KR20200039533A - 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미생물이 수용되는 발효조에 유기물을 투입하여, 상기 유기물에 대해 미생물 분해를 진행함으로써, 메탄을 포함한 바이오 가스를 생산하고, 상기 미생물 분해에 진행 중에 있어서 발생하는 무기산의 양을 지속적으로 조절할 수 있도록 하여, 상기 발효조 내의 무기산 농도를 상기 미생물이 활동할 수 있는 최적의 조건으로 유지할 수 있도록 하는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 유기물이 다량 포함된 반응용액이 수용되는 발효조를 포함하며, 상기 유기물이 다량 포함된 반응용액으로부터 상기 유기물을 분리하고, 생성되는 무기산 수용액을 분리 및 배출하는 반응부(100)와, 상기 반응부(100)와 연결되어, 상기 무기산 수용액을 수집하고, 상기 무기산 수용액을 무기산의 농도가 농축된 농축 무기산 수용액과 청수로 분리하기 위해 구비되는 회수부(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비 {A circulation type biogas production facility through inorganic acid control}

본 발명은 바이오 가스 생산 설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 미생물이 수용되는 발효조에 유기물을 투입하여, 상기 유기물에 대해 미생물 분해를 진행함으로써, 메탄을 포함한 바이오 가스를 생산하고, 상기 미생물 분해에 진행 중에 있어서 발생하는 무기산의 양을 지속적으로 조절할 수 있도록 하여, 상기 발효조 내의 산도를 상기 미생물이 활동할 수 있는 최적의 조건으로 유지할 수 있도록 하는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비에 관한 것이다.

축산분뇨와 음식물 쓰레기 등과 같은 유기 폐기물은 부패 및 침출수 등에 의해 환경을 심각하게 훼손시킬 수 있는 것으로서, 그 폐기는 반드시 폐기물을 종류별로 취합하여 정해진 폐기물 처리과정을 거쳐서 폐기되어야 한다.

하지만, 유기 폐기물의 단순 폐기처리는 처리시설 마련과 인력의 소모가 요구되는 것으로서, 생산적인 측면보다는 낭비적인 측면이 상대적으로 강하다.

이에 따라, 유기 폐기물을 재활용하기 위한 방법과 기술들이 개발되고 있는데, 대표적으로는 유기 폐기물을 이용하여 바이오 가스(또는 메탄 가스)를 생산하고, 상기 유기 폐기물을 통해 생산된 바이오 가스를 에너지화하는 기술 등을 꼽을 수 있다.

그러나, 종래 기술의 경우, 상기 폐수 처리 장치의 가동시간이 길어지는 경우, 바이오가스를 생성하기 위한 미생물이 수용된 바이오 가스 생성 반응조 내에서의 무기산 농도가 점진적으로 농축됨에 따라, 상기 미생물의 활성이 감소되었고, 결과적으로 바이오 가스 생성율이 감소하는 문제점이 발생하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 대한민국 특허청에 출원된 출원번호 제 10-2004-0011693 호의 '이상 고효율 상향류식 혐기성 폐수 처리 장치 및 이를 이용한 폐수 처리방법'에서는 폐수 처리시에 발생되는 미생물 활성 저해원인 중의 하나인 황화물을 포함한 무기산을 저감할 수 있도록 하여, 바이오 가스 생산율을 대폭 증가시킬 수 있도록 하였다.

그러나, 상기 황화물을 제거하기 위해 산생성조를 상향류식 반응조로 구성하고 있음에 따라, 고형물 농도가 높은 폐수 및 유기 폐기물을 대상으로 하는 운전이 어려운 문제점이 존재하며, 상기 운전을 원활하게 진행하기 위해서, 고형물 제거를 위한 전처리 설비로써 별도의 고액분리장치 도입이 필요하였고, 상기 고액분리장치에 의한 상기 고형물에 함유될 수 있는 유기성분의 감소를 초래하에 따라, 최종적으로 발생되는 바이오 가스의 발생량이 감소하게 되는 문제점이 여전히 존재하였다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 미생물 활성 저해원인 중 하나인 무기산 등을 조절할 수 있도록 함으로써, 상기 미생물을 통한 바이오 가스(메탄 가스)생성율을 현저히 향상시킬 수 있는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 발명의 과제를 해결하기 위한 구체적인 수단으로 본 발명에서는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비를 구성하되, 혐기성 발효를 통해 미생물이 함유된 유기물을 분해하여 메탄을 포함한 바이오 가스를 생성함과 동시에, 상기 유기물을 분리하여 물과 무기산을 포함하는 무기산 수용액을 생성하도록 마련되면서, 유기물이 다량 포함된 반응용액이 수용되는 발효조를 포함하며, 상기 유기물이 다량 포함된 반응용액으로부터 상기 유기물을 분리하고, 생성되는 무기산 수용액을 분리 및 배출하는 반응부(100)와, 상기 반응부와 연결되어, 상기 무기산 수용액을 수집하고, 상기 무기산 수용액을 무기산의 농도가 농축된 농축 무기산 수용액과 청수로 분리하기 위해 구비되는 회수부(300)를 포함하고, 상기 회수부에서 생성되는 청수를 상기 반응부로 진입시키도록 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응부에는 활성탄에 미생물이 흡착된 생물활성탄이 내장된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회수부는 농축 무기산 수용액을 추출하여 상기 무기산을 포함한 유기농 비료로 가공할 수 있도록 마련되는 비료 가공 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회수부는 수집된 무기산 수용액에서 분리되는 청수를 상기 반응부로 투입하기 전에 냉각 또는 가열하기 위해 마련되는 열 교환부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응부는 둘 이상의 반응기로 구성하되, 첫 번째 반응기에서 배출되는 무기산수용액을 두 번째 반응기의 반응조로 투입하도록 하는 직렬연결식 구조를 갖도록 구성된 것을 특징으로 한다.

전술한 과제의 해결 수단에 의하면, 본 발명은 반응부에서 미생물을 통한 유기물의 발효 분해 시 발생하는 무기산 수용액을 별도로 수집할 수 있는 회수부를 구비하여 상기 무기산 수용액을 수집함으로써 상기 반응부에 존재하는 무기산의 잔존량을 조절하고, 상기 회수부에서 발생되는 수분을 상기 반응부로 재진입 시켜 상기 반응부에 존재하는 무기산의 농도를 제어함으로써, 상기 미생물의 활성도를 최적화시켜, 최종적으로 생산되는 바이오 가스의 생산 효율성을 보다 향상시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

아울러, 상기 회수부를 통해, 비료 원료로 사용될 수 있는 무기산을 농축시켜 제공할 수 있도록 함으로써, 유기물의 재 자원화를 가능하게 하는 효과 또한 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비의 바람직한 실시예를 도시한 전체구성도.

도 1은 본 발명의 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비의 전체적인 구성을 도시한 것으로, 이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비는 반응부(100)와 회수부(300)를 포함하는 주요 구성으로 이루어진다.

먼저, 상기 반응부(100)는 유기물과 미생물을 소정 온도내에서 일정 시간동안 반응시켜 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함한 바이오 가스를 생성하기 위해 구비되는 것으로, 더욱 상세하게는, 반응부(100)에 구비된 투입부를 통해 음식물쓰레기나 가축분뇨와 같은 유기성 원료를 투입하고 상기 유기물에 대한 혐기성 발효를 진행함으로써, 상기 유기물로부터 메탄을 포함한 바이오 가스를 생성하게 된다.

여기서, 상기 미생물은 메탄균, 가수분해균, 탈질세균, 황환원세균, 공생초산생성균, 호모초산생성균 중 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

덧붙여, 상기 반응부(100)에 원료로 투입되는 유기물은 주거시설에서 배출되는 음식물 쓰레기, 인분, 생활 폐수와, 축사에서 배출되는 축분, 축사 폐수 중 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 미생물과의 혼합 시, 상기 미생물이 사멸하지 않을 수 있는 유기물이라면 모두 적용 가능하다.

이어서, 상기 반응부(100)는 상기 유기물과 미생물을 동시에 수용 가능하도록 마련되는 발효조와, 상기 유기물과 미생물의 혐기성 발효반응을 촉진시키기 위한 혼합 모듈을 포함할 수 있으며, 상기 반응부(100)를 통해, 미생물에 의한 바이오 가스 생성이 진행될 수 있게 된다.

그리고, 상기 반응부(100)에서 상술한 바와 같은 과정을 거쳐 생성된 바이오 가스는 바이오 가스 수집부(C)에 별도 포집될 수 있도록 구비된다.

한편, 상기 반응부(100)에는 미생물 및 다량의 유기물이 함유된 반응액이 투입될 수 있는데, 이때 상기 미생물과 상기 유기물이 반응하여, 상기 바이오 가스를 생성하면서, 동시에 물과 무기산을 포함하는 무기산 수용액이 생성물로써 생성된다.

특히, 상기 무기산 수용액이 상기 반응부(100)의 발효조 내에 일정 농도이상 존재하게 되는 경우, 상기 미생물의 유기물에 대한 분해 활성도가 급격히 하락하게 되며, 결과적으로 상기 바이오 가스의 생성율이 현저히 하락하게 된다.

이와 같은 미생물의 분해 활성도 하락을 방지하기 위해 상기 반응부(100)에서는 무기산 수용액과 유기물을 포함하는 반응액에서 무기산 수용액은 분리 배출시켜 분리한 무기산 수용액을 후술할 회수부(300)로 이송시켜 별도로 수집토록 한다.

아울러, 상기 반응부(100)에서 무기산 수용액이 분리된 유기물은 상기 반응부(100) 내에서 지속적으로 순환될 수 있도록 한다. 즉, 상기 반응부(100)에 투입된 반응액에 존재하는 유기물 중, 입자의 크기가 상대적으로 큰 유기물은 상기 반응부(100) 내에 침전 또는 회수(recycle)되어 지속적으로 분해가 이루어질 수 있도록 한다.

한편, 상기 반응부(100)에는 활성탄에 미생물이 흡착된 생물활성탄이 내장될 수 있다. 이 경우 상기 반응부(100)에서 분해되지 못한 잔여 유기물은 상기 생물활성탄에 흡착된 상태에서 미생물과의 발효 분해 반응을 진행하게 됨에 따라, 최종적으로 잔여 유기물의 전량이 분해될 수 있게 된다.

이러한 일련의 과정을 거쳐 최종적으로 바이오 가스가 생성될 수 있게 되며, 상기 반응부(100)에서 생성되는 바이오 가스는 바이오 가스 수집부(C)에 별도 포집될 수 있도록 구비된다.

추가적으로, 상기 바이오 가스 수집부(C)에 수집된 상기 바이오 가스를 자원으로써 활용할 수 있도록, 상기 바이오 가스 수집부(C) 내에 가스 파워 플랜트가 구축될 수 있으며, 상기 가스 파워 플랜트를 통한 전력 확보가 가능함은 물론이다.

상기 반응부(100)은 단일의 반응기(reactor)이거나 또는 둘 이상의 반응기가 서로 직렬 연결구조를 갖도록 연결구성된 것일 수도 있다.

즉, 첫 번째 반응기에서 배출되는 무기산수용액을 두 번째 반응기의 반응조로 투입하도록 하는 직렬연결 구조를 갖도록 하여, 입자의 크기가 상대적으로 큰 유기물은 첫 번째 반응기 내에 침전 또는 순환되며, 입자의 크기가 상대적으로 작은 유기물은 상기 무기산 수용액과 함께 두 번째 반응기로 이송되게 함으로써 유기물의 분리효율을 배가 시킬 수 있게 된다.

상기 반응부(100)에서 생성되는 무기산 수용액에 의해서 상기 생물활성탄에 흡착된 미생물의 활성도에 영향을 줄 수 있으므로, 상기 미생물의 분해 활성도 하락을 방지하기 위해, 상기 반응부(100)에 잔존하는 무기산 수용액의 수집이 필요하게 된다. 이에 상기 무기산 수용액을 수집하기 위해 상기 반응부(100)와 연결되는 회수부(300)가 구비된다.

또한 상기 회수부(300)는 무기산 수용액을 수집하는 역할 뿐만 아니라 수집된 무기산 수용액을 무기산의 농도가 농축된 농축 무기산 수용액과 청수로 분리하는 기능을 수행한다.

아울러, 상기 회수부(300)는 상기 농축된 무기산을 이용하여, 이를 유기농 비료로써 활용할 수 있도록, 상기 농축된 무기산과 추가적인 질소, 인, 황 중 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 무기화합물을 상호 혼합하여 유기농 비료로 가공할 수 있도록 구비되는 비료 가공 유닛(310)을 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 회수부에는 수집된 무기산 수용액에서 분리되는 청수를 적절한 온도로 냉각 또는 가열하기 위한 열 교환부를 구비할 수 있다. 상기 열 교환부는 회수부(300)를 거쳐 생성된 청수에 대해 가열 또는 냉각을 진행하여, 상기 반응부(100)로 진입되도록 생성되는 청수가 반응부(100)의 발효조 내에 존재할 수 있는 미생물의 활성도에 대한 최적 온도를 보유할 수 있도록 마련된다.

본 발명의 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비는 상기 회수부(300)에서 생성되는 청수를 상기 반응부(100)로 지속적으로 진입시키기 위해 순환 펌프(500)를 더 구비하여 바이오 가스 생산 설비 내에서의 청수의 순환을 가능하게 한다.

상기 순환 펌프(500)는 도 1에서 도비된 바와 같이 상기 회수부(300)와 반응부(100)를 상호 연결하는 배관상에 구비될 수도 있고, 도시되지는 않았지만 상기 회수부(100) 내에 배치 구성될 수도 있다. 이로써 반응부(100)에서 무기산 수용액의 농도가 높아질 경우 회수부(300)에서 생성되는 청수를 반응부(100)로 더 공급하여 무기산의 농도를 제어할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명은 반응부(100)에서 미생물을 통한 유기물의 발효 분해시 발생하는 무기산 수용액을 별도로 수집할 수 있는 회수부(300)를 구비하여 상기 무기산 수용액을 수집하여 상기 반응부(100)에 존재하는 무기산의 잔존량을 조절하고, 필요시 상기 회수부에 구비된 열 교환부를 통해 상기 반응부(100)에 존재할 수 있는 미생물의 최적 활성도에 부합하는 온도를 가지는 청수를 공급할 수 있도록 함으로써, 상기 반응부(100)에 존재하는 무기산의 농도를 제어함과 동시에, 상기 미생물의 활성도를 최적화시켜, 최종적으로 생산되는 바이오 가스의 생산 효율성을 보다 향상시킬 수 있는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비를 제공할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에는 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 기술범위에 벗어나지 않는 범위 내에서는 다양한 변형실시도 가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정하여 정하여 질 것이 아니라 후술하는 특허청구범위의 기술들과 이들 기술로부터 균등한 기술수단들에까지 보호범위가 인정되어야 할 것이다.

100 : 반응부
300 : 회수부
310 : 비료 가공 유닛
500 : 순환 펌프
C : 바이오 가스 수집부

Claims (6)

1. 혐기성 발효를 통해 미생물이 함유된 유기물을 분해하여 메탄을 포함한 바이오 가스를 생성함과 동시에, 상기 유기물을 분리하여 물과 무기산을 포함하는 무기산 수용액을 생성하도록 마련되면서, 유기물이 다량 포함된 반응용액이 수용되는 발효조를 포함하며, 상기 유기물이 다량 포함된 반응용액으로부터 상기 유기물을 분리하고, 생성되는 무기산 수용액을 분리 및 배출하는 반응부;
   상기 반응부와 연결되어, 상기 무기산 수용액을 수집하고, 상기 무기산 수용액을 무기산의 농도가 농축된 농축 무기산 수용액과 청수로 분리하기 위해 구비되는 회수부;를 포함하며,
   상기 회수부에서 생성되는 청수를 상기 반응부로 공급되게 구성함을 특징으로 하는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응부에는 활성탄에 미생물이 흡착된 생물활성탄이 내장된 것을 특징으로 하는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 회수부는,
   상기 농축 무기산 수용액을 추출하여 상기 무기산을 포함한 유기농 비료로 가공할 수 있도록 마련되는 비료 가공 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 회수부에는,
   수집된 무기산 수용액에서 분리되는 청수를 상기 반응부로 투입하기 전에 냉각 또는 가열하기 위해 마련되는 열 교환부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응부는 둘 이상의 반응기로 구성하되,
   첫 번째 반응기에서 배출되는 무기산수용액을 두 번째 반응기의 반응조로 투입하도록 하는 직렬연결식 구조를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 회수부에서 생성되는 청수를 상기 반응부로 공급하기 위한 순환 펌프를 더 구비한 것을 특징으로 하는 무기산 조절을 통한 순환식 바이오 가스 생산 설비.

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