WO2011152611A2 - 투입원료의 양질화 기술을 적용한 바이오가스 생산 방법 및 설비 - Google Patents

투입원료의 양질화 기술을 적용한 바이오가스 생산 방법 및 설비 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a biogas production method and equipment to which the quality of input raw materials is applied.
  • the treated water (desorbent) of the solid-liquid separator containing a large amount of anaerobic microorganisms is introduced into a sludge concentrator (membrane separation facility), and the concentrated sludge produced by separating / concentrating anaerobic microorganisms is returned to an anaerobic digester or a raw material storage tank to the anaerobic digester. Large amounts of anaerobic microorganisms can be maintained and induced to stay for a long time.

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Abstract

투입원료의 양질화가 가능한 바이오가스 생산 방법 및 설비가 개시된다. 투입원료 중 저해물질 미함유 원료는 혐기성 소화조에 직접 투입되고, 저해물질 함유 원료는 제1고액분리기에 투입되어 저해물질이 미포함된 고상물질과 저해물질이 포함된 액상물질로 분리된다. 제1고액분리기로부터의 고상물질은 가수분해된 후에 혐기성 소화조로 공급된다. 혐기성 소화조의 유출 폐액 및 제1고액분리기로부터의 액상물질은 슬러지 농축기에 의해 농축된다. 투입 원료의 고액분리를 통하여 저해물질이 제거된 고상의 슬러지만을 혐기성 소화조에 투입하므로, 바이오가스 생산 미생물의 활성도를 적절히 유지할 수 있게 된다.

Description

투입원료의 양질화 기술을 적용한 바이오가스 생산 방법 및 설비
본 발명은 투입원료의 양질화 기술을 적용한 바이오가스 생산 방법 및 설비에 관한 것이다.
바이오가스의 생산에는 유기성 폐기물 및 바이오매스가 주 원료로서 사용된다. 그런데, 이러한 주원료에는 유기성 폐기물의 종류에 따라 바이오가스 생산 미생물의 활성도를 저하시키는 다양한 저해물질(암모니아, 황화물, 염분, 중금속 등)이 과량 함유되어 있다. 이러한 저해물질들은 대부분 수중에 용존(액상물질)된 상태로 존재하고 고형물질에는 저해물질이 존재하지 않는다.
유기성 폐기물(고상, 액상)을 직접 혐기성 소화조에 투입할 경우 액상에 존재하는 저해물질로 인하여 미생물의 활성도가 저하되고 바이오 가스 생산성이 크게 낮아져 최종적으로 혐기성 소화조가 가동되지 않는 문제가 발생한다. 또한, 고상의 유기성 폐기물이 혐기성 소화조로 주입됨으로써 이를 분해하는데 장시간의 체류시간이 요구되며, 소화조 용량과 시설비용이 과다해지는 문제가 발생한다.
한편, 혐기성 미생물은 성장속도가 느리므로 혐기성 소화에서 장시간 체류해야만 적정 미생물량을 유지할 수 있고 결과적으로 바이오가스 발생량을 극대화할 수 있다. 그러나 혐기성 소화조 용량이 비교적 작고 장시간 체류할 수 없으며 미생물량을 적정량 확보할 수 없기 때문에 바이오가스 발생량이 감소하고 최종적으로 소화조 기능을 상실하는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 투입 원료의 고액분리를 통하여 저해물질이 제거된 고상의 슬러지만을 혐기성 소화조에 투입하여 바이오가스 생산 미생물의 활성도를 적절히 유지할 수 있도록 한 바이오가스 생산 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오가스 생산설비는, 투입원료 중 저해물질 미함유 원료가 투입되는 혐기성 소화조; 상기 투입원료 중 저해물질 함유 원료가 투입되어 저해물질이 미포함된 고상물질과 저해물질이 포함된 액상물질로 분리하는 제1고액분리기; 상기 제1고액분리기로부터의 고상물질에 대해 가수분해를 한 후 상기 혐기성 소화조로 공급하는 가수분해기; 및 상기 혐기성 소화조의 유출 폐액 및 상기 제1고액분리기로부터의 상기 액상물질을 농축시키는 슬러지 농축기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 혐기성 소화조의 소화 폐액에 대해 고액분리를 하여 액상물질을 상기 슬러지 농축기로 공급하는 제2고액분리기가 구비된다.
한편, 본 발명에 따르면, (a) 투입원료 중 저해물질 함유 원료에 대해 저해물질이 미포함된 고상물질과 저해물질이 포함된 액상물질로 분리하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 생성된 고상물질을 가수분해하는 단계; (c) 상기 투입원료 중 저해물질 미함유 원료 및 상기 (b) 단계에서 가수분해된 물질에 대해 혐기성 소화 과정을 통해 바이오가스를 생산하는 단계; 및 (d) 상기 (a) 단계에서 분리된 상기 액상물질과 상기 (c) 단계에서의 혐기성 소화에 의한 폐액에 대해 막분리를 통해 농축시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 고액분리기에서 분리된 고상의 슬러지를 혐기성 소화조에 주입하기 전에 가수분(고온, 고압, 오존 등) 과정을 거침으로써 고상 물질이 액상 물질로 전화된다. 가수분해에 의해 액상으로 전환된 용존성 물질(유기물)은 혐기성 소화조로 투입되어 짧은 시간에 혐기성 미생물에 의해 분해 섭취된으로써 효과적이고 효율적으로 바이오가스를 생산하게 된다.
또한, 혐기성 미생물이 다량 함유된 고액분리기의 처리수(탈리액)를 슬러지 농축기(막분리 시설)에 투입하고 혐기성 미생물을 분리 농축하여 생산된 농축 슬러지를 혐기성 소화조 또는 원료 저장조로 반송함으로써 혐기성 소화조에 다량의 혐기성 미생물량이 유지될 수 있고 장시간 체류될 수 있도록 유도된다.
도 1 은 본 발명에 따른 바이오가스 생산설비의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 바이오가스 생산설비의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 바이오가스 생산설비는, 제1고액분리기(10), 가수분해기(20), 혐기성 소화조(30), 제2고액분리기(40), 및 슬러지 농축기(50)가 순차 배치된 구성을 갖는다.
본 발명에서는 먼저 바이오가스 생산원료가 저해물질 미함유 원료와 저해물질 함유 원료로 분류되며, 저해물질 미함유 원료는 혐기성 소화조(30)로 직접 투입되고 저해물질 함유 원료는 제1고액분리기(10)와 가수분해기(20)를 거쳐 혐기성 소화조(30)에 투입된다.
제1고액분리기(10)는 투입된 저해물질 함유 원료를 고상물질(저해물질 미함유)과 액상물질(저해물질 함유)로 분리한다. 분리된 물질 중 고상물질(저해물질 미함유)은 가수분해기(20)로 투입되며, 가수분해기(20)는 투입된 고상물질에 대해 고온, 고압을 유지한 상태에서(또는 이와 함께 산화제가 투입되는 상태에서) 가수분해를 하여 액상물질로 전환시킨 후 혐기성 소화조(30)로 투입시킨다.
제1고액분리기(10)에서 분리된 물질 중 액상물질(저해물질 함유)은 혐기성 소화조(30)로 투입되지 않고 제일 후단의 슬러지 농축기(50)로 공급함으로써 저해물질에 의한 혐기성 소화조의 효율 저하를 방지한다.
혐기성 소화조(30)의 유출수(폐액)는 고형물을 다량 함유(TS 10~20%)하므로, 슬러지 농축기(50)의 부하를 감소시키기 위하여 먼저 제2고액분리기(40)에 투입한다. 제2고액분리기(40)는 투입된 폐액에 대해 고액분리를 하여, 액상물질은 슬러지 농축기(50)로 투입하고 고형물질인 탈수케익은 외부로 반출한다.
결과적으로 제1고액분리기(10)와 제2고액분리기(40)에서 분리된 저부하의 폐수만이 슬러지 농축기(50)로 투입되고, 혐기성 미생물이 다량 함유된 농축 슬러지는 혐기성 소화조(30) 또는 원료 저장조로 반송된다. 한편, 슬러지 농축기(50)는 막분리 시설 등으로 구성될 수 있다.
저해물질이 함유된 원료를 제1고액분리기(10)에서 액상물질로 분리하면서 용존유기물질도 분리되지만 아래 [표 1]과 같이 용존유기물질(SCOD: Soluble Chemical Oxygen Demand)이 전체유기물질(TCOD: Total Chemical Oxygen Demand)에서 차지하는 양이 상대적으로 적기 때문에 바이오가스 생산량에 영향을 끼치지 않게 된다. 일반적인 유기폐기물의 성상은 다음 [표 1]과 같으며 혐기성 미생물의 저해물질 및 저해농도는 [표 2]와 같다.
표 1 일반적인 유기폐기물의 성상
성상 가축분뇨 음식물쓰레기
pH 6.08 5.02
TCODcr (g/L) 164.8 207.6
SCODcr (g/L) 75.2 106.0
NH4-N (g/L) 4.8 2.0
Cl- (g/L) 1.8 7.5
TS (%) 8.5 14.8
VS (%) 6.9 13.6
표 2 혐기성 미생물 저해물질 및 농도
물질 저해농도(mg/L)
Ammonia 1,500
Arsenic 1.6
Boron 2.0
Cadmium 0.02
Chromium(Cr6+) 5~50
Chromium(Cr3+) 50~500
Copper 1~10
Cyanide 4
Iron 5
Magnesium 1,000
Sodium 3,500
Sulfide 50
Zinc 5~20
Alcohol, allyl 100
Alcohol, octyl 200
Acrylonitrile 5
Benzidine 5
Chloroform 10~16
Carbon tetrachloride 10~20
Methylene chloride 100~500
1,1,1-Trichloroethane 1
Trichlorofluoromethane 20
Trichlorotrifluoroethane 5
[표 3]에서와 같이 혐기성 미생물은 호기성 미생물의 세포생성도보다 약 10배 정도 낮기 때문에 저해물질에 대한 민감도가 높으며 호기성 미생물보다 장시간의 안정적인 체류시간을 필요로 한다.
표 3 호기성 미생물과 혐기성 미생물의 에너지 효율 및 세포생성도
Final Electron Carrier Molecule Form of Respiration Pound of cells Produced per Pound of COD Degraded
O2 Aerobic or oxic 0.4~0.6
Organic molecule Anaerobic:Mixed acids and alcohol 0.04~0.1
CO2 Anaerobic:Methane production 0.02~0.04
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 고액분리기에서 분리된 고상의 슬러지를 혐기성 소화조에 주입하기 전에 가수분해(고온, 고압, 오존 등) 과정을 거침으로써 고상 물질이 액상 물질로 전환된다. 가수분해에 의해 액상으로 전환된 용존성 물질(유기물)은 혐기성 소화조로 투입되어 짧은 시간에 혐기성 미생물에 의해 분해/섭취됨으로써 효과적이고 효율적으로 바이오가스를 생산하게 된다.
가수분해 과정에 의해 생산된 액상물질을 혐기성 미생물이 직접 분해/섭취함으로써 반응이 빠르게 진행되므로 소화조 용량이 감소(20~30%)되고 동시에 설비용량도 감소됨으로써 전체 시설비용이 약 25~35% 감소되는 효과가 있다.
또한, 혐기성 미생물이 다량 함유된 고액분리기의 처리수(탈리액)를 슬러지 농축기(막분리 시설)에 투입하고 혐기성 미생물을 분리/농축하여 생산된 농축 슬러지를 혐기성 소화조 또는 원료 저장조로 반송함으로써 혐기성 소화조에 다량의 혐기성 미생물량이 유지될 수 있고 장시간 체류될 수 있도록 유도된다.
따라서 투입원료에 존재하는 저해물질을 배제시키고 동시에 가수분해를 이용한 투입원료의 양질화와 혐기성 미생물이 다량 함유한 농축 슬러지를 소화조로 반송함으로써 혐기성 미생물에 의한 바이오가스 생산량을 극대화시키고 시설비용을 절감할 수 있는 효율성과 경제성을 확보할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 투입원료 중 저해물질 미함유 원료가 투입되는 혐기성 소화조;
    상기 투입원료 중 저해물질 함유 원료가 투입되어 저해물질이 미포함된 고상물질과 저해물질이 포함된 액상물질로 분리하는 제1고액분리기;
    상기 제1고액분리기로부터의 고상물질에 대해 가수분해를 한 후 상기 혐기성 소화조로 공급하는 가수분해기; 및
    상기 혐기성 소화조의 유출 폐액 및 상기 제1고액분리기로부터의 상기 액상물질을 농축시키는 슬러지 농축기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혐기성 소화조의 소화 폐액에 대해 고액분리를 하여 액상물질을 상기 슬러지 농축기로 공급하는 제2고액분리기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 설비.
  3. (a) 투입원료 중 저해물질 함유 원료에 대해 저해물질이 미포함된 고상물질과 저해물질이 포함된 액상물질로 분리하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 생성된 고상물질을 가수분해하는 단계;
    (c) 상기 투입원료 중 저해물질 미함유 원료 및 상기 (b) 단계에서 가수분해된 물질에 대해 혐기성 소화 과정을 통해 바이오가스를 생산하는 단계; 및
    (d) 상기 (a) 단계에서 분리된 상기 액상물질과 상기 (c) 단계에서의 혐기성 소화에 의한 폐액에 대해 막분리를 통해 농축시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
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