KR20190135729A - 바이오가스 생산 방법 - Google Patents

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KR20190135729A
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권정회
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에코바이오홀딩스 주식회사
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Abstract

본 발명은 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기, 하수슬러지 및 축산폐기물에서 선택된 하나이상의 유기폐기물 중, 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기를 포함하는 유기폐기물을 제 1 가열혼합조에 투입하는 유기폐기물 투입단계(S50), 상기 제 1 가열혼합조를 가열하는 제 1 가열혼합조 가열단계(S60), 상기 제 1 가열혼합조에 첨가제로써 pH조절제 및 유분제거제를 투입하는 첨가제 투입단계(S70) 및 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화종에서 혐기소화하는 혐기소화단계(S80)를 포함하는 바이오가스 생산 방법에 관한 것이다.

Description

바이오가스 생산 방법{BIOGAS PRODUCING METHOD}
본 발명은 바이오가스 생산 방법에 관한 것으로 음폐수, 음식물쓰레기, 하수슬러지, 축산폐기물 등의 유기성 폐기물에서 혐기성 소화에 사용되는 혐기성 미생물의 생장 촉진과 음폐수의 추가적인 투입을 이용한 바이오가스 생산 방법에 관한 것이다.
우리나라와 같이 에너지 공급의 해외 의존도가 높은 나라에서는 에너지 수급의 불안정에 대비하여 국내에서 조달할 수 있는 신재생 에너지원의 개발이 매우 절실한 상황이다. 이를 위하여 우리나라에서는 지난 십 수년간 막대한 재원을 투자하여 신재생 에너지의 개발에 힘을 쏟고 있는 실정이다.
이처럼, 신재생 에너지원의 개발 필요성이 증대되고 있는 상황 하에서 국제적으로 유기성 폐자원의 에너지화에 대한 관심이 증대되고 있는 바, 그 중에서 유기성폐기물의 바이오가스화에 대한 관심이 증대되고 있다.
유기성폐기물의 경우 2005년부터 육상 매립 시 발생하는 침출수 및 악취 등의 환경적 영향 때문에 유기성폐기물의 육상 직매립이 금지되었고 2006년 발효된 런던협약에 따라 유기성폐기물의 해양투기('13.1)가 전면 금지되고 있다.
아울러 정부에서 2030년까지 신재생에너지 비중 20~30% 확대를 계회하고 있으며 파리 협약에서 우리나라 온실가스는 2030년까지 37% 저감할 것을 명시하였다.
또한 정부에서는 '제4차 신재생에너지 기술개발 및 이용, 보급 기본계획'(2014∼2035)을 수립하여 총에너지소비 중 신재생에너지비중을 2035년 11%까지 확대하기 위한 신재생에너지원별, 기술개발과 보급 세부추진 계획을 수립하였다.
따라서 육상처리 및 재활용처리 등의 방안마련이 시급한 시점이며 사료화와 퇴비화의 경우 음식물의 높은 함수율로 인해 실효성이 낮은 것으로 평가받고 있어 정부는 바이오가스화 방식을 확대하려 하고 있다.
또한 국내의 음식물은 종량제 봉투를 통해 수거되어 처리 하고 있으나, 다른 외국 시설과는 달리 수분 및 염분의 농도가 높으며, 분리 수거율 또한 다른 외국 보다 떨어져 전처리 시설 운영에 많은 문제점이 있으며, 당초 설계된 소화조 가스 발생량보다 낮은 가스 발생량을 보여 이에 대한 개선책이 필요하다.
현재 음폐수의 발생량은 약 9000 ~ 10000 톤/일이며, 이중 일부만이 하수처리시설이나 침출수 처리장에서 병합처리되고 있는 실정이다.
유기성 폐기물을 바이오 가스인 메탄가스를 생산하는데 활용하기 위한 유기성 폐기물을 이용한 바이오 가스 발생처리시스템이 개발되었다. 이러한 시스템은 1990년 대체에너지 개발로부터 시작되었으며, 그 후 산업공정으로부터 발생되는 식품 산업폐수 등을 에너지로 전환하기 위한 고율 혐기성 처리공정이 개발되기 시작하여 현재 실용화가 완료된 상태이다.
그러나, 전술한 바와 같은 고율 혐기성 처리공정의 기술 대부분은 고형물의 함량이 낮은 용존성 폐수들로 고율 혐기성 처리공정에 잘 적용되는 폐수들이다. 이 후 고형물의 함량이 높은 하수 슬러지, 축산분뇨, 음식물쓰레기 등을 혐기성 공정에 의해 처리하기 위한 현대식 고율 혐기성 처리공정의 개발이 본격화 되었으며, 축산분뇨 등 일부 유기성 폐기물의 혐기성 처리에 성공적으로 응용되어 현장에 실규모 처리시스템이 운전되고 있다.
한편, 전술한 축산분뇨, 하수 슬러지 및 음식물쓰레기 등과 같은 유기성 폐기물은 기본적으로 고형물 함량이 높은 유기성 폐기물로 구성되어 있어 기 개발되어 이용되고 있는 현대식 고율 혐기성 처리공정(UASB 공정)에 적용하기 위해서는 고액분리를 위한 전처리시스템 도입, 분리된 액체의 용해화를 위한 가수분해조 설치 등 고효율의 메탄가스 생산을 위해 전처리시설 등이 필요한 실정이다.
전술한 바와 같은 혐기성 소화처리 방법은 유기성 폐수 및 폐기물에서 에너지회수의 적합한 기술로, 소화 처리 기술의 진보 및 전처리방법의 도입에 등에 따라 처리속도가 향상되고 있고, 바이오 가스의 회수율도 증가하고 있으나 기대에는 미치지 못하는 실정이다.
따라서, 전술한 바와 같은 문제를 해결하고자 대한민국 등록특허 제10-0311987호(음식물쓰레기와 하수슬러지의 병합처리 시스템)에서 음식물쓰레기와 하수 슬러지를 혐기 소화하여 병합 처리하는 시스템을 제시한 바 있다.
그러나, 전술한 바와 같은 기술은 음식물쓰레기와 하수 슬러지를 혐기 소화하여 병합 처리하는 시스템은 산발효균과 유기산이 서로 혼합되어 있어 이를 고액분리하기 어려우며, 장치의 부식을 일으키는 문제점과 고형물 함유량이 높은 폐기물을 처리하기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 전술한 바와 같은 대한민국 등록특허 제10-0311987호의 기술은 유기성 폐기물이 분해가 용이한 용존성 물질화로 되어 있지 않고 고형화되어 있어 혐기 소화법으로 처리하는데 통상 10일 이상의 매우 긴 체류시간이 필요하다는 문제점이 있다.
한편, 전술한 바와 같은 대한민국 등록특허 제10-0311987호의 기술의 문제를 극복하고자 대한민국 등록특허 제10-0521866호(미립자 생분해성 유기 폐기물의 처리방법 및 장치)에서는 미립자 생분해성 유기 폐기물을 처리하여 바이오 가스를 회수하기 위한 장치가 제시된 바 있다. 그러나, 전술한 바와 같은 유기 폐기물의 처리방법 및 장치는 고온 고압 조건에서 유기성 폐기물을 가용화하여 처리하는 방법으로 산도를 조절하지 못해 장치의 부식이 일어나는 문제점을 가지고 있다.
또한 대한민국 등록특허 제10-1342982호에서 가축분뇨, 음식물쓰레기, 도축부산물을 이용하여 퇴비와 바이오가스를 생산하는 가축분뇨와 음식물쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템을 제시한 바 있다. 그러나, 전술한 바와 같은 대한민국 등록특허 제10-1342982호의 기술은 부산물로 발생하는 황화수소의 처리가 미흡하여 시스템을 구성하는 장치의 부식을 일으키는 문제가 있으며, 음폐수 및 하수슬러지는 처리할 수 없는 문제점이 있다.
이와 같이 축산분뇨, 음식물쓰레기, 도축 폐기물 등을 처리하기 위한 많은 방법들이 개발되고 있으나, 종합적인 처리가 가능한 시스템은 개발되고 있지 않다.
즉 부분적으로는 처리가능한 시스템이 있었으나, 효율적으로 음폐수, 음식물쓰레기, 축산폐기물, 하수슬러지 등을 종합적으로 처리하여 바이오가스를 얻을 수 있는 시스템은 없었다.
한편 일부 유기 폐기물은 탄소, 질소, 유황 및 미량 원소와 같은 원소 조성과 관련하여 불균형을 나타낸다. 또한, 혐기성 소화공정 중에 축적되어 낮은 미생물 활성을 초래할 수 있는 많은 양의 독소(예컨대, 부티르산, 유리암모니아, 황화수소)를 함유한다.
따라서 상기 독소를 제거하기 위한 보충 첨가제가 많은 관심을 끌고 있다. 첨가제는 미생물 활성을 높이고 독성을 감소시키기 위한 작업조건을 유지함으로써 혐기성 소화공정을 개선할 수 있다.
예를 들어, 혐기성 소화과정에서 부산물로 생성되는 황화수소(H2S)는 메탄 생성균의 성장을 억제할 수 있다. 황화수소(H2S)의 독성을 제어하는 방법 중의 하나는 황화수소(H2S)와 반응하는 철(Fe)을 첨가하여 황화철염의 침전물(FeS)을 형성하는 것이다. 마찬가지로 마그네슘(Mg)은 마그네슘-암모늄-인산염(MAP)의 결정화를 통해 혼합액에서 암모니아(NH3)의 축적을 감소시킬 수 있다.
일반적으로 혐기성 소화과정을 위한 첨가제에는 광물성 첨가제 및 생물학적 효소가 포함된다. 광물성 첨가제는 또한 다량 영양소와 미량 영양소로 세분화된다.
다량 영양소는 완충제(buffer) 역할을 하며 질소 및 인과 같은 미생물 성장의 필수 성분을 보충한다. 미량 영양소는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co)와 같은 미량 원소의 보충제(supplements)로도 사용될 수 있으나, 종종 이러한 원소들은 다른 용도로 초과 주입되기도 한다.
또한, 종래의 연구문헌은 혐기성 균주가 세포 내 및 세포 외 경로 모두에서 효소를 사용하여 유기폐기물을 분해함을 보여주었는데, 혐기성 소화과정에서 안정되고 다양한 미생물 군과 충분한 효소를 유지하는 것은 어려운 것으로 알려져 있다.
한편 첨가제가 초과주입되면 혐기성 소화공정의 성능이 저하될 수 있음을 유의해야 한다. 따라서 보충 첨가제의 양과 종류는 혐기성 소화시스템에 주입되는 유기폐기물에 따라 개선된 가스생산을 달성하도록 신중하게 설계되어야 한다.
그러나 종래의 연구는 주로 바이오가스 생산의 효율성 측면에서 다양한 첨가제 간의 효능비교에 초점을 둔 것으로서, 실제 현장적용을 위한 다양한 첨가제에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다.
또한, 미국 등록특허공보 제4,314,904호(1982. 2. 9.)에 배양 첨가제의 사용에 의한 폐기물과 바이오 매스의 혐기성 분해에 대하여 기재되어 있고, 미국 등록특허공보 제4,981,592호(1991. 1. 1.)에 효소의 첨가를 가진 혐기성 소화에 대하여 기재되어 있으나, 이들은 혐기소화 발생량을 증진할 수 있는 효소를 기반으로 한 촉진제를 적용하여 소화조의 혐기성 소화율 향상을 도모하는 기술로서, 가스 발생량의 개선만을 목적으로 촉진제를 적용하기 때문에, 현장의 운영상태를 반영하기보다는 효소의 주입 여부만을 고려하여 일정한 주입량 및 동일한 방법으로 적용하는 효소적 촉진제의 활용에만 한정되어 있었다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0031515호(2010. 3. 22.)에 제어된 농도의 미량원소를 이용한 바이오가스의 제조방법에 대하여 기재되어 있으나, 이는 미량원소(니켈, 코발트, 몰리브덴, 철, 망간, 구리, 셀레늄, 텅스텐, 아연)의 농도가 표준값에 부합되는 경우에 바이오가스 반응기 내에서 바이오가스 생산이 효율적으로 일어난다는 점에 착안한 기술로서, 관련된 미량원소 및 이들의 농도에 대한 표준값으로 실험실 규모의 플랜트나 현장 규모의 플랜트에서 조사하여 측정된 값을 이용하고 있어 추가적인 조사에 의해 추가적인 사항들이 발견되면 이로 인해 표준값이 자주 변경되는 문제점을 안고 있었다.
또한, 소화효율을 높이기 위한 시판제품으로 단백질 가수분해 및 아미노산 생산에 유용한 중성 프로테아제(Protease), 바이오 가스의 생산을 가속화할 수 있는 유효 미생물 순수 배양물(EM) 등이 알려져 있으나, 이들 시판 첨가제의 성능은 유입 폐기물의 조성 및 유형에 따라 달라지는 문제점을 안고 있었다.
이에 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 음폐수, 축산폐기물, 음식물쓰레기, 하수슬러지를 종합적으로 처리하여 바이오 가스(BIOGAS)를 생산하는 환경친화적인 바이오가스를 생산하는 방법, 음식물쓰레기 등의 유기폐기물을 처리하는 과정에서 산도을 조절하여 장치의 부식을 막을 수 있는 바이오가스를 생산하는 방법 및 바이오가스발생량을 증진할 수 있는 미생물 촉진제에 대한 정량 주입량을 현장의 혐기소화 운영상태를 반영하여 정해진 산출기준에 따라 간편하게 산출하는 방법과 그 주입방법이 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-0311987호 대한민국 등록특허 제10-0521866호 대한민국 등록특허 제10-1342982호 미국 등록특허공보 제4,314,904호 미국 등록특허공보 제4,981,592호 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0031515호
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 음폐수, 축산폐기물, 음식물쓰레기, 하수슬러지를 종합적으로 처리하여 바이오 가스(BIOGAS)를 생산하는 환경친화적인 바이오가스를 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 음식물쓰레기 등의 유기폐기물을 처리하는 과정에서 산도을 조절하여 장치의 부식을 막을 수 있는 바이오가스를 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 바이오가스발생량을 증진할 수 있는 추가 첨가제에 대한 정량 주입량을 현장의 혐기소화 운영상태를 반영하여 정해진 산출기준에 따라 간편하게 산출하는 방법과 그 주입방법을 혐기성 소화시설의 운전자에게 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위해 본 발명은 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기, 하수슬러지 및 축산폐기물에서 선택된 하나이상의 유기폐기물 중, 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기를 포함하는 유기폐기물을 제 1 가열혼합조에 투입하는 유기폐기물 투입단계(S50), 상기 제 1 가열혼합조를 가열하는 제 1 가열혼합조 가열단계(S60), 상기 제 1 가열혼합조에 첨가제로써 pH조절제 및 유분제거제를 투입하는 첨가제 투입단계(S70) 및 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화종에서 혐기소화하는 혐기소화단계(S80)를 포함하는 바이오가스 생산 방법을 제공한다.
또한, 상기 유기폐기물 투입단계에서 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기의 제조방법은 음식물쓰레기를 저장하는 음식물쓰레기 저장단계(S10), 상기 저장된 음식물쓰레기에 포함된 협잡물을 선별하여 제거하고 음식물쓰레기를 파쇄하는 선별파쇄단계(S20), 상기 선별파쇄된 음식물쓰레기를 분쇄하는 분쇄단계(S30) 및 상기 분쇄된 음식물쓰레기에 음폐수를 투입하는 음폐수 투입단계(S40)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 유기폐기물 투입단계에서 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기의 음식물쓰레기와 음폐수의 중량비는 1 : 0.7 내지 1 : 1.3 인 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 유기폐기물 투입단계를 거친 음폐수가 투입된 음식물쓰레기를 제 1 가열혼합조로 이송하는 배관의 온도를 15 ~ 35 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 유기폐기물 투입단계에서 하수슬러지가 포함된 유기폐기물이 제 1 가열혼합조로 투입된 경우, 하수슬러지를 제 1 가열혼합조로 이송하는 배관의 온도를 15 ~ 35 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 유기폐기물 투입단계에서 축산폐기물이 포함된 유기폐기물이 제 1 가열혼합조로 투입된 경우, 축산폐기물을 제 1 가열혼합조로 이송하기 전, 제 2 가열혼합조에서 40 ~ 70 ℃로 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 제 1 가열혼합조의 가열 온도가 25 ~ 50 ℃인 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 pH조절제는 탄산칼슘(CaCO3), 중탄산암모늄(NH4HCO3), 탄산암모늄((NH4)2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 황산나트륨(Na2SO4), 수산화나트륨(NaOH) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 유분제거제는 트윈(Tween) 20, 트윈(Tween) 40, 트윈(Tween) 60, 트윈(Tween) 80, 라우릴 글루코사이드, 팜커넬코코글루코사이드, 데실 글루코사이드, 소듐 코코일 애플아미노산, 소듐 코코일 글루타메이트, 포타슘 코코일 글리시네이트 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 추가 첨가제로써 미생물 촉진제(MgO) 및 염화제2철(FeCl3)을 투입하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 추가 첨가제로써 미생물 촉진제(MgO) 및 염화제2철(FeCl3)을 투입하는 방법은, 상기 유기폐기물에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 추가 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량을 추가 첨가제별로 산출하는 단계 및 산출된 추가 첨가제(FeCl3, MgO)를 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 투입하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 유기폐기물에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)에 대한 산출은 탄소(C) 600 중량부에 대해 황(S)의 경우 3 중량부 , 인(P)의 경우 15 중량부보다 초과되는 경우 그 초과량을 과잉의 황(S), 과잉의 인(P)으로 산출하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 추가 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량(주입량)이 아래의 식에 의해 산출되는, 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
CFeCl3 = Se × a
CMgO = Pe × b
(CFeCl3는 염화제2철의 정량, CMgO는 산화마그네슘의 정량, Se는 과잉의
황(S), Pe는 과잉의 인(P)을 나타내고, 각각의 단위는 mg/L임.
a는 3보다 크거나 같고 4보다 작거나 같은 실수임.
b는 1보다 크거나 같고 2보다 작거나 같은 실수임.)
또한 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 셀룰라아제(cellulase), 리그니나아제(ligninase), 리파아제(lipase), 프로테아제(protease) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 효소를 투입하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 셀룰라아제(cellulase)를 투입하는 경우 셀룰라아제(cellulase)를 유기폐기물 1리터당 25mg 투입하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 혐기소화단계를 거친 유기폐기물에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 추가 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량을 추가 첨가제별로 산출하는 단계 및 산출된 추가 첨가제(FeCl3, MgO)를 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 투입하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
본 발명은 음폐수, 축산폐기물, 음식물쓰레기, 하수슬러지를 종합적으로 처리하여 바이오 가스(BIOGAS)를 생산하는 환경친화적인 바이오가스를 생산하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 음식물쓰레기 등의 유기폐기물을 처리하는 과정에서 산도을 조절하여 장치의 부식을 막을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오가스 전처리 방법을 개략적으로 보여주는 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음폐수가 혼합된 음식물쓰레기의 제조방법을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오가스 전처리 방법을 개략적으로 보여주는 공정도이다.
도 4은 추가 첨가제별 메탄 수율의 나타내는 그래프이다.
도 5는 추가 첨가제별 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP)값을 나타내는 그래프이다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기의 설명은 하나의 실시예에 대한 구체적 설명이므로, 비록 단정적, 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위가 제한되지 않는다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산 방법은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기, 하수슬러지 및 축산폐기물에서 선택된 하나이상의 유기폐기물 중, 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기를 포함하는 유기폐기물을 제 1 가열혼합조에 투입하는 유기폐기물 투입단계(S40), 상기 제 1 가열혼합조를 가열하는 제 1 가열혼합조 가열단계(S50), 상기 제 1 가열혼합조에 pH조절제 또는 유분제거제에서 선택된 하나 이상의 첨가제를 투입하는 첨가제 투입단계(S60) 및 상기 첨가제가 투입단계를 거친 음폐수가 투입된 음식물쓰레기를 혐기성 소화종에서 혐기소화하는 혐기소화단계(S70)를 포함한다.
종래 음식물쓰레기 처리 기술들은 음폐수를 음식물쓰레기로부터 분리하는 기술만 있을 뿐이고, 음식물쓰레기로부터 나온 음폐수는 따로 하수처리장으로 보내 처리하고 있어 비용이 발생할 뿐만 아니라 음폐수도 바이오가스를 생산할 수 있는 유기물을 포함하고 있어 종국적으로 바이오가스의 손실이 발생하고 있다.
이에 본 발명에서는 종래 기술과 다르게 다른 음식물쓰레기 처리시 발생하는 음폐수를 본 발명의 외부에서 반입된 음식물쓰레기에 혼합하여 처리함으로써 상기와 같은 문제점을 해결하였다.
또한 음폐수를 상기 분쇄된 음식물쓰레기에 혼합함으로써 물를 사용한 경우보다 음식물쓰레기의 고형분 함량을 바이오가스 생산에 적합하도록 조절할 수 있어 바이오가스의 생산량을 늘리게 되었으며, 운전 부하 또한 최적화하였다.
또한 음식물쓰레기는 pH가 낮아 산도가 높으므로 하수슬러지 또는 축산폐기물을 투입하여 산도을 낮출 수 있고, pH조절제의 양을 줄일 수 있다.
또한 음식물쓰레기는 pH가 낮아 산도가 높아 혐기성 미생물의 활성도가 낮으며 장치의 부식될 수 있으므로 본 발명에서는 pH조절제를 제 1 가열조 내에 투입하고, 제 1 가열조 내의 유기폐기물의 pH를 측정하여 투입하는 pH조절제 양을 최적화할 수 있다.
또한 유기폐기물에 존재하는 유분으로 인해 혐기성 소화조의 상부에 스컴이 발생해 바이오가스 생산 효율이 낮아지는 문제가 발생하는 바, 본 발명에서는 제 1 가열혼합조에 유분제거제를 투입한다.
상기 유기폐기물 투입단계에서 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기의 제조방법은 음식물쓰레기를 저장하는 음식물쓰레기 저장단계(S10), 상기 저장된 음식물쓰레기에 포함된 협잡물을 선별하여 제거하고 음식물쓰레기를 파쇄하는 선별파쇄단계(S20), 상기 선별파쇄된 음식물쓰레기를 분쇄하는 분쇄단계(S30) 및 상기 분쇄된 음식물쓰레기에 음폐수를 투입하는 음폐수 투입단계(S40)로 이루어진다.
구체적으로 외부에서 반입된 음식물쓰레기를 음식물쓰레기 저장조에 저장하고 금속, 비닐 등의 협잡물을 선별해 제거한 후 음식물쓰레기를 선별파쇄기를 통해 파쇄해 차후 혐기성 미생물에 의한 바이오가스 생산을 위해 음식물쓰레기의 표면적을 넓히고, 더욱 표면적을 넓히기 위해 분쇄기를 통해 직경 1 내지 3 mm의 더 작은 크기로 분쇄하는 단계를 거친 후 음폐수를 혼합저장조에 투입한다.
바람직한 상기 유기폐기물 투입단계에서 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기의 음식물쓰레기와 음폐수의 중량비는 1 : 0.7 내지 1 : 1.3 이다. 상기 중량비로 인해 음폐수를 상기 분쇄된 음식물쓰레기에 혼합함으로써 물를 사용한 경우보다 음식물쓰레기의 고형분 함량을 11% 정도로 조절하여 바이오가스의 생산량을 늘리게 되었으며, 운전 부하 또한 최적화하였다. 즉 음식물쓰레기와 음폐수의 중량비에서 음폐수의 중량비가 0.7 보다 작은 경우에는 이송배관이 막혀 운전부하가 증가하고, 1.3 보다 큰 경우는 고형물의 비중이 낮아져 바이오가스 생산효율이 낮아진다.
또한, 이송배관의 겨울철 음식물쓰레기 및 음폐수의 동결 방지를 위해 상기 유기폐기물 투입단계를 거친 음폐수가 투입된 음식물쓰레기를 제 1 가열혼합조로 이송하는 배관의 온도를 15 ~ 35 ℃로 유지한다. 혐기성소화조의 혐기성 미생물 활성 온도조건을 맞추기 위해서도 상기 이송하는 배관의 온도를 15 ~ 35 ℃로 유지할 필요가 있다.
또한 이송배관의 겨울철 음식물쓰레기 및 음폐수의 동결 방지를 위해 상기 유기폐기물 투입단계에서 하수슬러지가 포함된 유기폐기물이 제 1 가열혼합조로 투입된 경우, 하수슬러지를 제 1 가열혼합조로 이송하는 배관의 온도를 15 ~ 35 ℃로 유지한다. 혐기성소화조의 혐기성 미생물 활성 온도조건을 맞추기 위해서도 상기 이송하는 배관의 온도를 15 ~ 35 ℃로 유지할 필요가 있다.
또한, 상기 축산폐기물을 축산폐기물 저장조에서 펌프로 제 1 가열혼합조에 투입하는 경우에는 축산분뇨, 도축폐기물 등의 축산폐기물에 포함된 항생제를 제거하기 위해, 상기 유기폐기물 투입단계에서 축산폐기물이 포함된 유기폐기물이 제 1 가열혼합조로 투입된 경우, 축산폐기물을 제 1 가열혼합조로 이송하기 전, 제 2 가열혼합조에서 40 ~ 70 ℃로 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 40℃보다 작은 경우는 축산폐기물에 포함된 항생제를 제거되지 않으며, 70℃보다 큰 경우는 항생제가 이미 거의 제거되어 전력소모가 크다.
바람직한 상기 제 1 가열혼합조의 가열 온도는 25 ~ 50 ℃이다. 음폐수, 음식물쓰레기 등에는 바이오가스를 생산하는 혐기성 미생물과 경쟁하는 대장균 등의 미생물이 존재하므로 25 ~ 50 ℃의 온도로 가열하여 상기 혐기성 미생물과 경쟁하는 미생물을 사멸시킬 수 있다. 가열온도가 25 ℃ 보다 낮으면 상기 혐기성 미생물과 경쟁하는 미생물을 사멸시킬 수 없으며, 50 ℃ 보다 높으면 미생물이 사멸 효과가 작다.
또한 혐기성소화조의 혐기성 미생물 활성 온도조건을 맞추기 위해서도 25 ~ 50 ℃로 가열할 필요가 있다.
또한, 상기 pH조절제는 탄산칼슘(CaCO3), 중탄산암모늄(NH4HCO3), 탄산암모늄((NH4)2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 황산나트륨(Na2SO4), 수산화나트륨(NaOH) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된다.
혐기성 미생물의 활성을 높이기 위해 음식물쓰레기는 산성으로 염기성 pH조절제를 사용한다.
또한, 상기 유분제거제는 트윈(Tween) 20, 트윈(Tween) 40, 트윈(Tween) 60, 트윈(Tween) 80, 라우릴 글루코사이드, 팜커넬코코글루코사이드, 데실 글루코사이드, 소듐 코코일 애플아미노산, 소듐 코코일 글루타메이트, 포타슘 코코일 글리시네이트 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된다.
유기폐기물에 존재하는 유분으로 인해 혐기성 소화조의 상부에 스컴이 발생해 바이오가스 생산 효율이 낮아지는 문제가 발생하는 바, 본 발명에서는 제 1 가열혼합조에 유분제거제를 투입한다.
또한 상기 유분제거제는 혐기성 미생물에 쇼크를 주지 않는 유분제거제로 선택되었다.
또한, 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 추가 첨가제로써 미생물 촉진제(MgO) 및 염화제2철(FeCl3)을 투입하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
현재 음식물의 혐기성 소화처리시 발생되는 부산물인 황화수소 농도를 저감하기 위해 추가의 탈황 시설을 설치 및 구성하는 시설이 많으며, 일반적인 하수처리장에서는 최대 1,000ppm 이하였으나, 음식물의 투입으로 최대 6,000ppm 까지 올라가는 추세이며, 바이오가스의 재이용에 있어서 연소시 황산화물이 배출되는 문제점이 있다. 이에 황화수소 전처리 시설을 설치하는 사업소가 늘어나고 있으며, 운영 비용 또한 증가하는 추세이다. 따라서, 황화수소를 저감하기 위해 염화제2철(FeCl3)를 투입하지만, 이것 역시 산성성분이라 펌프 및 기타 시설에 부식을 유발하는 문제점이 있다.
이에 본 발명에서는 제 1 가열혼합조가 아닌 이송배관에 미생물 촉진제 또는 염화제2철(FeCl3)에서 선택된 하나 이상을 투입하도록 구성하여 황화수소의 저감, 장치 부식에 대한 방법을 저감할 수 있도록 구성하였다. 또한 염화제2철(FeCl3)은 바이오가스 생산 증대를 위한 미생물 촉진하는 역할이 있어 혐기성 소화조 효율이 증가한다.
또한 염화제2철(FeCl3)이 염화제1철(FeCl2)보다 더 안정된 산화제이기 때문에 염화제2철(FeCl3)이 첨가제로 선택되었다.
도 4의 보충 첨가제별 메탄 수율의 나타내는 그래프와 도 5의 보충 첨가제별 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP)값을 나타내는 그래프의 결과에 따라, 염화마그네슘(MgCl2)과 산화마그네슘(MgO) 모두 메탄 수율과 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP)값이 높았으나, 산화마그네슘(MgO)은 그 알칼리 성질이 혐기성 소화공정 동안 유기폐기물의 pH를 안정화시키는데 유리하기 때문에 산화마그네슘(MgO)이 첨가제로 선택되었다.
또한, 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 추가 첨가제로써 미생물 촉진제(MgO) 및 염화제2철(FeCl3)을 투입하는 방법은, 상기 유기폐기물에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 추가 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량을 추가 첨가제별로 산출하는 단계 및 산출된 추가 첨가제(FeCl3, MgO)를 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 투입하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 유기폐기물에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)에 대한 산출은 탄소(C) 600 중량부에 대해 황(S)의 경우 3 중량부 , 인(P)의 경우 15 중량부보다 초과되는 경우 그 초과량을 과잉의 황(S), 과잉의 인(P)으로 산출하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 추가 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량(주입량)이 아래의 식에 의해 산출되는, 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
CFeCl3 = Se × a
CMgO = Pe × b
(CFeCl3는 염화제2철의 정량, CMgO는 산화마그네슘의 정량, Se는 과잉의
황(S), Pe는 과잉의 인(P)을 나타내고, 각각의 단위는 mg/L임.
a는 3보다 크거나 같고 4보다 작거나 같은 실수임.
b는 1보다 크거나 같고 2보다 작거나 같은 실수임.)
혐기성 소화 과정에서 유기폐기물의 과도한 질소(N), 인(P) 및 황(S)은 암모니아, 인산염 및 황화물로 전환되며, 조사한 바에 따르면 혐기소화 미생물의 최적의 생장조건을 유지하기 위한 탄소(C) : 질소(N) : 인(P) : 황(S)의 최적화된 원소 비율은 600 : 15 : 5 : 3이므로 유기폐기물의 과도한 질소(N), 인(P) 및 황(S)을 계산할 수 있다.
본 발명에 따른 별도의 회분식 실험(batch experiment)에서 암모니아의 독성은 유기폐기물의 과도한 질소(N)가 1000mg/L에서 시작되고, 황화물의 독성은 유기폐기물의 과도한 황(S)이 100mg/L에서 시작됨을 보여주었다.
첨가제의 정량(주입량)은 아래의 전제하에 산정되었다.
(1) 유기폐기물은 항상 과도한 질소(N), 인(P) 및 황(S)을 포함하고 있다.
(2) 유기폐기물의 유기 탄소는 총 COD(TCOD)에 의해 아래 식 4와 같이 계산된다.
Corg = TCOD × 56% (식 4)
(3) Fe3+는 황화물과 우선적으로 적절히 반응한다.
(4) Mg2+는 인산염 및 암모늄과 우선적으로 적절히 반응한다.
(5) 과량의 질소에 비해 인산염은 항상 마그네슘-암모늄-인산염(MAP) 결정화를 위하여 충분하지 않다.
(6) 황화철(FeS)과 마그네슘-암모늄-인산염(Mg(NH4)PO4)은 아래 식 5 및 식 6에 따라 시스템 내에서 침전된 후 다시 용해하지 않는다.
2Fe3+ + 3HS- → 2FeS + S + 3H+(식 5)
Mg2+ + NH4+ + HPO4 2- → Mg(NH4)PO4 + H+(식 6)
유기폐기물의 원소분석 결과 질소(N), 인(P) 및 황(S)의 비율이 각각 μn,μp,μs라고 하면 과잉의 질소(N), 인(P) 및 황(S)은 혐기소화 미생물의 최적의 생장조건을 유지하기 위한 탄소(C) : 질소(N) : 인(P) : 황(S)의 최적화된 원소비율(600 : 15 : 5 : 3) 및 상기 식 4를 이용하여 각각 다음 식 7, 식 8, 식 9와 같이 계산된다(단위는 mg/L이며, TS는 총 고형물을 나타냄).
Ne = TS ×μn - TCOD × 56% ×(15/600) (식 7)
Pe = TS ×μp - TCOD × 56% ×(5/600) (식 8)
Se = TS ×μs - TCOD × 56% ×(3/600) (식 9)
또한, 상기 유기폐기물에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)에 대한 산출은 탄소(C) 600 중량부에 대해 황(S)의 경우 3 중량부 , 인(P)의 경우 15 중량부보다 초과되는 경우 그 초과량을 과잉의 황(S), 과잉의 인(P)으로 산출하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
또한, 상기 추가 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량(주입량)이 아래의 식에 의해 산출된다.
CFeCl3 = Se × a
CMgO = Pe × b
(CFeCl3는 염화제2철의 정량, CMgO는 산화마그네슘의 정량, Se는 과잉의
황(S), Pe는 과잉의 인(P)을 나타내고, 각각의 단위는 mg/L임.
a는 3보다 크거나 같고 4보다 작거나 같은 실수임.
b는 1보다 크거나 같고 2보다 작거나 같은 실수임.)
a가 3보다 작은 경우는 염화제2철에 의한 과잉의 황의 처리가 미흡하고, 4보다 큰 경우는 이미 과잉의 황을 처리하고 남은 염화제2철이 혐기성 미생물에 대해 독성 성분으로 작용할 수 있다.
b가 1보다 작은 경우는 산화마그네슘에 의한 과잉의 질소 및 과잉의 인의 처리가 미흡하고, 2보다 큰 경우는 이미 과잉의 질소 및 과잉의 인을 처리하고 남은 산화마그네슘이 혐기성 미생물에 대해 독성 성분으로 작용할 수 있다.
또한 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 셀룰라아제(cellulase), 리그니나아제(ligninase), 리파아제(lipase), 프로테아제(protease) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 효소를 투입하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
음식물 쓰레기(FW)에는 셀룰로오스, 리그닌, 지질 및 단백질로 구성된 많은 양의 잔유물을 포함하고 있어 효소를 첨가하면 바이오가스 생산에 필요한 초기분해 단계가 빨라지므로 보다 효과적인 생분해 및 유지시간 단축이 가능하다고 알려져 있다.
일반적으로 효소는 대부분의 유기 거대분자에 대하여 혐기성 균에 의해 이용될 수 있는 작은 분자로 가수분해를 촉진할 수 있으며, 바이오가스의 생산촉진을 위해 일반적으로 적용되는 효소는 셀룰라아제(cellulase), 리그니나아제(ligninase), 리파아제(lipase), 프로테아제(protease)이다.
효소가 유기폐기물의 분해를 촉진시킬 수 있지만 한편, 메탄 생성균의 활성을 억제할 수 있는 암모니아 및 황화물의 축적을 수반할 수 있으며, 이러한 현상은 효소가 첨가되면 암모니아와 황화물의 축적을 피할 수 없음을 나타낸다.
따라서 철, 마그네슘 보충제와 같은 다른 첨가제와 함께 효소를 투입하여 메탄생성 효율을 높일 수 있다. 본 발명에서는 가스생산을 향상시키기 위한 혼합첨가제의 구성 성분으로 산화마그네슘(MgO), 염화제2철(FeCl3) 및 셀룰라아제를 선택하였다.
바람직하게는 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 셀룰라아제(cellulase)를 투입하는 경우 셀룰라아제(cellulase)를 유기폐기물 1리터당 25mg 투입하는 바이오가스 생산 방법일 수 있다.
셀룰라아제(cellulase)의 첨가는 높은 생화학적 메탄생성 잠재력(BMP)을 가지며 효소가 메탄생성 박테리아의 1차 분해단계와 활성을 증진시킨다. 셀룰라아제(cellulase)의 정량과 관련하여, 셀룰라아제(cellulase)는 염화제2철(FeCl3)과 산화마그네슘(MgO)에 비해 고가일 뿐만 아니라 혐기성 소화과정의 매우 낮은 농도에서도 상당히 효과적이므로 25mg/L로 정할 수 있다. 셀룰라아제(cellulase)는 생분해성 단백질이므로 열화(deterioration)를 방지하기 위해 4℃로 냉장보관하고 분말 또는 수용액으로 투입한다.
본 발명에서 혐기성소화조의 온도는 33 ~ 38 ℃로 유지되며 투입된 내용물을 혼합하여 바이오가스를 생산한다. 상기 혐기성소화조에는 혐기성 미생물을 소화액을 포함하고 있으며 상기 혐기성 미생물은 33 ~ 38 ℃의 온도에서 가장 활성화되므로 혐기성소화조의 온도는 33 ~ 38 ℃로 유지된다. 33 ℃ 보다 작거나 38 ℃ 보다 높은 온도에서는 혐기성 미생물의 활성이 저하된다.
또한, 이미 음폐수가 투입된 음식물쓰레기 등이 제 1 혼합가열조, 제 2 혼합가열조 및 이송배관에서 33 ~ 38 ℃ 정도로 가열이 이루어진 상태이므로 혐기성소화조의 온도 유지를 위해 전력소모가 적다.
한편 이와 같이 운영하여도 가스 발생량이 이전처럼 회복되지 않으면 혐기소화 반응기(2)에서 반응되지 않고 유출수(10)로 배출되는 유기폐기물의 인산염의 인(PO4-P), 암모니아성 질소(NH4-N) 및 황화물의 황(S)의 농도를 분석부(3)에 의해 구하고 이를 바탕으로 첨가제(MgO, FeCl3)의 추가량을 앞의 방법에 따라 산정하여 혐기소화 반응기(2)에 추가주입하도록 구성된다.
[실시예]
이하에서는 도 2를 바탕으로 일 실시예에 따른 바이오가스 생산 방법을 기술하기로 한다.
외부로부터 반입된 음식물쓰레기를 음식물쓰레기저장조(1)에 저장한 후 금속, 비닐 기타 소화조에서 분해가 이루어지지 않는 물질을 선별파쇄기(3)를 통해 선별파쇄한 후 분쇄기(4)로 더 작게 분쇄한다.
한편 음폐수를 음폐수저장조(2)에 저장한 후 상기 선별파쇄된 음식물쓰레기와 함께 음식물쓰레기와 음폐수의 중량비를 1 : 0.7 내지 1 : 1.3 의 중량비로 혼합저장조(5)에 저장한다.
상기 혼합저장조(5)에 저장된 음폐수가 혼합된 음식물쓰레기를 펌프와 온수를 이용한 열교환기(6)가 설치된 이송배관을 통해 15 ~ 35 ℃의 온도로 제 1 가열혼합조(7)에 투입한다.
또한 하수슬러지를 하수슬러지저장조(8)에 저장한 후 펌프와 온수를 이용한 열교환기(9)가 설치된 이송배관을 통해 15 ~ 35 ℃의 온도로 상기 제 1 가열혼합조(7)에 투입한다.
또한 분뇨, 도축폐기물 등의 축산폐기물을 축산폐기물저장조(10)에 저장한 후 제2 가열혼합조(11)에서 40 ~ 70 ℃로 펌프와 온수를 이용한 열교환기(12)로 가열 및 혼합한 후 펌프가 설치된 이송배관을 통해 상기 제 1 가열혼합조(7)에 투입한다.
상기 제 1 가열혼합조(7)의 온도는 25 ~ 50 ℃로 온수를 이용한 열교환기(13)를 통해 가열 및 혼합한다.
또한 상기 제 1 가열혼합조(7)에 첨가제로써 각 pH조절제 저장조(15), 유분제거제 저장조(16)에서 pH조절제 및 유분제거제를 투입한다.
pH조절제는 탄산칼슘(CaCO3), 중탄산암모늄(NH4HCO3), 탄산암모늄((NH4)2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 황산나트륨(Na2SO4), 수산화나트륨(NaOH) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 pH조절제를 사용하였다.
유분제거제로는 트윈(Tween) 계열 물질, 라우릴 글루코사이드, 팜커넬코코글루코사이드, 데실 글루코사이드, 소듐 코코일 애플아미노산, 소듐 코코일 글루타메이트, 포타슘 코코일 글리시네이트 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 유분제거제를 사용한다.
상기 첨가제 투입된 음폐수가 투입된 음식물쓰레기, 하수슬러지, 축산물폐기물을 혐기성 소화조(14)로 이송하는 배관에 미생물 촉진제(MgO), 염화제2철(FeCl3) 및 셀룰라아제(cellulase)를 투입한다.
상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 추가 첨가제로써 미생물 촉진제(MgO), 염화제2철(FeCl3) 및 셀룰라아제(cellulase)를 투입하는 방법은 다음과 같다.
혐기소화 소화조에서 유기폐기물의 유입유량을 42L/day로 할 경우 총 주입질량은 다음과 같이 계산할 수 있다.
MFeCl3 = CFeCl3 × 42 L/day (식 12)
MMgO = CMgO × 42 L/day (식 13)
MCellulase = Ccellulase × 42 L/day = 25 mg/L × 42 L/day = 1.05 g/day (식14)
따라서 첨가제의 하루 주입량은 다음과 같이 계산할 수 있다.
VFeCl3 = MFeCl3 ÷ 5% = [TS ×μs - TCOD × 56% ×(3/600)] × 42L/day ÷ 5%(식 15)
VMgO = MMgO ÷ 5% = [TS ×μp - TCOD × 56% ×(5/600)] × 42L/day ÷ 5% (식16)
본 발명에 따른 혼합 첨가제의 정량주입 시스템은 과잉의 황, 인 산출부(20)에서 제 1 가열혼합조(7)로부터 혐기성소화조(14)로 유입되는 유기폐기물의 특성을 분석하여 전체 화학적 산소 요구량(TCOD), 전체 고형분(TS) 및 탄소(C) : 질소(N) : 인(P) : 황(S)의 비율을 구하고 앞의 식 7 ~ 식 9에 따라 기질에 포함된 과잉의 질소(N), 인(P) 및 황(S)의 양을 산출하고, 식 10 ~ 식 11에 따라 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량을 산출하며, 식 12 ~ 식 13에 따라 첨가제(FeCl3, MgO, cellulase)의 하루 주입량을 산출한다.
그리고 산출된 주입량에 따라 추가 첨가제(FeCl3, MgO, cellulase)의 각 저장조(17, 18, 19)를 제어하여 하루 주입량을 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 투입한다.
또한 염화제2철(FeCl3)과 산화마그네슘(MgO)은 모두 강한 전해질이기 때문에 물에 용해시켜 5% 질량농도로 고정하고, 산화마그네슘(MgO)의 용해도는 용해도 곱 상수(Ksp)가 불과 1.5 × 10-11로서 염화제2철(FeCl3)보다 훨씬 낮기 때문에 산화마그네슘(MgO)의 액체 혼합물은 탁도를 가지게 되어 정량주입시 산화마그네슘(MgO) 저장조에서 교반이 필요하다.
또한 셀룰라아제(cellulase)의 정량과 관련하여, 셀룰라아제(cellulase)는 염화제2철(FeCl3)과 산화마그네슘(MgO)에 비해 고가일 뿐만 아니라 혐기성 소화과정의 매우 낮은 농도에서도 상당히 효과적이므로 25mg/L로 정한다.
상기 투입된 상기 첨가제 투입된 음폐수가 투입된 음식물쓰레기, 하수슬러지, 축산물폐기물은 혐기성 소화조에서 혼합되어 혐기소화가 이루어져 바이오가스를 생산한다.
한편 혐기성 소화조(14)에서 혐기소화 후 배출되는 유기폐기물의 인산염의 인(PO4-P), 암모니아성 질소(NH4-N) 및 황화물의 황(S)의 농도를 산출하여 이를 바탕으로 추가 첨가제(MgO, FeCl3)의 추가량을 앞의 방법에 따라 산정하여 혐기성 소화조(14)에 추가주입한다.
S10 : 음식물쓰레기 저장단계 S20 : 선별파쇄단계
S30 : 분쇄단계 S40 : 음폐수 투입단계
S50 : 유기폐기물 투입단계 S60 : 제 1 가열혼합조 투입단계
S70 : 첨가제 투입단계 S80 : 혐기소화단계
1 : 음식물쓰레기 저장조 2 :　음폐수 저장조
3 : 선별파쇄기 4 : 분쇄기
5 : 혼합저장조 6 :　열교환기
7 : 제 1 가열혼합조 8 : 하수슬러지 저장조
9 : 열교환기 10 :　축산폐기물 저장조
11 : 제 2 가열혼합조 12 : 열교환기
13 : 열교환기 14 :　혐기성 소화조
15 : pH조절제 저장조 16 : 유분제거제 저장조
17 : 미생물촉진제 저장조 18 : FeCl3 저장조
19 : 셀룰라아제 저장조 20 : 과잉의 황, 인 산출부

Claims (16)

  1. 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기, 하수슬러지 및 축산폐기물에서 선택된 하나이상의 유기폐기물 중, 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기를 포함하는 유기폐기물을 제 1 가열혼합조에 투입하는 유기폐기물 투입단계(S50);
    상기 제 1 가열혼합조를 가열하는 제 1 가열혼합조 가열단계(S60);
    상기 제 1 가열혼합조에 첨가제로써 pH조절제 및 유분제거제를 투입하는 첨가제 투입단계(S70); 및
    상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화종에서 혐기소화하는 혐기소화단계(S80);
    를 포함하는 바이오가스 생산 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기폐기물 투입단계에서 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기의 제조방법은
    음식물쓰레기를 저장하는 음식물쓰레기 저장단계(S10);
    상기 저장된 음식물쓰레기에 포함된 협잡물을 선별하여 제거하고 음식물쓰레기를 파쇄하는 선별파쇄단계(S20);
    상기 선별파쇄된 음식물쓰레기를 분쇄하는 분쇄단계(S30); 및
    상기 분쇄된 음식물쓰레기에 음폐수를 투입하는 음폐수 투입단계(S40);
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기폐기물 투입단계에서 음폐수를 혼합한 음식물쓰레기의 음식물쓰레기와 음폐수의 중량비는 1 : 0.7 내지 1 : 1.3 인 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기폐기물 투입단계를 거친 음폐수가 투입된 음식물쓰레기를 제 1 가열혼합조로 이송하는 배관의 온도를 15 ~ 35 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기폐기물 투입단계에서 하수슬러지가 포함된 유기폐기물이 제 1 가열혼합조로 투입된 경우, 하수슬러지를 제 1 가열혼합조로 이송하는 배관의 온도를 15 ~ 35 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기폐기물 투입단계에서 축산폐기물이 포함된 유기폐기물이 제 1 가열혼합조로 투입된 경우, 축산폐기물을 제 1 가열혼합조로 이송하기 전, 제 2 가열혼합조에서 40 ~ 70 ℃로 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 가열혼합조의 가열 온도가 25 ~ 50 ℃인 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 pH조절제는 탄산칼슘(CaCO3), 중탄산암모늄(NH4HCO3), 탄산암모늄((NH4)2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산수소나트륨(NaHCO3), 황산나트륨(Na2SO4), 수산화나트륨(NaOH) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유분제거제는 트윈(Tween) 20, 트윈(Tween) 40, 트윈(Tween) 60, 트윈(Tween) 80, 라우릴 글루코사이드, 팜커넬코코글루코사이드, 데실 글루코사이드, 소듐 코코일 애플아미노산, 소듐 코코일 글루타메이트, 포타슘 코코일 글리시네이트 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 추가 첨가제로써 미생물 촉진제(MgO) 및 염화제2철(FeCl3)을 투입하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 추가 첨가제로써 미생물 촉진제(MgO) 및 염화제2철(FeCl3)을 투입하는 방법은,
    상기 유기폐기물에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 추가 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량을 추가 첨가제별로 산출하는 단계; 및
    산출된 추가 첨가제(FeCl3, MgO)를 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 투입하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유기폐기물에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)에 대한 산출은 탄소(C) 600 중량부에 대해 황(S)의 경우 3 중량부 , 인(P)의 경우 15 중량부보다 초과되는 경우 그 초과량을 과잉의 황(S), 과잉의 인(P)으로 산출하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 추가 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량(주입량)이 아래의 식에 의해 산출되는, 바이오가스 생산 방법.
    CFeCl3 = Se × a
    CMgO = Pe × b
    (CFeCl3는 염화제2철의 정량, CMgO는 산화마그네슘의 정량, Se는 과잉의
    황(S), Pe는 과잉의 인(P)을 나타내고, 각각의 단위는 mg/L임.
    a는 3보다 크거나 같고 4보다 작거나 같은 실수임.
    b는 1보다 크거나 같고 2보다 작거나 같은 실수임.)
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 셀룰라아제(cellulase), 리그니나아제(ligninase), 리파아제(lipase), 프로테아제(protease) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 효소를 투입하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 셀룰라아제(cellulase)를 투입하는 경우 셀룰라아제(cellulase)를 유기폐기물 1리터당 25mg 투입하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 혐기소화단계를 거친 유기폐기물에 포함된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양을 산출하고, 산출된 과잉의 황(S) 및 인(P)의 양으로부터 추가 첨가제(FeCl3, MgO)의 정량을 추가 첨가제별로 산출하는 단계; 및
    산출된 추가 첨가제(FeCl3, MgO)를 상기 첨가제 투입단계를 거친 유기폐기물을 혐기성 소화조로 이송하는 배관에 투입하는 단계;
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산 방법.
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