KR20160113800A - 상향류식 혐기성 슬러지 반응조를 이용한 인시츄 업그레이드된 바이오가스 생산방법 - Google Patents

Abstract

본원은 인시츄에서 업그레이딩된 바이오가스 생산 방법을 개시한다. 본원에 따른 생물학적 바이오가스 업그레이딩 기술은 수소와의 접촉면적을 넓히고 발생된 가스를 반응조 아래로 재공급하는 가스순환 방식을 적용하여 높은 메탄전환율을 통해 메탄 분압을 90% 이상 높여, 생산규모가 작은 국내 업그레딩 플랜트에서 유용하게 사용될 수 있다.

Description

상향류식 혐기성 슬러지 반응조를 이용한 인시츄 업그레이드된 바이오가스 생산방법 {In situ biogas upgrading method using upflow anaerobic sludge blanket reactor}

본원은 인시츄에서 바이오가스를 업그레이딩하는 기술과 관련된 것이다.

현재 인류가 가장 많이 사용하는 에너지인 화석연료는 그 매장량이 제한되어 있고, 연소 시 일산화탄소, 이산화탄소, 황 및 질소 산화물 등의 온실가스 방출로 인해 지구 온난화를 유발시켜왔다.

따라서 화석연료를 대체할 수 있는 청정에너지원에 대한 연구가 활발히 진행중이며, 특히 런던협약에 따른 유기성폐기물의 해양투기가 금지됨에 따라 이를 해결하기 위한 기술로써 친환경적이며 동시에 청정에너지원인 메탄을 생산할 수 있는 바이오가스화 공정이 크게 관심을 받고 있다.

바이오가스화 공정에 의해 생산된 바이오가스는 대략적으로 메탄 50%, CO₂ 49%,수분, H₂S등과 1%의 불순물로 구성되며 바이오가스의 수송연료로써의 이용 및 천연가스 대체 에너지원으로써의 이용을 위해 정제공정(불순물 제거)과 이산화탄소의 양을 줄이고 메탄함량을 90% 이상으로 증대시키는 바이오가스 업그레이딩 기술이 반드시 필요하다.

전세계 바이오가스 업그레이딩 플랜트 시설(2012년 현재 200여개)의 80%가 유럽에 설치되어 있고 이미 유럽 몇몇 국가에서는 업그레이딩 기술로 생산된 바이오메탄에 대한 높은 순도를 요구하고 있으며 국가별 메탄 순도 요구치는 다음과 같다: 스웨덴 > 95%, 스위스 > 96%, 네덜란드 >80%.

국내에서는 신재생 연료 의무 혼합 제도(Renewable Fuel Standard, RFS)에 따른 신재생 연료 혼합 의무화가 2015년부터 적용되며, 바이오가스는 생산·법령 등의 인프라구축이 완료되는 2017년에 적용할 예정이므로 이에 따른 바이오가스의 효율적 생산 기술과 활용(차량연료화 사업, 도시가스 배관망 주입 실증 등) 방안이 요구되고 있어 바이오가스 이용 분야 산업의 시장 가치가 높아질 것으로 예상된다.

현재 이용되고 있는 바이오가스 업그레이딩 공정은 대부분이 물리/화학적 공정인 흡수법(water scrubbing, chemical absorption), 흡착법(pressure swing adsorption), 막분리법(membrane separation) 등이며, 바이오가스의 생산비용 중 정제 및 업그레이딩 공정이 차지하는 비중이 총 비용의 60-70%이나, 소규모의 경우, 정제비용이 중규모이상의 경우보다 총비용에서 차지하는 비중이 높아 바이오가스 생산규모가 작은 국내에서는 이에 대한 비중이 더 높아져 이를 극복하기 위한 기술개발이 요구된다.

이와 비교하여 생물학적 바이오가스 업그레이딩 기술은 수소를 외부 전자공여체로 활용하여 바이오가스내의 이산화탄소를 메탄으로 전환하여 메탄함량 90%이상으로 전환하는 기술 (4H₂+CO₂→CH₄+2H₂O)로, 기존의 물리/화학적 업그레이딩 기술과 비교하여 소량의 장비 및 부대시설이 요구되며, 화학물질 사용을 최소화하며 상온/상압에서 바이오가스 정제가 가능한 장점이 있으나, 보다 메탄 분압이 낮은 단점이 있으며 이에 대한 향상된 기술이 필요하다.

본원은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 인시츄에서 메탄분압을 증가시키는 생물학적 바이오가스 업그레이딩 기술을 제공하고자 한다.

한 양태에서 본원은 인시츄에서 업그레이드된 바이오가스 생산 방법으로, 상기 방법은 UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 반응조에 식종균으로 입상의 혐기성 소화조 슬러지 및 기질을 주입하여 혐기배양을 시작하는 단계로, 상기 혐기배양에 의해 바이오가스가 생산되고, 상기 혐기배양 시작 후, 상기 UASB 반응조에 그 아래쪽을 통해 수소가스를 공급하는 단계로, 상기 수소가스는 상기 반응조를 통과하여 상기 반응조의 위쪽으로 배출되며, 상기 배출된 수소는 포집되고 상기 반응조의 아래쪽을 통해 상기 반응조에 재공급되는 단계; 및 상기 생성된 바이오가스를 포집하는 단계를 포함한다.

일 구현예에서 공급된 수소가스는 상기 반응조를 통과하여 상기 반응조의 위쪽으로 배출되며, 상기 배출된 수소는 포집되고 상기 반응조의 아래쪽을 통해 상기 반응조에 재공급되며, 이러한 과정이 1회 이상 반복된다.

본원에 따른 방법에 사용되는 혐기성 반응조 UASB에서 상기 반응조의 높이 대 직경의 비는 5 내지 50인, 특히 20인 것이 사용된다.

본원에 따른 방법에서 상기 공급되는 수소가스는 낮은 용해도를 극복하여, 식종균에 의한 수소 이용도를 증가시키기 위해 버블의 크기가 조절되며, 공급되는 수소 가스의 버블의 크기는 약 16 내지 40 마이크로미터이다. 이러한 수소가스의 버블의 크기는 다양한 방법을 이용하여 조절될 수 있으나, 본원에서는 특히 유리 필터, 특히 공극의 크기가 약 16 내지 40 마이크로미터인 유리 필터가 사용된다.

일 구현예에서 본원에 따른 방법은 기질로서 상기 기질은 산발효 폐수를 사용하며, 1 ~ 4 g COD/L/d의 부하로 사용되는 것인, 방법.

다른 구현예에서, 본원에 따른 방법에 공급되는 수소는 이로 제한되는 것은 아니나, 기질 부하 2 g COD/L/d에서 공급될 수 있다.

다른 구현예에서, 본원에 따른 방법에서 수소가스 재순환은 상기 기질 부하 4g COD/L/d에서 10 L H2/L/d 부하로 시작되어 40 L H2/L/d 부하까지 증가하여 공급된다.

다른 구현예에서, 본원에 따른 방법은 온도 38도, pH 7.5 내지 8, HRT 1일 조건에서 수행될 수 있다.

본원에 따른 방법은 메탄 분압을 획기적으로 개선한 것으로, 본원에 따른 방법에 의해 생성된 바이오가스의 메탄 분압은 90% 이상이고, 메탄전환율은 90% 이상인, 상기 생성된 바이오가스에 포함된 이산화탄소의 고정화율은 0.318 m³CO₂/m³/d이다.

본원에 따른 인시츄 바이오가스 업그레이딩 기술은 수소와의 접촉면적을 넓히고 발생된 가스를 반응조 아래로 재공급하는 가스순환 방식을 적용하는 것으로, 이산화탄소의 함량을 줄이고 메탄 분압을 90% 이상 높여, 특히 생산규모가 작은 바이오가스 플랜트가 많은 국내에서 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 본원에 따른 일 구현예에 사용될 수 있는 UASB 반응조의 모식도이다.
도 2는 본원에 따른 일 구현예에서 UASB 시스템을 이용하여 수행하여 인시츄에서 바이오가스 업그레딩 공정을 수행한 결과이다.

본원은 생물학적 바이오가스 업그레딩 기술에 있어서 단점인 낮은 메탄 분압을 높이기 위해, 그래뉼층을 통해 수소를 효율적으로 공급하여 그래뉼내 수소를 이용하는 미생물과 수소의 접촉면적을 넓히고, 수소가스를 다시 반응조 아래로 재공급하는 가스순환방식을 적용하여 높은 메탄 분압을 갖는 바이오가스를 생성하였다.

이에 한 양태에서 본원은 인시츄에서 업그레이드된 바이오가스 생산 방법 또는 인시츄 바이오가스 업그레이드 방법에 관한 것이다.

본원에 따른 업그레이드된 바이오가스 생산 방법은 혐기성 반응조로 UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 반응조에 식종균으로 입상의 혐기성 소화조 슬러지 및 기질을 주입하여 혐기배양을 시작하는 단계로, 상기 혐기배양에 의해 바이오가스가 생산되고, 상기 반응조의 높이 대 직경의 비는 최소 20이며, 상기 혐기배양 시작 후, 상기 UASB 반응조에 그 아래쪽을 통해 수소를 공급하는 단계로, 상기 수소는 상기 반응조를 통과하여 상기 반응조의 위쪽으로 배출되며, 상기 배출된 수소는 포집되고 상기 반응조의 아래쪽을 통해 상기 반응조에 재공급되는 단계; 및 상기 단계에서 생성된 업그레이드된 바이오가스를 포집하는 단계를 포함한다.

바이오가스는 통상 혐기상태에서 유기물의 분해를 통해 생산되는 가스를 일컫는 것으로, 동물배설물거름, 하수 오물, 도시 쓰레기, 식물성 폐기물과 같은 생분해성 바이오매스를 혐기 소화하여 생산된다. 바이오가스는 메탄 및 이산화탄소가 주성분으로 대략적으로 메탄 50%, CO₂ 49%, 수분, H₂S등 1%의 불순물로 구성되며, 바이오가스의 효율적인 이용(수송연료 및 천연가스 대체 에너지원)을 위해서 이 중 이산화탄소를 제거하여 메탄분압을 높이는 것이 필요하며 이를 바이오가스 업그레이딩 또는 업그레이드라고 한다. 본원에 따른 방법은 일 구현예에서 90% 이상의 메탄분압과 0.318 m³CO₂/m³/d의 이산화탄소의 고정화율을 달성하였다.

일 구현예에서 본원에 사용되는 UASB 반응조는 도 1에 도시되어 있으며, 재질은 유리 및 스테인레스강으로 제작되었고, 반응조의 온도는 히팅 자켓(Heating jacket)을 사용하여 반응에 맞게 적절하게, 예를 들면 38℃로 조절할 수 있으며, 반응조 유입물은 정량 펌프를 이용하여 조절할 수 있는데, 예를 들면 최대 350L/일 (HRT 0.17 시간)까지 가능하며, 유입수의 pH는 NaHCO₃/L 로 조절될 수 있다. 또한, 유출수 라인은 U자로 제작될 수 있으며, 반응조의 각 부분은 밀폐시켜 외부 공기의 유입을 차단하며, 일일 발생 가스량 측정을 위해 적절한 용량, 예를 들면 약 20L 용량의 가스 포집기/배출기(water-displace gas collector)가 설치될 수 있다.

본원에 따른 방법은 UASB 반응조에 최적화되어 이를 사용할 경우, 짧은 HRT로 인한 반응조 부피 감소, 이산화탄소 고정률 증가, 메탄전환율의 향상, 생산 속도의 증가, 미생물의 추가적 배양이나 교체 없이 연속적인 높은 메탄 분압의 바이오가스의 생산이 가능하다.

본원에 따른 일 구현예에서는 높이 대 직경의 비가 적어도 5 내지 50인 조건을 만족하는, 특히 20 조건의 UASB가 사용된다. 이런 경우 슬러지내 존재하는 미생물과 수소와의 접촉면적을 더욱 효율적으로 넓힐 수 있어, 최소 90% 이상의 메탄분압을 갖는 바이오가스를 생산할 수 있다.

본원의 바이오가스 생산에 사용될 수 있는 식종균으로는 예를 들면 지역 하수처리장 소화조 슬러지, 혐기성 소화조 슬러지가 사용될 수 있다. 혐기성 소화는 유기물을 여러 미생물의 분해 작용에 의하여 메탄으로 전환하는 일련의 공정으로, 이런 과정에서 생성된 혐기성 소화조 슬러지가 사용될 수 있다. 일 구현예에서는 입상의 혐기성 입상 슬러지가 사용되며, 이런 경우 슬러지내 존재하는 미생물과 수소와의 접촉면적을 더욱 효율적으로 넓힐 수 있어, 최소 90% 이상의 메탄분압을 갖는 바이오가스를 생산할 수 있다.

본원에 따른 방법에서 기질은 특별히 제한하는 것은 아니나 예를 들면 음폐수(음식물류페기물 발생 폐수) 또는 당이 많이 함유된 산업폐수 등의 액상계열의 폐수가 사용될 수 있다. 이런 폐수의 경우 UASB에서 1~10 gCOD/L/d의 부하로 운전될 수 있으며, 업그레이딩에 사용되는 수소의 양은 폐수의 종류에 따라 조절될 수 있다. 본원에 따른 일 구현예에서는 음식물이나 하수슬러지 등의 유기성폐기물 또는 폐수의 혐기 산발효에서 생성된 산발효 폐수가 사용되며, 이 경우 1 ~ 4 g COD/L/d의 부하로 사용된다. 특히 산발효 폐수의 경우, 본원의 방법을 사용시 높은 메탄 분압을 수득할 수 있다.

본원에 따른 방법에서는 수소가스가 공급되며 상기 수소는 식종균에 의해 생산된 바이오가스내의 이산화탄소의 메탄으로 전환에 이용되고, 수소가스의 재순환을 통해 최종 바이오가스내 메탄분압을 90% 이상으로 향상시켰으며, 메탄전환율 또한 90% 이상으로 증가하였다. 재순환된 수소가스는 배출된 뒤 다시 순환과정을 거친다.

본원에 따른 일 구현예에서, 수소는 본원의 방법에 사용되는 기질 부하 2 g COD/L/d에서 공급되며, 수소의 재순환은 기질 부하 4g COD/L/d에서 10 L H₂/L/d 부하로 시작되어 20 L H₂/L/d 및 40 L H₂/L/d 부하로 단계적으로 증가하여 공급된다.

본원에 따른 방법은 온도 38도, pH 7.5 내지 8, HRT 1일 조건에서 수행될 수 있다.

본원에 따른 방법으로 생산된 바이오가스의 메탄 분압은 90% 이상, 특히 91% 이상이며, 메탄전환율은 90% 이상이며, 이 경우 자동차 연료나 천연가스의 대체에너지로 사용가능하다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1 혐기성소화조 슬러지를 이용한 생물학적 바이오가스 업그레이딩

생물학적 바이오가스 업그레딩에 사용한 조건은 다음과 같다. UASB 반응조는 유효부피 2.5 L의 Height/diameter (H/D) 비가 20인 것을 사용하였으며, 유기물 기질로는 NaHCO₃ 5g/L를 포함하는 음식물의 혐기성 산발효 폐수 (1 ~ 4 g COD/L/d)를 사용하였으며, 식종균으로는 혐기성 그래뉼 슬러지 (대전 하수처리장 소화조 +　청원 맥주공장 폐수처리 그래뉼 슬러지)를 사용하였다.

식종균 기질은 유기물 부하 1g COD/L/d로 운전을 시작하였으며 4g COD/L/d까지 증가하였으며, 부하 2 g COD/L/d로 운전 시 수소가스 공급을 시작하여, 유기물 부하 4 g COD/L/d에서부터 가스순환을 10 L H₂/L/d로 시작하고 최종적으로 40 L H₂/L/d까지 증가하였다. HRT 1일로 운전하였으며, 수소가스는 부하 1 g COD/L/d (1.4 L H₂/L/d)로 필터 공극 16 ~ 40 μm의 글라스필터(DURAN Borosilicate Glass α3.3 disc-size(od) : Φ10~120 mm, Centered, Surfaces untreated, 분석용)를 이용하여 공급하였다. 중온운전 (38℃) 하였으며 pH 7.5-8로 유지하였다.

결과는 도 2 및 표 1에 기재되어 있다. 이에 나타난 바와 같이 수소 공급이 없는 대조군은 유기물 부하 4 g COD/L/d 조건에서 메탄생산속도 0.754 m³CH₄/m³/d, 메탄분압 67.9% 이었으나 업그레이딩을 진행한 반응조에서는 유기물 부하 4 g COD/L/d, 수소 부하 1 g COD/L/d, 가스순환 속도 40 L/L/d 조건에서 최종적으로 1.073 m³CH₄/m³/d, 메탄분압 91.2%를 달성하였다. 최종 수소의 메탄전환율은 90.8% 이었으며 이산화탄소는 0.318 m³CO₂/m³/d의 고정화율을 달성하였다. 이는 공급된 수소를 이산화탄소와 함께 순환과 그래뉼층의 직접 수소 및 순환된 가스를 공급하여서 수소와 그래뉼내 수소이용 미생물과의 접촉면적을 최대화시켜 혐기성소화에 의해 생성된 이산화탄소가 미생물에 의해서 효율적으로 메탄으로 전환되어 달성된 결과이다.

[표 1]

Claims (11)

1. 인시츄에서 업그레이드된 바이오가스 생산 방법으로,
   UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 반응조에 식종균으로 입상의 혐기성 소화조 슬러지 및 기질을 주입하여 혐기배양을 시작하는 단계로, 상기 혐기배양에 의해 바이오가스가 생산되고,
   상기 혐기배양 시작 후, 상기 UASB 반응조에 그 아래쪽을 통해 수소가스를 공급하는 단계로, 상기 수소가스는 상기 반응조를 통과하여 상기 반응조의 위쪽으로 배출되며,
   상기 배출된 수소는 포집되고 상기 반응조의 아래쪽을 통해 상기 반응조에 재공급되는 단계; 및
   상기 생성된 바이오가스를 포집하는 단계를 포함하는, 인시츄에서 업그레이드된 바이오가스 생산 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응조의 높이 대 직경의 비는 5 내지 50인, 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 공급되는 수소가스의 버블의 크기는 16 내지 40 마이크로미터인, 방법.
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 수소가스는 공극이 16 내지 40 마이크로미터인 유리 필터를 통해 공급되는 것인, 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 기질은 산발효 폐수로 1 ~ 4 g COD/L/d의 부하로 사용되는 것인, 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 수소는 상기 기질 부하 2 g COD/L/d에서 공급되는 것인, 방법.
   
7. 제 5 항에 있어서, 상기 수소가스 재순환은 상기 기질 부하 4g COD/L/d에서 10 L H₂/L/d 부하로 시작되어 40 L H₂/L/d 부하까지 증가하여 공급되는 것인, 방법.
   
8. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 온도 38도, pH 7.5 내지 8, HRT 1일 조건에서 수행되는 것인, 방법.
   
9. 제 1 항에 있어서, 상기 생성된 바이오가스의 메탄 분압은 90% 이상이고, 메탄전환율은 90% 이상인, 방법.
   
10. 제 1 항에 있어서, 상기 생성된 바이오가스는 이산화탄소를 포함하며, 상기 이산화탄소의 고정화율은 0.318 m³CO₂/m³/d인, 방법.
    
11. 인시츄에서 업그레이드된 바이오가스 생산 방법으로,
    UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 반응조에 식종균으로 입상의 혐기성 소화조 슬러지 및 기질을 주입하여 혐기배양을 시작하는 단계로, 상기 혐기배양에 의해 바이오가스가 생산되고,
    상기 혐기배양 시작 후, 상기 UASB 반응조에 그 아래쪽을 통해 수소가스를 공급하는 단계로, 상기 수소가스는 상기 반응조를 통과하여 상기 반응조의 위쪽으로 배출되며, 상기 공급되는 수소가스의 버블의 크기는 16 내지 40 마이크로미터이고,
    상기 배출된 수소는 포집되고 상기 반응조의 아래쪽을 통해 상기 반응조에 재공급되는 단계; 및 상기 생성된 바이오가스를 포집하는 단계를 포함하며, 상기 생성된 바이오가스 중 메탄의 분압은 90% 이상인, 인시츄에서 업그레이드된 바이오가스 생산 방법.

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