산 및 인산 중 적어도 하나를 포함하는, 폐기물로부터 암모니아, 메탄 및 수소를 회수하는 공정.
In claim 13,
A process for recovering ammonia, methane and hydrogen from waste, wherein the ammonia absorbent contains a lower concentration of at least one of sulfuric acid, nitric acid and phosphoric acid compared to the ammonia absorbent used in processes that do not include an adsorption step.
폐기물로부터 암모니아를 회수하는 공정으로서,
피드를 고액 분리하는 단계; 및
고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계를 포함하며,
고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는 제3 멤브레인 분리기에 암모니아 흡수제를 공급하는 단계; 및
제3 멤브레인 분리기에 고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분을 공급하는 단계를 포함하고,
제3 멤브레인 분리기는 소수성 멤브레인(hydrophobic membrane)을 포함하는, 폐기물로부터 암모니아를 회수하는 공정.
A process for recovering ammonia from waste, comprising:
Separating the feed into solid and liquid; and
It includes the step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step,
The step of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step includes supplying an ammonia absorbent to a third membrane separator; and
Comprising the step of supplying the liquid component separated in the solid-liquid separation step to a third membrane separator,
A third membrane separator is a process for recovering ammonia from waste, comprising a hydrophobic membrane.
청구항 16에 있어서,
고액 분리 단계에서 분리된 액체 성분으로부터 암모니아를 분리하는 단계는:
흡착제를 사용하여 제3 멤브레인 분리기 유출물에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)을 흡착하는 단계; 및
상기 흡착제에 흡착된 암모늄 이온을 탈착하는 단계를 더욱 포함하는, 폐기물로부터 암모니아를 회수하는 공정.
In claim 16,
The steps of separating ammonia from the liquid component separated in the solid-liquid separation step are:
Adsorbing ammonium ions (NH 4 + ) contained in the third membrane separator effluent using an adsorbent; and
A process for recovering ammonia from waste, further comprising the step of desorbing ammonium ions adsorbed on the adsorbent.
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