KR100960596B1 - Method and apparatus for Bio-hydrogen gas production from organic waste by using inhibitor for methane producing microorganisms and gas purging - Google Patents
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Abstract
본 발명은 혐기성 발효 미생물을 이용하여 유기성 폐기물 내 존재하는 유기물로부터 수소를 생산하는 장치 및 방법을 개시한다. 구체적으로는, 메탄 생성 미생물의 활성 억제제를 주입하여 메탄 생성 미생물에 의한 수소의 소모를 최소화하고, 간헐적인 가스 퍼징에 의해 수소 분압을 낮추어, 수소 생성 미생물의 활성을 증대시켜 높은 수율로 수소를 생산하는 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 수소 가스 생산 방법을 이용하면, 기존의 유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스를 생산하는 방법에 비하여 경제적이고 안정적이면서도 고효율로 수소를 생산할 수 있고, 특히 연속적인 가스 퍼징 과정이 없이 간헐적인 가스 퍼징을 통해서도 고효율의 안정적인 바이오 수소 가스 생산이 가능하다. 또한 이러한 바이오 수소 가스 생산 방법을 단위 공정으로 조합하여 시스템화하여 상용화하는 것이 용이하다. The present invention discloses an apparatus and method for producing hydrogen from organics present in organic waste using anaerobic fermentation microorganisms. Specifically, by minimizing the consumption of hydrogen by the methane-producing microorganisms by injecting the inhibitor of the methane-producing microorganisms, by lowering the partial pressure of hydrogen by intermittent gas purge, to increase the activity of the hydrogen-producing microorganisms to produce hydrogen in high yield An apparatus and method are disclosed. Using the bio-hydrogen gas production method according to an embodiment of the present invention, it is possible to produce hydrogen with economical, stable and high efficiency, compared to the conventional method for producing bio-hydrogen gas from organic wastes, in particular, the continuous gas purging process It is possible to produce highly efficient and stable bio-hydrogen gas even through intermittent gas purging. In addition, it is easy to commercialize by combining the bio-hydrogen gas production method in a unit process.
유기성 폐기물 자원화, 바이오 수소 생산, 메탄 활성 억제, 억제제, 가스 퍼징, 혐기성 발효 Organic waste recycling, bio-hydrogen production, methane activity inhibition, inhibitors, gas purging, anaerobic fermentation
Description
본 발명은 혐기성 발효 미생물을 이용하여 유기성 폐기물 내 존재하는 유기물로부터 수소를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 메탄 생성 미생물의 활성 억제제를 주입하여 메탄 생성 미생물에 의한 수소의 소모를 최소화하고, 간헐적인 가스 퍼징에 의해 수소 분압을 낮추어, 수소 생성 미생물의 활성을 증대시켜 높은 수율로 수소를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for producing hydrogen from organics present in organic waste using anaerobic fermentation microorganisms. Specifically, by minimizing the consumption of hydrogen by the methane-producing microorganisms by injecting the inhibitor of the methane-producing microorganisms, by lowering the partial pressure of hydrogen by intermittent gas purge, to increase the activity of the hydrogen-producing microorganisms to produce hydrogen in high yield It relates to an apparatus and a method.
현재 수소는 96% 이상이 화석연료로부터 제조되고 있으며, 석탄, 석유등의 매장량의 한계와 환경오염물질 배출 등으로 인해 친환경적인 제조 방법이라고 할 수 없다. 최근에는 미생물을 이용하여 유기성 폐기물로부터 수소를 제조하는 생물학적 수소 생산 방법에 대한 관심이 점점 증가하고 있다. 유기성 폐기물에 대한 해양배출규제가 대폭 강화됨에 따라 그동안 대부분을 해양 배출 또는 매립, 소각해 오던 유기성 폐기물을 육상처리 및 자원화할 필요가 있다.At present, more than 96% of hydrogen is produced from fossil fuels, and it is not an environmentally friendly method due to the limited reserves of coal and oil and the emission of environmental pollutants. Recently, there is a growing interest in biological hydrogen production methods for producing hydrogen from organic waste using microorganisms. As marine emission regulations on organic waste have been strengthened, it is necessary to treat and recycle the organic waste, which has been mostly disposed of in marine discharges, landfills, and incineration.
이러한 생물학적인 수소 생산은 상온 및 상압 조건에서 이루어지기 때문에 에너지를 덜 소비하며, 재생 가능한 폐자원으로부터 수소 생산이 이루어지므로 환경오염 감소와 청정 대체 에너지 생산이라는 두 가지 측면에서 장점을 가지고 있는 기술이다. 또한 수소의 경우 단위질량당 에너지 함유량이 120 MJ/kg으로 다른 어떤 에너지원(석탄 30 MJ/kg, 천연가스 50 MJ/kg, 석유 45 MJ/kg, 디젤 43 MJ/kg, 에탄올 21 MJ/kg)보다 월등히 높으므로 바이오 에너지 생산에 있어서 더욱 효과적이라고 할 수 있다. Since biological hydrogen production is performed at room temperature and atmospheric pressure, it consumes less energy, and since hydrogen is produced from renewable waste resources, it has advantages in two aspects: reducing environmental pollution and producing clean alternative energy. In the case of hydrogen, the energy content per unit mass is 120 MJ / kg and other energy sources (coal 30 MJ / kg, natural gas 50 MJ / kg, petroleum 45 MJ / kg, diesel 43 MJ / kg, ethanol 21 MJ / kg) It is much higher than), which is more effective in bioenergy production.
일반적으로 혐기성 조건에서 생성되는 가스는 수소(hydrogen)와 메탄(methane)이지만, 수소의 경우 낮은 생산 효율, 수소이용 메탄생성미생물(hydrogen-utilizing methanogens)에 의한 메탄으로의 전환 등의 이유로 그동안 메탄에 비해 덜 주목을 받아 온 것이 사실이다. 그러나, 미생물에 의해 생성된 메탄 가스를 에너지로 이용 시 최종 산물이 지구 온난화의 주범인 이산화탄소(CO2)인데 반해 수소 가스의 경우 최종 산물이 수증기(water vapor)이므로 친환경적인 재생에너지로의 이용이 가능하다. 이런 이유로 수소 에너지는 미래의 청정에너지원 중에서 현재 가장 전망 있는 대안으로 각광을 받고 있다.In general, the gases produced under anaerobic conditions are hydrogen and methane, but hydrogen is methane because of low production efficiency and conversion to methane by hydrogen-utilizing methanogens. It is true that it has received less attention. However, when methane gas produced by microorganisms is used as energy, the final product is carbon dioxide (CO 2 ), which is the main culprit of global warming, whereas in the case of hydrogen gas, the final product is water vapor, so it is not suitable for use as an eco-friendly renewable energy. It is possible. For this reason, hydrogen energy is in the limelight as the most promising alternative of future clean energy sources.
국내외에서 수행된 바이오 수소 생산 연구의 경우 대부분이 태양에너지를 이용하는 광합성 미생물 혹은 조류에 의한 수소 생산에 치중되어 있다. 혐기성 발효에 의한 수소 생산 관련 기초 연구는 많이 시도되었으나 다른 생물학적 수소 생산 공정에 비해 낮은 수소 생산 수율이 문제점으로 지적되었다. 하지만, 혐기성 발효 에 의한 바이오 수소 생산은 광합성 미생물에 의한 수소 생산에 비해 1) 빠른 수소 생산 속도, 2) 빛이 없는 조건에서도 수소 생산이 일어나므로 시간의 제약 없이 수소 생산 가능, 3) 빠른 미생물의 성장 속도로 인한 시설의 대형화 적용 가능 및 유지 편리 등의 장점들로 인하여 산업적으로 수소를 대량 생산하는데 있어서 적합한 기술로 평가받고 있다. In the case of biohydrogen production research conducted at home and abroad, most of them are focused on hydrogen production by photosynthetic microorganisms or algae using solar energy. Although many basic studies on hydrogen production by anaerobic fermentation have been attempted, low hydrogen production yields have been pointed out as problems compared to other biological hydrogen production processes. However, biohydrogen production by anaerobic fermentation is faster than hydrogen production by photosynthetic microorganisms, 1) faster hydrogen production rate, 2) hydrogen production occurs under no light conditions, and therefore hydrogen production is possible without time constraints. Due to the growth speed, the facility has been evaluated as a suitable technology for mass production of hydrogen due to advantages such as the large size of the facility and the convenience of maintenance.
바이오 수소 생산 증대를 위하여 가장 널리 사용된 방법은 메탄 생성 미생물의 활성을 저하시키는 것으로서 pH 조절, 고온에서의 열처리 방법, 폭기를 통한 전처리 방법 등이 시도되었으나, 수소 생산 수율은 극히 저조한 것으로 나타났다. The most widely used method for increasing bio-hydrogen production is to lower the activity of methane-producing microorganisms, and pH control, heat treatment at high temperature, and pretreatment through aeration have been attempted, but yields of hydrogen are extremely low.
혐기성 조건에서 미생물이 수소 가스를 생산할 경우 반응조 내 수소의 농도 증가(build of hydrogen)로 인한 수소 분압(hydrogen partial pressure)이 일정 이상으로 올라갈 경우 미생물은 수소의 생산을 멈추게 된다. 또한 반응조 내에 수소 가스가 일정 시간 존재 시 메탄 생성 미생물에 의해 수소가 메탄 가스로 전환이 된다. When the microorganism produces hydrogen gas under anaerobic conditions, if the hydrogen partial pressure rises above a certain level due to build of hydrogen in the reactor, the microorganism stops producing hydrogen. In addition, when hydrogen gas is present in the reactor for a certain time, hydrogen is converted into methane gas by the methane generating microorganism.
본 발명은 기존의 낮은 수율의 바이오 수소 생산 기술의 한계점을 극복하기 위해, 메탄 생성 미생물의 활성을 억제시키기 위해 억제제를 주입하여 메탄 생성 미생물에 의한 수소의 소모를 최소화하고 간헐적인 가스 퍼징에 의해 수소 분압을 낮추어 수소 생성 미생물의 활성을 증대시켜 바이오 수소 생산을 증대시키는 방법 및 그에 이용되는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to overcome the limitations of existing low-yield biohydrogen production technology, the present invention minimizes the consumption of hydrogen by methane-producing microorganisms by injecting inhibitors to suppress the activity of methane-producing microorganisms and by intermittent gas purging. It is an object of the present invention to provide a method for increasing bio-hydrogen production by lowering the partial pressure to increase the activity of hydrogen-producing microorganisms and an apparatus used therefor.
본 발명은 바이오 수소 가스 생산 반응조(1); 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조와 연결된 유기성 폐기물 저장조(2); 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조와 유기성 폐기물 저장조가 연결된 라인 상에 연결된 메탄 생성 미생물 활성 억제제 저장조(3); 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조 하부와 연결된 가스 탱크(11); 및 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조 상부와 연결된 수소 가스 분리장치(8)를 포함하는 바이오 수소 생산 장치를 제공한다.The present invention is a bio-hydrogen gas production reactor (1); An organic
또한 본 발명은 유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스를 생산하는 방법으로서, 반응조에 유기성 폐기물을 주입하는 단계; 반응조에 메탄 생성 미생물 활성 억제제를 주입하는 단계; 반응조 내 수소 분압을 낮추기 위하여, 반응조 내 유기성 폐기물 내에 가스를 주입하는 단계; 및 생성된 가스 중 수소 가스를 분리 회수하는 단계를 포함하는 바이오 수소 가스 생산 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing bio-hydrogen gas from the organic waste, comprising the steps of injecting the organic waste into the reactor; Injecting a methane producing microbial activity inhibitor into the reactor; Injecting gas into the organic waste in the reactor to lower the partial pressure of hydrogen in the reactor; And it provides a bio-hydrogen gas production method comprising the step of separating and recovering hydrogen gas in the generated gas.
본 발명의 일실시예에 따른 바이오 수소 가스 생산 방법을 이용하면, 기존의 유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스를 생산하는 방법에 비하여 경제적이고 안정적이면서도 고효율로 수소를 생산할 수 있고, 특히 연속적인 가스 퍼징 과정이 없이 간헐적인 가스 퍼징을 통해서도 고효율의 안정적인 바이오 수소 가스 생산이 가능하다. 또한 이러한 바이오 수소 가스 생산 방법을 단위 공정으로 조합하여 시스템화하여 상용화하는 것이 용이하다. Using the bio-hydrogen gas production method according to an embodiment of the present invention, it is possible to produce hydrogen with economical, stable and high efficiency, compared to the conventional method for producing bio-hydrogen gas from organic wastes, in particular, the continuous gas purging process It is possible to produce highly efficient and stable bio-hydrogen gas even through intermittent gas purging. In addition, it is easy to commercialize by combining the bio-hydrogen gas production method in a unit process.
이하에서는 본 발명에 따른 유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스를 생산하는 방법을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method for producing biohydrogen gas from the organic waste according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 방법으로 바이오 수소 가스를 생산하기 위하여, 도 1에 도시된 장치를 이용할 수 있다. 도 1은 유기성 폐기물로부터 본 발명에 따라 바이오 수소 가스 생산을 하기 위한 장치의 모식도이다. 상기 장치를 이용하여 본 발명에 따른 바이오 수소 가스 생산 방법을 단위 공정으로 조합하여 시스템화하여 상용화하는 것이 용이하다. In order to produce biohydrogen gas with the method according to the invention, the apparatus shown in FIG. 1 can be used. 1 is a schematic diagram of an apparatus for producing biohydrogen gas according to the present invention from organic waste. Using the apparatus, it is easy to commercialize the system by combining the biohydrogen gas production method according to the present invention in a unit process.
본 발명에 따른 유기성 폐기물로부터의 바이오 수소 가스를 생산하는 방법은,The method for producing biohydrogen gas from the organic waste according to the present invention,
(1) 유기성 폐기물 주입 공정,(1) organic waste injection process,
(2) 메탄 생성 미생물 활성 억제제 주입 공정,(2) methane generating microbial activity inhibitor injection process,
(3) 반응조 내 수소 분압을 낮추기 위한 가스 퍼징 공정,(3) a gas purging process for lowering the partial pressure of hydrogen in the reactor,
(4) 생성된 수소 가스를 분리 회수하고 회수된 수소 가스량을 측정하는 공정 을 포함한다.(4) separating and recovering the generated hydrogen gas and measuring the recovered amount of hydrogen gas.
본 발명의 일실시예에 따르면, 유기성 폐기물로부터의 바이오 수소 가스 생산 방법은 도 1의 장치를 이용하여 수행할 수 있다. According to one embodiment of the invention, the method of producing bio-hydrogen gas from organic waste can be carried out using the apparatus of FIG.
우선, 유기성 폐기물 저장조(2)에 저장되어 있는 유기성 폐기물을 정량펌프(15)를 이용하여 바이오 수소 가스 생산 반응조(1)로 주입한다. 이때, 메탄 생성 미생물 활성 억제제 저장조(3)에 저장되어 있는 메탄 생성 미생물 활성 억제제를 정량펌프(16)를 이용하여 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조(1)로 주입한다. 반응조 온도 제어기(4)에 의하여 온도가 유지되는 반응조 내에서는 교반기(5)에 의하여 혐기성 발효 반응이 일어나고, 가스 탱크(11)에 저장되어 있는 외부 가스는 가스 유량 조절기(12)에 통하여 가스 확산 장치(14)를 거쳐 반응조 내 유기성 폐기물(액체)로 퍼징된다. 유출수는 유출수 라인(6) 및 정량펌프(17)를 거쳐 반응조 밖으로 유출되고, 이때 생산된 가스는 가스 배출라인(7)을 통하여 배출되어 수소 가스 분리장치(8)로 유입된다. 분리된 수소 가스량은 수소 가스량 측정 장치(9)에 의하여 측정되고, 수소 가스 이외의 가스는 가스 유량 조절기(13)를 통하여 가스 반송 라인(10)을 거쳐 반응조로 반송되어 퍼징을 위하여 사용된다. First, the organic waste stored in the organic
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 공정 (1)에서 주입되는 유기성 폐기물은 하· 폐수 처리장 발생 슬러지, 소화조 상등액 및 탈리액, 축산 폐수 및 폐기물, 농림업 폐수 및 폐기물, 수산업 폐수 및 폐기물 등을 비롯하여 어떤 유기성 폐수 및 폐기물 종류라도 무방하다.According to one embodiment of the present invention, the organic waste injected in the step (1) is any sludge, wastewater treatment plant generated sludge, digester supernatant and desorption liquid, livestock wastewater and waste, agriculture and forestry wastewater and waste, fishery wastewater and waste, etc. Organic wastewater and waste types can be used.
수소 생산에 이용되는 미생물은 현장 적용 가능성을 높이기 위해 순수배양균 보다는 하수처리장 혐기성 소화조에서 얻은 혐기성 소화 슬러지가 바람직하다. 주입 전에 스크리닝을 통과시키는 것이 좋다.The microorganisms used for hydrogen production are preferably anaerobic digested sludge obtained from anaerobic digesters in sewage treatment plants rather than pure cultures. It is good to pass the screening before injection.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 공정 (2)에서 주입되는 억제제는 메탄 생성 미생물에 있어서 메탄을 생산하는 단계를 조절하는 코엔자임(coenzyme)-M의 유사화합물인 2-브로모에탄설폰산(2-bromoethanesulfonic acid, BESA)을 주입하는 것이 바람직하다. 억제제로 BESA를 주입할 경우 적용 가능한 농도 범위는 0.2 ~ 30 g/L이다. BESA의 농도가 0.2g/L 미만이면 억제 효과가 없고, 30 g/L를 초과하는 경우에는 주입량 증가에 따른 효과 증가가 없기 때문이다. 다른 메탄 생성 미생물 억제제로 알려진 몰리브데이트(molybdate), 아자이드(azide), 아미노벤조산(aminobenzoic acid) 또는 안트라퀴논(anthraquinone) 등도 적용 가능하다. 하지만 이는 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위해 제시되는 예일 뿐 이에 한정되지는 않는다. According to one embodiment of the present invention, the inhibitor injected in the step (2) is 2-bromoethanesulfonic acid (2) which is a similar compound of coenzyme-M, which controls the step of producing methane in methane producing microorganisms (2). -bromoethanesulfonic acid (BESA) is preferred. When injecting BESA as an inhibitor, the applicable concentration range is 0.2 to 30 g / L. If the concentration of BESA is less than 0.2g / L there is no inhibitory effect, when the concentration of more than 30 g / L there is no increase in effect due to the increase in the injection amount. Molybdate, azide, aminobenzoic acid or anthraquinone, which are known as other methane-producing microbial inhibitors, are also applicable. However, this is only an example presented to aid the understanding of the present invention, but is not limited thereto.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 공정 (3)에서 주입되는 가스는 산소가 포함될 경우 수소 생성 미생물의 활성 억제를 유도할 수 있으므로 산소가 포함되지 않는 가스를 주입하는 것이 바람직하다. 적용 가능한 가스로는 불활성 기체(헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 메탄 등)가 있으며, 주입 유량은 100 ~ 10,000 mL/분까지 적용 가능하나, 수소 분압을 현저히 낮추어 수소 생산 수율을 높이기 위해서는 가스 주입유량이 많을수록 효과적이다. According to one embodiment of the present invention, since the gas injected in the step (3) may induce the suppression of the activity of the hydrogen-producing microorganisms when oxygen is included, it is preferable to inject a gas containing no oxygen. Applicable gases include inert gases (helium, nitrogen, argon, carbon dioxide, methane, etc.), and the injection flow rate can be applied from 100 to 10,000 mL / min, but the gas injection flow rate is increased to significantly lower the hydrogen partial pressure and increase the yield of hydrogen production. The more, the more effective.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 공정 (4)에서 반응조에서 생성된 바이오 수소 가스를 효과적으로 분리 회수하기 위한 공정으로 수소 가스만을 선택적으로 분리하는 분리막을 이용하는 것이 바람직하다. 하지만 이는 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위해 제시되는 것일 뿐 이에 한정되지는 않는다. 반응조에서 발생된 가스 중 수소 분리 후 존재하는 이산화탄소, 메탄 등은 반송하여 퍼징 가스로 이용 가능하다. According to one embodiment of the present invention, it is preferable to use a separation membrane for selectively separating only hydrogen gas as a step for effectively separating and recovering the bio-hydrogen gas generated in the reaction tank in the step (4). However, this is only to be provided to aid the understanding of the present invention, but is not limited thereto. Carbon dioxide, methane, etc. present after hydrogen separation among the gases generated in the reactor can be returned and used as a purging gas.
지속적으로 가스 퍼징을 하여 수소 분압을 낮추기 위해서는 연속적으로 상당한 양의 외부 가스를 주입해야 하므로 외부 가스 주입으로 인한 비용이 많이 든다. 또한 생성된 수소 가스를 분리시키는 경우에도 생성된 가스보다 주입된 외부 가스량이 더 많아 분리 비용 역시 많이 들게 된다.In order to continuously purge the gas to lower the partial pressure of hydrogen, a large amount of external gas must be injected continuously, which is expensive due to external gas injection. In addition, when the generated hydrogen gas is separated, the amount of external gas injected is higher than that of the generated gas, and thus, the separation cost is also high.
이하 본 발명의 내용을 시험예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 시험예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리 범위가 이들 시험예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in more detail by the test examples. However, these test examples are only presented to aid the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these test examples.
<< 시험예Test Example 1 : 메탄생성 미생물 활성 억제제 주입의 효과 측정> 1: Measurement of the Effect of Injecting Methanogenic Microbial Activity Inhibitors>
서울 중랑하수처리장 혐기성 소화조에서 채취한 소화슬러지를 식종하여 반응조에 주입하였다. 반응온도는 35℃, 교반 속도는 160 rpm, 반응조의 부피는 500 mL였다. 소화슬러지가 주입된 유일한 탄소원이었으며, 주입된 농도는 2,000 mgCOD/L였다.Digested sludge from the anaerobic digester of Jungnang Sewage Treatment Plant in Seoul was planted and injected into the reactor. The reaction temperature was 35 ° C., the stirring speed was 160 rpm, and the volume of the reactor was 500 mL. Digested sludge was the only carbon source injected, with a concentration of 2,000 mgCOD / L.
표 1은 발생한 가스 중 메탄 가스 함량 및 메탄 가스 생산 수율을 나타낸 것이다. 메탄 가스 생산 수율은, 주입된 소화슬러지의 미생물에 의한 메탄 가스 생산 량을 누적하고, 제거된 유기물 양을 COD(chemical oxygen demand)로 측정한 후, "제거된 유기물의 COD"에 대한 "발생한 메탄 가스의 COD 값"을 %로 계산하여 생산 수율로 나타낸 것이다. Table 1 shows the methane gas content and the methane gas production yield in the generated gas. The yield of methane gas is calculated by accumulating the amount of methane gas produced by the microorganisms of the injected digested sludge, measuring the amount of organic matter removed by chemical oxygen demand (COD), and then generating "methane generated" for "COD removed organic matter." The COD value of the gas "is calculated in% and is expressed as the production yield.
메탄 생성 미생물의 억제제로 BESA(2-bromoethanesulfonic acid)를 각각 0, 1, 10, 25 g/L를 주입하여 억제제 주입량에 따른 메탄 생성 미생물의 활성 저하를 비교하였다. 총 운전 기간은 85일이었다. 발생한 가스량은 수상치환장치(water displacement apparatus)를 이용하여 측정하였으며, 메탄 가스 함량은 가스크로마토그래피(GC-TCD)를 이용하여 측정하였다. Inhibitors of methane-producing microorganisms were injected with BESA (2-bromoethanesulfonic acid) at 0, 1, 10 and 25 g / L, respectively, to compare the deactivation of methane-producing microorganisms according to the amount of inhibitor injection. The total driving period was 85 days. The amount of gas generated was measured using a water displacement apparatus, and the methane gas content was measured using gas chromatography (GC-TCD).
메탄 생성 미생물의 활성 억제제로서 BESA를 주입한 경우, 주입하지 않은 경우와 비교했을 때, BESA 주입량이 증가할수록 발생한 가스 내 메탄 함량 및 주입된 유기성 폐기물로부터의 메탄 가스 생산 수율 모두 낮아지는 것으로 나타났다. 특히 10 g/L 농도 이상 BESA를 주입한 경우 현저하게 낮은 메탄 가스 생산 수율을 보여 주어, BESA가 메탄 생성 미생물의 활성을 억제시키는 효과가 있음을 확인하였다. When BESA was injected as an active inhibitor of methane-producing microorganisms, it was shown that as the amount of BESA injection increased, both the methane content in the generated gas and the yield of methane gas production from the injected organic waste were lowered. In particular, when BESA injection more than 10 g / L concentration showed a significantly lower methane gas production yield, it was confirmed that BESA has the effect of inhibiting the activity of methane-producing microorganisms.
하지만 모든 반응조에서 유기성 폐기물로부터의 수소 가스 생산 수율은 0.8% 이하로 나타나 메탄 활성 억제제 주입만으로 바이오 수소 생산 수율을 증대시키는 것은 한계가 있는 것으로 나타났다.However, in all reactors, the yield of hydrogen gas from organic waste is less than 0.8%, and it seems that there is a limit to increasing the yield of bio-hydrogen only by injection of methane activator.
<< 시험예Test Example 2 : 가스 2: gas 퍼징의Fuzzing 효과 측정> Effect Measurement>
상기 시험예 1과 동일한 조건으로 소화슬러지를 식종하여 반응조에 주입하였다. 간헐적 가스 퍼징에 의한 수소 생산 수율 증대 효과를 살펴보기 위하여, 억제제를 주입하지 않고 반응조의 헤드스페이스(반응조 내 빈 공간) 및 반응조 내 유기성 폐기물(액체)를 가스 퍼징을 하여 수소 생산 수율을 비교하였다. 가스 퍼징을 위해 주입된 가스는 아르곤(argon)이었으며 가스 퍼징은 1일 1회 15분간 실시하였다. 총 운전 기간은 10일이었다.Digested sludge was planted under the same conditions as in Test Example 1 and injected into the reactor. In order to examine the effect of increasing the hydrogen production yield by intermittent gas purging, the hydrogen production yield was compared by gas purging the headspace of the reactor (empty space in the reactor) and the organic waste (liquid) in the reactor without introducing an inhibitor. The gas injected for gas purging was argon and gas purging was performed once a day for 15 minutes. The total driving period was 10 days.
표 2는 가스 퍼징 조건에 따른 유기성 폐슬러지의 바이오 가스 생산 수율을 나타낸 것이다. 바이오 가스 생산 수율은 "제거된 폐슬러지의 COD" 대비 "발생한 바이오 가스의 COD"를 %로 계산하여 나타내었다.Table 2 shows the biogas production yield of organic waste sludge according to gas purging conditions. The yield of biogas production was expressed by calculating the "COD of generated biogas" in% compared to "COD of removed waste sludge".
간헐적 가스 퍼징에 의한 메탄 생성 미생물의 활성 저하는 헤드스페이스(반응조 내 빈 공간)를 퍼징한 경우에는 거의 나타나지 않았으며, 반응조 내 유기성 폐기물(액체)를 퍼징한 경우에는 퍼징율이 증가할수록 낮은 메탄 가스 생산 수율이 확인되었다. 따라서 반응조 내 유기성 폐기물(액체)을 가스 퍼징할 경우 메탄 생성 미생물의 활성 저하를 확인할 수 있었다. 하지만 간헐적 가스 퍼징에 의한 폐슬러지의 수소 가스 생산 수율은 최고 0.42%로 나타나 시험예 1과 마찬가지로 가스 퍼징만으로 바이오 수소 생산 수율을 증대시키는 것은 한계가 있는 것으로 나타났다. Decreased activity of methane-producing microorganisms due to intermittent gas purging was not observed in the case of purging the headspace (empty space in the reactor), and in the case of purging the organic waste (liquid) in the reactor, the lower the methane gas as the purging rate increased. Production yield was confirmed. Therefore, when gas purging the organic waste (liquid) in the reactor was able to confirm the degradation of the methane-producing microorganisms. However, the yield of hydrogen gas produced from waste sludge by intermittent gas purging is up to 0.42%, and as in Test Example 1, it was found that there is a limit to increasing the yield of bio-hydrogen by gas purging alone.
<< 시험예Test Example 3 : 메탄생성 미생물 활성 억제제 주입 및 가스 3: injection and gas of methanogenic microbial activity inhibitor 퍼징의Fuzzing 효과 확인> Check the effect>
상기 시험예 1, 2와 동일한 조건으로 소화슬러지를 식종하여 반응조에 주입하였다. 메탄 생성 미생물의 활성 저하를 위한 억제제 주입과 간헐적 가스 퍼징에 의한 수소 생산 수율 증대 효과를 확인하기 위하여, 모든 반응조에 BESA 10 g/L를 주입하여 메탄 생성 미생물의 활성을 저하시킨 후 여러 가스 퍼징 조건에 따른 바이오 수소 생산 수율을 비교하였다. 시험예 2와 마찬가지로 가스 퍼징을 위해 주입된 가스는 아르곤이었으며 가스 퍼징은 1일 1회 15분간 실시하였다. 총 운전 기간은 10일이었다.Digested sludge was planted under the same conditions as in Test Examples 1 and 2 and injected into the reactor. In order to confirm the effect of increasing the yield of hydrogen produced by the injection of inhibitors and the intermittent gas purging to reduce the activity of methane-producing microorganisms, various gas purging conditions were performed after reducing the activity of the methane-producing microorganisms by injecting 10 g / L of BESA into all reactors. Biohydrogen production yields were compared. As in Test Example 2, the gas injected for gas purging was argon, and gas purging was performed once a day for 15 minutes. The total driving period was 10 days.
표 3은 메탄 생성 미생물 억제제를 주입했을 때 가스 퍼징 조건에 따른 유기성 폐기물의 바이오 가스 생산 수율을 나타낸 것이다. 시험예 1, 2와 마찬가지로 바이오 가스 생산 수율은 "제거된 폐슬러지의 COD" 대비 "발생한 바이오 가스의 COD"를 %로 계산하여 나타내었다.Table 3 shows the yield of biogas production of organic wastes according to gas purging conditions when the methane generating microbial inhibitor is injected. As in Test Examples 1 and 2, the biogas production yield was expressed by calculating "COD of generated biogas" in% compared to "COD of removed waste sludge".
(BESA 10 g/L 주입)Gas purging conditions
(BESA 10 g / L injection)
표 3을 통하여 알 수 있듯이 메탄 활성 억제제를 주입하고 동시에 가스 퍼징을 하여 반응조 내 생성된 수소 가스를 배출하여 수소 분압을 낮추어 수소 생성 미생물의 활성을 증대시킬 경우 높은 바이오 수소 가스 생산 수율(최대 7.1%)을 보였다. 하지만 반응조 내 헤드스페이스를 가스 퍼징할 경우 반응조 내 유기성 폐기물(액체)을 가스 퍼징한 경우보다 상대적으로 낮은 수소 가스 생산 수율을 나타내었는데, 이는 수소 생성 미생물에 의해 생성된 수소가 반응조 내 유기성 폐기물(액체)에 머무르면서 상당한 양이 수소 이용 메탄 생성 미생물에 의해 메탄으로 전환되기 때문이다. As can be seen from Table 3, high bio-hydrogen gas production yield (up to 7.1%) when methane activity inhibitor is injected and gas purging at the same time to discharge hydrogen gas generated in the reactor to lower the partial pressure of hydrogen to increase the activity of hydrogen-producing microorganisms. ) However, gas purging of the headspace in the reactor resulted in a relatively lower yield of hydrogen gas production than gas purging of the organic waste (liquid) in the reactor, in which the hydrogen generated by the hydrogen-producing microorganisms produced organic waste (liquid) in the reactor. ), A significant amount is converted to methane by hydrogen-producing methane-producing microorganisms.
따라서 유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스 생산 수율을 증대시키기 위해서는 메탄 생성 미생물 활성 억제제를 주입하여야 하며 동시에 반응조 내 반응조 내 유기성 폐기물(액체)을 가스 퍼징하여 수소 분압을 낮게 유지하는 방법이 효과적임을 확인하였다. 또한 가스 퍼징율을 증가시킬수록 높은 수소 가스 생산 수율이 확인되었으므로, 가스 퍼징 빈도, 시간, 퍼징율을 증가시킬수록 더욱 높은 수소 가스 생산 수율을 얻을 수 있는 것으로 나타났다.Therefore, in order to increase the yield of bio-hydrogen gas from organic wastes, it was confirmed that a methane generating microbial activity inhibitor should be injected, and at the same time, a method of maintaining a low hydrogen partial pressure by gas purging the organic waste (liquid) in the reaction tank in the reactor was effective. In addition, as the gas purging rate was increased, a higher hydrogen gas production yield was confirmed, and as the gas purging frequency, time, and purging rate were increased, a higher hydrogen gas production yield was found.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스 생산을 하기 위한 장치의 모식도이다. 1 is a schematic diagram of an apparatus for producing biohydrogen gas from organic waste according to one embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 설명><Description of main parts of drawing>
1: 바이오 수소 가스 생산 반응조 1: Bio-hydrogen gas production reactor
2: 유기성 폐기물 저장조 2: organic waste storage tank
3: 메탄 생성 미생물 활성 억제제 저장조 3: methane generating microbial activity inhibitor reservoir
4: 반응조 온도 제어기 4: reactor temperature controller
5: 교반기 5: stirrer
6: 유출수 라인6: effluent line
7: 가스 배출 라인 7: gas discharge line
8: 수소 가스 분리 장치 8: hydrogen gas separation device
9: 수소 가스량 측정 장치9: hydrogen gas amount measuring device
10: 가스 반송 라인 10: gas return line
11: 가스 탱크 11: gas tank
12,13: 가스 유량 조절기 12,13: gas flow regulator
14: 가스 확산 장치 14: gas diffusion device
15,16,17: 정량 펌프15,16,17: Metering pump
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