KR20120033081A

KR20120033081A - 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치

Info

Publication number: KR20120033081A
Application number: KR20100094680A
Authority: KR
Inventors: 이상형; 심주현
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-04-06
Also published as: KR101185225B1

Abstract

본 발명은 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치에 관한 것으로, 산생성조(100)와 메탄생성조(200)에 멤브레인모듈(10)이 구비되고, 발생가스를 순환시키는 가스순환관(30,40)이 설치되며, 상기 가스순환관(30,40)에 각각 수소가스 포집장치(50)와 메탄가스 포집장치(60)가 설치된다.
따라서, 반응조내 가스(수소 또는 메탄)의 분압이 감소되고, 수소생성 미생물과 메탄생성 미생물의 분리가 확실하게 이루어짐으로써 수소 및 메탄 생성 효율이 향상된다.

Description

이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치{hydrogen and methane gas producing device using two phase anaerobic digestion reactor}

본 발명은 미생물 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치에 관한 것으로, 특히 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치에 관한 것이다.

혐기소화 반응조는 혐기성 미생물을 이용하여 각종 오?폐수를 정화하는 설비이다.

상기 미생물 반응조를 산생성조와 메탄생성조의 2단으로 구성한 것이 이단 혐기소화 반응조로서 산생성단계와 메탄생성단계가 구분됨으로써 유기물 분해효율 및 가스발생효율이 우수하다.

상기 설비는 폐수처리를 위한 것이지만, 폐수처리 과정에 있어서 상기 산생성단계에서는 수소가 발생하고, 상기 메탄생성단계에서는 메탄이 발생되므로 수소 및 메탄 생산 설비로 활용되고 있다.

본 발명은 미생물 반응조의 가스 분압을 감소시켜 가스(수소 및 메탄) 생성이 보다 활발히 이루어지고, 각 반응조간 미생물의 분리가 확실하게 이루어짐으로써 각 가스의 생성 효율이 향상될 수 있도록 된 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치를 제공함에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

산생성조와,

상기 산생성조에 폐수이동관으로 연결된 메탄생성조와,

상기 산생성조와 메탄생성조의 내부에 설치된 멤브레인모듈;

을 포함한다.

또한, 상기 산생성조와 메탄생성조에는 각각 반응조의 상단과 하단을 연결하는 가스순환관이 설치되고,

상기 가스순환관에 가스펌프가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산생성조의 가스순환관에 수소가스 포집장치가 연결되고,

상기 메탄생성조의 가스순환관에 메탄가스 포집장치가 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 멤브레인모듈은 튜브와,

상기 튜브의 상단과 하단에 설치된 상부판과 하부판 및,

상기 상부판과 하부판의 사이를 연결하는 중공사막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부판에 가스통로와, 상기 가스통로에 연결되고 상기 하부판의 상면으로 개방되는 가스배출공이 형성되고,

상기 가스통로의 일측단부에 형성된 확관부에 상기 가스순환관이 삽입, 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부판에 상하방향으로 관통공이 형성되고,

상기 하부판의 하측에 기포발생기가 설치되며,

상기 기포발생기에 상기 가스순환관이 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산생성조와 메탄생성조의 하부에 콘부가 형성되고,

상기 콘부에 슬러지배출관이 연결되며,

상기 슬러지배출관에 개폐밸브가 설치된 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면,

산생성조와 메탄생성조에서 발생하는 가스를 순환시키고, 각각의 포집장치를 이용하여 수소가스와 메탄가스를 포집, 제거하므로 반응조 내부의 해당 가스 분압을 감소시킬 수 있게 된다. 따라서, 각 반응조의 가스 생성이 보다 활발히 이루어지게 된다.

또한, 산생성조와 메탄생성조에 중공사막 멤브레인 모듈이 설치되어 양쪽 반응조의 미생물을 확실하게 분리해줌으로써 수소발생효율과 메탄발생효율이 향상된다.

또한, 각 반응조에서 해당 미생물이 배출되지 않으므로 반응조의 미생물 농도를 높게 유지할 수 있게 되어 폐수정화성능 및 가스생산 성능이 향상된다.

또한, 순환가스가 상기 중공사막을 진동시켜 오염물을 떨어내주므로 중공사막의 오염을 방지할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치의 구성도,
도 2는 메탄생성조의 확대도,
도 3은 기포발생기의 설치 상태도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 산생성조(100)와, 상기 산생성조(100)와 연결된 메탄생성조(200)를 포함한다.

상기 산생성조(100)에는 폐수유입관(20)이 연결되고, 상기 산생성조(100)와 메탄생성조(200)의 사이에는 폐수이동관(21)이 연결되며, 상기 메탄생성조(200)에는 폐수배출관(22)이 연결된다.

상기 폐수이동관(21)과 폐수배출관(22)에는 각각 펌프(23,24)가 설치되어 산생성조(100)로부터 메탄생성조(200)로의 폐수 이동과, 메탄생성조(200)의 폐수 배출이 원활히 이루어지도록 되어 있다.

상기 산생성조(100)와 메탄생성조(200)의 내부에는 멤브레인모듈(10)이 설치된다.

상기 멤브레인모듈(10)은 원형 튜브(11)의 내부에 상부판(2)과, 하부판(13) 및, 상기 상부판(12)과 하부판(13) 사이에 연결된 중공사막(14)을 포함한다.

상기 중공사막(14)의 중공 즉, 공극의 크기는 0.45㎛ 정도로 매우 미세하여 슬러지 및 이에 포함된 미생물을 걸러줄 수 있도록 되어 있다.

한편, 상기 폐수이동관(21)의 입구측 단부는 상기 산생성조(100)에 설치된 멤브레인모듈(10)의 튜브(11) 상부에 위치되고, 상기 폐수배출관(22)의 입구측 단부는 상기 메탄생성조(200)에 설치된 멤브레인모듈(10)의 튜브(11) 상부에 위치된다.

따라서, 상기 폐수이동관(21)에는 산생성조(100)의 멤브레인모듈(10)을 통과한 폐수가 유입되어 이후의 메탄생성조(200)로 공급될 수 있도록 되어 있고, 상기 폐수배출관(22)에는 상기 메탄생성조(200)의 멤브레인모듈(10)을 통과한 폐수가 유입되어 이후의 폐수처리설비로 공급될 수 있다.

한편, 산생성조(100)와 메탄생성조(200)에는 가스순환관(30,40)이 각각 설치된다.

상기 가스순환관(30,40)은 해당 반응조의 상단과 하단을 연결하는 파이프로서 반응조의 상단과 가까운 부위에 가스펌프(32,42)가 설치된다.

따라서, 상기 가스펌프(32,42)에 의해 산생성조(100)와 메탄생성조(200) 각각에서 발생한 가스는 상기 가스순환관(30,40)을 통해 해당 반응조를 강제 순환하게 된다.

한편, 상기 산생성조(100)의 가스순환관(30)과 상기 메탄생성조(200)의 가스순환관(40)에는 분기관(31,42)을 통해 각각 수소가스 포집장치(50)와 메탄가스 포집장치(60)가 설치된다.

도 2에는 상기 메탄생성조(200)의 확대도가 도시되어 있다.

이는 상기 가스순환관(30,40)의 하부 연결구조를 설명하기 위한 도면으로서, 산생성조(100)와 메탄생성조(200)는 미생물의 종류가 각각 산생성 미생물과 메탄 생성 미생물로 다를 뿐이며 그 구조는 동일하므로 하나의 도면만을 예로 들어 설명하기로 한다.(도시된 반응조는 메탄생성조(200)이다.)

본 발명은 상기 가스순환관(40)이 반응조에 내장된 멤브레인모듈(10)의 하부판(13)에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 하부판(13)의 내부에는 가로방향으로 가스통로(13a)가 형성되고, 상기 가스통로(13a)에는 상기 하부판(13)의 상면으로 개방되는 다수의 가스배출공(13b)이 형성된다.

상기 가스통로(13a)의 일측 단부는 직경이 확장되어 확관부(13c)가 형성되고, 상기 확관부(13c)는 상기 하부판(13)의 일측면으로 개방되어 있어서 상기 확관부(13c)에 상기 가스순환관(40)의 하단부가 삽입된다.

따라서, 상기 가스순환관(40)으로부터 공급된 가스는 상기 가스통로(13a)를 지나 상기 가스배출공(13b)으로 배출된다.

또한, 상기 메탄생성조(200)의 하단에는 하방으로 갈수록 직경이 점차 줄어드는 콘(cone)형상의 콘부(210)가 형성되고, 상기 콘부(210)의 하단에 슬러지배출관(220)이 설치되며, 상기 슬러지배출관(220)에 개폐밸브(70)가 설치된다.(이는 산생성조(100)에도 동일한 것으로, 산생성조(100)의 하단에 콘부(110)가 형성되고, 상기 콘부(110)의 하단에 슬러지배출관(120)이 설치되며(도 1참조), 상기 슬러지배출관(120)에 상기 개폐밸브(70)와 동일한 개폐밸브가 설치된다.)

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 멤브레인모듈(10)의 하부판(13) 하부에 별도의 기포발생기(80)가 설치될 수 있다.

이 경우 기포발생기(80)에 상기 가스순환관(30,40)의 하단이 연결된다. 또한, 이 경우에 상기 상부판(13)에는 상면과 하면을 수직으로 관통하는 관통공(13d)이 다수 형성된다.

따라서, 기포발생기(80)는 외기중의 공기를 빨아들이는 대신 상기 가스순환관(30,40)에서 공급된 가스 즉, 해당 반응조에서 발생한 가스를 공급받아 다수의 기포 형태로 상방으로 배출하게 된다.

상기 기포는 상기 하부판(13)의 상기 관통공(13d)을 통해 상승된다.

이제 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.

상기 산생성조(100)와 메탄생성조(200)의 각 멤브레인모듈(10)에는 각각 내부에 수소를 생산하는 산생성 미생물과 메탄생성 미생물이 배양된다.

따라서, 상기 산생성조(100)에서 발생하는 가스에는 수소가 포함되어 있고, 상기 메탄생성조(200)에서 발생하는 가스에는 메탄이 포함되어 있다.(또한, 각 반응조에서 발생하는 가스에는 이산화탄소도 포함되어 있다.)

상기와 같이 발생된 가스는 상기 가스펌프(32,42)에 의해 반응조로부터 강제 흡입, 배출된다.

반응조로부터 배출된 가스에서 각각의 포집장치(50,60)는 해당 가스를 포집한다.

즉, 산생성조(100)에 연결된 수소가스 포집장치(50)는 산생성조(100)에서 발생한 가스중 수소를 포집하고, 메탄생성조(200)에 연결된 메탄가스 포집장치(60)는 메탄생성조(200)에서 발생한 가스중 메탄가스를 포집한다.

상기와 같이 각 반응조로부터 배출된 가스에서 각각 수소와 메탄이 포집, 제거되고 나머지 가스만 가스순환관(30,40)을 통해 해당 반응조의 하부로 재공급되므로 산생성조(100)의 수소분압과 메탄생성조(200)의 메탄분압이 감소된다.

상기와 같은 과정이 반복되므로 각 반응조 내부의 수소분압과 메탄분압은 낮게 유지될 수 있게 된다.

따라서, 산생성조(100)에서는 수소가 보다 원활히 발생되고, 메탄생성조에서는 메탄이 보다 원활히 발생하게 되므로, 각 반응조의 가스 발생효율이 향상되어 보다 많은 양의 수소와 메탄을 생산할 수 있게 된다.

한편, 각 반응조의 혐기성 미생물은 상기 멤브레인모듈(10) 내부에 존재하고, 폐수의 순환과정에서 상기 중공사막(14)에 의해 걸러지므로 이후의 단계로 배출되는 폐수에는 상기 혐기성 미생물이 포함되어 있지 않게 된다.

즉, 상기 산생성조(100)로부터 산생성 미생물이 상기 메탄생성조(200)로 유입되어 메탄생성 미생물과 혼합되는 현상이 발생하지 않게 된다.

따라서, 산생성 미생물과 메탄생성 미생물의 분리가 완벽하게 이루어지므로 산생성 단계의 수소발생과 메탄생성 단계의 메탄생성 효율이 증가된다.

또한, 상기와 같이 각 반응조에서 해당 미생물의 배출이 이루어지지 않으므로 지속적인 미생물 성장에 따라 반응조 내 미생물의 농도를 고농도로 유지할 수 있게 된다. 따라서, 각 반응조의 폐수정화 성능 및 가스(수소 및 메탄) 생산 성능은 더욱 증가된다.

따라서, 보다 많은 양의 수소와 메탄을 생산할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같은 가스 순환작용에 의해 각 반응조 내부에서 폐수가 상기 멤브레인모듈(10)을 통해 순환하게 된다.

즉, 반응조의 하부에서 상방으로 배출되는 가스 기포의 상승력에 의해 반응조 내부의 폐수가 기포와 더불어 상기 하부판(13)을 통과하여 중공사막(14)을 거친 후 상부판(12)을 통해 배출된다.

그 과정에서 걸러진 폐수의 슬러지는 반응조 하부의 콘부(110,210)로 하강하여 쌓이므로 상기 밸브(70)를 열어 슬러지배출관(120,220)을 통해 배출할 수 있다.

또한, 상기 상승 기포는 상기 중공사막(14)에 진동 및 충격을 가하여 중공사막(14)에 붙어 있는 슬러지를 분리하므로 중공사막(14)의 오염을 방지할 수 있다.

상기 기포발생기(80)를 설치한 경우, 보다 많은 양의 기포를 발생하여 중공사막(14)에 작용하게 되므로, 중공사막(14)의 오염 방지성능이 더욱 향상된다.

10 : 멤브레인모듈 11 : 튜브
12 : 상부판 13 : 하부판
13a : 가스통로 13b : 가스배출공
13c : 확관부 13d : 관통공
14 : 중공사막 20 : 폐수유입관
21 : 폐수이동관 22 : 폐수배출관
23,24 : 펌프 30,40 : 가스순환관
31,41 : 분기관 32,42 : 가스펌프
50 : 수소가스 포집장치 60 : 메탄가스 포집장치
70 : 개폐밸브 100 : 산생성조
200 : 메탄생성조 110,210 : 콘부
120,220 : 슬러지배출관

Claims

산생성조와,
상기 산생성조에 폐수이동관으로 연결된 메탄생성조와,
상기 산생성조와 메탄생성조의 내부에 설치된 멤브레인모듈;
을 포함하는 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치.
청구항 1에 있어서,
상기 산생성조와 메탄생성조에는 각각 반응조의 상단과 하단을 연결하는 가스순환관이 설치되고,
상기 가스순환관에 가스펌프가 설치된 것을 특징으로 하는 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치.
청구항 2에 있어서,
상기 산생성조의 가스순환관에 수소가스 포집장치가 연결되고,
상기 메탄생성조의 가스순환관에 메탄가스 포집장치가 연결된 것을 특징으로 하는 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치.
청구항 1에 있어서,
상기 멤브레인모듈은 튜브와,
상기 튜브의 상단과 하단에 설치된 상부판과 하부판 및,
상기 상부판과 하부판의 사이를 연결하는 중공사막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치.
청구항 4에 있어서,
상기 하부판에 가스통로와, 상기 가스통로에 연결되고 상기 하부판의 상면으로 개방되는 가스배출공이 형성되고,
상기 가스통로의 일측단부에 형성된 확관부에 상기 가스순환관이 삽입, 연결된 것을 특징으로 하는 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치.
청구항 4에 있어서,
상기 하부판에 상하방향으로 관통공이 형성되고,
상기 하부판의 하측에 기포발생기가 설치되며,
상기 기포발생기에 상기 가스순환관이 연결된 것을 특징으로 하는 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치.
청구항 1에 있어서,
상기 산생성조와 메탄생성조의 하부에 콘부가 형성되고,
상기 콘부에 슬러지배출관이 연결되며,
상기 슬러지배출관에 개폐밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 이단 혐기소화 반응조를 이용한 수소 및 메탄가스 생산장치.