KR100990167B1

KR100990167B1 - 낮은 ｐＨ 조건에서의 메탄 생성 미생물 활성 억제제 및가스 퍼징을 이용한 유기성 폐기물로부터의 바이오 수소가스 생산 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100990167B1
Application number: KR1020080055875A
Authority: KR
Inventors: 이영행; 이상협
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2010-10-29
Also published as: KR20090129786A

Abstract

혐기성 발효 미생물을 이용하여 유기성 폐기물 내 존재하는 유기물로부터 고효율로 수소를 생산하는 장치 및 방법이 개시된다. 구체적으로는, 메탄 생성 미생물의 활성 억제 및 수소 생성 미생물의 활성 증대를 위해 pH를 낮게 유지한 상태에서, 메탄 생성 미생물의 활성 억제제를 주입하여 메탄 생성 미생물에 의한 수소의 메탄 전환을 최소화하고, 간헐적인 가스 퍼징에 의해 수소 분압을 낮추어 수소 생성 미생물의 활성을 증대시켜 고효율로 수소를 생산하는 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 수소 가스 생산 방법을 이용하면, 종래의 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.

유기성 폐기물 자원화, 바이오 수소 생산, 메탄 활성 억제, pH 조절,억제제, 가스 퍼징, 혐기성 발효

Description

낮은 ｐＨ 조건에서의 메탄 생성 미생물 활성 억제제 및 가스 퍼징을 이용한 유기성 폐기물로부터의 바이오 수소 가스 생산 장치 및 방법 {Method and apparatus for Bio-hydrogen gas production from organic waste by using inhibitor for methane producing microorganisms and gas purging under low pH condition}

본 발명은 혐기성 발효 미생물을 이용하여 유기성 폐기물 내 존재하는 유기물로부터 고효율로 수소를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 메탄 생성 미생물의 활성 억제 및 수소 생성 미생물의 활성 증대를 위해 pH를 낮게 유지한 상태에서, 메탄 생성 미생물의 활성 억제제를 주입하여 메탄 생성 미생물에 의한 수소의 메탄 전환을 최소화하고, 간헐적인 가스 퍼징에 의해 수소 분압을 낮추어 수소 생성 미생물의 활성을 증대시켜 고효율로 수소를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

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 생물 학적 수소 생산 방법에 대한 관심이 점점 증가하고 있다. 더욱이 유기성 폐기물에 대한 해양배출규제가 대폭 강화됨에 따라 그동안 대부분을 해양 배출 또는 매립, 소각해 오던 유기성 폐기물을 육상처리 및 자원화할 필요가 있다.

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.

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.

혐기성 발효에 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. 그러나, 혐기성 발효에 의한 수소 생산은 다른 생물학적 수소 생산 공정에 비해 낮은 수소 생산 수율이 문제점으로 지적되어, 국내외에서 수행된 바이오 수소 생산 연구의 경우 대부분이 태양에너지를 이용하는 광합성 미생물 혹은 조류에 의한 수소 생산에 치중되어 있다.

본 발명은 종래 바이오 수소 생산 기술의 낮은 수율의 한계점을 극복하기 위해, 낮은 pH 조건을 유지하여 메탄 생성 미생물의 활성 저하 및 수소 생성 미생물의 활성 증대를 유도하고, 동시에 메탄 생성 미생물의 활성을 억제시키기 위해 억제제를 주입하여 메탄 생성 미생물에 의한 수소의 메탄 전환을 최소화하며 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.

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 연결된 메탄 생성 미생물 활성 억제제 저장조(3); 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조와 연결된 pH 조절 산 화학물질 저장조(5); 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조와 연결된 pH 조절 알칼리 화학물질 저장조(6); 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조 하부와 연결된 가스 탱크(12); 및 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조 상부와 연결된 수소 가스 분리장치(10)를 포함하는 바이오 수소 생산 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스를 생산하는 방법으로서, 반응조에 유기성 폐기물을 주입하는 단계; 반응조의 pH 조절을 위해 pH 조절 화학물질을 주입하는 단계; 반응조에 메탄 생성 미생물 활성 억제제를 주입하는 단 계; 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.

본 발명의 일실시예에 따른 바이오 수소 가스 생산 방법을 이용하면, 종래의 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.

이하에서는 본 발명에 따른 유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스를 생산하는 방법을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 바이오 수소 생산 방법은 메탄 생성 미생물의 활성 저하 및 수소 생성 미생물의 활성 증대를 유도하기 위하여, 낮은 pH 조건을 유지하면서, 동시에 메탄 생성 미생물의 활성을 억제시키기 위해 억제제를 주입하여 메탄 생성 미생물에 의한 수소의 메탄 전환을 최소화하며 간헐적인 가스 퍼징에 의해 수소 분압을 낮추어 수소 생성 미생물의 활성을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

혐기성 메탄 생성 미생물의 경우 pH 8 정도에서 가장 높은 활성을 보이고, 수소 생성 미생물의 경우에는 pH 5 정도에서 가장 높은 활성을 보이므로, 메탄 생 성 미생물의 활성은 저하시키고 수소 생성 미생물의 활성은 증대시키기 위하여 반응 pH 조건은 pH 4.5 ~ 5.5로 낮게 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 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 되고, 반응조 내에 수소 가스가 일정 시간 존재 시 메탄 생성 미생물에 의해 수소가 메탄 가스로 전환이 되므로, 이를 방지하기 위하여, 메탄 생성 미생물 활성 억제제를 주입하여 메탄 생성 미생물에 의한 수소의 메탄 전환을 최소화하고 가스 퍼징에 의해 수소 분압을 낮추는 것이 바람직하다.

지속적으로 가스 퍼징을 하여 수소 분압을 낮추기 위해서는 연속적으로 상당한 양의 외부 가스를 주입해야 하므로 외부 가스 주입으로 인한 비용이 많이 들고, 생성된 수소 가스를 분리시키는 경우에도 생성된 가스보다 주입된 외부 가스량이 더 많아지므로 분리 비용 역시 많이 들게 된다. 따라서 간헐적인 가스 퍼징에 의해 수소 분압을 낮추는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따른 유기성 폐기물로부터의 바이오 수소 가스를 생산하는 방법은,

(1) 유기성 폐기물을 반응조에 주입하는 공정,

(2) 반응조의 pH를 조절하는 공정,

(3) 반응조에 메탄 생성 미생물 활성 억제제를 주입하는 공정,

(4) 반응조 내 수소 분압을 낮추기 위한 가스 퍼징 공정, 및

(5) 생성된 수소 가스를 분리 회수하고 회수된 수소 가스량을 측정하는 공정을 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 방법으로 바이오 수소 가스를 생산하기 위하여, 도 1에 도시된 장치를 이용할 수 있다. 도 1은 유기성 폐기물로부터 본 발명의 일실시예에 따라 바이오 수소 가스 생산을 하기 위한 장치의 모식도이다. 상기 장치를 이용하여 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 수소 가스 생산 방법을 단위 공정으로 조합하여 시스템화하여 상용화하는 것이 용이하다.

우선, 유기성 폐기물 저장조(2)에 저장되어 있는 유기성 폐기물을 유입수 라인(21) 및 정량펌프(16)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 메탄 생성 미생물 활성 억제제 유입 라인(22) 및 정량펌프(17)를 이용하여 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조(1)로 주입한다. 반응조의 pH는 pH 4.5 ~ 5.5로 낮게 유지되는데, pH 측정 탐침(7)에 의해 측정된 pH가 5.5보다 높을 경우 반응조 pH 제어기(4)를 통하여 pH 조절 산 화학물질 저장조(5)에 저장되어 있는 화학물질을 pH 조절 산 화학물질 유입 라인(23) 및 정량펌프(18)를 거쳐서 주입하고, pH 측정 탐침(7)에 의해 측정된 pH가 4.5보다 낮을 경우 반응조 pH 제어기(4)를 통하여 pH 조절 알칼리 화학물질 저장조(6)에 저장되어 있는 화학물질을 pH 조절 알칼리 화학물질 유입 라인(24) 및 정량펌프(19)를 거쳐서 주입함으로써 pH가 4.5 ~ 5.5 범위에서 일정하게 유지된다.

상기 pH 조절 산 화학물질은 HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄ 또는 H₂CO₃를 사용할 수 있고, 상기 pH 조절 알칼리 화학물질은 NaOH, KOH, Ca(OH)₂, CaCO₃, MgCO₃, Na₂CO₃ 또는 NaHCO₃를 사용할 수 있다.

반응조 온도 제어기(8)에 의하여 온도가 일정하게 유지되고 교반기(9)에 의해 혼합이 되는 바이오 수소 가스 생산 반응조(1) 내에서는 혐기성 발효 반응이 일어나고, 가스 탱크(12)에 저장되어 있는 외부 가스는 가스 유량 조절기(13)에 의해 주입량이 조절된 후 가스 유입 라인(27) 및 가스 확산 장치(15)를 거쳐 반응조 내 유기성 폐기물(액체)로 퍼징된다. 유출수는 유출수 라인(28) 및 정량펌프(20)를 거쳐 반응조 밖으로 유출되고, 이때 생산된 가스는 가스 배출라인(25)을 통하여 배출되어 수소 가스 분리장치(10)로 유입된다. 분리된 수소 가스량은 수소 가스량 측정 장치(11)에 의하여 측정되고, 수소 가스 이외의 가스는 가스 유량 조절기(14)를 통하여 가스 반송 라인(26)을 거쳐 바이오 수소 가스 생산 반응조(1)로 반송되어 가스 확산 장치(15)를 거쳐 반응조 내 유기성 폐기물(액체)로 퍼징된다.

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.

또한 수소 생산에 이용되는 미생물은 현장 적용 가능성을 높이기 위해 순수배양균 보다는 하수처리장 혐기성 소화조에서 얻은 혐기성 소화 슬러지를 사용할 수 있다. 주입 전에 스크리닝을 통과시킬 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 공정 (3)에서 주입되는 억제제는 메탄 생성 미생물에 있어서 메탄을 생산하는 단계를 조절하는 코엔자임(coenzyme)-M의 유사화합물인 2-브로모에탄설폰산(2-bromoethanesulfonic acid, BESA)을 주입할 수 있다. 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.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 공정 (4)에서 주입되는 가스는 산소가 포함될 경우 수소 생성 미생물의 활성 억제를 유도할 수 있으므로 산소가 부피 대비 5% 이하로 포함된 가스를 주입할 수 있고, 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. 공정(4)에서, 가스 주입은 가스 확산 장치를 통하여 수행되는데, 상기 가스 확산 장치는 다공성 산기석, 멤브레인, 튜빙 또는 산기관일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 공정 (5)에서 반응조에서 생성된 바이오 수소 가스를 효과적으로 분리 회수하기 위한 공정으로 수소 가스만을 선택적으로 분리하는 분리막을 이용할 수 있다. 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.

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.

<시험예 1 : pH 조절 및 가스 퍼징에 의한 메탄 생성 미생물 활성 억제 및 수소 생성 미생물의 활성 증대 효과 측정>

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.

간헐적 가스 퍼징에 의한 수소 생산 수율 증대를 위하여, 다양한 pH 조건 하에서 반응조 내 유기성 폐기물(액체)을 가스 퍼징을 하여 수소 생성 미생물의 활성 증대를 유도하였다. 가스 퍼징을 위해 주입된 가스는 아르곤(argon)이었으며 가스 퍼징은 2 L/분의 유속(flow rate)으로 1일 1회 15분간 실시하였다. 총 운전 기간은 20일이었다.

반응조 내 유기성 폐기물의 pH는 1 N 농도의 HCl과 NaOH를 이용하여 pH 5, 7, 9로 조절하여 각각의 pH 조건에 따른 메탄 생성 미생물의 활성 저하 및 수소 생성 미생물의 활성 증대를 비교하였다. 발생한 가스량은 수상치환장치(water displacement apparatus)를 이용하여 측정하였으며, 각 바이오 가스 함량은 가스크로마토그래피(GC-TCD)를 이용하여 측정하였다.

표 1은 다양한 pH 조건 하에서 반응조 내 유기성 폐기물(액체)을 가스 퍼징을 한 후 바이오 가스 생산 수율을 나타낸 것이다. 바이오 가스 생산 수율은 "제거된 폐슬러지의 COD" 대비 "발생한 바이오 가스의 COD"를 %로 계산하여 생산 수율로 나타낸 것이다.

pH	메탄 가스 생산 수율(%)	수소 가스 생산 수율(%)
5	64.44	0.17
7	70.76	0.05
9	53.63	0.06

pH를 5로 낮게 유지한 경우, pH 7과 9의 조건과 비교했을 때, 수소 가스 생산 수율이 상대적으로 높게 나타났다. 따라서 pH가 낮은 조건에서 수소 생성 미생물의 활성이 증대되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 유기성 폐기물로부터의 수소 가스 생산 수율은 0.17%로 매우 낮게 나타나 pH 조절과 가스 퍼징만으로 바이오 수소 생산 수율을 증대시키는 것은 한계가 있는 것으로 나타났다.

<시험예 2 : 낮은 pH 조건에서 메탄생성 미생물 활성 억제제 주입 및 가스 퍼징에 의한 메탄 생성 미생물 활성 억제 및 수소 생성 미생물의 활성 증대 효과 측정>

상기 시험예 1과 동일한 조건으로 소화슬러지를 식종하여 반응조에 주입하였다. 반응조 내 유기성 폐기물(액체)를 아르곤(argon) 가스 퍼징을 하여 수소 생성 미생물의 활성 증대를 유도하였다. 가스 퍼징은 2 L/분의 유속(flow rate)으로 1일 1회 15분간 실시하였다.

동시에, 메탄 생성 미생물의 억제제로 BESA(2-bromoethanesulfonic acid)를 10 g/L를 주입하여 억제제 주입에 따른 메탄 생성 미생물의 활성 저하를 유도하였다.

표 2는 다양한 pH 조건 하에서 반응조 내 유기성 폐기물(액체)을 가스 퍼징하고 메탄 생성 미생물 활성 억제제를 주입한 후 바이오 가스 생산 수율을 나타낸 것이다. 시험예 1과 마찬가지로 바이오 가스 생산 수율은 "제거된 폐슬러지의 COD" 대비 "발생한 바이오 가스의 COD"를 %로 계산하여 나타내었다. 반응조 내 유기성 폐기물의 pH는 1 N 농도의 HCl과 NaOH를 이용하여 pH 5, 7, 9로 조절하여 각각의 pH 조건에 따른 메탄 생성 미생물의 활성 저하 및 수소 생성 미생물의 활성 증대를 비교하였다.

pH	메탄 가스 생산 수율(%)	수소 가스 생산 수율(%)
5	2.14	17.69
7	5.03	6.44
9	3.61	5.70

메탄 활성 억제제를 주입하고 가스 퍼징을 하여 반응조 내 생성된 수소 가스를 배출하여 수소 분압을 낮추는 것과 동시에 pH를 5로 낮게 유지할 경우, 가장 효과적으로 메탄 생성 미생물의 활성을 억제하고 수소 생성 미생물의 활성을 증대시키는 것으로 확인되었다. 특히, 매우 높은 바이오 수소 가스 생산 수율(17.69%)과 매우 낮은 바이오 메탄 가스 생산 수율(2.14%)를 보였다.

또한, 일반적인 유기성 폐기물의 pH (pH 7.0 ~ 8.5)와 유사한 pH 7, 9 조건에서의 수소 가스 생산 수율은(각각 6.44, 5.70%), 낮은 pH 조건인 pH 5 조건에서의 수소 가스 생산 수율보다 현저히 낮은 것이 확인되었다.

따라서 유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스 생산 수율을 증대시키기 위해서는 메탄 생성 미생물 활성 억제제를 주입하고 반응조 내 유기성 폐기물(액체)을 가스 퍼징하여 수소 분압을 낮게 유지하는 동시에 유기성 폐기물의 pH를 낮게 유지하는 방법이 매우 효과적임을 확인하였다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스 생산을 하기 위한 장치의 모식도이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

1: 바이오 수소 가스 생산 반응조

2: 유기성 폐기물 저장조

3: 메탄 생성 미생물 활성 억제제 저장조

4: 반응조 pH 제어기

5: pH 조절 산 화학물질 저장조

6: pH 조절 알칼리 화학물질 저장조

7: pH 측정 탐침

8: 반응조 온도 제어기

9: 교반기

10: 수소 가스 분리 장치

11: 수소 가스량 측정 장치

12: 가스 탱크

13,14: 가스 유량 조절기

15: 가스 확산 장치

16,17,18,19,20: 정량 펌프

21: 유입수 라인

22: 메탄 생성 미생물 활성 억제제 유입 라인

23: pH 조절 산 화학물질 유입 라인

24: pH 조절 알칼리 화학물질 유입 라인

25: 가스 배출 라인

26: 가스 반송 라인

27: 가스 유입 라인

28: 유출수 라인

Claims

바이오 수소 가스 생산 반응조(1);

상기 바이오 수소 가스 생산 반응조와 연결된 유기성 폐기물 저장조(2);

상기 바이오 수소 가스 생산 반응조와 연결된 메탄 생성 미생물 활성 억제제 저장조(3);

상기 바이오 수소 가스 생산 반응조와 연결된 pH 조절 산 화학물질 저장조(5);

상기 바이오 수소 가스 생산 반응조와 연결된 pH 조절 알칼리 화학물질 저장조(6);

상기 바이오 수소 가스 생산 반응조 하부와 연결된 가스 탱크(12);

상기 바이오 수소 가스 생산 반응조 상부와 연결된 수소 가스 분리장치(10); 및

상기 가스 탱크(12)가 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조 하부와 연결된 부분의 가스 확산 장치(15)를 포함하는 바이오 수소 생산 장치.
제1항에 있어서, 상기 장치는,

상기 수소 가스 분리 장치와 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조 하부를 연결하는 가스 반송 라인(26)을 더 포함하는 바이오 수소 생산 장치.
제1항에 있어서, 상기 장치는,

상기 바이오 수소 가스 생산 반응조에 연결된 pH 측정 탐침(7)과, 상기 pH 측정 탐침, pH 조절 산 화학물질 저장조(5) 및 pH 조절 알칼리 화학물질 저장조(6)에 연결된 반응조 pH 제어기(4)를 더 포함하는 바이오 수소 생산 장치.
삭제
제2항에 있어서, 상기 장치는,

상기 가스 반송 라인(26)이 상기 바이오 수소 가스 생산 반응조 하부와 연결된 부분에 가스 확산 장치(15)를 더 포함하는 바이오 수소 생산 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 가스 확산 장치는 다공성 산기석, 멤브레인, 튜빙 또는 산기관인 바이오 수소 생산 장치.
제1항에 있어서, 상기 수소 가스 분리 장치는 수소 가스를 분리할 수 있는 가스 분리막을 포함하는 바이오 수소 생산 장치.
유기성 폐기물로부터 바이오 수소 가스를 생산하는 방법으로서,

반응조에 유기성 폐기물을 주입하는 단계;

반응조의 pH 조절을 위해 pH 조절 산 화학물질 또는 pH 조절 알칼리 화학물질을 주입하는 단계;

반응조에 메탄 생성 미생물 활성 억제제를 주입하는 단계;

반응조 내 수소 분압을 낮추기 위하여, 반응조 내 유기성 폐기물 내에 가스를 100 ~ 10,000 mL/분의 유량으로 주입하는 단계; 및

생성된 가스 중 수소 가스를 분리 회수하는 단계를 포함하는 바이오 수소 가스 생산 방법.
제8항에 있어서, 상기 유기성 폐기물은 하· 폐수 처리장 발생 슬러지, 소화조 상등액 및 탈리액, 축산 폐수 및 폐기물, 농림업 폐수 및 폐기물, 또는 수산업 폐수 및 폐기물인 바이오 수소 가스 생산 방법.
제8항에 있어서, 상기 메탄 생성 미생물 활성 억제제는 2-브로모에탄설폰산(2-bromoethanesulfonic acid, BESA), 몰리브데이트(molybdate), 아자이드(azide), 아미노벤조산(aminobenzoic acid) 또는 안트라퀴논(anthraquinone)인 바이오 수소 가스 생산 방법.
제10항에 있어서, 2-브로모에탄설폰산(BESA)을 주입하는 경우 0.2 ~ 30 g/L 농도로 주입하는 바이오 수소 가스 생산 방법.
제8항에 있어서, 반응조의 pH는 4.5 ~ 5.5로 유지하는 바이오 수소 가스 생산 방법.
제12항에 있어서, 상기 pH 조절 산 화학물질은 HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄ 또는 H₂CO₃ 이고, 상기 pH 조절 알칼리 화학물질은 NaOH, KOH, Ca(OH)₂, CaCO₃, MgCO₃, Na₂CO₃ 또는 NaHCO₃인 바이오 수소 가스 생산 방법.
제8항에 있어서, 상기 수소 분압을 낮추기 위하여 주입하는 가스는 부피 대비 5% 이하의 산소가 포함된 불활성 기체인 바이오 수소 가스 생산 방법.
제14항에 있어서, 상기 불활성 기체는 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소 또는 메탄인 바이오 수소 가스 생산 방법.
삭제
제8항에 있어서, 상기 반응조에서 생성된 가스 중 수소 가스가 분리되고 남은 가스는, 반응조 내 수소 분압을 낮추기 위하여 반응조 내 유기성 폐기물 내에 반송 주입되는 단계를 더 포함하는 바이오 수소 가스 생산 방법.