KR101777951B1 - 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소화조의 혐기성 소화 효율을 향상시키기 위해 지오박터(Geobacter)를 배양하여 소화조로 공급 가능한 혐기성 소화장치에 관한 것이다. 본 발명은, 유기성 폐기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화를 행하는 소화조와, 지오박터(Geobacter)를 배양하여 상기 소화조로 공급하기 위한 배양조 및 상기 배양조와 상기 소화조를 연결하며, 상기 배양조에서 배양된 지오박터(Geobacter)를 상기 소화조에 공급하는 공급관을 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치를 제공한다.

Description

소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치 {Anaerobic Digester for High Digestion Rate}
본 발명은 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소화조의 혐기성 소화 효율을 향상시키기 위해 지오박터(Geobacter)를 배양하여 소화조로 공급 가능한 혐기성 소화장치에 관한 것이다.
혐기성 소화 처리는 예전부터 기술이 확립되어 발전되고 있는 전통적인 기술로서, 비교적 기온이 온난한 지역에서 액상 및 반고상폐기물의 처리에 이용되고 있다. 혐기성 소화 처리는 1900년경부터 하수처리의 슬러지 감량화 기술로서 환경분야에 접근 되었으며, 1950년대 후반에는 효모제조폐수 등의 공장폐수처리에 응용화되었다.
혐기성 소화 처리는 일명 '메탄발효'라고도 하며, 폐수 혹은 폐기물 처리와 동시에 메탄이라는 에너지를 회수하기 위하여 적용되고 있다. 혐기성 소화는 산소가 없는 무산소상태에서 분해가능한 유기물을 분해시켜 메탄으로 전환시키는 것으로, 혐기성 소화 공정은 밀폐된 용기에 공기를 차단하고 혐기적인 조건으로 적절한 보온 하에서 유기물이 환원 분해되며 이루어진다. 혐기성 소화는 오니의 안정화 및 용적, 함수율, 악취 등의 감소에 효과적이다.
혐기성 소화는 생물학적처리 범주 내에 포함되며, 초기에는 통성혐기성균이 작용하여 가수분해와 산발효를 시키고, 산소가 고갈되는 지점에서 편성혐기성균인 메탄균이 메탄을 생성하게 된다.
구체적으로, 유기물을 분해하기 위한 방법으로는 미생물을 이용한 혐기성소화법이 사용되며, 혐기성 소화에 의한 슬러지의 분해과정은 가수분해단계, 산생성단계 및 메탄생성단계의 3단계로 나눌 수 있다. 각 단계의 반응은 발효균, 아세트산 및 수소생성균, 그리고 메탄생성균 등 서로 다른 미생물에 의하여 이루어지며, 이들의 활동은 유기적으로 연결되어 있다.
가수분해단계에서는 복잡한 구조의 유기 화합물(탄수화물, 단백질, 지질 등)이 가수분해균과 발효균의 가수분해효소에 의해 분해되는 과정으로 복잡한 유기물이 용해성의 당, 알콜, 지방산, 아미노산 등으로 분해된다. 이 단계는 유기물이 무기물로 변하지 않고, 다른 형태로 유기물로 분해되는 것이다.
산생성단계는 유기산이나 질소화합물 등이 분해되는 것으로, 아미노산, 당류, 일부 지방산은 더 분해되어 수소, 이산화탄소와 함께 아세트산, 프로피온산, 부틸산 등을 생성한다. 또한, 프로피온산과 부틸산은 더 분해되어 메탄생성의 전구물질인 수소, 이산화탄소, 아세테이트를 생성한다.
메탄생성단계는 산생성단계에서 생성된 수소 및 아세트산이 메탄으로 변화되는 것으로, 이 과정에서 실질적인 유기물의 제거가 이루어지며, 무기물이 생성된다. 메탄생성단계에 의해 대부분의 유기물이 분해되어 탄산가스나 메테인가스가 발생하고 슬러지는 안정된다.
혐기성 소화는 분해를 통해 생산된 바이오가스를 발전기나 보일러에 이용할 수 있으며, 많은 양의 공기를 통기시켜야 하는 활성오니법에 비교하여 소비전력이 적다는 장점이 있다.
하지만, 혐기성 소화는 유기물을 분해하기 위하여 평균 20일 이상의 긴 체류시간을 거쳐야하며, 이를 위해서는 반응조 용량이 커야 한다.
이에 따라, 혐기성 소화효율을 향상시키기 위해 온도, PH 등을 최적화하는 방법 등의 기술들이 연구되었으며, 가수분해 단계가 느려서 전체공정의 처리시간에 중요한 요소가 되기 때문에, 가수분해(Hydrolysis) 영역을 가속화하기 위한 기술은 많이 연구되었다.
가수분해 촉진을 위한 전처리 단계로서, 오존과 알칼리를 이용한 전처리가 알려져 있으며, 이는 미생물 세포벽 파괴를 위한 전처리 기술로 알칼리 약품을 투여하는 알칼리처리와 오존을 이용한 기술을 직렬적으로 적용할 수 있다. 오존처리법이나 알칼리 처리법들은 전통적으로 미생물의 살균을 위하여 사용되어 온 방법들로, 효과적으로 미생물 세포벽을 파괴하는 것으로 알려져 있다.
하지만, 메탄생성단계(Methanogenesis)에서의 반응 촉진을 위한 기술은 많이 개발되지 않았으며, 메탄생성을 가속화시켜 소화 효율을 보다 높이기 위한 방법이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 2002-0095485호. (2002.12.27. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치, 특히 소화조의 혐기성 소화 효율을 향상시키기 위해 지오박터(Geobacter)를 배양하여 소화조로 공급 가능한 혐기성 소화장치를 제공하는 것에 목적이 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 유기성 폐기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화를 행하는 소화조와, 지오박터(Geobacter)를 배양하여 상기 소화조로 공급하기 위한 배양조 및 상기 배양조와 상기 소화조를 연결하며, 상기 배양조에서 배양된 지오박터(Geobacter)를 상기 소화조에 공급하는 공급관을 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치를 제공한다.
상기 배양조는, 상기 배양조 내부에 설치되며 산화전극과 환원전극이 일체로 결합된 전극모듈 및 상기 전극모듈의 산화전극과 환원전극에 전원을 공급하는 전원장치를 포함할 수 있다.
상기 공급관은, 상기 배양조에서 공급되는 원수를 지오박터(Geobacter)와 처리수로 분리하는 분리막을 포함할 수 있다.
삭제
상기 전극모듈은, 탄소계열물질이나 탄소계열물질의 복합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 전극모듈은, 상기 산화전극과 환원전극 사이에 배치되는 스페이서를 더 포함하며, 상기 스페이서는 다공성 물질로 형성될 수 있다.
상기 배양조는, 지오박터(Geobacter)의 생물막(Biofilm) 형성을 돕는 전도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배양조에는 산화철(Iron Oxide)이 주입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소화조 내의 유기성 폐기물의 농도를 측정하는 센서부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 센서부에 의해 측정된 유기성 폐기물의 농도에 따라 상기 배양조로부터 상기 소화조로 지오박터(Geobacter)가 공급되는 주기를 결정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배양조는, 상기 배양조 내의 혼합물을 교반하는 교반기를 포함할 수 있다.
상기 배양조는, 35~55℃의 온도를 갖는 혐기성 조건인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소화조는, 상기 소화조에서 배출되는 배출수에 포함된 지오박터(Geobacter)를 포집하는 포집장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 소화조는, 상기 포집장치에 의해 포집된 지오박터(Geobacter)를 상기 소화조로 재투입하는 회수관을 더 포함할 수 있다.
상기 소화조는, 상기 소화조의 일측면에 형성되어 폐수를 유입하는 유입관 및 상기 소화조의 타측면에 형성되어 소화 처리가 완료된 소화여액이 배출되는 배출관을 포함할 수 있다.
상기 소화조는, 상기 소화조의 상부에 형성되어 상기 소화조 내부에서 소화작용에 의해 생성된 바이오가스가 배출되는 가스 배출관을 더 포함할 수 있다.
상기 소화조로 공급된 지오박터(Geobacter)는 메탄생성균으로 전자를 전달하여 메탄생성을 가속화하는 것을 특징으로 한다.
상기 분리막에 의해 분리된 지오박터(Geobacter)는 상기 소화조로 공급되며, 처리수는 다시 상기 배양조로 유입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치에 따르면, 배양조에서 배양된 지오박터(Geobacter)를 소화조로 공급함으로써, 지오박터(Geobacter)가 메탄생성균으로 전자를 전달하여 메탄생성을 가속화할 수 있어 혐기성 소화효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 지오박터(Geobacter)가 배양조에서 소화조로 공급될 때 분리막에 의해 지오박터(Geobacter)만 분리 공급됨으로써 더욱 효율적으로 공급이 가능하다.
또한, 지오박터(Geobacter)를 배양하기 위한 배양조는 산화전극과 환원전극이 일체로 결합된 전극모듈 또는 지오박터(Geobacter)의 생물막(Biofilm) 형성을 돕는 전도체를 포함하거나, 산화철(Iron Oxide)이 주입됨으로써, 지오박터(Geobacter)를 효과적으로 배양할 수 있다.
또한, 센서부에 의해 측정된 소화조 내 유기성 폐기물의 농도에 따라 소화조로 공급되는 지오박터(Geobacter)의 공급주기를 결정함으로써, 지오박터(Geobacter)를 소화조에 효율적으로 공급할 수 있다.
또한, 소화조로부터 배출된 배출수에 포함된 지오박터(Geobacter)를 포집하여 소화조로 재투입함으로써, 지오박터(Geobacter)의 유실을 방지하고, 소화조의 소화효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 전극모듈을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 소화조 내에서 일어나는 혐기성 소화공정을 단계적으로 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도1 내지 도5를 참조하여 설명하도록 한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치를 도시한 단면도, 도 2는 도 1의 전극모듈을 도시한 단면도, 도 3은 도 1의 소화조 내에서 일어나는 혐기성 소화공정을 단계적으로 나타낸 개략도, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치를 도시한 단면도이며, 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치를 도시한 단면도이다.
본 발명의 혐기성 소화장치는 하수슬러지, 음식폐기물, 농축산폐기물, 분뇨, 펄프 및 제지폐수, 매립지 침출수 등과 같이 유기물의 함량이 높은 다양한 유기성 폐수 또는 슬러리형 유기성 폐기물을 처리하기 위해 적용될 수 있으며, 부산물로서 바이오가스를 생산한다.
우선, 도1 내지 도3을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치의 구조에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 혐기성 소화장치는 개략적으로 소화조(100)와, 배양조(200)와, 센서부(300)와, 제어부(400) 및 포집장치(120)를 포함하여 이루어진다.
소화조(100)는 유기성 폐기물을 소화하여 메탄가스를 생성하기 위한 것으로, 혐기성 소화가 일어나는 곳이다. 소화조(100)는 원통형상으로 형성될 수 있으며, 일측면에는 폐수가 유입되기 위한 유입관(10), 타측면에는 소화 처리가 완료된 소화여액이 배출되는 배출관(20)이 구비된다. 또한, 상기 소화조(100)의 상부에는 소화조(100) 내부에서 혐기성 소화작용에 의해 생성된 바이오가스가 배출되기 위한 가스 배출관(30)이 형성된다. 이 때, 바이오가스는 상기 소화조(100) 내에서 유기성 폐기물의 혐기성 소화에 의해 발생된 탄산가스와 메탄가스를 의미한다.
본 일 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 유입관(10)이 상기 소화조(100)의 일측 하부에 형성되었으며, 배출관(20)이 상기 소화조(100)의 타측 상부에 형성되었다. 이에 따라, 상기 유입관(10)을 통해 소화조(100)의 하부로 유입된 폐수가 혐기성 소화작용을 통해 처리된 후 상기 배출관(20)을 통해 상부로 배출되며, 혐기성 소화작용에 의해 발생된 바이오가스는 상기 소화조(100) 상부의 가스 배출관(30)을 통해 배출된다. 상기 가스 배출관(30)은 가스저장소(40)에 연결되어 있으며, 가스저장소(40)에 저장된 바이오가스는 발전기나 보일러에 이용될 수 있다.
상기 소화조(100)는 유기성 폐기물과 이를 분해하기 위한 혐기성 미생물들을 포함하고 있으며, 혐기성 반응조, 즉 소화조(100)를 설계하는 단계에서 중요한 것은 밀폐된 공간 내에서 산소를 차단시키면서 소화조(100) 내의 미생물과 유기물을 접촉시켜 효율을 향상시키는 것이다. 이를 위해 상기 소화조(100)는 유기성 폐기물과 혐기성 미생물들을 교반하기 위한 교반기를 포함할 수 있다.
상기 소화조(100)에서 일어나는 유기성 폐기물의 혐기성 소화작용은 가수분해단계와, 산생성단계 및 메탄생성단계를 거쳐 일어나며, 이는 공지된 혐기성 소화작용과 크게 다르지 않다. 이에 대한 자세한 설명은 아래에서 설명하도록 한다.
또한, 혐기성 소화는 크게 산 생성단계와 메탄 생성단계로 구분될 수 있으며, 본 일 실시예에서와 같이 혐기성 소화가 하나의 소화조(100)에서 일어날 수 있을 뿐만 아니라, 산생성 및 메탄생성단계상의 독자적인 반응조를 구성하여 일어날 수도 있다.
배양조(200)는 미생물 배양조로, 특히 지오박터(Geobacter)를 배양하기 위한 것이며, 배양된 지오박터(Geobacter)를 상기 소화조(100)로 공급한다. 상기 소화조(100)에는 혐기성 소화의 각 단계를 위한 미생물들이 존재하고 있으나, food waste, sewage sludge, manure등의 organic waste에는 통상적으로 지오박터(Geobacter)가 희박하게 존재하고 있다.
이 때 지오박터(Geobacter)란, 유기 폐기물과 침전물에서 전류를 생산하는 과정에 도움을 줄 수 있는 미생물로, 전자를 전달할 수 있다. 지오박터(Geobacter)는 전자의 이동을 돕는 생물막(Biofilm)을 갖으며, 양분으로 아세테이트 등을 이용한다. 또한, 지오박터(Geobacter)는 생물막과 결합되어있는 필리(Pili)라고 불리는 매우 미세한 머리카락 같은 필라멘트를 갖으며, 필리(Pili)를 따라서 전자가 전도될 수 있다. 상기 필리(Pili)는 극도로 미세하여 직경이 3-5nm에 해당하고, 길이는 약 20,000nm에 해당하여, 길이가 폭에 비해 매우 길다.
이와 같이, 상기 배양조(200)는 지오박터(Geobacter)를 배양하기 위한 것이므로, 지오박터가 효과적으로 배양될 수 있는 환경을 갖추어야 한다. 이를 위해, 본 제1 실시예에서는 상기 배양조(200)가 배양조 내부에 설치되며 산화전극(242)과 환원전극(244)이 일체로 결합된 전극모듈(240)과, 상기 전극모듈(240)의 산화전극과 환원전극에 전원을 공급하는 전원장치(250)를 포함한다. 상기 전원장치(250)는 전기분해가 일어나지 않도록 1.2V 미만의 DC 전압을 인가하며, 전압을 0.2 ~ 0.6V 사이로 유지하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 전기적으로 활성을 가진 지오박터(Geobacter)는 전극 표면에서 부착 성장되어 효과적으로 배양될 수 있다.
또한, 상기 전극모듈(240)은 전기전도도가 우수하고 부식에 대하여 강하며, 비표면적이 넓고 생물친화도가 좋은 탄소계열물질이나 탄소계열물질의 복합물로 이루어지는 것이 바람직하며, 탄소계열물질로는 탄소펠트(Carbon Felt), 탄소섬유직물(Carbon Fiber), 탄소천(Carbon Fabric), 흑연(Graphite), 탄소나노튜브(Carbon nanotube) 등이 있다. 상기 전극모듈(240)은 상기 산화전극(242)과 환원전극(244) 사이에 배치되는 스페이서(243)를 더 포함하여, 도 2에 도시된 것과 같이, 산화전극(242), 스페이서(243) 및 환원전극(244)이 차례로 결합된 모듈을 형성할 수 있다. 상기 스페이서(243)는 산화전극과 환원전극의 접촉으로 인하여 발생하는 단회로 현상을 방지하기 위한 것으로, 부직포와 같은 투수성 직물이나 다공성 물질 등으로 형성되는 것이 바람직하다. 산화전극과 환원전극을 충분히 공간적으로 이격시켜 직접접촉으로 인한 단회로 형성을 방지할 수 있는 경우에는 스페이서를 사용하지 않아도 무방하다.
또한, 상기 배양조(200)는, 상기 배양조(200) 내의 혼합물을 교반하는 교반기(260)를 포함할 수 있다. 교반방식은 기본적으로는 산소를 차단한다는 전제조건에서 내부수를 순환시키거나 혼합시키는 방식을 채택하고 있으며, 혼합방식에 따라, 내부수를 펌프에 의하여 순환시키는 펌프순환방식과, 모터를 설치하고 내부에 실린더형의 순환관로를 설치하여 모터의 교반에 의해 물질을 순환시키는 기계교반방식, 또는 블러워에 의해 내부가스를 순환시켜 공기력에 의하여 내부를 혼합시키는 가스교반방식으로 분류될 수 있다. 본 일 실시예에서, 상기 교반기(260)는 블레이드로 이루어지며, 블레이드를 회전시킴으로써 상기 배양조(200) 내의 혼합물을 교반시킬 수 있다. 상기 교반기(260)는 별도로 설치되는 모터에 의해 구동될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 어떠한 교반방식이라도 무관하다.
상기 배양조(200)는, 35~55℃의 온도를 갖는 혐기성 조건인 것이 바람직하다. 지오박터(Geobacter)는 혐기성 미생물로, 지오박터가 배양되기 위해서는 혐기성 조건이어야 하며, 35~55℃의 온도일 때 효과적으로 배양될 수 있다.
상기 소화조(100)와 상기 배양조(200)는 공급관(220)에 의해 연결되며, 상기 공급관(220)에 의해 상기 배양조(200)에서 배양된 지오박터(Geobacter)가 상기 소화조(100)에 공급된다.
상기 공급관(220)은, 상기 배양조(200)에서 공급되는 원수를 지오박터(Geobacter)와 처리수로 분리하는 분리막(222)을 포함하며, 상기 분리막(222)에 의해 분리된 지오박터(Geobacter)는 상기 소화조(100)로 공급되고, 처리수는 다시 배양조(200)로 유입될 수 있다. 이에 따라, 지오박터(Geobacter)가 상기 배양조(200)에서 소화조(100)로 공급될 때 상기 분리막(222)에 의해 지오박터(Geobacter)만 분리 공급됨으로써 더욱 효율적으로 공급이 가능하다.
본 일 실시예의 혐기성 소화장치는 상기 소화조(100) 내 유기성 폐기물의 농도에 따라 상기 배양조(200)로부터 지오박터(Geobacter)를 효율적으로 공급하기 위하여, 센서부(300)와 제어부(400)를 포함할 수 있다.
센서부(300)는 상기 소화조(100) 내의 유기성 폐기물의 농도를 측정한다. 상기 센서부(300)에 의해 측정된 유기물의 농도는 제어부(400)로 전달된다.
제어부(400)는 상기 센서부(300)에 의해 측정된 유기성 폐기물의 농도에 따라 상기 배양조(200)로부터 상기 소화조(100)로 지오박터(Geobacter)가 공급되는 주기를 결정한다. 상기 제어부(400)는 상기 센서부(300)에 연결되어, 상기 센서부(300)로부터 측정된 유기물의 농도를 전달받으며, 측정된 유기물의 농도가 높으면 상기 배양조(200)로부터 상기 소화조(100)로 지오박터(Geobacter)가 공급되는 주기를 짧게하여 충분한 양이 공급되도록 하고, 측정된 유기물의 농도가 낮으면 상기 배양조(200)로부터 상기 소화조(100)로 지오박터(Geobacter)가 공급되는 주기를 길게하여 적은 양이 공급되도록 결정할 수 있다.
상기와 같이, 상기 센서부(300)에 의해 측정된 소화조(100) 내 유기성 폐기물의 농도에 따라 소화조(100)로 공급되는 지오박터(Geobacter)의 공급주기를 결정함으로써, 지오박터(Geobacter)를 소화조에 효율적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 일 실시예의 혐기성 소화장치는 지오박터(Geobacter)의 유실을 방지하고, 상기 소화조(100)의 소화효율을 향상시키기 위해, 포집장치(120)와 회수관(140)을 포함할 수 있다.
포집장치(120)는 상기 소화조(100)에서 배출되는 배출수에 포함된 지오박터(Geobacter)를 포집하기 위한 장치로, 상기의 배양조(200)에서 공급되는 원수를 지오박터(Geobacter)와 처리수로 분리하는 분리막(222)과 같은 종류의 것이 사용될 수 있다. 상기 포집장치(120)는 상기 소화조(100)에 설치되며, 특히 본 일 실시예에서와 같이 소화조의 배출관(20)에 설치될 수 있다.
회수관(140)은 상기 포집장치(120)에 의해 포집된 지오박터(Geobacter)를 상기 소화조(100)로 재투입하기 위한 것이며, 상기 소화조(100)로부터 배출된 배출수에 포함된 지오박터(Geobacter)를 포집하여 소화조로 재투입함으로써, 지오박터(Geobacter)의 유실을 방지하고, 소화조의 소화효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로는, 도 3을 참고하여 상기 소화조(100) 내에서 일어나는 혐기성 소화 과정에 대하여 설명하도록 한다.
혐기성 소화 과정은 크게 가수분해단계, 산생성단계 및 메탄생성단계의 3단계로 나눌 수 있다. 각 단계의 반응은 가수분해균 및 발효균, 아세트산 및 수소생성균, 그리고 메탄생성균 등 서로 다른 미생물에 의하여 이루어지며, 이들의 활동은 유기적으로 연결되어 있다.
가수분해단계에서는 복잡한 구조의 유기 화합물(탄수화물, 단백질, 지질 등)이 가수분해균과 발효균의 가수분해효소에 의해 분해되는 과정으로 복잡한 유기물이 용해성의 당, 알콜, 지방산, 아미노산 등으로 분해된다. 이 단계는 유기물이 무기물로 변하지 않고, 다른 형태로 유기물로 분해되는 것이다.
산생성단계는 유기산이나 질소화합물 등이 분해되는 것으로, 아미노산, 당류, 일부 지방산은 더 분해되어 수소, 이산화탄소와 함께 아세트산, 프로피온산, 부틸산 등을 생성한다. 또한, 프로피온산과 부틸산은 더 분해되어 메탄생성의 전구물질인 수소, 이산화탄소, 아세테이트를 생성한다.
이때부터, 상기 배양조(200)에서 공급된 지오박터(Geobacter)는 유기물 산화를 통해 전자를 생성할 수 있으며, 아세테이트(Acetate)를 이산화탄소로 산화시키며 전자를 생성할 수 있다.
메탄생성단계는 산생성단계에서 생성된 수소 및 아세트산이 메탄으로 변화되는 것으로, 이 과정에서 실질적인 유기물의 제거가 이루어지며, 무기물이 생성된다. 메탄생성단계에 의해 대부분의 유기물이 분해되어 탄산가스나 메테인가스가 발생하고 슬러지는 안정된다.
이 때, 지오박터(Geobacter)의 유기물 산화를 통해 생성된 전자는 지오박터의 전도성 섬모인 필리(Pili) 또는 전도체를 통해 메탄생성균에게 전달된다. 이에 따라, 메탄생성균이 메탄가스를 생성하는 메커니즘(CO2 + 8e- + 8H+ → CH4 + 2H2O)에서 필요한 전자가 공급됨으로써, 메탄생성이 가속화될 수 있다.
다음으로, 도 4를 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치의 구조에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 혐기성 소화장치는 개략적으로 소화조(100)와, 배양조(200)와, 센서부(300)와, 제어부(400) 및 포집장치(120)를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 혐기성 소화장치는 상기의 제1 실시예에 따른 혐기성 소화장치와 배양조(200)의 구성만 상이할 뿐 다른 구성요소는 동일하므로, 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하고 상이한 부분만 설명하도록 한다.
배양조(200)는 미생물 배양조로, 특히 지오박터(Geobacter)를 배양하기 위한 것이며, 배양된 지오박터(Geobacter)를 상기 소화조(100)로 공급한다. 상기 소화조(100)에는 혐기성 소화의 각 단계를 위한 미생물들이 존재하고 있으나, food waste, sewage sludge, manure등의 organic waste에는 통상적으로 지오박터(Geobacter)가 희박하게 존재하고 있다.
이와 같이, 상기 배양조(200)는 지오박터(Geobacter)를 배양하기 위한 것이므로, 지오박터가 효과적으로 배양될 수 있는 환경을 갖추어야 한다. 이를 위해, 본 제2 실시예에서는 상기 배양조(200)가 지오박터(Geobacter)의 생물막(Biofilm) 형성을 돕는 전도체(1240)를 포함한다. 상기 전도체(1240)로는 활성탄(Ativated Carbon), 흑연(Graphite), 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 자철석(Magnetite) 등의 전도성 소재가 적용될 수 있으며, 상기 전도체(1240)는 전자의 이동이 일어나도록 하는 지오박터의 생물막(Biofilm) 형성에 도움을 주어 지오박터(Geobacter)가 효과적으로 배양될 수 있도록 한다.
다음으로는, 도 5를 참고하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치의 구조에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 혐기성 소화장치는 개략적으로 소화조(100)와, 배양조(200)와, 센서부(300)와, 제어부(400) 및 포집장치(120)를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 혐기성 소화장치는 상기의 제1 실시예에 따른 혐기성 소화장치와 배양조(200)의 구성만 상이할 뿐 다른 구성요소는 동일하므로, 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하고 상이한 부분만 설명하도록 한다.
배양조(200)는 미생물 배양조로, 특히 지오박터(Geobacter)를 배양하기 위한 것이며, 배양된 지오박터(Geobacter)를 상기 소화조(100)로 공급한다. 상기 소화조(100)에는 혐기성 소화의 각 단계를 위한 미생물들이 존재하고 있으나, food waste, sewage sludge, manure등의 organic waste에는 통상적으로 지오박터(Geobacter)가 희박하게 존재하고 있다.
이와 같이, 상기 배양조(200)는 지오박터(Geobacter)를 배양하기 위한 것이므로, 지오박터가 효과적으로 배양될 수 있는 환경을 갖추어야 한다. 이를 위해, 본 제3 실시예에서는 상기 배양조(200)에 산화철(Iron Oxide)이 주입된다. 산화철은 철과 산소의 화합물로 산화제일철(FeO), 산화제이철(Fe2O3), 사산화삼철 등이 있으며, 산화제이철(Fe2O3)이 주입되는 것이 바람직하다.
지오박터(Geobacter)는 수중 퇴적물과 토양에서 살고있는 혐기성 미생물로, 산소 대신에 다량의 철분을 이용하며, 토양, 폐수 등에서 발견되는 철 산화물에 전자를 전달함으로써 숨을 쉰다. 지오박터의 필리(Pili)는 철로 생성된 전자의 이동을 돕는 생물막(Biofilm)을 형성하며, 지오박터(Geobacter)는 유기물 쓰레기를 분해하면서 전자를 빼앗아 주변에 있는 산화철로 넘겨주는 과정에서 에너지를 얻는다. 따라서, 상기 배양조(200)에 지오박터가 에너지를 얻을 수 있는 철 산화물(Fe2O3)을 주입함으로써 지오박터(Geobacter)를 효과적으로 배양할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다. 예를 들어 적용 가능한 다른 실시예에 따르면, 배양조(200)는 상기의 전극모듈(240)과 전도체(1240)를 동시에 포함할 수 있으며, 또는 상기의 전극모듈(240) 또는 전도체(1240)를 포함하면서 산화철(Fe2O3)이 동시에 주입될 수도 있다.
100 : 소화조 120 : 포집장치
140 : 회수관 200 : 배양조
220 : 공급관 222 : 분리막
240 : 전극모듈 242 : 산화전극
243 : 스페이서 244 : 환원전극
250 : 전원장치 260 : 교반기
300 : 센서부 400 : 제어부
1240 : 전도체

Claims (17)

  1. 유기성 폐기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화를 행하는 소화조;
    지오박터(Geobacter)를 배양하여 상기 소화조로 공급하기 위한 배양조; 및
    상기 배양조와 상기 소화조를 연결하며, 상기 배양조에서 배양된 지오박터(Geobacter)를 상기 소화조에 공급하는 공급관;을 포함하며,
    상기 배양조는,
    상기 배양조 내부에 설치되며 산화전극과 환원전극이 일체로 결합된 전극모듈; 및
    상기 전극모듈의 산화전극과 환원전극에 전원을 공급하는 전원장치;
    를 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공급관은,
    상기 배양조에서 공급되는 원수를 지오박터(Geobacter)와 처리수로 분리하는 분리막;
    을 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극모듈은, 탄소계열물질이나 탄소계열물질의 복합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전극모듈은, 상기 산화전극과 환원전극 사이에 배치되는 스페이서를 더 포함하며,
    상기 스페이서는 다공성 물질로 형성되는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 배양조는, 지오박터(Geobacter)의 생물막(Biofilm) 형성을 돕는 전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 배양조에는 산화철(Iron Oxide)이 주입되는 것을 특징으로 하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소화조 내의 유기성 폐기물의 농도를 측정하는 센서부;
    를 더 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 센서부에 의해 측정된 유기성 폐기물의 농도에 따라 상기 배양조로부터 상기 소화조로 지오박터(Geobacter)가 공급되는 주기를 결정하는 제어부;
    를 더 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배양조는,
    상기 배양조 내의 혼합물을 교반하는 교반기;
    를 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배양조는, 35~55℃의 온도를 갖는 혐기성 조건인 것을 특징으로 하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 소화조는,
    상기 소화조에서 배출되는 배출수에 포함된 지오박터(Geobacter)를 포집하는 포집장치;
    를 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 소화조는,
    상기 포집장치에 의해 포집된 지오박터(Geobacter)를 상기 소화조로 재투입하는 회수관;
    을 더 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 소화조는,
    상기 소화조의 일측면에 형성되어 폐수를 유입하는 유입관; 및
    상기 소화조의 타측면에 형성되어 소화 처리가 완료된 소화여액이 배출되는 배출관;
    을 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 소화조는,
    상기 소화조의 상부에 형성되어 상기 소화조 내부에서 소화작용에 의해 생성된 바이오가스가 배출되는 가스 배출관;
    을 더 포함하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 소화조로 공급된 지오박터(Geobacter)는 메탄생성균으로 전자를 전달하여 메탄생성을 가속화하는 것을 특징으로 하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
  17. 제2항에 있어서,
    상기 분리막에 의해 분리된 지오박터(Geobacter)는 상기 소화조로 공급되며, 처리수는 다시 상기 배양조로 유입되는 것을 특징으로 하는 소화효율 향상을 위한 혐기성 소화장치.
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