KR101795505B1 - 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법 - Google Patents

혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101795505B1
KR101795505B1 KR1020150162578A KR20150162578A KR101795505B1 KR 101795505 B1 KR101795505 B1 KR 101795505B1 KR 1020150162578 A KR1020150162578 A KR 1020150162578A KR 20150162578 A KR20150162578 A KR 20150162578A KR 101795505 B1 KR101795505 B1 KR 101795505B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carrier
biogas
reaction tank
anaerobic
membrane
Prior art date
Application number
KR1020150162578A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170058683A (ko
Inventor
이영행
박찬혁
이수관
정종수
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020150162578A priority Critical patent/KR101795505B1/ko
Publication of KR20170058683A publication Critical patent/KR20170058683A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101795505B1 publication Critical patent/KR101795505B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/06—Flat membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/08—Hollow fibre membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/10—Packings; Fillings; Grids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/12—Activated sludge processes
    • C02F3/1236—Particular type of activated sludge installations
    • C02F3/1268—Membrane bioreactor systems
    • C02F3/1273—Submerged membrane bioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C02F3/2853—Anaerobic digestion processes using anaerobic membrane bioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C02F3/2866—Particular arrangements for anaerobic reactors
    • C02F3/2893—Particular arrangements for anaerobic reactors with biogas recycling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • Y02W10/12—
    • Y02W10/23—

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은 유기성물질이 함유된 하폐수의 처리와 함께 유용자원인 바이오가스를 동시에 기대할 수 있는 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법에 관한 것으로, (a) 하폐수를 혐기성 침지형 분리막 장치로 유입시키는 단계, (b) 혐기성 조건 반응조에서 하폐수에 함유된 유기물을 혐기성 미생물로 혐기소화시켜 바이오가스를 생성하고, 입자상물질은 분리막으로 여과하는 단계 및 (c) 상기 (b) 단계에서 생성된 바이오가스와 여과수를 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법 {Producing method of biogas using anaerobic membrane bioreactor}
본 발명은 유기성물질이 함유된 하폐수의 처리와 함께 유용자원인 바이오가스를 동시에 기대할 수 있는 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법에 관한 것이다.
바이오에너지(Bioenergy)는 동물, 식물 및 미생물 등 바이오매스(biomass) 로부터 만들어지는 에너지원을 의미한다. 이러한 바이오에너지를 생산하는 방법으로 과거에는 직접 연소 방식을 많이 채용하였으나, 현재에는 유기물 또는 유기성 폐기물, 예를 들면, 도시하수나 폐수, 분뇨 등에 함유된 유기물을 활용하고자 하는 시도가 증가하고 있다.
즉, 혐기성 미생물을 이용하여 상기와 같은 하수나 폐수에 포함된 유기물을 혐기소화시키게 되면 메탄이 함유된 바이오가스를 얻을 수 있고, 이러한 바이오가스를 정제함으로써 순도가 향상된 메탄을 생산할 수 있게 되는 것이다.
하폐수를 정화하면서 유용한 에너지를 함께 회수할 수 있다는 큰 장점이 있어 향후 이와 관련된 연구개발이 더욱 활발해질 것으로 예상하고 있다.
그러나 혐기소화 공정은 미생물의 성장률이 낮고 또 혐기소화 공정에서 발생하는 악취성분으로 인하여 민원이 제기되는 등 아직 해결해야 할 많은 문제점들이 남아 있다.
한국등록특허 제10-0592492호는 가수분해미생물, 산발효미생물, 메탄생성미생물을 포함하는 혐기성 미생물을 직렬로 연결된 고온 반응조 및 중온 반응조에 각각 식종하고 이들 혐기성 미생물의 공생관계를 유지시켜 유기성 폐기물을 처리하는 방법에 관한 것으로, 최종 처분되어야 할 부피 감량을 극대화하고 액화된 유기물을 유용한 에너지원인 메탄가스로 전환시켜 바이오에너지를 회수하고 있으나, 고온/중온 이단 혐기소화 반응조에서 혐기성 미생물의 공생관계를 유지하도록 하는데 기술적 어려움이 따르는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-0903062호에는 유기성 폐액에 포함된 고형물을 파쇄하여 액상화시키는 고압 균질화기, 고압 균질화기에서 유출된 처리수를 산발효시키고 고액분리하는 고액분리 산발효조; 고액분리 산발효조에서 유출되는 유기물을 소화시켜 메탄을 회수하는 고효율 혐기성조 및 고효율 혐기성조에서 유출된 처리수에 포함된 질소 및 인을 회수하는 영양염류 회수조를 포함하는 방법이 개시되어 있으나, 이는 일반적인 혐기소화방법으로 메탄발생효율이 높지 않을 뿐만 아니라 장치가 복잡하다는 문제점을 안고 있다.
한편, 최근에는 생물반응조 내부에 분리막을 침지시킨 침지형 분리막(Membrane Bio-Reactor; MBR)공정이 생활하수나 산업폐수 등의 정화공정으로 각광을 받고 있는 상황이다.
기존 생물반응공정은 호기성미생물, 혐기성미생물 등 각종 유용한 미생물을 증식시키면서 하폐수에 포함된 유기물을 효과적으로 분해할 수 있다는 장점이 있으나, 고형성분과 액체성분을 분리하기 위해서는 별도의 고액분리시설이 필요하고 또 고액분리에 상당한 시간이 소요되는 문제점이 있다.
그러나 MBR공정은 기존 미생물에 의한 유기물의 분해 효과와 함께, 분리막에 의한 고체와 액체를 짧은 시간 내에 완벽하게 분리할 수 있어, 처리시간 단축 및 장치의 간소화 등 많은 이점을 갖고 있는 것으로 알려져 있다.
그러나 상기한 장점을 갖고 있는 MBR공정에서도 막투과유량이 감소하는 현상은 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 분리막은 여과시간이 경과함에 따라 각종 오염물들이 분리막 표면이나 미세한 세공을 폐색시킴으로써 분리막의 성능이 저하되는, 즉 투과유량이 감소하는 파울링(Fouling)의 발생을 피할 수 없어 이에 대한 지속적인 연구가 요구되는 상황이다.
한국등록특허 제10-0592492호 한국등록특허 제10-0903062호
본 발명은 상기 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 파울링을 효과적으로 억제할 수 있는 침지형 분리막 공정을 통하여 유용한 바이오가스를 회수할 수 있는 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생산방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법은, (a) 하폐수를 혐기성 침지형 분리막 장치로 유입시키는 단계; (b) 혐기성 조건 반응조에서 하폐수에 함유된 유기물을 혐기성 미생물로 혐기소화시켜 바이오가스를 생성하고, 입자상물질은 분리막으로 여과하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 생성된 바이오가스와 여과수를 회수하는 단계를 포함하되, 상기 혐기성 미생물이 반응조 내부에 부유 및/또는 담체에 부착하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법은, 상기 반응조 내부에는 담체가 구비되며, 상기 담체에는 혐기성 미생물이 부착하여 유기물을 혐기소화하여 바이오가스를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법은, 상기 (b)단계에서는 상기 반응조 내부의 담체를 유동시키기 위하여 상기 반응조에서 생성된 바이오가스 일부를 상기 반응조 하부로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법은, 상기 (a)단계에서의 하폐수는 상기 반응조 내부의 담체를 유동시키기 위하여 상기 반응조 하부로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법은, 상기 분리막은 평막 또는 중공사형인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법은, 상기 담체는 폴리비닐알코올(PVA)과 알긴산염(alginate)을 포함하여 이루어지되, 상기 담체는 직경 2.5~3.5mm, 35℃에서의 팽창률 1.4%, 55℃에서의 팽창률 1.8% 및 밀도 0.95~1.05 g/㎤인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법에서 혐기성 침지형 분리막장치는, 상부가 개방되고 소정 크기의 공간부를 갖는 반응조(10), 상기 반응조(10) 개방부를 밀폐시키는 덮개(20), 상기 반응조(10) 내부에 설치되는 분리막(30), 상기 반응조(10) 내부에서 유동하는 담체(40), 하폐수를 상기 반응조(10)로 공급하는 유입수 공급라인(11), 상기 반응조(10)로부터 생성된 바이오가스를 상기 반응조(10)로 순환시키는 바이오가스 순환라인(12), 상기 유입수와 상기 순환되는 바이오가스가 혼합되어 상기 반응조(10)로 공급하는 혼합공급라인(13), 상기 분리막(30)에 의해 고형물이 제거된 여과수 배출라인(14) 및 상기 반응조(10)로부터 생성된 바이오가스를 외부로 회수하는 바이오가스 회수라인(15)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법에 따르면, 반응조 내에 담체를 구비시킴으로써 혐기성 미생물이 쉽게 증식할 수 있어 바이오가스의 생산량이 증대될 수 있고 또 긴 슬러지 체류시간을 가질 수 있어 오염물질의 제거성능이 향상된다는 효과가 기대된다.
또한 본 발명 바이오가스의 생성방법에 따르면, 반응조 내의 담체는 유기물의 혐기소화과정에서 생성된 바이오가스의 순환과 함께 유동되므로 분리막 표면에 부착된 케이크 층을 효과적으로 제거할 수 있어, 분리막의 운전성이 개선된다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명 바이오가스의 생성방법에 사용되는 혐기성 침지형 분리막 장치의 모식도이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 직후의 담체(A)와 혐기성 미생물이 부착된 이후의 담체(B) 사진이다.
도 3는 실시예 2의 운전조건에 따른 막투과유량의 변화를 나타낸 결과이다.
도 4는 실시예 2의 운전조건에 따른 분리막의 외형사진이다.
(A : 반응조 내부수 (슬러지) 만 순환 (담체 없음), B : 반응조 내부수 (슬러지)의 순환에 의한 담체의 유동화)
도 5은 실시예 3의 운전조건에 따른 막투과유량의 변화를 나타낸 결과이다.
도 6은 실시예 3의 운전조건에 따른 분리막의 외형사진이다.
(A : 담체 없음, B : 담체 있음)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
먼저 첨부된 도 1을 참조하면서, 본 발명의 바이오가스의 생성방법에 사용되는 혐기성 침지형 분리막 장치에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 침지형 분리막 장치는 반응조(10), 덮개(20), 분리막(30), 담체(40) 및 다수개의 라인(11, 12, 13, 14, 15)들을 포함하고 있다.
상기 반응조(10)는 하폐수의 유기물을 혐기발효시켜 바이오가스를 발생시키기 위한 생물반응조로서, 하폐수를 수용하고 분리막(30)과 담체(40)를 수용할 수 있도록 일정 체적의 공간부를 갖고 있으며 상부는 개방되어 있다.
상기 반응조(10) 상부에는 반응조(10)의 개방부를 개폐할 수 있는 덮개(20)가 구비되는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서의 반응조(10)는 공기나 산소가 없는 상태에서 유지되어야 하기 때문에, 반응조(10)의 보수 등을 제외한 정상적인 운전시에는 반응조(10)를 혐기 상태로 운전할 수 있도록 반응조(10) 상부 개방부를 외부와 차단할 수 있는 덮개(20)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 분리막(30)은 반응조(10) 내부에 설치되어 반응조(10) 내의 하폐수에 함유된 입자상 물질을 분리하는 역할을 수행한다. 분리막은 중공사형(hollow fiber type) 또는 평막(flat type)을 사용할 수 있으나 특별히 제한하지 않는다. 상기 분리막의 세공경은 낮은 여과압력으로 운전가능하여 동력비를 절감할 수 있는 0.01㎛ 내지 1.0㎛의 크기를 갖는 한외여과막(UF)이나 정밀여과막(MF)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 반응조(10) 내부에 수용되는 담체(40)는 혐기성 미생물들이 자랄 수 있는 서식처를 제공하면서 동시에 분리막을 세척하는 기능을 수행한다. 즉, 반응기 내의 혐기성 미생물을 부유상태로 운전할 경우, 충분한 양의 바이오가스를 생성하기 위해서는 반응기 내부의 미생물 농도를 높게 유지할 필요가 있으나, 이러한 높은 미생물 농도는 분리막 표면에 케이크층을 형성시키고 나아가 부착한 미생물은 대사산물인 고분자 물질도 배출하기 때문에 막투과수량이 감소하거나 막운전 압력이 높아지는 현상, 즉 파울링(membrane fouling)을 가속화시킨다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 부유성 미생물로 인하여 발생하는 파울링을 억제하면서, 분리막에 형성된 케이크층을 세척하기 위하여, 미생물이 용이하게 부착하면서도 유동성이 좋은 담체(40)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 담체(40)는 골격형성제로서 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol; PVA) 및 알긴산염 (alginate) 등의 고분자 물질, 담체에 공극을 부여하기 위한 공극형성제로서 탄산 칼슘, 탄산 수소 나트륨 등의 탄산염, 담체의 내구성 향성제로서 글루타알데하이드, 공극 조절제로서 활성탄, 제올라이트 등의 공극을 가지는 물질을 사용할 수 있다..
본 발명에서의 담체(40)는 직경이 2~10mm, 35℃ 이상 온도에서의 팽창률 0~10% 및 밀도 0.9~1.2 g/㎤인 것이 바람직하다.
상기 담체의 직경이 2mm 미만인 경우에는 담체의 크기가 너무 작아서 쉽게 반응조 외부로 유출되는 문제점이 발생하며, 10mm를 초과하는 경우에는 담체가 분리막 간 사이에 침투하는 것이 불가능 해 세척효과를 기대하기 힘든 문제점이 발생하므로, 상기 담체의 직경은 2~10mm인 것이 바람직하다.
또 상기 담체의 밀도가 0.9 g/㎤ 미만인 경우에는 담체의 밀도가 너무 낮아 담체가 상부로 모두 부유하여 담체의 유동화가 되지 않는 문제점이 발생하며, 1.2 g/㎤ 를 초과하는 경우에는 밀도가 큰 담체를 유동화 시키는데 필요한 에너지가 많이 소모되는 문제점이 있으므로, 상기 담체의 밀도는 0.9~1.2 g/㎤ 인 것이 바람직하다.
상기 담체의 35℃ 이상 온도에서의 팽창률 10%를 초과하는 경우 담체의 물리적 안정성이 저하되어 분해가 될 가능성이 높은 문제점이 있으므로, 상기 담체의 35℃ 이상 온도에서의 팽창률은 0~10%인 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 담체(40)는 미생물이 쉽게 서식할 수 있으며, 적은 에너지로도 유동화가 가능하여 분리막의 케이크층을 쉽게 제거할 수 있고 나아가 담체와 분리막의 손상을 최소화할 수 있는 충분한 탄성과 내구성을 갖게 된다.
한편, 본 발명의 혐기성 침지형 분리막 장치는, 하폐수를 반응조(10)로 공급하는 유입수 공급라인(11), 상기 반응조(10)로부터 생성된 바이오가스를 상기 반응조(10)로 순환시키는 바이오가스 순환라인(12), 상기 유입수와 상기 순환되는 바이오가스가 혼합되어 상기 반응조(10)로 공급하는 혼합공급라인(13), 상기 분리막(30)에 의해 고형물이 제거된 여과수 배출라인(14) 및 상기 반응조(10)로부터 생성된 바이오가스를 외부로 회수하는 바이오가스 회수라인(15)을 더 구비하는 것이 바람직하다.
여기서, 바이오가스 순환라인(12)은 분리막(30)의 파울링을 억제시킬 목적으로, 반응조(10)에서 발생한 바이오가스의 일부를 반응조(10)로 순환시킨다. 즉, 반응조(10)로부터의 바이오가스를 반응조(10) 저부로 순환시키게 되면, 반응조(10)의 하폐수가 순환되며 특히 반응조(10)에 구비된 담체(40)가 반응조(10) 하부에서 상부로 유동하기 때문에 분리막(30)과 담체(40)가 연속적으로 접촉하여 분리막(30)에 부착된 케이크 층을 떨어뜨려 분리막의 여과성능을 향상시키게 된다.
종래 침지식 분리막 장치에서는 반응조로 공기를 주입하기 위하여 별도로 구비된 콤푸레서(compressor)를 사용하기 때문에 공기 공급을 위한 부가적인 장치가 필요하고 또 콤푸레서를 가동시키기 위한 별도의 전력이 필요하다는 문제점을 내포하고 있는 상황이다. 그러나 본 발명에서는 밀폐식 반응기로부터 발생된 바이오가스를 사용하기 때문에 별도의 공기 발생장치가 필요 없고, 밀폐식 반응기로부터 발생된 바이오가스는 일정 압력을 갖고 있기 때문에 바이오가스의 순환에 필요한 동력을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 나아가 반응조(10)로부터 발생한 바이오가스를 사용하더라도, 반응조(10) 저부로 공급한 담체(40)와 하폐수 순환용 바이오가스는 반응조(10) 외부로 배출되지 않고 전량 재순환되기 때문에, 회수하고자 하는 바이오가스의 손실을 최소화하면서도 반응기의 안정적인 운전이 가능하다.
한편, 하폐수 유입수공급라인(11)은 바이오가스 순환라인(12)의 일측부에 연결되는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 인해 본 발명은 장치의 간소화가 가능하고 또 순환되는 바이오가스의 압력을 활용할 수 있어 유입수공급에 필요한 동력비를 절감할 수 있다. 여기서, 바이오가스순환라인(12)에는 하폐수 유입수가 역류되지 않도록 필요에 따라 역류방지밸브(미도시)를 더 구비할 수 있음을 자명하다.
또, 유입수공급라인(11), 혼합공급라인(13)에는 유입수 공급, 하폐수와 바이오가스의 순환을 위하여 필요에 따라 펌프가 더 구비될 수 있다.
다음은 도 1에 기재된 본 발명의 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용하여 바이오가스를 생성하는 방법에 관하여 설명하기로 한다.
본 발명의 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법은, (a) 하폐수를 혐기성 침지형 분리막 장치로 유입시키는 단계, (b) 혐기성 조건 반응조에서 하폐수에 함유된 유기물을 혐기성 미생물로 혐기소화시켜 바이오가스를 생성하고, 입자상물질은 분리막으로 여과하는 단계 및 (c) 상기 (b) 단계에서 생성된 바이오가스와 여과수를 회수하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 하폐수를 혐기성 침지형 분리막 장치로 유입시키는 단계는, 혐기성 미생물에 의한 혐기발효과정을 통하여 바이오가스를 생성시킬 수 있도록 유기물이 함유된 하수나 폐수를 밀폐된 반응조(10)로 공급하는 단계이다.
이렇게 반응조로 공급된 하수나 폐수는 반응조(10)에 부유하거나, 담체(40)에 부착하거나 또는 분리막(30)에 부착된 혐기성 미생물의 혐기발효과정에 의하여 바이오가스가 생성되며, 반응조(10) 내의 입자상 물질인 고형물과 정화된 깨끗한 물은 반응조(10)에 구비된 분리막(30)에 의하여 분리된다.
즉, 혐기성 미생물의 혐기발효과정으로 생성된 바이오가스는 반응조(10) 상부의 바이오가스 회수라인(15)을 통하여 회수한 후, 정제나 분리 등의 과정을 통하여 유용 가스인 메탄으로 수득할 수 있고, 분리막 여과수는 용도에 부합되는 정화공정을 부가함으로써 재활용할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 반응조(10)의 분리막(30)은 혐기미생물, 유입되는 하폐수에 포함된 오염물질들로 인하여 분리막(30) 표면에 케이크층이 형성되어 분리막(30)의 투과성능이 저하된다. 따라서 상기 (b)단계에서는 반응조(10)에서 생성된 바이오가스 일부를 반응조(10) 하부로 공급하여, 담체(40)로 하여금 분리막(30) 표면의 케이크층을 떨어뜨려 분리막(30)의 분리성능을 향상시키는 과정이 함께 수행될 수 있다. 이러한 바이오가스의 순환은 연속적 또는 간헐적으로 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하여 설명하기로 하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
< 실시예 1 : 담체의 제조방법 >
담체 골격형성제로서 PVA와 알긴산염, 공극형성제로서 탄산칼슘 그리고 담체 내구성 향성제로서 글루타알데하이드를 사용하여 담체를 제조하였다. 구체적은 담체의 제조 공정은 다음과 같다.
먼저, PVA 8g과 알긴산나트륨 1.5g을 50mL 증류수에 혼합하고 120℃에서 30분간 가열하여 PVA/알긴산염 혼합용액을 제조하였다. 이와는 별도로탄산칼슘(CaCO3) 10g을 50mL 증류수에 용해시켰다.
상기에서 제조된 PVA/알긴산염 혼합용액과 탄산칼슘 용해액을 혼합하여 PVA/알긴산염/탄산칼슘 혼합액을 제조하였다. 다음으로 붕산 5.5%(w/v)와 염화칼슘 3%(w/v)용액에 상기 PVA/알긴산염/탄산칼슘 혼합액을 투입하여 24시간 동안 가교반응을 진행하였다. 튜브를 이용하여 혼합용액을 한 방울씩 투여함으로써 구형의 담체를 제조하였다. 담체의 크기는 튜브의 직경을 조절함으로써 원하는 크기의 담체를 제조할 수 있다.
이어서, 제조된 담체를 0.5mol/L의 염산(HCl)에 침지시키면, 낮은 pH에서 탄산염이 이산화탄소로 공기 중으로 방출됨으로써 담체 내부에 공극이 형성된다.
이산화탄소가 모두 방출된 후 0.2%의 글루타알데하이드를 포함하는 0.1mol/L의 염산 용액에 담체를 침지시켜 2시간 동안 가교 반응을 진행시킨 후, 글루타알데하이드의 생물독성을 방지하기 위하여 담체를 증류수에 충분히 세척하였다. 이상과 같은 과정을 통하여 제조된 담체 특성은 표 1과 같다.
직경 (mm) 35℃에서 팽창률(%) 55℃에서 팽창률(%) 밀도(g/㎤)
2.96±0.22 1.4 1.8 1.013
담체의 비중이 물보다 큰 경우에는 반응조 저부에 집중적으로 위치할 수 있고, 반대로 담체의 비중이 물보다 작은 경우에는 반응조에 수용된 하폐수 수면부근에 위치하기 때문에, 분리막에 부착된 케이크 층을 떨어뜨리기가 용이하지 않다. 그러나 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 담체 비중은 물과 유사한 약 1 g/㎤ 이기 때문에, 반응조 내에서 효율적으로 유동할 수 있고 이는 분리막의 투과성능 회복과 유동화에 소요되는 에너지를 최소화할 수 있다.
담체의 팽창률이 35℃와 55℃ 각각의 온도 조건에서 1.4%와 1.8%로 낮은 팽창률을 나타내어 담체의 물리적 안정성을 보였고, 분리막과 담체의 물리적 충돌에 의한 담체의 손상은 관찰되지 않아 담체가 충분한 내구성을 가진 것으로 확인되었다.
담체는 분리막의 세척 작용을 할 뿐 아니라 미생물이 부착된 생물막(biofilm) 을 형성하는 미생물 담지체로서의 역할도 한다. 상기 담체는 미생물이 쉽게 부착될 수 있도록 담체 외부와 내부에 공극이 형성되어 있고, 미생물이 분비하는 세포외 중합물질과 친화력이 높은 생물독성이 없는 고분자물질로 이루어져 있기 때문에 생물막이 쉽게 형성된다. 제조된 담체와 미생물이 부착된 담체의 사진을 도 2 에 나타내었다. 따라서 상기 담체를 사용 시 부유성장 (suspended growth) 반응기뿐 아니라 유동상 생물막 (fluidized bed) 반응기에도 본 발명을 적용할 수 있다.
< 실시예 2 : 담체의 공급유무에 따른 막투과유량의 변화 >
고형물 농도 8,850 mg/L 의 고농도 혐기 소화 슬러지로 채워진 부유성장 (suspended growth) 반응기에 담체를 충진시키지 않고 반응조 내부수를 순환시킨 경우와 담체를 충진시킨 후 반응조 내부수를 순환시킨 경우 각각에 대한 막투과유량(Flux) 변화는 도 3, 각각의 반응조에 구비된 분리막의 외형사진은 도 4에 나타내었다.
담체를 충진시키지 않고 반응조 내부수만을 순환시킨 경우, 초기 막투과유량은 9.84 (L/m2/hr, LMH)이었으나, 약 5시간 운전한 시점에서는 1.64 LMH로 급격히 감소하였고, 이후 1.09 LMH로 운전되었다.
이에 반해 담체를 충진시켜 반응조 내부수를 순환시킨 경우, 초기 투과유량은 11.5 LMH이며 이후 3.28 LMH로 운전되어, 담체를 충진시킴으로써 막투과유량이 3배 가량 크게 증가한 것을 알 수 있다.
이러한 결과는 도 4의 분리막 사진으로부터도 알 수 있듯이, 담체를순환시킴으로써 오염된 분리막 표면의 케이크 층이 떨어져 막투과유량이 향상된 것으로 예측된다.
< 실시예 3 : 운전조건에 따른 막투과유량의 변화 >
고형물 농도 1,100 mg/L 의 저농도 혐기 소화 슬러지로 채워진 부유성장 (suspended growth) 반응기에 담체를 충진시키지 않고 반응조 내부수 또는 바이오가스를 순환시킨 경우(담체 無)와 담체를 충진시킨 후 반응조 내부수 또는 바이오가스를 순환시킨 경우(담체 有) 각각에 대한 막투과유량(Flux) 변화는 도 5, 각각의 반응조에 구비된 분리막의 외형사진은 도 6에 나타내었다.
담체를 충진시키지 않고 내부수를 순환시켜 운전한 경우, 막투과유량은 초기 13.8 LMH에서 4.4 LMH(9시간 경과)까지 감소하였고, 이후 바이오가스를 순환시켜 운전함으로써 막투과유량이 6.0 LMH(23시간 경과)로 증가하였다.
이에 반해, 담체를 충진시키고 내부수를 순환시켜 운전한 경우, 막투과유량은 초기 14.6 LMH에서 9.1 LMH(9시간 경과)로 감소하였으나, 이후 바이오가스를 순환시킴으로써 초기 투과유량 부근인 13.3 LMH까지 회복하였고 이후 현저한 투과유량의 감소 없이 안정적으로 운전되는 것을 확인할 수 있다.
10 : 반응조
11 : 유입수 공급라인 12 : 바이오가스 순환라인
13 : 혼합공급라인 14 : 여과수 배출라인
15 : 바이오가스 회수라인
20 : 덮개
30 : 분리막
40 : 담체

Claims (7)

  1. (a) 하폐수를 혐기성 침지형 분리막 장치로 유입시키는 단계;
    (b) 혐기성 미생물이 부착할 수 있는 담체가 구비된 반응조에서 하폐수에 함유된 유기물을 혐기성 미생물로 혐기소화시켜 바이오가스를 생성하고, 입자상물질은 분리막으로 여과하며, 상기 반응조에서 생성된 바이오가스 일부를 상기 반응조 하부로 공급하여 상기 반응조 내부의 담체를 유동시키기 단계; 및
    (c) 상기 (b) 단계에서 생성된 바이오가스와 여과수를 회수하는 단계를 포함하되,
    상기 담체는, PVA 8g과 알긴산나트륨 1.5g을 50mL 증류수에 혼합하고 120℃에서 30분간 가열하여 PVA/알긴산염 혼합용액을 제조하는 단계;
    상기 PVA/알긴산염 혼합용액과 탄산칼슘 용해액을 혼합하여 PVA/알긴산염/탄산칼슘 혼합액을 제조하는 단계;
    붕산 5.5%(w/v)와 염화칼슘 3%(w/v)용액에 상기 PVA/알긴산염/탄산칼슘 혼합액을 투입하여 24시간 동안 가교반응을 진행한 후, 구형 담체를 제조하는 단계;
    제조된 상기 담체를 0.5mol/L의 염산(HCl)에 침지시켜 담체 내부에 공극을 형성시키는 단계; 및
    상기 담체를 증류수에 세척하는 단계를 포함하여 제조되는, 직경 2~10mm, 35℃ 이상 온도에서의 팽창률 0~10% 및 밀도 0.9~1.2 g/㎤인 것을 특징으로 하는 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 (a)단계에서의 하폐수는 상기 반응조 내부의 담체를 유동시키기 위하여 상기 반응조 하부로 공급하는 것을 특징으로 하는 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분리막은 평막 또는 중공사형인 것을 특징으로 하는 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법.
  6. 삭제
  7. 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 항에 있어서, 상기 혐기성 침지형 분리막장치는,
    상부가 개방되고 소정 크기의 공간부를 갖는 반응조(10);
    상기 반응조(10) 개방부를 밀폐시키는 덮개(20);
    상기 반응조(10) 내부에 설치되는 분리막(30);
    상기 반응조(10) 내부에서 유동하는 담체(40);
    하폐수를 상기 반응조(10)로 공급하는 유입수 공급라인(11);
    상기 반응조(10)로부터 생성된 바이오가스를 상기 반응조(10)로 순환시키는 바이오가스 순환라인(12);
    상기 유입수와 상기 순환되는 바이오가스가 혼합되어 상기 반응조(10)로 공급하는 혼합공급라인(13);
    상기 분리막(30)에 의해 고형물이 제거된 여과수 배출라인(14); 및 상기 반응조(10)로부터 생성된 바이오가스를 외부로 회수하는 바이오가스 회수라인(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 침지형 분리막 장치를 이용한 바이오가스의 생성방법.
KR1020150162578A 2015-11-19 2015-11-19 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법 KR101795505B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150162578A KR101795505B1 (ko) 2015-11-19 2015-11-19 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150162578A KR101795505B1 (ko) 2015-11-19 2015-11-19 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170058683A KR20170058683A (ko) 2017-05-29
KR101795505B1 true KR101795505B1 (ko) 2017-11-09

Family

ID=59053723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150162578A KR101795505B1 (ko) 2015-11-19 2015-11-19 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101795505B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010234226A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Kubota Corp メタン発酵処理装置
KR101342678B1 (ko) * 2012-02-07 2014-01-02 인하대학교 산학협력단 2단 혐기성 반응조와 질소제거 공정을 결합한 폐수 처리 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010234226A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Kubota Corp メタン発酵処理装置
KR101342678B1 (ko) * 2012-02-07 2014-01-02 인하대학교 산학협력단 2단 혐기성 반응조와 질소제거 공정을 결합한 폐수 처리 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170058683A (ko) 2017-05-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5194771B2 (ja) 有機物含有水の生物処理方法および装置
TWI284119B (en) Biological membrane filtration system for water treatment and water treatment process using the same
KR100841089B1 (ko) 막결합형 혐기성 소화조를 이용한 바이오가스 생산 장치 및방법
KR100952081B1 (ko) 팜유 추출공정 폐수의 무방류 처리장치 및 그 처리방법
CN107405573B (zh) 用于处理稀释废水的系统和方法
Ho et al. Anaerobic membrane bioreactor for treatment of synthetic municipal wastewater at ambient temperature
CN103112991A (zh) 焦化废水处理系统及焦化废水处理方法
JP2012206040A (ja) 有機物含有排水の処理方法及び有機物含有排水の処理装置
CN101624253A (zh) 高效复合酶污水处理工艺及装置
CN103723891A (zh) 一种高浓度有机废水处理方法及处理系统
KR101426361B1 (ko) 암모니아성 질소 및 아질산성 질소를 함유한 폐수의 처리 시스템
KR101421800B1 (ko) 체여과-분리막생물반응조 및 고농축 슬러지 혐기성소화조를 생흡착 현상으로 조합한 집적형 통합 고도하수처리 시스템
KR102100991B1 (ko) 다공성 세라믹 분리막을 이용한 액비정제장치
JP4859170B2 (ja) 窒素含有有機性廃水処理システム
KR102164624B1 (ko) 하수 처리용 질소제거 반응조 및 이를 포함하는 하수 처리 시스템
KR101888166B1 (ko) 다이나믹 생물막을 포함하는 바이오 수소 제조장치 및 이를 이용한 바이오 수소 제조방법
CN101050020A (zh) 用污泥减量型生物膜叠球填料工艺处理废水的方法
Elmitwalli et al. Treatment of domestic sewage at low temperature in a two-anaerobic step system followed by a trickling filter
JP5801769B2 (ja) 有機性排水の嫌気性消化処理方法及び装置
Defour et al. Field experience with different systems for biomass accumulation in anaerobic reactor technology
KR101795505B1 (ko) 혐기성 침지형 분리막장치를 이용한 바이오가스의 생성방법
KR102240142B1 (ko) 반응조 내부에 다이나믹 생물막을 포함하는 바이오수소 제조장치 및 이를 이용한 바이오수소 제조방법
CN210150897U (zh) 一种中水回用装置
CN203728683U (zh) 一种高浓度有机废水处理系统
KR20050053136A (ko) 분리막을 이용한 하폐수고도처리장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant