KR100853715B1 - 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐철가루를 첨가한 유기성 폐기물의 침출수를 고온 혐기성 연속회분식 반응조(ASBR)를 이용하여 혐기성 발효를 시킴으로써, 용이하고, 경제적이며, 안정적인 고효율의 바이오수소 생산방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 종래의 음식물 쓰레기 등과 같은 유기성 폐기물의 중온 수소발효를 통한 수소 전환율보다 훨씬 높은 수소 전환율을 보이며, 특히, 음식물 쓰레기 침출수는 기존의 음식물 자원화 공정인 사료화, 퇴비화 공정과의 연계 처리가 가능하므로, 산업현장에 유용하게 사용될 수 있다.
유기성 폐기물 침출수, 폐철가루, 고온 혐기성 연속 회분식 반응조, 바이오수소
Description
도 1은 본 발명에 의한 바이오수소의 생산방법에 이용되는 고온 혐기성 연속 회분식 반응조(ASBR)의 구성도를 나타낸 개략도,
도 2는 폐철가루를 첨가하지 않은 대조군의 수리학적 체류시간(HRT, Hydraulic Retention time)에 따른 수소 전환율을 나타낸 그래프,
도 3은 폐철가루를 첨가한 반응조의 수리학적 체류시간에 따른 수소 전환율을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 수소 발효조, 2: 유입수 저장조
3: 유출수 저장조, 4: 워터 재킷 (water jacket)
5: 워터 써큘레이터 (water circulator),
6: 수위 변위식 기체 발생량 측정기,
7: 교반장치, 8: 폐철가루 주입구
9: 유입수 라인, 10: 유출수 라인
11: 물 순환 라인, 12: 가스 배출 라인
본 발명은 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐철가루를 첨가한 유기성 폐기물의 침출수를 고온 혐기성 연속 회분식 반응조(ASBR)를 이용하여 혐기성 발효를 시킴으로써, 용이하고, 경제적이며, 안정적인 고효율의 바이오수소 생산방법에 관한 것이다.
유기성 폐기물에 속하는 음식물 쓰레기는 전체 도시 고형물의 23%를 차지하지만, 직매립이 금지됨에 따라 처리에 어려움을 겪고 있고, 자원화의 필요성이 크게 대두되고 있다. 현재, 음식물 쓰레기의 자원화는 사료화와 퇴비화가 대부분을 차지하고 있지만, 높은 수분함량을 가지는 음식물 쓰레기의 특성때문에, 음식물 쓰레기 자원화 공정에서는 사료화 및 퇴비화에 적절한 수분함량으로 낮추는 과정에서 방대한 양의 침출수를 발생시킨다.
유기성 폐기물인 음식물 쓰레기의 침출수는 2차 환경오염을 유발시키고, 이를 처리하는데 많은 비용이 들기 때문에 적절한 대책이 요구되는데, 수소는 화석연료의 대체 에너지로서, 환경 친화적이고 높은 열량을 가지고 있으며, 지속적이고 재생 가능한 자원으로 많은 관심을 받고 있다(Kapdan and Karge, Enzyme. Microb. Tech., vol 38, 2006, p. 569582).
수소를 생산하는 방법에는 크게 물리/화학적 방법과 생물학적 방법이 있지만, 물리/화학적 방법은 환경적 부담과 수소 생성시 또 다른 에너지원을 필요로 하는 단점이 있다(Zarbosky OR, Plenum Press, Biohydrogen, 1998).
혐기성 소화는 가수분해, 발효, 산생성 단계, 메탄생성 단계를 거치며, 혐기성 미생물 군에 의한 다양한 대사과정에 의해 유기성 기질이 메탄과 이산화탄소로 전환되는데, 수소 생성균은 탄수화물, 단백질, 지방 등을 가수분해하고 발효시켜서 유기산, 이산화탄소, 수소를 생성한다.
하지만, 혐기성 발효에 의한 수소생산은 현재까지 최적의 수소생산을 위한 조건이 정립되지 않았으며, 안정적이며 높은 수소 전환율을 가지는 수소생성 방법은 아직 확립되지 않았다. 특히 실용적인 폐수처리에 필요한 실폐수와 혼합 배양액을 이용한 연속 발효에 대한 연구는 더욱 미미한 실정이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 폐철가루를 첨가한 유기성 폐기물의 침출수를 고온 혐기성 연속 회분식 반응조(ASBR)를 이용하여 혐기성 발효를 시킴으로써, 용이하고, 경제적이며, 안정적인 고효율의 바이오수소 생산방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 폐철가루(Iron Dust)를 첨가한 유기 성 폐기물의 침출수를 기질로 이용하여 고온에서 혐기성 발효시키는 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법을 제공한다.
생물학적 수소생산 방법에는 광 발효와 혐기성 발효가 있는데, 혐기성 수소 발효 방법은 수소 생산 속도가 빠르고, 경제적이며, 광원을 필요로 하지 않아서 설비화하기 쉬운 장점이 있다(Das and Veziroglu, Int. J. Hydrogen Energ., vol 26, 2001, p. 13-28).
음식물 쓰레기, 하수슬러지, 축산분뇨 등과 같은 유기성 폐기물은 혐기성 수소 발효를 위한 기질로서 이미 검증되었고, 상기 유기성 폐기물의 침출수, 바람직하게는 음식물 쓰레기의 침출수는 탄수화물 함량이 높고, 음식물 쓰레기보다는 가수분해가 용이한 기질로서 혐기성 수소발효에 더욱 적합하다.
따라서, 최근에는 이러한 문제점 등을 해결하기 위하여 혼합 배양액을 이용한 수소발효시 수소 생성균에게 적절한 환경 조건을 유지하기 위해, pH, 온도, 수리학적 체류시간(HRT), 및 고형물 체류시간(SRT)등에 관한 연구가 진행되어지고 있다(Hawkes et al., Int. J. Hydrogen Energ., vol. 27, 2002, p. 1339-1347).
음식물 쓰레기 침출수를 포함한 유기성 폐기물은 고형물 농도가 높아 혐기성 수소발효시 발효의 첫 단계인 가수분해에 어려움이 있는데, 고온 조건은 기질의 분해율을 높여주는 장점이 있다고 보고된바있다(Zhang et al., J. Environ. Manage, vol 69, 2003, p. 149-156).
또한, 유기성 폐기물에는 복잡한 미생물 군이 기질 내에 존재하여, 연속운전시 기질의 유입에 따라 수소 생성균의 우점화가 계속 유지되지 않을 우려가 있다. 클로스트리디아(Clostridia sp.) 종류의 수소 생성균은 대부분 고온 박테리아이며 열에 비교적 덜 민감하다고 알려져 있다(Fang et al., Appl. Microbiol. Biot. vol 58, 2002, p. 112-118).
따라서, 고온 연속운전은 열에 약한 비수소 생성균의 사멸 효과가 기대된다. 게다가, 수소 생성에 관여하는 핵심 효소인 하이드로제나아제(hydrogenase)의 최적온도는 50 ~70℃ 라고 알려져 있어 수소 발효의 효율을 높일수 있는 효과가 있다(Koesnandar et al., J. Ferment Bioeng, vol 72(1), 1991, p. 11-14). 실제로, 위와 같은 이유로 음식물 쓰레기를 고온조건으로 수소발효 시켰을 때, 보다 향상된 수율이 보고된 바 있다(Shin et al., Int. J. Hydrogen Energ., vol 29, 2004, p. 1355-1363).
본 발명에 사용되는 폐철가루(Iron Dust)는 제철소에서 생산되는 폐광재로서, 여러 금속이 산화된 형태로 존재하며, 그 성상이 불균질한 것이 특징이다. 폐철가루는 높은 비중을 가지고 있어서, 고도 처리공정의 침전성 등을 개선하기 위해 연구된 바 있다(Zeng et al., Water Res., vol 38, 2004, p. 1318-1326).
폐철가루에는 칼슘, 철, 마그네슘, 망간 및 알루미늄성분이 많이 포함되어 있는데, 수소발효에는 철, 마그네슘, 망간 등과 같은 필수 미량원소들이 필요한 것으로 알려져 있다(Zhang et al., Int. J. hydrogen energ., vol 30, 2004, p. 855-866; Lin and Lay, Int. J. hydrogen energ., vol 30, 2005, p. 855-860). 또한, 칼슘성분은 수체에서 pH를 상승시키는 역할을 하기 때문에, 수소발효 중에 생성되는 유기산으로 인한 pH 저하를 예방할 수 있다.
본 발명에 의한 바이오수소 생산방법은 상기 유기성 폐기물 침출수를 별도의 전처리 공정없이 기질로 사용할 수 있고, 상기 유기성 폐기물의 침출수는 탄수화물 농도, 가용화 정도가 수소 발효에 적합하며, 고온 운전시 별도의 분쇄, 과도한 희석, 및 전처리 과정이 필요 없는 경제적인 기질이 될 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 유기성 폐기물 침출수는 음식물 쓰레기, 하수슬러지, 축산분뇨, 또는 이들의 혼합물에서 추출될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 방법에 사용되는 폐철가루는 0.1 ~ 1 g 폐철가루/g 휘발성 부유물(g VSS), 바람직하게는 0.3 ~ 0.7 g 폐철가루/g 휘발성 부유물(g VSS)의 농도로 첨가한다.
본 발명의 상기 혐기성 발효는 고온 혐기성 연속 회분식 반응조(ASBR)를 이용하여 수소를 생성하는데, 상기 고온 혐기성 연속 회분식 반응조는 유기성 폐기물의 침출수와 폐철가루를 혼합하기 위한 유입수 저장조, 고온 수소발효를 위한 수소 발효조, 온도를 유지하기 위한 워터 재킷, 물순환을 위한 워터 써큘레이터, 생성된 가스의 측정을 위한 수위 변위식 기체 발생량 측정기 및 유출수를 저장하기 위한 유출수 저장조를 포함한다. 상기 유입수 저장조는 교반장치, 폐철가루 유입구 및 고온 수소발효를 위한 유입수 라인을 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 혐기성 발효조의 운전온도는 50 ~ 60℃, 바람직하게는 54 ~ 56℃의 고온에서 수행하고, 운전 pH는 5.4 ~ 6.2, 바람직하게는 5.6 ~ 6.0의 조건에서 수행한다. 또한 상기 혐기성 발효조의 수리학적 체류시간은 2 ~ 4 일, 바람직하게는 2.5 ~ 3.5일의 조건에서 기질 유입농도를 15 ~ 25 g 탄수화물 화학적 산소요구량/L (g carbohydrate COD/L), 바람직하게는 18 ~ 22 g 탄수화물 화학적 산소요구량/L (g carbo. COD/L)로 유지하면서 운전하는 것이 권장된다.
이하, 첨부 도면에 의해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 수소생산 방법에 이용되는 고온 혐기성 연속 회분식 반응조(ASBR)의 구성도를 나타내는 개략도로서, 음식물 쓰레기 침출수와 폐철가루를 혼합시키기 위한 유입수 저장조(2), 교반장치(7), 폐철가루 유입구(8), 고온 수소 발효를 위한 유입수 라인(9), 교반장치(7), 수소 발효조(1), 고온(55℃)을 유지하기 위한 워터 재킷(4), 워터 써큘레이터(5), 물 순환 라인(11), 생성된 가스의 측정을 위한 수위 변위식 기체 발생량 측정기(6), 가스 배출 라인(12), 유출수를 저장하기 위한 유출수 라인(10)과 유출수 저장조(3)로 이루어져 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예 1 : 음식물 쓰레기 침출수의 성상분석
하기의 실시 예에서 기질로 사용된 음식물 쓰레기의 침출수는 대전시의 음식물 쓰레기 자원화 사업소에서 채취한 실제 침출수를 사용하였는데, 그 성상을 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
| 파라미터(Parameter) | 단위 | 값 |
| 총부유물질(TSS) | % | 4.38 |
| 휘발성 부유물질(VSS) | % | 4.20 |
| 총화학적 산소요구량(TCOD) | g/L | 83.0 |
| 탄수화물(Carbohydrate) | g COD/L | 26.6 |
| 총킬달질소(TKN) | g N/L | 3.03 |
| 암모니아성 질소(NH3-N) | g N/L | 0.25 |
| 휘발성 지방산(VFAs) | g COD/L | 15.1 |
| pH | 4.55 | |
| S/T COD | 0.59 | |
| S/T Carbohydrate | 0.67 |
탄수화물은 수소발효에 적합한 농도인 10-20 g Carbo. COD/L사이에 있는 것으로 확인 되었고, 가정에서 음식물 쓰레기가 자원화 시설까지 이동하면서 젖산발효가 진행되어 높은 유기산 농도와 그로 인한 pH저하가 확인되었다.
침출수는 자원화 시설에서 음식물 쓰레기의 수분함량을 낮추기 위해 침출수로 분리되는 과정에서, 가용화 정도가 화학적 산소요구량(COD) 및 탄수화물을 기준으로 각각 0.59, 0.67로 높아지면서 가수분해 및 생물학적 분해가 음식물 쓰레기 보다 용이해 지는 것으로 나타났다. 보고된 문헌에 따르면, 음식물 쓰레기 침출수는 고온 수소발효시, 이미 높은 가용화 정도와 비수소 생성균의 불활성화 효과로 알칼리 전처리 없이도 높은 수소생성 수율을 보였다(오승대 외, 한국폐기물학회, 추계학술연구발표회 논문집, 2006, p. 154-157).
따라서 음식물 쓰레기의 침출수는 기존의 음식물 쓰레기를 기질로 이용할 때 필요한 분쇄, 희석, 및 전처리 과정이 생략되므로, 고온 수소발효에 적합한 기질이 될 수 있다.
실시예 2 : 폐철가루의 원소분석
본 발명에 사용된 폐철가루는 여러 금속이 산화된 형태로 존재하며, 원소분석 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
| 원소 | Al | Ca | Fe | Mg | Mn |
| 함량 (ppm) | 16,398 | 277,618 | 254,157 | 39,083 | 22,958 |
상기 표 2에서 알 수 있듯이, 알칼리도는 468 mg CaCO3/g 폐철가루(Iron Dust)로 나타났고, 원소 분석 결과 산소의 무게를 제외한 무게를 측정했을 때, 대표적으로 칼슘, 철, 마그네슘, 망간 및 알루미늄 순으로 그 양이 측정되었다. 가장 많이 포함된 성분은 칼슘성분으로, 수체 내에서 pH의 상승을 유도하는 풍부한 알칼리도의 원인 물질이다.
상기 알칼리도는 적당한 양을 기질에 혼합시켜 반응조에 유입시킬 경우, 수소 발효시 유기산 생성에 따른 pH저하를 pH센서와 외부알칼리 주입 및 교반으로 pH를 조절했던 기존의 방법보다 쉽고, 경제적이며, 안정적인 pH조절이 가능하다.
기존에 보고된 문헌에 따르면, 수소발효에는 철, 마그네슘, 망간 같은 필수 미량 원소들이 부족할 경우 수소 생성균의 성장에 제한이 일어나는 것으로 알려져 있다(참조: Zhang et al., Int. J. hydrogen energ., vol 30, 2004, p. 855-866; Lin and Lay, Int. J. hydrogen energ., vol 30, 2005, p. 855-860).
폐철가루는 수소 생성균의 성장에 필요한 위의 미네랄을 포함하고 있어서, 대조군보다 높은 수소전환율의 한 이유가 된 것으로 보인다.
실시예 3 : 폐철가루의 첨가와 수리학적 체류시간에 따른 수소생성 수율변화
식종 슬러지는 대전시 하수처리장 혐기성 소화조 내부 반송관에서 채취한 것을 메탄 생성균과 같은 수소 소비균 저해작용을 없애기 위해 채취한 슬러지를 30분 동안 끓인 후, 식종하여 주입하였다.
이때 수소 생성에 적절한 환경을 유지하기 위하여 pH 5.8, 교반 속도를 150 rpm, 온도는 55℃로 유지하고, 반응조의 유효부피는 5.1 L이었으며, 회분식으로 운전하였는데,. 주입(10분). 교반(19시간 40분), 침전(4시간), 유출(10분)로 24시간을 한주기로 하였다.
폐철가루는 별도의 침전실험을 통해 최적의 침전성 향상 효과를 보였던 0.5 g 폐철가루(g Iron Dust)/g 휘발성 부유물(g VSS)의 농도로 유입수에 혼합하였으며, 연속운전은 두 반응조 모두 수리학적 체류시간(HRT ; Hydraulic Retention time)을 4일, 3일 및 2일의 순서로 진행하였다.
도 2와 도 3은 각 수리학적 체류시간(HRT)에 따른 폐철가루를 첨가하지 않은 대조군(도 2)과 폐철가루를 첨가한 군(도 3)의 음식물 쓰레기 침출수에 포함된 탄수화물로부터의 수소 전환율을 보여준다. 각 HRT에서 그 HRT의 5배 이상의 기간 동안 연속 운전하여 그 평균값을 그 HRT의 대표값으로 이용하였다.
그리고, 각 조건에서의 평균 수소전환율, 전체 유기산의 농도, 부틸산의 농도, 휘발성 부유물(VSS ; volatile suspended solids) 농도 및 리보핵산(RNA ; ribonucleic acid) 농도를 하기 표 3에 나타내었다.
이때 생성되는 수소의 발생량은 습식 가스 미터와 가스크로마토그래피를 이 용하여 측정하였으며, 유기산은 유출수를 0.45 로 여과시킨 후 HPLC를 이용하여 분석하였다.
[표 3]
| HRT1 | OLR2 | H2 Yield3 | Organic acid (g/L) | |||||
| Total | HBua | HAcb | HPrc | HLad | ||||
| 고온 | 4 | 2.5 | 0.77 | 18.6 | 12.3 | 1.49 | 1.52 | 2.99 |
| 3 | 6.3 | 1.35 | 34.6 | 20.0 | 2.63 | 5.66 | 6.13 | |
| 2 | 10 | 1.10 | 25.7 | 18.0 | 2.43 | 4.00 | 1.32 | |
| 고온 (폐철가루) | 4 | 2.5 | 1.47 | 21.7 | 17.0 | 1.75 | 2.69 | 0.24 |
| 3 | 6.3 | 2.08 | 29.3 | 18.3 | 4.12 | 5.07 | 1.76 | |
| 2 | 10 | 1.67 | 22.7 | 14.9 | 2.76 | 3.94 | 1.10 | |
HRT1=일(day), OLR2=g Carbohydrate COD/L/d, Yield3=mol H2/mol hexsose, HBua =부틸산(butyric acid), HAcb = 아세트산(acetic acid), HPrc = 프로피온산(propionic acid), HLad = 젖산(lactic acid)
상기 표 3을 통하여 알 수 있듯이, 고온 혐기성 연속 회분식 반응조를 이용한 음식물 쓰레기 침출수의 수소발효는 수리학적 체류시간 3일에서 최대 1.35 mol H2/mol hexose, 폐철가루를 첨가한 고온 수소발효는 최대 2.08 mol H2/mol hexose 의 수소 전환율을 보였고, 54%의 효율 증가가 확인되었다.
이는 기존에 살수여상(Trickling Filter)반응조를 이용해 글루코스(Glucose)를 기질로 얻어진 최대 수소 전환율인 1.11±0.12 mol H2/mol hexose 보다 높은 값이었다(참조: Oh et al., Biotechnology and Bioengineering, vol 88, 2004, p. 690-698). 수리학적 체류시간 4 및 2일에서도 폐철가루를 첨가한 고온 수소 발효 가 대조군보다 더 높은 수소 전환율을 보였다.
폐철가루를 첨가할 경우, 대체적으로 대조군보다 수소와 동시에 생성되는 부산물로 알려진 부틸산(butyrate)과 아세트산(acetate)의 농도가 높았고, 수소생성과 관계없는 부산물인 프로피온산(propionate)과 젖산(lactate)의 농도는 낮았다.
폐철가루의 첨가로 인한 수소 전환율 상승의 이유는, 폐철가루 주입으로 침전성 향상을 통한 미생물 보유 및 성장 효과, 높은 알칼리도 제공으로 인한 pH 저하 방지 효과, 및 수소 생성균의 성장에 필요한 필수 미네랄의 제공효과로 인해 미생물 대사 과정이 수소생성 쪽으로 이루어졌기 때문이다.
실시예 4 : 수리학적 체류시간에 따른 미생물 농도변화
미생물 농도는 보통 휘발성 부유물(VSS, volatile suspended solids)농도로 그 값을 표시하지만, 휘발성 부유물은 비활성 바이오매스와 기질 자체가 그 값으로 표시되어, 통상 활성 바이오매스는 휘발성 부유물 중에 20% 미만인 것으로 보고되었다(참조: Jorgensen et al., Water res., .vol 26, 1992, p. 1495-1501). 따라서 전체 미생물의 양을 표시할 때는 휘발성 부유물 농도보다는 미생물 세포내의 리보핵산(RNA)농도가 더 신뢰성 있는 방법이라고 보고되었다(참조: Liwarska-Bizukojc, Biotechnology Letters, vol 23, 2001, p. 1057-1060).
상기 실시예 3의 결과로부터 폐철가루를 첨가한 조건과 대조군의 각 수리학적 체류시간에 따른 미생물 보유 및 성장 효과를 하기 표 4에 나타내었다.
[표 4]
| 수리학적 체류시간(HRT) | 고온 | 고온(폐철가루) | ||
| MLVSS | MLRNA | MLVSS | MLRNA | |
| 4 | 31.1 | 31.7 | 37.2 | 37.3 |
| 3 | 40.0 | 35.1 | 54.7 | 39.7 |
| 2 | 38.9 | 28.8 | 44.5 | 34.4 |
MLVSS=g/L, MLRNA=mg/L
상기 표 4를 통하여 알 수 있듯이, 폐철가루를 첨가할 경우 반응조내의 미생물 농도를 나타내는 휘발성 혼합 부유물(MLVSS, mixed liquor volatile suspended solids)농도와 혼합 리보핵산(MLRNA, mixed liquor ribonucleic acid)농도가 대조군보다 더 높은 것이 확인 되었다.
혐기성 연속 회분식 반응조의 침전 시간 동안 폐철가루의 존재는 발효액을 더욱 농축시켜서, 미생물의 유출을 최소화하여 반응조 내의 향상된 미생물 보유 효과를 가능하게 하고, 폐철가루의 pH 안정화 효과와 수소 생성균 필수미네랄 제공 효과는 미생물의 성장을 상승시키게 된다.
실시예 5 : 폐철가루를 첨가한 경우의 수소 전환율과 pH 변화
폐철가루를 첨가한 경우의 수소 전환율과 pH 변화를 알아보기 위하여, 폐철가루를 첨가한 반응조와 폐철가루를 첨가하지 않은 대조군의 수리학적 체류시간 4일, 3일, 및 2일의 연속운전에서 수소 전환율과 pH 변화를 도 2 및 도 3에 각각 나타내었다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 폐철가루를 첨가한 반응조는 pH가 5.81±0.18로 유지 되었고, 대조군은 5.86±0.45로 유지되었으며, 수소 전환율은 운전 pH에 따라서 많은 영향을 받음을 알 수 있다.
폐철가루를 주입한 반응조는 수리학적 체류시간(HRT) 3일 및 2일에서는 외부 알칼리의 주입 없이, 폐철가루에 포함된 알칼리도만으로도 최적 pH인 5.8에 가깝게 안정적으로 유지할 수 있었고, pH 센서와 자동 알칼리 주입장치에 의해서 pH가 조절된 폐철가루를 첨가한 대조군은 유입수가 높은 고형물 농도로 인한 교반 및 알칼리제 확산의 어려움으로 pH가 목표한 값으로 유지되지 않았다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 폐철가루를 첨가한 유기성 폐기물의 침출수를 고온 혐기성 연속회분식 반응조(ASBR)를 이용하여 혐기성 발효를 시킴으로써, 용이하고, 경제적이며, 안정적인 고효율의 수소생산 방법을 제공한다.
즉, 별도의 기질분쇄, 과도한 희석, 및 전처리 과정의 생략은 경제성을 향상시키고, 폐철가루를 첨가할 때, 수리학적 체류시간 2 ~ 4일에서 외부 알칼리제 주입없이, 최적 pH를 보다 안정적으로 유지할 수 있기 때문에, 기존의 pH를 확인하는 pH 센서, 외부 알칼리제, 알칼리제의 주입장치가 생략되어, 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 바이오수소의 생산방법에 의하면, 종래의 음식물 쓰레기 등과 같은 유기성 폐기물의 중온 수소발효를 통한 수소 전환율보다 훨씬 높은 수소 전환율을 보이며, 음식물 쓰레기를 직접 이용하는 수소발효는 기존에 설치된 공정과의 연계가 어렵지만, 음식물 쓰레기 침출수는 기존의 음식물 쓰레기 자원화 공정인 사료화, 퇴비화 공정과 상호 연계 처리가 가능하므로, 본 발명에 의한 바이오수소의 생산방법은 산업현장에 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (11)
- 폐철가루(Iron Dust)를 첨가한 유기성 폐기물의 침출수를 기질로 이용하여 고온에서 기질 유입농도를 15~25 g 탄수화물 화학적 산소요구량/L (g carbohydrate COD/L)로 유지하면서 운전하여 혐기성 발효시키는 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 유기성 폐기물 침출수의 전처리 공정을 거치지 않고 기질로 이용하는 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 폐철가루를 0.1~1 g 폐철가루/g 휘발성 부유물(g VSS)의 농도를 첨가하는 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 혐기성 발효는 고온 혐기성 연속회분식 반응조(ASBR)를 이용하는 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 고온 혐기성 연속 회분식 반응조가 유기성 폐기물의 침출수와 폐철가루를 혼합하기 위한 유입수 저장조, 고온 수소발효를 위한 수소 발효조, 온도를 유지하기 위한 워터 재킷, 물순환을 위한 워터 써큘레이터, 생성된 가스의 측정을 위한 수위 변위식 기체 발생량 측정기 및 유출수를 저장하기 위한 유출수 저장조를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생 산방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 유입수 저장조가 교반장치, 폐철가루 유입구 및 고온 수소발효를 위한 유입수 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법.
- 제 1항 및 제 4항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온이 50 ~ 60℃인 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 혐기성 발효의 운전 pH가 5.4 ~6.2인 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 혐기성 발효의 수리학적 체류시간이 2 ~ 4 일인 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 유기성 폐기물이 음식물 쓰레기, 하수슬러지 및 축산 폐수로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 폐철가루를 이용한 바이오수소의 생산방법.
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