KR101184555B1 - 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음식물류 폐기물과 최종 처리수(반송수, 내부순환수, 공정수)를 혼합하여 함수율 약 80% 내지 90%로 조절하고, 조절된 음식물류 폐기물를 파쇄기를 통해 약 10mm이내로 분쇄되고, 분쇄된 음식물류 슬러리를 원료저장탱크에 저장하고, 음식물류 슬러리와 혼합슬러지 저장탱크로부터 피드백된 혼합슬러리와 설정된 비로 수소발효조로 주입 혼합하고, 수소발효 미생물을 이용하여 음식물류 폐기물을 발효시켜서 수소와 유기산을 생성하여 가스상태의 수소를 회수하고, 수소발효조에서 이송배관을 통해서 메탄발효조로 산발효액을 이송되며, 메탄발효 미생물로 산발효액을 분해시켜 메탄가스를 생성 회수하도록 구성된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치 및 방법{Continuous recovery apparatus and method of Hydrogen and Methane from food wastes }

본 발명은 음식물류 폐기물과 최종 처리수(혹은 반송수, 혹은 내부순환수, 혹은 공정수)를 혼합하여 함수율을 조절하고, 함수율이 조절된 음식물류 폐기물을 파쇄기를 통해 약 10mm이내로 분쇄하고, 분쇄된 음식물류 슬러리를 원료저장탱크에 저장하고, 음식물류 슬러리와 혼합슬러지조로부터 피드백된 혼합슬러지 상등액과 설정된 비율로 수소발효조로 주입 혼합하고, 수소발효 미생물을 이용하여 음식물쓰레기를 산발효하여 수소와 유기산을 생성하여 가스상태의 수소를 회수하고, 산발효액은 수소발효조에서 이송배관을 통해서 메탄발효조로 이송되며, 메탄발효 미생물로 산발효액을 분해시켜 메탄가스를 생성되도록 구성된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명과 관련된 배경기술을 살펴보면, 글루코스, 전분과 같은 단일 기질에 대한 순수배양 수소발효 연구는 이미 진행되었으며, 주로 총고형물(TS, total solid) 3% 미만의 유기성 폐수 및 폐기물을 대상으로 하여 수소 발효에 대한 연구 및 사업화가 진행되었다.

하지만, 발효기의 반입 TS 농도가 TS 5%이상의 기질(음식물류 폐기물)만을 대상으로 하여 혼합균으로부터 연속적인 수소 및 2단 수소 및 메탄 발효에 대한 최적화 및 연구는 거의 보고되지 않고 있다.

탄수화물이 주성분인 고농도 유기성 폐기물(TS 농도 3% 이상)을 수소발효조에 주입하는 경우 투입 원료내 혼합균들에 의한 기질 경쟁관계가 발생하여 발효 패턴이 젖산 혹은 알코올 생성 패턴으로 전환될 수 있어 수소 발효조에서 안정적인 수소 생성을 달성하기 어려운 문제점이 있었다.

또한, 종래기술은 소화슬러지 순환방법을 이용하여 산발효조내에 메탄발효액을 주입하는 경우에 소화액의 높은 알칼리도 (13,000 mgCaCO₃/l이상)에 의해 수소 생성 미생물의 활성이 억제되고 발효기 내 pH가 6.1~7.0까지 증가되어 수소생성은 억제되어 극히 적은량의 수소가 발생되고, pH 7.0 ~ 8.0에서 메탄이 발생된다고 보고되고 있어, 기존의 산발효는 수소생성을 위한 것보다 산생성과 메탄발효조의 충격 부하를 조절하기 위한 수단으로 이용되었고, 대부분이 반연속식에서 적용되었다.

수소 발효에 있어서 일반적인 종래 장치는 NaOH 및/또는 KaOH에 의해 반응조내의 pH가 조절되어 NaOH 및/또는 KaOH 등 화학 약품의 투입이 요구되어 폐수 발생량이 증가되어 운영비가 증가하고, 약품투입에 의해 연속적 2단 수소 및 메탄 발효조로 운전할 경우 알칼리제로 사용될 수 있는 OH^-와 결합한 금속이온 즉, Na⁺및 K⁺농도 의해 수소발효 미생물 및 메탄발효 미생물의 활성이 억제되어 바이오 가스 생성이 제한받는 문제점이 있는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 수소 발효조에서 미생물의 활성저하를 일으키는 Na⁺ 및 K⁺의 농도는 1.02gNa⁺/l와 1.42gK⁺/l 이상 일 때로 알려져 있다.

또한, 메탄발효 미생물의 활성 저하를 일으키는 Na⁺농도 범위는 1.87gNa⁺/l이상이라고 알려져 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 수소 발효조의 pH를 5.5 내지 6.0에서 유지하여 수소 생성을 향상시키고, pH 를 높이기 위하여 별도의 알칼리제 약품을 주입하지 않기 위하여 메탄 발효조 및 탈질과 질화 과정을 거쳐서 안정된 알칼리도를 갖는 혼합슬러지를 수소생성에 적합한 농도로 조절하고 상등액을 수소 발효조 또는 전단으로 피드백시켜 설정된 비율로 공급하여 수소 발효조내의 수소 분압을 낮추고, 수소 발효조의 pH를 5.5 내지 6.0로 유지시켜 수소가스의 발생을 최대한 높이는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 수소 발효조의 pH를 5.5 내지 6.0에서 유지하기 위하여 NaOH와 KaOH 등 화학약품을 투입하지 아니하고, 메탄 발효조 후단에서 배출된 메탄 발효액의 알칼리도를 조절하여 발효조내의 pH를 조절하여 Na⁺ 및 K⁺농도에 의해 수소발효 미생물 및 메탄발효 미생물의 활성이 억제되는 문제점을 해결하고, 약품비 투입에 의한 운전 비용을 절감하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 수소발효조를 고온으로 운전하여 반입 원료의 가용화율을 높이고, 혼합슬러지 상등액에 포함된 포자형성 수소생성미생물을 고온 수소발효기로 피드백하여 고온발효조건에서 빠르게 발아시키고 성장시켜 수소생성미생물량을 높이는데 있다. 또한 호기조로부터 피드백되는 질산성 질소에 의해 혼합슬러지 저장조내에 메탄생성 미생물의 활성을 억제 및 사멸시킨 혼합슬러지 상등액을 수소 발효기 혹은 전단계로 이송하여 연속적이고 안정적인 수소생성을 극대화하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 메탄발효조에서 메탄을 효율적으로 발생할 수 있는 환경을 만들기 위하여 메탄발효조와 연동하는 탈질조를 배관으로 연결하여 혼합슬러지 저장조내의 암모니아성 질소를 제거하고 알칼리도 조절수를 순환시키므로써 메탄발효조 내부의 pH를 7.7내지 8.2사이에서 유지하도록 구성하여 메탄 발생을 극대화하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 메탄발효에 있어서 암모니아 저해 영향을 줄이기 위해 암모니아 농도가 제거된 혼합슬러지 상등액을 순환하여 메탄생성 미생물을 안정적으로 순응하여 메탄 발생을 극대화하는데 있다.

본 발명의 과제 해결 수단은 음식물류 폐기물과 최종 처리수(혹은 반송수, 혹은 내부순환수, 혹은 공정수)를 혼합하여 함수율을 80% 내지 90%사이에서 조절하고, 조절된 음식물쓰레기(이하 '음식물류 슬러리(food waste slurry)'라 한다)를 파쇄기를 통해 약 10mm이내로 분쇄되고, 분쇄된 음식물류 슬러리는 원료저장탱크에 저장되고, 원료저장탱크에 저장된 음식물류 슬러리와 혼합슬러지 저장탱크로부터 피드백된 혼합슬러지를 설정된 비로 수소발효조로 주입펌프를 사용하여 주입 혼합하고, 수소발효 미생물을 이용하여 발효시켜서 수소가스와 유기산을 생성하여 가스 상태의 수소를 회수하고, 수소발효조에서 수소가스를 회수한 후, 음식물류 슬러리의 산발효 발효과정으로부터 생성된 유기산을 포함한 산발효액을 메탄발효조로 이송배관을 통해서 중력낙차에 의하여 자동으로 이송되며, 메탄발효 미생물에 의하여 발효시켜 메탄가스를 생성되고, 생성된 메탄가스는 정제과정을 거쳐서 발전 또는 보일러 가동에 사용되도록 구성된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치를 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 원료저장탱크로부터 주입되는 음식물류 슬러리와 메탄발효조로부터의 메탄발효액과 발효 유출수중의 암모니아를 제거하기 위하여 폭기조의 질화 혼합액의 상등수를 설정된 반송비로 탈질조로 반송하여 탈질화를 유도하는 혼합슬러지 저장탱크 또는 메탄발효조에서 유출된 소화액을 보관하여 소화 슬러지의 안정화를 유도하는 소화슬러지 안정화조에 설치된 탈질조로부터의 상등액을 안정화조로 설정된 반송비로 반송시켜 알칼리도 및 암모니아 농도가 조절된 혼합슬러지를 음식물류 슬러리와 설정된 비율로 혼합하여 수소발효조로 주입하여, 수소발효조의 pH가 5.5내지 6.0사이에서 유지시켜 최대한 수소발효 미생물을 활성화시켜 수소발생 효율을 최대한 높일 수 있도록 구성된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치를 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 수소발효조 내부 일측에 pH 센서를 설치하고, 수소발효조의 pH가 5.5내지 6.0사이에서 유지되도록 원료저장탱크로부터 주입되는 음식물류 슬러리와 소화슬러지 안정화조 또는 혼합슬러지 저장탱크로부터 피드백시켜 주입되는 음식물류 슬러리의 혼합비를 조절할 수 있도록 구성된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치를 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 음식물류 슬러리와 최종 처리수(혹은 반송수, 혹은 내부순환수, 혹은 공정수)를 혼합하여 함수율을 조절하고, 조절된 음식물류 슬러리를 파쇄기로 약 10 ㎜ 이하의 크기로 분쇄한 후, 음식물류 슬러리 원료저장탱크에 음식물슬러지를 저장하는 공정을 거쳐서, 상기 음식물류 슬러리 원료저장탱크로부터 배관을 통해서 설정된 량만큼 수소발효조로 음식물 슬러지를 이송시켜서 수소발효 미생물에 의하여 수소가스와 유기산을 생성하는 공정을 거치고, 상기 수소발효조에서 생성된 수소가스를 회수하고, 배관을 통해서 메탄발효조로 산발효액을 이송시켜서 메탄발효 미생물에 의해 유기산을 포함한 산발효 소화액을 분해시켜 메탄가스를 생성하는 공정을 거쳐서, 메탄가스를 생성 회수하고 메탄발효액은 배관을 통해서 혼합슬러지 저장조로 이송되어 탈질을 하는 공정을 거치고, 상기 혼합슬러지 저장조에서 피드백 배관을 통해서 음식물류 슬러리의 일부를 피드백시켜 수소발효조로 주입 혼합하여 상기 수소발효조의 pH를 조절하는 공정을 구비하고 메탄발효조에서 메탄발효 미생물의 활성을 최대한 높여서 메탄발생을 극대화할 수 있는 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 알칼리가 조절된 상등수를 혼합슬러지 저장탱크로 부터 반송하여 수소발효조의 pH를 5.5 내지 6.0에서 유지하고 수소발효조의 수소분압을 낮춰 수소가스의 생성을 향상시키고, pH 를 높이기 위하여 별도의 알칼리제 약품을 주입하지 않고 메탄발효조에서 유출된 메탄발효액의 알칼리도를 조절한 혼합슬러지 저장조의 상등액을 수소발효조 또는 전단으로 피드백시켜 설정된 비율로 공급함으로써 수소 발효조의 pH를 5.5 내지 6.0로 유지시켜 수소의 발생을 최대한 높일 수 있는 유리한 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 수소 발효조의 pH를 5.5 내지 6.0에서 유지하기 위하여 NaOH와 KaOH 등 화학약품을 투입하지 아니하고, 메탄 발효조에서 유출된 메탄발효액을 이용하여 pH 및 알칼리도를 조절하여 Na⁺ 및 K⁺에 의해 수소발효 미생물 및 메탄발효 미생물의 활성이 억제되는 문제점을 해결하고, 약품 투입비용을 절감하여 운전비용을 크게 줄이는데 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 호기조에서 혼합슬러지 저장조로 반송된 질산성 질소에 의해 혼합슬러지내 존재하는 메탄생성미생물의 활성을 억제 및 사멸시켜 수소발효조로 피드백시키는 혼합슬러지의 상등액에 미생물종의 대부분이 포자형성 수소생성미생물로 우점화하여 수소생성을 극대화하는데 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 메탄발효조로부터 안정적인 메탄 발생 및 효율적으로 메탄을 발생할 수 있는 환경을 만들기 위하여 메탄발효조와 연동하는 혼합슬러지 저장조를 배관으로 연결하여 알칼리, pH 및 암모니아 농도가 조절된 혼합슬러지를 메탄발효조에 순환하여 메탄발효조 내부의 pH를 7.7 내지 8.2사이에서 유지하도록 구성하여 메탄가스 발생을 최대한 높이는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치의 하나의 실시 예를 나타낸 개략도이다.
도 2는 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치의 또 다른 하나의 실시 예를 나타낸 개략도이다.
도 3은 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치의 또 다른 하나의 실시 예를 나타낸 개략도이다.
도 4는 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치의 또 다른 하나의 실시 예를 나타낸 개략도이다.
도 5는 혼합슬러지 저장조의 혼합슬러지의 알칼리도 농도에 따른 수소 생성량을 도시한 것이다.
도 6은 pH 변화에 따른 수소발효조와 메탄발효조에서 생성되는 수소 및 메탄의 생성량을 도시한 것이다.
도 7은 운전시간별 수소발효조에서 생성되는 바이오가스, 수소가스 및 이산화탄소의 생성량을 도시한 것이다.
도 8은 운전시간별 메탄발효조에서 생성되는 바이오가스, 메탄가스 및 이산화탄소의 생성량을 도시한 것이다.
<도면 부호의 간단한 설명>
11; 음식물류 폐기물 12; 원료저장탱크
13; 열교환기 14; 수소발효조
15; 메탄발효조 16; 소화안정화조
17; 탈질조 18; 수소가스 저장탱크
19; 메탄가스 저장탱크 20,21,23,24; 피드백 배관
22; 혼합슬러지 저장조 25; 폭기조

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치는 음식물류 슬러리와 최종 처리수(혹은 반송수, 혹은 내부순환수, 혹은 공정수)를 혼합하여 함수율을 조절하고, 조절된 음식물류 슬러리를 파쇄기로 분쇄한 후, 음식물류 슬러리를 저장하기 위한 원료저장탱크(12)를 구비하고, 상기 음식물류 슬러리를 저장하는 원료저장탱크(12)로부터 배관을 통해서 설정된 량만큼 음식물류 슬러리를 이송받아서 수소발효 미생물로 수소와 유기산을 생성하는 수소발효조(14)를 구비하며, 상기 수소발효조(14)에서 생성된 수소가스를 저장탱크(18)로 배출하고, 배관을 통해서 분해된 음식물류 슬러리와 미분해된 음식물류 슬러리 및 산발효 소화액을 이송받아서 메탄발효 미생물에 의해 분해시켜 메탄가스를 생성하는 메탄발효조(15)를 구비하고, 상기 메탄가스를 생성 배출한 뒤 메탄발효액에 포함된 암모니아성 질소를 제거하기 위하여 탈질조(17)와 메탄발효액의 소화안정화조(16)를 결합하여 탈질기능을 부여한 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)를 구비하며, 상기 수소발효조(14)의 pH를 조절하기 위하여 상기 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)에서 알칼리도가 낮게 조절된 혼합슬러지 상등액을 일부를 피드백시켜 수소발효조(14)로 주입할 수 있는 피드백 배관을 구비하고 있다.

본 발명에 따른 음식물류 폐기물(11)로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수방법은 음식물류 슬러리와 최종 처리수(혹은 반송수, 혹은 내부순환수, 혹은 공정수)를 혼합하여 함수율을 조절하고, 조절된 음식물류 슬러리를 파쇄기로 분쇄한 후, 음식물류 슬러리 원료저장탱크(12)에 음식물슬러지를 저장하는 공정을 거쳐서, 상기 음식물류 슬러리 원료저장탱크(12)로부터 배관을 통해서 설정된 량만큼 수소발효조(14)로 음식물 슬러지를 이송시켜서 수소발효 미생물에 의하여 수소가스와 유기산을 생성하는 공정을 거치고, 상기 수소발효조(14)에서 생성된 수소가스를 회수하고, 배관을 통해서 메탄발효조(15)로 산발효액을 이송시켜서 메탄발효 미생물에 의해 유기산을 포함한 산발효 소화액을 분해시켜 메탄가스를 생성하는 공정을 거쳐서, 메탄가스를 생성 회수하고 메탄발효액은 배관을 통해서 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)로 이송되어 탈질을 하는 공정을 거치고, 상기 혼합슬러지 저장조에서 피드백 배관을 통해서 음식물류 슬러리의 일부를 피드백시켜 수소발효조(14)로 주입 혼합하여 상기 수소발효조의 pH를 조절하는 공정으로 이루어져 있다. 본 발명의 구체적인 실시 예를 살펴본다.

<실시 예>

<실시 예1>

본 발명의 구체적인 실시 예에 대하여 도면에 기초하여 기술한다.

본 발명에 따른 실시 예1은 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치의 하나의 실시 예를 나타낸 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치의 또 다른 하나의 실시 예를 나타낸 개략도이다.

도 1에 기초하여 본 발명의 기술적 구성을 살펴본다.

표 1은 본 발명에 따라 처리되는 총고형물 농도 10%로 조절된 음식물류 슬러리에 포함된 조성물을 나타내고 있으며, 이는 일반적인 음식물쓰레기의 조성물에 최종 처리수(혹은 반송수, 혹은 내부순환수, 혹은 공정수)를 혼합 제조하여 희석한 유식물류 폐기물의 조성과 동일하거나 유사한 것이다.

본 발명에 따른 연속적인 수소 및 메탄 회수장치는 음식물류 폐기물과 최종 처리수(반송수, 내부순환수, 공정수)을 혼합하여 함수율을 80% 내지 90%사이에서 조절하고, 조절된 음식물슬러지를 파쇄기로 약 10㎜이하로 크기로 분쇄한 후, 음식물류 슬러리를 저장하기 위한 원료저장탱크(12)를 구비하며, 상기 음식물류 슬러리 원료저장탱크(12)로부터 배관을 통해서 장치제어부의 메모리에 설정된 량만큼 음식물류 슬러리를 이송받아서 수소발효 미생물에 의해 수소가스와 유기산을 생성하는 수소발효조(14)를 구비하고 있다.

상기 유효용적 6L의 수소발효조(14)에서 생성된 수소가스를 수소가스저장탱크(18)로 이송하고, 배관을 통해서 음식물류 슬러리를 이송받아서 메탄발효 미생물에 의해 미분해된 음식물류 슬러리와 유기산을 분해하여 메탄가스를 생성하는 유효용적 40L의 메탄발효조(15)를 구비하고 있다.

상기 제시한 구체적인 수치는 본 발명의 하나의 실시 예에 지나지 아니하며, 이러한 수치의 변형은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 변형하여 실시할 수 있으며, 이러한 변형 역시 본 발명의 보호범위에 속한다.

수소발효조(14)에서 수소가스를 생성하는 반응식은

수소발효조 : C₆H₁₂O₆+2H₂O →4H₂ + 2CH₃COOH + 2CO₂ (1,144kJ)

이고,

메탄발효조(15)에서 메탄가스를 생성하는 반응식은

메탄발효조 : 2CH₃COOH → 2CH₄ + 2CO₂ (1,782kJ)

이다.

상기 수소발효조(14)의 pH를 조절하기 위하여 상기 메탄발효조(15)에서 유출된 메탄발효액을 저장하는 소화 슬러지 안정화조 혹은 탈질조와 소화 슬러지 안정화조를 일체화한 혼합슬러지 저장탱크로부터 알칼리도가 낮게 조절된 상등액을 피드백시켜 수소발효조(14)로 주입할 수 있는 피드백 배관(도 1의 20)이 연결되어 있다.

상기 메탄발효조(15)에서 생성된 메탄가스는 발전 또는 보일러 가동 등에 사용하기 위하여 메탄가스 저장탱크(19)로 이송 회수되고, 메탄 발효액은 배관을 통해서 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)로 이송되어 고액분리되어 상등액은 폭기조로 이송되어 질산화과정을 거치고, 이후 침전조부터 다시 혼합슬러지 저장조로 반송되어 탈질반응이 일어날 수 있도록 시스템이 구성되어 있다.

표 2는 메탄발효조로부터 메탄가스를 배출한 후 이송된 슬러지 상등액에서 암모니아 제거공정을 둘 경우와 암모니아 제거공정을 두지 않을 경우에 암모니아성 질소의 농도를 나타나낸 것으로 2 배 이상의 차이가 있는 것으로 나타났다.

상기 수소발효조(14)를 고온으로 운전하여 반입 원료의 가용화율을 높이고, 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)의 혼합슬러지 상등액에 포함된 포자형성 수소생성미생물을 고온 수소발효조(14)로 피드백시켜 고온발효조건에서 빠르게 발아시키고 성장시켜 수소생성미생물량을 높일 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 도 3에서와 같이 폭기조(25)에서 최종침전조를 거쳐서 피드백 배관을 통해서 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)로 피드백되는 질산성 질소에 의해 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)내에 메탄생성 미생물의 활성을 억제 및 사멸시킨 혼합슬러지 상등액을 피드백 배관을 통해서 수소발효조(14) 혹은 수소발효조(14) 전단계로 이송하여 수소발효조에서의 수소생성의 효율을 증대시키고, 연속적이면서 안정적으로 수소발생을 유도할 수 있도록 구성되어 있다.

탈질반응을 발생시키기 위하여서는 탈질조에는 용존산소가 거의 없고 동시에 질산성 질소, 아질산성 질소 같은 무기 질소가 존재하고 아래의 반응식에 의해 탈질화가 진행된다.

2NO₃ ^- + 6H⁺ --> N₂ + 2H₂O + 2OH^-

2NO₃ ^- + 10H⁺ --> N₂ + 4H₂O + 2OH^-

탈질 미생물은 하수처리장에 있는 혼합 탈질균을 사용하여 메탄발효 폐액에 순응시켜 사용하였으며, 담채로는 폴리에틸렌 재질의 그물망담채를 이용하였고, 탈질균은 그물망담채 내부에 부착되어 존재하게 된다.

상기 그물망담채는 비중이 0.92~0.96kg/d㎥ 이고, 크기는 직경이 20mm 내지 30mm이고 길이가 25mm 내지 35mm 사이로 설계 제작하는 것이 바람직하다.

본 발명은 수소 생성 미생물의 활성을 극대화하기 위해 혼합슬러지 상등액으로부터 암모니아가 조절된 상등액을 피드백 배관을 통하여 수소발효조(14)에 피드백시켜, 수소 발효 미생물에 적절한 탄수화물과 암모니아 비를 유지하여 수소 생성을 극대화하도록 구성되어 있다.

도 3, 4에서, 상기 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)는 소화슬러지의 안정화 및 고액분리, 탈질 기능에 의해 고형물의 감량 및 암모니아성 질소의 농도를 크게 감소시킬 수 있다.

상기 폭기조는 질산화균을 담지한 고분자 재질의 포괄고분자담체를 이용하여 질산화를 유도하고, 상기 혼합슬러지 저장조로 상등액을 피드백시켜 질화와 탈질이 이루어지도록 구성되어 있다.

도 1, 2에서, 상기 소화슬러지 안정화조는 소화슬러지의 안정화 및 고액분리를 시킬 수 있다.

상기 탈질조는 소화슬러지 안정화조와 폭기조로부터 상등액을 공급받아서 탈질을 수행하여 암모니아성 질소 농도를 감소시킬 수 있다.

상기 수소발효조는 수소발효 미생물에 의한 수소발생을 증가시키기 위하여 음식물류 슬러리 원료저장탱크에서 주입되는 음식물류 슬러리의 주입량과 소화슬러지 안정화조에서 피드백 배관으로부터 수소발효조로 주입되는 음식물류 슬러리의 주입량을 제어하여 pH를 메모리에 설정된 설정 값인 5.5내지 6.0사이에서 유지하도록 구성되어 있다.

도 1과 도 2는 상기 탈질조에서 소화슬러지 안정화조와 폭기조로부터 상등액을 공급받아서 탈질을 수행하여 암모니아성 질소 농도를 감소시킨 상등액을 피드백 배관을 통해서 소화슬러지 안정화조로 피드백시켜 알칼리도를 낮게 조절하도록 구성되어 있다.

알칼리도가 낮게 조절된 소화슬러지 안정화조의 상등액을 피드백 배관을 통해서 수소발효조로 주입하여 수소발효조의 pH를 설정치로 제어하도록 구성되어 있다.

즉, 수소발효조의 pH가 상기 설정 값보다 낮을 경우에 소화슬러지 안정화조에서 피드백된 혼합슬러지 주입 양 비율을 높여서 수소발효조의 pH 값을 높이고, 상기 설정 값보다 높은 경우에는 원료저장탱크로부터 주입되는 음식물류 슬러리 양의 주입 비율을 높여서 pH 값을 낮출 수 있도록 구성되어 있다.

상기 메탄발효조로부터 나온 혐기성발효액은 알칼리도가 16,250mgCaCO₃/l로 pH가 높은 강 알칼리이고, 암모니아성 질소의 농도를 낮추지 않고 수소발효조로 주입할 경우에 수소생성율이 크게 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명에서는 메탄발효조로부터 나온 혐기발효액의 알칼리도를 낮추기 위하여 탈질조에서 암모니아성 질소를 제거한 상등액을 수소발효조로 피드백시켜 음식물슬러리와 혼합하여 수소생성에 적합한 pH를 유지하여 효율적으로 수소가스를 생성하도록 구성되어 있다.

도 1에 기초하여 본 발명의 기술적 구성을 살펴본다.

도 1은 본 발명에 따른 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치의 또 다른 실시 예이다.

도 3에 따른 본 발명은 음식물류 슬러리와 최종 처리수(혹은 반송수, 혹은 내부순환수, 혹은 공정수)를 혼합하여 함수율을 조절하고, 조절된 음식물류 폐기물(11)를 파쇄기로 분쇄한 후, 음식물류 슬러리를 저장하는 음식물류 슬러리 원료저장탱크(12)를 구비하고, 상기 음식물류 슬러리 원료저장탱크(12)로부터 배관을 통해서 설정된 량만큼 음식물류 슬러리를 이송받아서 수소발효 미생물로 수소와 유기산을 생성하는 수소발효조(14)를 구비하고 있다.

상기 수소발효조(14)에서 생성된 수소가스를 수소가스 저장탱크로 이송 저장하고, 배관을 통해서 산발효액을 이송받아서 메탄발효 미생물로 산발효액을 분해시켜 메탄가스를 생성하는 메탄발효조를 구비하고 있다.

상기 메탄발효조(15)에서 생성된 메탄가스를 메탄가스 저장탱크(19)로 이송 저장하고, 메탄발효액을 배관을 통해서 이송시켜 고형물의 고액분리와 암모니아성 질소를 제거하기 위한 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)를 구비하고 있다.

상기 수소발효조(14)의 pH를 조절 및 음식물류 슬러리의 산패현상을 막기 위하여 상기 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)에서 질소성분을 탈질화하여 질소 성분을 제거하고 혼합슬러지의 상등액의 일부를 피드백시켜 수소발효조로 주입하기 위한 피드백 배관이 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)에서 수소발효조로 연결되어 있다.

상기 수소발효조(14)는 수소발효 미생물에 의하여 수소발생을 증가시키기 위하여 음식물류 슬러리 원료저장탱크에 주입되는 음식물류 슬러리 주입량과 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)에서 피드백 배관(도 3의 23)으로 주입되는 음식물류 슬러리의 주입량의 비율을 제어하여 pH를 5.5내지 6.0사이에서 유지되도록 구성되어 있다.

상기 혼합슬러지 저장조(도 3의 22)는 메탄발효조(15)로부터 배관을 통해서 유출되는 메탄발효액의 안정화 및 고액분리가 수행되고, 폭기조로 반입되는 질산성 질소의 탈질을 수행할 수 있는 기능을 구비하며, 이는 도 2와 3의 소화 슬러지 안정화조와 탈질조를 일체화한 것이다. 혼합슬러지 저장조에는 고분자재질의 그물망 담체 내부에 탈질균을 고정화하여 부유시켜 탈질이 극대화될 수 있도록 구성되어 있다.

도 1 ~ 4 에서 알 수 있듯이, 상기 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치는 혼합슬러지 저장조 혹은 소화슬러지 안정화조와 최종 처리조에 침전된 슬러지를 탈수하여 탈수케익을 배출하기 위한 탈수기를 구비하고 있다.

탈수기에서 탈수 시 나온 액상 성분은 혼합슬러지 저장조와 탈질조로 이송하여 질소성분을 제거할 수 있도록 구성할 수 있다.

상기 메탄발효조는 안정된 메탄가스의 생성을 증가시키기 위하여 메탄발효조의 pH를 7.7내지 8.2사이에서 유지하기 위하여 메탄발효조 일측에 암모니성 질소를 제거하기 위한 암모니아성 스트리핑 장치 및 탈질조를 더 설치하여 pH를 제어할 수 있다.

수소와 메탄 발효를 최적 생산하기 위한 혼합슬러지 저장조의 혼합슬러지 상등액의 알칼리도 농도는 약 9,000~10,000mgCaCO₃/l이 확인되었으며, 이와 관련된 데이터는 도 5에 도시되어 있다.

상기 혼합슬러리 저장조의 상등액의 알칼리도 농도를 9,000~10,000mgCaCO₃/l를 유지시키면서 피드백 배관으로 수소발효조 또는 수소발효조 전단으로 피드백시킬 경우 혼합슬러지 상등액에 녹아 있는 탄산이온이 수소발효조에서 이산화탄소로 전환됨과 동시에 수소 분압을 줄이고 수소생성을 촉진시킬 수 있다.

혼합슬러지 저장조로부터 수소발효조로 주입되는 혼합슬러지 상등액 량이 음식물류 슬러리 원료저장탱크로부터 주입되는 음식물류 슬러리 량과 대비하여 혼합비가 0.5 ~ 1.0을 유지할 경우에 수소발효조의 pH가 5.5 이상을 유지할 수 있었다.

상기 혼합비는 혼합슬러지 저장조로부터 상등액량과 수소발효조로부터 주입되는 음식물류 슬러리 량을 나눈 값이다(혼합슬러지/음식물류 슬러리).

실험 결과 수소 발효조내에 혼합된 후, pH는 종종 5.5에서 4.8까지 감소하는 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 수소발효조에서 유기산 등의 생성으로 pH 가 감소한 것으로 알 수 있었다. 수소발효조내의 pH가 5.2이하로 감소하여 유지될 때에는 주로 젖산이나 알코올류가 생성되고 수소 생성량은 적었던 것으로 나타났으며, 수소발효조의 pH가 5.5에서 6.0사이 일 때 수소생산량이 높은 것으로 나타나므로 수소발효조의 pH가 5.5에서 6.0사이에서 유지하는 것이 중요하다.

상기 혼합 비가 1일 경우에 도 1내지 도 4에 도시된 각각의 조 내부에 존재하는 성분 및 성상은 표 3과 같다.

상기 수소발효조에서 수소발효 미생물의 활성을 증대시키고 유기물 분해효율을 증대로부터 유기산 및 수소가스로의 전환을 높이기 위하여 내부 온도를 50℃내지 60℃로 유지하며, 바람직하게는 54.5℃내지 55.5℃사이이다.

상기 수소발효조 내부에는 교반익이 설치되어 음식물슬러지와 수소 발효 혼합액이 교반할 수 있도록 구성되어 있으며, 교반속도는 50 rpm 내지 90 rpm으로 교반하는 것이 바람직하다.

상기 메탄발효조 역시 메탄발효 미생물의 활성을 증대시키고, 높은 고형물 분해율로부터 고효율 바이오 가스화 생성을 위해 내부 온도를 50℃내지 60℃로 유지하며, 바람직하게는 54.5℃내지 55.5℃사이이다. 상기 메탄발효조 내부에는 내부의 메탄 발효 혼합액을 교반하기 위한 교반익을 설치하여 교반하는 구조 또는 메탄발효로부터 생성되는 바이오 가스를 이용하여 발효조액을 완전 혼합할 수 있는 구조로 구성할 수 있다.

상기 온도제어는 열교환기 또는 히터 등을 이용하여 통상적으로 사용되는 기술적 구성으로 이룰 수 있다.

도 1, 4 또는 도 2, 3에 기재된 음식물류 슬러리 원료저장탱크, 수소발효조, 메탄발효조, 혼합슬러지 저장조, 소화슬러지 안정화조, 탈질조, 폭기조 및 최종 침전조 등이 음식물류 슬러리를 효율적으로 처리하기 위하여 각각의 반응조 사이에는 음식물류 슬러리 이송을 위한 배관이 설치되고, 각각의 배관 일측에는 음식물류 슬러리의 이송을 차단하거나 이동될 수 있도록 밸브 또는 전자밸브가 필요에 의하여 고정 설치되어 있다.

본 발명에 따른 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치는 pH센서, 수소센서, 메탄센서, 압력센서 등을 필요에 의하여 선택적으로 설치할 수 있고, 이들과 연동하여 설정된 pH의 유지, 설정된 수소가스 농도유지, 설정된 메탄가스 농도유지 및 설정된 압력유지 중에서 하나 이상을 수행하기 위한 연속적인 수소 및 메탄 회수장치의 제어부를 구비하고 있다.

연속적인 수소 및 메탄 회수장치의 제어부는 메모리에 설정된 값을 유지하기 위하여 메모리에 제어프로그램을 탑재하며, 제어프로그램을 실행할 수 있는 마이크로프로세서가 내장되고, 필요에 따라 실행과정 또는 설정 값 등을 입력할 수 있도록 모니터와 키보드 등을 구비할 수 있다.

연속적인 수소 및 메탄 회수장치의 제어부는 전자밸브들, 센서들 및 순환펌프들과 연동하도록 구성하여 상기 메모리에 설정된 값을 자동으로 유지할 수 있도록 해당 부품들이 서로 연동하도록 구성되어 있다.

본 발명에 따른 음식물슬러지로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치에서 수소발효조에서 생성된 수소가스의 농도는 35%내지 50%사이이고, 메탄가스의 농도는 50%내지 70% 사이로 정제하여 수소 및 메탄의 농도를 높여서 사용할 수 있다. 도 6은 pH 변화에 따른 수소발효조와 메탄발효조에서 생성되는 수소 및 메탄의 생성량을 도시한 것이다.

도 7은 본 발명에 따라 설계 제작된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치를 이용하여 운전시간별 수소발효조에서 생성되는 바이오가스, 수소가스 및 이산화탄소의 생성량을 도시한 것이다.

도 8은 본 발명에 따라 설계 제작된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치를 이용하여 운전시간별 메탄발효조에서 생성되는 바이오가스, 메탄가스 및 이산화탄소의 생성량을 도시한 것이다.

<실시 예 2>

본 발명에 따른 실시 예 2는 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수방법은 음식물류 슬러리와 최종 처리수(혹은 반송수, 혹은 내부순환수, 혹은 공정수)를 혼합하여 함수율을 조절하고, 조절된 음식물류 슬러리를 파쇄기로 분쇄한 후, 음식물류 슬러리 원료저장탱크에 음식물슬러지를 저장하는 공정을 거쳐서, 상기 음식물류 슬러리 원료저장탱크로부터 배관을 통해서 설정된 량만큼 수소발효조로 음식물슬러지를 이송시켜서 수소발효 미생물에 의하여 수소가스와 유기산을 생성하는 공정을 거치고, 상기 수소발효조에서 생성된 수소가스를 회수하고, 배관을 통해서 메탄발효조로 산발효액을 이송시켜서 메탄발효 미생물에 의해 유기산을 포함한 산발효 소화액을 분해시켜 메탄가스를 생성하는 공정을 거쳐서, 메탄가스를 생성 회수하고 메탄발효액은 배관을 통해서 혼합슬러지 저장조로 이송되어 탈질을 하는 공정을 거치고, 상기 혼합슬러지 저장조에서 피드백 배관을 통해서 음식물류 슬러리의 일부를 피드백시켜 수소발효조로 주입 혼합하여 상기 수소발효조의 pH를 조절하는 공정으로 이루어져 있다.

또한, 상기 음식물슬러지로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수방법은 알칼리도가 조절된 혼합슬러지 상등액을 수소발효조로 피드백시켜 수소 분압을 감소시키고 적절한 암모니아 농도를 공급하여 수소발효 미생물의 활성을 증가시키도록 구성되어 있다.

또한, 본 발명에 또 다른 실시 예의 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수방법은 음식물슬러지와 최종 처리수(혹은 반송수, 혹은 내부순환수, 혹은 공정수)를 혼합하여 함수율을 조절하고, 조절된 음식물슬러지를 파쇄기로 약 10 ㎜ 이하의 크기로 분쇄한 후, 음식물류 슬러리 원료저장탱크에 음식물류 슬러리를 저장하는 공정을 거치고, 상기 음식물류 슬러리 원료저장탱크로부터 배관을 통해서 메모리에 설정된 량만큼 수소발효조로 음식물류 슬러리를 이송시켜서 수소발효 미생물에 의하여 수소가스와 유기산을 생성하는 공정을 포함한다.

상기 수소발효조에서 생성된 수소가스를 수소저장탱크로 이송 회수하고, 음식물류 슬러리는 배관을 통해서 메탄발효조로 이송시켜서 메탄발효 미생물로 산발효액을 분해시켜 메탄가스와 산발효액이 생성하는 공정을 포함한다.

상기 메탄발효조에서 생성된 메탄가스를 메탄가스 저장탱크로 이송 회수하고, 음식물류 슬러리는 배관을 통해서 혼합슬러지 저장조로 이송시켜 고형물을 감량고액분리와 폭기조로부터 반송된 질산성질소를 탈질화를 위한 탈질소화 과정을 포함한다.

수소발효조에서 생성되는 수소 생성량을 높이기 위하여 상기 혼합슬러지 저장조에서 피드백 배관을 통해서 알칼리도가 조절된 혼합슬러지 상등액의 일부를 피드백시켜 수소발효조로 주입 혼합하여 상기 수소발효조의 pH를 5.5내지 6.0사이에서 유지하도록 주입량을 제어하도록 구성되어 있다.

상기 수소발효조에서 생성된 수소가스를 수소저장탱크로 이송 회수하고, 음식물류 슬러리는 배관을 통해서 메탄발효조로 이송시켜서 메탄발효 미생물로 산발효액을 분해시켜 메탄가스를 생성하는 공정을 포함한다.

상기 음식물슬러지로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치는 혼합슬러지 저장조와 소화슬러지 안정화조 각각은 배관으로 연결되어 소화된 슬러지를 탈수기로 이송하여 탈수하여 탈수케익을 만들어 배출하는 공정을 더 포함할 수 있다.

상기 메탄발효조는 메탄가스의 생성을 증가시키기 위하여 메탄발효조 일측에 탈질조 및 암모니아 탈기조를 설치하여 메탄발효조 내부의 메탄발효액의 pH를 7.7내지 8.2사이에서 유지하는 공정을 더 포함할 수 있다.

실시 예1에서 기술한 기술적 구성 중에서 실시 예2의 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수방법에서 기술되지 아니한 구성은 실시 예 1과 동일하여 중복 기개을 피하기 위하여 생략한다.

본 발명은 음식물류 폐기물과 최종 처리수(혹은 반송수, 혹은 내부순환수, 혹은 공정수)를 혼합하여 함수율을 조절하고, 함수율이 조절된 음식물쓰레기를 파쇄기를 통해 약 10mm이내로 분쇄되고, 분쇄된 음식물류 폐기물과 원료저장탱크에 저장하고, 음식물류 슬러리와 혼합슬러지 탈질저장탱크로부터 피드백된 탈질된 혼합슬러지와 설정된 비로 수소발효조로 주입 혼합하고, 수소발효 미생물을 이용하여 음식물쓰레기를 발효시켜서 수소가스와 유기산을 생성하여 가스 상태의 수소를 회수하고, 산발효액은 수소발효조에서 이송배관을 통해서 메탄발효조로 이송되며, 메탄발효 미생물에 의해 산발효액이 분해되어 메탄가스가 생성되도록 구성된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치 및 방법을 제공하여 운영비를 절감할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

Claims (21)

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6. 음식물류 폐기물로부터 연속적으로 수소와 메탄을 회수하는 수소 및 메탄 회수장치에 있어서,
   음식물류 슬러리와 최종 처리수를 혼합하여 함수율을 조절하고, 조절된 음식물류 폐기물을 파쇄기로 분쇄한 후, 음식물류 슬러리를 저장하는 음식물류 슬러리 원료저장탱크;
   상기 음식물류 슬러리 원료저장탱크로부터 배관을 통해서 설정된 량만큼 음식물슬러지를 이송받고, 혼합슬러지 저장조에서 탈질화하고 알칼리도를 낮게 조절한 혼합슬러지 상등액을 이송받아서 수소발효 미생물로 수소가스와 유기산을 생성하는 수소발효조;
   상기 수소발효조에서 생성된 수소가스를 수소저장탱크로 이송 저장하고, 유출수 배관을 통해서 산발효액을 메탄발효조로 이송하여 메탄발효 미생물로 산발효액을 분해시켜 메탄가스를 생성하는 메탄발효조;
   생성된 메탄가스를 배출하고 메탄발효액을 이송받아서 안정화 및 고액분리 하기 위한 소화슬러지 안정화조;
   상기 소화슬러지 안정화조의 상등액을 일부를 수소발효조의 pH를 조절하기 위하여 피드백시켜 수소발효조로 주입할 수 있는 피드백 배관; 및
   소화슬러지 안정화조와 배관으로 연결되며 메탄발효액의 안정화 및 소화슬러지내의 고액분리를 수행하여 탈질조로 상등액을 배출시키고, 폭기조로 반송된 질산성 질소를 탈질화하여 질소를 제거하기 위한 탈질조를 포함하되,
   수소발효 미생물을 소화슬러지 안정화조에서 수소발효조로 피드백시켜 수소발효 미생물의 보충하고, 탈질조에서 탈질된 상등액의 일부를 피드백 배관을 통해서 소화슬러지 안정화조로 이송시켜 혼합하여 알칼리도를 조절하며, 소화슬러지 안정화조에서 수소발효조로 음식물류 슬러리를 피드백 배관으로 통해서 이송하여 수소발효조의 pH를 조절하도록 구성된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치.
7. 삭제
8. 삭제
9. 청구항 6에 있어서,
   수소발효조는 수소발효 미생물에 의한 수소발생을 증가시키기 위하여 음식물류 슬러리 원료저장탱크에서 주입되는 음식물류 슬러리 주입량과 소화슬러지 안정화조에서 피드백 배관으로 수소발효조로 주입되는 음식물류 슬러리의 주입량을 제어하여 pH를 5.5내지 6.0사이에서 유지되도록 구성함을 특징으로 하는 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치.
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치에서 혼합슬러지 저장조와 소화슬러지 안정화조 각각은 배관으로 연결되어 소화된 음식물류 슬러리를 이송 탈수하여 탈수케익을 만들어 배출하기 위한 탈수기를 더 구비한 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치.
11. 청구항 6에 있어서,
    메탄발효조는 메탄가스의 생성을 증가시키기 위하여 음식물류 슬러리의 pH를 7.7 내지 8.2사이에서 유지하기 위하여 메탄발효조 일측에 탈질조 및 암모니아 탈기조를 설치하여 배관으로 연결하고, 질소를 분리 제거한 후, 메탄발효조로 다시 이송시킬 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치.
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13. 청구항 6에 있어서,
    수소발효조에서 혼합슬러지 저장조로부터 반송된 음식물류 슬러리에 포함된 포자를 생성하는 수소발효 미생물의 발아 및 수소발효 미생물의 활성을 증대시키기고, 음식물류 슬러지의 분해를 촉진시키기 위하여 내부 온도를 50°내지 60°로 유지하며, 수소발효조 내부에 교반익을 설치하여 음식물류 슬러리를 교반할 수 있도록 구성된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치.
14. 청구항 6에 있어서,
    메탄발효조에서 메탄발효 미생물의 활성을 증대시키고 유기물질을 분해 효율을 높이기 위하여 내부 온도를 50°내지 60°로 유지하고, 생성된 바이오 가스를 이용하여 메탄발효액을 혼합하거나 교반익을 이용하여 혼합하도록 구성된 음식물류 폐기물로부터 연속적인 수소 및 메탄 회수장치.
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