KR100967919B1 - 수소 및 메탄 통합생성시스템 및 통합생성방법 - Google Patents

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윤영만
유정숙
조흥렬
윤종호
전재우
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한경대학교 산학협력단
지에스네오텍(주)
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Abstract

본 발명은 수소 및 메탄 통합생성시스템 및 통합생성방법에 관한 것으로, 이상발효가 가능한 제1 유기성 폐기물을 저장하는 제1 폐기물 저장조와; 일상발효가 가능한 제2 유기성 폐기물을 저장하는 제2 폐기물 저장조와; 제1 폐기물 저장조로부터 제1 유기성 폐기물을 공급받아, 열처리하여 제1 유기성 폐기물의 가수분해를 촉진하고 수소생성균을 우점화하는 열처리조와; 열처리조로부터 공급되는 열처리된 제1 유기성 폐기물을 혐기발효하여 수소가스를 생성하는 수소발효조와; 수소발효조로부터 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장조와; 수소발효조의 수소가스의 생성이 촉진되도록 수소발효조로 알칼리성 용액을 공급하여, 제1 유기성 폐기물의 pH를 적정 상태로 유지하는 pH 공급장치와; 수소발효조로부터 공급되는 잔유 유기성 폐기물과 제2 폐기물 저장조로부터 공급되는 제2 유기성 폐기물을 혐기발효하여 메탄가스를 생성하는 메탄발효조와; 메탄발효조로부터 생성된 메탄가스를 저장하는 메탄가스 저장조를 포함한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 가축분뇨와 음식물쓰레기 등의 유기성 폐기물을 이용하여 수소와 메탄을 통합적으로 생산하여 에너지 수득률을 극대화할 수 있다.
혐기발효, 수소 발효, 음식물 쓰레기, 가축 분뇨

Description

수소 및 메탄 통합생성시스템 및 통합생성방법{System and Method for producing hydrogen and methane}
본 발명은 유기성 폐기물을 이용하여 수소 및 메탄을 통합적으로 생산하는 수소 및 메탄 통합생성시스템 및 통합생성방법에 관한 것이다.
가축분뇨와 음식물류 폐기물과 같은 고농도 유기성 폐기물의 처리 문제는 정도의 차이는 있으나 주요 선진국들도 직면하고 있는 문제로서, 일찍이 EU, 일본에서는 고농도 유기성 폐기물을 바이오매스 자원으로 활용하는 방안이 연구 및 개발되어 왔다. 특히 근래 기후온난화 및 온실가스의 저감, 화석연료의 대체라는 환경에너지 정책에 발맞추어 고농도 유기성 폐기물을 혐기발효시켜 메탄(CH4)가스를 생산하는 시설이 널리 보급되고 있다.
혐기발효에 의한 메탄가스 생산기술은 이미 유럽, 일본 등지에서는 정착 보급된 기술로서, 고농도 유기성 폐기물(가축분뇨, 음식물 쓰레기, 농업부산물 등)의 처리라는 환경적 기능뿐만 아니라 바이오가스 등의 대체 에너지 생산 기능 및 발효된 유기성 폐기물의 농지환원을 통한 자연 순환적 기능을 동시에 달성할 수 있는 기술이다.
가축분뇨와 음식물 쓰레기 등 고농도 유기성 폐기물의 혐기발효 기술은 산소가 존재하지 않는 상태에서 미생물을 배양하여 원하는 생산물을 얻는 것으로서, 가축분뇨나 음식물 쓰레기의 유기물을 산소(O2)가 없는 극도의 환원상태에서 혐기성 미생물을 이용하여 메탄가스를 생산하는 기술이다.
혐기성 미생물은 무산소 상태에서 생육하는 미생물로서, 크게 복합 고분자 유기물(탄수화물, 지방, 단백질 등)을 단순 단위화합물(포도당, 아미노산, 지방산 등)로 쪼개는 가수분해 미생물, 가수분해된 산물을 이용하여 메탄생산의 기질로 사용되는 각종 휘발성 지방산, CO2, H2 등을 생산하는 산생성 미생물 및, 산생성된 산물을 기질로 이용하여 CH4를 생산하는 메탄생성 미생물로 구분될 수 있으며, 일반적인 혐기발효 공정은 이런 혐기성 미생물을 이용하여 가수분해 공정, 산생성 공정 및 메탄생성 공정을 거치게 된다. 따라서, 혐기발효 공정기술은 기능적으로 다양한 혐기성 미생물의 군집을 안정화시키고, 메탄생산에 적합하도록 최적화시키는 기술이다.
한편, 산생성 공정에서는 이전 공정인 가수분해 공정의 산물을 이용하여 다음과 같은 화학식 1 내지 화학식 4의 미생물 반응을 통해 아세트산(CH3COO-), 수소(H2), 탄산이온(HCO3-)을 생산할 수 있다.
[화학식 1] CH3CH2OH + H2O → CH3COO- + H+ +2H2
[화학식 2] CH3CH2COO- + 3H2O → CH3COO- + H+ + 3H2 + HCO3 -
[화학식 3] CH3CH2CH2COO- + 2H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2
[화학식 4] C7H5O2 + 7H2O → 3CH3COO- + 3H2 + HCO3-
이와 같은, 산생성 공정에서 생성된 아세트산, 수소 및 탄산이온은 다음과 같은 화학식 5 및 6의 미생물 반응에 의해 메탄으로 전환된다.
[화학식 5] 4H2 + CO2 → CH4 + H2O
[화학식 6] CH3COO- + H+ → CH4 + CO2
일반적으로, 혐기발효공정은 메탄발효조 내의 미생물 반응의 특성과 배치(configuration)에 따라 일상(one phase) 발효 공정, 이상(two phase) 발효 공정로 구분된다. 일상발효 공정는 산생성 공정과 메탄생성 공정을 동시에 포함하는 것으로서, 하나의 메탄발효조에서 화학식 1 내지 화학식 6의 미생물 반응이 동시에 일어나면서 메탄을 생성하는 공정이고, 이상발효 공정은 산생성 공정과 메탄생성 공정을 공간적으로 달리 행하는 것으로서, 두 개의 혐기발효조를 구비하여 전단의 혐기발효조에서 주로 화학식 1 내지 화학식 4의 미생물반응이 일어나게 한 후, 후단의 혐기발효조로 이동하여 후단의 혐기발효조에서 주로 화학식 5 내지 화학식 6 의 미생물반응이 일어나도록 하여 메탄을 생성하는 공정이다.
이런 일상발효 공정 또는 이상발효 공정은 유입하고자 하는 원료의 특성에 따라 채택되어 지며, 일반적으로 음식물 쓰레기, 식품가공장 부산물 등 가용성의 유기물 함량이 높아 혐기발효시 산발효가 빠르게 일어나고 pH의 급변화를 완충할 수 있는 알칼리도가 낮아 pH 변화에 취약할 수 있는 원료의 경우, 메탄생산을 위한 혐기발효조의 안정성을 향상시키기 위해 이상발효 공정이 채택되며, 가축분뇨와 하수슬러지 등 가용성의 유기물의 함량이 음식물 쓰레기에 비해 상대적으로 낮고, 알칼리도가 높아 pH 변화에 충분한 완충능력을 가지는 원료의 경우 일상 발효 공정이 채택된다.
한편, 근래에는 청전연료로서 수소에너지에 대한 관심이 증가하면서 혐기발효를 통한 수소생산기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 수소에너지는 연소과정에서 오염물질을 전혀 배출하지 않고 122kJ/g의 높은 에너지 효율을 가지는 청정에너지로서 저장성 연료뿐만 아니라 연료전지를 통한 전력변환기술과 연계가 가능하다.
이에 따라, 혐기발효 공정을 이용하여 수소 및 메탄을 통합적으로 생성하는 시스템 및 방법이 요구되었다.
본 발명은 상기의 요구 사항을 해결하기 위한 것으로서, 가축분뇨, 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물을 이용하여 별도의 약품 사용을 하지 않고 친환경적으로 수소 및 메탄을 생성하는 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 수소 및 메탄 통합생성시스템은, 이상발효가 가능한 제1 유기성 폐기물을 저장하는 제1 폐기물 저장조와; 일상발효가 가능한 제2 유기성 폐기물을 저장하는 제2 폐기물 저장조와; 제1 폐기물 저장조로부터 제1 유기성 폐기물을 공급받아, 열처리하여 제1 유기성 폐기물의 가수분해를 촉진하고 수소생성균을 우점화하는 열처리조와; 열처리조로부터 공급되는 열처리된 제1 유기성 폐기물을 혐기발효하여 수소가스를 생성하는 수소발효조와; 수소발효조로부터 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장조와; 수소발효조의 수소가스의 생성이 촉진되도록 수소발효조로 알칼리성 용액을 공급하여, 제1 유기성 폐기물의 pH를 적정 상태로 유지하는 pH 공급장치와; 수소발효조로부터 공급되는 잔유 유기성 폐기물과 제2 폐기물 저장조로부터 공급되는 제2 유기성 폐기물을 혐기발효하여 메탄가스를 생성하는 메탄발효조와; 메탄발효조로부터 생성된 메탄가스를 저장하는 메탄가스 저장조를 포함한다.
이 때, 상기 수소발효조는 열처리된 제1 유기성 폐기물을 38℃의 온도와 pH 5.5 ~ 7.0 의 수소생성 조건으로 혐기발효하며, pH 공급장치는 열처리된 제1 유기성 폐기물의 pH가 5.5 ~ 7.0 로 유지되게 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 pH 공급장치는 메탄발효조의 알칼리성 혐기발효액을 수소발효조로 공급할 수 있다.
또한, 상기 메탄가스 저장조로부터 저장된 메탄가스를 공급받아, 습기와 황성분을 제거하는 제습탈황장치와; 제습탈황장치로부터 습기와 황성분이 제거된 메탄가스를 공급받아 전력을 생산하는 연소식 발전기가 더 포함되되, 상기 열처리조, 수소발효조 또는 메탄발효조는 연소식 발전기의 폐열을 이용하여, 해당 유기성 폐기물이 적정 온도로 유지되도록 할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 수소 및 메탄 통합생성방법은, 이상 발효가 가능한 제1 유기성 폐기물을 열처리하여 가수분해를 촉진하고 수소생성균을 우점화하는 열처리 단계; 열처리된 제1 유기성 폐기물을 혐기발효하여 수소가스를 생성하고, 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 생성 및 저장 단계; 수소가스 생성에 사용된 제1 유기성 폐기물과 일상 발효가 가능한 제2 유기성 폐기물을 혐기발효하여 메탄가스를 생성하고, 생성된 메탄가스를 저장하는 메탄가스 생성 및 저장단계를 포함한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 가축분뇨와 음식물쓰레기 등의 유기성 폐기물을 이용하여 수소와 메탄을 통합적으로 생산하여 에너지 수득률을 극대화할 수 있으며,
또한, 제1 유기성 폐기물을 열처리함으로써 병원성 미생물 등을 사멸시켜 혐기발효시 위생적, 보건적 안정성을 유지할 수 있으며, 열처리과정에서 제1 유기성 폐기물의 가수분해가 촉진되고, 수소 생산에 참여하는 포자형성균인 클로스트리듐(Clostridium) 종류 중 수소생성균을 우점화시켜 수소생산의 효율을 향상시킬 수 있으며, 열처리조에서 수소발효조로 공급되는 열처리된 제1 유기성 폐기물은 수소발효과정에서 산생성 반응이 동시에 일어나 이를 다음 공정의 메탄발효조로 공급되므로 메탄생성 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 수소발효조를 위한 적정 pH를 조절하기 위해 메탄발효조의 알칼리도가 높은 혐기발효액을 사용함으로써, 친환경적인 공정을 구성할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 공지 구성에 대한 구체적인 설명 또는 당업자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소 및 메탄 통합생성시스템의 블록도를 나타낸 것으로서, 본 발명에 따른 수소 및 메탄 통합 생성시스템은, 이상발효가 가능한 제1 유기성 폐기물을 저장하는 제1 폐기물 저장조(10)와; 일상발효가 가능한 제2 유기성 폐기물을 저장하는 제2 폐기물 저장조(20)와; 제1 폐기물 저장조(10)로 부터 제1 유기성 폐기물을 공급받아, 열처리하여 제1 유기성 폐기물의 가수분해를 촉진하고 수소생성균을 우점화하는 열처리조(30)와; 열처리조(30)로부터 공급되는 열처리된 제1 유기성 폐기물을 혐기발효하여 수소가스를 생성하는 수소발효조(40)와; 수소발효조(40)로부터 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장조(70)와; 수소발효조(40)의 수소가스의 생성이 촉진되도록 수소발효조(40)로 알칼리성 용액을 공급하여, 제1 유기성 폐기물의 pH를 적정 상태로 유지하는 pH 공급장치(50)와; 수소발효조(40)로부터 공급되는 잔유 유기성 폐기물과 제2 폐기물 저장조(20)로부터 공급되는 제2 유기성 폐기물을 혐기발효하여 메탄가스를 생성하는 메탄발효조(60)와; 메탄발효조(60)로부터 생성된 메탄가스를 저장하는 메탄가스 저장조(80)를 포함한다.
또한, 상기 메탄가스 저장조(80)로부터 저장된 메탄가스를 공급받아, 습기와 황성분을 제거하는 제습탈황장치(90)와; 제습탈황장치(90)로부터 습기와 황성분이 제거된 메탄가스를 공급받아 전력을 생산하는 연소식 발전기(100)가 더 포함되되, 상기 열처리조(30), 수소발효조(40) 또는 메탄발효조(60)는 연소식 발전기(100)의 폐열을 이용하여, 해당 유기성 폐기물이 적정 온도로 유지되도록 할 수 있다.
상기 제1 유기성 폐기물은 이상발효를 위한 것으로, 가용성 유기물 비율이 75% 이상이고, pH의 급격한 변화를 완충하는 알칼리도(alkalinity)의 함량은 낮다. 제1 유기성 폐기물의 예로는 음식물 쓰레기, 축산부산물 등이 있다. 이에 비해 제2 유기성 폐기물은 일상발효를 위한 것으로, 가용성 유기물의 함량은 제1 유기성 폐기물보다 낮으나(즉, 가용성 유기물 비율이 75% 미만), pH의 급격한 변화를 완충하는 알칼리도의 함량은 높다. 제2 유기성 폐기물의 예로는 가축분뇨(돼지, 육우, 젖소의 분뇨 중 어느 하나)가 있다.
상기 열처리조(30)는 이송수단을 통해 제1 폐기물 저장조(10)로부터 제1 유기성 폐기물을 공급받고, 50℃ ~ 80℃의 온도 조건에서 30분 ~ 1시간 정도 열처리를 한다. 이 때, 열처리조(30)의 온도조건은 별도의 가열수단이나, 연소식 발전기(100)의 폐열을 이용하여 조절될 수 있다. 이를 통하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음식물 쓰레기, 열처리한 음식물쓰레기, 및 혐기발효액의 균수를 나타내는 그래프로서, 열처리한 음식물 쓰레기는 80℃에서 30분간 열처리한 것이다. 살펴보면, 열처리전의 음식물 쓰레기는 대장균 수가 약 105cfu/mL를 나타내는 반면, 열처리한 음식물 쓰레기는 대장균이 모두 사멸한 것으로 나타났다. 또한, 다양한 항생물질을 분비하여 수소생산균의 활성을 저해할 가능성이 있는 유산균은 약 109cfu/mL에서 약 103 ~ 104 cfu/mL로 감소한 것으로 나타났다. 그러나, 수소를 생성하는 클로스트리듐 속의 수소생성균인 내열성균(포자형성균)은 열처리 전후 모두 약 106 ~ 107cfu/mL 범위를 유지한 것으로 나타났다. 따라서, 열처리를 통해서 병원성 미생물 등을 사멸시켜 혐기발효시 위생적, 보건적 안정성을 유지할 수 있으며, 열처리과정에서 제1 유기성 폐기물의 가수분해가 촉진되고, 수소 생산에 참여하는 포자형성균인 클로스트리듐(Clostridium) 종류 중 수소생성균을 우점화시켜 수소생성의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 수소발효조(40)는 열처리된 제1 유기성 폐기물을 35℃ ~ 38℃의 온도와 pH 5.5 ~ 7.0 의 수소생성 조건으로 혐기발효하며, 이를 위하여 pH 공급장치(50)는 pH를 측정하는 수단을 구비하여 열처리된 제1 유기성 폐기물의 pH가 5.5 ~ 7.0 로 유지되게 한다. 이 때, 수소발효조(40)의 온도조건은 별도의 가열수단이나, 연소식 발전기(100)의 폐열을 이용하여 조절될 수 있다.
또한, 바람직한 실시예로써, 상기 pH 공급장치(50)는 메탄발효조(60)의 알칼리성 혐기발효액을 수소발효조(40)로 공급할 수 있다. 즉, 수소발효조(40)에 공급하는 알칼리성 용액으로서 혐기발효액을 사용할 수 있다.
하기의 [표 1]은 음식물 쓰레기와 혐기발효액의 가용성 유기물 함량 및 알칼리도 함량을 비교하기 위한 표로서, 가용성 유기물(휘발성 유기물; VS)의 함량은 높으나, pH의 급격한 변화를 완충하는 알칼리도(alkalinity)의 함량은 낮다. 이에 비해, 가축분뇨의 혐기발효액은 하기 [표 1]에서와 같이, 가용성 유기물의 함량은 음식물 쓰레기보다 낮으나, 알칼리도의 함량은 높아 혐기발효시 pH의 급격한 변화를 완충하는 능력을 가진다. 따라서, 수소발효조(40)를 위한 적정 pH를 조절하기 위해 메탄발효조(60)의 알칼리도가 높은 혐기발효액을 사용함으로써, 친환경적인 공정을 구성할 수 있다. (참고로, pH는 페하, TS는 전고형물, VS는 가용성 유기물(또는, 휘발성 유기물), CODcr은 화학적산소요구량, T-N은 총질소, NH4 +-N는 암모니아성 질소를 나타낸다.)
pH TS
(mg/L)		 VS
(mg/L)		 VS/TS
(%)		 CODcr T-N
(mg/L)		 NH4 +-N
(mg/L)		 알칼리도
(mg/L)
음식물
쓰레기		 4.13 128,487 110,820 86.24 360,800 1,303 216 -
혐기
발효액		 8.20 26,160 15,470 59.14 26,100 1,378 1,182 16,250
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열처리한 음식물쓰레기와 열처리하지 않은 음식물 쓰레기의 발효시간당 누적 수소(H2) 생산량을 나타낸 그래프로서, 열처리 전후의 음식물 쓰레기를 각각 혐기발효액과 혼합하여 pH를 5.5와 6.5로 조정하여 38℃에서 배양한 결과를 나타낸다. 살펴보면, 특히, 배양한 결과 열처리 후의 pH가 6.5인 경우의 원료에서 24시간 이후부터 수소의 생산량이 약 300mL 이상 생산되어 가장 우수한 수소생산능력을 보인 것으로 나타났으며, 열처리한 음식물 쓰레기가 열처리전의 음식물 쓰레기보다 수소생산능력이 우수한 것으로 나타났다.
한편, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 혐기발효액이 포함된 열처리한 음식물 쓰레기의 발효시간당 누적 수소생산량을 나타낸 그래프로서, 열처리된 음식물 쓰레기를 혐기발효액과 혼합하여 pH를 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5 및 7로 조정하여 38℃에서 배양한 결과를 나타낸다. 살펴보면, pH가 6.0 ~ 7.0일 때, 수소생산이 우수한 것으로 나타났으며, pH 5.0 이하에서는 수소생산이 급격히 저해되는 것으로 나타났다.
또한, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 혐기발효액이 포함된 열처리한 음식물 쓰레기의 발효시간당 수소농도(%)를 나타낸 그래프로서, 발효시간 12시간 대에서 pH 6.5의 혼합원료는 바이오 가스 중 수소농도가 30%(v/v)를 초과하는 것으로 나타났고, 발효시간 24시간 대에서 pH 6.0의 혼합원료는 바이오 가스 중 수소농도가 30%(v/v)를 초과하는 것으로 나타났다. 기타 pH 4.0, 4.5, 5.0로 조절한 각 혼합원료에서는 수소생산이 거의 나타나지 않은 것으로 나타났다.
또한, 상기 메탄발효조(60)는 수소발효조(40)로부터 수소생성조건으로 혐기발효된 제1 유기성 폐기물과, 제2 폐기물 저장조(20)로부터의 제2 유기성 폐기물 중 하나 이상을 공급받아, 35℃ ~ 38℃의 온도조건으로 혐기발효시켜 메탄을 생성한다. 이 때, 열처리된 제1 유기성 폐기물은 수소발효과정에서 산생성 반응이 동시에 일어나 수소발효조(40)에서 메탄발효조(60)로 공급되므로 메탄생성 효율을 증대시킬 수 있다. 메탄발효조(60)의 온도조건은 별도의 가열수단이나, 연소식 발전기(100)의 폐열을 이용하여 조절될 수 있다.
한편, 상기 제습탈황장치(90)는 습기와 황성분을 제거하는 장치로서 종래에 사용되는 장치를 사용할 수 있다.
또한, 연소식 발전기(100)는 메탄가스를 이용하여 전력변환을 위한 화력발전을 하여 전기를 생산하는 발전기로서, 일례로는 엔진발전기가 있다.
또한, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소 및 메탄 통합생성방법의 순서도로서, 본 발명에 따른 수소 및 메탄 통합생성방법은, 열처리조(30)가 이상 발효가 가능한 제1 유기성 폐기물을 열처리하여 가수분해를 촉진하고 수소생성균을 우점화하는 열처리 단계(S10); 수소발효조(40)가 열처리된 제1 유기성 폐기물을 혐기발효하여 수소가스를 생성하고, 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 생성 및 저장 단계(S20); 메탄발효조(60)가 수소가스 생성에 사용된 제1 유기성 폐기물과 일상 발효가 가능한 제2 유기성 폐기물을 혐기발효하여 메탄가스를 생성하고, 생성된 메탄가스를 저장하는 메탄가스 생성 및 저장단계(S30)를 포함한다. 이 때, 상기 수소가스 생성 및 저장공정(S20)은, 열처리된 제1 유기성 폐기물을 38℃의 온도와 pH 5.5 ~ 7.0의 수소생성 조건으로 혐기발효하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 가축분뇨와 음식물쓰레기 등의 유기성 폐기물을 이용하여 수소와 메탄을 통합적으로 생산하여 에너지 수득률을 극대화할 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 도면과 실시예를 가지고 설명하였으나, 본 발명은 특정 실시예에 한정되지 않으며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 많은 수정과 변형이 가능함을 이해할 것이다. 또한, 상기 도면은 발명의 이해를 돕기 위해 도시된 것으로서, 청구범위를 한정하도록 이해해서는 아니될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소 및 메탄 통합생성시스템의 블록도이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소 및 메탄 통합생성방법의 순서도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음식물 쓰레기, 열처리한 음식물쓰레기, 및 혐기발효액의 균수를 나타내는 그래프이며,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열처리한 음식물쓰레기와 열처리하지 않은 음식물 쓰레기의 발효시간당 누적 수소(H2) 생산량을 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 혐기발효액이 포함된 열처리한 음식물 쓰레기의 발효시간당 누적 수소생산량을 나타낸 그래프이며,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 혐기발효액이 포함된 열처리한 음식물 쓰레기의 발효시간당 수소농도를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 제1 폐기물 저장조 20 : 제2 폐기물 저장조
30 : 열처리조 40 : 수소발효조
50 : pH 공급장치 60 : 메탄발효조
70 : 수소가스저장조 80 : 메탄가스저장조
90 : 제습탈황장치 100 : 연소식 발전기

Claims (5)

  1. 이상발효가 가능한 제1 유기성 폐기물을 저장하는 제1 폐기물 저장조(10)와;
    일상발효가 가능한 제2 유기성 폐기물을 저장하는 제2 폐기물 저장조(20)와;
    제1 폐기물 저장조(10)로부터 제1 유기성 폐기물을 공급받아, 열처리하여 제1 유기성 폐기물의 가수분해를 촉진하고 수소생성균을 우점화하는 열처리조(30)와;
    열처리조(30)로부터 공급되는 열처리된 제1 유기성 폐기물을 혐기발효하여 수소가스를 생성하는 수소발효조(40)와;
    수소발효조(40)로부터 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장조(70)와;
    수소발효조(40)의 수소가스의 생성이 촉진되도록 수소발효조(40)로 알칼리성 용액을 공급하여, 제1 유기성 폐기물의 pH를 적정 상태로 유지하는 pH 공급장치(50)와;
    수소발효조(40)로부터 공급되는 잔유 유기성 폐기물과 제2 폐기물 저장조(20)로부터 공급되는 제2 유기성 폐기물을 혐기발효하여 메탄가스를 생성하는 메탄발효조(60)와;
    메탄발효조(60)로부터 생성된 메탄가스를 저장하는 메탄가스 저장조(80)를 포함하되;
    상기 수소발효조(40)는 열처리된 제1 유기성 폐기물을 38℃의 온도와 pH 5.5 ~ 7.0 의 수소생성 조건으로 혐기발효하며,
    상기 pH 공급장치(50)는 알칼리성 용액으로서 메탄발효조(60)의 알칼리성 혐기발효액을 수소발효조(40)로 공급하여 열처리된 제1 유기성 폐기물의 pH가 5.5 ~ 7.0 로 유지되게 하는 것을 특징으로 하는 수소 및 메탄 통합생성시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 메탄가스 저장조(80)로부터 저장된 메탄가스를 공급받아, 습기와 황성분을 제거하는 제습탈황장치(90)와;
    제습탈황장치(90)로부터 습기와 황성분이 제거된 메탄가스를 공급받아 전력을 생산하는 연소식 발전기(100)가 더 포함되되,
    상기 열처리조(30), 수소발효조(40) 또는 메탄발효조(60)는 연소식 발전기(100)의 폐열을 이용하여, 해당 유기성 폐기물이 적정 온도로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 수소 및 메탄 통합생성시스템.
  5. 이상 발효가 가능한 제1 유기성 폐기물을 50℃ ~ 80℃온도에서 30분 ~ 1시간 열처리하여 가수분해를 촉진하고 수소생성균을 우점화하는 열처리 단계(S10)와;
    열처리된 제1 유기성 폐기물을 38℃의 온도와 pH 5.5 ~ 7.0의 수소생성 조건으로 혐기발효하여 수소가스를 생성하고, 생성된 수소가스를 저장하는 수소가스 생성 및 저장 단계(S20)와;
    수소가스 생성에 사용된 제1 유기성 폐기물과, 일상 발효가 가능한 제2 유기성 폐기물을 38℃의 온도로 혐기발효하여 메탄가스를 생성하고, 생성된 메탄가스를 저장하는 메탄가스 생성 및 저장단계(S30)를 포함하며,
    상기 수소가스 생성 및 저장 단계(S20)에서 열처리된 제1 유기성 폐기물의 pH는, 메탄가스 생성 및 저장단계(S30)에서 메탄가스 생성 후의 알칼리성 혐기발효액을 이용하여 조절하는 것을 특징으로 하는 수소 및 메탄 통합생성방법.
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