KR20210040595A - Apparatus for biogas production using dynamic biofilm and method for biogas production using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a high-rate biogas production apparatus using the control of rheological properties of a dynamic biofilm and a biogas production method using the same. Particuarly, the present invention relates to a high-rate biogas production apparatus using the control of rheological properties of a dynamic biofilm that enables economical wastewater treatment by allowing the dynamic biofilm formed on the porous support to function as a membrane material on its own without the provision of a separate membrane material, and controls the internal circulation strength without a separate backwashing process to control the rheological properties of the dynamic biofilm, thereby maximizing biogas production efficiency, and a biogas production method using the same. A high-rate biogas production apparatus using the control of rheological properties of a dynamic biofilm according to the present invention includes a reaction tank that anaerobically digests organic wastewater to form organic wastewater fermentation products and generates biogas; a filtration module that includes a porous support, wherein a dynamic biofilm is formed on the surface of a porous support by filtration of the fermented organic wastewater to separate the solids of the fermented organic wastewater; a shear rate control unit that controls the shear rate of the organic wastewater fermentation product moved from the reaction tank to the filtration module; a separation unit that separates biogas from the treated water that has passed through the dynamic biofilm, and discharges the treated water from which the biogas is separated; a biogas storage unit that stores the biogas generated in the reaction tank and the separation unit and measures the producing ablitity; and a conveying unit that conveys the organic wastewater fermentation product of the filtration module to the reaction tank.

Description

다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치 및 이를 이용한 바이오가스 제조방법{APPARATUS FOR BIOGAS PRODUCTION USING DYNAMIC BIOFILM AND METHOD FOR BIOGAS PRODUCTION USING THE SAME}High-rate biogas manufacturing apparatus using the rheological property control of dynamic biofilm and biogas manufacturing method using the same{APPARATUS FOR BIOGAS PRODUCTION USING DYNAMIC BIOFILM AND METHOD FOR BIOGAS PRODUCTION USING THE SAME}

본 발명은 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치 및 이를 이용한 바이오가스 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 막 소재의 구비없이 다공성 지지체에 형성된 다이나믹 생물막이 자체적으로 막 소재의 역할을 수행하도록 하여 경제적으로 폐수처리가 가능하고, 별도의 역세공정없이 내부순환강도를 제어함으로써 다이나믹 생물막의 유변학적 특성을 제어하여 바이오가스 생산 효율을 극대화한 바이오가스 제조장치 및 이를 이용한 바이오가스 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-rate biogas production apparatus using the rheological property control of a dynamic biofilm and a biogas production method using the same, and more particularly, a dynamic biofilm formed on a porous support without a separate membrane material is itself a membrane material. A biogas manufacturing device that maximizes the biogas production efficiency by controlling the internal circulation strength by controlling the internal circulation strength without a separate backwashing process and maximizing the biogas production efficiency and biogas using the same It relates to a manufacturing method.

최근 전세계적으로 에너지 부족현상이 가속화되고 있는 추세에 따라 신재생에너지 개발에 대한 관심이 고조되고 있으며, 국내에서는 폐자원 및 바이오매스로 신재생에너지를 생산하기 위하여 유기성 폐자원을 이용하여 바이오가스를 생산하려는 정책을 추진 중에 있다.In recent years, as the global energy shortage is accelerating, interest in the development of new and renewable energy is increasing, and in Korea, biogas is used using organic waste resources to produce new and renewable energy from waste resources and biomass. It is in the process of promoting a policy to produce.

이와 관련하여, 한국등록특허 제10-0985374호(유기성 폐기물로부터 수소와 메탄 가스를 생성하는 방법 및 장치)는 유기성 폐기물로부터 생성된 유기산의 정도와 수소생성의 가능성을 나타내어 주는 지표인 pH를 이용하여 단계별로 진행하게 함으로써 수소와 메탄가스를 동시에 효율적으로 생성할 수 있는 방법 및 장치를 제시하고 있다.In this regard, Korean Patent Registration No. 10-0985374 (method and apparatus for generating hydrogen and methane gas from organic waste) uses pH, an index indicating the degree of organic acid generated from organic waste and the possibility of hydrogen generation. It proposes a method and apparatus capable of efficiently generating hydrogen and methane gas at the same time by proceeding step by step.

유기성 폐자원을 이용하여 바이오가스를 생산하기 위한 여러 기술 중 미생물을 이용한 생물학적 방법이 최근 많은 주목을 받고 있다.Among the various technologies for producing biogas using organic waste resources, a biological method using microorganisms has recently attracted much attention.

현재 유기성 폐자원은 음식물쓰레기, 농·축산 부산물, 하수슬러지, 축산분뇨 등으로 분류되며, 이중 음식물쓰레기는 가용성 당, 전분질, 지방질, 단백질, 셀룰로오즈 등과 같은 고농도의 유기화합물을 함유하고 있는 유기성 폐기물로 유용 자원임에도 불구하고 대부분 매립 또는 소각 방법으로 처리되기 때문에 부패로 발생하는 악취, 침출수에 의한 수질오염, 님비 현상에 따른 매립장 부족 등의 문제가 발생하고 있다. 생물기질로서의 음식물쓰레기의 활용은 유기성 폐기물의 처리 비용 절감 및 환경오염 방지뿐만 아니라 자원 재순환의 측면에서 큰 의미가 있다.Currently, organic waste resources are classified into food waste, agricultural and livestock by-products, sewage sludge, and livestock manure, and food waste is organic waste containing high concentrations of organic compounds such as soluble sugar, starch, fat, protein, and cellulose. Although it is a useful resource, most of it is treated by landfill or incineration, causing problems such as odor caused by decay, water pollution by leachate, and lack of landfill due to the Nimby phenomenon. The use of food waste as a biological substrate has great significance in terms of resource recycling as well as reducing organic waste disposal costs and preventing environmental pollution.

한편, 유기성 폐수를 처리하기 위한 방법으로 막분리(membrane separation)는 성능 및 신뢰성이 우수한 수단으로 각광받고 있으나, 고농도 유기물을 함유하는 유기성 폐수의 처리시 빈번한 막오염이 발생되고, 막대한 유지 및 관리 비용이 드는 한계가 있었다.On the other hand, as a method for treating organic wastewater, membrane separation is spotlighted as a means with excellent performance and reliability, but when treating organic wastewater containing high concentrations of organic matter, frequent membrane contamination occurs, and enormous maintenance and management costs There was a limit to this lifting.

이에, 본 발명자는 종래 고가의 막 소재의 구비없이 다공성 지지체에 생물반응조 운전 기간 동안 미생물이 부착 형성된 다이나믹 생물막(dynamic biofilm)이 자체적으로 막 소재의 역할을 수행하도록 하여 경제적으로 처리수와 고형분의 고액분리가 가능하고, 수소를 생산하는 기술(국내등록번호 제10-1888166호)을 제시한 바가 있다.Accordingly, the present inventors have developed a dynamic biofilm formed by attaching microorganisms to a porous support during the operation period of the bioreactor without the provision of a conventional expensive membrane material to perform the role of a membrane material on its own, thereby economically producing a solid solution of treated water and solids. A technology that can be separated and produces hydrogen (domestic registration number 10-1888166) has been proposed.

더 나아가, 본 발명자는 유기물 고부하 처리를 실현하기 위한 연구의 일환으로 여과모듈의 구성에 필수 불가결인 생물막의 유변학적 특성을 제어하고, 내부순환 강도를 한정하여 바이오가스 생산균의 바이오가스 생산 효율이 높아짐을 확인하여 본 발명에 이르게 되었다. Furthermore, the present inventors control the rheological properties of the biofilm, which is indispensable for the configuration of the filtration module, as part of a study to realize high-load treatment of organic matter, and limit the internal circulation strength, thereby increasing the biogas production efficiency of the biogas producing bacteria. It was confirmed that the increase was reached, and the present invention was reached.

국내등록특허 제10-0985374호(유기성 폐기물로부터 수소와 메탄가스를 생성하는 방법 및 장치)Domestic Registration Patent No. 10-0985374 (Method and apparatus for generating hydrogen and methane gas from organic waste) 국내등록번호 제10-1888166호(다이나믹 생물막을 포함하는 바이오 수소 제조장치 및 이를 이용한 바이오 수소 제조방법)Domestic Registration No. 10-1888166 (Bio-hydrogen production apparatus including dynamic biofilm and bio-hydrogen production method using the same)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 별도의 막 소재의 구비없이 다공성 지지체에 형성된 다이나믹 생물막이 자체적으로 막 소재의 역할을 수행하도록 하여 경제적으로 폐수처리가 가능하고, 별도의 역세공정없이 내부순환강도를 제어함으로써 다이나믹 생물막의 유변학적 특성을 제어하여 바이오가스 생산 효율을 극대화한 바이오가스 제조장치 및 이를 이용한 바이오가스 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is to allow the dynamic biofilm formed on the porous support to perform the role of a membrane material on its own without providing a separate membrane material, thereby economically treating wastewater, and without a separate backwashing process. It is to provide a biogas production apparatus that maximizes biogas production efficiency by controlling the rheological characteristics of a dynamic biofilm by controlling the internal circulation strength, and a biogas production method using the same.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치는 유기폐수를 혐기소화시켜 유기폐수 발효물을 형성하고, 바이오가스를 발생시키는 반응조;와 다공성 지지체를 포함하며, 상기 유기폐수 발효물의 여과에 의해 상기 다공성 지지체의 표면에 다이나믹 생물막이 형성되어 상기 유기폐수 발효물의 고형물을 분리하는 여과모듈;과 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 제어하기 위한 전단속도 제어부;와 상기 다이나믹 생물막을 통과한 처리수에서 바이오가스를 분리하고, 상기 바이오가스가 분리된 처리수를 배출하는 분리부;와 상기 반응조 및 상기 분리부에서 발생된 바이오가스를 저장 및 생성능을 측정하는 바이오가스 저장부;와 상기 여과모듈의 유기폐수 발효물을 상기 반응조로 반송시키기 위한 반송부;를 포함한다.The high-rate biogas production apparatus using the rheological property control of the dynamic biofilm of the present invention to solve the above problems is a reaction tank for anaerobic digestion of organic wastewater to form an organic wastewater fermentation product, and to generate biogas; and a porous support. And a filtration module for separating solids of the organic wastewater fermentation by forming a dynamic biofilm on the surface of the porous support by filtration of the fermented organic wastewater; and a shear rate of the fermented organic wastewater transferred from the reaction tank to the filtration module. A shear rate control unit for controlling; and a separation unit for separating the biogas from the treated water passing through the dynamic biofilm and discharging the treated water from which the biogas is separated; and the biogas generated in the reaction tank and the separation unit And a biogas storage unit for measuring storage and generation capacity; and a transport unit for returning the fermented organic wastewater of the filtration module to the reaction tank.

상기 전단속도 제어부는 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 주입되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 0.01 내지 2 m/h 로 제어하는 것을 특징으로 한다.The shear rate controller is characterized in that controlling the shear rate of the fermented organic wastewater injected into the filtration module from the reaction tank to 0.01 to 2 m/h.

상기 바이오가스 제조장치는 상기 바이오가스 저장부에서 측정되는 바이오가스의 생성량이 기설정된 값 이하이거나 바이오가스 생성량이 감소할 경우 상기 반송부에서 여과모듈로 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어함으로써 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 능동적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.The biogas manufacturing apparatus controls the flow rate of fermented organic wastewater returned from the conveying unit to the filtration module when the biogas generation amount measured in the biogas storage unit is less than or equal to a preset value or when the biogas generation amount decreases. It characterized in that it actively controls the shear rate of the fermented organic wastewater moved to the filtration module.

본 발명의 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조방법은 반응조에서 유기폐수를 혐기소화시켜 유기폐수 발효물을 형성하고, 바이오가스를 발생시키는 반응단계;와 전단속도 제어부에서 전단속도를 제어하면서 상기 반응조의 유기폐수 발효물을 여과모듈로 이송하는 이송단계;와 이송된 유기폐수 발효물을 상기 여과모듈 내부에 형성된 다공성 지지체에 여과시킴으로써 상기 다공성 지지체 표면에 다이나믹 생물막을 형성 및 상기 유기폐수 발효물의 고형물을 분리하는 여과단계와; 분리부에서 상기 다이나믹 생물막을 통과한 처리수를 이송받아 바이오가스를 분리하고, 상기 바이오가스가 분리된 처리수를 배출하는 분리단계;와 바이오가스 저장부에서 상기 반응조 및 상기 분리부로부터 분리된 바이오가스를 저장 및 생성능을 측정하는 바이오가스 저장단계;와 상기 바이오가스 저장부에서 측정되는 바이오가스의 생성능에 따라 반송부에서 상기 여과모듈의 유기폐수 발효물을 상기 반응조로 반송시키는 반송단계;를 포함한다.In the method for producing high-rate biogas using the rheological property control of the dynamic biofilm of the present invention, a reaction step of anaerobic digestion of organic wastewater in a reaction tank to form an organic wastewater fermentation product and generating biogas; And a shear rate in the shear rate control unit. A transfer step of transferring the fermented organic wastewater from the reaction tank to a filtration module while controlling; And by filtering the fermented organic wastewater through a porous support formed inside the filtration module, a dynamic biofilm is formed on the surface of the porous support and the organic wastewater A filtration step of separating the solids of the fermented product; Separation step of separating the biogas by receiving the treated water that has passed through the dynamic biofilm in the separation unit, and discharging the treated water from which the biogas is separated; and the bio separated from the reaction tank and the separation unit in the biogas storage unit And a biogas storage step of measuring the ability to store and generate gas; and a transfer step of returning the fermented organic wastewater from the filtration module to the reaction tank by a transfer unit according to the production capacity of the biogas measured by the biogas storage unit. do.

상기 이송단계는 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 주입되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 0.01 내지 2 m/h 로 제어하는 것을 특징으로 한다.The transfer step is characterized in that the shear rate of the fermented organic wastewater injected from the reaction tank to the filtration module is controlled to 0.01 to 2 m/h.

상기 반송단계는 상기 바이오가스 저장부에서 측정되는 바이오가스의 생성량이 기설정된 값 이하이거나 바이오가스 생성량이 감소할 경우 상기 반송부에서 여과모듈로 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어함으로써 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 능동적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.In the conveying step, when the amount of biogas produced by the biogas storage unit is less than or equal to a preset value or the amount of biogas is reduced, the flow rate of the fermented organic wastewater returned from the conveying unit to the filtration module is controlled in the reaction tank. It is characterized in that it actively controls the shear rate of fermented organic wastewater moved to the filtration module.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치 및 이를 이용한 바이오가스 제조방법에 의하면, 별도의 막 소재의 구비없이 다공성 지지체에 형성된 다이나믹 생물막이 자체적으로 막 소재의 역할을 수행하도록 하여 경제적으로 폐수처리가 가능하고, 별도의 역세공정없이 내부순환강도를 제어함으로써 다이나믹 생물막의 유변학적 특성을 제어하여 바이오가스 생산 효율을 극대화한 효과가 있다.As described above, according to the high-rate biogas manufacturing apparatus using the rheological property control of the dynamic biofilm according to the present invention and the biogas manufacturing method using the same, the dynamic biofilm formed on the porous support without a separate membrane material is self-membrane. By performing the role of a material, wastewater treatment is possible economically, and by controlling the internal circulation strength without a separate backwashing process, the rheological properties of the dynamic biofilm are controlled, thereby maximizing the biogas production efficiency.

도 1은 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치를 보여주는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 다공성 지지체 상에 형성된 다이나믹 생물막을 보여주는 모식도.
도 3은 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조방법을 보여주는 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치를 이용한 바이오가스의 제조시, HRT, OLR 및 메탄생성속도의 상관관계를 보여주는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치를 이용한 바이오가스의 제조시, 전단속도에 따른 바이오가스 생산능을 비교한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치를 이용한 바이오가스의 제조시, 유출수(effluent)와 유기폐수 발효물(mixed liquor)의 TSS를 비교한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치를 이용한 바이오가스의 제조시, DM layer 에서 총 VFA와 TSS의 감소능을 보여주는 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치를 이용한 바이오가스의 제조시, HRT에 따른 DM 막의 EPS분석결과를 보여주는 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치를 이용한 바이오가스의 제조시, 유기폐수 발효물 및 DM막의 Microbial analysis 데이터를 보여주는 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치를 이용한 바이오가스의 제조시, HRT에 따른 VFA와 pH변화를 보여주는 그래프.1 is a block diagram showing a high-rate biogas manufacturing apparatus using the rheological property control of a dynamic biofilm according to the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a dynamic biofilm formed on the porous support according to the present invention.
Figure 3 is a flow chart showing a high-rate biogas manufacturing method using the rheological properties control of the dynamic biofilm according to the present invention.
4 is a graph showing the correlation between HRT, OLR, and methane production rate when producing biogas using a high-rate biogas production apparatus using the rheological property control of a dynamic biofilm according to the present invention.
5 is a graph comparing the biogas production capacity according to the shear rate when producing biogas using the high-rate biogas production apparatus using the rheological property control of the dynamic biofilm according to the present invention.
6 is a graph comparing the TSS of effluent and organic wastewater fermented product (mixed liquor) when producing biogas using a high-rate biogas manufacturing apparatus using the rheological property control of a dynamic biofilm according to the present invention.
7 is a graph showing the reduction ability of total VFA and TSS in the DM layer when producing biogas using a high-rate biogas manufacturing apparatus using the rheological property control of a dynamic biofilm according to the present invention.
8 is a graph showing the EPS analysis results of the DM membrane according to HRT when the biogas is manufactured using the high-rate biogas manufacturing apparatus using the rheological property control of the dynamic biofilm according to the present invention.
9 is a graph showing microbial analysis data of organic wastewater fermentation products and DM membranes when producing biogas using a high-rate biogas manufacturing apparatus using the rheological property control of a dynamic biofilm according to the present invention.
FIG. 10 is a graph showing VFA and pH changes according to HRT when producing biogas using a high-rate biogas manufacturing apparatus using the rheological property control of a dynamic biofilm according to the present invention.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.Specific features and advantages of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Prior to this, when it is determined that a detailed description of functions and configurations related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description will be omitted.

본 발명은 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치 및 이를 이용한 바이오가스 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 막 소재의 구비없이 다공성 지지체에 형성된 다이나믹 생물막이 자체적으로 막 소재의 역할을 수행하도록 하여 경제적으로 폐수처리가 가능하고, 별도의 역세공정없이 내부순환강도를 제어함으로써 다이나믹 생물막의 유변학적 특성을 제어하여 바이오가스 생산 효율을 극대화한 바이오가스 제조장치 및 이를 이용한 바이오가스 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-rate biogas production apparatus using the rheological property control of a dynamic biofilm and a biogas production method using the same, and more particularly, a dynamic biofilm formed on a porous support without a separate membrane material is itself a membrane material. A biogas manufacturing device that maximizes the biogas production efficiency by controlling the internal circulation strength by controlling the internal circulation strength without a separate backwashing process and maximizing the biogas production efficiency and biogas using the same It relates to a manufacturing method.

도 1은 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치를 보여주는 구성도이다.1 is a block diagram showing a high-rate biogas manufacturing apparatus using the rheological property control of a dynamic biofilm according to the present invention.

본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치는 유기폐수를 혐기소화시켜 유기폐수 발효물을 형성하고, 바이오가스를 발생시키는 반응조(100)와 다공성 지지체를 포함하며, 상기 유기폐수 발효물의 여과에 의해 상기 다공성 지지체의 표면에 다이나믹 생물막이 형성되어 상기 유기폐수 발효물의 고형물을 분리하는 여과모듈(300)과 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 제어하기 위한 전단속도 제어부(200)와 상기 다이나믹 생물막을 통과한 처리수에서 바이오가스를 분리하고, 상기 바이오가스가 분리된 처리수를 배출하는 분리부(400)와 상기 반응조 및 상기 분리부에서 발생된 바이오가스를 저장 및 생성능을 측정하는 바이오가스 저장부(500)와 상기 여과모듈의 유기폐수 발효물을 상기 반응조로 반송시키기 위한 반송부(600)를 포함한다. The high-rate biogas production apparatus using the rheological property control of the dynamic biofilm according to the present invention comprises a reaction tank 100 and a porous support for anaerobic digestion of organic wastewater to form organic wastewater fermentation products, and for generating biogas, the A dynamic biofilm is formed on the surface of the porous support by filtration of the fermented organic wastewater, and a filtration module 300 that separates the solids of the fermented organic wastewater and the shear rate of the fermented organic wastewater transferred from the reaction tank to the filtration module are controlled. The shear rate control unit 200 for separating the biogas from the treated water that has passed through the dynamic biofilm and the separation unit 400 for discharging the treated water from which the biogas has been separated, and the reaction tank and the separation unit It includes a biogas storage unit 500 for measuring the ability to store and generate biogas, and a transport unit 600 for returning the fermented organic wastewater of the filtration module to the reaction tank.

상기 반응조(100)에서는 유기폐수를 혐기소화시켜 유기폐수 발효물을 형성 및 유기폐수의 혐기소화공정을 통해 바이오가스를 발생시키며, 발생된 바이오가스는 상술되는 바이오가스 저장부(500)로 이송된다.In the reaction tank 100, organic wastewater is anaerobicly digested to form organic wastewater fermented products and biogas is generated through an anaerobic digestion process of organic wastewater, and the generated biogas is transferred to the biogas storage unit 500 described above. .

상기 반응조(100)에 상기 유기폐수의 혐기소화를 촉진하기 위하여 식종슬러지, 식종균, 미생물 군집 및 이들의 조합을 투입할 수 있으며, pH 6 내지 8, 온도 30 내지 50℃, 혐기 분위기하에서 교반 및 반응시켜 하여 유기폐수 발효물을 생성한다.In order to promote the anaerobic digestion of the organic wastewater in the reaction tank 100, planting sludge, planting seed bacteria, microbial communities, and combinations thereof may be added, pH 6 to 8, temperature 30 to 50°C, stirring in an anaerobic atmosphere, and By reacting, fermented organic wastewater is produced.

바이오가스는 메탄, 수소 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The biogas may contain any one of methane, hydrogen, and combinations thereof.

유기폐수는 음식물쓰레기, 하수슬러지, 농산물쓰레기, 축산물쓰레기 및 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 혐기소화를 통해 상기 바이오가스를 생산할 수 있는 것이라면 이에 한정하지 않는다. 바람직하게는, 음식물쓰레기를 이용할 수 있다. The organic wastewater may include food waste, sewage sludge, agricultural waste, livestock waste, and combinations thereof, and is not limited thereto as long as the biogas can be produced through anaerobic digestion. Preferably, food waste can be used.

식종슬러지는 혐기성 슬러지를 사용하며, 식종균은 상기 바이오가스의 생성을 촉진하기 위한 메탄생성균, 수소생성균 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.The planting sludge uses anaerobic sludge, and the planting seed bacteria may include methanogenic bacteria, hydrogen generating bacteria, and combinations thereof to promote the production of the biogas.

미생물 군집체는 활성탄, 실리카, 키토산, 캡슐 형성제, 영양염류 및 이들의 조합을 혼합 및 반응시켜 제조된 지지 구조체에 미생물을 담지 및 배양시킨 것으로서, 미생물이 군집(floc)을 형성하여 안정적인 배양 및 증식이 가능하게 하고, 이를 통해 유기 폐수의 분해 및 가스화를 촉진시켜 바이오가스의 생산능을 향상시킬 수 있으며, 후술될 여과모듈(300)에서 다공성 지지체의 표면에서의 다이나믹 생물막의 형성을 촉진하고 보존성을 향상시킬 수 있게 된다.The microbial community is a support structure prepared by mixing and reacting activated carbon, silica, chitosan, capsule forming agents, nutrients, and combinations thereof, and supporting and culturing microorganisms. It enables proliferation and promotes the decomposition and gasification of organic wastewater, thereby improving the production capacity of biogas, and promotes the formation of a dynamic biofilm on the surface of the porous support in the filtration module 300 to be described later and preserves it. Will be able to improve.

상기 반응조(100)는 유기폐수와 식종슬러지, 식종균, 미생물 군집 등과의 균일한 혼합을 위한 교반수단, 반응조 내의 pH를 제어하기 위한 pH 제어부, 온도를 조절하기 위한 온도 제어부, 반응조 내부의 혐기 분위기 조성을 위한 불활성 기체 주입부, 유기폐수, 식종슬러지, 식종균, 미생물 군집 및 이들의 조합을 투입하기 위한 독립적인 주입부 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.The reaction tank 100 includes a stirring means for uniform mixing of organic wastewater and planted sludge, planting seeds, microbial communities, etc., a pH control unit for controlling the pH in the reaction tank, a temperature control unit for controlling the temperature, and an anaerobic atmosphere inside the reaction tank. It may include an inert gas injection unit for composition, an independent injection unit for introducing organic wastewater, planting sludge, planting seeds, microbial communities, and combinations thereof, and a combination thereof.

상기 반응조(100) 내의 유기폐수 발효물의 유기물 부하율은 1 내지 10 g COD/L/d 로 제어되는데, 상기 유기물 부하율이 1 g COD/L/d미만일 경우 바이오가스 생성능이 낮으며, 유기물 부하율이 10 g COD/L/d를 초과할 경우, 여과저항이 지나치게 커지고, 미생물이 소모하기 힘든 과잉기질로 오히려 바이오가스 생성을 저하시키기 때문에 상기 유기물 부하율 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다. The organic wastewater fermentation product in the reaction tank 100 is controlled to be 1 to 10 g COD/L/d, and when the organic material loading rate is less than 1 g COD/L/d, the biogas generation ability is low, and the organic material loading rate is 10. When it exceeds g COD/L/d, the filtration resistance becomes excessively large, and the generation of biogas is rather reduced due to an excess substrate that is difficult for microorganisms to consume.

이때, 다이나믹 생물막의 형성을 촉진하기 위하여 유기물 부하율을 상술된 범위 내에서 운행초기에 높게 제어하고, 점차 낮추는 것도 가능하다. At this time, in order to promote the formation of the dynamic biofilm, it is possible to control the organic material load rate high at the beginning of operation within the above-described range, and gradually decrease it.

상기 pH제어부는 pH 값을 측정하기 위한 pH 센서와 기설정된 pH 값을 벗어나지 않도록 pH 조절제 및 알칼리 약제를 저장 및 주입하는 약제 주입부를 포함한다.The pH control unit includes a pH sensor for measuring a pH value and a drug injection unit for storing and injecting a pH adjuster and an alkaline agent so as not to deviate from a preset pH value.

상기 온도 제어부는 온도를 측정하기 위한 온도센서와 기설정된 온도를 유지할 수 있도록 하는 온도조절기(가열냉각기)를 포함한다.The temperature control unit includes a temperature sensor for measuring a temperature and a temperature controller (heating cooler) for maintaining a preset temperature.

상기 여과모듈(300)은 내부에 다공성 지지체(310)를 포함하며, 상기 반응조(100)로부터 이송받은 유기폐수 발효물이 상기 다공성 지지체를 통과하면서 다공성 지지체의 표면에 미생물이 축적되어 다이나믹 생물막(320)을 형성하게 된다. 도 2는 본 발명에 따른 다공성 지지체 상에 형성된 다이나믹 생물막을 보여주는 모식도이다.The filtration module 300 includes a porous support 310 therein, and as the organic wastewater fermented product transferred from the reaction tank 100 passes through the porous support, microorganisms are accumulated on the surface of the porous support, and the dynamic biofilm 320 ) Is formed. 2 is a schematic diagram showing a dynamic biofilm formed on a porous support according to the present invention.

'다이나믹 생물막'은 일정한 형태를 갖는 막이 아니라 여과모듈 내부로 유입되는 유기폐수 발효물의 전단속도, 유기폐수 발효물의 구성 및 유기물 부하율 등의 요인에 따라 형상 및 두께가 변화되는 것으로서, 상기 다이나믹 생물막이 자체적으로 막 소재의 역할을 수행하게 되면서 유기폐수 발효물의 고액분리를 가능하게 한다. The'dynamic biofilm' is not a membrane having a certain shape, but changes in shape and thickness depending on factors such as the shear rate of fermented organic wastewater flowing into the filtration module, the composition of fermented organic wastewater, and the loading rate of organic matter. As it plays the role of a membrane material, it enables solid-liquid separation of fermented organic wastewater.

상기 다공성 지지체(310)는 상기 다이나믹 생물막(320)을 형성하기 위한 지지체로서, 천연 섬유, 합성 섬유, 부직포, 스테인레스 메쉬, 플라스틱 메쉬 중 어느 하나 이상으로 선택되는 재질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는, 미생물에 의해 쉽게 분해가 되지 않으며, 물리적 특성이 우수하고 경제적인 폴리에스터 스크린 메쉬 등의 합성섬유 메쉬망을 사용할 수 있다. The porous support 310 is a support for forming the dynamic biofilm 320, and may be made of a material selected from any one or more of natural fibers, synthetic fibers, nonwoven fabrics, stainless meshes, and plastic meshes, and preferably, It is not easily decomposed by microorganisms, and synthetic fiber mesh nets such as polyester screen mesh, which are excellent in physical properties and economical, can be used.

이때, 상기 다공성 지지체(310)는 10㎛ 내지 5mm의 공극을 갖는 것이 바람직한데, 10㎛ 미만은 지지체의 제작 비용이 증가할 뿐 아니라 작은 공극으로 인하여 막 오염이 가속되며, 5mm를 초과할 경우, 오염원의 여과 효과가 미미하여 처리수의 SS(Suspended Solids) 등의 유기물 함량이 높게 나타나고, 유기폐수 발효물 및 미생물이 상기 다공성 지지체의 표면에 머무르지 못하고, 대부분이 큰 공극을 따라 빠져나가기 때문에 다이나믹 생물막의 형성 및 보존성이 저하되는 문제가 있어 상기 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the porous support 310 has a void of 10 μm to 5 mm, and if less than 10 μm, not only increases the manufacturing cost of the support, but also accelerates membrane contamination due to small voids, and when it exceeds 5 mm, Due to the insignificant filtration effect of the pollutant, a high content of organic matter such as SS (Suspended Solids) in the treated water appears, and the organic wastewater fermentation product and microorganisms do not stay on the surface of the porous support, and most of them escape along the large pores. It is preferable not to deviate from the above range because there is a problem that the formation and preservation of

섬유, 부직포 등 형상 유지가 어려운 다공성 지지체를 사용할 경우, 내부에 형상 유지를 위한 통형의 스테인레스 또는 플라스틱 재질의 형상 유지 구조체(미도시)를 추가적으로 형성할 수 있으며, 형상 유지 구조체는 처리수의 유입 및 배출을 방해하지 않도록 다공성 지지체 보다 큰 공극을 갖는 것이 바람직할 것이다.In the case of using a porous support that is difficult to maintain shape such as fiber or non-woven fabric, a cylindrical shape-retaining structure (not shown) made of stainless steel or plastic material can be additionally formed to maintain the shape. It would be desirable to have larger pores than the porous support so as not to impede discharge.

상기 다이나믹 생물막(320)을 통과한 처리수는 상술될 분리부(400)로 이송되며, 다이나믹 생물막을 통과하지 못한 고형물은 여과모듈의 하단에 축적되어 별도의 공정을 통해 외부로 배출된다. The treated water that has passed through the dynamic biofilm 320 is transferred to the separation unit 400 to be described above, and the solids that have not passed through the dynamic biofilm are accumulated at the bottom of the filtration module and discharged to the outside through a separate process.

상기 여과모듈(300)에서 유기폐수 발효물의 수리학적 체류시간을 5 내지 40일로 제어하는데, 상기 수리학적 체류시간에서 바이오가스의 생성이 원활하게 이루어진다.The filtration module 300 controls the hydraulic residence time of the fermented organic wastewater to 5 to 40 days, and the biogas is smoothly generated at the hydraulic residence time.

상기 전단속도 제어부(200)는 상기 반응조(100)에서 상기 여과모듈(300)로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 제어한다.The shear rate control unit 200 controls the shear rate of the fermented organic wastewater transferred from the reaction tank 100 to the filtration module 300.

이때, 상기 전단속도 제어부(200)는 전단속도를 0.01 내지 2 m/h 로 제어하며, 상기 반응조(100)에서 상기 여과모듈(300)로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 제어함으로써 초기 다이나믹 생물막의 안정적인 형성을 가능하게 하며, 바이오가스 생산속도 및 바이오가스 생성수율을 극대화할 수 있다. 또한, 상기 범위 내에서 후술될 여과모듈에서 낮은 막차압을 유지하여 역세공정이 별도 요구되지 않아 공정 효율을 극대화할 수 있다.At this time, the shear rate control unit 200 controls the shear rate to 0.01 to 2 m/h, and controls the shear rate of the fermented organic wastewater moved from the reaction tank 100 to the filtration module 300 to control the initial dynamic biofilm. It enables the stable formation of and maximizes the biogas production rate and biogas production yield. In addition, a backwash process is not separately required by maintaining a low membrane differential pressure in the filtration module to be described later within the above range, thereby maximizing process efficiency.

상기 전단속도 제어부(200)에서는 0.01 내지 2 m/h 범위 내에서 전단속도를 일정하게 하거나, 전단속도를 점차 증가시키도록 제어될 수 있다.The shear rate control unit 200 may be controlled to make the shear rate constant within the range of 0.01 to 2 m/h or to gradually increase the shear rate.

바람직하게는, 다이나믹 생물막의 형성을 촉진하기 위하여 운행 초기에는 낮은 전단속도로 유기폐수 발효물을 여과모듈로 유입시키고, 다이나믹 생물막이 안정적으로 형성된 운행 중기 및 말기에는 점차 전단속도를 증가시켜 바이오가스의 생성능을 극대화할 수 있다. Preferably, in order to promote the formation of the dynamic biofilm, the fermented organic wastewater is introduced into the filtration module at a low shear rate at the beginning of operation, and the shear rate is gradually increased in the middle and end of the operation when the dynamic biofilm is stably formed. You can maximize the ability to generate.

상기 여과모듈(300)의 상기 다이나믹 생물막(320)을 통과한 처리수는 분리부(400)로 이송되며, 바이오가스는 분리되어 상기 바이오가스 저장부(500)로 이송된다.The treated water passing through the dynamic biofilm 320 of the filtration module 300 is transferred to the separating unit 400, and the biogas is separated and transferred to the biogas storage unit 500.

상기 바이오가스 저장부(500)에서는 상기 반응조(100) 및 상기 분리부(400)에서 발생된 바이오가스를 저장 및 생성능을 측정하게 된다. In the biogas storage unit 500, the biogas generated in the reaction tank 100 and the separating unit 400 is stored and the ability to generate the biogas is measured.

상기 바이오가스 생성능은 바이오가스 생성속도, 바이오가스 생성수율 및 이들의 조합을 통해 측정할 수 있다.The biogas production ability can be measured through a biogas production rate, a biogas production yield, and a combination thereof.

저장된 바이오가스는 메탄, 수소 등이 혼합된 혼합 가스로서, 추가적인 분리 공정을 통해 분리할 수 있으며, 메탄 및 수소를 분리하는 방법은 종래에 주지된 방법을 사용할 수 있다.The stored biogas is As a mixed gas of methane, hydrogen, etc., it can be separated through an additional separation process, and a method known in the art may be used as a method for separating methane and hydrogen.

분리부(400)에서 상기 다이나믹 생물막을 통과한 처리수에서 바이오가스를 분리하고, 바이오가스를 분리한 처리수를 처리수 저장부(미도시)로 이송 및 배출하게 된다.The separation unit 400 separates biogas from the treated water that has passed through the dynamic biofilm, and transfers and discharges the treated water from which the biogas is separated to a treated water storage unit (not shown).

이때, 상기 분리부(400)는 바이오가스가 분리된 처리수를 배출하는 유로에 압력 센서(미도시)를 구비하여 상술될 반송부의 작동여부를 결정할 수 있다. In this case, the separating unit 400 may determine whether or not the transport unit to be described above is operated by providing a pressure sensor (not shown) in a flow path for discharging the treated water from which the biogas has been separated.

반송부(600)에서는 상기 여과모듈의 유기폐수 발효물을 상기 반응조로 반송하게 되며, 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어하기 위하여 유량 제어부가 구비된다.In the conveying unit 600, the fermented organic wastewater of the filtration module is conveyed to the reaction tank, and a flow rate control unit is provided to control the flow rate of the fermented organic wastewater to be conveyed.

보다 상세하게는, 상기 바이오가스 저장부(500)에서 측정되는 바이오가스의 생성량이 기설정된 값 이하이거나 바이오가스 생성량에서 급격한 변화(감소)가 확인될 경우 상기 반송부의 유량제어부에서 여과모듈로 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어함으로써 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 능동적으로 제어할 수 있다.More specifically, when the amount of biogas produced by the biogas storage unit 500 is less than or equal to a preset value, or if a sudden change (reduction) in the amount of biogas is confirmed, the flow rate control unit of the transfer unit is returned to the filtration module. By controlling the flow rate of the fermented organic wastewater, it is possible to actively control the shear rate of the fermented organic wastewater transferred from the reaction tank to the filtration module.

또한, 상기 분리부(400)의 압력센서에서 측정된 압력이 기설정된 값을 벗어날 경우, 상기 반송부에서 여과모듈로 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어하여 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 능동적으로 제어할 수 있다.In addition, when the pressure measured by the pressure sensor of the separating unit 400 exceeds a preset value, the organic wastewater fermented product returned from the transfer unit to the filtration module is controlled to move the organic wastewater from the reaction tank to the filtration module. The shear rate of fermented wastewater can be actively controlled.

보다 상세하게는, 상기 분리부(400)의 압력센서에서 측정된 압력값이 기설정된 값을 초과할 경우, 유기물 및 입자성 유기물이 처리수 많이 포함된 것으로서 이는 다이나믹 생물막의 여과능 및 다이나믹 생물막의 형성이 원활하지 않은 것을 의미한다.More specifically, when the pressure value measured by the pressure sensor of the separating unit 400 exceeds a preset value, organic matter and particulate organic matter are contained in a large amount of treated water. It means that the formation is not smooth.

이에, 여과모듈 내의 유기폐수 발효물을 반응조로 반송 및 유기폐수 발효물을 다시 상기 여과모듈로 유입시켜 상기 다공성 지지체를 통과하도록 하여 상기 다공성 지지체 표면에 형성되는 다이나믹 생물막의 유변학적 특성을 제어할 수 있다. Accordingly, the organic wastewater fermented product in the filtration module is returned to the reaction tank, and the organic wastewater fermented product is introduced into the filtration module to pass through the porous support, so that the rheological properties of the dynamic biofilm formed on the surface of the porous support can be controlled. have.

즉, 운행 초기에는 반응조(100)에서 여과모듈(300)로 이송되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 전단속도 제어부(200)에서 제어하고, 상기 바이오가스 저장부에서 측정되는 바이오가스의 생성량이 기설정된 값 이하이거나 바이오가스 생성량에서 급격한 감소가 센싱되거나 분리부의 압력센서에서 측정된 압력값이 기설정된 값을 초과할 경우 상기 반송부(600)의 유량제어부에서 반응조(100)로 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어함으로써 상기 반응조(100)에서 상기 여과모듈(300)로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 능동적으로 제어하게 되며, 이로써 장치의 운행동력을 최소화하면서 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어가 가능하여 결과적으로 바이오가스의 생성을 극대화할 수 있다.That is, at the initial stage of operation, the shear rate of fermented organic wastewater transferred from the reaction tank 100 to the filtration module 300 is controlled by the shear rate control unit 200, and the amount of biogas produced by the biogas storage unit is preset. The organic wastewater fermented product returned to the reaction tank 100 from the flow control unit of the transfer unit 600 when the value is less than the value or when a rapid decrease in the amount of biogas generation is sensed or the pressure value measured by the pressure sensor of the separation unit exceeds a preset value. By controlling the flow rate, the shear rate of the fermented organic wastewater moved from the reaction tank 100 to the filtration module 300 is actively controlled, thereby minimizing the driving power of the device and controlling the rheological properties of the dynamic biofilm. As a result, it is possible to maximize the production of biogas.

이하, 본 발명은 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조방법을 제공하며, 본 발명의 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조방법은 상술된 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치를 이용하여 수행되며, 설명하고자 하는 바가 상술된 바와 동일할 경우 이에 대한 기재를 생략하도록 한다.Hereinafter, the present invention provides a method for producing high-rate biogas using the rheological property control of a dynamic biofilm, and the method for producing high-rate biogas using the rheological property control of a dynamic biofilm of the present invention is used to control the rheological properties of the dynamic biofilm described above. It is carried out using a high-rate biogas manufacturing apparatus using, and if what is to be described is the same as described above, a description thereof will be omitted.

도 3은 본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조방법을 보여주는 순서도이다.3 is a flow chart showing a method for producing high-rate biogas using the rheological property control of a dynamic biofilm according to the present invention.

본 발명에 따른 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조방법은 반응조에서 유기폐수를 혐기소화시켜 유기폐수 발효물을 형성하고, 바이오가스를 발생시키는 반응단계(S100)와 전단속도 제어부에서 전단속도를 제어하면서 상기 반응조의 유기폐수 발효물을 여과모듈로 이송하는 이송단계(S200)와 이송된 유기폐수 발효물을 상기 여과모듈 내부에 형성된 다공성 지지체에 여과시킴으로써 상기 다공성 지지체 표면에 다이나믹 생물막을 형성 및 상기 유기폐수 발효물의 고형물을 분리하는 여과단계(S300)와 분리부에서 상기 다이나믹 생물막을 통과한 처리수를 이송받아 바이오가스를 분리하고, 상기 바이오가스가 분리된 처리수를 배출하는 분리단계(S400)와 바이오가스 저장부에서 상기 반응조 및 상기 분리부로부터 분리된 바이오가스를 저장 및 생성능을 측정하는 바이오가스 저장단계(S500)와 상기 바이오가스 저장부에서 측정되는 바이오가스의 생성능에 따라 반송부에서 상기 여과모듈의 유기폐수 발효물을 상기 반응조로 반송시키는 반송단계(S600)를 포함한다. In the method for producing high-rate biogas using the rheological property control of a dynamic biofilm according to the present invention, the organic wastewater is anaerobicly digested in a reaction tank to form an organic wastewater fermented product, and the reaction step (S100) of generating biogas and the shear rate control unit The transfer step (S200) of transferring the fermented organic wastewater from the reaction tank to the filtration module while controlling the shear rate, and filtering the fermented organic wastewater through the porous support formed inside the filtration module, thereby forming a dynamic biofilm on the surface of the porous support. Formation and filtration step (S300) of separating the solids of the fermented organic wastewater and separation step of separating biogas by receiving the treated water passing through the dynamic biofilm from the separating unit, and discharging the treated water from which the biogas is separated (S400) and the biogas storage step (S500) of measuring the biogas separated from the reaction tank and the separating unit in the biogas storage unit and measuring the capacity to generate the biogas, and the biogas storage unit is conveyed according to the production capacity of the biogas measured in the biogas storage unit And a conveying step (S600) of returning the fermented organic wastewater from the filtration module to the reaction tank.

반응단계(S100)에서는 반응조(100)에서 유기폐수를 혐기소화시켜 유기폐수 발효물을 형성 및 유기폐수의 혐기소화공정을 통해 바이오가스를 발생시키며, 발생된 바이오가스는 상술되는 바이오가스 저장부(500)로 이송된다.In the reaction step (S100), the organic wastewater is anaerobicly digested in the reaction tank 100 to form organic wastewater fermentation products and to generate biogas through the anaerobic digestion process of the organic wastewater, and the generated biogas is the biogas storage unit described above ( 500).

상기 반응단계(S100)에서 상기 유기폐수의 혐기소화를 촉진하기 위하여 반응조(100) 내에 식종슬러지, 식종균, 미생물 군집 및 이들의 조합을 투입할 수 있으며, pH 6 내지 8, 온도 30 내지 50℃, 혐기 분위기하에서 교반 및 반응시켜 하여 유기폐수 발효물을 생성한다.In the reaction step (S100), in order to promote the anaerobic digestion of the organic wastewater, planting sludge, planting seeds, microbial communities, and combinations thereof may be introduced into the reaction tank 100, pH 6 to 8, temperature 30 to 50°C. , By stirring and reacting in an anaerobic atmosphere to produce fermented organic wastewater.

바이오가스는 메탄, 수소 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The biogas may contain any one of methane, hydrogen, and combinations thereof.

유기폐수는 음식물쓰레기, 하수슬러지, 농산물쓰레기, 축산물쓰레기 및 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 혐기소화를 통해 상기 바이오가스를 생산할 수 있는 것이라면 이에 한정하지 않는다. 바람직하게는, 음식물쓰레기를 이용할 수 있다. The organic wastewater may include food waste, sewage sludge, agricultural waste, livestock waste, and combinations thereof, and is not limited thereto as long as the biogas can be produced through anaerobic digestion. Preferably, food waste can be used.

식종슬러지는 혐기성 슬러지를 사용하며, 식종균은 상기 바이오가스의 생성을 촉진하기 위한 메탄생성균, 수소생성균 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.The planting sludge uses anaerobic sludge, and the planting seed bacteria may include methanogenic bacteria, hydrogen generating bacteria, and combinations thereof to promote the production of the biogas.

미생물 군집체는 활성탄, 실리카, 키토산, 캡슐 형성제, 영양염류 및 이들의 조합을 혼합 및 반응시켜 제조된 지지 구조체에 미생물을 담지 및 배양시킨 것으로서, 미생물이 군집(floc)을 형성하여 안정적인 배양 및 증식이 가능하게 하고, 이를 통해 유기 폐수의 분해 및 가스화를 촉진시켜 바이오가스의 생산능을 향상시킬 수 있으며, 후술될 여과모듈(300)에서 다공성 지지체의 표면에서의 다이나믹 생물막의 형성을 촉진하고 보존성을 향상시킬 수 있게 된다.The microbial community is a support structure prepared by mixing and reacting activated carbon, silica, chitosan, capsule forming agents, nutrients, and combinations thereof, and supporting and culturing microorganisms. It enables proliferation and promotes the decomposition and gasification of organic wastewater, thereby improving the production capacity of biogas, and promotes the formation of a dynamic biofilm on the surface of the porous support in the filtration module 300 to be described later and preserves it. Will be able to improve.

상기 반응조(100)는 유기폐수와 식종슬러지, 식종균, 미생물 군집 등과의 균일한 혼합을 위한 교반수단, 반응조 내의 pH를 제어하기 위한 pH 제어부, 온도를 조절하기 위한 온도 제어부, 반응조 내부의 혐기 분위기 조성을 위한 불활성 기체 주입부, 유기폐수, 식종슬러지, 식종균, 미생물 군집 및 이들의 조합을 투입하기 위한 독립적인 주입부 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.The reaction tank 100 includes a stirring means for uniform mixing of organic wastewater and planted sludge, planting seeds, microbial communities, etc., a pH control unit for controlling the pH in the reaction tank, a temperature control unit for controlling the temperature, and an anaerobic atmosphere inside the reaction tank. It may include an inert gas injection unit for composition, an independent injection unit for introducing organic wastewater, planting sludge, planting seeds, microbial communities, and combinations thereof, and a combination thereof.

상기 반응단계(S100)에서 반응조(100) 내의 유기폐수 발효물의 유기물 부하율을 1 내지 10 g COD/L/d 로 제어하는데, 상기 유기물 부하율이 1 g COD/L/d미만일 경우, 바이오가스 생성능이 낮으며, 유기물 부하율이 10 g COD/L/d를 초과할 경우, 여과저항이 지나치게 커지고, 미생물이 소모하기 힘든 과잉기질로 오히려 바이오가스 생성을 저하시키기 때문에 상기 유기물 부하율 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다. In the reaction step (S100), the organic material loading rate of the fermented organic wastewater in the reaction tank 100 is controlled to 1 to 10 g COD/L/d, and when the organic material loading rate is less than 1 g COD/L/d, the biogas generation ability is It is low, and when the organic matter loading rate exceeds 10 g COD/L/d, the filtration resistance becomes too large, and it is preferable that the organic matter loading rate does not exceed the range of the above organic matter loading rate because it rather lowers the generation of biogas due to an excess substrate that is difficult for microorganisms to consume. .

이때, 다이나믹 생물막의 형성을 촉진하기 위하여 유기물 부하율을 상술된 범위 내에서 운행초기에 높게 제어하고, 점차 낮추는 것도 가능하다. At this time, in order to promote the formation of the dynamic biofilm, it is possible to control the organic material load rate high at the beginning of operation within the above-described range, and gradually decrease it.

상기 pH제어부는 pH 값을 측정하기 위한 pH 센서와 기설정된 pH 값을 벗어나지 않도록 pH 조절제 및 알칼리 약제를 저장 및 주입하는 약제 주입부를 포함한다.The pH control unit includes a pH sensor for measuring a pH value and a drug injection unit for storing and injecting a pH adjuster and an alkaline agent so as not to deviate from a preset pH value.

상기 온도 제어부는 온도를 측정하기 위한 온도센서와 기설정된 온도를 유지할 수 있도록 하는 온도조절기(가열냉각기)를 포함한다.The temperature control unit includes a temperature sensor for measuring a temperature and a temperature controller (heating cooler) for maintaining a preset temperature.

이송단계(S200)에서는 전단속도 제어부에서 전단속도를 제어하면서 상기 반응조의 유기폐수 발효물을 여과모듈로 이송하게 된다.In the transfer step (S200), the organic wastewater fermented product from the reaction tank is transferred to the filtration module while controlling the shear rate in the shear rate controller.

이때, 상기 이송단계(S200)에서는 전단속도를 0.01 내지 2 m/h 로 제어하는데, 상기 반응조(100)에서 상기 여과모듈(300)로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 제어함으로써 초기 다이나믹 생물막의 안정적인 형성을 가능하게 하며, 바이오가스 생산속도 및 바이오가스 생성수율을 극대화할 수 있다. 또한, 상기 범위 내에서 후술될 여과모듈에서 낮은 막차압을 유지하여 역세공정이 별도 요구되지 않아 공정 효율을 극대화할 수 있다.At this time, in the transfer step (S200), the shear rate is controlled to 0.01 to 2 m/h. By controlling the shear rate of the fermented organic wastewater moved from the reaction tank 100 to the filtration module 300, the initial dynamic biofilm is It enables stable formation, and can maximize the biogas production rate and biogas production yield. In addition, a backwash process is not separately required by maintaining a low membrane differential pressure in the filtration module to be described later within the above range, thereby maximizing process efficiency.

또한, 상기 이송단계(S200)에서는 0.01 내지 2 m/h 범위 내에서 전단속도를 일정하게 하거나, 전단속도를 점차 증가시키도록 제어될 수 있다.In addition, in the transfer step (S200), the shear rate may be constant within a range of 0.01 to 2 m/h, or the shear rate may be controlled to gradually increase.

바람직하게는, 다이나믹 생물막의 형성을 촉진하기 위하여 운행 초기에는 낮은 전단속도로 유기폐수 발효물을 여과모듈로 유입시키고, 다이나믹 생물막이 안정적으로 형성된 운행 중기 및 말기에는 점차 전단속도를 증가시켜 바이오가스의 생성능을 극대화할 수 있다. Preferably, in order to promote the formation of the dynamic biofilm, the fermented organic wastewater is introduced into the filtration module at a low shear rate at the beginning of operation, and the shear rate is gradually increased in the middle and end of the operation when the dynamic biofilm is stably formed. You can maximize the ability to generate.

여과단계(S300)에서는 이송된 유기폐수 발효물을 상기 여과모듈 내부에 형성된 다공성 지지체에 여과시킴으로써 상기 다공성 지지체 표면에 다이나믹 생물막을 형성 및 상기 유기폐수 발효물의 고형물을 분리하게 된다.In the filtration step (S300), a dynamic biofilm is formed on the surface of the porous support by filtering the transferred organic wastewater fermented product on a porous support formed inside the filtration module, and the solid matter of the organic wastewater fermentation is separated.

상기 여과모듈(300)은 내부에 다공성 지지체를 포함하며, 상기 반응조(100)로부터 이송받은 유기폐수 발효물이 상기 다공성 지지체(310)를 통과하면서 다공성 지지체의 표면에 미생물이 축적되어 다이나믹 생물막(320)을 형성하게 된다. The filtration module 300 includes a porous support therein, and as the organic wastewater fermented product transferred from the reaction tank 100 passes through the porous support 310, microorganisms are accumulated on the surface of the porous support, and the dynamic biofilm 320 ) Is formed.

'다이나믹 생물막'은 일정한 형태를 갖는 막이 아니라 여과모듈 내부로 유입되는 유기폐수 발효물의 전단속도, 유기폐수 발효물의 구성 및 유기물 부하율 등의 요인에 따라 형상 및 두께가 변화되는 것으로서, 상기 다이나믹 생물막이 자체적으로 막 소재의 역할을 수행하게 되면서 유기폐수 발효물의 고액분리를 가능하게 한다. The'dynamic biofilm' is not a membrane having a certain shape, but changes in shape and thickness depending on factors such as the shear rate of fermented organic wastewater flowing into the filtration module, the composition of fermented organic wastewater, and the loading rate of organic matter. As it plays the role of a membrane material, it enables solid-liquid separation of fermented organic wastewater.

상기 다공성 지지체(310)는 상기 다이나믹 생물막을 형성하기 위한 지지체로서, 천연 섬유, 합성 섬유, 부직포, 스테인레스 메쉬, 플라스틱 메쉬 중 어느 하나 이상으로 선택되는 재질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는, 미생물에 의해 쉽게 분해가 되지 않으며, 물리적 특성이 우수하고 경제적인 폴리에스터 스크린 메쉬 등의 합성섬유 메쉬망을 사용할 수 있다. The porous support 310 is a support for forming the dynamic biofilm, and may be made of a material selected from any one or more of natural fibers, synthetic fibers, nonwoven fabrics, stainless meshes, and plastic meshes, and preferably, by microorganisms. It is not easily decomposed, and synthetic fiber mesh nets such as polyester screen mesh, which are excellent in physical properties and economical, can be used.

이때, 상기 다공성 지지체(310)는 10㎛ 내지 5mm의 공극을 갖는 것이 바람직한데, 10㎛ 미만은 지지체의 제작 비용이 증가할 뿐 아니라 작은 공극으로 인하여 막 오염이 가속되며, 5mm를 초과할 경우, 오염원의 여과 효과가 미미하여 처리수의 SS(Suspended Solids) 등의 유기물 함량이 높게 나타나고, 유기폐수 발효물 및 미생물이 상기 다공성 지지체의 표면에 머무르지 못하고, 대부분이 큰 공극을 따라 빠져나가기 때문에 다이나믹 생물막의 형성 및 보존성이 저하되는 문제가 있어 상기 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the porous support 310 has a void of 10 μm to 5 mm, and if less than 10 μm, not only increases the manufacturing cost of the support, but also accelerates membrane contamination due to small voids, and when it exceeds 5 mm, Due to the insignificant filtration effect of the pollutant, a high content of organic matter such as SS (Suspended Solids) in the treated water appears, and the organic wastewater fermentation product and microorganisms do not stay on the surface of the porous support, and most of them escape along the large pores. It is preferable not to deviate from the above range because there is a problem that the formation and preservation of

섬유, 부직포 등 형상 유지가 어려운 다공성 지지체를 사용할 경우, 내부에 형상 유지를 위한 통형의 스테인레스 또는 플라스틱 재질의 형상 유지 구조체(미도시)를 추가적으로 형성할 수 있으며, 형상 유지 구조체는 처리수의 유입 및 배출을 방해하지 않도록 다공성 지지체 보다 큰 공극을 갖는 것이 바람직할 것이다.In the case of using a porous support that is difficult to maintain shape such as fiber or non-woven fabric, a cylindrical shape-retaining structure (not shown) made of stainless steel or plastic material can be additionally formed to maintain the shape. It would be desirable to have larger pores than the porous support so as not to impede discharge.

상기 다이나믹 생물막을 통과한 처리수는 상술될 분리부(400)로 이송되며, 다이나믹 생물막을 통과하지 못한 고형물은 여과모듈의 하단에 축적되어 별도의 공정을 통해 외부로 배출된다. The treated water that has passed through the dynamic biofilm is transferred to the separation unit 400 to be described above, and solids that have not passed through the dynamic biofilm are accumulated at the bottom of the filtration module and discharged to the outside through a separate process.

또한, 상기 여과단계(S300)에서는 유기폐수 발효물의 수리학적 체류시간을 5 내지 40일로 제어하는데, 상기 수리학적 체류시간에서 바이오가스의 생성이 원활하게 이루어진다.In addition, in the filtration step (S300), the hydraulic residence time of the fermented organic wastewater is controlled to 5 to 40 days, and the biogas is generated smoothly at the hydraulic residence time.

상기 여과모듈(300)의 상기 다이나믹 생물막(320)을 통과한 처리수는 분리부(400)로 이송되며, 바이오가스는 분리되어 상기 바이오가스 저장부(500)로 이송된다.The treated water passing through the dynamic biofilm 320 of the filtration module 300 is transferred to the separating unit 400, and the biogas is separated and transferred to the biogas storage unit 500.

분리단계(S400)에서는 분리부(400)에서 상기 다이나믹 생물막을 통과한 처리수를 이송받아 바이오가스를 분리하고, 상기 바이오가스가 분리된 처리수를 처리수 저장부(미도시)로 이송 및 배출하게 된다.In the separation step (S400), the treated water passed through the dynamic biofilm is transferred from the separation unit 400 to separate the biogas, and the treated water from which the biogas is separated is transferred and discharged to the treated water storage unit (not shown). It is done.

이때, 상기 분리부(400)는 바이오가스가 분리된 처리수를 배출하는 유로에 압력 센서를 구비하여 상술될 반송부의 작동여부를 결정할 수 있다. In this case, the separating unit 400 may determine whether or not the transport unit to be described above is operated by providing a pressure sensor in a flow path for discharging the treated water from which the biogas is separated.

바이오가스 저장단계(S500)에서는 바이오가스 저장부(500)에서 상기 반응조(100) 및 상기 분리부(400)에서 발생된 바이오가스를 저장 및 생성능을 측정한다.In the biogas storage step (S500), the biogas storage unit 500 stores the biogas generated in the reaction tank 100 and the separating unit 400 and measures the ability to generate the biogas.

상기 바이오가스 생성능은 바이오가스 생성속도, 바이오가스 생성수율 및 이들의 조합을 통해 측정할 수 있다.The biogas production ability can be measured through a biogas production rate, a biogas production yield, and a combination thereof.

저장된 바이오가스는 메탄, 수소 등이 혼합된 혼합 가스로서, 추가적인 분리 공정을 통해 분리할 수 있으며, 메탄 및 수소를 분리하는 방법은 종래에 주지된 방법을 사용할 수 있다.The stored biogas is As a mixed gas of methane, hydrogen, etc., it can be separated through an additional separation process, and a method known in the art may be used as a method for separating methane and hydrogen.

반송단계(S600)에서는 상기 바이오가스 저장부(500)에서 측정되는 바이오가스의 생성능에 따라 반송부(600)에서 상기 여과모듈의 유기폐수 발효물을 상기 반응조로 반송시키며, 상기 반송부는 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어하기 위하여 유량 제어부가 구비된다.In the conveying step (S600), the organic wastewater fermented product from the filtration module is returned to the reaction tank in the conveying unit 600 according to the biogas generation ability measured by the biogas storage unit 500, and the conveying unit A flow control unit is provided to control the flow rate of the fermented wastewater.

보다 상세하게는, 상기 반송단계(S600)에서는 상기 바이오가스 저장부(500)에서 측정되는 바이오가스의 생성량이 기설정된 값 이하이거나 바이오가스 생성량에서 급격한 변화(감소)가 확인될 경우 상기 반송부의 유량제어부에서 여과모듈로 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어함으로써 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 능동적으로 제어할 수 있다.More specifically, in the conveying step (S600), when the amount of biogas produced by the biogas storage unit 500 is less than or equal to a preset value, or when a sudden change (reduction) in the amount of biogas produced is confirmed, the flow rate of the conveying unit By controlling the flow rate of the fermented organic wastewater returned to the filtration module by the control unit, it is possible to actively control the shear rate of the fermented organic wastewater transferred from the reaction tank to the filtration module.

또한, 상기 분리부(400)의 압력센서에서 측정된 압력이 기설정된 값을 벗어날 경우, 상기 반송부에서 여과모듈로 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어하여 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 능동적으로 제어할 수 있다.In addition, when the pressure measured by the pressure sensor of the separating unit 400 exceeds a preset value, the organic wastewater fermented product returned from the transfer unit to the filtration module is controlled to move the organic wastewater from the reaction tank to the filtration module. The shear rate of fermented wastewater can be actively controlled.

보다 상세하게는, 상기 분리부(400)의 압력센서에서 측정된 압력값이 기설정된 값을 초과할 경우, 유기물 및 입자성 유기물이 처리수 많이 포함된 것으로서 이는 다이나믹 생물막의 여과능 및 다이나믹 생물막의 형성이 원활하지 않은 것을 의미한다.More specifically, when the pressure value measured by the pressure sensor of the separating unit 400 exceeds a preset value, organic matter and particulate organic matter are contained in a large amount of treated water. It means that the formation is not smooth.

이에, 여과모듈 내의 유기폐수 발효물을 반응조로 반송 및 유기폐수 발효물을 다시 상기 여과모듈로 유입시켜 상기 다공성 지지체를 통과하도록 하여 상기 다공성 지지체 표면에 형성되는 다이나믹 생물막의 유변학적 특성을 제어할 수 있다. Accordingly, the organic wastewater fermented product in the filtration module is returned to the reaction tank, and the organic wastewater fermented product is introduced into the filtration module to pass through the porous support, so that the rheological properties of the dynamic biofilm formed on the surface of the porous support can be controlled. have.

즉, 운행 초기에는 반응조(100)에서 여과모듈(300)로 이송되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 전단속도 제어부(200)에서 제어하고, 상기 바이오가스 저장부에서 측정되는 바이오가스의 생성량이 기설정된 값 이하이거나 바이오가스 생성량에서 급격한 감소가 센싱되거나 분리부의 압력센서에서 측정된 압력값이 기설정된 값을 초과할 경우 상기 반송부(600)의 유량제어부에서 반응조(100)로 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어함으로써 상기 반응조(100)에서 상기 여과모듈(300)로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 능동적으로 제어하게 되며, 이로써 장치의 운행동력을 최소화하면서 다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어가 가능하여 결과적으로 바이오가스의 생성을 극대화할 수 있다.That is, at the initial stage of operation, the shear rate of fermented organic wastewater transferred from the reaction tank 100 to the filtration module 300 is controlled by the shear rate control unit 200, and the amount of biogas produced by the biogas storage unit is preset. The organic wastewater fermented product returned to the reaction tank 100 from the flow control unit of the transfer unit 600 when the value is less than the value or when a rapid decrease in the amount of biogas generation is sensed or the pressure value measured by the pressure sensor of the separation unit exceeds a preset value. By controlling the flow rate, the shear rate of the fermented organic wastewater moved from the reaction tank 100 to the filtration module 300 is actively controlled, thereby minimizing the driving power of the device and controlling the rheological properties of the dynamic biofilm. As a result, it is possible to maximize the production of biogas.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1. 실험방법과 장치1. Experimental method and apparatus

충북 청주의 A 양조장 폐수를 UASBR 처리하여 수득된 혐기성 슬러지를 식종슬러지로 사용하였다. 기질로서 음식물쓰레기를 투입하였으며, 상기 음식물쓰레기는 분쇄처리 후 USA standard no. 16 sieve (nominal diameter=1.0 mm)를 이용하여 여과된 것을 사용하였다. The anaerobic sludge obtained by UASBR treatment of A brewery wastewater in Cheongju, Chungcheongbuk-do was used as planting sludge. Food waste was introduced as a substrate, and the food waste was pulverized and treated with USA standard no. Filtered with 16 sieve (nominal diameter=1.0 mm) was used.

하기의 표 1은 혐기성 슬러지와 음식물 쓰레기의 특성을 보여준다.Table 1 below shows the characteristics of anaerobic sludge and food waste.

Figure pat00001
Figure pat00001

CSTR(Continuously Stirred Tank React)와 DM모듈을 준비하였으며, CSTR은 총용량 14 L(지름 20.5 cm, 높이 40 cm)와 pH 프로브, 수위센서로 구성되었다. 다공성 지지체로는 지름 4 cm, 너비 10cm, 포어 사이즈 50㎛를 갖는 폴리에스터 스크린 메쉬망을 사용하였다. CSTR (Continuously Stirred Tank React) and DM module were prepared, and the CSTR consisted of a total capacity of 14 L (diameter 20.5 cm, height 40 cm), a pH probe, and a water level sensor. As the porous support, a polyester screen mesh net having a diameter of 4 cm, a width of 10 cm, and a pore size of 50 μm was used.

CSTR와 DM(Dynamic Membrane)모듈 사이에 연동펌프를 구비하여 유기폐수 발효물을 순환시켰으며, 반응온도 35±1℃, pH 7.0~8.0를 유지하였다. 작업액량은 5.5 L, 식종균은 10% w/v로 투입하고, 유기물부하율(OLR; Organic Loading Rate)은 1 ~ 10 g COD/L/d로 조정하였다. A peristaltic pump was provided between the CSTR and the DM (Dynamic Membrane) module to circulate the fermented organic wastewater, and the reaction temperature was maintained at 35±1℃ and pH 7.0~8.0. The amount of working liquid was 5.5 L, the seeding bacteria were added at 10% w/v, and the organic loading rate (OLR) was adjusted to 1 to 10 g COD/L/d.

바이오 가스의 생성량을 모니터링하기 위하여 가스 포집기를 준비하였고, 포집된 가스는 기준온도와 압력(0℃, 1 atm)으로 보정하였다. 바이오가스에 포함된 메탄가스를 측정하기 위하여, 메탄과 이산화탄소의 분리가 가능한 가스 크로마토그래피(SRI Instruments, SRI 310, USA)를 이용하였다.A gas collector was prepared to monitor the amount of biogas produced, and the collected gas was calibrated to a reference temperature and pressure (0°C, 1 atm). In order to measure the methane gas contained in the biogas, gas chromatography (SRI Instruments, SRI 310, USA) capable of separating methane and carbon dioxide was used.

휘발성 지방산(VFA)은 300×7.8mm minex HPX- 87H (Bio-Rad, He cules, CA, USA)칼럼을 장착한 HPLC(1525, Waters, Milford, USA)로 분석하였으며, 지방산의 peak는 UV detector를 이용하여 파장 210 nm에서 측정하고, 이동상 물질은 5mM의 황산을 이용하였다. Volatile fatty acid (VFA) was analyzed by HPLC (1525, Waters, Milford, USA) equipped with 300×7.8mm minex HPX-87H (Bio-Rad, He cules, CA, USA) column, and the peak of fatty acid was analyzed by UV detector. It was measured at a wavelength of 210 nm using, and 5 mM sulfuric acid was used as the mobile phase material.

고형분, COD, 총질소(TN)의 분석은 APHA 에 의거하여 측정되었고, SRT(solids retention time)는 하기의 식 1을 이용하여 측정되었다.Analysis of solids, COD, and total nitrogen (TN) was measured based on APHA, and solids retention time (SRT) was measured using Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

EPS(Extracellular polymeric substance)는 Zhen et al (2013)에 기술된 절차를 따라 수집되었다. EPS 추출물의 polysaccharide (PS), protein (PN) 을 측정하여 그 특성을 분석하였다. PN은 Lowry’방법을 이용하여 정량되었고, PS는 페놀-황산법으로 발색시킨 후 490 nm에서 정량되었다. The extracellular polymeric substance (EPS) was collected according to the procedure described in Zhen et al (2013). The polysaccharide (PS) and protein (PN) of the EPS extract were measured and their properties were analyzed. PN was quantified using the'Lowry' method, and PS was quantified at 490 nm after color development by the phenol-sulfuric acid method.

DNA extraction은 MoBio PowerSoil DNA extraction kit (MoBio, Solana Beach, CA, USA)를 이용하여 수행되었다. DNA extraction was performed using the MoBio PowerSoil DNA extraction kit (MoBio, Solana Beach, CA, USA).

박테리아를 증폭하기 위한 프라이머로 341F (5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′)와 805R 5′-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3′)를 사용하였고, 고세균을 증폭하기 위한 프라이머로는 787F (5′-ATTAGATACCCSBGTAGTCC-3′)와 1059R (5-GCCATGCACCWCCTCT-3′)를 사용하였다.341F (5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′) and 805R 5′-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3′) were used as primers for amplifying bacteria, and 787F (5′-ATTAGATACCCSBGTAGTCC-3′) and 1059R (5-GCCATGCACCWCCTCT-3') was used.

증폭된 PCR 산물은 Illumina MiSeq platform 를 이용하여 정렬하였으며, Mothur program (http://www.mothur.org)를 이용하여 키메라를 제거하고, 대표시퀀스를 선별하였다. 미생물 군집의 특성은 RDP Pipeline (http://pyro.cme.msu.edu)를 이용하여 분석되었다.The amplified PCR products were sorted using the Illumina MiSeq platform, the chimera was removed using the Mothur program (http://www.mothur.org), and a representative sequence was selected. The characteristics of the microbial community were analyzed using the RDP Pipeline (http://pyro.cme.msu.edu).

미생물의 상대적 빈도를 측정하기 위하여, 박테리아와 고세균의 16S rRNA 유전자를 SYBR Green detector (AriaMX Real-Time PCR, Agilent Technologies, USA)가 구비된 유전자증폭기를 사용하였다. In order to measure the relative frequency of microorganisms, a gene amplifier equipped with a SYBR Green detector (AriaMX Real-Time PCR, Agilent Technologies, USA) was used for 16S rRNA genes of bacteria and archaea.

박테리아 16S rRNA 유전자 증폭에서, qPCR 열처리 온도는 50℃에서 2분간, 95℃에서 10분간 열처리 한 후, 95℃에서 30초, 52℃에서 1분, 72℃에서 90초씩 40회 반복하고, 마지막으로 72℃에서 5분간으로 제어되었다.In bacterial 16S rRNA gene amplification, the qPCR heat treatment temperature was heat-treated at 50°C for 2 minutes and 95°C for 10 minutes, then repeated 40 times at 95°C for 30 seconds, 52°C for 1 minute, and 72°C for 90 seconds, and finally It was controlled at 72° C. for 5 minutes.

고세균 16S rRNA 유전자 증폭에서, qPCR 열처리 온도는 50℃에서 2분간, 95℃에서 10분간 열처리 한 후, 95℃에서 25초, 52℃에서 25초, 72℃에서 25초씩 40회 반복하고, 마지막으로 72℃에서 5분간으로 제어되었다.In archaeal 16S rRNA gene amplification, the qPCR heat treatment temperature was heat-treated at 50°C for 2 minutes, 95°C for 10 minutes, then repeated 40 times at 95°C for 25 seconds, 52°C for 25 seconds, and 72°C for 25 seconds, and finally It was controlled at 72° C. for 5 minutes.

유전자 copy수는 하기의 식 2에 의해 계산되었다. The number of gene copies was calculated by Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

2. 실험 결과2. Experiment result

하기의 표 2는 운행조건(HRT, OLR, 전단속도)에 따른 메탄 생성능(메탄생성속도, 메탄생성수율), SRT/HRT 및 DM막의 두께를 보여준다.Table 2 below shows the methane production capacity (methane production rate, methane production yield), SRT/HRT, and the thickness of the DM film according to the operating conditions (HRT, OLR, shear rate).

Figure pat00004
Figure pat00004

도 4는 HRT, OLR 및 메탄생성속도의 상관관계를 보여주는 그래프이고, 도 5는 전단속도에 따른 메탄생성속도 및 메탄생성수율을 보여주는 그래프이다. 4 is a graph showing the correlation between HRT, OLR, and methane production rate, and FIG. 5 is a graph showing the methane production rate and the methane production yield according to the shear rate.

메탄 생성속도(MPR)는 OLR의 증가에 따라 증가하였다. 초기에는 1.25 g COD/L/d OLR에서 0.414 L/L/d의 낮은 MPR값을 보이다가 후기에는 점점 증가하여 5.0 g COD/L/d의 OLR에서 1.1 L/L/d의 MPR에 도달하였다. 메탄생산수율은 25 d의 HRT에서 0.344 L/g CODadded로 가장 높은 것으로 확인되었다. The rate of methane production (MPR) increased with the increase of OLR. Initially, the MPR value of 0.414 L/L/d was low at 1.25 g COD/L/d OLR, but gradually increased in the later stages, reaching 1.1 L/L/d MPR at 5.0 g COD/L/d OLR. . The methane production yield was found to be the highest at 0.344 L/g CODadded at 25 d of HRT.

실험결과, 동일 OLR에서 전단속도(shear velocity)를 0.88 m/h까지 증가시켰을 때 바이오가스 생산속도(MPR)또한 증가하는 추세를 보였으나, 전단속도 1.74 m/h에 도달하였을 때의 MPR은 1.21로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 지나치게 높은 전단속도로 인한 바이오가스 생산 저해 시점에서 전단속도를 0.34 m/h까지 낮춘 후 MPR이 회복되는 것을 확인할 수 있었으며, 이 때 10 g/L/d의 높은 OLR에서 최대 MPR을 얻을 수 있었다.As a result of the experiment, when the shear velocity was increased to 0.88 m/h in the same OLR, the biogas production rate (MPR) also showed a tendency to increase, but when the shear velocity reached 1.74 m/h, the MPR was 1.21. It was confirmed that it decreased to. In addition, it was confirmed that MPR recovered after lowering the shear rate to 0.34 m/h at the time of inhibition of biogas production due to excessive shear rate, and at this time, the maximum MPR was obtained at a high OLR of 10 g/L/d. .

또한, TMP(Transmembrane pressure)는 어떠한 역세공정없이 고농도의 폐수를 공급함에도 전체 운행시간(140 d) 통틀어 10 kPa보다 작은 값을 나타내었다. 일반적으로 높은 OLR 및 VFA(Volatile Fatty Acid)은 잦은 막폐색을 발생시켜 막역세를 요구하나, 본 발명에서는 전단속도를 제어함으로써 막차압을 최소화함을 확인할 수 있었고, 이를 통해 운영비용을 절감하면서 DM 기술이 음식물폐기물과 같이 고농도의 유기폐수의 혐기소화에 적용가능함을 확인할 수 있었다.In addition, TMP (transmembrane pressure) showed a value less than 10 kPa over the entire operating time (140 d) even though high-concentration wastewater was supplied without any backwashing process. In general, high OLR and VFA (Volatile Fatty Acid) cause frequent membrane occlusion and require membrane backwash, but in the present invention, it was confirmed that the membrane differential pressure was minimized by controlling the shear rate. It was confirmed that the technology is applicable to anaerobic digestion of organic wastewater of high concentration, such as food waste.

도 6은 유출수(effluent)의 TSS(Total Suspended Solids)와 유기폐수 발효물(mixed liquor)의 TSS를 비교한 것으로서, 유출수의 TSS는 유기폐수 발효물의 TSS 보다 낮은 값을 나타내었다. 6 is a comparison of TSS (Total Suspended Solids) of effluent and TSS of fermented organic wastewater (mixed liquor), and the TSS of effluent was lower than that of fermented organic wastewater.

또한, 표 2에서 보여주는 바와 같이, 15 d HRT에서 12.1의 높은 SRT/HRT 비를 나타내었으며, 이때, 유출수의 TSS가 2800 mg/L이고, 유기폐수 발효물의 TSS는 >45,000 mg/L 이상으로 측정되었다. 이는 동적막의 형성에 의하여 오염물의 분리능을 향상시킬 수 있음에 기인한 것으로 판단하였다. In addition, as shown in Table 2, it showed a high SRT/HRT ratio of 12.1 at 15 d HRT, at this time, the TSS of the effluent was 2800 mg/L, and the TSS of the fermented organic wastewater was measured to be >45,000 mg/L or more. Became. It was determined that this was due to the ability to improve the separating power of contaminants by the formation of a dynamic film.

도 7은 DM layer에서 총 VFA와 TSS의 감소능을 보여준다. 혐기소화에서 높은 TSS 와 VFA 농도는 낮은 바이오가스 생성량을 수반하며, 특히, 혐기소화에서 프로피온산의 축적은 유기폐수를 이용한 바이오가스 생산 및 처리 시스템에서 유기폐수의 정화능 및 바이오가스 생성능의 저하와 관련이 있다. 7 shows the reduction ability of total VFA and TSS in the DM layer. In anaerobic digestion, high TSS and VFA concentrations accompany low biogas production, and in particular, the accumulation of propionic acid in anaerobic digestion is related to the decrease in the ability to purify organic wastewater and produce biogas in the biogas production and treatment system using organic wastewater. There is this.

본 발명에서 프로피온산은 2.0 g COD/L/d 이상의 OLR에서 주요한 산으로 확인되었으나, 유출수와 유기폐수 발효물에서 모두 VFA와 TSS가 감소하였으며, VFA와 TSS에 대해서 각각 82% 과 87%의 큰 감소가 있었다. 프로피온산의 축적에도 불구하고, 본 시스템에서는 높은 메탄생성특성과 DM막의 유기폐수 여과능을 보여주며, 이는 DM막의 안정적인 형성과 관련된 것으로 판단하였다. 특히, 15 d HRT에서 DM 막의 두께가 가장 두꺼웠으며, 높은 SRT/HRT 비를 나타내었다(표 2에 도시). In the present invention, propionic acid was identified as a major acid in OLR of 2.0 g COD/L/d or more, but VFA and TSS were reduced in both effluent and organic wastewater fermented products, and a large reduction of 82% and 87% for VFA and TSS, respectively. There was. Despite the accumulation of propionic acid, the system showed high methanogenic properties and organic wastewater filtration ability of the DM membrane, which was judged to be related to the stable formation of the DM membrane. In particular, the thickness of the DM film was the thickest at 15 d HRT, and showed a high SRT/HRT ratio (shown in Table 2).

도 8은 HRT에 따른 DM막의 EPS분석결과를 보여주는 것으로, LB-EPS 는 HRT의 변화에 크게 영향을 받지 않은 반면, TB-EPS는 40일에서 15일의 HRT 변화에 따라 증가하다가 10일의 HRT까지 점점 감소하였다. PS(polysaccharides)농도는 PN(protein)농도(400~ 860 mg/L)에 비해 기본적으로 낮게 유지(20-30 mg/L) 되었다.8 shows the results of EPS analysis of the DM film according to HRT, whereas LB-EPS was not significantly affected by the change of HRT, whereas TB-EPS increased with the change of HRT from 40 days to 15 days, and then HRT at 10 days. Gradually decreased to. The concentration of PS (polysaccharides) was basically kept low (20-30 mg/L) compared to the concentration of PN (protein) (400-860 mg/L).

도 9는 음식물 폐수의 AnDMBR 처리의 Microbial analysis데이터를 보여주는 것으로서, (A)는 고세균과 박테리아의 상대적 비율을 보여주며, (B) HRT변화에 따른 목(Order) 수준에서 고세균의 분포, (C) HRT변화에 따른 종(Species) 수준에서 고세균의 분포, (D) HRT변화에 따른 문(Phylum)수준에서 박테리아 분포를 보여준다.9 is a microbial analysis data of AnDMBR treatment of food wastewater As shown, (A) shows the relative ratio of archaebacteria and bacteria, (B) distribution of archaebacteria at the order level according to HRT change, (C) distribution of archaebacteria at the Species level according to HRT change , (D) It shows the distribution of bacteria at the phylum level according to the HRT change.

도 9(A)에서 보여주는 바와 같이, 박테리아 16 s rRNA 유전자는 고세균 16 s rRNA 유전자 보다 10배~100배 많이 관찰되었다. 초기 박테리아와 고세균 유전자 copy 수는 DM반응기에서 보다 유기폐수발효물에서 높게 측정되었으나, 15 d HRT에서 DM반응기 내의 박테리아와 고세균 유전자 copy 수가 6.5% 더 높게 측정되었다. 15d ~ 10d HRT에서 박테리아와 고세균 모두 감소하였으며, OLR은 1.25g/L/d 에서 5g/L/d로 증가되었다. 미생물 유전자 복제수는 각각 1.5×104 copies/μL, 4.3×103 copies/μL로 떨어졌다. 전반적으로 DM막에서 박테리아와 고세균 함량이 많이 측정되었으나, 분류분포는 유기폐수발효물과 유사하였다. As shown in FIG. 9(A), the bacterial 16s rRNA gene was observed 10 to 100 times more than the archaeal 16s rRNA gene. The initial bacterial and archaeal gene copy numbers were higher in organic wastewater fermentation than in the DM reactor, but at 15 d HRT, the number of bacterial and archaea gene copies in the DM reactor was 6.5% higher. Both bacteria and archaebacteria decreased at 15d ~ 10d HRT, and OLR increased from 1.25g/L/d to 5g/L/d. The number of copies of microbial genes dropped to 1.5×10 4 copies/μL and 4.3×10 3 copies/μL, respectively. Overall, a large amount of bacteria and archaea were measured in the DM membrane, but the classification distribution was similar to that of organic wastewater fermentation.

도 9(B)와 (C)에서 보여주는 바와 같이, 목 수준에서 Methanosarcinales, Methanomicrobiales 및 Methanobacteriales가 우점하였으며, 초기에 acetoclastic methanogen인 Methanosarcinales이 archaeal 군집 중에서 가장 우점하였다(relative abundance=33.9%).9(B) and (C), Methanosarcinales, Methanomicrobiales, and Methanobacteriales dominated at the neck level, and Methanosarcinales, an acetoclastic methanogen, had the most dominance among the archaeal clusters (relative abundance=33.9%).

종 수준에서는 acetoclastic methanogen인 Methanosaeta concili가 가장 우점하였다(relative abundance=29.4%). HRT의 변화(40d~10d)에 따라 우점종에서 주요한 변화가 발생되었는데, 목 수준의 10d HRT에서 Methanomicrobiales 이 42.9%까지 증가한 반면, Methanosarcinales 와 Methanobacteriales의 상대우점도는 각각 15.3%, 1.9%로 감소하였다. 종 수준의 10d HRT에서 Methanolinea tarda 종이 가장 우점하였다(relative abundance=41.7%).At the species level, the acetoclastic methanogen, Methanosaeta concili, was the most dominant (relative abundance=29.4%). Major changes occurred in dominant species according to the change in HRT (40d~10d). Methanomicrobiales increased to 42.9% at 10d HRT at the neck level, while the relative dominance of Methanosarcinales and Methanobacteriales decreased to 15.3% and 1.9%, respectively. Methanolinea tarda species dominated at the species level of 10d HRT (relative abundance=41.7%).

도 9(D)는 문 수준에서 8종의 박테리아 분류를 보여준다: irmicutes,Bacteroidetes, Actinobacteria, Chloroflexi, Thermotogae, Proteobacteria, Spirochaetes 및 Synergistestes. 박테리아 중, Firmicutes, Bacteroidetes 및 Chloroflexi 는 전체 중에서 대략 60~70%로 우점하였다.Figure 9(D) shows the classification of eight bacteria at the phylum level: irmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Chloroflexi, Thermotogae, Proteobacteria, Spirochaetes and Synergistestes. Among the bacteria, Firmicutes, Bacteroidetes and Chloroflexi dominated approximately 60-70% of the total.

초기 40d ~15d HRT에서 Firmicutes가 우점하였으며, 12d, 10d의 HRT에서 Bacteroidetes가 우점하였다. 이때, 프로피온산은 0.1에서 0.9 g/L까지 증가되었고, pH의 큰 변화가 확인되었으며(도 10에 도시), COD 전환율은 68.6% 까지 감소하였다. Chloroflexi, Actinobacteria 및 Proteobacteria 와 같은 Syntrophs은 상대적 빈도가 낮게 나타났다.Firmicutes dominated in the initial 40d ~ 15d HRT, and Bacteroidetes dominated in the 12d and 10d HRT. At this time, propionic acid was increased from 0.1 to 0.9 g/L, a large change in pH was confirmed (shown in FIG. 10), and the COD conversion rate decreased to 68.6%. Syntrophs such as Chloroflexi, Actinobacteria and Proteobacteria were shown to be relatively infrequent.

상기 결과를 통해, AnDMBR 내의 메탄생성미생물은 고농도의 프로피온산이 존재하는 환경에서도 잘 적응함을 확인할 수 있었으며, 별도의 막 소재의 구비없이 다공성 지지체에 형성된 다이나믹 생물막이 자체적으로 막 소재의 역할을 수행하도록 하여 유기폐수의 고액분리가 가능하고, 별도의 역세공정없이 내부순환강도를 제어함으로써 다이나믹 생물막의 유변학적 특성을 제어하여 바이오가스 생산 효율을 극대화할 수 있음을 확인할 수 있었다. Through the above results, it was confirmed that the methanogenic microorganisms in AnDMBR are well adapted to the environment in the presence of high concentration of propionic acid, and the dynamic biofilm formed on the porous support without the presence of a separate membrane material can itself perform the role of a membrane material. Thus, it was confirmed that solid-liquid separation of organic wastewater was possible, and biogas production efficiency could be maximized by controlling the rheological properties of the dynamic biofilm by controlling the internal circulation strength without a separate backwashing process.

이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.As described above, the present invention has been described based on preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, but those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs are within the scope not departing from the technical spirit and scope described in the claims of the present invention In various modifications or variations of the present invention can be implemented. Accordingly, the scope of the invention should be construed by the claims set forth to include examples of such many variations.

100 : 반응조
200 : 전단속도 제어부
300 : 여과모듈
310 : 다공성 지지체
320 : 다이나믹 생물막
400 : 분리부
500 : 바이오가스 저장부
600 : 반송부100: reaction tank
200: shear rate control unit
300: filtration module
310: porous support
320: dynamic biofilm
400: separation unit
500: biogas storage unit
600: conveying unit

Claims (6)

유기폐수를 혐기소화시켜 유기폐수 발효물을 형성하고, 바이오가스를 발생시키는 반응조;와
다공성 지지체를 포함하며, 상기 유기폐수 발효물의 여과에 의해 상기 다공성 지지체의 표면에 다이나믹 생물막이 형성되어 상기 유기폐수 발효물의 고형물을 분리하는 여과모듈;과
상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 제어하기 위한 전단속도 제어부;와
상기 다이나믹 생물막을 통과한 처리수에서 바이오가스를 분리하고, 상기 바이오가스가 분리된 처리수를 배출하는 분리부;와
상기 반응조 및 상기 분리부에서 발생된 바이오가스를 저장 및 생성능을 측정하는 바이오가스 저장부;와
상기 여과모듈의 유기폐수 발효물을 상기 반응조로 반송시키기 위한 반송부;를 포함하는 것을 특징으로 하는
다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치.
A reaction tank for anaerobic digestion of organic wastewater to form organic wastewater fermentation products and to generate biogas; And
A filtration module comprising a porous support, wherein a dynamic biofilm is formed on the surface of the porous support by filtration of the fermented organic wastewater to separate the solids of the fermented organic wastewater; And
A shear rate control unit for controlling the shear rate of fermented organic wastewater that is moved from the reaction tank to the filtration module; and
A separating unit for separating the biogas from the treated water passing through the dynamic biofilm and discharging the treated water from which the biogas has been separated; and
A biogas storage unit for measuring the ability to store and generate the biogas generated in the reaction tank and the separating unit; And
Characterized in that it comprises a; a conveying unit for conveying the organic wastewater fermented product of the filtration module to the reaction tank
High-rate biogas manufacturing apparatus using dynamic biofilm rheological properties control.
 제 1항에 있어서,
상기 전단속도 제어부는
상기 반응조에서 상기 여과모듈로 주입되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 0.01 내지 2 m/h 로 제어하는 것을 특징으로
다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스하는 제조장치.
The method of claim 1,
The shear rate control unit
It characterized in that the shear rate of the fermented organic wastewater injected into the filtration module in the reaction tank is controlled to 0.01 to 2 m/h.
A manufacturing device for high-rate biogas using the control of the rheological properties of a dynamic biofilm.
 제 1항에 있어서,
상기 바이오가스 제조장치는
상기 바이오가스 저장부에서 측정되는 바이오가스의 생성량이 기설정된 값 이하이거나 바이오가스 생성량이 감소할 경우 상기 반송부에서 여과모듈로 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어함으로써 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 능동적으로 제어하는 것을 특징으로 하는
다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조장치.
The method of claim 1,
The biogas production device
When the production amount of biogas measured in the biogas storage unit is less than or equal to a preset value or the amount of biogas production decreases, the flow rate of fermented organic wastewater returned from the transfer unit to the filtration module is controlled to move from the reaction tank to the filtration module. Characterized in that it actively controls the shear rate of fermented organic wastewater
High-rate biogas manufacturing apparatus using dynamic biofilm rheological properties control.
 반응조에서 유기폐수를 혐기소화시켜 유기폐수 발효물을 형성하고, 바이오가스를 발생시키는 반응단계;와
전단속도 제어부에서 전단속도를 제어하면서 상기 반응조의 유기폐수 발효물을 여과모듈로 이송하는 이송단계;와
이송된 유기폐수 발효물을 상기 여과모듈 내부에 형성된 다공성 지지체에 여과시킴으로써 상기 다공성 지지체 표면에 다이나믹 생물막을 형성 및 상기 유기폐수 발효물의 고형물을 분리하는 여과단계와;
분리부에서 상기 다이나믹 생물막을 통과한 처리수를 이송받아 바이오가스를 분리하고, 상기 바이오가스가 분리된 처리수를 배출하는 분리단계;와
바이오가스 저장부에서 상기 반응조 및 상기 분리부로부터 분리된 바이오가스를 저장 및 생성능을 측정하는 바이오가스 저장단계;와
상기 바이오가스 저장부에서 측정되는 바이오가스의 생성능에 따라 반송부에서 상기 여과모듈의 유기폐수 발효물을 상기 반응조로 반송시키는 반송단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조방법.
A reaction step of anaerobic digestion of organic wastewater in a reaction tank to form a fermented product of organic wastewater and to generate biogas; And
Transfer step of transferring the fermented organic wastewater from the reaction tank to the filtration module while controlling the shear rate in the shear rate controller; And
A filtering step of forming a dynamic biofilm on the surface of the porous support by filtering the transferred fermented organic wastewater through a porous support formed inside the filtration module and separating solids of the fermented organic wastewater;
A separation step of receiving the treated water passing through the dynamic biofilm from the separation unit to separate the biogas, and discharging the treated water from which the biogas has been separated; and
A biogas storage step of measuring the ability to store and generate the biogas separated from the reaction tank and the separation unit in a biogas storage unit; and
And a conveying step of conveying the fermented organic wastewater of the filtration module to the reaction tank in a conveying unit according to the biogas generating ability measured by the biogas storage unit.
High-rate biogas manufacturing method using the control of rheological properties of dynamic biofilm.
 제 4항에 있어서,
상기 이송단계는
상기 반응조에서 상기 여과모듈로 주입되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 0.01 내지 2 m/h 로 제어하는 것을 특징으로 하는
다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조방법.
The method of claim 4,
The transfer step is
It characterized in that the shear rate of the fermented organic wastewater injected into the filtration module in the reaction tank is controlled to 0.01 to 2 m/h.
High-rate biogas manufacturing method using the control of rheological properties of dynamic biofilm.
 제 4항에 있어서,
상기 반송단계는
상기 바이오가스 저장부에서 측정되는 바이오가스의 생성량이 기설정된 값 이하이거나 바이오가스 생성량이 감소할 경우 상기 반송부에서 여과모듈로 반송되는 유기폐수 발효물의 유량을 제어함으로써 상기 반응조에서 상기 여과모듈로 이동되는 유기폐수 발효물의 전단속도를 능동적으로 제어하는 것을 특징으로 하는
다이나믹 생물막의 유변학적 특성 제어를 이용한 고율 바이오가스 제조방법.













The method of claim 4,
The return step
When the production amount of biogas measured in the biogas storage unit is less than or equal to a preset value or the amount of biogas production decreases, the flow rate of fermented organic wastewater returned from the transfer unit to the filtration module is controlled to move from the reaction tank to the filtration module. Characterized in that it actively controls the shear rate of fermented organic wastewater
High-rate biogas manufacturing method using the control of rheological properties of dynamic biofilm.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100985374B1 (en) 2008-12-23 2010-10-04 주식회사 포스코 Method and apparatus for the production of hydrogen and methane from organic wastes
KR20130112866A (en) * 2010-08-31 2013-10-14 제논 테크놀로지 파트너쉽 Method for utilizing internally generated biogas for closed membrane system operation
KR101888166B1 (en) 2017-03-30 2018-08-13 대구대학교 산학협력단 Apparatus for biohydrogen production using dynamic biofilm and manufacturing method thereof
KR101938759B1 (en) * 2018-02-23 2019-01-15 주식회사 한국가스기술공사 Automatic Control Method for Purification of Methane Target Concentration of Biogas by Measuring Real Time Methane Concentration

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100985374B1 (en) 2008-12-23 2010-10-04 주식회사 포스코 Method and apparatus for the production of hydrogen and methane from organic wastes
KR20130112866A (en) * 2010-08-31 2013-10-14 제논 테크놀로지 파트너쉽 Method for utilizing internally generated biogas for closed membrane system operation
KR101888166B1 (en) 2017-03-30 2018-08-13 대구대학교 산학협력단 Apparatus for biohydrogen production using dynamic biofilm and manufacturing method thereof
KR101938759B1 (en) * 2018-02-23 2019-01-15 주식회사 한국가스기술공사 Automatic Control Method for Purification of Methane Target Concentration of Biogas by Measuring Real Time Methane Concentration

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Xiaojie Mei외 3명, A pilot-scale anaerobic membrane bioreactor under short hydraulic retention time for municipal wastewater treatment: performance and microbial community identification, Journal of Water Reuse and Desalination, 08.1, 2018* *
신중헌 외 2명, 혐기성 막 생물반응조를 이용한 하수처리의 최근 동향, Journal of Korean Society of Water and Wastewater Vol. 27, No. 5, pp. 529-545, October, 2013* *

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