KR101683074B1 - 유기산 축적에 의한 바이오가스 생산 효율 저하 방지 기능을 갖는 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스의 생산방법 및 시스템 - Google Patents

유기산 축적에 의한 바이오가스 생산 효율 저하 방지 기능을 갖는 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스의 생산방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혐기성 소화 시스템을 이용하여 유기성 폐기물을 이용하여 효과적이며 안정적으로 바이오가스를 생산방법 및 시스템에 대한 것이다. 본 발명의 혐기성 소화유닛을 적용하면 혐기성 소화조 내의 메탄 생성을 위한 최적의 pH 조건이 유지되어 메탄 발효 미생물에 의한 메탄생성 효율성이 높아짐과 동시에 부가적으로 미생물전해전지반응조에서의 생물학적 메탄 생성 및 전기화학적 메탄 생성을 통해 유기성 폐기물로부터 메탄 수율 극대화를 달성할 수 있고 바이오가스 생산 효율을 높일 수 있다.

Description

유기산 축적에 의한 바이오가스 생산 효율 저하 방지 기능을 갖는 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스의 생산방법 및 시스템{bio-gas producing method with high efficiency and system for the same}
본 발명은 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스의 생산방법 및 바이오가스 생산시스템에 관한 것이다.
혐기성소화는 예전부터 확립되어 발전되어 온 전통적인 기술 중의 하나로서, 일명 "메탄 발효"라고도 하며, 유기물 처리와 동시에 메탄이라는 재생에너지를 회수할 수 있는 기술이다.
특히, 1970년대 중반 석유쇼크 이후, 혐기성 소화 방법으로 메탄이라는 재생에너지 회수가 가능하고, 많은 양의 공기를 공급시켜야 하는 활성슬러지법에 비하여 소비전력이 적으며, 석유 대체에너지 수단으로써 분뇨, 하수슬러지 및 도시쓰레기를 포함한 유기성 폐기물로부터 에너지를 부수적으로 회수 가능하다는 장점으로 인하여 최근까지 유기성 폐기물 감량과 에너지화를 위한 많은 플랜트 건설되고 가동되고 있다.
혐기성 소화는 유기물을 여러 미생물에 의한 일련의 분해작용을 통하여 메탄과 같은 바이오가스를 생산하는 프로세스가 적용된다. 이 프로세스는 통상 고분자 유기물이 저분자의 단량체로 분해되는 가수분해단계, 초산을 비롯한 다양한 저급지방산(휘발성 유기산, VFAs)을 생성하는 산생성단계와 이들을 이용하여 메탄을 생성하는 메탄생성단계로 구분할 수 있다.
혐기성 소화는 상기 각각의 반응단계가 하나의 미생물 종이 작용하여 혐기성 소화가 진행되는 것이 아니라, 다양한 미생물이 공생계를 만들어 반응의 연계를 통하여 메탄 발효가 수행된다는 특징도 있다.
특히, 하수슬러지, 분뇨 등과 같은 고농도 유기성폐기물은 생분해도가 낮아 가수분해단계가 전체 혐기성 소화반응의 율속단계로 작용하게 된다. 반면에 음식물(pH: 4이하)과 같은 pH가 낮고 생분해도가 높은 유기성 폐기물은 이러한 유기성 폐기물로 의한 혐기성 소화 프로세스의 일시적 고부하로 인하여 생물학적 활성 환경(최적 메탄 발효 pH: 6.8~7.5)을 크게 벗어나게되는 문제점이 있고, 이때는 혐기성 소화에서 메탄 생성반응이 전체 혐기성 소화의 율속단계로 작용하는 경우가 많다.
한편, 음식물쓰레기를 비롯한 유기성폐기물은 대량의 무기성분(Mg2 +, Ca2 +)을 포함하여 소화조 내 고농도의 암모니아성 질소(NH4 +-N)와 인산염(PO4 3-)과 스트로바이트(Struvite: MgNH4PO46H2O)와 같은 결정체를 생성하며, 장기간 혐기성 소화조 운영시 혐기성 프로세스의 배관 폐색을 유발하여 혐기성 소화시설의 재보수 해야 하는 등 문제점을 유발하고 있다.
바이오가스의 효율적이고 경제적인 활용을 위해서는 연료로 사용되는 주성분인 메탄과 이산화탄소 이외의 불순물인 수분, 먼지, 황 화합물, 암모니아, 할로겐화합물, 실록세인 등을 전처리를 통해 반드시 제거해야 한다.
현재 이러한 불순물에 의한 장비의 손상이나 기능고장으로 인하여 유지보수에 어려움이 발생하게 되고, 발전효율이 저하됨으로써 경제적인 면에서 경쟁력을 잃게 되어 바이오가스 자원화 사업의 타당성이 문제가 되고 있는 상황이다.
특히, 바이오가스에는 설파이드(sulfide), 디설파이드(disulfide), 티올(thiol) 등 여러 가지 황 화합물이 포함되어 있는데, 그 중에서도 고농도의 황화수소(H2S)는 독성을 지니고 있고, 저농도에서는 유기황화합물과 마찬가지로 강한 악취 원인 유발한다.
황화수소는 대부분의 금속과 반응성이 좋고 부식성을 지니고 있어서, 장치 자체를 손상시킬 수 있고 윤활유의 오염을 초래하여 불필요한 오일 교환을 필요로 한다. 또한, 황화수소를 연소하면 법 규제 대상인 황산염 등 황산화물이 생산되어 부식성이 큰 오염물이 발생하게 된다.
이러한 문제점들을 보완하기 위해 혐기성 소화조를 2단으로 설계 운영하는 등의 시도가 이루어지고 있으나 시설 장치나 구동에 따른 유지비가 많이 소요거나 조작의 어려움으로 인하여 충분하게 의도하는 효과가 얻어지지 않는 등의 문제점이 있는 실정이다.
국내특허등록공보 제10-0897722호, 2009년 5월 185일 공고 국내특허공개공보 제10-2003-0013366호, 2003년 2월 14일 공개
본 발명의 목적은 MEC(Microbial Electrolysis Cells) 기술을 바탕으로 혐기성 소화조 내의 유기산 축적 방지, 가수분해 및 메탄생성의 율속단계를 극복하여 바이오가스 생산 극대화, 고농도 무기염의 결정화(Struvite)로 인한 배관 폐색 방지, 바이오가스 내 유독 성분을 지닌 황화수소 저감에 따른 바이오가스 정제 비용 절감을 달성할 수 있는 유기성폐기물 혐기성 처리 시스템 및 처리 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스의 생산방법은, 혐기성 소화유닛에 포함된 혐기성 소화조로 유기성 폐기물을 유입시키고 혐기성 소화를 진행하여 소화액과 바이오가스를 생산하는 혐기성 소화단계; 상기 소화액의 일부 또는 전부를 상기 혐기성 소화유닛에 포함된 미생물전해전지반응조로 유입시키고, 상기 미생물전해전지반응조에 위치하며 i) 산화전극, ii) 상기 산화전극과 이웃한 환원전극 및 iii) 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부를 포함하는 전극모듈에 전압을 인가하여 상기 소화액에 포함되어 있던 유기산을 분해하고 반응액과 바이오가스를 생산하는 생물전기화학반응단계; 상기 반응액의 일부 또는 전부가 i) 상기 혐기성 소화조, 또는 ii) 혐기성 소화조로 유입되는 상기 유기성 폐기물,로 유입되는 내부순환단계; 및 상기 혐기성 소화단계에서 생산되는 바이오가스와 상기 생물전기화학반응단계에서 생산되는 바이오가스를 포함하는 바이오가스를 포집하고 바이오가스에 포함된 황 성분을 제거하여 탈황 바이오가스를 생산하는 탈황단계;를 포함하고, 상기 산화전극은 철, 산화철, 철함유합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하여 상기 전극모듈에 인가된 전압에 의하여 진행되는 전기적인 산화로 인하여 3가 철 이온(Fe3+)을 용출하는 것이고, 상기 전극모듈은 상기 미생물전해전지반응조의 단위부피를 기준으로 1 내지 8 배의 단위면적을 갖는 것이며, 상기 미생물전해전지 반응조와 상기 혐기성 소화조은 그 내부 공간의 체적비가 1:10 내지 80인 것으로, 유기성 폐기물을 이용하여 바이오가스를 고효율로 생산한다.
상기 생물전기화학반응단계에서 상기 소화액의 유입은 상향류식으로 적용될 수 있다.
상기 생물전기화학반응단계에서 상기 미생물전해전지반응조에는 0.01 내지 0.08 A의 전류가 공급될 수 있다.
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상기 생물전기화학반응단계에서 상기 전극모듈에 인가되는 전압은 1 V 이하일 수 있다.
상기 바이오가스의 생산방법은, 상기 혐기성 소화조 내부의 pH를 모니터링하는 제1모니터링부로부터 전달되는 정보와 미생물전해전지반응조 내부의 pH를 모니터링하는 제2모니터링부로부터 전달되는 정보를 이용하여 상기 전극모듈에 인가되는 전압의 세기, 상기 생물전기화학반응단계로 유입되는 소화액의 양, 및 상기 내부순환단계에서 상기 혐기성 소화조로 유입되는 반응액의 양을 제어하는 제어단계;를 더 포함할 수 있다.
삭제
상기 생물전기화학반응단계에서 상기 미생물전해전지반응조에 머무는 상기 소화액의 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time)은 0.6 내지 1 일로 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 바이오가스 생산시스템은, 유입된 유기성 폐기물로 혐기성 소화를 진행하여 소화액과 바이오가스를 생산하는 혐기성 소화조; i) 산화전극, ii) 상기 산화전극과 이웃한 환원전극 및 iii) 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부를 포함하며 전압이 인가되는 전극모듈을 그 내부에 포함하고 상기 소화액의 일부 또는 전부를 유입하여 상기 소화액에 포함되어 있던 유기산을 분해하고 반응액과 바이오가스를 생산하는 미생물전해전지반응조; 상기 혐기성 소화조로부터 상기 미생물전해전지 반응조로 소화액을 이동시키는 소화액이동부; 및 상기 미생물전해전지 반응조로부터 상기 혐기성 소화조 또는 상기 혐기성 소화조로 유입되는 상기 유기성 폐기물로 상기 반응액을 이동시키는 반응액이동부;를 포함하는 혐기성 소화유닛; 그리고 상기 혐기성 소화조에서 생산되는 바이오가스와 상기 미생물전해전지 반응조에서 생산되는 바이오가스를 포집하고 저장하는 바이오가스 저장조;를 포함하여 유기성 폐기물을 이용하여 바이오가스를 생산하며, 상기 산화전극은 철, 산화철, 철함유합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하여, 상기 전극모듈에 인가된 전압에 의하여 진행되는 전기적인 산화로 인하여 3가 철 이온(Fe3+)을 용출하는 것이고, 상기 미생물전해전지반응조의 단위부피를 기준으로 상기 전극모듈은 1 내지 8 배의 단위면적을 갖는 것이며, 상기 미생물전해전지반응조와 상기 혐기성 소화조는 그 내부 공간의 체적비가 1:10 내지 80인 것으로, 유기성 폐기물을 이용하여 고효율로 바이오가스를 생산한다.
상기 미생물전해전지반응조에 유입되는 상기 소화액은 상향류식으로 유입될 수 있다.
상기 미생물전해전지반응조에는 0.01 내지 0.08 A의 전류가 공급될 수 있다.
상기 산화전극과 상기 환원전극은 교번적으로 복수 배치되어 폐루프를 이루는 것일 수 있다.
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상기 바이오가스 생산시스템은 모니터링부, 유량제어부, 전압제어부 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 모니터링부는 상기 혐기성 소화조 내부와 상기 미생물전해전지반응조 내부의 pH를 모니터링하는 것이고, 상기 유량제어부는 상기 소화액이동부를 통하여 이동되는 소화액의 유량과 상기 반응액이동부를 통하여 이동되는 반응액의 유량을 제어하는 것이며, 상기 전압제어부는 상기 전극모듈로 인가되는 전압을 제어하여 상기 미생물전해전지반응조 내에 위치하는 소화액의 pH를 조절하는 것일 수 있다.
상기 바이오가스 생산시스템은, 상기 바이오가스 저장조와 연결되며 상기 바이오가스로부터 황 성분을 제거하는 탈황설비를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 혐기성 소화유닛은, 내부 공간으로 유입되는 유기성 폐기물을 이용하여 혐기성 소화가 진행되고, 상기 유기성 폐기물로부터 소화액과 바이오가스를 생산하는 혐기성소화조; 그리고 i) 산화전극, ii) 상기 산화전극과 이웃한 환원전극 및 iii) 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부를 포함하는 전극모듈이 배치되며, 상기 소화액이 유입되는 내부공간에서 상기 산화전극과 상기 환원전극에 인가되는 전압으로 유도되는 산화환원반응에 의하여 pH가 조절된 반응액과 바이오가스를 생산하는 미생물전해전지 반응조;를 포함하고, 상기 혐기성 소화조로부터 상기 미생물전해전지반응조로 상기 소화액을 이동시키는 소화액이동부; 및 상기 미생물전해전지 반응조로부터 상기 혐기성 소화조 또는 상기 혐기성 소화조로 유입되는 상기 유기성 폐기물로, 상기 반응액을 이동시키는 반응액이동부;를 더 포함하며, 상기 산화전극은 철, 산화철, 철함유합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하여, 전기적인 산화로 인하여 3가 철 이온(Fe3+)이 용출되는 것이고, 상기 미생물전해전지반응조의 단위부피를 기준으로 상기 전극모듈은 1 내지 8 배의 단위면적을 갖는 것이며, 상기 미생물전해전지 반응조와 상기 혐기성 소화조는 그 내부 공간의 체적비가 1:10 내지 80인 것이다.
상기 산화전극과 상기 환원전극은 교번적으로 복수 배치되어 폐루프를 이룰 수 있다.
상기 전극모듈은, 상기 산화전극, 상기 환원전극 및 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부;를 포함하는 제1 전극부, 그리고 상기 제1 전극부 외측에 배치되어 있으며 상기 산화전극, 상기 환원전극 및 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부;를 포함하는 제2 전극부를 포함하며, 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부는 서로 떨어져 있는 것일 수 있다.
본 발명의 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스의 생산방법 등은, 혐기성 소화조를 안정적으로 운전하고 고효율로 메탄을 생성할 수 있으며, 부가적인 미생물전해전지반응조에서의 생물학적 메탄 생성 및 전기화학적 메탄 생성을 통해 유기성 폐기물로부터 메탄 수율 극대화를 달성할 수 있다. 또한, 혐기성 소화조 내에서의 마그네슘(Mg2+)이온에 의한 struvite(MgNH4PO4) 결정화를 억제할 수 있으며, 혐기성 소화조 내 메탄 발효 미생물의 응집 및 그래뉴럴(Granular) 형성을 촉진시켜 바이오가스 생산 극대화 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화유닛의 구조를 설명하는 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산시스템을 설명하는 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 혐기성 소화유닛에 포함되는 전극모듈을 나타낸 평면도.
도 4는 도 3을 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 자른 단면도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 발명자들은, 기존의 재래식 혐기성 소화방식에서 외부충격(유기물부하 변동, pH, 온도, 병원성균 침입)에 의하여, 민감도가 높은 메탄 발효 미생물의 활성이 급격히 저하하면서 혐기성 소화조 내 유기산이 점차 축적되어 바이오가스 생산에 영향을 미치는 것을 방지하고, 고농도의 암모니아성 질소, 인산염, 마그네슘과 같은 무기염의 결정화(Struvite)에 따른 배관 폐색 현상을 방지하며, 높은 수준의 메탄 발효를 유지하면서 유지관리상의 편의성을 향상시킬 수 있는 혐기성 소화 시스템과 이를 이용한 바이오가스의 생산방법에 대하여 연구하던 중, MEC(Microbial Electrolysis Cells) 기술을 바탕으로 응용한 혐기성 소화유닛을 적용하면 유기산 축적 방지, 가수분해 및 메탄생성 율속단계 극복, 바이오가스 생산 극대화, 고농도 무기염의 결정화(Struvite)로 인한 배관 폐색 방지, 바이오가스 내 유독 성분을 지닌 황화수소 저감에 따른 바이오가스 정제 비용 절감 등의 효과를 달성할 수 있다는 점을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 본 발명에서는 MEC 기술을 접목시켜 혐기성 발효 미생물의 활성을 높여 미생물에 의한 분해효율 증대 및 전기화학 반응에 의한 유기물의 산화를 촉진시켜 가수분해 율속단계를 극복하고, 외부 충격으로 인한 소화조 불안정화로 소화조 내 유기산이 축적되어 바이오가스 생산효율이 저하되는 것을 방지하며, 고농도 무기염의 결정화로 인한 배관 폐색을 방지할 뿐만 아니라, 장치 부식 및 유독성 성분을 지닌 황화수소의 효율적인 제거와 동시에 안정적인 고속메탄 발효 및 메탄 수율 극대화하는 바이오가스의 생산방법 및 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 혐기성 소화유닛의 구조를 설명하는 개념도이고, 도 2는 본 발명의 다른 일 실시예인 바이오가스 생산시스템을 설명하는 개념도이며, 도 3과 도 4는 본 발명의 혐기성 소화유닛에 포함되는 전극모듈을 설명하는 도면이다. 이하, 도 1 내지 4를 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스의 생산방법은 혐기성 소화단계, 생물전기화학반응단계, 내부순환단계, 및 탈황단계를 포함하여 유기성 폐기물을 이용하여 바이오가스를 생산한다.
상기 혐기성 소화단계는, 혐기성 소화유닛(500)에 포함된 혐기성 소화조(30)로 유기성 폐기물을 유입시키고 혐기성 소화를 진행하여 소화액과 바이오가스를 생산하는 단계이다. 상기 혐기성 소화조로는 기존에 유기성 폐기물의 처리에 사용되는 혐기성 소화조라면 적용 가능하며, 예를 들어 하단이 호퍼 형태로 상향류식 타입이 적용되는 혐기성 소화조가 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 혐기성 소화단계에 유입되는 유기성 폐기물은 열가수분해조를 거치면서 1차 가수분해가 진행된 것일 수 있다.
상기 생물전기화학반응단계는 상기 소화액의 일부 또는 전부를 상기 혐기성 소화유닛(500)에 포함된 미생물전해전지반응조(40)로 유입시키고, 상기 미생물전해전지반응조(40)에 위치하며 산화전극과 환원전극을 포함하는 전극모듈(120)에 전압을 인가하여 상기 소화액에 포함되어 있던 유기산을 분해하고 반응액과 바이오가스를 생산하는 단계이다.
상기 내부순환단계는 상기 반응액의 일부 또는 전부가 상기 혐기성 소화조(30) 또는 혐기성 소화조(30)로 유입되는 상기 유기성 폐기물로 유입되는 단계이다.
또한, 상기 탈황단계는 상기 혐기성 소화단계에서 생산되는 바이오가스와 상기 생물전기화학반응단계에서 생산되는 바이오가스를 포함하는 바이오가스를 포집하고 바이오가스에 포함된 황 성분을 제거하여 탈황 바이오가스를 생산하는 단계이다.
본 발명에서 혐기성 소화조(30)와 미생물전해전지반응조(40)는 서로 연결되어 혐기성 소화조의 소화액이 미생물전해전지반응조로 전달되어 반응액으로 제조되고 이 반응액이 다시 혐기성 소화조로 유입되는 혐기성 소화유닛(500)의 내부순환 회로를 구성하게 된다. 이렇게 상기 혐기성 소화조 내부순환 회로 사이에 생물전기화학 기술을 접목한 미생물전해전지반응조가 설치되어 혐기성 소화조 내부순환액이 미생물전해전지반응조에서 생물전기화학에 의한 추가적인 처리가 이루어지게 하여 혐기성 소화조의 안정적이고 고효율의 바이오가스 생산을 가능하게 하고, 보조적으로 추가적인 바이오가스의 생산도 가능하도록 한다.
상기 미생물전해전지반응조(40)는 그 내부에 위치하는 전극모듈에 의하여 미생물전해전지반응조 내의 소화액의 화학적 그리고 생물학적 반응을 유도한다.
전극모듈이 인가되는 전압에 의하여 상기 미생물전해전지반응조 내에 전류가 흐르면, 전기화학적 산화 반응(Electrochemical Anode reaction, 반응식 1)과 전기화학적 환원 반응(Electrochemical Cathode reaction, 반응식 2)이 진행된다.
[반응식 1]
CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8H+ + 8e-
[반응식 2]
CO2 + 8H+ + 8e- → CH4 + 2H2O
이러한 유기물의 전기화학적 산화 및 전기화학적 환원을 통해 미생물전해전지반응조 내의 반응액의 pH를 조절하고, 이를 혐기성 소화조에 유입시키는 과정을 포함하는 혐기성 소화유닛의 내부순환 시스템에 의하여 혐기성 소화조 내 유기산 축적 제어와 동시에 pH 저하를 방지할 수 있다.
상기 전극모듈(120)은, 상기 미생물전해전지반응조(40) 단위 부피를 기준으로 1 내지 8의 단위면적을 갖는 전극을 포함할 수 있다. 이러한 비율로 전극모듈(120)이 전극을 포함하는 경우, 충분한 면적으로 생물전기화학 반응을 유도하여 효율적인 반응을 진행할 수 있다.
이때, 상기 전극모듈(120)에 포함되는 산화전극은 철, 산화철, 철함유합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하거나, 상기 군에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것일 수 있다.
상기 생물전기화학단계에서 전압이 인가되면 상기 산화전극으로부터 철 이온(Fe3+)이 용출되어 스트루브석(struvite) 용출을 억제할 수 있다.
구체적으로, 상기의 미생물전해전지반응조 내 산화전극이 금속철 또는 철이온을 포함하도록 구성하면 철의 전기적 산화로부터 3가 철(Fe3+)이온이 용출되는데, 이 철이온은 용액 내에서 마그네슘 이온과 경쟁적으로 암모늄이온(NH4 +)이나 인산염(PO4 3-)이온과 결합하며, 그 결합 속도가 철이온의 경우가 마그네슘 이온보다 더 빨라서, 결국 혐기성 소화조 내에서의 마그네슘(Mg2+)이온에 의한 struvite(MgNH4PO4) 결정화를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 이 스트루브석의 침전은 배관 등에 폐색을 발생시킬 수 있는데, 상기 철 이온을 용출시키는 방법으로 이러한 스트루브석의 침잔에 의한 배관 폐색을 방지하거나 지연시킬 수 있다.
또한, 3가 철(Fe3+)이온은 응집제 기능도 할 수 있어서, 혐기성 소화조 내 메탄 발효 미생물의 응집 및 그래뉴럴(Granular) 형성을 촉진시켜 바이오가스 생산을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 환원전극으로는 전기전도성 재료가 활용될 수 있으며, 금속류, 전기전도성 탄소와 같은 비금속류 등이 적용될 수 있고, 촉매제(구리, 니켈, 백금 등)를 코팅하여 환원전극 활성을 개량하여 사용할 수도 있다.
상기 생물전기화학반응단계에서 상기 소화액의 유입은 상향류식으로 적용되는 것일 수 있고, 구체적으로 하단이 호퍼 형태로 상향류식 타입이 적용될 수 있다.
상기 혐기성 소화유닛(500)에 포함되는 미생물전해전지반응조(40)와 혐기성 소화조(30)의 체적비는 1: 10 내지 80일 수 있다. 이러한 비율로 미생물전해전지반응조를 구성하는 경우 유입되는 유기성 폐기물의 종류와 부하에 따라 적절하게 소화액을 유입 속도나 반응액을 유출 속도를 조절하며 바이오가스를 효율적으로 생산할 수 있다.
상기 생물전기화학반응단계에서 상기 전극모듈(120)에 인가되는 전압은 1 V 이하일 수 있고, 0.001 V 내지 1 V의 전압이 인가될 수 있다. 상기 전입이 1.0V 이하로 유지되는 경우, 잡가스인 H2 생성을 억제할 수 있다.
상기 미생물전해전지반응조는 0.01 내지 0.08A의 전류를 공급할 수 있으며, 이러한 범위로 전류를 조절하여 적용하는 경우에 소화액 내에 존재하는 과량의 유기산을 효과적으로 제거할 수 있다.
상기 바이오가스의 생산방법은, 상기 혐기성 소화조(30) 내부의 pH를 모니터링하는 제1모니터링부(미도시)로부터 전달되는 정보와 미생물전해전지반응조(40) 내부의 pH를 모니터링하는 제2모니터링부(미도시)로부터 전달되는 정보를 이용하여 상기 전극모듈(120)에 인가되는 전압의 세기, 상기 생물전기화학반응단계로 유입되는 소화액의 양, 및 상기 내부순환단계에서 상기 혐기성 소화조(30)로 유입되는 반응액의 양을 제어하는 제어단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1모니니터링부와 제2모니터링부는 상기 미생물전해전지반응조와 상기 혐기성 소화조에서 실시간으로 미생물 전해전지 반응조 상태와 혐기성 소화조 상태를 체크하여 제어부(미도시)로 그 정보를 전달할 수 있고, 제어부에서는 혐기성 소화조 상태 변화에 따라 미생물전해전지반응조 순환율(소화액과 반응액의 유량), 상기 전극모듈(120)에 인가되는 전압이나 전류의 정도를 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어단계는 모니터링 부분과 제어부분으로 나눌 수 있는데, 모니터링 부분은 각각 혐기성 소화조 내 pH 실시간 모니터링과 미생물전해전지반응조 내 pH 실시간 모니터링으로 되어 있으며; 제어부분은 각각 미생물전해전지반응조 내 전압 증가 및 혐기성 소화조로의 내부순환율 제어하는 것으로 구분될 수 있다.
이 제어단계의 작동 원리 연결 알고리즘은 i) 혐기성 소화조 내 pH 변동에 따라 미생물전해전지반응조에서 혐기성 소화조로의 내부순환율이 조정되고; ii) 미생물전해전지반응조 내 pH 변화에 따라 미생물전해전지반응조 내 전압 공급이 조정될 수 있도록 설계될 수 있다.
상기 생물전기화학반응단계에서 상기 미생물전해전지반응조(40)에 머무는 상기 소화액의 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time)은 0.6 내지 1 일로 적용될 수 있다. 이러한 범위로 적용시 충분한 유기산 제거와 동시에 아래에서 설명하는 메탄 생성의 효과를 얻을 수 있어서 바이오 가스 생산의 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 미생물전해전지반응조는 대상물질(생분해도가 낮은 하수슬러지 및 생분해도가 높은 음식물쓰레기) 종류에 따라 HRT가 0.6h 내지 1day 범위에서 알맞게 조정될 수 있다. 물론 HRT가 길수록 혐기성 소화조 안정성 및 소화 효율이 향상될 수 있다. 또한 HRT가 길수록 VS 감량도 높아지게 된다.
상기의 미생물전해전지반응조는 혐기성 소화조의 안정적이고 고효율의 바이오가스 생산을 도모하는 보조작용 외에도 자체 미생물전해전지반응조에서도 생물학적 메탄 생성(Biological reaction: Methanogenesis - 약 70%의 CH3COOH을 CH4로 전환, 반응식 3) 및 전기화학적 메탄 생성(반응식 2)이 함께 이루어진다.
[반응식 3]
CH3COOH → CH4 + 2CO2 + energy
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 바이오가스 생산시스템은, 유기성 폐기물을 유입시키고 혐기성 소화를 진행하여 소화액과 바이오가스를 생산하는 혐기성 소화조(30); 산화전극과 환원전극을 포함하며 전압이 인가되는 전극모듈(120)을 그 내부에 포함하고 상기 소화액의 일부 또는 전부를 유입하여 상기 소화액에 포함되어 있던 유기산을 분해하고 반응액과 바이오가스를 생산하는 미생물전해전지반응조(40); 상기 혐기성 소화조(30)로부터 상기 미생물전해전지반응조(40)로 소화액을 이동시키는 소화액이동부(미도시); 및 상기 미생물전해전지반응조(40)로부터 상기 상기 혐기성 소화조(30) 또는 상기 혐기성 소화조(30)로 유입되는 상기 유기성 폐기물로 상기 반응액을 이동시키는 반응액이동부(미도시);를 포함하는 혐기성 소화유닛(500); 그리고 상기 혐기성 소화조(30)에서 생산되는 바이오가스와 상기 미생물전해전지반응조(40)에서 생산되는 바이오가스를 포집하고 저장하는 바이오가스 저장조(70)를 포함하여 유기성 폐기물을 이용하여 바이오가스를 효율적으로 생산한다.
상기 소화액이동부와 상기 반응액이동부는 각각 독립적으로 배관과 유량을 조절할 수 있는 펌프 등을 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 산화전극은 철, 산화철, 철함유합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 혐기성 소화유닛(500)에 포함되는 미생물전해전지반응조(40)와 혐기성 소화조(30) 각각의 내부공간의 체적비는 1: 10 내지 80일 수 있다.
상기 전극모듈(120)은, 상기 미생물전해전지반응조(40) 단위 부피를 기준으로 1 내지 8의 단위면적을 갖도록 설치될 수 있다.
상기 바이오가스 생산시스템은 모니터링부, 유량제어부, 전압제어부 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 더 포함하고,
상기 모니터링부는 상기 혐기성 소화조(30) 내부와 상기 미생물전해전지반응조(40) 내부의 pH를 모니터링하는 것이고, 상기 유량제어부는 상기 소화액이동부를 통하여 이동되는 소화액의 유량과 상기 반응액이동부를 통하여 이동되는 반응액의 유량을 제어하는 것이며, 상기 전압제어부는 상기 전극모듈(120)로 인가되는 전압을 제어하여 상기 미생물전해전지반응조(40) 내에 위치하는 소화액의 pH를 조절하는 것일 수 있다.
상기 바이오가스 생산시스템은, 상기 바이오가스 저장조(70)와 연결되며 상기 바이오가스로부터 황 성분을 제거하는 탈황설비(80)을 더 포함할 수 있다.
상기 미생물전해전지반응조의 형태는 재래식 혐기성 소화조 형태로 대부분 설계될 수 있지만 특히 하단이 호퍼 형태로 해서 상향류식 타입으로 설계시에는 내용물과 전극 표면의 농도분극현상이 완화될 수 있으므로 전극 표면 반응이 더욱 원활하게 이루어지면서 혐기성 소화 효율이 더 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 혐기성 소화유닛(500)은 내부 공간으로 유입되는 유기성 폐기물을 이용하여 혐기성 소화가 진행되고, 상기 유기성 폐기물로부터 소화액과 바이오가스를 생산하는 혐기성소화조(30); 그리고 각각 적어도 하나 이상의 산화전극과 환원전극을 포함하는 전극모듈(120)이 배치되며, 상기 소화액이 유입되는 내부공간에서 상기 산화전극과 상기 환원전극에 인가되는 전압으로 유도되는 산화환원반응에 의하여 pH가 조절된 반응액과 바이오가스를 생산하는 미생물전해전지반응조(40);를 포함한다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 전극모듈(120)은 제1 전극부(121) 및 제2 전극부(122)를 포함하며 생물전기화학 반응조 내에 배치되어 있다.
제1 전극부는(121) 산화전극(121a), 환원전극(121b) 및 고정부(121c)를 포함한다. 상기 고정부는 예를 들어 절연 특성을 갖는 볼트가 적용될 수 있다.
산화전극(121a)과 환원전극(121b)은 기설정된 넓이를 가지며 서로 이웃하게 배치될 수 있다. 산화전극(121a)과 환원전극(121b)은 복수 형성되며 산화전극(121a)과 환원전극(121b)은 기설정된 간격으로 떨어져 교번적으로 배치되어 있을 수 있다.
산화전극(121a)은 철로 만들어질 수 있다. 산화전극(121a)을 철로 이용함은 철의 전기적 산화로부터 3가 철(Fe3 +) 이온이 용출되는데 이는 마그네슘(Mg2 +)이온이 소화조 내 암모늄이온(NH4+) 및 인산염(PO4 3-)이온과 결속하여 struvite 결정을 결속력보다 훨씬 빨라 혐기성 소화조 내에서의 마그네슘(Mg2 +)이온에 의한 struvite(MgNH4PO4) 결정화를 억제하게 되며, 더욱이 3가 철(Fe3+)이온은 응집제 기능을 보유하고 있어 혐기성 소화조 내 메탄 발효 미생물의 응집 및 그래뉴럴(Granular) 형성을 촉진시켜 바이오가스 생산 극대화할 수 있다.
환원전극(121b)은 모든 금속류 및 탄소와 같은 비금속뿐만 아니라 다양한 도전 가능 재질의 합성품을 사용할 수 있다. 더욱이 환원전극(121b)은 단일 재질 외에도 촉매제를 코팅하여 환원전극 활성을 개량할 수 있다. 촉매제는 구리, 니켈, 백금 등 일 수 있다.
고정부(121c)는 산화전극(121a)과 환원전극(121b) 사이에 배치되어 있다. 고정부(121c)는 산화전극(121a)과 환원전극(121b)의 떨어진 간격을 유지한다. 간격은 1 내지 100mm 범위의 간격을 유지될 수 있다.
산화전극(121a), 환원전극(121b) 및 고정부(121c)를 포함하는 제1 전극부(120)는 하나의 모듈이 될 수 있다.
제2 전극부(122)는 산화전극(122a), 환원전극(122b) 및 고정부(122c)를 포함한다. 제2 전극부(122)의 산화전극(122a), 환원전극(122b) 및 고정부(122c)의 구성 및 작용은 제1 전극부(121)의 산화전극(121a), 환원전극(121b) 및 고정부(121c)의 구성 및 작용과 동일하다. 이에 제2 전극부(122)의 산화전극(122a), 환원전극(122b) 및 고정부(122c)에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제2 전극부(122)는 제1 전극부(121) 외부에 배치되어 있다. 제2 전극부(122)는 제1 전극부(121)와 떨어져 있다.
위 설명과 첨부된 도면 도 3 및 도 4 에서 전극모듈(120)을 제1 전극부(121) 및 제2 전극부(122)로 설명하였으나, 모듈은 미생물전해전지반응조 내에서 1 m3의 부피에 대비 1 내지 8 m2의 비율에 상응하도록 복수 설치될 수 있다. 이에 전극모듈은 제3 전극부, 제4 전극부(도시하지 않음) 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 전극모듈(120)을 평면에서 본 모양을 원형으로 도시하였으나 그 모양은 다양하게 변경될 수 있다.
예를 들어, 상기 미생물전해전지반응조 내 산화전극 및 환원전극은 평평한 면으로 각각 원통형상을 갖도록 제조되어 있으며, 이러한 산화전극과 환원전극 사이는 MC나일론 재질의 볼트를 이용하여 1 내지 10cm 범위의 간격을 유지될 수 있도록 하여 하나의 모듈로 구성시켜 사용될 수 있고, 복수개가 함께 상기 반응조 내에 배치될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 유기성폐기물 저장조 20: 열가수분해조
30: 혐기성 소화조 40: 미생물전해전지반응조
50: 처리액 저장조 60: 탈수기
70: 바이오가스 저장조 80: 탈황설비
90: 발전기 100: 스팀 발생기
110: 자동제어판넬 120: 전극모듈
121: 산화전극 122: 환원전극
130: 고정부 500: 혐기성 소화유닛

Claims (13)

  1. 혐기성 소화유닛에 포함된 혐기성 소화조로 유기성 폐기물을 유입시키고 혐기성 소화를 진행하여 소화액과 바이오가스를 생산하는 혐기성 소화단계;
    상기 소화액의 일부 또는 전부를 상기 혐기성 소화유닛에 포함된 미생물전해전지반응조로 유입시키고, 상기 미생물전해전지반응조에 위치하며 i) 산화전극, ii) 상기 산화전극과 이웃한 환원전극 및 iii) 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부를 포함하는 전극모듈에 전압을 인가하여 상기 소화액에 포함되어 있던 유기산을 분해하고 반응액과 바이오가스를 생산하는 생물전기화학반응단계;
    상기 반응액의 일부 또는 전부가 i) 상기 혐기성 소화조, 또는 ii) 혐기성 소화조로 유입되는 상기 유기성 폐기물,로 유입되는 내부순환단계; 및
    상기 혐기성 소화단계에서 생산되는 바이오가스와 상기 생물전기화학반응단계에서 생산되는 바이오가스를 포함하는 바이오가스를 포집하고, 바이오가스에 포함된 황 성분을 제거하여 탈황 바이오가스를 생산하는 탈황단계;를 포함하고,
    상기 산화전극은 철, 산화철, 철함유합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하여 상기 전극모듈에 인가된 전압에 의하여 진행되는 전기적인 산화로 인하여 3가 철 이온(Fe3+)을 용출하는 것이고,
    상기 전극모듈은 상기 미생물전해전지반응조의 단위부피를 기준으로 1 내지 8 배의 단위면적을 갖는 것이며,
    상기 미생물전해전지반응조와 상기 혐기성 소화조은 그 내부 공간의 체적비가 1:10 내지 80인, 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스의 생산방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생물전기화학반응단계에서 상기 소화액의 유입은 상향류식으로 적용되며, 상기 생물전기화학반응단계에서 상기 미생물전해전지반응조에는 0.01 내지 0.08 A의 전류가 공급되는, 바이오가스의 생산방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 생물전기화학반응단계에서 상기 전극모듈에 인가되는 전압은 1 V 이하인, 바이오가스의 생산방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바이오가스의 생산방법은, 상기 혐기성 소화조 내부의 pH를 모니터링하는 제1모니터링부로부터 전달되는 정보와 미생물전해전지반응조 내부의 pH를 모니터링하는 제2모니터링부로부터 전달되는 정보를 이용하여 상기 전극모듈에 인가되는 전압의 세기, 상기 생물전기화학반응단계로 유입되는 소화액의 양, 및 상기 내부순환단계에서 상기 혐기성 소화조로 유입되는 반응액의 양을 제어하는 제어단계;를 더 포함하는, 바이오가스의 생산방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 생물전기화학반응단계에서 상기 미생물전해전지반응조에 머무는 상기 소화액의 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time)은 0.6 내지 1 일인, 바이오가스의 생산방법.
  6. 유입된 유기성 폐기물로 혐기성 소화를 진행하여 소화액과 바이오가스를 생산하는 혐기성 소화조; i) 산화전극, ii) 상기 산화전극과 이웃한 환원전극 및 iii) 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부를 포함하며 전압이 인가되는 전극모듈을 그 내부에 포함하고 상기 소화액의 일부 또는 전부를 유입하여 상기 소화액에 포함되어 있던 유기산을 분해하고 반응액과 바이오가스를 생산하는 미생물전해전지반응조; 상기 혐기성 소화조로부터 상기 미생물전해전지반응조로 소화액을 이동시키는 소화액이동부; 및 상기 미생물전해전지반응조로부터 상기 혐기성 소화조 또는 상기 혐기성 소화조로 유입되는 상기 유기성 폐기물로 상기 반응액을 이동시키는 반응액이동부;를 포함하는 혐기성 소화유닛; 그리고
    상기 혐기성 소화조에서 생산되는 바이오가스와 상기 미생물전해전지반응조에서 생산되는 바이오가스를 포집하고 저장하는 바이오가스 저장조;를 포함하여 유기성 폐기물을 이용하여 바이오가스를 생산하며,
    상기 산화전극은 철, 산화철, 철함유합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하여, 상기 전극모듈에 인가된 전압에 의하여 진행되는 전기적인 산화로 인하여 3가 철 이온(Fe3+)을 용출하는 것이고,
    상기 미생물전해전지반응조의 단위부피를 기준으로 상기 전극모듈은 1 내지 8 배의 단위면적을 갖는 것이며,
    상기 미생물전해전지반응조와 상기 혐기성 소화조는 그 내부 공간의 체적비가 1:10 내지 80인, 바이오가스 생산시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 미생물전해전지반응조에 유입되는 상기 소화액은 상향류식으로 유입되는, 바이오가스 생산시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 미생물전해전지반응조에는 0.01 내지 0.08 A의 전류가 공급되는, 바이오가스 생산시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 산화전극과 상기 환원전극은 교번적으로 복수 배치되어 폐루프를 이루는, 바이오가스 생산시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 바이오가스 생산시스템은 모니터링부, 유량제어부, 전압제어부 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 더 포함하고,
    상기 모니터링부는 상기 혐기성 소화조 내부와 상기 미생물전해전지반응조 내부의 pH를 모니터링하는 것이고, 상기 유량제어부는 상기 소화액이동부를 통하여 이동되는 소화액의 유량과 상기 반응액이동부를 통하여 이동되는 반응액의 유량을 제어하는 것이며, 상기 전압제어부는 상기 전극모듈로 인가되는 전압을 제어하여 상기 미생물전해전지반응조 내에 위치하는 소화액의 pH를 조절하는 것인, 바이오가스 생산시스템.
  11. 내부 공간으로 유입되는 유기성 폐기물을 이용하여 혐기성 소화가 진행되고, 상기 유기성 폐기물로부터 소화액과 바이오가스를 생산하는 혐기성소화조; 그리고
    i) 산화전극, ii) 상기 산화전극과 이웃한 환원전극 및 iii) 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부를 포함하는 전극모듈이 배치되며, 상기 소화액이 유입되는 내부공간에서 상기 산화전극과 상기 환원전극에 인가되는 전압으로 유도되는 산화환원반응에 의하여 pH가 조절된 반응액과 바이오가스를 생산하는 미생물전해전지반응조;를 포함하고,
    상기 혐기성 소화조로부터 상기 미생물전해전지반응조로 상기 소화액을 이동시키는 소화액이동부; 및 상기 미생물전해전지반응조로부터 상기 혐기성 소화조 또는 상기 혐기성 소화조로 유입되는 상기 유기성 폐기물로, 상기 반응액을 이동시키는 반응액이동부;를 더 포함하며,
    상기 산화전극은 철, 산화철, 철함유합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하여, 전기적인 산화로 인하여 3가 철 이온(Fe3+)이 용출되는 것이고,
    상기 미생물전해전지반응조의 단위부피를 기준으로 상기 전극모듈은 1 내지 8 배의 단위면적을 갖는 것이며,
    상기 미생물전해전지반응조와 상기 혐기성 소화조는 그 내부 공간의 체적비가 1:10 내지 80인, 혐기성 소화유닛.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 산화전극과 상기 환원전극은 교번적으로 복수 배치되어 폐루프를 이루는, 혐기성 소화유닛.
  13. 제11항에 있어서, 상기 전극모듈은,
    상기 산화전극, 상기 환원전극 및 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부;를 포함하는 제1 전극부, 그리고 상기 제1 전극부 외측에 배치되어 있으며 상기 산화전극, 상기 환원전극 및 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부;를 포함하는 제2 전극부를 포함하며, 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부는 서로 떨어져 있는, 혐기성 소화유닛.
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