KR101396324B1 - 미세조류 및 하폐수슬러지 혐기성 통합 소화 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하폐수슬러지의 혐기성 소화 공정의 바이오가스 생산향상을 위한 것으로서, 미세조류와 통합 소화하여 미세조류의 영양분을 이용하여 기존 소화조의 신뢰성을 개선하고, 미세조류에 의한 가스 생산을 증대시키며, 또한 미세조류의 소화를 촉진하기 위하여 초음파 또는 마이크로파 등을 조사하여 가용화를 이루어 혐기성 소화공정의 율속단계인 가수분해 반응을 개선시켜 혐기성 소화공정의 투입하는 것으로 바이오가스 생산 효율 및 생산량을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

Description

미세조류 및 하폐수슬러지 혐기성 통합 소화 방법 및 그 장치{Method of Anaerobic co-digestion of microalgae and wastewater sludge and device thereof}

본 발명은 미세조류 및 하폐수슬러지 혐기성 통합 소화 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세조류를 하수슬러지의 혐기성 소화 공정에 투입하여 바이오가스 생산향상을 위한 것으로서, 혐기성 미생물에 의한 분해가 어려운 미세조류 바이오매스를 초음파 또는 마이크로파 등의 전처리를 통하여 바이오매스의 가용화하여 혐기성 소화공정의 율속단계인 가수분해 반응을 촉진시키고, 가용화된 미세조류 바이오매스를 혐기성 소화 공정에서의 영양 물질로서, 하수슬러지의 혐기성 소화 공정에 첨가하여 혐기성 소화공정의 바이오가스 생산 속도 및 효율을 향상 시키고, 미세조류의 분해에 따른 바이오가스 생산량을 증대시키는 방법에 관한 것이다.

혐기성 소화는 오랜 역사를 갖는 전통적인 기술로 온난한 지역에서 액상 및 반고상폐기물을 처리하는데 주로 사용되었다. 혐기성 소화공정은 미생물을 이용하여 하폐수슬러지, 음식폐기물, 축산 분뇨 등의 유기성 폐기물을 처리하는 것으로써, 폐기물의 양을 효과적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 부산물로는 연료로 사용가능한 바이오 가스를 생산할 수 있다. 특히, 최근 대체에너지의 개발 등 그 필요성이 부각되면서 혐기성 소화를 통한 바이오가스(주로 메탄) 생산에 대한 관심이 증가하고 있다.

국내에서 하폐수 처리 시 가장 중요한 과제는 처리 과정에서 발생하는 슬러지 처리 문제로 특히, 최근 해양투기의 전면금지로 인한 육상처리 방안이 고형연료 및 열분해, 소각, 매립 등 다각적으로 검토되고 있는 가운데 에너지 회수가 가능한 혐기성 소화가 가장 주요한 처리 방안으로 제시되고 있다. 하지만 하수슬러지를 포함한 유기성 폐기물의 혐기성 소화공정의 경우, 하수슬러지라는 기질의 단순함으로 인하여 혐기성 소화 공정의 영양소 편중으로 인한 장애가 발생하여 다양한 기질을 사용한 통합소화가 시도되고 있는 실정이나 실용화한 예는 많지 않다. 또한 자연 연못, 하폐수 조류처리시스템, 바이오연료 생산공정 등으로부터 폐기되는 미세조류는 혐기성 소화를 이용하여 바이오가스 생산에 이용하는 것이 에너지 생산 효과를 극대화하는 방안이다. 그러나 미세주류의 경우 세포벽이 두꺼워 바이오가스 생산 속도가 느리고 생산효율이 낮다는 문제점이 있다. 이는 미세조류 경우 세포 들로 이루어진 입자성 물질로 혐기성 소화균이 입자성 유기물을 기질로 이용하는데 있어서 그 분해속도가 느리기 때문이다.

관련 선행특허로 대한민국특허공개번호 제020120068288호는 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치에 관한 것으로, 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산하는 과정; 생산된 상기 바이오가스를 포획하는 과정; 희석된 상기 유기성폐수로 지용성물질을 함유하는 미세조류를 배양하는 과정; 상기 미세조류의 배양액과 상기 지용성물질이 용해되는 지용성물질추출용매를 혼합하여, 상기 지용성물질추출용매를 상기 미세조류배양액에 접촉시킴으로써, 상기 미세조류의 상기 지용성물질을 상기 지용성물질추출용매에 용해시키는 과정; 상기 지용성물질이 용해된 후에, 혼합액에서 상기 미세조류를 응집, 정체 및 분리하는 과정; 상기 미세조류가 분리된 후의 상기 혼합액을, 상기 지용성물질추출용매에 상기 지용성물질이 용해된 지용성물질-용매와 물로 분획하는 과정; 및 분리된 상기 미세조류와 분획된 상기 지용성물질-용매를 각각 수득하는 과정; 을 포함하며 그 방법과 장치는, 유기성폐기물을 발효하여 유기성폐수와 바이오가스를 생산한 후, 생산된 유기성폐수를 이용하여 미세조류를 배양함으로써, 유기성폐수를 정화하는 것은 물론, 배양된 미세조류로부터 세포비파괴 방법으로 지용성물질을 생산하고 살아있는 미세조류를 고밀도 재배양하여 미세조류 바이오매스를 대량으로 생산한다고 기재되어 있다.

본 발명은 상기 생산된 또는 이용 후 폐기되는 미세조류 바이오매스의 처분에 관한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 미세조류 바이오매스를 이용하여 혐기성 소화 공정의 효율을 향상시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 혐기성 소화 공정의 미세조류 바이오매스이 영양원을 이용한 가스 생산 속도향상 및 조류바이오매의 바이오가스화에 의한 생산량을 증대시키는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 미세조류를 혐기성 소화하여 가스화하는 혐기성 소화에 있어서, 미세조류를 하폐수슬러지 소화조에 투여하여 미세조류 내의 영양분을 이용하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화의 속도 향상 방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 미세조류는 대부분의 미세조류에서 가능하고 본 발명에서는 Chlorella sp., Scenedemus sp., Spirulina sp., Hydrodictyon sp.를 대상으로 적용하였다. 미세조류는 그대로 투입하여도 효과가 있으나 가용화된 후 것이 바람직하고, 다른 구현예에 있어서, 상기 가용화는 미세조류에 초음파 또는 마이크로파를 조사[본 발명에서 사용된 초음파 50~500 kWh/m³(20~50kHz, 0.1~5W) 또는 마이크로파 100~1,000 kWh/m³(0.1~30GHz, 0.1~5kW)의 조사조건]하여 수행하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.

또 본 발명은 미세조류를 하폐수 슬러지 소화조에 투여하여 미세조류 내의 영양분을 이용하는 것을 특징으로 하는 가스 생산 증대 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 구현예에 있어서,상기 가용화는 그 비율이 30% 이상인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.

또 본 발명은 미세조류에 초음파 또는 마이크로파를 조사하여 미세조류의 세포벽을 가수분해시켜 가용화를 수행하고, 하폐수 슬러지의 혐기성 소화조에 상기 가용화된 미세조류를 하폐수 슬러지와 함께 혼합 투여하여 통합 소화를 수행하는 것을 특징으로 하는 미세조류 및 하폐수 슬러지 혐기성 통합 소화방법을 제공한다.

또 본 발명은 하폐수 슬러지 저장조, 미세조류 저장조, 미세 조류 전처리 장치, 상기 하폐수 슬러지 저장조에 있는 슬러지와 전처리된 미세조류를 혼합하는 혼합조, 상기 혼합조에 유입된 슬러지와 미세조류 혼합물을 통합하여 소화하는 소화조, 소화조에서 발생한 가스를 저장하는 가스 저장조 및 에너지로 이용되고 소화된 슬러지를 처분하기 위한 소화슬러지조로 구성된 혐기성 통합소화 반응장치을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전처리 장치는 초음파 또는 마이크로파 발생 장치인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.

이하 본 발명을 설명한다.

본 발명은 폐기되는 미세조류에 초음파 또는 마이크로파 등을 이용하여 가용화하여 가수분해 반응 단계의 반응 시간을 단축시키며, 미세조류의 가수분해를 통한 영양물질을 침출시켜 하수슬러지의 혐기성 소화의 영양물질로 사용됨으로써 기존 혐기성 소화공정을 효율화하고 바이오가스 생산량의 증대에 기여한다.

본 발명은 상기의 혐기성 소화공정의 반응시간 단축 및 바이오가스 생산효율의 향상 목적을 달성하기 위하여 미세조류에 초음파를 조사함으로써 가수분해 단계를 단축시키는 것과 가용화된 미세조류 및 영양물질을 하폐수 슬러지 소화공정에 첨가함으로써 기존 혐기성 소화조의 장애 극복 및 바이오가스 생산량의 증대를 이루는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 하폐수 슬러지 혐기성 소화공정의 효율화 및 바이오가스 생산 향상 공정은 미세조류에 대한 전처리 단계와 하폐수 슬러지 혐기성 소화조에 투여하여 통합 소화하는 2단계 공정으로 이루어진다. 미세조류에 초음파 또는 마이크로파 등을 조사하는 상기 1단계는 미세조류의 세포벽을 가수분해시켜 가용화가 이루어지며, 상기 2 단계인 혐기성 통합 소화에서 기존 소화조에 대한 영양분 공급 및 조류 바이오매스에 의한 바이오가스의 증산이 이루어진다.

상기 1단계는 미세조류의 저장시설, 전처리 장치 및 영양물질로서의 가용화된 미세조류를 저장하는 조로 구성되며 상기 2단계에서는 하폐수 슬러지와 가용화된 미세조류를 혼합하여 투입하는 시설 및 혐기성 통합 소화조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 혐기성 하폐수 슬러지 소화조에서 미세조류의 초음파 또는 마이크로파 등을 통한 전처리 및 영양물질로써 전처리된 미세조류의 첨가에 의한 혐기성 소화의 바이오가스 생산 향상에 있어, 하폐수 슬러지의 혐기성 소화조에 전처리한 미세조류를 하폐수 슬러지와 함께 혐기성 소화조에 혼합 투여하여 통합 소화를 순차적으로 적용함에 그 특징이 있다. 구체적으로 미세조류는 하폐수 슬러지와 상이한 구성물질로 이루어져 있어 하폐수 슬러지와 통합 소화할 경우 영양원의 공급원으로서 소화효율 및 가스증산을 개선한다. 이때 미세조류는 두꺼운 세포벽으로 인하여 혐기성 소화속도가 느려지나, 초음파 또는 마이크로파 등을 이용하여 가용화 전처리를 수행하면, 미세조류의 세포의 분해 및 물질 용출이 크게 열분해와 라디컬 반응에 의해 발생한다. 상기 열분해 반응은 초음파 또는 마이크로파 등의 조사시 발생하는 공동 기포에 의해 순간적인 에너지가 고열을 발생하여 유기물이나 세포에 가용화를 촉진시키며, 상기 라디컬 반응은 조사시 공동기포 주변과 미세조류 수용액 상에서 발생되는데 상기 라디컬은 강력한 산화제로써, 유기물 분해 및 유기물로 구성된 세포벽을 파괴시키는 반응을 일으킨다.

상기와 같이 미세조류에 초음파 또는 마이크로파 등을 조사하면, 열분해 및 라디컬 반응에 의해 가수분해가 일어나고, 본 발명에서는 상기 열분해 및 라디컬 반응에 의해 미세조류가 가수분해되어 가용화되고, 가용화된 미세조류의 구성물질들은 혐기성 소화공정 미생물의 영양물질(Nutrient) 및 소화공정의 바이오가스 생산 기질로 활용되는 것이다.

본 발명에 따르면 초음파 또는 마이크로파 등 전처리를 통한 미세조류의 가용화율과, 혐기성 소화 미생물의 영양물질 제공을 위한 미세조류의 첨가는 다음과 같은 효과가 있다.

초음파 또는 마이크로파 등 전처리시 처리 에너지에 따라 미세조류의 주성분인 미생물의 세포벽을 파괴시켜 세포벽 내의 물질들의 수중에 가용화되며, 가용화된 물질들은 생물학적 분해 용이한 유기물 형태(Biodegradable organic compounds)로 전환된다.

상기 가용화된 물질들은 혐기성 소화 미생물들의 기질로서의 사용을 용이하게 된 물질로 미세조류 혐기성 소화 공정의 율속단계인 가수분해 단계의 반응시간을 단축 및 촉진 시킬 수 있게 된다.

또한, 미세조류의 초음파 또는 마이크로파 등을 조사한 경우, 미세조류의 가용화된 물질들은 하폐수 슬러지의 구성물질과 상이하여, 단백질 및 무기물은 혐기성 소화 미생물의 생장에 필요한 영양물질(Nutrient)로 활용되고, 나머지 유기물은 바이오가스 생성에 관여하는 물질로 사용되어 혐기성 소화 미생물의 활성도 향상 및 바이오가스 생성 효율을 향상을 이룰 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 미세조류 전처리 및 하폐수슬러지와 전처리 미세조류의 투입, 혐기성 통합 소화 반응조로 구성되는 전체 시스템의 구성도이고,
도 2는 미세조류의 투입에 따른 혐기성 소화효율 및 가스증산 효과를 나타내는 실험결과 도면이며,
도 3은 본 발명의 전처리장치에 의한 전처리 전후의 미세조류의 변화를 나타내는 현미경 사진이고,
도 4는 본 발명에서 실험실 규모 전처리 장치의 에너지 투여에 따른 미세조류의 가용화율이며,
도 5는 본 발명의 전처리 장치로서 다양한 장치에 의한 가용화율을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 미세조류 가용화율에 따른 혐기성 소화의 가스 증산효과를 나타낸 그림이다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 미세조류 전처리와 하폐수슬러지와 전처리 미세조류의 혼합, 혐기성 통합 소화 반응조 시스템의 전체 구성도이다. 하폐수슬러지 저장조(1)의 슬러지는 기질로서 혼합조를 거쳐 소화조(5)에 유입되고 미세조류는 저장조(2)로부터 전처리장치(3)을 거쳐 가용화된 후 혼합조(4)를 거쳐 소화조(5)에 유입되어 통합 소화되며 소화의 결과조 발생된 바이오 가스는 가스저장조(6)에 저장된후 에너지로 이용되고 소화된 슬러지는 소화슬러지조(7)을 거쳐 처분된다.

본 발명에 의한 미세조류의 기존 소화조로의 투입은 하폐수슬러지의 혐기성 소화에 있어 도 2에 도시된 바와 같이 소화 속도의 향상 및 소화 가스의 발생량을 증대시킨다. 이를 더욱 효과적으로 적용하기 위하여 미세조류에 초음파 또는 마이크로파 등을 조사하면 도 3과 같이 미세조류의 세포벽이 파괴되어 혐기성 미생물이 이용하기 쉬운 형태로 가용화된다. 이러한 가용화 효과는 도 4에 도시된 바와 같이 투여되는 에너지에 따라 증가하게 되며 가용화율은 약 60%까지 증가하게 된다. 가용화 전처리의 목적은 도 5에 도시한 바와 같이 여러 가지 수단을 사용하여 달성할 수 있으나 초음파 또는 마이크로파 등을 조사가 효과적이었다. 본 발명의 가용화 전처리에 의한 바이오가스의 증산은 도 6에 도시한 바와 같이 약 30%의 가용화는 가스증산에 영향이 거의 없으나 더 많은 가용화에서는 가스의 발생을 증대시킨다.

하폐수 슬러지, 미세조류 바이오매스 등을 이용한 혐기성 소화공정은 이산화탄소 배출을 감소시키고 생성되는 메탄을 에너지로서 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 종래의 하폐수 슬러지의 혐기성 소화공정에서는 단일 기질인 하폐수 슬러지의 단조로움으로 인해 공정의 신뢰성이 약화되는 문제가 있었으나 상이한 단백질 및 미네랄로 구성된 미세조류를 하폐수 슬러지와 함께 기질로 이용할 경우 기존 소화조의 신뢰성과 효율을 향상시키고 조류 바이오매스의 소화에 따른 바이오가스의 증산 효과를 기대할 수 있다.

특히, 미세조류의 경우 2004년 미세조류 바이오연료에 대한 글로벌 시장이 년간 5000톤(dry matter)로 추정되었으며, 1250백만 달러에 이르렀다는 보고와 함께 이러한 바이오연료 생산 후 폐기되는 미세조류는 본 발명의 혐기성 통합소를 통하여 활용을 극대화할 수 있다. 또한 미세조류는 대부분의 경우 대기중의 이산화탄소를 이용한 광합성에 의해 생장하여 이산화탄소 배출 감소효과와 더불어 하폐수 슬러지와 함께 통 소화시 혐기성 미생물의 영양물질의 제공 및 부가적인 기질로서 바이오가스 생성 효율향상을 이룰 수 있다.

1 : 하폐수슬러지 저장조
2 : 미세조류 저장조
3 : 전처리 장치
4 : 혼합조
5 : 통합 소화조
6 : 바이오가스 저장조
7 : 소화슬러지조

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4. 미세조류에 마이크로파를 조사하여 미세조류의 세포벽을 가수분해 시켜서 가용화를 수행하고, 하폐수 슬러지 소화조에 상기 가용화된 미세조류를 하폐수 슬러지와 함께 투여하여 통합소화를 수행하며, 여기서 상기 미세조류의 가용화율은 40%에서 60%인 것을 특징으로 하는 바이오 가스 생산 증대 방법.
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8. 하폐수슬러지 저장조의 슬러지는 기질로서 혼합조를 거쳐 소화조에 유입되고 미세조류는 저장조로부터 전처리장치를 거쳐 가용화된 후 혼합조를 거쳐 소화조에 유입되어 통합 소화되며 소화의 결과조 발생된 바이오 가스는 가스저장조에 저장된 후 에너지로 이용되고 소화된 슬러지는 소화슬러지조를 거쳐 처분되며, 미세조류의 소화조로의 투입은 하폐수슬러지의 혐기성 소화에 있어 소화 속도의 향상 및 소화 가스의 발생량 증대를 목적으로, 미세조류에 마이크로파를 조사하여, 미세조류의 세포벽이 파괴되어 혐기성 미생물이 이용하기 쉬운 형태로 가용화되며, 이러한 가용화 는 가용화율이 40%에서 60%까지인 것을 특징으로 하는 하폐수 슬러지 및 미세조류 바이오매스를 이용한 혐기성 소화방법.
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