KR100985374B1 - 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법 및장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법에 관한 것으로, 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법에 있어서, 유기성 폐기물을 활성 슬러지가 담긴 유기산 생성조로 공급하여 이로부터 유기산의 생성을 확인한 후, 상기 유기성 폐기물을 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트가 연속적으로 연결되도록 이루어진 수소 가스 생성조로 이송하여 pH를 5.5이하로 유지하면서 수소를 생산하는 단계; 및
상기 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트중 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내 유체의 pH를 측정하여, 측정된 pH가 5.5를 초과하는 경우에, 상기 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내의 유체를 메탄 가스 생성조로 이송하여 메탄을 생산하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법 및 이를 위한 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 혐기소화공정의 진행이 기계적인 미생물 공정 시간, 즉 슬러지 체류 시간에 의해서 기계적으로 진행되지않고, 유기물로부터 생성된 유기산의 정도와 수소생성의 가능성을 나타내어 주는 지표인 pH를 이용하여 단계별로 진행하게함으로써 수소와 메탄가스를 동시에 효율적으로 생성할 수 있다.
유기성 폐기물, 수소, 메탄, 혐기소화, 유기산
Description
본 발명은 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 본 발명은 유기성 폐기물로부터 생성된 유기산의 정도와 수소생성의 가능성을 나타내어 주는 지표인 pH를 이용하여 단계별로 진행하게함으로써 수소와 메탄가스를 동시에 효율적으로 생성할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
유기성 폐기물을 처리하거나 그로 인한 공해를 방지하는 방법들은 많이 연구되어 왔다. 유기성 폐기물을 매립 또는 해양투기하여 처리하는 경우, 이와 관련되어 환경문제를 야기하여 왔으며, 현재까지도 이러한 문제를 해결하기 위해서 많은 비용이 소비되고 있다. 또 다른 유기성 폐기물 처리방법으로는 생물학적 호기/혐기소화, 열분해, 소각 등의 방법이 있으며, 그 중 수소와 메탄 가스를 생성할 수 있는 혐기소화 분야가 유망한 신재생에너지원으로서 주목받고 있다.
특히, 화석에너지의 사용으로 야기되는 온실효과, 교토협약에 의한 이산화탄소 감출분야와 2011년부터 유기물 해양투기 금지를 규정한 런던조약과 맞물려서 혐기소화과정을 통해서 유기성 폐기물 문제도 해결하면서 재생/청정에너지인 수소와 메탄가스를 생산할 수 있다는 점은 시사하는 바가 크다고 할 수 있다. 우리나라의 경우, 부존자원이 부족하며, 전체 수입액의 20%에 달하는 비용이 에너지원의 수입에 사용되고 있어 신재생 에너지를 생산할 수 있는 기술의 확보가 절실한 상황이다.
한국 특허출원 제 2004-0025061호는 유기성 폐기물의 혐기소화를 이용하여 수소를 생산하는 방법에 관한 것으로서, 음식물 쓰레기와 하수 슬러지의 혼합물을 반응기에 주입, 반응, 침전 및 상등수 유출의 공정에 의해 연속적으로 수소를 생성시킬 수 있는 수소의 생성방법을 개시하고 있다. 상기 방법은 유기성 폐기물을 이용한 혐기소화 방식으로 수소를 생산하나, 수소생산에만 촛점이 맞추어져 있으며, 본 발명과는 다르게 pH 변화를 관찰하고 특정 pH를 기준으로 하여 다음 단계로 진행하는 것이 아니라, 미생물 공정 시간, 즉 슬러지 체류 시간에 의해서 기계적으로 진행된다. 이러한 경우, 수소가 최적조건으로 생성되지 못하며, 만일 후단 반응에 메탄 생성 공정이 있다면 그 공정에도 악영향을 끼치게 된다. 또한, 열적 전처리 과정을 통하여 클로스트리디아속 계열의 수소생성 식종균의 선별배양을 도모하였으나, 실제의 많은 경우에 있어서 열처리를 하더라도 식종균이 기존 미생물과의 경쟁에서 쉽게 생존하지 못하여 우점균이 되지 못하는 경우가 많아 지속적으로 식종균 투입과 열적 전처리를 행해야하기 때문에 운영비가 많이 드는 단점이 있다.
미국 특허 제 4,936,996호는 미생물학적 분해가 가능한 유기물에서 메탄가스를 생산하는 방법에 관한 것으로서, 액화된 미디어에 압력을 가하여 가수분해단계를 통과시키고 고정화된 미생물 반응조를 거쳐 메탄가스를 생산하는 방법이 개시되어 있다. 하지만, 이 방법은 산생성조에서 메탄 발효조로 용액을 언제 이동시켜야 할지 그 기준이 불명확하고, 수소생성에 대해서 자세히 기재되어 있지 않다.
Dawei 등의 연구 결과 (Dawei et al., 2008, Effect of pH and hydraulic retention time on hydrogen production versus methanogenesis during anaerobic fermentation of organic household solid waste under extreme-thermophilic temperature (70℃), Biotechnol Bioeng, 100: 1108-1114)에 명시된 대로 수소와 메탄가스의 생산은 서로 길항적인(antagonistic) 관계라는 것이 밝혀졌다. 다시 말하면, 수소와 메탄가스를 동시에 효율적으로 생산하는 공정은 지극히 구성하기 어렵다는 것을 반증하는 것이다.
또한, Reith 등의 연구 결과(Reith JH, Wijffels RH, Barten H, 2003, Bio-methane & bio-hydrogen status and perspectives of biological methane and hydrogen production. http://www.novem.nl/default.asp?documentid=115509)에 따르면, 간단한 열처리만으로는 HSW(House solid waste)와 같은 복합 유기성 폐기물 에 순수한 식종균을 투입해서 우점화시킨다는 것이 굉장히 어렵다는 것이 밝혀졌다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 유기성 폐기물 처리시 혐기소화공정의 진행이 기계적인 미생물 공정 시간, 즉 슬러지 체류 시간에 의해서 기계적으로 진행되지않고, 유기물로부터 생성된 유기산의 정도와 수소생성의 가능성을 나타내어 주는 지표인 pH를 이용하여 단계별로 진행하게함으로써 수소와 메탄가스를 동시에 효율적으로 생성할 수 있는 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법에 있어서,
유기성 폐기물을 활성 슬러지가 담긴 유기산 생성조로 공급하여 이로부터 유기산의 생성을 확인한 후, 상기 유기성 폐기물을 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트가 연속적으로 연결되도록 이루어진 수소 가스 생성조로 이송하여 pH를 5.5이하로 유지하면서 수소를 생산하는 단계; 및
상기 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트중 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내 유체의 pH를 측정하여, 측정된 pH가 5.5를 초과하는 경우에, 상기 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내의 유체를 메탄 가스 생성조로 이송하여 메탄을 생산하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 장치에 있어서,
유기성 폐기물로부터 유기산을 생성하기 위한 활성 슬러지가 담긴 유기산 생성조(20);
상기 유기산 생성조(20)에서 유기산의 생성을 확인한 후, 상기 유기산 생성조(20)로부터 배출된 유체를 공급받기위한, 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트가 연속적으로 연결된 형태로 이루어진 수소 가스 생성조(40); 및
상기 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트중 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내 유체의 pH를 측정하여, 측정된 pH가 5.5를 초과하는 경우에, 상기 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내의 유체를 공급받기위한, 메탄 가스 생성조(60)
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 혐기소화공정의 진행이 기계적인 미생물 공정 시간, 즉 슬러지 체류 시간에 의해서 기계적으로 진행되지않고, 유기물로부터 생성된 유기산의 정도와 수소생성의 가능성을 나타내어 주는 지표인 pH를 이용하여 단계별로 진 행하게 함으로써 수소와 메탄가스를 동시에 효율적으로 생성할 수 있다.
본 발명자들은 유기성 폐기물을 처리하여 수소와 메탄 가스를 생성하는데 있어서, 특정 균을 투입하는 것이 아니라, 음폐수와 같은 유기성 폐기물 및 활성 슬러지내에 자연적으로 존재하는 미생물군상을 수소나 메탄이 발생하기 좋은 조건으로 유도하여 수소와 메탄가스를 생산하도록 하였으며, 이들 군상의 천이를 촉진하기 위해서 공간적으로 수소 생산 군상과 메탄가스 생산 군상이 분리되도록 반응시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 유기성 폐기물은 음식물쓰레기, 농산물쓰레기, 축산물쓰레기 중에서 선택된 어느 하나와 하수슬러지의 혼합물일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 유기성 폐기물을 유기산 분해조에 공급한 후, 상기 유기성 폐기물에서 유기산의 생성을 HPLC를 통해서 확인하고, 상기 유기성 폐기물을 수소 가스 생성조로 이송하여 수소를 생산하게하고, 그 다음 상기 수소 가스 생성조내 용액의 pH를 측정하여, 측정된 pH가 5.5를 초과하는 경우에, 그 배출물을 메탄 가스 생성조로 이송하여 메탄을 생산하게한다. 이때, 상기 수소 가스 생성조는 pH를 5.5이하로, 바람직하게는 5-5.5로 유지하면서 수소를 생산하기위해 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트가 연속적으로 연결되도록 이루어진다.
상기 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트는 이에 한정하는 것은 아니나, 바람직하게 3-10개의 수소 가스 생성조 구성 유니트, 보다 바람직하게 4-5개의 수소 가스 생성조 구성 유니트로 이루어질 수 있다.
또한, 이때 상기 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트에서 각각의 수소 가스 생성조 구성 유니트의 용량은 상기 메탄 가스 생성조 용량에 비하여 약 1/2이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 상기 각각의 수소 가스 생성조 구성 유니트의 용량은 상기 메탄 가스 생성조 용량에 비하여 약 1/10 내지 1/2이하이며, 가장 바람직하게는 약 1/5이다. 이와 같이 작은 용량의 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트로 구성되어 있어서, 연속적으로 분해된 유기산을 유기산 생성조로부터 공급받아 항상 낮은 pH (pH 5.5이하)를 유지하면서 수소를 생성할 수 있다. 만일 1차 수소 가스 생성조 구성 유니트의 공간이 부족해지면, 2차 수소 가스 생성조 구성 유니트로 유체의 상등액을 이송하고, 그 후에도 2차 수소 가스 생성조 구성 유니트의 공간이 부족해지면 유체의 상등액을 3차 수소 가스 생성조 구성 유니트로 유체를 이송하며, 이러한 식으로 연속적으로 4차 및 5차 등 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트로 유체를 이송한다. 만일 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내 유체의 pH를 측정하여 측정된 pH가 5.5를 초과하는 경우에는, 상기 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내의 유체를 메탄 가스 생성조로 이송하여 메탄을 생산하게한다. 이때 상기 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내의 최대 90부피%에 해당되는 양을 메탄 가스 생성조로 이송하는 것이 바람직하다. 또한, 이때 상기 유체를 90부피%를 초과하여 이송시키지 않는 것이 바람직한데, 그 이유는 수소발생 세균이 남아있도록 하여 계속해서 수소발생작용을 하도록 하기 위한 것이다. 메탄 가스 생성조에서는 이송된 유체로부터 비연속적으로 메탄을 생성하며, 차후에 수소 가스 생성조에서 유입되는 유체는 메탄 가스 생성조의 하부로 공급되어 메탄 가스 생성조의 상등액이 배출구를 통해 배출되도록 한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 장치를 설명하면 다음과 같다.
일 구현예로, 본 발명의 장치는 상기 유기산 생성조(20)에서 유기산의 생성을 확인한 후, 상기 유기산 생성조(20)로부터 배출된 유체를 공급받기위한, 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트가 연속적으로 연결된 형태로 이루어진 수소 가스 생성조 40; 및 상기 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트중 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내 유체의 pH를 측정하여, 측정된 pH가 5.5를 초과하는 경우에, 상기 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내의 유체를 공급받기위한, 메탄 가스 생성조 60를 포함하여 구성될 수 있다.
유기성 폐기물을 활성 슬러지로 가득 채워져 있는 유기산 생성조 20으로 연속적으로 공급하면 유기성 폐기물이 유기산으로 분해되면서 pH가 낮아진다. 그 다음, pH가 낮은 상등액(약 pH 5 내지 5.5)을 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트(41-45)로 이루어진 수소 가스 생성조 40으로 연속적으로 공급한다. 이때 수소 가스 생성조 40에서는 수소가 발생하면서 pH가 5.5이상이 되려고 하면 상기 유 기산 생성조 20의 pH가 낮은 상등액을 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트로 이루어진 수소 가스 생성조 40에서 연속적으로 받아들여(예를 들어, 수소 가스 생성조내 용액의 약 5부피%씩) 수소가스 생성조 내의 pH가 5.5이상으로 높아지는 것을 방지한다. 이렇게 함으로써 수소 가스를 생산하는 미생물 군상의 활성을 높게 유지시켜주며, 이를 통하여 수소 가스 생성조 40에서는 메탄 가스의 생산이 이루어지기 보다는 수소 가스를 생산하는 조건으로 미생물 군상이 유지된다. 그 다음, 수소 가스 생성조 40내에 유체의 pH가 5.5를 초과하고 유체를 더 이상 수용할 공간이 없으면 수소 가스 생성조 40의 90부피%에 해당하는 양을 메탄 가스 생성조 60으로 이송시키는 반연속식(Semi-continous type) 혐기소화 프로세스로 유기성 폐기물을 처리한다.
본 발명의 방법에서 이와 같이 반연속식 혐기소화 프로세스로 유기성 폐기물을 처리하는 이유는, 첫째로 유기산화 수소/메탄을 발생시키는 미생물 군상이 다르므로 공간적인 격리를 통해 유기산화 수소/메탄의 발생을 최적화시킬 수 있다는 점과, 둘째로 낮은 pH를 가지며 교반이 잘 되는 소량의 유체에서 수소를 발생시킴으로써 집중적으로 수소를 생산할 수 있기 때문이다.
본 발명의 방법에서, 상기 수소 가스 생성조의 조건은 이에 한정하는 것은 아니나, 온도는 30-50℃로 유지되며, pH는 5.5를 초과하지 않게 유지하는 것이 바람직하며, 또한, 상기 메탄 가스 생성조의 조건은 이에 한정하는 것은 아니나, 온 도는 30 - 35 ℃로 유지되며, pH는 7이상으로 유지하는 것이 바람직하다. 이와 같이 일정하게 pH를 유지하는 이유는 수소를 생성하는 미생물 군상과 메탄을 생성하는 미생물 군상이 특정 pH에서 활성을 나타내기 때문이다. pH가 5.5를 초과하면 수소생성이 거의 이루어지지 않으며, 메탄은 pH 7미만의 산성조건하에서는 활발히 생성되지 않기 때문이다. 보다 바람직하게, 상기 수소 가스 생성조는 30-50℃, pH 5-5.5로 유지되며, 상기 메탄 가스 생성조는 30-35℃, pH 7-7.4 로 유지되도록 한다.
도 1은 혼합 유기성 폐기물에서 유기산이 발생된 후, 수소와 메탄 가스를 발생시키는 혐기소화조의 구조를 나타낸 모식도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 유입수 20: 유기산 생성조
30: 유기산 생성조 슬러지 유출구 40: 수소 가스 생성조
41 ~ 45: 수소 가스 생성조 구성 유니트
50: 수소 가스 저장소 60: 메탄 가스 생성조
70: 메탄 가스 저장소 80: 메탄 가스 생성조 슬러지 유출구
90: 배출수 100: 교반기
Claims (9)
- 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법에 있어서,유기성 폐기물을 활성 슬러지가 담긴 유기산 생성조로 공급하여 이로부터 유기산의 생성을 확인한 후, 상기 유기성 폐기물을 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트가 연속적으로 연결되도록 이루어진 수소 가스 생성조로 이송하여 pH를 5.5이하로 유지하면서 수소를 생산하는 단계; 및상기 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트중 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내 유체의 pH를 측정하여, 측정된 pH가 5.5를 초과하는 경우에, 상기 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내의 유체를 메탄 가스 생성조로 이송하여 메탄을 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 수소 가스 생성조는 3-10개의 수소 가스 생성조 구성 유니트로 이루어지며, 각각의 수소 가스 생성조 구성 유니트의 용량은 상기 메탄 가스 생성조 용량에 비하여 1/10 내지 1/2이하인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트는 앞선 수소 가스 생성조 구성 유니트가 채워지면, 그 유체의 상등액을 그 다음에 연결된 수소 가스 생성조 구성 유니트로 이송시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 유기성 폐기물로부터 유기산의 생성 확인은 HPLC에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 수소 가스 생성조는 30-50℃, pH 5-5.5로 유지되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 메탄 가스 생성조는 30-35℃, pH 7-7.4 로 유지되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 마지막 수소 가스 생성조내의 유체를 메탄 가스 생성조로 이송할때, 상기 마지막 수소 가스 생성조내의 최대 90부피%에 해당되는 양을 메탄 가스 생성조로 이송하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법.
- 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 장치에 있어서,유기성 폐기물로부터 유기산을 생성하기 위한 활성 슬러지가 담긴 유기산 생성조(20);상기 유기산 생성조(20)에서 유기산의 생성을 확인한 후, 상기 유기산 생성조(20)로부터 배출된 유체를 공급받기위한, 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트가 연속적으로 연결된 형태로 이루어진 수소 가스 생성조(40); 및상기 다수의 수소 가스 생성조 구성 유니트중 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내 유체의 pH를 측정하여, 측정된 pH가 5.5를 초과하는 경우에, 상기 마지막 수소 가스 생성조 구성 유니트내의 유체를 공급받기위한, 메탄 가스 생성조(60)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 장치.
- 제 8항에 있어서, 상기 수소 가스 생성조(20)는 3-10개의 수소 가스 생성조 구성 유니트로 이루어지며, 각각의 수소 가스 생성조 구성 유니트의 용량은 상기 메탄 가스 생성조(60) 용량에 비하여 1/10 내지 1/2이하인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 장치.
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| KR1020080132656A KR100985374B1 (ko) | 2008-12-23 | 2008-12-23 | 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법 및장치 |
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