KR101297821B1 - 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템 및 이를 이용한 미세조류 배양 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템 및 이를 이용한 미세조류 배양 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하·폐수 처리장의 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 혐기성 소화조로 유입하여 미생물로 분해시킴으로써, 유기물질이 저감된 배양수와 이산화탄소를 획득하고, 획득한 배양수와 이산화탄소를 이용하여 미세조류를 배양시킴과 동시에 바이오가스를 이용하여 미세조류 배양에 필요한 열원 및 전기를 공급하여 생산비용은 절감하고 생산량은 증대시킬 수 있는 미세조류 배양 시스템 및 이를 이용한 미세조류 배양 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 산생성 미생물에 의해 분해시키는 산발효조 및 상기 산발효조로부터 배출된 배출수를 메탄산성 미생물의 의해 분해시키는 메탄발효조를 포함하여 구성되는 혐기성 소화조; 상기 혐기성 소화조로부터 유출되는 혐기소화 배출수를 배양수로 사용하여 미세조류를 배양시키는 배양조; 적어도 두개 이상 구비되며, 배지 양분조성의 변화, 광 및 온도변화, 특정성분의 주입 중 적어도 한개 이상을 상기 배양조와는 상이하게 조성하여 상기 배양조를 통해 배양된 미세조류 내 유용물질 축적을 유도시키는 유용물질 축적조; 상기 혐기성 소화조로부터 배출되는 바이오가스를 제습/탈황시키는 제습/탈황설비; 상기 제습/탈황설비를 통해 배출되는 바이오가스를 저장하는 가스홀더; 상기 가스홀더에 저장된 바이오가스로 전기 및 열 에너지를 생성시키는 열병합 발전기; 및 상기 가스홀더에 저장된 바이오가스를 메탄 고질화시키는 고질화장치를 포함하여 구성되는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템을 제공한다.

Description

혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템 및 이를 이용한 미세조류 배양 방법{A system and the method for culturing micro algae using anaerobic digester}
본 발명은 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템 및 이를 이용한 미세조류 배양 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하·폐수 처리장의 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 혐기성 소화조로 유입하여 미생물로 분해시킴으로써, 유기물질이 저감된 배양수와 이산화탄소를 획득하고, 획득한 배양수와 이산화탄소를 이용하여 미세조류를 배양시킴과 동시에 바이오가스를 이용하여 미세조류 배양에 필요한 열원 및 전기를 공급하여 생산비용은 절감하고 생산량은 증대시킬 수 있는 미세조류 배양 시스템 및 이를 이용한 미세조류 배양 방법에 관한 것이다.
우리나라는 수자원이 부족하여 다목점 댐 등 각종 댐에 의해 조성되는 저수지가 중요한 용수원으로 이용되고 있으나, 급속한 도시화와 산업화에 기인하여 생활하수와 공장폐수에 의해 오염된 많은 하천이 상수원으로 이용되고 있는 호소로 유입됨으로써 국내 호소의 반 이상이 부영양화 되어 있거나 진행되고 있는 상태이다.
하·폐수를 처리하기 위한 일반적인 방법은 크게 두 단계로 진행되는데 폐수에 포함된 일정 크기의 부유물을 물리적으로 제거하는 1차처리 단계와 폐수의 유기물을 생물학적으로 제거하는 2차처리 단계로 이루어진다. 상기 2차처리 단계에서 처리되는 폐수는 유기물과 질소를 포함하고 있으며, 이러한 폐수를 처리하기 위해서 통상적으로 생물학적 활성슬러지법이 가장 널리 사용되고 있다.
활성슬러지법을 이용하여 하·폐수를 처리한다면 BOD의 90% 이상이 제거가 가능하지만, 질소 제거율은 16∼42% 정도의 낮은 처리율을 가지므로 활성슬러지법으로 처리된 후에도 여전히 많은 양의 질소가 남아있게 된다. 이렇듯 하·폐수에 포함된 질소가 충분히 제거되지 않은 상태에서 수계에 방류된다면 질소로 인하여 발생된 부영양화 현상 때문에 경제적인 피해는 물론 생태계의 교란이 야기될 수 있다. 또한 활성슬러지법에서는 잉여슬러지가 다량 발생하게 되고, 이러한 잉여슬러지를 처리하기 위해서는 별도의 설비와 비용이 추가되는 문제점이 있다.
우리나라의 하수는 탄소원에 비해 질소원의 비율이 상대적으로 높은 특성을 보이기 때문에 기존의 미생물을 이용한 하·폐수 처리방법은 앞서 언급한 것처럼 질소 제거효율이 낮은 단점이 있다. 또한 생물학적 질소제거(Biological Nitrogen Removal, BNR) 공정은 질산화를 거쳐 탈질반응으로 진행되며 탈질공정은 유입수의 C/N비가 3.0∼6.0 범위에 있을 때 안정적으로 운전된다는 연구결과에 비추어 C/N비가 낮은 국내하수를 처리할 경우에는 추가적인 탄소원의 공급이 필요하다는 것을 알 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 현재까지는 에탄올이나 포도당과 같은 별도의 외부 유기탄소원을 공급하여 인위적으로 C/N비를 높여 질소를 제거하거나, 화학적인 처리방법을 이용하였으나, 이러한 방법은 외부탄소원 투입에 따르는 추가비용이 발생하고, 특히 화학적인 처리방법은 전체 공정비의 50∼90%를 차지하여 개선의 필요성을 보여준다.
최근 들어 하폐수 처리장의 방류수질중 총 인의 규제가 강화됨에 따라, 연간 2,000억원의 이상이 인의 화학적 처리방법에 사용되고 있으며, 화학 응집제 이용에 따른 2차 환경 오염문제가 대두되는 등 인의 화학적 처리에 대한 해결책에 시급히 제시되어야 하는 실정이다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 최근, 미세조류를 이용하는 기술이 새로이 주목받고 있다. 미세조류는 호기성 종속영양미생물에게 산소(O2)를 공급함과 동시에 호흡으로 발생한 이산화탄소(CO2)를 섭취함으로써 BOD 제거에 중요한 역할을 하게 되며, 중금속 제거에 효율적으로 사용될 수 있다. 또한 일반적으로 독성/난분해성 기질인 유해 화합물에 민감하나 유해한 유기오염물질의 생분해에 사용될 수 있다.
전형적인 호기성 폐수처리에서 기계적인 폭기는 전체 에너지 소비의 50%를 차지하며, 강한 기계적인 폭기는 오염물 또는 에어로졸을 방출할 가능성이 높지만 조류를 이용할 경우, 이 같은 위험으로부터 안전하며, 광합성에 의한 폭기(photosynthetic aeration)로 에너지 비용을 절감할 수 있어 오염물질의 경제적인 처리에 사용될 수 있다.
미세조류는 식물과 마찬가지로 아미노산, 핵산, 엽록소 그리고 그 밖의 질소함유 유기화합물들을 합성하기 위해 결합질소가 필요하다. 일반적으로 조류는 주변의 물에서 직접 암모늄 또는 질산염이온을 흡수하지만, 어떤 조류는 용존 화합물을 세포외 효소로 분해하여 암모늄을 얻기도 한다. 몇몇 조류는 아미노산, 소분자 아미드 그리고 요소의 형태로 유기질소를 흡수한다. 이들 생물의 경우에는 세포 내에서 이러한 유기화합물을 분해하여 필요한 암모늄을 얻는다.
암모늄은 세포의 질소화합물 합성에 질산염 보다 더 쉽게 이용된다. 그러나 수생 질화세균(nitrifying bacteria)은 암모늄을 질산염으로 쉽게 변환시키므로, 간혹 이용 가능한 암모늄 양이 제한되기도 한다. 조류는 일반적으로 질산환원효소(nitrate reductase)를 이용하여 질산염을 암모늄으로 변환시킨다. 암모늄은 막수송계에 의해 흡수된 후 효소작용에 의해 직접적으로 환원유기질소(RON)로 전환되고, 단백질과 엽록소 합성에 사용된다. 반면에 질산염 이용은 질산환원효소라는 추가적인 단계가 필요하다.
대부분의 폐수 내 존재하는 미생물들은 질소원으로 암모니아성 질소 형태를 필요로 하는 반면, 미세조류는 암모니아성 질소 외에 질산염이나 질소 자체를 이용할 수 있는 능력이 있어 폐수 내 존재하는 다양한 형태의 질소원의 이용이 가능하다.
본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 하·폐수 처리장의 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 혐기성 소화조로 유입하여 미생물로 분해시킴으로써, 유기물질이 저감된 배양수와 이산화탄소를 획득하고, 획득한 배양수와 이산화탄소를 이용하여 미세조류를 배양시킴과 동시에 바이오가스를 이용하여 미세조류 배양에 필요한 열원 및 전기를 공급하여 생산비용은 절감하고 생산량은 증대시킬 수 있는 미세조류 배양 시스템 및 이를 이용한 미세조류 배양 방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은, 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 산생성 미생물에 의해 분해시키는 산발효조 및 상기 산발효조로부터 배출된 배출수를 메탄산성 미생물의 의해 분해시키는 메탄발효조를 포함하여 구성되는 혐기성 소화조; 상기 혐기성 소화조로부터 유출되는 혐기소화 배출수를 배양수로 사용하여 미세조류를 배양시키는 배양조; 적어도 두개 이상 구비되며, 배지 양분조성의 변화, 광 및 온도변화, 특정성분의 주입 중 적어도 한개 이상을 상기 배양조와는 상이하게 조성하여 상기 배양조를 통해 배양된 미세조류 내 유용물질 축적을 유도시키는 유용물질 축적조; 상기 혐기성 소화조로부터 배출되는 바이오가스를 제습/탈황시키는 제습/탈황설비; 상기 제습/탈황설비를 통해 배출되는 바이오가스를 저장하는 가스홀더; 상기 가스홀더에 저장된 바이오가스로 전기 및 열 에너지를 생성시키는 열병합 발전기; 및 상기 가스홀더에 저장된 바이오가스를 메탄 고질화시키는 고질화장치를 포함하여 구성되는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 혐기성 소화조에 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 유입시켜 미생물과 반응시키는 단계와; 미생물 반응에 의해 발생되는 바이오가스를 제습/탈황시키는 단계와; 열병합 발전기를 통해 상기 제습/탈황된 바이오가스를 연소하여 전기 및 열에너지를 생성하는 단계와; 미생물 반응에 의해 유기물질이 저감된 배출수에 이산화탄소를 용해시키는 단계와; 상기 이산화탄소가 용해된 배출수를 배양수로 사용하여 미세조류를 배양시키는 단계와; 상기 배양된 미세조류를 유용물질 축적조로 이송시켜 미세조류 내 유용물질을 축적시키는 단계; 및 미세조류를 수확하는 단계를 포함하여 구성되되, 상기 미세조류 내 유용물질을 축적시키는 단계에서는, 상기 미세조류를 배양시키는 단계와는 배지 양분조성의 변화, 광 및 온도변화, 특정성분의 주입 중 적어도 한개 이상을 상이하게 조성하여 미세조류 내 유용물질 축적을 유도시키는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템 및 이를 이용한 배양 방법은, 혐기성 소화조를 통해 하·폐수 처리장의 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 혐기처리 시킨 방류수를 이용하여 미세조류를 배양함에 따라, 고가의 배지를 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 혐기성 소화조를 통해 발생하는 바이오가스를 획득하여 미세조류 배양에 필요한 열원 및 전기, 이산화탄소를 공급함으로써 미세조류 배양의 생산원가를 절감할 수 있다.
또한, 배양된 미세조류를 수확하여 바이오 디젤이나 에탄올과 같은 바이오에너지를 생산할 수 있음과 동시에 잉여슬러지 처리과정에서 발생되는 반류수내 오염부하를 경감하여 하·폐수 처리장의 유입부하 감소에 따른 운영 안정성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유기성 폐기물 처리 후 별도의 생물학적 처리공정이 불필요하고, 혐기처리 후 배출되는 폐수를 기존 하·폐수 처리장으로 이송할 필요가 없어, 하·폐수 처리장의 유지관리비 절감 및 안정적인 방류수질을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양 방법을 나타낸 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.
일반적으로 미세조류를 배양하기 위해서는 영양염류가 풍부한 고가의 배지가 필요하다. 그러나 이러한 고가의 배지를 이용한 배양방식은 클로렐라와 같이 고부가가치 물질 또는 음용물질을 생산하는 경우에는 타당하나, 바이오에너지와 같은 원료를 생산하는데 적용할 경우에는 생산비용을 크게 증가시켜, 기존 석유제품에 비하여 낮은 경쟁력을 가지게 됨으로 상용화가 불가능하다.
이에 따라, 본 발명은 혐기성 소화조를 통해 하폐수 처리장의 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 혐기처리 시킨 방류수를 이용하여 미세조류를 배양한다. 하·폐수 처리장의 잉여슬러지와 유기성 폐기물 내에는 영양염류와 미량원소가 풍부하고 연중 지속적으로 대량의 원수를 공급할 수 있어, 고가의 배지를 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 혐기성 소화조를 통해 혐기처리 시킴에 따라 발생하는 바이오가스를 획득하여 미세조류 배양에 필요한 열원 및 전기, 이산화탄소를 공급함으로써 미세조류 배양의 생산원가를 절감할 수 있다.
또한, 잉여슬러지 처리과정에서 발생되는 반류수내 오염부하를 경감하여 하·폐수 처리장의 유입부하 감소에 따른 운영 안정성을 향싱시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유기성 폐기물 처리 후 별도의 생물학적 처리공정이 불필요하고, 혐기처리 후 배출되는 폐수를 기존 하·폐수 처리장으로 이송할 필요가 없어, 하·폐수 처리장의 유지관리비 절감 및 안정적인 방류수질을 유지할 수 있다.
한편, 미세조류는 약 4만종으로의 많은 종류가 알려져 있고, 매우 다양한 특성을 지닌 생물군으로 자연 상태에서 다양한 유용물질을 생산하는 것으로 알려져 있다. 미세조류 배양의 가장 큰 장점은 작물생산에 적합하지 않은 염분이 높거나 강한 알칼리 등의 극한 환경에서도 성장 가능하다는 점이다. 또한, 미세조류는 수중에서 태양광, 이산화탄소 등을 이용하여 비교적 적은 비용으로 대량의 바이오매스를 얻을 수 있고, 생산된 바이오매스는 아미노산, 지질, 약제, 다당류, 비타민 등 다양한 종류의 유용물질을 함유하고 있는 것으로 알려져 있다.
일반적으로 미세조류의 생장은 광합성에 의해 이루어지며, 수중의 탄산가스와 빛으로부터 탄수화물로 변화시키는 과정이다. 이런 광합성 반응은 미세조류의 엽록체라는 기관에서 진행되며 엽록체안의 클로로필과 칼로티노이드가 가시광선 중 400~700nm 범위의 빛을 흡수하게 된다. 광합성반응은 주반응과 부반응으로 이루어지는데, 주반응은 빛 에너지를 필요로 하는 반응으로 광자 에너지가 전자에 부딪혀서 전자의 에너지에 의해서 탄소 고정화와 대사를 하기 위해 필요한 NADPH와 ATP가 생성되는 것이다. 부반응은 물을 분해하여 얻어지는 수소와 탄산가스가 반응하여 포도당이 생성되는 반응으로, ATP가 ADP가 되면서 에너지와 NADPH2의 수소를 사용하여 탄산가스를 포도당의 형태로 환원시킨다.
이와 같이, 미세조류가 광합성을 통하여 성장하기 위해서는 이산화탄소가 필수적인 요소이며, 광합성에 의해 질소 및 인을 섭취하여야 한다. 이에 따라, 본 발명은 하·폐수 처리장의 잉여슬러지나 유기성 폐기물의 혐기후 발생되는 질소와 인이 다량 함유되어 있는 처리수를 이용하며, 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 혐기처리 시킴에 따라 발생하는 바이오가스를 획득하여 미세조류 배양에 필요한 열원 및 전기, 이산화탄소를 공급하여 미세조류를 효율적으로 배양시키고, 이를 수확하여 바이오 디젤이나 에탄올과 같은 바이오에너지를 생산함과 동시에, 하·폐수 처리장의 오염물질 부하 경감을 통해 방류수의 질소와 인을 효과적으로 제거하는 시스템을 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미세조류 배양 시스템은, 혐기성 소화조(100), 제습/탈황설비(200), 열병합 발전기(300), 이산화탄소 용해조(400), 배양조(500) 및 유용물질 축적조(600)를 포함하여 구성된다.
먼저, 하·폐수 처리장에서 발생되는 잉여슬러지나, 축산농가에서 발생되는 축산 분뇨 또는 음식물 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 혐기성 소화조(100)로 유입시켜 미생물과 반응시킨다. 혐기성 소화조(100)는 산생성 미생물이 충전되어 있는 산발효조(110)와, 메탄생성 미생물이 충전되어 있는 메탄발효조(120)로 구성되어 있어, 유기성 잉여슬러지나 유기성 폐기물은 산생성 미생물과 반응하여 당류와, 알코올 및 유기산 등으로 분해되며, 유기산 등으로 분해된 잉여슬러지나 유기성 폐기물은 메탄생성 미생물과 반응하여 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 바이오가스를 생성하게 된다.
혐기성 소화조(100)로부터 생성된 바이오가스는 제습과 탈황설비(200)를 거쳐 가스홀더(210)로 유입되며, 가스홀더(210)에 충진된 가스의 일부는 열병합 발전기(300)로 유입되어 전기 및 열을 생성하고, 일부는 고질화장치(310)를 거쳐 95% 이상의 고질화 된 메탄가스로 전환하여 자동차의 천연가스로 판매하거나 가정이나 공장으로 이송하여 판매하게 된다.
이때, 열병합 발전기(300)에서는 혐기성 소화조(100) 및 배양조(500)의 기 설정된 온도유지를 위하여, 혐기성 소화조(100) 및 배양조(500)에 열을 공급하고, 혐기성 소화조(100), 이산화탄소 용해조(400), 배양조(500) 및 유용물질 축적조(600)에 전기에너지를 공급한다. 또한, 전기 및 열을 생성하기 위해 바이오가스가 연소되면서 발생하는 이산화탄소를 수집하여 이산화탄소 용해조(400)로 공급함에 따라, 본 발명은 별도의 이산화탄소 공급원을 구비하기 위한 비용이 발생되지 않으며, 지구온난화의 주범인 이산화탄소의 양을 줄일 수 있는 장점이 있다.
한편, 혐기성 소화조(100)를 통해 혐기처리 되어 유기물질이 저감된 혐기소화 배출수는 이산화탄소 용해조(400)로 배출되며, 이산화탄소 용해조(400)로 유입된 배출수는 열병합 발전기(300)를 통해 생성되어 이산화탄소 용해조(400) 내부로 공급되는 이산화탄소와 접촉되어 이산화탄소를 용해시키고, 미세조류를 배양시키기 위한 배양조(500)로 배출된다. 이어서, 배양조(500)를 통해 배양된 미세조류는 유용물질 축적조(600)를 통해 미세조류 내에 탄수화물이나 지질의 함량을 증가시킨 뒤, 이를 수확하여 세포벽을 파괴하는 전처리 과정을 거쳐 바이오 디젤이나 에탄올과 같은 바이오 에너지를 생산하며, 배양수는 미세조류에 의해 질소와 인이 효과적으로 제거됨에 따라, 방류수 수질 기준에 부합되어 별도의 하수 처리장에 연계됨 없이 외부로 방류시킬 수 있게 된다.
혐기성 소화조(100)에는 하·폐수 처리장의 잉여슬러지나 유기성 폐기물이 유입되며, 이러한 잉여슬러지나 유기성 폐기물에는 조대입자성 물질이나 돌, 모래와 같은 이물질이 포함되어 있을 가능성이 높으므로, 철망 등으로 제작된 스크린과 같이 폐수에 포함된 이물질을 걸러내는 수단을 거쳐 유입되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 혐기성 소화조(100)는, 하·폐수 처리장의 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 산생성 미생물에 의해 분해시키는 산발효조(110)와, 상기 산발효조(110)로부터 배출된 배출수를 메탄산성 미생물의 의해 분해시키는 메탄발효조(120)를 포함하여 구성된다. 이러한 산발효조(110)와 메탄발효조(120)는 각각 독립된 반응조로 구성될 수도 있으며, 산발효조(110)와 메탄발효조(120)가 일체형인 하나의 반응조로 구성될 수도 있다.
산발효조(110)에는 산생성 미생물이 충전되어 있어, 산발효조(110)에 유입된 유입수는 산생성 미생물에 의하여 혐기소화 처리되며, 이에 따라 유입수는 당류와, 알코올 및 유기산 등으로 분해된다.
메탄발효조(120)는 메탄생성 미생물에 의해 산발효조(110)로부터 배출된 유기산 등을 포함하는 유입수의 분해가 이루어지는 반응조이다. 따라서, 메탄발효조(120) 내부에는 일정량의 메탄생성 미생물이 충전되고, 이렇게 충전된 메탄생성 미생물에 의해 산발효조(110)로부터 배출된 유기산 등을 포함하는 유입수는 혐기소화 처리된다.
한편, 산발효조(110)의 산생성 미생물에 의해 혐기 소화 처리되어 유기산 등으로 분해된 유입수는, 메탄발효조(120)의 메탄 생성 미생물과 반응하여 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 바이오가스를 생성하게 되며, 유기물질이 저감된 혐기소화 배출수는 미세조류 배양을 위한 배양수로 사용되기 위하여 이산화탄소 용해조(400)로 배출된다.
혐기성 소화조(110)에서 생성되는 바이오가스는 주로 메탄(CH4)이 60~70%, 이산화탄소(CO2)가 30~40%로 이루어져 있으며, 소량의 황화수소(H2S), 암모니아(NH3) 등도 포함한다. 따라서, 바이오가스는 메탄가스를 약 60~70% 정도 다량 함유하므로, 열병합 발전기(300)를 이용하여 연소시켜 전기 및 열에너지를 얻는다.
열병합 발전기(300)는 제습/탈황설비(200)를 통해 습기와 황이 제거된 바이오가스 중 메탄가스(CH4)를 이용하여 전기 및 열을 생산한다. 일반적으로 미세조류의 적정온도는 25~35℃로 알려져 있으나, 미세조류 종에 따라 최적 성장온도는 다른 것을 알려져 있다. 국내의 경우, 하절기를 제외한 다른 계절에서는 수온이 25℃ 이하로 유지됨에 따라 미세조류의 성장률이 저하되게 된다. 따라서 지속적으로 열 에너지를 공급하여야 하나, 이 경우 유지관리비용이 증가되어 생산비용이 증가시키게 되는 문제점이 발생한다. 본 발명에서는 혐기성 소화조(100)에서 발생되는 바이오가스 중 메탄가스를 이용하여 열과 전기를 발생시킴에 따라 효율적인 전기 및 열 공급이 가능하다.
고질화장치(310)는 혐기성 소화조(100)에서 생성된 바이오가스(CH4)에 포함되어 있는 이산화탄소(CO2)를 제거하는 기술과, 황화수소(H2S), 암모니아(NH3) 등의 부식성물질을 제거하는 탈황기술을 가진 장치로서, 95% 이상의 고질화 된 메탄가스(바이오메탄, CH4)를 획득한다. 이러한 바이오가스 중에 메탄가스 만을 분리하여 사용하는 고질화장치(310)는, 이미 널리 알려진 기술로서, 여기에서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 기체의 용해도 차이를 이용하여 메탄과 이산화탄소를 분리하는 Water Scrubbing 방법, 기체상 물질의 흡착특성 차이를 이용하여 분리하는 PSA(Pressure Swing Adsorption)방법, 기체 분자의 극성 차이를 이용하는 막(Membrane) 방법 등 다양한 고질화 방법을 이용하여 혐기성 소화조(100)에서 생성된 바이오가스에서 95% 이상의 고질화 된 메탄가스를 획득할 수 있게 된다.
이산화탄소 용해조(400)는 혐기성 소화조(100)를 통해 유기물질이 저감된 혐기소화 배출수가 유입되며, 열병합 발전기(300)를 통해 발생된 이산화탄소가 공급되어, 혐기소화 배출수에 이산화탄소가 용해된다. 이러한, 이산화탄소 용해조(400)는 배출수와 이산화탄소의 접촉면을 극대화 시킬 수 있도록 배출수의 일부를 상부에서 분사시켜, 대기중으로 이동된 이산화탄소를 포집함으로써, 이산화탄소의 용해율을 증가시키게 된다. 이를 위해, 본 발명에 따른 이산화탄소 용해조(400)는 배출수 유입부와 유출부를 구비하며, 유입펌프와 유입관, 고압미세분사장치, 이산화탄소 공급관 및 산기관을 포함하여 구성된다.
배양조(500)는 대형 옥외 배양조로서, 태양광 심증조사 설비 및 LED 램프를 구비하여 배양조 내부에 빛이 공급되며, 미세조류의 대량 배양이 가능하도록 규모가 큰 용기모양의 구조로 시설되어, 전체 외형이 직사각형 공간의 길이방향 양측으로 반원형 공간이 일체로 된 육상 트랙 경기장의 외형과 유사한 구조로 구성된다.
배양조(500) 내부 중심에는 구획판이 배양조(500)와 동일 길이 방향으로 길게 배치되어 설치됨에 따라, 배양조의 내부 공간은 중앙에 설치된 구획판에 의해 육상 트랙 형태의 수로가 형성되며, 부유식 수차 구동에 의해 배양조의 배양수가 트랙 형태의 수로를 따라 한 방향으로 순환되는 구조로 형성된다. 이러한 배양조 내부의 구획판은, 단순히 배양조 내부의 배양수를 순환시키기 위한 구조물로서, 배양조 내의 미세조류 배양에 영향이 가지 않는 한 상기 이산화탄소 용해조(400) 등의 다양한 구성요소의 배치도 가능하다.
유용물질 축적조(600)는 배양조(500)를 통해 배양된 미세조류의 유용물질 축적을 유도하기 위한 공간으로서, 미세조류를 필요한 환경조건과 축적기간에 따라 구분하여 유용물질 축적을 수행할 수 있도록 적어도 두 개 이상의 유용물질 축적조(600)가 구비된다. 미세조류의 유용물질을 축적시키기 위한 환경조건은 다양하게 조성될 수 있는데, 영양물질을 차단한 상태에서 미세조류의 광합성을 유도하는 등의 배지 양분조성의 변화, 광 및 온도 변화, 특정성분의 주입 등 다양한 환경인자들을 조절하여 미세조류 내에 필요한 유용물질을 유도하여 축적시킬 수 있다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 시스템을 이용하여 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세조류 배양 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 하·폐수 처리장으로 부터 유출된 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 혐기성 소화조로 유입시켜 미생물과 반응시킨다(S212). 혐기성 소화조는 산생성 미생물이 충전되어 있는 산발효조와, 메탄생성 미생물이 충전되어 있는 메탄발효조로 구성되어 있어, 산발효조로 유입된 잉여슬러지나 유기성 폐기물은 산생성 미생물과 반응하여 당류와, 알코올 및 유기산 등으로 분해되며(S214), 산발효조를 통해 유기산 등으로 분해된 잉여슬러지나 유기성 폐기물은 메탄생성 미생물과 반응하여 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생성하게 된다(S216).
혐기성 소화조로부터 생성된 바이오가스는 제습/탈황설비를 거쳐 습기와 황이 제거된 바이오가스를 수집하여(S218) 가스홀더에 저장할 수 있게 되며(S220), 수집된 바이오가스의 일부는 열병합 발전기로 유입되어 전기 및 열을 생성하고(S222), 일부는 고질화 장치를 거쳐 바이오가스(CH4)에 포함되어 있는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 암모니아(NH3) 등의 부식성 물질을 제거함으로써 95% 이상의 고질화 된 메탄가스(CH4)를 저장하여 차량 충전이나 가정, 공장 등으로 이송/공급하여 판매하게 된다.
이때, 열병합 발전기에서는 혐기성 소화조 및 배양조의 기 설정된 온도유지를 위하여, 메탄가스를 연소하여 열에너지 및 전기에너지를 생성하며, 혐기성 소화조 및 배양조로 열을 공급하고, 혐기성 소화조, 이산화탄소 용해조, 배양조 및 유용물질 축적조에 전기에너지를 공급한다. 또한, 전기 및 열을 생성하기 위해 바이오가스가 연소되면서 발생하는 이산화탄소를 수집하여 이산화탄소 용해조로 공급한다(S224).
한편, 혐기성 소화조를 통해 혐기처리 되어 유기물질이 저감된 혐기소화 배출수는 이산화탄소 용해조로 배출되며(S226), 이산화탄소 용해조로 유입된 혐기소화 배출수는 열병합 발전기로부터 생성되어 이산화탄소 용해조 내부로 공급되는 이산화탄소와 접촉되며, 이산화탄소가 용해된 방류수는 미세조류를 배양시키기 위해 배양조로 배출된다(S228).
이어서, 이산화탄소가 용해된 방류수는 배양조로 배출되어 미세조류를 배양하기 위한 배양수로 사용되며, 배양된 미세조류는 필요한 환경조건과 축적기간에 따라 구분하여 유용물질 축적조로 이송시켜(S230), 미세조류 내에 탄수화물이나 지질의 함량을 증가시킨 뒤, 이후 수확하여 세포벽을 파괴하는 전처리 과정을 거쳐 바이오 디젤이나 에탄올과 같은 바이오 에너지를 생산한다(S232).
또한, 배양조의 배양수는 미세조류에 의해 질소와 인이 효과적으로 제거됨에 따라, 방류수 수질 기준에 부합되어 별도의 하수처리장에 연계됨 없이 외부로 방류시킬 수 있게 된다(S234).
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 취한, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
100 : 혐기성 소화조 110 : 산발효조
120 : 메탄발효조 200 : 제습/탈황설비
210 : 가스홀더 300 : 열병합 발전기
310 : 고질화 장치 400 : 이산화탄소 용해조
500 : 배양조 600 : 유용물질 축적조

Claims (20)

  1. 하·폐수 처리장에서 발생되는 잉여슬러지나 축산 농가에서 발생되는 축산 분뇨나 음식물 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 사용하여, 미세조류를 배양하는 배양시스템에 있어서,
    잉여슬러지나 유기성 폐기물을 산생성 미생물에 의해 분해시키는 산발효조 및 상기 산발효조로부터 배출된 배출수를 메탄산성 미생물의 의해 분해시키는 메탄발효조를 포함하여 구성되는 혐기성 소화조;
    상기 혐기성 소화조로부터 유출되는 혐기소화 배출수를 배양수로 사용하여 미세조류를 배양시키는 배양조;
    적어도 두개 이상 구비되며, 배지 양분조성의 변화, 광 및 온도변화, 특정성분의 주입 중 적어도 한개 이상을 상기 배양조와는 상이하게 조성하여 상기 배양조를 통해 배양된 미세조류 내 유용물질 축적을 유도시키는 유용물질 축적조;
    상기 혐기성 소화조로부터 배출되는 바이오가스를 제습/탈황시키는 제습/탈황설비;
    상기 제습/탈황설비를 통해 배출되는 바이오가스를 저장하는 가스홀더;
    상기 가스홀더에 저장된 바이오가스로 전기 및 열 에너지를 생성시키는 열병합 발전기; 및
    상기 가스홀더에 저장된 바이오가스를 메탄 고질화시키는 고질화장치;
    를 포함하여 구성되는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템.
  2. 제 1항이 있어서,
    상기 배양조는
    배양수의 강제 유동을 발생시키는 수차를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배양조에는,
    태양광 심증조사 설비 및 LED 램프를 통해 빛이 공급되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 열병합 발전기는,
    상기 생성된 열에너지를 이용하여 상기 혐기성 소화조 및 배양조를 기 설정된 온도로 조절하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 열병합 발전기는,
    상기 생성된 전기에너지를 이용하여 상기 미세조류 배양 시스템에 필요한 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 배양조는,
    상기 혐기성 소화조로부터 유출되는 혐기소화 배출수에 이산화탄소를 용해시키기 위하여 배양조와는 독립적으로 구성된 이산화탄소 용해조를 구비하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 이산화탄소 용해조는,
    상부가 밀폐된 용해조 본체;
    상기 용해조 본체 일측면에 구비되어 배출수가 유입되는 유입부;
    이산화탄소가 용해된 배출수를 상기 배양조로 유출하는 유출부;
    상기 용해조 본체 하부에 설치되어 이산화탄소를 상기 용해조 본체로 유입시키는 이산화탄소 공급관;
    상기 이산화탄소 공급관으로부터 공급되는 이산화탄소를 상부로 분사하는 산기관;
    상기 유입부를 통해 유입되는 배출수의 일부를 상기 용해조 본체 내 상부로 유입시키는 유입관; 및
    상기 유입관을 통해 유입되는 배출수를 상기 용해조 본체 내 상부에서 분사시키는 고압미세분사장치;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 열병합 발전기는,
    상기 전기 및 열에너지를 생성시키기 위해 바이오가스를 연소하면서 발생되는 이산화탄소를 상기 이산화탄소 공급관을 통해 상기 이산화탄소 용해조 내부로 공급하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 미세조류 배양 시스템을 이용하여 하·폐수 처리장에서 발생되는 잉여슬러지나 축산 농가에서 발생되는 축산 분뇨나 음식물 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 사용한 미세조류 배양 방법에 있어서,
    혐기성 소화조에 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 유입시켜 미생물과 반응시키는 단계와;
    미생물 반응에 의해 발생되는 바이오가스를 제습/탈황시키는 단계와;
    열병합 발전기를 통해 상기 제습/탈황된 바이오가스를 연소하여 전기 및 열에너지를 생성하는 단계와;
    미생물 반응에 의해 유기물질이 저감된 배출수에 이산화탄소를 용해시키는 단계와;
    상기 이산화탄소가 용해된 배출수를 배양수로 사용하여 미세조류를 배양시키는 단계와;
    상기 배양된 미세조류를 유용물질 축적조로 이송시켜 미세조류 내 유용물질을 축적시키는 단계; 및
    미세조류를 수확하는 단계;
    를 포함하여 구성되되,
    상기 미세조류 내 유용물질을 축적시키는 단계에서는,
    상기 미세조류를 배양시키는 단계와는 배지 양분조성의 변화, 광 및 온도변화, 특정성분의 주입 중 적어도 한개 이상을 상이하게 조성하여 미세조류 내 유용물질 축적을 유도시키는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 잉여슬러지나 유기성 폐기물을 유입시켜 미생물과 반응시키는 단계는,
    산생성 미생물과 1차 반응시킨 뒤, 메탄생성 미생물과 2차 반응시키는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 배출수에 이산화탄소를 용해시키는 단계는,
    상기 열병합 발전기를 통해 상기 바이오가스를 연소할 경우 발생되는 이산화탄소를 이용하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 전기 및 열에너지를 생성하는 단계에서는,
    생성된 전기 및 열에너지를 이용하여 미세조류가 배양되기 위한 기 설정된 온도로 조절하고, 필요한 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조를 이용한 미세조류 배양 방법.
  19. 삭제
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