KR101575790B1 - Anaerobic digester equipped with bioelectrochemical apparatus and method for anaerobic digestion of organic waste using the anaerobic digester - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an apparatus and a method for increasing efficiency of an anaerobic digestion tank used for treating waste water or slurry-type waste with a high content of organic materials by using a bioelectrochemical device. An electrode device, comprising electrode modules which include an oxidation electrode and a reduction electrode on which microorganisms having electric activity adhere and grow and are integrally joined to have a separation membrane therebetween, is installed in the anaerobic digestion tank. A potential difference between the oxidation electrode and the reduction electrode is maintained to be 0.2-0.6 V by using external power. The concentration of a product from acid generation reaction of content in the digestion tank is maintained to be low as oxidation reaction of organic acid or the like is accelerated by anaerobic microorganisms which adhere and grow on the surface of the oxidation electrode and have electric activity. Therefore, hydrolysis and the acid generation reaction are accelerated by floating microorganisms. The speed of methane gas generation and a rate of organic material reduction can be significantly increased by accelerating methane generation reaction as electrons, protons, and carbon dioxide are bound to each other on the reduction electrode.

Description

생물전기화학장치를 구비한 혐기성 소화장치 및 이를 이용한 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법 {Anaerobic digester equipped with bioelectrochemical apparatus and method for anaerobic digestion of organic waste using the anaerobic digester}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an anaerobic digestion apparatus having an anaerobic digestion apparatus and an anaerobic digestion apparatus using the same,

본 발명은 혐기성 소화장치에 관한 것으로서, 상세하게는 생물전기화학장치를 구비하여 유기성 폐기물의 혐기성 소화 성능을 크게 향상시킨 혐기성 소화장치 및 혐기성 소화방법을 제안한다.
The present invention relates to an anaerobic digestion apparatus, and more particularly, to an anaerobic digestion apparatus and an anaerobic digestion method in which anaerobic digestion performance of organic waste is greatly improved by providing a bioelectrochemical device.

혐기성 소화는 하수슬러지, 음식폐기물, 농축산폐기물, 분뇨, 주정폐수, 펄프 및 제지폐수, 매립지 침출수 등과 같이 유기물의 함량이 높은 다양한 유기성폐수 또는 슬러리형 유기성폐기물을 처리하고 부산물로서 메탄가스를 생산하기 위하여 100여년 이상의 오랜 기간 동안 사용하여온 전통기술이다.Anaerobic digestion can be used to treat various organic wastewater or slurry organic wastes with high organic matter content such as sewage sludge, food waste, agricultural and animal wastes, manure, wastewater, pulp and paper wastewater, landfill leachate, etc. and to produce methane gas as a byproduct It is a traditional technology that has been used for over 100 years.

유기물의 혐기성분해 과정은 통상 고분자 유기물질이 단량체로 분해되는 가수분해단계, 산생성균이 가수분해산물을 이용하여 초산을 비롯한 다양한 유기산과 이산화탄소, 수소 등으로 변환시키는 산생성단계, 메탄생성균이 산생성반응의 산물인 초산 및 수소 등을 메탄으로 변환시키는 메탄생성단계로 구분한다.The anaerobic digestion process of organic matter is usually carried out by a hydrolysis step in which a polymer organic substance is decomposed into monomers, an acid production step in which an acid producing bacteria is converted into various organic acids including acetic acid and carbon dioxide and hydrogen using hydrolysis products, And a methane generation step of converting acetic acid and hydrogen, which are products of the reaction, into methane.

유기물의 혐기성분해 단계별 특징을 살펴보면, i) 혐기성 소화하고자 하는 유기물이 고분자물질로 구성된 경우 가수분해단계가 전체 혐기성 소화반응의 율속단계가 되기도 한다. ii) 산생성단계의 경우 최적 pH는 6.5 부근으로서 혐기성 소화조 내에서 산생성반응은 다른 반응단계에 비하여 비교적 빠르게 진행되는 것이 일반적이다. 그러나, 가수분해반응은 생성물저해가 강하여 혐기성 소화조내에 단당류 또는 수소 또는 유기산과 같은 산생성반응 생성물의 농도가 높은 경우 반응속도는 크게 느려지게 된다. iii) 메탄생성단계의 경우 성장속도가 상대적으로 느린 메탄생성균에 의해서 진행되는데 이들의 생물학적 활성은 독성물질이나 온도, pH 등의 환경조건에 민감하게 반응하는 특성을 지니고 있으며, 최적의 pH 범위는 산생성반응과는 달리 6.8-7.5 정도로 알려지고 있다. 특히, 메탄생성균은 사용가능한 기질에 따라 초산이용 메탄생성균과 수소이용 메탄생성균으로 구분되는데, 초산이용 메탄균의 경우 소화조 내에서 초산의 농도 또는 수소의 분압이 높을 경우 생물학적 활성이 크게 감소하기 때문에 메탄생성반응이 전체 혐기성 소화과정의 율속단계인 경우가 많다.The anaerobic degradation step of the organic material is as follows: i) When the organic matter to be anaerobically digested is composed of a polymer material, the hydrolysis step may be a step of speeding up the entire anaerobic digestion reaction. ii) In the case of the acid production step, the optimal pH is around 6.5, and the acid production reaction in the anaerobic digestion tank generally proceeds relatively fast as compared with the other reaction steps. However, the hydrolysis reaction is highly inhibited by the product, so that the reaction rate is greatly slowed when the concentration of the acid production reaction product such as monosaccharide or hydrogen or organic acid is high in the anaerobic digestion tank. iii) In the methanogenesis stage, the growth rate is relatively slow, and the biological activity of these methanogens is sensitive to environmental conditions such as toxic substances, temperature and pH. Unlike the production reaction, it is known to be about 6.8-7.5. Particularly, methane-producing bacteria are classified into acetic acid-using methane-producing bacteria and hydrogen-utilizing methane-producing bacteria, depending on usable substrates. In the case of acetic acid-using methane bacteria, when acetic acid concentration or hydrogen partial pressure is high in digestion tank, The production reaction is often the rate-limiting step of the total anaerobic digestion process.

따라서, 고효율 혐기성 소화의 실현여부는 율속단계인 가수분해단계와 메탄생성단계를 어떻게 극복할 것인가와 상기한 단계들로 구성된 혐기성분해 반응들이 혐기성 소화조 내에서 어떻게 조화롭게 이루어지도록 하느냐에 달려있다고 볼 수 있다. Thus, the realization of high-efficiency anaerobic digestion depends on how to overcome the hydrolysis and methanogenesis stages, which are the rate-limiting stages, and how the anaerobic degradation reactions consisting of the above steps are coordinated in the anaerobic digester.

지난 30-40여년간 혐기성 소화 분야의 연구자들은 혐기성 소화 대상 유기물이 고분자물질인 경우 열처리, 초음파처리, 산 또는 염기처리 등의 전처리를 통하여 가수분해효율을 향상시키고자 하였다. 또한, 메탄생성반응이 율속단계인 경우 메탄생성균을 상대적으로 많이 보유하기 위하여 혐기성미생물의 고정화능력을 활용하는 혐기성여상(Anaerobic filter, AF), 상향류식 혐기성슬러지블랭킷(Upflow anaerobic sludge balnket, UASB) 등과 같은 고율 혐기성 소화공정들을 개발하여 널리 활용하고 있다. 특히, 소화조 내에 고농도의 혐기성미생물 유지에 유리한 혐기성 막결합형 생물반응기(anaerobic membrane bioreactor, AnMBR)를 사용하여 고농도 유기성폐수 뿐만 아니라 하수와 같은 저강도 유기성폐수의 경우도 혐기성 소화기술로 처리할 수 있도록 하였다.In the last 30-40 years, researchers in the field of anaerobic digestion have sought to improve the efficiency of hydrolysis by pretreatment such as heat treatment, ultrasonic treatment, acid or base treatment when the organic matter to be anaerobically digested is a polymer substance. In addition, anaerobic filter (AF), upflow anaerobic sludge blanket (UASB) and the like, which utilize the immobilization ability of anaerobic microorganisms to retain a relatively large amount of methanogenic bacteria when the methanogenic reaction is in the rate- The same high rate anaerobic digestion processes have been developed and widely used. Particularly, anaerobic membrane bioreactor (AnMBR), which is advantageous for maintaining high concentration of anaerobic microorganisms in a digester, can be used to treat anaerobic digestion technology of low concentration organic wastewater such as sewage as well as high concentration organic wastewater. Respectively.

그러나 하수슬러지, 축산폐수, 음식물쓰레기 등과 같이 고형물 형태의 고분자물질이 많이 함유된 유기성폐기물을 혐기성 소화하는 경우 율속단계로 알려진 가수분해단계의 효율을 향상시키기 위해서 사용하는 전처리에 에너지가 많이 필요하며, 혐기성여상이나 상향류식 혐기성블랭킷 반응조와 같이 메탄생성균의 농도를 높여 메탄생성반응의 반응속도를 향상시키는 기술들은 유입폐기물에 함유된 고형물이 소화조 내부에 축적될 수 있어 충분한 양의 메탄생성균을 소화조내에 유지하기가 어렵고, 혐기성 막결합형 생물반응기는 막의 막힘현상을 근본적으로 해결하지 않는 이상 현장에서 사용할 수 있는 유효기술이 되기 어렵다. However, in the case of anaerobic digestion of organic wastes containing a large amount of solid polymeric substances such as sewage sludge, livestock wastewater, food waste, etc., a large amount of energy is required for the pretreatment used to improve the efficiency of the hydrolysis step, Techniques for increasing the rate of methanogenic reaction by increasing the concentration of methanogenic bacteria, such as anaerobic sorbent or upflow anaerobic blanket reactors, may allow solids contained in the incoming wastes to accumulate in the digester, thereby retaining a sufficient amount of methanogenic bacteria in the digester And it is difficult for the anaerobic membrane-bound bioreactor to be an effective technique that can be used in the field unless the membrane clogging is fundamentally solved.

최근 생물전기화학전지의 일종인 미생물전해전지(Microbial electrolysis cell) 기술을 이용하여 상기와 같은 혐기성 소화조의 문제를 해결하기 위한 시도들이 있었다. Recently, attempts have been made to solve the problem of the above anaerobic digestion tank by using microbial electrolysis cell technology, which is a type of bioelectrochemical cell.

혐기성 소화조에 산화전극과 환원전극을 설치하고 산화전극과 환원전극 사이에 일정한 전위차를 유지하면 산화전극 및 환원전극 표면에 부착 성장하는 미생물에 의해 각각 유기물의 산화반응과 메탄생성반응이 일어나도록 할 수 있다. 이러한 원리를 바탕으로 혐기성 소화조에서 메탄가스를 생산하기 위한 미생물전해전지 기술들이 보고되고 있는데, 이들은 대부분 2실형(Two chamber type) 미생물전해전지 기술들로서 메탄가스가 생성되는 작업전극(Working electrode)과 전자를 공급하는 대전극(Counter electrode)이 분리막으로 구분된 별도의 공간에 설치되어 있으며, 기질은 작업전극이 설치된 공간으로만 주입하는 형태이었다(Sasaki 등, 2010; Villano 등, 2010; Sasaki 등, 2011; Villano 등, 2011; Jiang 등, 2013; Sasaki 등, 2013). 또한, 작업전극과 대전극을 동일한 반응조에 설치한 1실형(Single chamber type)의 경우도 기초연구결과도 보고되고 있으나 대부분 전극을 구분하기 위한 분리막을 사용하지 않음으로서 작업전극과 대전극 사이의 이격거리가 멀어 성능이 좋지 않았다(Guo 등, 2013). If an oxidizing electrode and a reducing electrode are installed in the anaerobic digestion tank and a constant potential difference is maintained between the oxidizing electrode and the reducing electrode, the oxidizing reaction and the methane forming reaction can be performed by the microorganisms adhering to the oxidizing electrode and the surface of the reducing electrode, respectively have. Based on these principles, there have been reported microbial electrolytic cell technologies for producing methane gas in an anaerobic digestion tank. Most of them are two chamber type microorganism electrolytic cell technologies, which are working electrode for generating methane gas, A counter electrode for supplying a working electrode is provided in a separate space separated by a separation membrane and a substrate is injected only into a space where the working electrode is installed (Sasaki et al., 2010; Villano et al., 2010; Sasaki et al., 2011 Villano et al., 2011; Jiang et al., 2013; Sasaki et al., 2013). In addition, basic research results have also been reported in the case of a single chamber type in which a working electrode and a counter electrode are provided in the same reaction tank, but most of them do not use a separation membrane for separating the electrodes, The performance was not good due to the long distance (Guo et al., 2013).

이러한 미생물전해전지를 이용한 기술들은 대부분 기존에 연구되어 오던 바이오 수소 생산을 위한 미생물전해전지 기술에 바탕을 두고 있는 것들로서 메탄가스 생산을 위한 혐기성 소화조에 바로 적용하기에는 한계가 있었다.
Most of the technologies using the microbial electrolytic cell are based on the microbial electrolytic cell technology for the production of biohydrogen, which has been studied in the past, but there is a limit to apply directly to the anaerobic digestion tank for methane gas production.

Guo, X., Liu, J., Xiao, B., enhancement of hydrogen and methane production from the anaerobic digestion of sewage sludge in single-chamber membrane-free microbial electrolysis cells, International journal of hydrogen energy, 38, 1342-1347 (2013).Guo, X., Liu, J., Xiao, B., Enhancement of hydrogen and methane production from the anaerobic digestion of sewage sludge in single-chamber membrane-free microbial electrolysis cells, International journal of hydrogen energy, 38, 1342-1347 (2013). Jiang, Y., Su., M., Zhang, Y., Zhan, G., Tao, Y., Li, D., systems for simultaneously production of methane and acetate from carbon dioxide at relatively high rate, International journal of hydrogen energy, 38, 3497-3502 (2013).Jiang, Y., Su., M., Zhang, Y., Zhan, G., Tao, Y., Li, D., systems for simultaneous production of methane and acetate from carbon dioxide at a high rate, International journal of hydrogen energy, 38, 3497-3502 (2013). Sasaki, K., Sasaki, D., Morita, M., Hirano, S.I., Matsumoto, N., N., Ohmura, and Igarashi, Y., system stabilizes methane fermentation from Sasaki, K., Sasaki, D., Morita, M., Hirano, S. I., Matsumoto, N., N., Ohmura, and Igarashi, Y., system stabilizes methane fermentation from Sasaki, K., Morita, M., Sasaki, D., Hirano, S.I., Matsumoto, N., Ohmura, N., and Igarashi, Y., communities on the electrodes of bioelectrochemical reactors without membranes, Journal of Bioscience and Bioengineering, 111(1), 4749 (2011).Sasaki, K., Morita, M., Sasaki, D., Hirano, SI, Matsumoto, N., Ohmura, N., and Igarashi, Y., Communities on the Electrodes of Bioelectrochemical Reactors without Membranes, Journal of Bioscience and Bioengineering , ≪ / RTI > 111 (1), 4749 (2011). Sasaki, D., Sasaki, K., Watanabe, A., Morita, M., Igarashi, Y., and Ohmura, N production of methane from artificial garbage waste by a cylindrical bioelectrochemical reactor containing carbon fiber textiles, AMB Express, 3(17), 1-9, (2013).AMB Express, 3 (2004), pp. 243-244 (2003). Acknowledgments This work was supported by a grant from the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) (17), 1-9, (2013). Song, Y.C., Kwon, S.J., Woo, J.H., and thermophilic temperature co-phase anaerobic digestion compared with single-stage mesophilic- and thermophilic digestion of sewage sludge, Water Research, 38, 165316 (2004).Song, Y. C., Kwon, S. J., Woo, J. H., and thermophilic temperature co-phase anaerobic digestion compared with single-stage mesophilic- and thermophilic digestion of sewage sludge, Water Research, 38, 165316 (2004). Villano, M., Aulenta, F., Ciucci, C., Ferri, T., Giuliano, A., Majone, M., reduction of CO2 to CH4 via direct and indirect extracellular electron transfer by a hydrogenophilic methanogenic culture, Bioresource Technology, 101, 30853090 (2010). Villano, M., Aulenta, F., Ciucci, C., Ferri, T., Giuliano, A., Majone, M., reduction in CO2 to CH4 via direct and indirect extracellular electron transfer by a hydrogenophilic methanogenic culture, Bioresource Technology , 101, 30853090 (2010). Villano, M., Monaco, G., Aulenta, F., Majone, M., assisted methane production in a biofilm reactor, Journal of Power Sources, 196, 94679472 (2011). Villano, M., Monaco, G., Aulenta, F., Majone, M., assisted methane production in a biofilm reactor, Journal of Power Sources, 196, 94679472 (2011).

본 발명은 전술한 배경하에 창안된 것으로, 유기성 폐기물의 혐기성 소화에 적합한 생물전기화학장치가 구비된 혐기성 소화장치를 제공하는데 목적이 있다. An object of the present invention is to provide an anaerobic digestion apparatus having a bioelectrochemical device suitable for anaerobic digestion of organic wastes.

본 발명의 다른 목적은 유기성 폐기물의 혐기성 소화에서 혐기성 분해 단계를 고려한 생물전기화학장치를 구성하여 혐기성분해반응을 촉진시킴으로써 혐기성 소화 효율을 크게 향상시키는데 있다. Another object of the present invention is to improve the anaerobic digestion efficiency by promoting the anaerobic decomposition reaction by constituting the bioelectrochemical device considering the anaerobic decomposition step in the anaerobic digestion of the organic waste.

기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.
Other objects and technical features of the present invention will be more specifically described in the following detailed description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 슬러리형 유기성 폐기물이 유입되는 소화조와, 상기 소화조 내부에 설치되는 전극 장치로서 산화전극과 분리막 및 환원전극이 일체형으로 결합된 복수의 전극모듈과, 상기 전극모듈의 산화전극과 환원전극에 전원을 공급하는 전원장치와, 상기 소화조에 유입된 유기성 폐기물을 혼합하는 교반장치를 포함하며, 상기 산화전극의 전위가 환원전극의 전위보다 0.2 - 0.6V 높게 유지시키는 것을 특징으로 하는 생물전기화학장치를 구비한 혐기성 소화장치를 제공한다.To achieve the above object, according to the present invention, there is provided a digestion tank, comprising: a digester to which slurry organic waste flows; an electrode unit installed inside the digester; a plurality of electrode modules each having an oxidation electrode, And a stirring device for mixing organic wastes introduced into the digester, wherein the potential of the oxidizing electrode is kept higher than the potential of the reducing electrode by 0.2 to 0.6 V An anaerobic digestion apparatus having a bioelectrochemical device is provided.

상기 전극 모듈의 산화전극 및 환원전극의 면적은 소화조 1m3의 부피에 대하여 1 - 20m2의 비율로 형성할 수 있으며, 상기 복수의 전극 모듈은 소화조 내에서 서로 1 ~ 30cm 범위의 간격을 두고 설치될 수 있다.The area of the oxidizing electrode and the reducing electrode of the electrode module may be 1 to 20 m 2 per 1 m 3 of the digestion tank. The plurality of electrode modules may be installed in the digester at intervals of 1 to 30 cm .

상기전극 모듈은 면적기준으로 가능한 많이 설처하는 것이 유리하지만 소화조 내부의 유체흐름을 방해하지 않고 발생하는 바이오가스의 배출이 용이하도록 수직 또는 수직나선형으로 설치하는 것이 바람직하다.The electrode module is preferably installed as much as possible on an area basis, but it is preferable to install the electrode module vertically or vertically so as to facilitate discharge of the biogas generated without interfering with the fluid flow inside the digester.

상기 산화전극 및 환원전극은 탄소펠트, 탄소천, 탄소섬유직물, 팽창흑연, 탄소나노튜브 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 복합물로 이루어질 수 있고, 상기 산화전극 또는 환원전극은 상기 산화전극 또는 환원전극은 전기전도성과 생물친화성을 향상시키기 위하여 탄소나노튜브, 니켈화합물, 폴리에틸렌이민 또는 접착력이 있는 고분자물질 혼합 용액에 침지하고 전압을 가하여 전기영동법으로 개질한 것을 사용할 수 있다. The oxidizing electrode and the reducing electrode may be formed of any one selected from carbon felt, carbon cloth, carbon fiber cloth, expanded graphite, and carbon nanotube, or a composite thereof, May be modified by an electrophoresis method by immersing in a mixed solution of a carbon nanotube, a nickel compound, a polyethyleneimine, or an adhesive polymer so as to improve electrical conductivity and biocompatibility, and applying a voltage thereto.

환원 전극은 백금 또는 니켈 등과 같은 전이금속 촉매를 표면에 더 부착하여 사용할 수 있고, 산화전극은 탄소나노튜브 및 팽창흑연 혼합물을 더 부착하여 사용할 수 있다. The reducing electrode can be used by attaching a transition metal catalyst such as platinum or nickel to the surface, and the oxidizing electrode can be used by attaching a mixture of carbon nanotube and expanded graphite.

상기 전극 모듈은 분리막으로서 투수성 직물 또는 다공성판을 산화전극과 환원전극 사이에 배치하여 일체화시킬 수 있다.The electrode module may be integrated as a separator by arranging a water permeable fabric or a porous plate between the oxidizing electrode and the reducing electrode.

본 발명은 또한, 소화조 내부에 산화전극과 분리막 및 환원전극이 일체형으로 결합된 복수의 전극모듈을 배치하고, 상기 소화조에 슬러리형 유기성 폐기물을 유입시킨 후 교반하고, 상기 전극모듈의 산화전극과 환원전극에 전원을 공급하여 산화전극의 전위가 환원전극의 전위보다 0.2 - 0.6V 높게 유지시킨 상태로 유기성 폐기물을 혐기성 소화시키는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 혐기성 소화방법을 제공한다. The present invention is also characterized in that a plurality of electrode modules in which an oxidation electrode, a separation membrane, and a reduction electrode are integrally combined are disposed in a digestion tank, a slurry-type organic waste is introduced into the digestion tank and then stirred, Wherein the organic waste is subjected to anaerobic digestion by supplying power to the electrode to maintain the potential of the oxidizing electrode higher than the potential of the reducing electrode by 0.2 to 0.6V.

생물전기화학장치를 설치한 혐기성 소화조에 기계식 또는 가스순환식 등의 방법으로 혐기성 소화조의 내용물을 혼합할 경우 전극표면의 농도분극현상을 완화할 수 있어 전극표면 반응이 더욱 촉진되고 혐기성 소화 효율을 더욱 개선할 수 있다. When the contents of the anaerobic digestion tank are mixed with the anaerobic digestion tank equipped with a bioelectrochemical device by mechanical or gas circulation method, the concentration polarization of the electrode surface can be mitigated, so that the surface reaction of the electrode is further promoted and the anaerobic digestion efficiency is further improved Can be improved.

본 발명에 따른 본 발명에 따른 생물전기화학장치가 구비된 혐기성 소화조의 소화 대상물질이 하수슬러지인 경우 HRT는 5~30일이 적정하지만, 대상폐기물의 생분해도가 음식물쓰레기와 같이 큰 경우 HRT를 0.5~5일로 짧게 운전하여도 우수한 혐기성소화효율을 얻을 수 있다. When the subject to be digested by the anaerobic digestion tank according to the present invention is sewage sludge according to the present invention, HRT is suitable for 5 to 30 days. However, when the biodegradability of the target waste is as large as that of food waste, HRT Even with a short operation time of 0.5 to 5 days, excellent anaerobic digestion efficiency can be obtained.

본 발명에 따른 본 발명에 따른 생물전기화학장치가 구비된 혐기성 소화조의 HRT 가 길어질수록 VS 감량은 증가하게 되기 때문에 대상폐기물이 생분해도가 나쁜 물질이거나 VS 감량을 크게 하고자 하는 경우 HRT를 30~50일로 운전할 수도 있다.As the HRT of the anaerobic digestion tank according to the present invention is increased, the VS loss is increased. Therefore, when the target waste is a material having poor biodegradability or when the VS loss is to be increased, You can also drive with work.

본 발명에 따른 본 발명에 따른 생물전기화학장치가 구비된 혐기성소화조를 재래식 혐기성소화조 외부에 별도로 설치하고 재래식 혐기성소화조에서 소화되고 있는 내용물을 본 발명에 따른 생물전기화학장치가 구비된 혐기성소화조로 순환시키는 경우에도 본 발명에서 추구하고자 하는 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
The anaerobic digestion tank equipped with the bioelectrochemical device according to the present invention according to the present invention is installed separately on the outside of the conventional anaerobic digestion tank and the contents digested in the conventional anaerobic digestion tank are circulated to the anaerobic digestion tank equipped with the bioelectrochemical device according to the present invention The same effect to be pursued in the present invention can be exhibited.

본 발명에 따르면, 혐기성 소화조에 생물전기화학장치를 구비함으로써 산화전극 표면에서 부착 성장하는 전기적으로 활성을 가진 혐기성미생물에 의해 유기산의 산화반응을 촉진 시키며, 이로 인해 소화조의 유기산농도를 낮게 유지시켜 고분자물질의 가수분해반응을 촉진시키고, 환원전극에서 전자와 양성자 그리고 이산화탄소가 결합하여 메탄생성반응을 촉진시켜 혐기성 소화공정의 성능을 기존의 완전혼합형 혐기성 소화조에 비해 크게 향상시킬 수 있다.
According to the present invention, by providing the bioelectrochemical device in the anaerobic digestion tank, the oxidation reaction of the organic acid is promoted by the electrically active anaerobic microorganism adhering and growing on the surface of the oxidizing electrode, thereby maintaining the organic acid concentration in the digestion tank low, The hydrolysis reaction of the material is facilitated and the electrons, protons and carbon dioxide are combined with each other at the reducing electrode to promote the methanogenic reaction, thereby greatly improving the performance of the anaerobic digestion process compared with the conventional complete mixed anaerobic digestion tank.

도 1은 본 발명에 따른 생물전기화학장치가 구비된 혐기성 소화장치 개략도
도 2는 본 발명에 따른 혐기성 소화조에 설치하는 전극장치
도 3은 산화전극, 분리막 및 환원전극이 일체형으로 결합된 전극모듈 모식도
도 4는 본 발명의 실시예에서 HRT 및 운전시간에 따른 바이오가스 발생량
도 5는 본 발명의 실시예에서 HRT 및 운전시간에 따른 바이오가스 성분변화
도 6은 본 발명에 따른 실시예에서 HRT에 따른 VS 감량율 비교 결과
1 is a schematic view of an anaerobic digestion apparatus equipped with a bioelectrochemical device according to the present invention;
Fig. 2 is a schematic view showing an electrode device for installation in the anaerobic digestion tank according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of an electrode module in which an oxidation electrode, a separation membrane,
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the HRT and the operation time of the biogas generation amount
FIG. 5 is a graph showing changes in biogas component according to the HRT and the operation time in the embodiment of the present invention
FIG. 6 is a graph showing a comparison result of VS reduction ratio according to HRT in the embodiment of the present invention

본 발명은 생물전기화학장치를 이용하여 유기물의 함량이 높은 폐수 또는 슬러리형 폐기물의 처리 효율을 개선한 혐기성 소화장치 및 혐기성 소화방법을 제안한다. The present invention proposes an anaerobic digestion apparatus and an anaerobic digestion method that improve the treatment efficiency of wastewater or slurry type waste having a high organic matter content by using a bioelectrochemical device.

전기적 활성을 가진 미생물이 부착 성장하는 산화전극과 환원전극으로 구성된 생물전기화학장치를 혐기성 소화조 내부에 설치하고 산화전극과 환원전극 사이의 전위차를 0.2 - 0.6 V 사이로 유지시킴으로써, 산화전극 표면에서는 유기산의 분해반응을 촉진시키며, 환원전극에서는 산화전극반응에 의해 생성된 이산화탄소 또는 탄산염과 양성자 또는 수소 그리고 전자가 결합하여 메탄을 생성하는 빠른 반응이 일어난다. By providing a bioelectrochemical device composed of an oxidizing electrode and a reducing electrode in which microorganisms having electrical activity adhered and growing is installed in the anaerobic digestion tank and the potential difference between the oxidizing electrode and the reducing electrode is maintained between 0.2 and 0.6 V, In the reduction electrode, a rapid reaction occurs in which carbon dioxide or carbonate produced by the oxidation electrode reaction is combined with protons or hydrogen and electrons to generate methane.

산화전극의 표면에서 진행되는 유기산의 분해반응은 유기산 및 가수분해산물인 단량체가 혐기성 소화조에 축적되는 것을 막으며, 환원전극의 반응은 산생성반응의 생성물 중의 한가지인 수소 또는 수소이온을 활용함으로써 혐기성 소화조의 수소 분압을 낮출 수 있다. 또한, 산생성반응의 생성물인 수소, 이산화탄소 및 유기산의 농도가 낮아짐에 따라 혐기성 소화조의 산생성반응은 더욱 촉진되며, 가수분해 반응에 의해서 생성되는 단량체의 농도를 낮출 수 있다. The decomposition reaction of the organic acid on the surface of the oxidation electrode prevents accumulation of the organic acid and hydrolyzed monomers in the anaerobic digestion tank and the reaction of the reduction electrode is performed by using hydrogen or hydrogen ion, The hydrogen partial pressure of the digester can be lowered. Further, as the concentration of hydrogen, carbon dioxide and organic acid, which are products of the acid production reaction, is lowered, the acid production reaction of the anaerobic digestion tank is further promoted and the concentration of the monomer produced by the hydrolysis reaction can be lowered.

따라서, 고분자유기물질의 가수분해반응이 연쇄적으로 촉진되고, 유기성폐기물을 처리하는 혐기성 소화조의 유기물 감량율 및 바이오가스발생은 안정하게 유지된다. 또한, 혐기성산화반응에 의해서 생성되는 이산화탄소가 환원전극반응에 의하여 연속으로 활용됨으로 인해 바이오가스의 메탄가스 함량이 기존의 재래식 혐기성 소화조에 비하여 크게 증가한다.Therefore, the hydrolysis reaction of the polymer organic substance is successively promoted, and the organic matter reduction rate and biogas generation of the anaerobic digestion tank for treating the organic waste are stably maintained. Also, since the carbon dioxide produced by the anaerobic oxidation reaction is continuously utilized by the reduction electrode reaction, the methane gas content of the biogas is greatly increased as compared with the conventional anaerobic digester.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 생물전기화학장치가 구비된 혐기성 소화장치 및 이를 이용한 혐기성 소화방법을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the anaerobic digestion apparatus having the bioelectrochemical device of the present invention and the anaerobic digestion method using the same will be described in detail with reference to the drawings.

도 1 은 본 발명에 따른 생물전기화학장치를 구비한 유기성폐기물의 혐기성 소화장치 개략도이다. 혐기성 소화를 위한 소화조(1)는 교반장치를 구비한 원통형 반응조이며, 소화조 내부에 유입되는 폐기물의 혼합을 위한 블레이드(2)와 모터(3)를 이용하는 기계식교반장치가 설치되어 있다. 교반을 위하여 기계식이 아닌 순환식 장치를 사용할 수도 있다. 1 is a schematic diagram of an anaerobic digester of organic waste with a bioelectrochemical device according to the present invention. A digester 1 for anaerobic digestion is a cylindrical reaction vessel equipped with an agitator, and a mechanical agitation device using a blade 2 and a motor 3 for mixing wastes introduced into the digester is installed. A non-mechanical circulating device may be used for stirring.

소화조 내부에는 전극장치(7)가 설치되어 있으며, 전극장치에는 도 3과 같이 산화전극(71) 및 분리막(73) 그리고 환원전극(72)이 일체형으로 결합된 다수의 전극모듈이 도 2에서와 같이 일정한 간격을 두고 나선형으로 수직 설치되어 있어 교반기에 의한 소화조 내용물의 수평흐름 및 혼합에 방해가 최소가 되도록 하였다. 전극들의 간격은 처리하고자하는 유기성 슬러지의 입자크기에 따라 1 - 30 cm 범위에서 선택할 수 있다. An electrode device 7 is provided in the digestion tank and a plurality of electrode modules in which an oxidation electrode 71, a separation membrane 73 and a reduction electrode 72 are integrally combined as shown in FIG. So that the horizontal flow and mixing of the contents of the digester by the agitator are minimized. The distance between the electrodes can be selected in the range of 1 - 30 cm depending on the particle size of the organic sludge to be treated.

교반을 하는 동안 소화조 내용물의 흐름이 상하방향인 경우 또는 소화조의 형상이 원통형이 아닌 경우 전극장치에 설치하는 전극들은 수직으로 하거나 다른 형태로 하는 경우에도 본 발명에서 달성하고자 하는 효과는 동일하다. 본 발명의 혐기성 소화조가 원통형이고 교반을 하는 동안 소화조 내부의 유체가 수평방향 흐름을 가진 경우 전극모듈을 원통형으로 하여 소화조 내부에 설치하는 경우에도 본 발명에서 달성하고자 하는 효과는 동일하다. The effect to be achieved in the present invention is the same even when the electrodes provided in the electrode device are vertical or in a different form when the flow of the contents of the digestion tank is in the vertical direction or the shape of the digestion tank is not cylindrical. Even if the anaerobic digestion tank of the present invention is cylindrical and the fluid in the digestion tank has flow in the horizontal direction while stirring, the effect to be achieved in the present invention is the same even when the electrode module is installed inside the digestion tank in the cylindrical shape.

산화전극과 환원전극 사이의 분리막은 산화전극과 환원전극의 접촉으로 인하여 발생하는 단회로 현상을 방지하기 위한 것으로서 부직포와 같은 투수성 직물이나 다공성판을 사용하는 것이 바람직하다. 산화전극과 환원전극을 충분히 공간적으로 이격시켜 산화전극과 환원전극의 직접접촉으로 인한 단회로 형성을 방지할 수 있는 경우 분리막을 사용하지 않아도 무방하지만 이 경우 생물전기화학장치의 과전위가 증가하여 효율적인 산화전극반응과 환원전극반응에 불리하다.The separation membrane between the oxidizing electrode and the reducing electrode is preferably used to prevent a short circuit caused by the contact between the oxidizing electrode and the reducing electrode, such as a nonwoven fabric or a porous plate. If the oxidizing electrode and the reducing electrode are sufficiently spaced apart to prevent the formation of a single path due to the direct contact between the oxidizing electrode and the reducing electrode, there is no need to use a separation membrane. However, in this case, Which is disadvantageous to oxidation electrode reaction and reduction electrode reaction.

전극장치에 나선형으로 설치된 다수의 산화전극들은 도선(8)을 이용하여 병렬로 연결한 뒤 외부전원장치(9)의 (+) 단자에 연결하며, 다수의 환원전극들도 같은 방법으로 도선을 이용하여 병렬로 연결한 뒤 외부전원장치의 (-) 단자에 연결한다.A plurality of oxidizing electrodes provided spirally on the electrode device are connected in parallel using a lead wire 8 and then connected to the (+) terminal of the external power source device 9, and a plurality of return electrodes are also used And connect it to the (-) terminal of the external power supply.

산화전극 및 환원전극은 전기전도도가 우수하고 부식에 대하여 강하며, 비표면적이 넓고 생물친화도가 좋은 탄소펠트, 탄소천, 탄소섬유직물, 팽창흑연, 입자상흑연, 탄소나노튜브 등의 탄소계열 물질이나 이들의 복합물로 이루어진 것을 사용한다. 바람직하게는 탄소섬유직물의 표면을 탄소나노튜브, 니켈화합물 또는 폴리에틸렌이민 또는 접착력이 우수한 여타 고분자 용액에 침지한 후 전압을 가하여 전기영동법으로 개질한 것을 사용할 수 있다. 환원전극의 표면은 전자와 수소이온 및 이산화탄소로부터 메탄을 생성하는 환원전극 반응의 활성화에너지를 감소시킴으로써 환원전극반응을 촉진시키기 위하여 백금 또는 니켈 등과 같은 전이금속 촉매를 탄소기반 전극의 표면에 고정시키는 것이 바람직하다. 산화전극의 표면은 전도성이 좋고 비표면적이 넓으며, 생물친화도가 우수한 탄소나노튜브와 팽창흑연 혼합물을 스크린프린팅 등의 방법으로 표면에 부착시키는 것이 바람직하다.The oxidizing electrode and the reducing electrode are carbon-based materials such as carbon felt, carbon cloth, carbon fiber fabric, expanded graphite, particulate graphite, and carbon nanotube, which are excellent in electrical conductivity, strong against corrosion, Or a combination thereof. Preferably, the surface of the carbon fiber fabric is immersed in a solution of a carbon nanotube, a nickel compound, or a polyethyleneimine or other polymer having excellent adhesive strength, and then modified by electrophoresis by applying a voltage. The surface of the reducing electrode is immobilized on the surface of the carbon-based electrode, such as platinum or nickel, to promote the reductive electrode reaction by reducing the activation energy of the reductive electrode reaction that produces methane from electrons, hydrogen ions and carbon dioxide desirable. It is preferable that the surface of the oxidized electrode is adhered to the surface of the carbon nanotube and the expanded graphite mixture by screen printing or the like, which has a good conductivity and a large specific surface area and is highly biocompatible.

또한, 산화전극 및 환원전극의 전기전도성을 개선하기 위하여 부식에 강한 스텐리스 또는 티타늄으로 이루어진 메쉬 또는 와이어를 집전체로 사용하여 도선과 연결하는 것이 좋다. 산화전극과 환원전극을 연결하는 도선에는 전위차를 유지하기 위하여 저항을 설치할 수도 있으며, 외부전원장치 대신에 정전위장치(Potentiostat)를 사용할 수도 있다. 산화전극 및 환원전극은 가능한 다수의 작은 크기의 전극들을 병렬로 연결하여 사용하는 것이 에너지 효율면에서 유리하지만 1개 전극의 크기는 제한은 없다. Further, in order to improve the electrical conductivity of the oxidizing electrode and the reducing electrode, it is preferable to use a mesh or wire made of stainless steel or titanium, which is resistant to corrosion, as a current collector to be connected to the lead wire. A resistor connecting the oxidizing electrode and the reducing electrode may be provided to maintain the potential difference, or a potentiostat may be used instead of the external power source. It is advantageous in terms of energy efficiency to use a plurality of small-sized electrodes in parallel in the oxidation electrode and the reduction electrode, but the size of one electrode is not limited.

혐기성 소화조에 설치하는 산화전극 및 환원전극의 표면적은 넓을수록 전극표면의 생물전기화학 반응은 더욱 촉진되지만 혐기성 소화 대상물질을 하수슬러지, 음식물폐기물 등으로 하는 경우 혐기성 소화조 1m3의 부피에 대하여 1 ~ 20 m2 이면 충분하다.Surface area of the anode and reduction electrodes installed in the anaerobic digestion tank is wider biological electrochemical reaction of the electrode surface, but further promoted if the sewage to the anaerobic digestion substance sludge, food waste, etc. with respect to the volume of the anaerobic digestion tank 1m 3 1 ~ 20 m 2 is sufficient.

하수슬러지, 음식물쓰레기, 축산폐수 등과 같은 슬러리 형태의 유기성 폐기물은 소화조 측벽하단에 설치된 유입밸브(4)를 통하여 주입되며, 소화가 완료된 물질은 협기성소화조의 내용물 상표면 높이의 측벽에 위치한 유출밸브(5)를 통하여 배출된다. 메탄가스를 포함한 바이오가스는 소화조 상부의 가스배출밸브(6)을 통하여 배출된다.Organic waste in the form of slurry such as sewage sludge, food waste, livestock wastewater, etc. is injected through an inlet valve (4) installed at the bottom of the digester tank side, and the extinguished material is discharged through an outlet valve (5). The biogas containing methane gas is discharged through the gas discharge valve 6 above the digester.

본 발명에 따른 생물전기화학장치가 구비된 혐기성 소화조의 산화전극과 환원전극 사이의 전위차는 전술한 바와 같이 외부전원장치를 이용하여 0.2 - 0.6V 사이로 유지시키며, 혐기성 소화조의 HRT(Hydraulic retention time)를 0.5일에서 50일사이로 운전하는 것이 바람직하다. The potential difference between the oxidizing electrode and the reducing electrode of the anaerobic digestion tank equipped with the bioelectrochemical device according to the present invention is maintained between 0.2 and 0.6 V by using an external power source as described above, and the hydraulic retention time (HRT) of the anaerobic digester, Is preferably operated between 0.5 and 50 days.

본 별명에 따른 생물전기화학장치가 구비된 소화조에 유입된 유기성 폐기물은 소화조내부에 부유상태로 존재하는 혐기성미생물에 의해 가수분해 및 산생성반응이 일어난다.The anaerobic microorganisms that are suspended in the digestion tank cause hydrolysis and acid production reaction of the organic wastes introduced into the digestion tank equipped with the bioelectrochemical device according to this nickname.

산화전극의 표면에서는 부착성장하는 전기적으로 활성을 가진 미생물에 의해 아래 식에서와 같이 가수분해 및 산생성반응의 생성물인 유기산 등이 분해되어 수소이온과 전자, 이산화탄소를 생성한다. On the surface of the oxidized electrode, the organic acid, which is the product of the hydrolysis and the acid production reaction, is decomposed by the electronically active microorganisms adhering to the surface of the electrode to generate hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide.

Figure 112014073922765-pat00001
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이때 전자는 산화전극으로 전달되어 환원전극으로 이동하며 이산화탄소 및 수소이온은 혐기성 소화조 내용물을 매체로 하여 환원전극 표면으로 이동한다. At this time, the electrons are transferred to the oxidizing electrode and moved to the reducing electrode. Carbon dioxide and hydrogen ions move to the reducing electrode surface using the contents of the anaerobic digestion tank as a medium.

환원전극에서는 아래 식에서와 같이 수소이온과 전자 그리고 이산화탄소가 결합하여 메탄을 생성한다. In the reduction electrode, hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide are combined with each other to produce methane as shown in the following equation.

Figure 112014073922765-pat00002
Figure 112014073922765-pat00002

이때 초산 및 중탄산이온의 농도가 각각 0.05M라고 가정하면 위 식에서 보는 바와 같이 산화전극반응 및 환원전극반응의 산화환원전위가 각각 표준상태에서 이론적으로 -0.289V 및 -0.248V 이다. 또한, 표준상태에서 pH 7인 경우 환원전극반응이 일어나기 위한 전위는 이론적으로 -0.244V(vs NHE)라고 알려지고 있다. 그러나, 실제 소화조에서는 과전위로 인하여 환원전극반응을 진행시키기 위하여 필요한 전위는 달라지게 된다.Assuming that the concentration of acetic acid and bicarbonate ion is 0.05M, the redox potentials of the oxidation electrode reaction and the reduction electrode reaction are theoretically -0.289V and -0.248V, respectively, as shown in the above equation. In the standard state, the potential for the reduction electrode reaction at pH 7 is theoretically known as -0.244 V (vs NHE). However, in an actual digestion tank, the electric potential required for advancing the reduction electrode reaction due to overcharge is different.

열역학적으로 살펴보면 대부분의 생화학반응은 아래 식에서와 같이 반응물과 생성물의 자유에너지 차이가 클수록 미생물이 이용 가능한 에너지가 많아지게 되기 때문에 생화학반응은 촉진된다.Thermodynamically, most biochemical reactions are promoted by biochemical reactions because the larger the free energy difference between the reactants and the products, the more energy available to the microorganisms becomes.

Figure 112014073922765-pat00003
Figure 112014073922765-pat00003

여기서, △G 는 반응물과 생성물의 자유에너지 차이(J)이며, n 은 1몰의 산화환원반응이 진행되는 동안 이동한 전자수이다. F 는 패러데이상수(96485.3C/mol)이며, E 는 산화환원전위(V)이다.Where G is the difference in free energy (J) between the reactant and the product, and n is the number of electrons moved during the course of 1 mole of the redox reaction. F is the Faraday constant (96485.3 C / mol), and E is the redox potential (V).

본 발명에서의 산화전극은 환원전극에 비하여 0.2-0.6V 높게 유지시키면 소화조 내에서 산화전극 전위는 상기한 이론적 전위 -0.289V 보다 높게 그리고 환원전극전위는 이론적 전위 -0.248V 보다 높고 낮게 유기되기 때문에 산화전극표면에서 일어나는 유기산 등의 분해반응과 환원전극 표면에서 일어나는 메탄생성반응이 크게 촉진된다. 따라서, 메탄생성반응이 더 이상 전체 혐기성분해단계에서 율속단계로 작용하지 않게 된다. 또한, 산화전극 표면에서 진행되는 급격한 유기산의 분해반응으로 인해 소화조 내용물의 유기산 농도는 대단히 낮게 유지되며, 그 결과 가수분해 및 산생성 반응이 촉진된다. When the oxidation electrode in the present invention is maintained at 0.2-0.6 V higher than the reduction electrode, the oxidized electrode potential in the digestion tank is higher than the theoretical potential -0.289 V and the reduced electrode potential is higher than the theoretical potential -0.248 V The decomposition reaction of organic acids or the like occurring on the surface of the oxidation electrode and the methane formation reaction occurring on the surface of the reduction electrode are greatly promoted. Thus, the methanogenic reaction no longer acts as a rate-limiting step in the total anaerobic decomposition step. In addition, due to the rapid decomposition of organic acids on the surface of the oxidized electrode, the organic acid concentration in the digestion tank contents is kept very low, and as a result, the hydrolysis and the acid production reaction are promoted.

따라서, 본 발명에 의한 생물전기화학장치가 구비된 혐기성 소화조의 성능은 후술하는 바와 같이 동일한 폐기물을 처리하는 재래식 혐기성 소화조에 비하여 최대 7.2배까지 혐기성 소화효율이 증가하게 된다.
Therefore, the anaerobic digestion efficiency of the anaerobic digestion tank equipped with the bioelectrochemical device according to the present invention is increased up to 7.2 times as compared with the conventional anaerobic digestion tank for treating the same waste as described later.

실시예 1. 생물전기화학장치를 이용한 하수슬러지의 혐기성 소화Example 1. Anaerobic digestion of sewage sludge using bioelectrochemical devices

12 L 용량의 생물전기화학장치가 구비된 혐기성 소화조를 아크릴 수지로 제작하였다. 혐기성 소화조 내부에는 도 2에서와 같은 산화전극 및 부직포 그리고 환원전극을 일체적으로 결합한 직사각형 전극 모듈 6개를 나선형으로 설치하였다. 도선을 이용하여 각각의 산화전극 및 환원전극을 병렬로 연결한 뒤 외부전원장치의 (+) 단자 및 (-) 단자에 각각 연결하였으며, 산화전극의 전위가 환원전극에 비하여 0.3V가 되도록 유지시켰다. An anaerobic digester with a 12 L capacity bioelectrochemical device was made of acrylic resin. In the anaerobic digestion tank, six rectangular electrode modules were integrally combined with the oxidation electrode, the nonwoven fabric and the reduction electrode as shown in FIG. Each of the oxidizing electrodes and the reducing electrode was connected in parallel using a lead wire and connected to the (+) terminal and the (-) terminal of the external power supply unit, and the potential of the oxidizing electrode was maintained at 0.3 V as compared with the reducing electrode .

본 실시예에 따른 혐기성 소화조는 35℃ 수욕조에 설치하여 운전하는 동안 항온을 유지하였다. 초기운전을 위하여 하수슬러지 혐기성 소화조에서 채취한 슬러지를 소화조 유효용량의 30% 가량 채워 식종하였다. 혐기성 소화조가 운전되는 동안 상부에 설치된 모터를 이용하여 블레이드를 회전시켜 교반하였다. Y 하수종말처리장에서 채취한 폐활성슬러지를 1일 1회 주입하고 주입한 유입슬러지와 같은 양의 소화된 슬러지를 배출하는 방법으로 HRT 20일, 15일, 10일 및 5일에서 운전하였다. The anaerobic digestion tank according to the present example was installed in a 35 ° C water bath and maintained at a constant temperature during operation. For the initial operation, the sludge collected from the anaerobic digestion tank of the sewage sludge was filled with about 30% of the effective capacity of the digester. During the operation of the anaerobic digester, the blades were rotated and agitated using a motor installed at the top. Y waste water sludge was injected once a day and discharged at the same amount of sludge as that of the inflow sludge injected once a day and operated at HRT 20 days, 15 days, 10 days and 5 days.

혐기성 소화조를 운전하는 동안 산화전극과 환원전극 사이의 전류를 모니터링하였으며, 유입슬러지와 유출슬러지의 pH, 알카리도, VFA, TS, VS, TCOD, SCOD를 2일 간격으로 분석하고, 바이오가스의 발생량 및 메탄가스함량을 분석하였다. During the operation of the anaerobic digester, the current between the oxidizing electrode and the reducing electrode was monitored and the pH, alkalinity, VFA, TS, VS, TCOD and SCOD of the inflow and outflow sludge were analyzed at intervals of two days, Methane gas content was analyzed.

바이오가스 발생량 및 메탄가스의 함량은 도4 및 도 5에서 보는 바와 같이 혐기성 소화조 운전 약 45일 경부터 급격히 증가하기 시작하였다. HRT에 따른 중온 혐기성 소화조 성능을 표 1에 나타내었다. As shown in FIGS. 4 and 5, the biogas production amount and the methane gas content began to increase rapidly from about 45 days after the operation of the anaerobic digestion tank. The performance of the mesophilic anaerobic digestion tank according to HRT is shown in Table 1.

HRT (일)HRT (days) 비메탄발생량
(mL CH4/L/d)
Amount of methane generated
(mL CH 4 / L / d)
메탄함량(%)Methane content (%) VS감량
(%)
VS loss
(%)
VFA농도
(mg HAc/L)
VFA concentration
(mg HAc / L)
비고Remarks
2020 412412 77.377.3 70.570.5 410410 본 발명Invention 1515 498498 77.177.1 63.663.6 340340 1010 719719 75.675.6 60.260.2 340340 55 1,2891,289 74.974.9 52.452.4 765765 20일(중온)20 days (medium temperature) 171.3171.3 64.764.7 43.543.5 579579 Water. Res., 38 (2004),1653-1662Water. Res., 38 (2004), 1653-1662 10일(고온)10 days (high temperature) 518.0518.0 63.663.6 46.846.8 1,5871,587

HRT 20일에서 바이오가스에서 메탄함량이 약 77%에 달하였으며, 메탄가스발생량은 412mL CH4/L.d로서 대단히 높았다. VFA 농도는 약 410mg HAc/L로 낮게 유지되었다. 이때 77%에 달한 메탄가스의 함량은 재래식 중온혐기성 소화의 65% 보다 크게 높은 값이며, 약 410mg HAc/L 이하로 유지된 VFA 농도는 소화조의 안정성이 우수함을 보여주는 결과이다. 본 실시예에서 HRT 20일에서의 VS 감량은 70.5%로서 이 값은 지금까지 보고된 하수슬러지 혐기성 소화조의 VS 감량의 최고 값에 해당하는 것으로 하수슬러지에 함유된 생물학적으로 분해가능한 성분은 거의 대부분 분해되었음을 의미한다. In HRT 20 days, the methane content in the biogas reached about 77%, and the methane emission was very high as 412 mL CH 4 / Ld. The VFA concentration remained low at about 410 mg HAc / L. At this time, the content of methane gas reaching 77% is higher than 65% of the conventional mesophilic anaerobic digestion, and the VFA concentration maintained at about 410 mg HAc / L or lower shows the stability of the digester. In this example, the VS reduction at HRT of 20 days is 70.5%, which corresponds to the highest value of the VS reduction of the sewage sludge anaerobic digestion tank reported so far. The biologically degradable components contained in the sewage sludge are mostly decomposed .

HRT가 15일, 10일 및 5일로 감소하면 유기물부하의 증가로 따라 비메탄가스발생량은 1,289mL CH4/L/d까지 증가하였으며, 이 값은 HRT 20일로 운전한 재래식 중온 혐기성 소화조의 7.52배, HRT 10일로 운전한 고온혐기성 소화조의 약 2.5배에 해당한다. HRT 5일에서 소화조의 VS 감량은 52.4%로서 문헌에서 보고되고 있는 HRT 20일의 재래식 하수슬러지 중온혐기성 소화조의 43.5%보다 크게 높았으며, HRT 10일의 고온혐기성 소화조의 46.8% 보다도 약 5.6% 가량 높았다(도 6 참조).
When the HRT decreased to 15 days, 10 days and 5 days, the amount of methane generated increased to 1,289 mL CH 4 / L / d due to the increase of the organic load, which was 7.52 times higher than that of the conventional mesophilic anaerobic digester , Which is about 2.5 times higher than the high temperature anaerobic digester operated with HRT for 10 days. The VS loss in the digestion tank was 52.4% on the 5th day of HRT, which was significantly higher than the 43.5% of the conventional anaerobic digestion tank of HRT 20 days reported in the literature and about 5.6% higher than 46.8% of the HRT 10 day anaerobic digestion tank (See FIG. 6).

실시예 2. 생물전기화학장치를 이용한 상온 혐기성 소화Example 2. Anaerobic digestion at room temperature using a bioelectrochemical device

본 발명의 생물전기화학장치가 구비된 혐기성 소화조의 성능에 미치는 운전온도의 영향을 평가하기 위하여 실시예 1에서와 같은 본 발명의 혐기성 소화조를 HRT 10일에서 25℃의 조건에서 운전하였다. 운전방법과 소화조 내용물 및 바이오가스의 분석은 실시예 1과 같다. 상온 혐기성 소화조 성능을 표 2에 나타내었다. In order to evaluate the effect of the operation temperature on the performance of the anaerobic digester with the bioelectrochemical device of the present invention, the anaerobic digester of the present invention as in Example 1 was operated at HRT for 10 days to 25 ° C. The operation method, the contents of the digester, and the analysis of the biogas are the same as in the first embodiment. Table 2 shows the performance of the anaerobic digestion tank at room temperature.

운전온도Operating temperature 비메탄발생량
(mL CH4/L/d)
Amount of methane generated
(mL CH 4 / L / d)
메탄함량(%)Methane content (%) VS감량
(%)
VS loss
(%)
VFA농도
(mg HAc/L)
VFA concentration
(mg HAc / L)
중온(35)Medium temperature (35) 498498 77.177.1 63.663.6 340340 상온(25)At room temperature (25) 500500 72.072.0 52.052.0 600600

35℃의 중온에서 운전하던 본 발명의 혐기성 소화조를 25℃의 상온으로 운전온도를 바꾼 직후 바이오가스 발생량은 크게 감소하였으나, 2일 이후부터 점차 증가하였으며 15일부터 점차 안정화되었다. 25℃의 상온에서 본 발명의 혐기성성소화조의 성능은 35℃의 약 82% 가량이었다. 이러한 결과는 본 발명의 혐기성 소화조의 성능이 상온에서도 큰 성능의 하락 없이 운전가능함을 의미하며, 본 발명의 혐기성 소화조가 55℃의 고온에서 운전된다면 가수분해 및 산발효속도가 크게 증가하기 때문에 소화조의 성능은 더욱 증가할 것임을 알 수 있다.The amount of biogas generated after the operation temperature was changed to room temperature of 25 ° C in the anaerobic digester of the present invention operated at a middle temperature of 35 ° C was greatly decreased, but gradually increased from 2 days and gradually stabilized from 15 days. The performance of the anaerobic digestion tank of the present invention at about 25 ° C was about 82% of 35 ° C. These results indicate that the performance of the anaerobic digestion tank of the present invention can be operated at a room temperature without deteriorating the performance of the anaerobic digestion tank. If the anaerobic digestion tank of the present invention is operated at a high temperature of 55 ° C, hydrolysis and acid- It can be seen that the performance will be further increased.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Modified, modified, or improved.

1. 혐기성 소화조 2. 블레이드
3. 모터 4. 유입밸브
5. 유출밸브 6. 가스유출밸브
7. 전극장치 8. 도선
9. 외부전원장치 71. 산화전극
72. 환원전극 73. 분리막
1. Anaerobic digester 2. Blade
3. Motor 4. Inflow valve
5. Outlet Valve 6. Gas Outlet Valve
7. Electrode 8. Lead
9. External power supply 71. Oxide electrode
72. Reduction electrode 73. Membrane

Claims (10)

슬러리형 유기성 폐기물이 유입되는 1실형의 단일 소화조와,
상기 소화조 내부에 설치되는 전극 장치로서 산화전극과 분리막 및 환원전극이 일체형으로 결합된 복수의 전극모듈과,
상기 전극모듈의 산화전극과 환원전극에 전원을 공급하는 전원장치와,
상기 소화조에 유입된 유기성 폐기물을 혼합하는 교반장치를 포함하며,
상기 복수의 전극 모듈은 소화조 내에서 서로 1 - 30cm 범위의 간격을 두고 수직 또는 소화조 내부유체의 흐름을 방해하지 않도록 수직나선형으로 설치되고,
상기 산화전극과 환원전극의 전위차는 0.25 - 0.5 V로 유지되는 것을 특징으로 하는 생물전기화학장치를 구비한 메탄생성을 위한 혐기성 소화장치.
A single single-digestion tank into which slurry-type organic waste flows,
An electrode unit installed in the digester; a plurality of electrode modules having an oxidation electrode, a separation membrane, and a reduction electrode integrally combined;
A power source device for supplying power to the oxidizing electrode and the reducing electrode of the electrode module,
And an agitator for mixing the organic waste introduced into the digester,
The plurality of electrode modules are installed in a vertical spiral manner so as not to interfere with the vertical or flow of the fluid in the digester with intervals ranging from 1 to 30 cm in the digester,
And the potential difference between the oxidizing electrode and the reducing electrode is maintained at 0.25 - 0.5 V. The anaerobic digestion apparatus for methane generation comprising the bioelectrochemical device.
제1항에 있어서,
상기 전극 모듈의 산화전극 및 환원전극의 면적은 소화조 1m3의 부피에 대하여 1 - 20m2의 비율로 형성하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학장치를 구비한 혐기성 소화장치.
The method according to claim 1,
Wherein an area of the oxidizing electrode and the reducing electrode of the electrode module is 1 to 20 m 2 per 1 m 3 of the digestion tank.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서
상기 전극 모듈은 분리막으로서 투수성 직물 또는 다공성판을 산화전극과 환원전극 사이에 배치하여 일체화시키는 것을 특징으로 하는 생물전기화학장치를 구비한 혐기성 소화장치.
The method of claim 1, wherein
Wherein the electrode module is a separation membrane, and a water permeable fabric or a porous plate is disposed between the oxidizing electrode and the reducing electrode to integrate the membrane into an integrated bioreactor.
슬러리형 유기성 폐기물이 유입되는 1실형의 단일 소화조와,
상기 소화조 내부에 설치되는 전극 장치로서 산화전극과 분리막 및 환원전극이 일체형으로 결합된 복수의 전극모듈과,
상기 전극모듈의 산화전극과 환원전극에 전원을 공급하는 전원장치와,
상기 소화조에 유입된 유기성 폐기물을 혼합하는 교반장치를 포함하며,
상기 복수의 전극 모듈은 소화조 내에서 서로 1 - 30cm 범위의 간격을 두고 수직 또는 소화조 내부유체의 흐름을 방해하지 않도록 수직나선형으로 설치되는 생물전기화학장치를 구비한 혐기성 소화장치에서 상기 산화전극과 환원전극의 전위차를 0.25 - 0.5 V로 유지시키면서 상기 소화조에 슬러리형 유기성 폐기물을 유입시킨 후 교반하는 것을 특징으로 하는 메탄생성을 위해 유기성 폐기물을 혐기성 소화시키는 방법.
A single single-digestion tank into which slurry-type organic waste flows,
An electrode unit installed in the digester; a plurality of electrode modules having an oxidation electrode, a separation membrane, and a reduction electrode integrally combined;
A power source device for supplying power to the oxidizing electrode and the reducing electrode of the electrode module,
And an agitator for mixing the organic waste introduced into the digester,
Wherein the plurality of electrode modules are installed vertically or vertically in a spiral manner so as not to interfere with the flow of fluid in the digester with an interval ranging from 1 to 30 cm in the digestion tank. In the anaerobic digestion apparatus, Wherein the slurry-type organic waste is introduced into the digester after the electric potential difference of the electrode is maintained at 0.25 - 0.5 V, followed by stirring. The method for anaerobic digestion of organic waste for methane production.
제9항에 있어서
상기 소화조의 HRT를 0.5일에서 50일사이로 운전하는 것을 특징으로 하는 메탄생성을 위해 유기성 폐기물을 혐기성 소화시키는 방법.
The method of claim 9, wherein
And the HRT of the digester is operated between 0.5 and 50 days. The method for anaerobic digestion of organic waste for methane generation.
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