KR20210039848A - Manufacturing of bio-methane for high purity bio-methane and method of producing bio-methane using the same - Google Patents

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전명훈
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Abstract

The present invention relates to a biomethane production system for producing high purity biomethane. More particularly, the biomethane production system for producing high-purity biomethane comprises: an organic acid fermenter producing organic waste for use as a substrate for a methanation reaction and an intermediate metabolite of the organic waste; a methanation reactor producing biomethane by receiving the substrate of the methanation reaction from the organic acid fermenter, and culturing an anaerobic mixed microbial community to perform the methanation reaction; a hydrogen supply tank storing hydrogen gas, and injecting hydrogen into the methanation reactor in a continuous batch or semi-continuous manner; a monitoring unit monitoring the environmental conditions inside the organic acid fermenter and the environmental conditions inside the methanation reactor in real time; a control unit adjusting the environmental conditions measured by the monitoring unit according to a preset standard; a nutrient storage tank storing nutrients necessary for culturing anaerobic mixed microbial communities and supplying the same to the methanation reactor; and a biomethane storage tank recovering and storing biomethane gas from the methanation reactor.

Description

고순도의 바이오메탄을 생산하기 위한 바이오메탄 생산 시스템 및 이를 이용한 바이오메탄 생산 방법{MANUFACTURING OF BIO-METHANE FOR HIGH PURITY BIO-METHANE AND METHOD OF PRODUCING BIO-METHANE USING THE SAME}A biomethane production system for producing high-purity biomethane and a biomethane production method using the same {MANUFACTURING OF BIO-METHANE FOR HIGH PURITY BIO-METHANE AND METHOD OF PRODUCING BIO-METHANE USING THE SAME}

본 발명은 고순도의 바이오메탄을 생산에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 메탄화 반응으로 바이오메탄 생성과정을 다단계로 수행함으로써, 고순도의 바이오메탄을 생산하기 위한 바이오메탄 생산 시스템 및 이를 이용한 바이오메탄 생산 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the production of high-purity biomethane, and more particularly, a biomethane production system for producing high-purity biomethane by performing the biomethane production process in multiple steps by a methanation reaction using an anaerobic mixed microorganism community, and It relates to a biomethane production method using this.

혐기성 발효 공정은 절대적으로 산소가 존재하지 않는 조건 하에서 생분해 가능한 유기물이 다단계 생화학 반응을 거쳐 메탄과 이산화탄소 등의 바이오가스로 최종 분해되는 과정으로 정의할 수 있다.The anaerobic fermentation process can be defined as a process in which biodegradable organic matters undergo a multi-stage biochemical reaction under conditions in which oxygen is not present, and finally decompose into biogas such as methane and carbon dioxide.

혐기성 발효 공정에 의한 발생된 바이오가스는 약 25% 내지 50%의 이산화탄소로 주로 구성되며, 불순물로 약 0.1% 미만의 공기, 약 7,000 ppm 내지 8,000 ppm의 황화수소, 약 40 ppm의 실록산 등 기타 미량의 성분들을 포함하고 있다. 이와 같은 바이오가스는 천연가스(natural gas), 자동차연료(vehicle fuel) 등으로 활용될 수 있으며, 이와 같이 바이오가스의 활용을 위해서는 필수적으로 가스 정제 및 물리/화학적 업그레이딩 공정을 통해 바이오가스의 품질을 개선하는 것이 필요하다.The biogas generated by the anaerobic fermentation process is mainly composed of about 25% to 50% of carbon dioxide, as impurities less than about 0.1% of air, about 7,000 ppm to 8,000 ppm of hydrogen sulfide, about 40 ppm of siloxane, etc. Contains ingredients. Such biogas can be used as natural gas, vehicle fuel, etc., and in order to utilize biogas, the quality of biogas is essential through gas purification and physical/chemical upgrading processes. It is necessary to improve.

바이오가스의 정제 및 업그레이딩에 있어 대표적인 불순물인 이산화탄소는 일반적으로 고압 흡착법(pressure swing adsorption)과 수용액 흡수법(water scrubbing) 등의 방법을 통해 제거될 수 있다.Carbon dioxide, which is a representative impurity in the purification and upgrading of biogas, can generally be removed through methods such as pressure swing adsorption and water scrubbing.

고압 흡착법은 흡착제의 기체 흡착량 차이를 이용하여 이산화탄소를 제거하는 것으로, 활성탄, 제올라이트(zeolite), 실리카겔(silica gel), 탄소 분자체(carbon molecular sieve) 등을 흡착제로 사용할 수 있으며, 다른 이산화탄소 제거 공정에 비해 간략한 공정과, 낮은 요구 에너지 및 낮은 유지비 등과 같은 장점을 지니나, 메탄 회수율은 낮다는 단점이 있다.The high-pressure adsorption method removes carbon dioxide by using the difference in the amount of gas adsorption of the adsorbent, and activated carbon, zeolite, silica gel, carbon molecular sieve, etc. can be used as an adsorbent, and other carbon dioxide is removed. Compared to the process, it has advantages such as a simple process, low energy requirements, and low maintenance costs, but has a disadvantage in that the methane recovery rate is low.

또 다른 방법으로 수용액 흡수법은 이산화탄소를 흡수하는 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 제거하는 것으로, 아민 계열 흡수제, 암모니아, 탄산칼륨, 아미노산 등의 흡수제가 사용되고 있다. 수용액 흡수법은 이산화탄소 제거방법으로 가장 많이 상용화된 방법이나 다른 공정에 비해 흡수제의 재생에 사용되는 에너지가 과다하다는 단점이 있다.As another method, the aqueous solution absorption method removes carbon dioxide by using an absorbent that absorbs carbon dioxide, and an amine-based absorbent, ammonia, potassium carbonate, and an amino acid absorbent are used. The aqueous solution absorption method is the most commercialized method for removing carbon dioxide, but has a disadvantage in that the energy used for regeneration of the absorbent is excessive compared to other processes.

한국출원특허 제10-2017-0101480호Korean Patent Application No. 10-2017-0101480

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 메탄 생산의 효율을 증대시키며 이와 함께 고순도의 메탄을 높은 회수율로 생산할 수 있는 생물학적 생산 시스템 및 생산 방법으로써, 유기성 폐기물 및 유기성 폐기물의 가수분해 밀 발효과정에서 발생하는 중간 대사산물을 기질(substrate)로 사용하고, 메탄 생산 균주를 이용한 생물학적 메탄화 반응의 단계를 거쳐 생산되어지는 바이오가스 중 메탄가스의 함량을 증가시킬 수 있는 고순도의 바이오메탄을 생산하기 위한 바이오메탄 생산 시스템 및 이를 이용한 바이오메탄 생산 방법을 제공하는 것이다.In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to increase the efficiency of methane production and to produce high-purity methane at a high recovery rate. As a biological production system and production method, organic wastes and organic wastes are hydrolyzed and wheat fermented. Produces high-purity biomethane that can increase the content of methane gas in the biogas produced through the step of a biological methanation reaction using a methane-producing strain using intermediate metabolites generated in the process as a substrate. It is to provide a biomethane production system and a biomethane production method using the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이오메탄 생산 시스템은 메탄화 반응의 기질로 사용하기 위한 유기성 폐기물 및 상기 유기성 폐기물의 중간 대사산물을 생성되는 유기산 발효조, 상기 유기산 발효조로부터 메탄화 반응의 기질을 공급받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 배양함으로서 메탄화 반응을 수행하여 바이오메탄을 생산하는 메탄화 반응조, 수소 가스가 저장되고 상기 메탄화 반응조에 수소를 연속회분식 또는 반연속식으로 주입하는 수소 공급조, 상기 유기산 발효조 내부의 환경조건과 상기 메탄화 반응기 내부의 환경조건을 실시간으로 모니터링하는 모니터링부, 상기 모니터링부에서 측정된 환경조건을 기설정된 기준에 맞춰 조절하는 조절부, 혐기성 혼합 미생물 군집의 배양에 필요한 영양물질이 저장되어 상기 메탄화 반응기로 공급하는 영양물질 저장조, 및 상기 메탄화 반응조로부터 바이오메탄 가스를 회수하고 저장하는 바이오메탄 저장조를 포함하는 것을 특징으로 한다.The biomethane production system of the present invention for achieving the above object is an organic waste for use as a substrate for a methanation reaction, an organic acid fermentation tank for generating intermediate metabolites of the organic waste, and a substrate for a methanation reaction from the organic acid fermentation tank. A methanation reactor for producing biomethane by performing a methanation reaction by culturing an anaerobic mixed microbial community by receiving the supply, a hydrogen supply tank for storing hydrogen gas and injecting hydrogen into the methanation reactor in a continuous batch or semi-continuous manner, A monitoring unit that monitors the environmental conditions inside the organic acid fermentation tank and the environmental conditions inside the methanation reactor in real time, a control unit that adjusts the environmental conditions measured by the monitoring unit according to preset criteria, and cultivation of an anaerobic mixed microorganism community It characterized in that it comprises a nutrient storage tank for storing necessary nutrients and supplied to the methanation reactor, and a biomethane storage tank for recovering and storing biomethane gas from the methanation reactor.

본 발명의 바이오메탄 생산 시스템에서 상기 메탄화 반응조는, 상기 유기산 발효조로부터 메탄화 반응의 기질을 공급받고, 상기 수소 공급조로부터 수소를 공급 받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 1차 메탄화 반응을 수행하여 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생산하는 제1 메탄화 반응조, 및 상기 제1 메탄화 반응조로부터 생산된 상기 바이오가스를 공급을 받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 2차 메탄화 반응을 수행하여 메탄의 함량을 향상시킨 바이오메탄을 생성하는 제2 메탄화 반응조를 포함하는 것이 바람직하다.In the biomethane production system of the present invention, the methanation reaction tank receives a methanation reaction substrate from the organic acid fermentation tank, receives hydrogen from the hydrogen supply tank, and performs a first methanation reaction using an anaerobic mixed microorganism community. A first methanation reaction tank for producing biogas containing methane and carbon dioxide, and a second methanation reaction using an anaerobic mixed microorganism community by receiving the biogas produced from the first methanation reaction tank, It is preferable to include a second methanation reactor for generating biomethane with an improved content.

상기 제2 메탄화 반응조는, 메탄의 함량을 향상시키기 위해 상기 제1 메탄화 반응조로부터 회수된 상기 바이오 가스를 공급받고, 수소 공급조로부터 수소를 공급받아 가압 조건하에서 운전하여 바이오메탄을 생산하는 것이 바람직히다.The second methanation reactor is supplied with the biogas recovered from the first methanation reactor to improve the content of methane, and receives hydrogen from the hydrogen supply tank and operates under pressurized conditions to produce biomethane. It is desirable.

본 발명의 바이오메탄 생산 시스템에서 상기 메탄화 반응조로 포함되는 상기 제1 메탄화 반응조 및 제2 메탄화 반응조는 내부에 기계적 교반 장치가 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.In the biomethane production system of the present invention, it is preferable that the first methanation reactor and the second methanation reactor included in the methanation reactor include a mechanical stirring device therein.

상기 제1 메탄화 반응조 및 상기 제2 메탄화 반응조의 상부의 헤드 스페이스(head space)는 전체 메탄화 반응조의 전체 부피 100%를 기준으로, 20% 이상 50% 미만인 것인 것이 바람직하다.It is preferable that the head space above the first methanation reactor and the second methanation reactor is 20% or more and less than 50% based on 100% of the total volume of the total methanation reactor.

본 발명의 바이오메탄 생산 시스템에서 상기 메탄화 반응기와 상기 유기산 발효조를 연결하며 상기 유기산 발효조로부터 메탄화 반응의 기질을 상기 메탄화 반응기로 공급하는 기질 공급관, 상기 메탄화 반응기의 일측면에 형성되어 상기 수소 공급조로부터 수소 가스를 공급하는 수소 공급관, 상기 메탄화 반응기의 타측면에 연결되어 상기 영양물질 저장조로부터 혐기성 혼합 미생물 군집 배양에 필요한 영양물질을 공급하는 영양 공급관, 상기 메탄화 반응기에서 메탄화 반응에 사용된 처리수를 배출하는 처리수 배출관, 및 상기 메탄화 반응기에서 메탄화 반응으로 생산된 바이오메탄을 회수하여 상기 바이오메탄 저장조로 이동시키는 바이오메탄 회수관을 포함할 수 있다.In the biomethane production system of the present invention, a substrate supply pipe that connects the methanation reactor and the organic acid fermentation tank and supplies a methanation reaction substrate from the organic acid fermentation tank to the methanation reactor, and is formed on one side of the methanation reactor. A hydrogen supply pipe for supplying hydrogen gas from a hydrogen supply tank, a nutrient supply pipe connected to the other side of the methanation reactor to supply nutrients necessary for culturing an anaerobic mixed microorganism community from the nutrient storage tank, and a methanation reaction in the methanation reactor A treated water discharge pipe for discharging the treated water used in the methanation reactor, and a biomethane recovery pipe for recovering biomethane produced by the methanation reaction in the methanation reactor and transferring it to the biomethane storage tank.

상기 기질 공급관 상에 상기 유기산 발효조로부터 공급되는 메탄화 반응의 기질의 공급을 제어를 위해 개폐시키도록 체크 밸브가 설치되어 있는 것이 바람직하다.It is preferable that a check valve is installed on the substrate supply pipe to open and close the supply of the substrate for the methanation reaction supplied from the organic acid fermentation tank for control.

또 다른 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 앞서 설명한 바이오메탄 생산 시스템을 이용한 바이오메탄 생산 방법은, (a) 제1 메탄화 반응조에 유기산 발효조로부터 기질 공급관을 통해 메탄화 반응의 기질을 공급하고, 수소 공급조로부터 수소를 공급하여 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 1차 메탄화 반응을 수행하여 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생산하는 단계, 및 (b) 제2 메탄화 반응조에 상기 (a) 단계에서 생산된 바이오가스를 공급하고, 수소 공급조로부터 수소를 공급하며 가압조건하에서 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 2차 메탄화 반응을 수행하여 바이오메탄을 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Another method for producing biomethane using the biomethane production system described above to achieve the above object includes (a) supplying a substrate for a methanation reaction through a substrate supply pipe from an organic acid fermentation tank to the first methanation reaction tank, and hydrogen Producing biogas containing methane and carbon dioxide by supplying hydrogen from a supply tank to perform a first methanation reaction using an anaerobic mixed microorganism community, and (b) in the second methanation reaction tank in step (a). It characterized in that it comprises the step of producing biomethane by supplying the produced biogas, supplying hydrogen from a hydrogen supply tank, and performing a secondary methanation reaction using an anaerobic mixed microbial community under pressurized conditions.

본 발명의 바이오메탄 생산 방법에서 상기 (a) 단계는, 상기 제1 메탄화 반응조에서 측정된 상기 제1 메탄화 반응기 상부의 헤드 스페이스(head space) 부피에 따라 상기 기질 공급관 상에 설치된 체크 밸브를 개폐시켜 상기 유기산 발효조로부터 공급되는 메탄화 반응의 기질의 양을 조절할 수 있다.In the biomethane production method of the present invention, step (a) includes a check valve installed on the substrate supply pipe according to the volume of the head space above the first methanation reactor measured in the first methanation reactor. By opening and closing, the amount of the substrate for the methanation reaction supplied from the organic acid fermentation tank can be adjusted.

상기 (b) 단계 이전에 상기 (a) 단계 후 제1 메탄화 반응조 내부에 남아있는 잔존 수소 농도를 모니터링하고, 측정된 잔존 수소의 농도에 따라 제2 메탄화 반응조에 공급되는 수소의 양을 조절하는 것을 더 포함할 수 있다.Before step (b), the concentration of hydrogen remaining in the first methanation reactor after step (a) is monitored, and the amount of hydrogen supplied to the second methanation reactor is adjusted according to the measured concentration of residual hydrogen. It may further include doing.

본 발명의 바이오메탄 생산 방법에서 상기 (b) 단계 이후에, (c) 상기 (b) 단계에서 생산된 바이오메탄을 회수하여 바이오메탄 회수관을 통해 바이오메탄 저장조로 이동시켜 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the biomethane production method of the present invention, after step (b), (c) recovering the biomethane produced in step (b) and moving to a biomethane storage tank through a biomethane recovery pipe for storage can do.

상기 수소 공급조는, 상기 제1 메탄화 반응조 및 상기 제2 메탄화 반응조에 수소를 연속회분식 또는 반연속식으로 주입할 수 있다.The hydrogen supply tank may inject hydrogen into the first methanation reactor and the second methanation reactor in a continuous batch or semi-continuous manner.

상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계가 진행될 동안 혐기성 혼합 미생물 군집 배양에 필요한 영양물질을 영양물질 저장조로부터 공급받는 것이 바람직하다.It is preferable that nutrients necessary for culturing the anaerobic mixed microorganism community are supplied from the nutrient storage tank during the (a) and (b) steps.

본 발명의 바이오메탄 생산 시스템은 유기성 폐기물 및 유기성 폐기물의 가수분해 밀 발효과정에서 발생하는 중간 대사산물을 기질(substrate)로 사용하여 생물학적 메탄화 반응을 1회 이상의 다단계 반응을 거침으로써 생산된 바이오가스 중 메탄가스의 함량을 증가시켜 고순도의 메탄가스를 생산할 수 있는 효과가 있다.The biomethane production system of the present invention uses organic wastes and intermediate metabolites generated in the wheat fermentation process of hydrolysis of organic wastes as a substrate, and biogas produced by performing a biological methanation reaction one or more times. There is an effect of increasing the content of heavy methane gas to produce high-purity methane gas.

또한, 본 발명의 바이오메탄 생산 시스템을 이용한 바이오메탄 생산 방법은 고순도의 메탄을 획득하기 위해 별도의 정제공정 등을 필요하지 않고, 제시된 바이오메탄 생산 시스템 내에서 생산된 바이오가스가 순환하면서 메탄화 반응을 연속적으로 수행하여 추가적인 공정을 용이하게 수행할 수 있어 경제적으로도 용이한 기술적 효과가 있다. In addition, the biomethane production method using the biomethane production system of the present invention does not require a separate purification process to obtain high-purity methane, and the biogas produced in the proposed biomethane production system is circulated and the methanation reaction is performed. There is a technical effect that is economically easy because additional processes can be easily performed by continuously performing the process.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도의 바이오메탄을 생산하기 위한 바이오메탄 생산 시스템의 공정도이다.
도 2는 유기물을 분해하는 혐기적 대사경로를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 따른 고순도의 바이오메탄을 생산 방법의 순서도이다.
1 is a flow chart of a biomethane production system for producing high-purity biomethane according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing an anaerobic metabolic pathway for decomposing organic matter.
3 is a flow chart of a method for producing high-purity biomethane according to an embodiment of the present invention.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 이들 설명은 본 발명의 예시일 뿐이며 본 발명의 범위가 이들 설명에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, but these descriptions are only examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these descriptions.

본 발명의 바이오메탄 생산 시스템은 유기물의 혐기적 발효과정에서 바이오 화학물질인 유기산을 메탄화 반응의 무기 환원제로 적용하고 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 메탄화 반응으로 바이오메탄 생성과정을 다단계로 수행함으로써, 고순도의 바이오메탄을 생산하는 것이다.The biomethane production system of the present invention applies an organic acid, which is a biochemical substance, as an inorganic reducing agent in the methanation reaction in the anaerobic fermentation process of organic matter, and performs the biomethane production process in multiple steps by a methanation reaction using an anaerobic mixed microorganism community, It is to produce high-purity biomethane.

도 1은 본 발명의 고순도 바이오메탄을 생산하기 위한 바이오메탄 생산 시스템의 공정도를 나타낸 것이다.1 shows a flow chart of a biomethane production system for producing high-purity biomethane of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바이오메탄 생산 시스템은 크게, 메탄화 반응을 수행하는 메탄화 반응조(100), 상기 메탄화 반응조에 메탄화 반응의 기질을 제공하는 유기산 발효조(200), 수소 공급조(300), 영앙물질 저장조(400), 바이오메탄 저장조(500) 조절부(610, 620, 630), 모니터링부(710, 720, 730) 등을 포함하여 구성되어 있다.As shown in Figure 1, the biomethane production system of the present invention is largely, a methanation reaction tank 100 for performing a methanation reaction, an organic acid fermentation tank 200 providing a substrate for the methanation reaction in the methanation reaction tank, It includes a hydrogen supply tank 300, a nutritional substance storage tank 400, a biomethane storage tank 500, a control unit 610, 620, 630, a monitoring unit 710, 720, 730, and the like.

상기 유기산 발효조(200)는 메탄화 반응의 기질로 사용하기 위한 유기성 폐기물 및 상기 유기성 폐기물의 가수분해 및 산생성 과정의 중간 대사산물인 유기산을 생성하고, 이를 메탄화 반응조(100)에 메탄화 반응의 무기 환원제로서 메탄화 반응에 기여하는 미생물 및 슬러지의 기질로서 동시에 적용할 수 있다.The organic acid fermentation tank 200 generates organic waste for use as a substrate for a methanation reaction, and an organic acid that is an intermediate metabolite of the hydrolysis and acid generation process of the organic waste, and the methanation reaction in the methanation reactor 100 It can be applied simultaneously as a substrate for microorganisms and sludge contributing to the methanation reaction as an inorganic reducing agent of.

도 2는 유기물을 분해하는 혐기적 대사경로를 간략하게 나타낸 모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 유기물이 분해하는 혐기적 대사경로에 따라 유기성 폐기물(유기물)과 유기성 폐기물의 혐기성 발효공정 공정에서 발생하는 중간 대사산물인 아세트산(acetate), 부티라트(butyrate) 등과 같은 유기산을 기반으로 외부에서 공급되는 수소(H2)를 이용하여 아래 반응식 1과 같은 화학기작을 통해 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 함께 함유하는 바이오가스 내 이산화탄소(CO2)를 메탄(CH4)으로 전환하여 메탄가스의 함량을 향상시킬 수 있다. Figure 2 is a schematic diagram showing briefly the anaerobic metabolic pathway for decomposing organic matter. As shown in FIG. 2, organic acids such as acetic acid and butyrate, which are intermediate metabolites generated in the anaerobic fermentation process of organic wastes (organic matters) and organic wastes, according to the anaerobic metabolic pathways decomposed by organic matters. methane (CH 4) and carbon dioxide biogas carbon dioxide (CO 2) containing with the (CO 2) on the basis with the use of hydrogen (H 2) supplied from the outside through chemical mechanisms, such as the scheme 1 below, the methane ( By converting to CH 4 ), the content of methane gas can be improved.

[반응식 1][Scheme 1]

CO2 + 4H2 →CH4 + 2H2OCO 2 + 4H 2 →CH 4 + 2H 2 O

상기 유기산 발효조(200)에서 생성되는 유기성 폐기물의 중간 대사산물인 유기산은 바이오 메탄의 고품질화 및 바이오 메탄화 시스템의 효율을 증대시키기 위한 다른 환원제인 수소 및 전기를 대체하거나 다른 환원제의 작용을 활성화하는 촉진제(stimulating aid)로 메탄화 공정에 적용되어질 수 있다.Organic acid, an intermediate metabolite of organic waste generated in the organic acid fermentation tank 200, is an accelerator that replaces hydrogen and electricity, which are other reducing agents for improving the quality of biomethane and increasing the efficiency of the bio-methanization system, or activating the action of other reducing agents. It can be applied to the methanation process as a stimulating aid.

상기 유기산 발효조(200)에서는 자연계에서 분리된 혐기적 조건을 선호하는 혼합 미생물 군집을 15℃ 내지 25℃ 정도의 중온과 30℃ 내지 60℃의 고온에서 실시간에서 조절되어지는 pH 농도와 수리학적 체류시간(Hidraulic retention time, HRT) 등의 환경인자를 측정하는 측정센서들을 포함한 측정하여 유기산 발효조 내부의 환경을 모니터링하고, 조절부(610, 620, 630) 등을 통해 조절함으로써, 유기성 폐기물로부터 생산된 유기산 중 주요 구성 성분인 아세트산(acetate) 및 부티라트(butyrate) 등의 생산물과 같은 메탄화 반응의 기질의 생산 유도할 수 있다.In the organic acid fermentation tank 200, a mixed microbial community that favors anaerobic conditions separated from the natural world is adjusted in real time at a medium temperature of about 15°C to 25°C and a high temperature of 30°C to 60°C. Organic acids produced from organic waste by monitoring the environment inside the organic acid fermentation tank by measuring including measurement sensors that measure environmental factors such as (Hidraulic retention time, HRT), and controlling them through control units (610, 620, 630), etc. It can induce the production of substrates by methanation reactions such as products such as acetic acid (acetate) and butyrate (butyrate), which are major constituents.

본 발명의 바이오메탄 생산 시스템에는 유기산 발효조(200)에는 도면에 도시되지 않았으나 상기 유기산 중 주요 구성 성분인 아세트산(acetate) 및 부티라트(butyrate) 등의 유기산을 보다 더 유도하고자하는 산생성 발효조를 추가로 포함할 수 있다.In the biomethane production system of the present invention, the organic acid fermentation tank 200 is not shown in the drawing, but an acid-generating fermentation tank to further induce organic acids such as acetic acid and butyrate, which are major components of the organic acid, is added. Can be included as.

상기 유기산 발효조(200)에서 생성된 유기성 폐기물과 유기성 폐기물의 중간 대사산물인 메탄화 반응의 기질은 상기 유기산 발효조(200) 일측면에 형성된 기질 공급관(10)을 통해 메탄화 반응조(100)로 공급된다.The substrate for the methanation reaction, which is an intermediate metabolite between organic waste and organic waste generated in the organic acid fermentation tank 200, is supplied to the methanation reaction tank 100 through a substrate supply pipe 10 formed on one side of the organic acid fermentation tank 200. do.

상기 메탄화 반응조(100)는 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 메탄화 반응을 수행하여 바이오메탄을 생산하는 것으로, 메탄화 반응조(100)는 복수개로 구비되며 복수개의 반응 조가 상호 연결되어 이웃하는 각각의 반응조가 연결될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 제1 메탄화 반응조(110)와 제2 메탄화 반응조(120)를 포함하여 이루어질 수 있다.The methanation reaction tank 100 produces biomethane by performing a methanation reaction using an anaerobic mixed microorganism community, and the methanation reaction tank 100 is provided in plural, and each of the neighboring reaction tanks is connected to each other. Can be connected. As shown in FIG. 1, it may include a first methanation reactor 110 and a second methanation reactor 120.

본 발명에서 메틸화 반응에 사용되는 '혐기성 혼합 미생물 군집'은 자연계에서 분리된 혐기적 조건을 선호하는 혼합 미생물 군집을 의미한다.The'anaerobic mixed microbial community' used in the methylation reaction in the present invention refers to a mixed microbial community that prefers anaerobic conditions separated from the natural world.

상기 메탄화 반응조(100)에서 제1 메탄화 반응조(110)는 상기 유기산 발효조(200)로부터 메탄화 반응의 기질을 공급받고, 상기 수소 공급조로부터 수소를 공급 받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 1차 메탄화 반응을 수행하여 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생산하는 메탄화 반응조이다.In the methanation reaction tank 100, the first methanation reaction tank 110 receives the substrate for the methanation reaction from the organic acid fermentation tank 200, and receives hydrogen from the hydrogen supply tank and uses the anaerobic mixed microorganism community. This is a methanation reactor that produces biogas containing methane and carbon dioxide by performing a methanation reaction.

제2 메탄화 반응조(120)는 상기 제1 메탄화 반응조(110)로부터 생산된 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 연결관(60)을 통해 공급을 받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 바이오가스 내의 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 2차 메탄화 반응을 수행하여, 메탄의 함량을 향상시킴으로써 고순도의 메탄을 생산하는 메탄화 반응조이다.The second methanation reactor 120 receives the biogas including methane and carbon dioxide produced from the first methanation reactor 110 through the connection pipe 60 and receives carbon dioxide in the biogas using the anaerobic mixed microorganism community. This is a methanation reactor that produces high-purity methane by performing a secondary methanation reaction that converts methane to methane, thereby improving the methane content.

상기 제1 메탄화 반응조(110)과 상기 유기산 발효조(200) 사이를 연결하는 기질 공급관(10) 상에는 상기 유기산 발효조로부터 이동되는 메탄화 반응의 기질의 공급을 제어를 위해 개폐시키도록 개폐 밸브(210)로서 스프링에 의해 탄성지지되는 체크 밸브(spring loaded check valve)가 설치되어 있는 것이 바람직하다.On the substrate supply pipe 10 connecting the first methanation reactor 110 and the organic acid fermentation tank 200, an opening/closing valve 210 to open and close the supply of the methanation reaction substrate transferred from the organic acid fermentation tank for control. ), it is preferable that a spring loaded check valve is installed.

상기 개폐 밸브(210)는 바이오메탄 생산 시스템 공정의 최적화, 제어 용이성 등을 고려하여 수리학적 체류시간(HRT)에 따라 계패 밸브(210)의 개폐를 조절할 수 있다.The opening/closing valve 210 may control the opening and closing of the relay valve 210 according to the hydraulic residence time (HRT) in consideration of optimization of the biomethane production system process, ease of control, and the like.

수소 공급조(300)는 수소 가스가 저장되고 상기 메탄화 반응조(100)의 제1 메탄화 반응조(110)과 제2 메탄화 반응조(120) 각각에 수소 공급관(21, 22)을 통해 메탄화 반응조 내부 또는 외부에 위치하는 스퍼저(sparger)를 이용하여 수소를 연속회분식 또는 반연속식으로 주입한다.The hydrogen supply tank 300 stores hydrogen gas and is methanated through hydrogen supply pipes 21 and 22 in each of the first and second methanation tanks 110 and 120 of the methanation tank 100. Hydrogen is injected in a continuous batch or semi-continuous manner using a spurger located inside or outside the reaction tank.

수소 공급조(300)를 통한 수소 공급은 메탄화 반응조 내부의 이산화탄소와 반응하여 메탄으로 전환을 용이하게 하기 위해서 상기 제1 메탄화 반응조(110) 및 제2 메탄화 반응조(120)의 상부에 위치하는 메탄화 반응조 내부의 압력에 의해 개폐시키도록 스프링에 의해 탄성지지되는 체크 밸브(spring loaded check valve) 등의 밸브가 작용할 때까지 수소의 주입이 이루어져 메탄화 반응조 내부로 적어도 4기압 정도로 압력의 증대가 유도되어 수소와 이산화탄소의 용해도를 증가시킨다. 여기서 사용되는 밸브는 이에 한정하지 않고 압력을 ON/OFF할 수 있는 압력에 의해 제어되는 다양한 밸브나 조절 장치 등을 사용할 수 있다. 이와 같은 수소 공급조(300)의 수소 공급은 수소 공급량 제어 및 모니터링부(730)에 의해 조절된다.Hydrogen supply through the hydrogen supply tank 300 is located at the top of the first methanation tank 110 and the second methanation tank 120 to facilitate conversion to methane by reacting with carbon dioxide inside the methanation tank. Hydrogen is injected until a valve such as a spring loaded check valve, which is elastically supported by a spring to open and close by the pressure inside the methanation reactor, increases the pressure to at least 4 atmospheres inside the methanation reactor. Is induced to increase the solubility of hydrogen and carbon dioxide. The valve used herein is not limited thereto, and various valves or regulators controlled by a pressure capable of turning on/off the pressure may be used. The hydrogen supply to the hydrogen supply tank 300 is controlled by the hydrogen supply amount control and monitoring unit 730.

상기 제2 메탄화 반응조(120)는, 보다 더 바이오가스 내에 메탄의 함량을 향상시키기 위해 상기 제1 메탄화 반응조로부터 회수된 상기 바이오 가스를 공급받고, 수소 공급조로부터 수소를 공급받아 가압 조건하에서 운전하여 바이오메탄을 생산하는 것이 바람직하다.The second methanation reactor 120 receives the biogas recovered from the first methanation reactor to further improve the methane content in the biogas, and receives hydrogen from the hydrogen supply tank under pressurized conditions. It is desirable to operate to produce biomethane.

일 구체예로 상기 제1 메탄화 반응조(110)으로부터 포집된 바이오 가스를 적어도 8기압까지 조절되어지는 제2 메탄화 반응조(120)에 투입하고, 스퍼저(sparger)를 이용하여 수소를 연속회분식 또는 반연속식으로 주입하여 반응시킴으로써 메탄의 함량을 향상시켜 메탄의 고순도화를 유도한다.In one embodiment, the biogas collected from the first methanation reactor 110 is injected into the second methanation reactor 120 controlled to at least 8 atmospheres, and hydrogen is continuously batched using a sparger. Alternatively, by injecting and reacting in a semi-continuous manner, the content of methane is increased to induce high purity of methane.

상기 메탄화 반응조(100)로 포함되는 상기 제1 메탄화 반응조(110) 및 제2 메탄화 반응조(120)에서 수행되는 가압 메탄화 반응을 원활하게 수행하도록 내부에는 기체의 용해도를 증가시키기 위하여 기계적 교반 장치가 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 제1 메탄화 반응조(110) 및 상기 제2 메탄화 반응조(120)의 상부의 헤드 스페이스(head space)는 전체 메탄화 반응조의 전체 부피 100%를 기준으로, 20% 이상 50% 미만인 것인 것이 바람직하다.In order to smoothly perform the pressurized methanation reaction performed in the first methanation tank 110 and the second methanation tank 120 included in the methanation tank 100, a mechanical It is preferable that a stirring device is included. In addition, the head space above the first methanation reactor 110 and the second methanation reactor 120 is 20% or more and less than 50% based on 100% of the total volume of the total methanation reactor. It is preferable to be.

상기 제1 메탄화 반응조(110) 및 제2 메탄화 반응조(120)의 일 측에는 영양 공급관(30)이 형성되어 있어, 혐기성 혼합 미생물 군집의 배양에 필요한 영양물질이 저장되어 상기 메탄화 반응기로 공급하는 영양물질 저장조로부터 영양물질을 지속적으로 공급하여 메탄화 반응이 원활하게 수행되도록 한다.A nutrient supply pipe 30 is formed at one side of the first methanation reactor 110 and the second methanation reactor 120, so that nutrients necessary for cultivation of the anaerobic mixed microorganism community are stored and supplied to the methanation reactor. By continuously supplying nutrients from the nutrient storage tank, the methanation reaction is carried out smoothly.

상기 제1 메탄화 반응조(110) 및 제2 메탄화 반응조(120)의 또 다른 일측에는 처리수 배출관(41, 42)가 형성되어 있어 메탄화 반응조의 메탄화 반응 결과 형성된 물(H2O)을 포함한 불필요한 기타 물질을 함께 제거할 수 있다. Water (H 2 O) formed as a result of the methanation reaction of the methanation reaction tank is formed with treated water discharge pipes 41 and 42 on another side of the first methanation tank 110 and the second methanation tank 120 Unnecessary other substances, including

바이오메탄 저장조(500)은 제2 메탄화 반응조(120)를 거처 생산된 고순도 바이오메탄 가스를 회수하고 저장할 수 있다.The biomethane storage tank 500 may recover and store high-purity biomethane gas produced through the second methanation reaction tank 120.

메탄화 반응의 기질로 사용하기 위한 유기성 폐기물 및 상기 유기성 폐기물의 중간 대사산물을 생성되는 유기산 발효조(200), 상기 유기산 발효조로부터 메탄화 반응의 기질을 공급받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 배양함으로서 메탄화 반응을 수행하여 바이오메탄을 생산하는 메탄화 반응조(100), 수소 가스가 저장되고 상기 메탄화 반응조(100)에 수소를 연속회분식 또는 반연속식으로 주입하는 수소 공급조(300), 상기 유기산 발효조 내부의 환경조건과 상기 메탄화 반응기 내부의 환경조건을 실시간으로 모니터링하는 모니터링부(710, 720, 730), 상기 모니터링부에서 측정된 환경조건을 기설정된 기준에 맞춰 조절하는 조절부(610, 620, 630), 혐기성 혼합 미생물 군집의 배양에 필요한 영양물질이 저장되어 상기 메탄화 반응기로 공급하는 영양물질 저장조(400), 및 상기 메탄화 반응조(100)로부터 바이오메탄 가스를 회수하고 저장하는 바이오메탄 저장조(500)를 포함할 수 있다. 여기서 설명된 바이오메탄 생산 시스템의 구성은 이에 반드시 한정되지 않고, 추가의 유기산 발효조, 메낱화 반응조, 모니터링부, 조절부, 저장조 등을 포함하여 바이오메탄 생산 및 관리할 수 있는 구성을 추가로 구비할 수 있다.Organic waste for use as a methanation reaction substrate and organic acid fermentation tank 200 that generates intermediate metabolites of the organic waste, and methanation reaction by culturing an anaerobic mixed microorganism community by receiving a methanation reaction substrate from the organic acid fermentation tank A methanation reaction tank 100 for producing biomethane by performing, a hydrogen supply tank 300 for storing hydrogen gas and injecting hydrogen into the methanation reaction tank 100 in a continuous batch or semi-continuous manner, the organic acid fermentation tank interior A monitoring unit (710, 720, 730) that monitors the environmental conditions of and the environmental conditions inside the methanation reactor in real time, and a controller (610, 620) that adjusts the environmental conditions measured by the monitoring unit according to a preset criterion. 630), a nutrient material storage tank 400 that stores nutrients necessary for cultivation of an anaerobic mixed microorganism community and supplies them to the methanation reactor, and a biomethane storage tank that recovers and stores biomethane gas from the methanation reactor 100 It may include 500. The configuration of the biomethane production system described herein is not necessarily limited thereto, and a configuration capable of producing and managing biomethane may be additionally provided, including an additional organic acid fermentation tank, a medulization reactor, a monitoring unit, a control unit, and a storage tank. I can.

본 발명의 바이오메탄 생산 시스템에서 상기 메탄화 반응조(100)는, 상기 유기산 발효조(200)로부터 메탄화 반응의 기질을 공급받고, 상기 수소 공급조로부터 수소를 공급 받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 1차 메탄화 반응을 수행하여 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생산하는 제1 메탄화 반응조(110), 및 상기 제1 메탄화 반응조(110)로부터 생산된 상기 바이오가스를 공급을 받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 2차 메탄화 반응을 수행하여 메탄의 함량을 향상시킨 바이오메탄을 생성하는 제2 메탄화 반응조(120)를 포함하는 것이 바람직하다.In the biomethane production system of the present invention, the methanation reaction tank 100 is supplied with a substrate for a methanation reaction from the organic acid fermentation tank 200, and hydrogen is supplied from the hydrogen supply tank, and the first using an anaerobic mixed microorganism community A first methanation reaction tank 110 that produces biogas containing methane and carbon dioxide by performing a methanation reaction, and an anaerobic mixed microorganism community by receiving the biogas produced from the first methanation reaction tank 110 It is preferable to include a second methanation reactor 120 for generating biomethane having an improved methane content by performing a second methanation reaction using.

상기 제2 메탄화 반응조(120)는, 메탄의 함량을 향상시키기 위해 상기 제1 메탄화 반응조(110)로부터 회수된 상기 바이오 가스를 공급받고, 수소 공급조(300)로부터 수소를 공급받아 가압 조건하에서 운전하여 바이오메탄을 생산하는 것이 바람직하다.The second methanation reactor 120 receives the biogas recovered from the first methanation reactor 110 in order to improve the content of methane, and receives hydrogen from the hydrogen supply tank 300 under pressurization conditions. It is desirable to produce biomethane by operating under

본 발명의 바이오메탄 생산 시스템에서 상기 메탄화 반응조로 포함되는 상기 제1 메탄화 반응조(110) 및 제2 메탄화 반응조(120)는 내부에 기계적 교반 장치가 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.In the biomethane production system of the present invention, the first methanation reactor 110 and the second methanation reactor 120 included as the methanation reactor are preferably configured to include a mechanical stirring device therein.

상기 제1 메탄화 반응조(110) 및 상기 제2 메탄화 반응조(120)의 상부의 헤드 스페이스(head space)는 전체 메탄화 반응조의 전체 부피 100%를 기준으로, 20% 이상 50% 미만인 것인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 전체 메탄화 반응조의 전체 부피 100%를 기준으로, 헤드 스페이스(head space)의 부피가 20%인 것이다.The head space above the first methanation reactor 110 and the second methanation reactor 120 is 20% or more and less than 50% based on 100% of the total volume of the total methanation reactor. It is preferred, and more preferably, the volume of the head space is 20% based on 100% of the total volume of the total methanation reactor.

만약 상부 메탄화 반응조의 헤드 스페이스(head space)의 부피가 상기 제시된 기준 범위를 벗어나면 수소의 공급이 원활하지 않아 이산화탄소와 수소의 반응이 제대로 이루어지지 못해 메탄화 반응이 제대로 이루어지지 못하므로, 상기 제시된 범위를 만족하는 것이 바람직하다.If the volume of the head space of the upper methanation reactor is out of the standard range suggested above, the supply of hydrogen is not smooth and the reaction between carbon dioxide and hydrogen is not performed properly, and the methanation reaction is not performed properly. It is desirable to satisfy the stated range.

상기 제1 메탄화 반응조(110) 및 상기 제2 메탄화 반응조(120) 일측에 설치된 모니터링부를 통해 내에 남아있는 잔존 수소를 확인하며, 확인된 잔존 수소의 농도를 통해 제1 메탄화 반응조(110) 및 제2 메탄화 반응조(120)에 공급되는 수소의 양을 조절할 수 있다.The first methanation reactor 110 and the second methanation reactor 120 check the remaining hydrogen through a monitoring unit installed at one side, and the first methanation reactor 110 through the concentration of the confirmed residual hydrogen. And the amount of hydrogen supplied to the second methanation reactor 120 may be adjusted.

도 3은 앞서 살펴본 본 발명의 바이오메탄 생산 시스템을 이용한 고순도의 바이오메탄 생산 방법의 순서도이다.3 is a flow chart of a high purity biomethane production method using the biomethane production system of the present invention as viewed above.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바이오메탄 생산 방법은, (a) 제1 메탄화 반응조에서 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 1차 메탄화 반응을 수행하여 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오 가스를 생산하는 단계(S100), 상기 (a) 단계 후 제1 메탄화 반응조 내부에 남아있는 잔존 수소의 농도에 따라 제2 메탄화 반응조에 공급되는 수소의 양을 조절하는 단계(S110), (b) 제2 메탄화 반응조에 상기 (a) 단계에서 생성되어 회수된 바이오가스를 공급하여 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 2차 메탄화 반응을 수행하여 바이오 메탄을 생산하는 단계(S200), 및 (c) 상기 (b) 단계에서 생산된 바이오메탄을 회수하여 바이오메탄 회수관을 통해 바이오메탄 저장조로 이동시켜 저장하는 단계(S300) 순서로 진행될 수 있다.As shown in FIG. 3, the biomethane production method of the present invention includes (a) performing a first methanation reaction using an anaerobic mixed microorganism community in a first methanation reactor to produce biogas containing methane and carbon dioxide. Step (S100), adjusting the amount of hydrogen supplied to the second methanation reactor according to the concentration of residual hydrogen remaining in the first methanation reactor after step (a) (S110), (b) second Producing biomethane by supplying the biogas generated and recovered in step (a) to the methanation reactor to perform a secondary methanation reaction using the anaerobic mixed microorganism community (S200), and (c) the (b) The biomethane produced in step) may be recovered and transferred to the biomethane storage tank through the biomethane recovery pipe and stored in the order of step S300.

본 발명의 바이오메탄 생산 방법에서 상기 (a) 단계 (S100)는 바이오메탄 생산 시스템의 제1 메탄화 반응조(110)에서 유기산 발효조(200)로부터 기질 공급관(10)을 통해 메탄화 반응의 기질을 공급하고, 수소 공급조로부터 수소를 공급하여 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 1차 메탄화 반응을 수행하여 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생산하는 단계이다.In the biomethane production method of the present invention, the (a) step (S100) is to transfer the substrate for the methanation reaction from the organic acid fermentation tank 200 to the substrate supply pipe 10 in the first methanation reactor 110 of the biomethane production system. This is a step of producing biogas containing methane and carbon dioxide by supplying and supplying hydrogen from a hydrogen supply tank to perform a first methanation reaction using an anaerobic mixed microorganism community.

그 다음 (b) 단계(S200)는, 제2 메탄화 반응조(120)에 상기 (a) 단계에서 생산된 바이오가스를 공급하고, 수소 공급조로부터 수소를 공급하며 가압조건하에서 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 2차 메탄화 반응을 수행하여 바이오메탄을 생산하는 단계이다.Then, in step (b) (S200), the biogas produced in step (a) is supplied to the second methanation reactor 120, hydrogen is supplied from the hydrogen supply tank, and the anaerobic mixed microorganism community is formed under pressurized conditions. This is a step of producing biomethane by performing a secondary methanation reaction using it.

상기 (b) 단계(S200)를 수행하기 이전에 상기 (a) 단계(S100) 이후 제1 메탄화 반응조(110) 내부에 남아있는 잔존 수소의 농도에 따라 제2 메탄화 반응조(120)에 공급되는 수소의 양을 조절할 수 있다.Before performing the (b) step (S200), supply to the second methanation reactor 120 according to the concentration of residual hydrogen remaining in the first methanation reactor 110 after the step (a) (S100). You can adjust the amount of hydrogen to be made.

그리고 (c) 단계(S300)는 상기 (b) 단계(S200)을 통해 생산된 바이오메탄을 회수하여 바이오메탄 회수관(50)을 통해 바이오메탄 저장조(500)로 이동시켜 저장시키는 과장을 수행하여 바이오가스 내의 메탄의 함량이 높은 고순도의 바이오메탄을 생산한다.And (c) step (S300) performs an exaggeration of recovering the biomethane produced through the (b) step (S200), moving it to the biomethane storage tank 500 through the biomethane recovery pipe 50, and storing it. It produces high-purity biomethane with high methane content in biogas.

앞서 살펴본 바와 같이, 유기성 폐기물 및 유기성 폐기물의 가수분해 및 발효과정에서 발생하는 중간 대사산물을 공급받아 적절하게 운전되어지는 본 발명의 바이오메탄 생산 시스템은 그 목적에 따라 메탄 함량이 적어도 최소 30% 이상이며 98% 까지의 고순도 메탄을 생산할 수 있다. 유기성 기질을 직접 공급받아 반응하는 메탄화 반응조는 혐기적 조건에서 잘 생육하는 미생물 군집 및 슬러지를 식종원으로 하여 pH 8.5 이하로 중온 또는 고온조건에서 수소를 메탄화 반응조 내부로 주입시키면서 메탄화의 증대를 유도시킬 수 있다.As described above, the biomethane production system of the present invention, which is properly operated by receiving an intermediate metabolite generated during the hydrolysis and fermentation process of organic waste and organic waste, has a methane content of at least 30% or more depending on the purpose. And can produce up to 98% high purity methane. The methanation reactor, which reacts by receiving an organic substrate directly, uses microbial communities and sludge that grow well under anaerobic conditions as a planting source, and increases methanation by injecting hydrogen into the methanation reactor at medium or high temperature conditions at a pH of 8.5 or less. Can induce

10 : 기질 공급관
21, 22 : 수소 공급관
30 : 영양 공급관
41, 42 : 처리수 배출관
50 : 바이오메탄 회수관
60 : 연결관
100 : 메탄화 반응조
110 : 제1 메탄화 반응조
120 : 제2 메탄화 반응조
200 : 유기산 발효조
210 : 개폐 밸브
300 : 수소 저장조
400 : 영영물질 저장조
500 : 바이오메탄 저장조
610 : HRT 제어부
620 : pH 제어부
630 : 온도 제어부
710 : 배출 가스 모니터링부
720 : 메탄 모니터링부
730 : 수소 공급량 제어 및 모니터링부
10: substrate supply pipe
21, 22: hydrogen supply pipe
30: nutrition supply pipe
41, 42: treated water discharge pipe
50: biomethane recovery pipe
60: connector
100: methanation reactor
110: first methanation reactor
120: second methanation reactor
200: organic acid fermentation tank
210: on-off valve
300: hydrogen storage tank
400: spiritual substance storage tank
500: biomethane storage tank
610: HRT control unit
620: pH control unit
630: temperature control unit
710: emission gas monitoring unit
720: methane monitoring unit
730: hydrogen supply amount control and monitoring unit

Claims (13)

메탄화 반응의 기질로 사용하기 위한 유기성 폐기물 및 상기 유기성 폐기물의 중간 대사산물을 생성되는 유기산 발효조;
상기 유기산 발효조로부터 메탄화 반응의 기질을 공급받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 배양함으로서 메탄화 반응을 수행하여 바이오메탄을 생산하는 메탄화 반응조;
수소 가스가 저장되고 상기 메탄화 반응조에 수소를 연속회분식 또는 반연속식으로 주입하는 수소 공급조;
상기 유기산 발효조 내부의 환경조건과 상기 메탄화 반응기 내부의 환경조건을 실시간으로 모니터링하는 모니터링부;
상기 모니터링부에서 측정된 환경조건을 기설정된 기준에 맞춰 조절하는 조절부;
혐기성 혼합 미생물 군집의 배양에 필요한 영양물질이 저장되어 상기 메탄화 반응기로 공급하는 영양물질 저장조; 및
상기 메탄화 반응조로부터 바이오메탄 가스를 회수하고 저장하는 바이오메탄 저장조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 시스템.
An organic acid fermentation tank for generating organic waste for use as a substrate for a methanation reaction and an intermediate metabolite of the organic waste;
A methanation reactor for producing biomethane by performing a methanation reaction by receiving a methanation reaction substrate from the organic acid fermentation tank and culturing an anaerobic mixed microorganism community;
A hydrogen supply tank for storing hydrogen gas and injecting hydrogen into the methanation reactor in a continuous batch or semi-continuous manner;
A monitoring unit monitoring the environmental conditions inside the organic acid fermentation tank and the environmental conditions inside the methanation reactor in real time;
An adjustment unit for adjusting the environmental conditions measured by the monitoring unit according to a preset standard;
A nutrient material storage tank for storing nutrients necessary for cultivation of the anaerobic mixed microbial community and supplying them to the methanation reactor; And
A biomethane production system comprising: a biomethane storage tank for recovering and storing biomethane gas from the methanation reaction tank.
제1항에 있어서,
상기 메탄화 반응조는,
상기 유기산 발효조로부터 메탄화 반응의 기질을 공급받고, 상기 수소 공급조로부터 수소를 공급 받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 1차 메탄화 반응을 수행하여 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생산하는 제1 메탄화 반응조; 및
상기 제1 메탄화 반응조로부터 생산된 상기 바이오가스를 공급을 받아 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 2차 메탄화 반응을 수행하여 메탄의 함량을 향상시킨 바이오메탄을 생성하는 제2 메탄화 반응조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 시스템.
The method of claim 1,
The methanation reactor,
First methane for producing biogas containing methane and carbon dioxide by receiving a methanation reaction substrate from the organic acid fermentation tank and performing a first methanation reaction using an anaerobic mixed microorganism community by receiving hydrogen from the hydrogen supply tank A reaction tank; And
Containing; a second methanation reactor for generating biomethane having an improved methane content by performing a second methanation reaction using an anaerobic mixed microorganism community by receiving the supply of the biogas produced from the first methanation reactor. Biomethane production system, characterized in that.
제2항에 있어서,
상기 제2 메탄화 반응조는,
메탄의 함량을 향상시키기 위해 상기 제1 메탄화 반응조로부터 회수된 상기 바이오 가스를 공급받고, 수소 공급조로부터 수소를 공급받아 가압 조건하에서 운전하여 바이오메탄을 생산하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 시스템.
The method of claim 2,
The second methanation reactor,
A biomethane production system, characterized in that, in order to improve the content of methane, the biogas recovered from the first methanation reaction tank is supplied, and hydrogen is supplied from the hydrogen supply tank and operated under pressurized conditions to produce biomethane.
제2항에 있어서,
상기 제1 메탄화 반응조 및 제2 메탄화 반응조는 내부에 기계적 교반 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 시스템.
The method of claim 2,
The biomethane production system, characterized in that the first methanation reactor and the second methanation reactor include a mechanical stirring device therein.
제2항에 있어서,
상기 제1 메탄화 반응조 및 상기 제2 메탄화 반응조의 상부의 헤드 스페이스(head space)는 전체 메탄화 반응조의 전체 부피 100%를 기준으로, 20% 이상 50% 미만인 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 시스템.
The method of claim 2,
A biomethane production system, characterized in that the head space above the first methanation reactor and the second methanation reactor is 20% or more and less than 50% based on 100% of the total volume of the total methanation reactor. .
제1항에 있어서,
상기 메탄화 반응기와 상기 유기산 발효조를 연결하며, 상기 유기산 발효조로부터 메탄화 반응의 기질을 상기 메탄화 반응기로 공급하는 기질 공급관;
상기 메탄화 반응기의 일측면에 형성되어 상기 수소 공급조로부터 수소 가스를 공급하는 수소 공급관;
상기 메탄화 반응기의 타측면에 연결되어 상기 영양물질 저장조로부터 혐기성 혼합 미생물 군집 배양에 필요한 영양물질을 공급하는 영양 공급관;
상기 메탄화 반응기에서 메탄화 반응에 사용된 처리수를 배출하는 처리수 배출관; 및
상기 메탄화 반응기에서 메탄화 반응으로 생산된 바이오메탄을 회수하여 상기 바이오메탄 저장조로 이동시키는 바이오메탄 회수관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 시스템.
The method of claim 1,
A substrate supply pipe connecting the methanation reactor and the organic acid fermentation tank, and supplying a methanation reaction substrate from the organic acid fermentation tank to the methanation reactor;
A hydrogen supply pipe formed on one side of the methanation reactor to supply hydrogen gas from the hydrogen supply tank;
A nutrient supply pipe connected to the other side of the methanation reactor to supply nutrients necessary for culturing the anaerobic mixed microorganism community from the nutrient storage tank;
A treated water discharge pipe for discharging the treated water used in the methanation reaction in the methanation reactor; And
And a biomethane recovery pipe for recovering the biomethane produced by the methanation reaction in the methanation reactor and transferring it to the biomethane storage tank.
제6항에 있어서,
상기 기질 공급관 상에 상기 유기산 발효조로부터 공급되는 메탄화 반응의 기질의 공급을 제어를 위해 개폐시키도록 체크 밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 메탄 생산 시스템.
The method of claim 6,
A biomethane production system, characterized in that a check valve is installed on the substrate supply pipe to open and close the supply of the substrate for the methanation reaction supplied from the organic acid fermentation tank for control.
(a) 제1 메탄화 반응조에 유기산 발효조로부터 기질 공급관을 통해 메탄화 반응의 기질을 공급하고, 수소 공급조로부터 수소를 공급하여 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 1차 메탄화 반응을 수행하여 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생산하는 단계; 및
(b) 제2 메탄화 반응조에 상기 (a) 단계에서 생산된 바이오가스를 공급하고, 수소 공급조로부터 수소를 공급하며 가압조건하에서 혐기성 혼합 미생물 군집을 이용한 2차 메탄화 반응을 수행하여 바이오메탄을 생산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 방법.
(a) The first methanation reaction tank is supplied with the substrate for the methanation reaction from the organic acid fermentation tank through the substrate supply pipe, and hydrogen is supplied from the hydrogen supply tank to perform the first methanation reaction using the anaerobic mixed microorganism community to methane and carbon dioxide Producing a biogas comprising a; And
(b) supplying the biogas produced in step (a) to the second methanation reaction tank, supplying hydrogen from the hydrogen supply tank, and performing a second methanation reaction using an anaerobic mixed microbial community under pressurized conditions to produce biomethane. Producing a; biomethane production method comprising a.
제8항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
상기 제1 메탄화 반응조에서 측정된 상기 제1 메탄화 반응기 상부의 헤드 스페이스 부피에 따라 상기 기질 공급관 상에 설치된 체크 밸브를 개폐시켜 상기 유기산 발효조로부터 공급되는 메탄화 반응의 기질의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 방법.
The method of claim 8,
The step (a),
Adjusting the amount of the methanation reaction substrate supplied from the organic acid fermentation tank by opening and closing a check valve installed on the substrate supply pipe according to the volume of the head space above the first methanation reactor measured in the first methanation reactor. Biomethane production method characterized in that.
제8항에 있어서,
상기 (b) 단계 이전에 상기 (a) 단계 후 제1 메탄화 반응조 내부에 남아있는 잔존 수소 농도를 모니터링하고, 측정된 잔존 수소의 농도에 따라 제2 메탄화 반응조에 공급되는 수소의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 방법.
The method of claim 8,
Before step (b), the concentration of hydrogen remaining in the first methanation reactor after step (a) is monitored, and the amount of hydrogen supplied to the second methanation reactor is adjusted according to the measured concentration of residual hydrogen. Biomethane production method, characterized in that.
제8항에 있어서,
상기 (b) 단계 이후에,
(c) 상기 (b) 단계에서 생산된 바이오메탄을 회수하여 바이오메탄 회수관을 통해 바이오메탄 저장조로 이동시켜 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 방법.
The method of claim 8,
After step (b),
(c) recovering the biomethane produced in step (b), moving it to a biomethane storage tank through a biomethane recovery pipe, and storing it.
제8항에 있어서,
상기 수소 공급조는,
상기 제1 메탄화 반응조 및 상기 제2 메탄화 반응조에 수소를 연속회분식 또는 반연속식으로 주입하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 방법.
The method of claim 8,
The hydrogen supply tank,
Biomethane production method, characterized in that injecting hydrogen into the first methanation reactor and the second methanation reactor in a continuous batch or semi-continuous manner.
제8항에 있어서,
상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계가 진행될 동안 혐기성 혼합 미생물 군집 배양에 필요한 영양물질을 영양물질 저장조로부터 공급받는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 방법.
The method of claim 8,
Biomethane production method, characterized in that the nutrients required for culturing the anaerobic mixed microbial community are supplied from the nutrient storage tank during the (a) and (b) steps.
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