KR20050092273A - Fermentative hydrogen production from organic wastewater using gas sparging and the fermenting device - Google Patents

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KR20050092273A KR1020040017411A KR20040017411A KR20050092273A KR 20050092273 A KR20050092273 A KR 20050092273A KR 1020040017411 A KR1020040017411 A KR 1020040017411A KR 20040017411 A KR20040017411 A KR 20040017411A KR 20050092273 A KR20050092273 A KR 20050092273A
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Abstract

본 발명은 수소발효에 의한 수소의 제조방법에 있어서, 발효조내의 유기성 폐수를 이산화탄소 기체로 스파징하여 유기성 폐수의 탄수화물로부터 수소를 제조함을 특징으로 하는 수소의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing hydrogen, characterized in that hydrogen is produced from carbohydrates of organic wastewater by sparging organic wastewater in a fermenter with carbon dioxide gas.

또한, 본 발명은 발효조내로 유기성 폐수를 공급하는 유입수 공급부, 발효조에서 처리된 유기성 폐수를 배출하는 유출수 배출부, 발효조내의 pH를 조절하는 pH 조절부, 하부에 기체 스파징을 하기 위한 다공판이 설치된 발효조, 발효조에서 발생되는 수소기체를 회수하기 위한 수소회수부를 포함하는 수소발효장치에 있어서, 상기 수소회수부는 발효조에서 발생하는 1차 기체를 배출하기 위한 기체배출라인(14), 상기 1차 기체를 수집하고 기체발생량을 측정할 수 있는 1차 기체발생량 측정기(10), 1차 기체중 수소기체만을 통과시키는 기체분리막(21), 상기 기체분리막에 압력을 가하기 위하여 상기 1차 기체발생량 측정기로부터 배출되는 기체를 감압하는 감압펌프(7), 상기 기체분리막(21)으로부터 분리된 수소기체를 수소회수용라인(19)을 통해 수집하고 수집된 수소의 발생량을 측정할 수 있는 수소발생량 측정기(10') 및 상기 1차 기체중 수소기체를 제외한 2차 기체를 2차 기체주입라인(12)를 통해 다공판(8)로 공급하는 2차 기체유량조절계(11)를 포함함을 특징으로 하는 수소발효장치을 제공한다.In addition, the present invention is the inlet water supply unit for supplying the organic wastewater into the fermentation tank, the outflow water outlet for discharging the organic wastewater treated in the fermentation tank, a pH control unit for adjusting the pH in the fermentation tank, a porous plate for gas sparging is installed at the bottom In the hydrogen fermentation apparatus including a fermentation tank, a hydrogen recovery unit for recovering hydrogen gas generated in the fermentation tank, the hydrogen recovery unit gas discharge line 14 for discharging the primary gas generated in the fermentation tank, the primary gas The primary gas generation meter 10 for collecting and measuring the amount of gas generated, the gas separation membrane 21 for passing only hydrogen gas in the primary gas, and discharged from the primary gas generation meter to apply pressure to the gas separation membrane. Decompression pump (7) for decompressing the gas, the hydrogen gas separated from the gas separation membrane 21 is collected through a hydrogen recovery line (19) Hydrogen generation amount measuring instrument 10 'capable of measuring the amount of hydrogen generated and secondary gas excluding the hydrogen gas in the primary gas to the porous plate 8 through the secondary gas injection line 12 It provides a hydrogen fermentation apparatus comprising a gas flow control system (11).

Description

유기성 폐수의 수소발효시 기체스파징을 이용한 수소의 제조방법 및 수소발효장치{Fermentative Hydrogen Production from Organic Wastewater Using Gas Sparging and The Fermenting Device} Fermentative Hydrogen Production from Organic Wastewater Using Gas Sparging and The Fermenting Device}

본 발명은 유기성 폐수의 탄수화물로부터 수소를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 혐기성 수소발효방법에 비하여 경제적이고 안정적이면서 고효율로 수소를 제조하는 방법과, 발효조에서 생산되는 바이오기체(1차 기체)로부터 이산화탄소를 회수하여 이를 스파징 기체(2차 기체)로 공급함으로써 외부기체 구입에 따른 추가적인 비용의 부담을 줄이고, 수소를 정제하여야 하는 번거러움을 제거한 수소발효장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing hydrogen from carbohydrates of organic wastewater, and more particularly, a method for producing hydrogen with economical, stable and high efficiency compared to the conventional anaerobic hydrogen fermentation method, and the biogas produced in the fermentation tank (1 By recovering carbon dioxide from the secondary gas) and supplying it to the sparging gas (secondary gas), the present invention relates to a hydrogen fermentation apparatus that eliminates the burden of additional costs associated with purchasing an external gas and removes the hassle of purifying hydrogen.

미생물에 의한 수소 생산은 1900년대 초반부터 그 기작이 잘 알려져 있었으나, 많은 관심을 끌지는 못했다. 그러나, 1970년대 석유 파동과 더불어 최근 화석 연료 사용의 증가에 따른 지구 온난화 등의 문제로 인하여 대체에너지원으로 사용 가능한 수소의 생산에 많은 관심이 집중되고 있다. 수소가 연료로 사용될 경우에는 연소 시 부산물로 물만 생산한다는 친환경적인 측면과 일반적인 탄화수소 화합물에 비하여 에너지 함량 및 전환율이 높다는 장점이 있다(참조: Ramanchandran et al., Int. J. Hydrogen Energy, vol. 23(7), 1998, p. 593-598).The production of hydrogen by microorganisms has been well known since the early 1900s, but has not attracted much attention. However, due to the global warming caused by the recent increase in the use of fossil fuels along with the petroleum surge in the 1970s, much attention has been focused on the production of hydrogen that can be used as an alternative energy source. When hydrogen is used as a fuel, it has the advantages of being environmentally friendly, producing only water as a by-product of combustion, and having higher energy content and conversion rate than general hydrocarbon compounds (see Ramanchandran et al., Int. J. Hydrogen Energy, vol. 23). (7), 1998, p. 593-598).

수소를 제조하는 방법에는 크게 물리ㆍ화학적인 방법과 생물학적인 방법으로 나뉘어지는데, 물리ㆍ화학적인 방법은 수소의 제조 시 화석연료를 이용한 많은 에너지를 필요로 하므로 환경친화적이지 못하다는 단점이 있다. 그리고, 생물학적인 방법에는 광합성에 의한 방법과 혐기발효에 의한 방법이 있는데, 광합성에 의한 방법은 광원을 필요로 하고, 반응 속도가 느리며, 수소 생성 시 높은 활성화 에너지를 요구한다는 단점이 있는 반면에, 혐기 발효에 의한 방법은 폐기물의 주요 성분인 탄수화물의 분해를 통해 수소를 생산할 수 있기 때문에 폐기물량을 줄일 수 있다는 친환경적인 장점과 반응 속도가 빠르며, 광원을 필요로 하지 않으므로 24시간 운전이 가능하다는 기술적인 장점이 있다(참조: Zaborsky, Biohydrogen, Plenum Press, Newyo가 and London, 1998. p. 10-17).The method of producing hydrogen is divided into physical and chemical methods and biological methods. The physical and chemical methods require a lot of energy using fossil fuels to produce hydrogen, and thus are not environmentally friendly. In addition, biological methods include photosynthesis and anaerobic fermentation. Photosynthesis requires a light source, a slow reaction rate, and high activation energy for hydrogen generation. Anaerobic fermentation can produce hydrogen through the decomposition of carbohydrates, which is a major component of waste, which can reduce the amount of waste. Has advantages (see Zaborsky, Biohydrogen, Plenum Press, Newyo and London, 1998. p. 10-17).

혐기 발효에 의한 수소의 생산과정은 비교적 잘 알려진 혐기성 소화에서 산 생성 단계와 유사하나, 현재까지 최적의 수소 생산을 위한 조건은 정립되고 있지 못하며, 만족할 만한 수준의 안정도와 높은 수율로 수소를 생성하는 방법은 보고되지 않고 있다. 특히 실용적인 폐수처리에 필요한 실폐수와 혼합 배양액을 이용한 연속 실험에 대한 연구는 더욱 미비한 편이다. 그래서, 최근에는 이러한 문제점 등을 해결하기 위하여 혼합 배양액을 이용한 혐기 발효 시 클로스트리디아(clostridia)에게 적절한 환경 조건을 유지하기 위해 최적의 pH, 수리학적 체류시간, 유기물의 농도 등에 관한 연구가 진행되어지고 있다(참조: Hawkes et al., Int. J. Hydrogen Energy, vol. 27, 2002, p. 1339-1347). 반응조 내의 수소 분압도 수소 생산에 영향을 끼치는 인자로 많은 연구가 진행되었으며, 일반적으로 수소 분압이 낮을 경우 수소 생산에 좋은 효과를 일으킨다고 한다(참조: Chung.. K. T., Appl. Env. Microbiol., vol. 31(3), 1976, p. 342-348, Andel et al., Appl. Microbiol. Technol., vol. 23, 1985, p. 21-26). The process of producing hydrogen by anaerobic fermentation is similar to that of acid production in relatively well known anaerobic digestion, but until now conditions for optimal hydrogen production have not been established, producing hydrogen with satisfactory stability and high yield. The method is not reported. In particular, studies on continuous experiments using mixed wastewater and actual wastewater for practical wastewater treatment are more incomplete. Therefore, recently, in order to solve such problems, researches on optimal pH, hydraulic retention time, concentration of organic matter, etc. have been conducted in order to maintain appropriate environmental conditions for Clostridia during anaerobic fermentation using a mixed culture broth. (Hawkes et al., Int. J. Hydrogen Energy, vol. 27, 2002, p. 1339-1347). Hydrogen partial pressure in the reactor is also a factor influencing hydrogen production, and many studies have been conducted. Generally, a low hydrogen partial pressure has a good effect on hydrogen production (see Chung .. KT, Appl. Env. Microbiol., vol. 31 (3), 1976, p. 342-348, Andel et al., Appl. Microbiol. Technol., vol. 23, 1985, p. 21-26).

기체 스파징은 전체적인 교반 효과를 상승시켜 기질과의 접촉 향상 및 생성된 수소의 기상으로의 방출을 용이하게 한다는 물리적인 측면과 함께 액상의 수소 농도를 낮추어 수소 생성에 관여하는 하이드로제나아제(hydrogenase)라는 효소의 활성이 고농도의 수소에 의한 저해 작용을 받지 않게 한다는 생물학적인 측면에서 연속적이고 높은 수소 생산을 가능하게 하는 방법으로 기존의 연속 실험에서 질소로 스파징하였을 때 수소 생성률이 향상된다는 보고가 있었으며(참조: Mizuno et al., Bioresource Technol., vol. 73, 2000, p. 59-65), 그 밖에 질소나 아르곤을 스파징 기체로 사용한 회분식 실험에서도 수소 생산이 향상되는 것으로 보고된 바 있다(참조: Tashino et al., Int. J. Hydrogen Energy., vol. 23(7), 1998, p. 559-563).Gas sparging is a hydrogenase that contributes to hydrogen production by lowering the concentration of hydrogen in the liquid phase, along with the physical aspects of enhancing the overall agitation effect to facilitate contact with the substrate and releasing the generated hydrogen into the gas phase. In the existing continuous experiments, there was a report that the hydrogen production rate is improved when sparging with nitrogen is a method that enables continuous and high hydrogen production in the biological aspect that the enzyme activity is not inhibited by high concentration of hydrogen. (See Mizuno et al., Bioresource Technol., Vol. 73, 2000, p. 59-65). In addition, hydrogen production has been reported to be improved in batch experiments using nitrogen or argon as sparging gases. See Tashino et al., Int. J. Hydrogen Energy., Vol. 23 (7), 1998, p. 559-563).

하지만, 상기 기체들을 이용한 현재까지의 수소생성기술에 의하면 수소전환율이 여전히 낮고, 경제성이 결여되는 문제는 해결되고 있지 못한 실정이다. However, according to the hydrogen production technology to date using the above gases, the hydrogen conversion rate is still low, and the problem of lack of economy is not solved.

본 발명은 상기 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 기존의 혐기성 수소발효방법에 비하여 경제적이고 안정적이면서 고효율로 수소를 제조하는 방법을 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art, the object is to provide a method for producing hydrogen with economical, stable and high efficiency compared to the conventional anaerobic hydrogen fermentation method.

본 발명의 다른 목적은 별도의 기계적인 교반과정이 없이도 기체 스파징만을 통한 대량의 수소생산이 가능한 수소의 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing hydrogen capable of producing a large amount of hydrogen through gas sparging only without a separate mechanical stirring process.

본 발명의 또 다른 목적은 발효조에서 생산되는 바이오 기체(1차 기체)로부터 이산화탄소 기체를 회수하여 이를 발효조내에서 스파징 기체(2차 기체)로 공급함으로써 외부기체 구입에 따른 추가적인 비용의 부담을 줄이고, 수소를 정제하여야 하는 번거러움을 제거한 수소발효장치를 제공함에 있다. Another object of the present invention is to recover the carbon dioxide gas from the biogas (primary gas) produced in the fermenter and to supply it as a sparging gas (secondary gas) in the fermenter to reduce the burden of additional costs associated with the purchase of external gas In addition, the present invention provides a hydrogen fermentation apparatus that eliminates the need to purify hydrogen.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수소발효에 의한 수소의 제조방법에 있어서, 발효조내의 유기성 폐수를 이산화탄소 기체로 스파징하여 유기성 폐수의 탄수화물로부터 수소기체를 제조함을 특징으로 하는 수소의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing hydrogen by hydrogen fermentation, by sparging the organic wastewater in the fermenter with carbon dioxide gas to produce a hydrogen gas from the carbohydrate of the organic wastewater. To provide.

본 발명은 바람직하게는 상기 이산화탄소 기체가 반응조내에서 생성된 바이오 기체로부터 회수된 것임을 특징으로 하는 수소의 제조방법을 제공한다.The present invention preferably provides a method for producing hydrogen, wherein the carbon dioxide gas is recovered from the biogas generated in the reaction tank.

본 발명은 바람직하게는 상기 이산화탄소 기체의 스파징이 250∼350㎖/min의 유량으로 수행되어짐을 특징으로 하는 수소의 제조방법을 제공한다.The present invention preferably provides a method for producing hydrogen, characterized in that the sparging of the carbon dioxide gas is carried out at a flow rate of 250 ~ 350ml / min.

본 발명은 바람직하게는 상기 발효반응이 pH 5.3± 0.1, 온도 35± 1℃하에 수행되어짐을 특징으로 하는 수소의 제조방법을 제공한다.The present invention preferably provides a method for producing hydrogen, characterized in that the fermentation reaction is carried out at pH 5.3 ± 0.1, temperature 35 ± 1 ℃.

또한, 본 발명은 발효조내로 유기성 폐수를 공급하는 유입수 공급부, 발효조에서 처리된 유기성 폐수를 배출하는 유출수 배출부, 발효조내의 pH를 조절하는 pH 조절부, 하부에 스파징을 하기 위한 다공판이 설치된 발효조, 발효조에서 발생되는 수소기체를 회수하기 위한 수소회수부를 포함하는 수소발효장치에 있어서,In addition, the present invention is an inlet water supply unit for supplying organic wastewater into the fermentation tank, an effluent outlet for discharging the organic wastewater treated in the fermentation tank, a pH control unit for adjusting the pH in the fermentation tank, fermentation tank is installed in the lower part for sparging In the hydrogen fermentation apparatus comprising a hydrogen recovery unit for recovering the hydrogen gas generated in the fermentation tank,

상기 수소회수부는 발효조에서 발생하는 1차 기체를 배출하기 위한 기체배출라인(14), 상기 1차 기체를 수집하고 기체발생량을 측정할 수 있는 1차 기체발생량 측정기(10), 1차 기체중 수소기체만을 통과시키는 기체분리막(21), 상기 기체분리막에 압력을 가하기 위하여 상기 1차 기체발생량 측정기로부터 배출되는 기체를 감압하는 감압펌프(7), 상기 기체분리막(21)으로부터 분리된 수소기체를 수소회수용라인(19)을 통해 수집하고 수집된 수소기체의 발생량을 측정할 수 있는 수소발생량 측정기(10') 및 상기 1차 기체중 수소기체를 제외한 2차 기체를 2차 기체주입라인(12)를 통해 다공판(8)으로 공급하는 2차 기체유량조절계(11)를 포함함을 특징으로 하는 수소발효장치를 제공한다.The hydrogen recovery unit gas discharge line 14 for discharging the primary gas generated in the fermentation tank, the primary gas generation meter 10 for collecting the primary gas and measure the amount of gas generated, hydrogen in the primary gas A gas separation membrane 21 for passing only gas, a pressure reducing pump 7 for reducing the pressure of the gas discharged from the primary gas generation meter to apply pressure to the gas separation membrane, and hydrogen gas separated from the gas separation membrane 21 The secondary gas injection line 12 collects a hydrogen generation amount measuring instrument 10 'capable of measuring the amount of hydrogen gas collected through the recovery line 19 and collecting the secondary gas excluding the hydrogen gas in the primary gas. It provides a hydrogen fermentation apparatus, characterized in that it comprises a secondary gas flow control system (11) for supplying to the porous plate (8) through.

본 발명은 바람직하게는 기체분리막(21)내 수증기의 침투를 막기 위한 수증기 제거필터(20)가 기체분리막의 유입구 앞에 더 포함되어짐을 특징으로 하는 수소발효장치를 제공한다.The present invention preferably provides a hydrogen fermentation apparatus, characterized in that a water vapor removal filter 20 for preventing the penetration of water vapor in the gas separation membrane 21 is further included in front of the inlet of the gas separation membrane.

이하, 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the content of the present invention in more detail as follows.

수소발효에 사용되는 혐기성 수소발효균은 순수배양균을 이용하는 것 보다는 바람직하게는 하수처리장으로부터 얻은 혐기성 슬러지가 이용되며, 메탄생성균과 같은 수소 소비균에 의한 저해작용을 없애기 위해 상기 혐기성 슬러지에 열처리를 가해 얻은 혼합배양균을 이용하는 것이 좋다. 이때 열처리 조건은 특별한 한정을 요하는 것은 아니나, 바람직하게는 90∼100℃로 10∼20분 정도 수행하는 것이 좋다.Anaerobic hydrogen fermentation bacteria used for hydrogen fermentation is preferably used anaerobic sludge obtained from a sewage treatment plant rather than using pure culture bacteria, by applying heat treatment to the anaerobic sludge to remove the inhibitory action by hydrogen consuming bacteria such as methane-producing bacteria It is better to use the obtained mixed culture bacteria. At this time, the heat treatment condition does not require a special limitation, but preferably 10 to 20 minutes at 90 ~ 100 ℃.

수소생성에 최적의 환경을 유지하기 위해서는 pH 5.3± 0.1, 온도 35± 1℃로 유지하는 것이 좋다. 이 경우 교반은 특별히 요구되는 것은 아니나, 교반을 하는 경우에는 바람직하게는 60∼120rpm, 보다 바람직하게는 100rpm으로 하면서, 수리학적 체류시간(HRT)을 바람직하게는 10∼14시간, 보다 바람직하게는 12시간으로 한다. 본 발명의 실시예에서는 반응조의 유효부피를 5L로 하였으며, 완전혼합방식으로 운전한 예가 제시되어 있으나, 이는 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위해 제시되는 것일 뿐 이에 한정될 이유는 없다.In order to maintain an optimal environment for hydrogen production, it is recommended to keep the pH at 5.3 ± 0.1 and the temperature at 35 ± 1 ℃. In this case, stirring is not particularly required, but in the case of stirring, the hydraulic residence time (HRT) is preferably 10 to 14 hours, more preferably 60 to 120 rpm, more preferably 100 rpm. 12 hours. In the embodiment of the present invention, the effective volume of the reaction tank was 5L, and an example of operating in a completely mixed mode is presented, but this is only presented to help the understanding of the present invention and there is no reason to be limited thereto.

스파징 기체로 이산화탄소를 사용하는 경우 타 기체를 사용하는 경우보다 더 높은 수소전환율을 얻을 수 있다. 이는 발효조내에 높은 이산화탄소의 분압이 형성되어, 주요 수소생성균인 클로스트리디아에게는 거의 저해작용을 주지 않으면서, 그 외의 젖산을 생성하거나 수소를 소모하여 아세트산을 생성함과 동시에 클로스트리디아와 기질을 이용함에 있어 경쟁관계에 있는 미생물들에게는 저해작용을 끼치는 데서 기인되는 것으로 판단된다.When carbon dioxide is used as the sparging gas, it is possible to obtain a higher hydrogen conversion rate than when using other gases. The high partial pressure of carbon dioxide is formed in the fermenter, and it produces little acetic acid or consumes hydrogen to produce acetic acid with little inhibitory effect on Clostridia, a major hydrogen producing bacterium. It appears to be due to the inhibitory effect on the microorganisms in competition.

최적의 스파징 조건으로는 특별한 한정으로 요하지는 아니하나, 바람직하게는 250∼350㎖/min, 보다 바람직하게는 300㎖/min의 유량으로 수행되어지는 것이 주입된 또는 분해된 글루코스당 수소전환율이 가장 높게 나타난다. Optimum sparging conditions are not particularly limited, but preferably performed at a flow rate of 250-350 ml / min, more preferably 300 ml / min, yielding hydrogen conversion per glucose injected or degraded. It is highest.

이하, 상기 수소제조방법의 구현을 위한 수소발효장치 및 작용을 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a hydrogen fermentation apparatus and action for implementing the hydrogen production method will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예로서 이산화탄소 기체를 스파징원으로 이용하는 수소발효장치의 개략적인 구성도이다. 상기 장치는 발효조내로 유기성 폐수를 공급하는 유입수 공급부, 발효조에서 처리된 유기성 폐수를 배출하는 유출수 배출부, 발효조내의 pH를 조절하는 pH 조절부, 하부에 기체 스파징을 하기 위한 다공판이 설치된 발효조, 발효조에서 발생되는 수소기체를 회수하기 위한 수소회수부를 포함한다.1 is a schematic configuration diagram of a hydrogen fermentation apparatus using carbon dioxide gas as a sparging source as a preferred embodiment of the present invention. The apparatus includes an inlet water supply unit for supplying organic wastewater into the fermentation tank, an effluent outlet for discharging organic wastewater treated in the fermentation tank, a pH control unit for adjusting pH in the fermentation tank, a fermentation tank having a porous plate for gas sparging at the bottom thereof, Hydrogen recovery unit for recovering the hydrogen gas generated in the fermentation tank.

유입수 공급부는 유기성 폐수의 발효조내로의 공급부로서, 바람직하게는 유입수 집수조(2), 유입수 펌프(9) 및 유입수 라인(16)을 포함한다. 유기성 폐수(식종 폐수)는 유입수 집수조(2)에 저장되며, 펌프(9)에 의해 유입수라인(16)을 통해 발효조(1)내로 유입된다.The influent feed part is a feed part of the organic wastewater into the fermentation tank, and preferably includes an influent sump tank 2, an influent pump 9 and an influent line 16. Organic wastewater (planting wastewater) is stored in the influent collection tank 2 and is introduced into the fermentation tank 1 via the inlet line 16 by a pump 9.

유출수 배출부는 발효가 종료된 유기성 폐수를 발효조 밖으로 배출하기 위한 것으로, 바람직하게는 유출수 펌프(9'), 유출수 라인(17) 및 유출수 집수조(3)을 포함한다. 발효조(1)에 투입된 유기성 폐수는 수리학적 체류시간(HRT)이 경과된 후에 펌프 (9')에 의해 유출수라인(17)을 통해 유출수 집수조(3)로 배출된다.The effluent discharge part is for discharging the organic wastewater from which the fermentation is completed out of the fermentation tank, and preferably includes an effluent pump 9 ', an effluent line 17 and an effluent collection tank 3. The organic wastewater introduced into the fermentation tank 1 is discharged to the effluent collection tank 3 through the effluent line 17 by the pump 9 'after the hydraulic residence time (HRT) has elapsed.

pH 조절부는 발효조내의 pH를 조절하기 위한 것으로, 발효조내의 pH를 측정하는 pH 미터(5), 발효조내의 pH를 일정하게 유지하기 위해 상기 pH 미터와 연결된 pH 제어기(6), pH 유지를 위해 주입되는 pH 조절액(예를 들어, 3M의 수산화칼륨 용액)이 담긴 집수조(4), 상기 pH 조절액의 유입라인(18) 및 상기 pH 조절액을 발효조내로 공급하며, pH 제어기(6)에 의해 제어되는 펌프(9")를 포함한다.pH control unit for adjusting the pH in the fermenter, a pH meter (5) for measuring the pH in the fermenter, a pH controller (6) connected to the pH meter to maintain a constant pH in the fermenter, injected to maintain the pH A water collecting tank 4 containing a pH adjusting liquid (for example, 3 M potassium hydroxide solution), an inflow line 18 of the pH adjusting liquid, and the pH adjusting liquid are supplied into the fermenter, and controlled by a pH controller 6. Pump 9 ".

pH 미터(5)에 의해 측정된 발효조 내의 pH가 정상작동 범위를 벗어나는 것으로 pH 제어기(6)에서 판단되면, pH 제어기(6)는 펌프(9")를 제어하여 집수조(4)내의 pH 조절액을 발효조내로 바람직하게는 화학양론에 입각하여 일정량 투입하도록 제어한다.If the pH controller 6 determines that the pH in the fermenter as measured by the pH meter 5 is out of the normal operating range, the pH controller 6 controls the pump 9 "to adjust the pH control liquid in the sump 4. Into the fermenter it is preferably controlled to a certain amount based on the stoichiometry.

발효조(1)는 유입된 유기성 폐수를 수리학적 체류시간(HRT) 동안 발효시키는 장소로서, 하부에는 이산화탄소 기체를 스파징(sparging)하기 위한 다공판(또는 산기판)(8)이 설치된다. 이러한 다공판의 구조는 이미 주지된 것이다. 또한, 발효조는 발효액을 기계적으로 교반하기 위한 교반기(22)를 더 구비할 수 있다. 하지만, 본 발명에 따라 이산화탄소를 스파징 기체로 하는 경우에는 위와 같은 교반기를 추가로 장착할 필요는 없다.The fermentation tank 1 is a place for fermenting the introduced organic wastewater during the hydraulic retention time (HRT), and a lower plate (or acid substrate) 8 is installed at the lower part for sparging carbon dioxide gas. The structure of such a porous plate is already well known. In addition, the fermentation tank may further include a stirrer 22 for mechanically stirring the fermentation broth. However, in the case of using carbon dioxide as a sparging gas according to the present invention, it is not necessary to further install the above agitator.

스파징 기체는 가스통(23)에 충전되어 기체유량조절계(11)를 매개하여 기체주입라인(12)를 통해 다공판(8)에 공급된다.The sparging gas is filled in the gas cylinder 23 and supplied to the porous plate 8 through the gas injection line 12 through the gas flow control system 11.

발효조(1)에서 발생되는 수소기체를 회수하기 위한 수소회수부는 바람직하게는 기체배출라인(14)과 기체발생량을 측정하는 습식기체미터(15)를 포함한다. 바람직하게는 수소의 정제정도를 측정할 수 있는 기체 샘플링포트(13)를 기체배출라인과 연결한다.The hydrogen recovery unit for recovering the hydrogen gas generated in the fermentation tank 1 preferably includes a gas discharge line 14 and a wet gas meter 15 for measuring the amount of gas generated. Preferably, the gas sampling port 13 capable of measuring the degree of purification of hydrogen is connected to the gas discharge line.

상기 수소회수부는 더욱 바람직하게는 발효시 발생하는 바이오 기체(1차 기체)로부터 스파징 기체를 발효조내로 공급하는 기능과 수소기체의 수집기능을 동시에 수행하도록 유기적으로 결합된 구조로서 제공되는 것이 좋다.The hydrogen recovery unit is more preferably provided as an organically coupled structure to perform the function of supplying the sparging gas from the biogas (primary gas) generated during fermentation into the fermenter and the collection function of hydrogen gas at the same time.

상기 수소회수부에 대한 바람직한 실시예로서 제시되는 구조가 도 3에 도시되어 있으며, 발효조에서 발생하는 1차 기체를 배출하기 위한 기체배출라인(14), 상기 1차 기체를 수집하고 기체발생량을 측정할 수 있는 1차 기체발생량 측정기(10), 1차 기체중 수소기체만을 통과시키는 기체분리막(21), 상기 기체분리막에 압력을 가하기 위하여 상기 1차 기체발생량 측정기로부터 배출되는 기체를 감압하는 감압펌프(7), 상기 기체분리막(21)으로부터 분리된 수소기체를 수소회수용라인(19)을 통해 수집하고 수집된 수소기체의 발생량을 측정할 수 있는 수소발생량 측정기(10') 및 상기 1차 기체중 수소기체를 제외한 2차 기체를 2차 기체주입라인(12)를 통해 다공판(8)로 공급하는 2차 기체유량조절계(11)를 포함한다.The structure shown as a preferred embodiment for the hydrogen recovery unit is shown in Figure 3, a gas discharge line 14 for discharging the primary gas generated in the fermenter, collecting the primary gas and measuring the amount of gas generated A primary gas generation meter (10) capable of, a gas separation membrane (21) for passing only the hydrogen gas in the primary gas, a pressure reducing pump for reducing the gas discharged from the primary gas generation meter to apply pressure to the gas separation membrane (7), a hydrogen generation amount measuring instrument 10 'capable of collecting the hydrogen gas separated from the gas separation membrane 21 through a hydrogen recovery line 19 and measuring the generated amount of the collected hydrogen gas, and the primary gas It includes a secondary gas flow control system 11 for supplying the secondary gas excluding the hydrogen gas to the porous plate 8 through the secondary gas injection line 12.

도 3을 참조하면, 발효조에서 발생한 1차 기체는 이산화탄소와 수소기체를 포함하며, 상기 1차 기체는 기체배출라인(14)를 통해 1차 기체발생량 측정기(10)로 유입된다. 1차 기체발생량 측정기(10)는 1차 기체를 수집하고 기체발생량을 측정할 수 있다. 상기 1차 기체는 감압펌프(7)에 의해 감압된 상태로 수증기 제거필터(20)를 경유하여 기체분리막(21)으로 유입된다. 수증기 제거필터(20)는 기체분리막(21)내 수증기의 침투를 막기 위해 설치될 수 있다.Referring to FIG. 3, the primary gas generated in the fermenter includes carbon dioxide and hydrogen gas, and the primary gas is introduced into the primary gas generation meter 10 through the gas discharge line 14. The primary gas generation meter 10 may collect the primary gas and measure the gas generation amount. The primary gas is introduced into the gas separation membrane 21 via the water vapor removal filter 20 in a pressure-reduced state by the pressure reducing pump 7. The steam removal filter 20 may be installed to prevent infiltration of water vapor in the gas separation membrane 21.

상기 기체분리막(21)은 수소만을 선택적으로 수소회수용 라인(19)으로 통과시킬 수 있어야 하며, 예를 들면 시판되고 있는 제품으로는 REB 리서치 엔 컨설팅 사의 수소만 선택적으로 흡착하는 성질이 있는 팔라디움과 약간의 은이 첨가되어 제조된 막, 또는 동일 회사 제품의 미스터 하이드로젠(Mr. Hydrogen)이란 막이 이용될 수 있다. 수소기체는 상기 기체분리막(21)을 통해 수소발생량 측정기(10')로 유입된다. 상기 수소발생량 측정기(10')는 상기 기체분리막(21)으로부터 분리된 수소기체를 수소회수용라인(19)을 통해 수집하고 수집된 수소기체의 발생량을 측정할 수 있다. 상기 1차 기체발생량 측정기(10) 및 수소발생량 측정기(10')는 바람직하게는 수위 변위식 기체발생량 측정기이다.The gas separation membrane 21 should be able to selectively pass only hydrogen to the hydrogen recovery line 19. For example, commercially available products include palladium having a property of selectively adsorbing hydrogen only from REB Research & Consulting Co., Ltd. Membranes made with the addition of some silver or Mr Hydrogen membranes from the same company can be used. Hydrogen gas is introduced into the hydrogen generation meter (10 ') through the gas separation membrane (21). The hydrogen generation amount measuring instrument 10 ′ may collect the hydrogen gas separated from the gas separation membrane 21 through the hydrogen recovery line 19 and measure the amount of hydrogen gas collected. The primary gas generation amount measuring instrument 10 and the hydrogen generation amount measuring instrument 10 'is preferably a level displacement type gas generating amount measuring instrument.

한편 1차 기체중 수소기체를 제외한 2차 기체(이산화탄소 함유)는 기체주입라인(12)를 통해 다공판(8)으로 공급되며, 2차 기체유량조절계(11)에 의해 유량이 제어된다.On the other hand, the secondary gas (containing carbon dioxide) excluding the hydrogen gas in the primary gas is supplied to the porous plate 8 through the gas injection line 12, the flow rate is controlled by the secondary gas flow control system (11).

이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these examples are only presented to understand the content of the present invention, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to these embodiments.

<실시예 1><Example 1>

대전시 하수처리장 혐기성 소화조 내부 반송관에서 채취한 슬러지를 15분 동안 끓인 것을 식종하여 발효조에 주입하였다. 수소 생성에 적절한 환경을 유지하기 위하여 pH 5.3, 수리학적 체류시간을 12시간, 교반 속도를 100 rpm, 온도는 35℃로 유지하고 반응조의 유효 부피는 5 L로 하였으며, 완전 혼합 방식으로 운전하였다. 유입수의 기질로는 20 g COD/L의 농도로 수크로스(sucrose)가 사용되었으며, NaHCO3 2.5 g/L, KH2PO4 0.5 g/L, K2HPO4 0.5 g/L, NH4 Cl 1.5 g/L, MgCl2·6H2O 0.1 g/L, CaCl2·2H2O 0.01 g/L, MnCl2·6H2O 0.015 g/L, Na2 MoO4·4H2O 0.01 g/L, FeCl2·4H2O 0.02 g/L를 첨가하여 배양액을 구성하였다.Sludge collected from the internal conveying pipe of the anaerobic digester at the sewage treatment plant at Daejeon was boiled for 15 minutes and injected into the fermenter. In order to maintain an environment suitable for hydrogen production, pH 5.3, the hydraulic residence time was 12 hours, the stirring speed was 100 rpm, the temperature was maintained at 35 ℃ and the effective volume of the reactor was 5 L, it was operated in a fully mixed manner. Sucrose was used as the substrate for the influent at a concentration of 20 g COD / L, NaHCO 3 2.5 g / L, KH 2 PO 4 0.5 g / L, K 2 HPO 4 0.5 g / L, NH 4 Cl 1.5 g / L, MgCl 2 · 6H 2 O 0.1 g / L, CaCl 2 · 2H 2 O 0.01 g / L, MnCl 2 · 6H 2 O 0.015 g / L, Na 2 MoO 4 4H 2 O 0.01 g / L , FeCl 2 · 4H 2 O 0.02 g / L was added to form a culture.

도 2는 시간의 경과에 따른 주입된 글루코스에 대한 수소로의 전환율을 보여준다. 스타트업(Start-up) 기간으로 20일 동안 운전하였고, 그 후 스파징을 하지 않고 20일 동안 더 운전하여 그 때의 자료를 대조군의 결과값으로 이용하였다. 각 기체의 스파징은 40일 후부터 시작하였고, 20일 동안 각각의 분압에 대해 적응하는 시간을 주었으며, 각각의 스파징 조건에서 20일씩 운전하였다. 도시된 바와 같이 대조군, 질소 및 아르곤, 이산화탄소 순서대로 수소 전환율이 증가함을 쉽게 관찰할 수 있다. 그리고, 각 조건에서의 평균 수소 전환율, 미생물 농도, 글루코스 분해율, 부산물 중 뷰틸산의 농도와 전체 부산물에서 차지하는 구성비, 반응조내의 수소 분압을 하기 표 1에 기재하였다.2 shows the conversion to hydrogen for injected glucose over time. The operation was started for 20 days as a start-up period, and then further operated for 20 days without sparging, and the data at that time was used as a result of the control group. The sparging of each gas started after 40 days and allowed to acclimate for each partial pressure for 20 days, and run for 20 days at each sparging condition. As shown, it can be easily observed that the hydrogen conversion rate increases in the order of control, nitrogen and argon, carbon dioxide. In addition, the average hydrogen conversion rate, microbial concentration, glucose decomposition rate, the concentration of butyl acid in the by-products, the composition ratio of the total by-products, and the hydrogen partial pressure in the reaction tank in each condition are described in Table 1 below.

<표 1>TABLE 1

기체 종류Gas type 스파징 유량(ml/min)Spazing Flow Rate (ml / min) 주입된 글루코스당 수소 전환율(mol H2/mol glucoseadded)Hydrogen conversion per injected glucose (mol H 2 / mol glucose added ) 분해된 글루코스당 수소 전환율(mol H2/mol glucoseconsumed)Hydrogen conversion per degraded glucose (mol H 2 / mol glucose consumed ) 뷰틸산의 농도 및 구성비(mg COD/L, %)Concentration and Composition of Butyl Acid (mg COD / L,%) 수소 분압(%)Hydrogen partial pressure (%) 대조군Control -- 0.740.74 0.760.76 5,457 (36.0%)5,457 (36.0%) 63.263.2 질소nitrogen 100100 0.870.87 0.910.91 6,248 (41.7%)6,248 (41.7%) 12.012.0 200200 0.910.91 0.920.92 6,988 (44.8%)6,988 (44.8%) 7.07.0 300300 0.930.93 0.950.95 7,400 (47.6%)7,400 (47.6%) 5.65.6 400400 0.910.91 0.920.92 6,097 (39.7%)6,097 (39.7%) 3.93.9 아르곤argon 100100 0.880.88 0.900.90 6,317 (42.0%)6,317 (42.0%) 12.012.0 200200 0.920.92 0.940.94 7,011 (45.1%)7,011 (45.1%) 7.17.1 300300 0.940.94 0.970.97 6,512 (42.3%)6,512 (42.3%) 5.55.5 400400 0.880.88 0.910.91 6,327 (41.0%)6,327 (41.0%) 4.04.0 이산화탄소carbon dioxide 100100 0.910.91 1.401.40 6,454 (67.6%)6,454 (67.6%) 11.911.9 200200 1.151.15 1.651.65 7,450 (71.4%)7,450 (71.4%) 9.29.2 300300 1.201.20 1.681.68 7,620 (72.4%)7,620 (72.4%) 6.76.7 400400 1.201.20 1.571.57 8,185 (70.7%)8,185 (70.7%) 5.65.6

생산되는 수소의 발생량은 습식가스미터(15)와 기체크로마토그래피를 이용하여 측정하였으며, 유기산은 유출수를 0.45 ㎛로 여과시킨 후 HPLC를 이용하여 분석하였다.The amount of hydrogen produced was measured using a wet gas meter (15) and gas chromatography. The organic acid was analyzed by HPLC after filtering the effluent to 0.45 μm.

상기 표 1을 통하여 알 수 있듯이 외부기체로 스파징할 경우, 반응조내의 수소 분압의 감소에 따라 뷰틸산의 농도와 구성비의 상승과 함께 대조군에 비하여 더 높은 수소 전환율을 보였다. 그러나, 이산화탄소의 경우 질소와 아르곤에 비하여 수소 전환율 및 뷰틸산의 농도와 구성비가 더 높았는데, 이는 이산화탄소 스파징의 경우 외부기체 주입에 따른 수소 분압감소에 의해 수소 생산이 향상되는 효과 이외에도 다른 기작에 의하여 수소의 생산을 향상시켰기 때문이다. 혐기 발효 시 이산화탄소 분압에 대한 연구는 매우 미비한 편이지만 문헌에 따르면 높은 이산화탄소 분압이 세포내 pH의 저하, 세포막의 손상 등의 원인에 의하여 미생물의 생장 활동에 저해를 준다고 보고되고 있으며, 특히 0.7 기압 이상의 높은 이산화탄소 분압에서 수소를 소모하며 아세트산이나 메탄을 생성하는 미생물들의 활동이 저해받는다고 한다(참조: 이국의 외, 한국환격위생학회지, vol. 26(2), 2000, p. 59-66, Dixon and Kell, J. Appl. Bacteriol., vol. 67, 1989, p. 109-136). 상기 표 1에 제시되진 않았지만, 대조군과 질소 스파징의 경우에선 젖산과 아세트산의 구성비가 모든 경우에서 각각 20% 이상이었지만, 이산화탄소의 경우는 그 구성비가 10% 미만이었다. 그러므로, 이산화탄소로 스파징을 하였을 때 수소 생산량이 가장 많았던 이유는 높은 이산화탄소 분압이 주요 수소 생성균인 클로스트리디아에게는 거의 저해 작용을 주지 않고, 그 외의 젖산을 생성하거나 수소를 소모하며 아세트산을 생성함과 동시에 클로스트리디아와 기질을 이용하는데 있어서 경쟁관계에 있는 미생물들에게 저해 작용을 끼쳤기 때문으로 사료된다. 최적의 스파징 조건은 주입된 또는 분해된 글루코스 당 수소 전환율이 가장 높은 경우인 이산화탄소로 300 ml/min로 스파징하는 경우였으며, 이 때의 수소 전환율은 연속 실험을 통애 얻어진 기존의 보고된 값보다 더 높은 값이었다.As can be seen from Table 1, when sparging with an external gas, the hydrogen conversion rate was higher than that of the control group with the increase in the concentration of butyl acid and the composition ratio according to the decrease in the partial pressure of hydrogen in the reactor. However, in the case of carbon dioxide, the hydrogen conversion rate and the concentration and composition ratio of butyl acid were higher than those of nitrogen and argon. In the case of carbon dioxide sparging, in addition to the effect of reducing hydrogen partial pressure due to external gas injection, hydrogen production was improved. This is because the production of hydrogen is improved. Although studies on carbon dioxide partial pressure during anaerobic fermentation are very poor, the literature reports that high carbon dioxide partial pressure inhibits the growth activity of microorganisms due to lowering of intracellular pH and damage to cell membranes. At high CO2 partial pressures, hydrogen is consumed and the activity of acetic acid or methane-producing microorganisms is inhibited (see, et al., Korean Journal of Radiological Hygiene, vol. 26 (2), 2000, p. 59-66, Dixon and Kell, J. Appl. Bacteriol., Vol. 67, 1989, p. 109-136). Although not shown in Table 1, in the case of the control and nitrogen sparging, the composition ratio of lactic acid and acetic acid was 20% or more in all cases, but in the case of carbon dioxide, the composition ratio was less than 10%. Therefore, the highest production of hydrogen when sparging with carbon dioxide is that high partial pressure of carbon dioxide hardly inhibits Clostridia, a major hydrogen-producing bacterium, and produces other lactic acid or consumes hydrogen to produce acetic acid. At the same time, it may be because it inhibited the microorganisms in competition in using Clostridia and the substrate. Optimum sparging conditions were sparging at 300 ml / min with carbon dioxide, the highest hydrogen conversion rate per injected or degraded glucose, with hydrogen conversion rates exceeding the previously reported values obtained from successive experiments. Higher value.

<실시예 2><Example 2>

상기 실시예 1의 결과로부터 도출된 최적의 스파징 조건(이산화탄소 300 ml/min)에서 교반기(22)를 작동시키지 않으면서 발효조를 운전하였으며, 이 때의 결과값들을 표 2에 나타내었다. 즉, 본 실시예 2는 외적인 물리적 교반을 가하지 않은 상태에서 발효조를 운전하여 스파징의 생물학적 및 물리적인 효과를 확인하기 위한 것으로서 경제적인 반응조의 운전 및 실제 대용량 운전의 가능성을 검토할 수 있는 근거를 제시할 것이다.The fermenter was operated without operating the stirrer 22 at the optimum sparging conditions (300 ml / min of carbon dioxide) derived from the results of Example 1, and the results are shown in Table 2. In other words, the second embodiment is to confirm the biological and physical effects of sparging by operating the fermenter without external physical agitation. Will be presented.

<표 2>TABLE 2

항목Item 단위unit value 주입된 글루코스당 수소 전환율Hydrogen Conversion Per Glucose Infused (mol H2/mol glucoseadded)(mol H 2 / mol glucose added ) 1.131.13 분해된 글루코스당 수소 전환율Hydrogen Conversion Per Glucose Decomposed (mol H2/mol glucoseconsumed)(mol H 2 / mol glucose consumed ) 1.241.24 뷰틸산의 농도 및 구성비Butyl Acid Concentration and Composition Ratio (mg COD/L, %)(mg COD / L,%) 7,673 (57.5%)7,673 (57.5%) 수소 분압Hydrogen partial pressure (%)(%) 6.156.15

상기 표 1과 2를 통해 알 수 있듯이, 이산화탄소 기체로 스파징하는 경우에 교반기를 작동시키지 않을 경우에도 대조군과 질소 및 아르곤 기체를 이용한 스파징의 경우보다 수소 전환율이 더 높은 것으로 나타났다. 이는 추가적인 물리적 교반이 없이도 이산화탄소 기체 스파징만을 통하여 경제적으로 반응조를 운전할 수 있으며, 실제 대용량 반응조에서도 운전할 수 있는 가능성을 확인시켜 주는 것이다.As can be seen from Tables 1 and 2, even when the stirrer is not operated when sparging with carbon dioxide gas, the hydrogen conversion rate is higher than that of the control and sparging with nitrogen and argon gas. This allows economic reactor operation only through carbon dioxide gas sparging without additional physical agitation, confirming the possibility of operating in a real large-capacity reactor.

<실시예 3><Example 3>

도 3에 도시된 장치를 이용하여 외적으로 이산화탄소를 투입함이 없이, 수소 발효조 자체내에서 생성되는 바이오기체를 기체 분리막을 통하여 이산화탄소를 회수한 후 상기 실시예 1 및 2에서 도출된 최적의 조건으로 외적인 물리적 교반을 하지 않고 스파징만 실시하여 수소를 생성하였다. 기체 분리막으로는 수소만 흡착하는 은이 첨가된 팔라디움(palladium)막을 이용해 매우 정제도가 높게 수소를 분리한 경우가 보고되고 있으며(Nielsen et al., Int. J. Hydrogen Energy, vol. 26, 2001, p. 547-550), 그 외에도 정제정도가 99.99% 이상으로 매우 높은 REB 리서치 엔 컨설팅(REB Reseach & Consulting) 사의 미스터 하이드로젠(Mr. Hydrogen)이란 막을 통해 상기 공정의 운전이 가능하다. 본 실시예에서는 "미스터 하이드로젠"을 이용해 이산화탄소를 회수하여 300 ml/min으로 스파징하였으며, 실험 결과는 하기 표 3에 나타내었다.Using the apparatus shown in FIG. 3, without recovering carbon dioxide externally, the biogas generated in the hydrogen fermenter itself is recovered under the optimum conditions derived in Examples 1 and 2 after recovering carbon dioxide through a gas separation membrane. Only sparging was performed without external physical agitation to produce hydrogen. As a gas separation membrane, hydrogen has been reported to be highly purified using a palladium membrane containing silver that adsorbs only hydrogen (Nielsen et al., Int. J. Hydrogen Energy, vol. 26, 2001, p. 547-550), and in addition, the process can be operated via a membrane called Mr. Hydrogen from REB Reseach & Consulting, which has a high degree of purification of more than 99.99%. In this example, carbon dioxide was recovered using "Mr hydrogen" and sparged at 300 ml / min, and the experimental results are shown in Table 3 below.

<표 3>TABLE 3

항목Item 단위unit value 주입된 글루코스당 수소 전환율Hydrogen Conversion Per Glucose Infused (mol H2/mol glucoseadded)(mol H 2 / mol glucose added ) 1.161.16 분해된 글루코스당 수소 전환율Hydrogen Conversion Per Glucose Decomposed (mol H2/mol glucoseconsumed)(mol H 2 / mol glucose consumed ) 1.391.39 뷰틸산의 농도 및 구성비Butyl Acid Concentration and Composition Ratio (mg COD/L, %)(mg COD / L,%) 7,771 (62.7%)7,771 (62.7%) 수소 분압Hydrogen partial pressure (%)(%) 6.206.20

막의 설치에 따라 추가적인 비용이 소모된다고 생각할 수 있으나, 혐기 발효에서 생성된 수소를 에너지로 이용할려면 바이오기체 중 수소만 분리해야 하는 후 공정을 필요로 하므로, 상기 공정은 오히려 수소를 미리 분리함으로서 추가적으로 수소를 분리해야 하는 번거러움을 해결해 준다는 점에서 매우 경제적이다. It can be considered that additional cost is consumed depending on the installation of the membrane. However, in order to use the hydrogen generated in the anaerobic fermentation as energy, it is necessary to separate the hydrogen from the biogas. It is very economical in that it solves the hassle of separating.

본 발명은 기존의 혐기성 수소발효방법에 비하여 경제적이고 안정적이면서 고효율로 수소를 제조하는 방법을 제공하며, 특히 별도의 기계적인 교반과정이 없이도 스파징만을 통한 대량의 수소생산이 가능하다.The present invention provides a method for producing hydrogen with economical, stable and high efficiency as compared to the conventional anaerobic hydrogen fermentation method, in particular, it is possible to produce a large amount of hydrogen only through sparging without a separate mechanical stirring process.

또한, 본 발명에 따른 수소발효장치는 발효조에서 생산되는 바이오기체(1차 기체)로부터 이산화탄소를 회수하여 이를 스파징 기체(2차 기체)로 공급함으로써 외부기체 구입에 따른 추가적인 비용의 부담을 줄이고, 수소를 정제하여야 하는 번거러움을 제거할 수 있다. In addition, the hydrogen fermentation apparatus according to the present invention to reduce the burden of additional costs due to the purchase of external gas by recovering carbon dioxide from the biogas (primary gas) produced in the fermentation tank and supplying it as a sparging gas (secondary gas), The hassle of purifying hydrogen can be removed.

도 1은 외부 기체 스파징을 이용하는 수소발효공정의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a hydrogen fermentation process using external gas sparging.

도 2는 외부 기체의 종류 및 유량의 변화에 따른 수소의 전환율을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the conversion rate of hydrogen according to the type and flow rate of the external gas.

도 3은 본 발명에 따른 수소발효장치의 구성도로서, 기체분리막을 이용하여 바이오 기체 중 수소와 이산화탄소를 분리하여 수소는 에너지원으로 이용하고, 이산화탄소는 회수하여 스파징 기체로 이용하는 수소발효장치의 개략 구성도이다.Figure 3 is a schematic diagram of a hydrogen fermentation apparatus according to the present invention, by separating the hydrogen and carbon dioxide in the bio gas using a gas separation membrane of the hydrogen fermentation apparatus using hydrogen as an energy source, carbon dioxide is recovered as a sparging gas It is a schematic block diagram.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>

1: 수소발효조 2: 유입수 저장조1: hydrogen fermentation tank 2: influent storage tank

3: 유출수 저장조 4: 수산화칼륨 저장조3: effluent reservoir 4: potassium hydroxide reservoir

5: pH 조사체 6: pH 제어기5: pH probe 6: pH controller

7: 감압 펌프 8: 다공판7: decompression pump 8: perforated plate

9,9',9'': 이송펌프 10,10': 수위 변위식 기체 발생량 측정기9,9 ', 9' ': Transfer pump 10,10': Level displacement gas generator

11: 기체 유량 조절계 12: 기체주입라인11: gas flow controller 12: gas injection line

13,13': 기체 샘플링 포트 14: 기체배출라인13,13 ': gas sampling port 14: gas discharge line

15: 습식 가스 미터 16: 유입수라인15: wet gas meter 16: influent line

17: 유출수라인 18: 수산화칼륨 유입라인17: effluent line 18: potassium hydroxide inlet line

19: 수소 회수라인 20: 수증기 제거 필터19: hydrogen recovery line 20: water vapor removal filter

21: 기체 분리막 22: 교반장치21: gas separation membrane 22: agitator

23: 가스통23: gas cylinder

Claims (8)

수소발효에 의한 수소의 제조방법에 있어서, 발효조내의 유기성 폐수를 이산화탄소 기체로 스파징하여 유기성 폐수의 탄수화물로부터 수소기체를 제조함을 특징으로 하는 수소의 제조방법A method for producing hydrogen by fermentation of hydrogen, wherein the organic wastewater in the fermenter is sparged with carbon dioxide gas to produce hydrogen gas from carbohydrates of the organic wastewater. 제 1항에 있어서, 식종균으로 혐기성 슬러지가 사용되어짐을 특징으로 하는 수소의 제조방법 The method for producing hydrogen according to claim 1, wherein anaerobic sludge is used as a seed germ. 제 2항에 있어서, 혐기성 슬러지는 90∼100℃로 10∼20분간 끓인 것임을 특징으로 하는 수소의 제조방법The method for producing hydrogen according to claim 2, wherein the anaerobic sludge is boiled at 90 to 100 DEG C for 10 to 20 minutes. 제 1항에 있어서, 이산화탄소 기체는 반응조내에서 생성된 바이오 기체로부터 회수된 것임을 특징으로 하는 수소의 제조방법The method of producing hydrogen according to claim 1, wherein the carbon dioxide gas is recovered from the biogas generated in the reactor. 제 1항에 있어서, 이산화탄소 기체의 스파징은 250∼350㎖/min의 유량으로 수행되어짐을 특징으로 하는 수소의 제조방법 The method of producing hydrogen according to claim 1, wherein the sparging of carbon dioxide gas is performed at a flow rate of 250 to 350 ml / min. 제 1항에 있어서, 발효반응은 pH 5.3± 0.1, 온도 35± 1℃하에 수행되어짐을 특징으로 하는 수소의 제조방법The method of claim 1, wherein the fermentation reaction is carried out at pH 5.3 ± 0.1, a temperature of 35 ± 1 ℃ hydrogen production method 발효조내로 유기성 폐수를 공급하는 유입수 공급부, 발효조에서 처리된 유기성 폐수를 배출하는 유출수 배출부, 발효조내의 pH를 조절하는 pH 조절부, 하부에 스파징을 하기 위한 다공판이 설치된 발효조, 발효조에서 발생되는 수소기체를 회수하기 위한 수소회수부를 포함하는 수소발효장치에 있어서,Inflow water supply unit for supplying organic wastewater into fermentation tank, outflow water discharge unit for discharging organic wastewater treated in fermentation tank, pH control unit for adjusting pH in fermentation tank, fermentation tank with perforated plate for sparging at bottom, In the hydrogen fermentation apparatus comprising a hydrogen recovery unit for recovering hydrogen gas, 상기 수소회수부는 발효조에서 발생하는 1차 기체를 배출하기 위한 기체배출라인(14), 상기 1차 기체를 수집하고 기체발생량을 측정할 수 있는 1차 기체발생량 측정기(10), 1차 기체중 수소기체만을 통과시키는 기체분리막(21), 상기 기체분리막에 압력을 가하기 위하여 상기 1차 기체발생량 측정기로부터 배출되는 기체를 감압하는 감압펌프(7), 상기 기체분리막(21)으로부터 분리된 수소기체를 수소회수용라인(19)을 통해 수집하고 수집된 수소의 발생량을 측정할 수 있는 수소발생량 측정기(10') 및 상기 1차 기체중 수소기체를 제외한 2차 기체를 2차 기체주입라인(12)를 통해 다공판(8)로 공급하는 2차 기체유량조절계(11)를 포함함을 특징으로 하는 수소발효장치The hydrogen recovery unit gas discharge line 14 for discharging the primary gas generated in the fermentation tank, the primary gas generation meter 10 for collecting the primary gas and measure the amount of gas generated, hydrogen in the primary gas A gas separation membrane 21 for passing only gas, a pressure reducing pump 7 for reducing the pressure of the gas discharged from the primary gas generation meter to apply pressure to the gas separation membrane, and hydrogen gas separated from the gas separation membrane 21 The secondary gas injection line 12 collects the secondary gas, except for the hydrogen gas in the primary gas, and the hydrogen generation amount measuring instrument 10 'capable of measuring the amount of hydrogen collected and collected through the recovery line 19. Hydrogen fermentation apparatus, characterized in that it comprises a secondary gas flow control system 11 for supplying to the porous plate 8 through 제 7항에 있어서, 기체분리막내 수증기의 침투를 막기 위한 수증기 제거필터(20)가 기체분리막의 유입구 앞에 더 포함되어짐을 특징으로 하는 수소발효장치 8. The hydrogen fermentation apparatus according to claim 7, wherein a water vapor removal filter (20) for preventing the infiltration of water vapor in the gas separation membrane is further included in front of the inlet of the gas separation membrane.
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