KR100374485B1 - 혼합 단상 혐기성 소화설비를 이용한 유기성 폐기물처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기성 폐기물(하수슬러지, 축분, 음식물쓰레기)을 단상 혐기성 소화설비에서 처리하여 발생되는 가스를 이용하여 발전하고 그 부산물을 퇴비로 이용할 수 있게 처리하는 장치에 관한 것이다. 처리방법은 협잡물이 다량 포함된 음식물 쓰레기 등의 유기성 폐기물을 40mm이하로 파쇄하고 스크류식 선별기와 원심분리형 선별기를 통하여 협잡물을 완전히 제거한 후, 유량 조절 및 가수분해 과정을 거쳐 열교환기로 38℃까지 승온하여 혐기성 소화조로 투입하여 pH, 온도 등을 측정기에 의해 측정하면서 측정된 데이터로 설비를 제어하여 안정적으로 혐기성발효 분해가 일어나도록 하고 가스와 고형분을 분리하는 방법으로 구성된다.

Description

혼합 단상 혐기성 소화설비를 이용한 유기성 폐기물 처리방법{METHOD FOR THE ORGANIC WASTES TREATMENT}

본 발명은 단상 혐기성 소화설비에 의한 혼합 유기성 폐기물 처리방법에 관한 것으로서, 특히 파쇄된 혼합 유기성 폐기물로부터 협잡물을 분리하고 단상 혐기성 소화설비에서 온도와 pH를 감지하고 그 데이터로 혐기성 소화설비의 가동을 조절하여 인화성 메탄 가스가 최대로 발생되도록 하여 가스는 발전에 필요한 연료로 이용하고 잔재물은 비료로 활용할 수 있도록 하는 소화설비를 이용한 유기성 폐기물의 처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 국내에서 발생되는 유기성폐기물의 처리는 매립하거나 소각 처리하여 왔다. 그러나 매립장에 매립된 폐기물들은 토양을 오염시키고 침출수를 발생시키므로 매립장 부지의 선정에 어려움이 있어서 최근에는 소각 처리하는 방법이 이용되고 있다. 그러나 음식물 찌꺼기나 가축의 분뇨 등과 같이 수분을 다량으로 함유하는 유기성 폐기물은 소각에 어려움이 많을 뿐만 아니라 소각로의 건설 등 시설비의 투자가 많이 소요되고 대기오염에 대한 문제점이 나타나므로 소각처리에도 어려움이 많아서 최근에는 생활 쓰레기 중에서도 음식물 쓰레기와 같이 수분을 다량으로 함유하는 폐기물은 가연성 쓰레기와 분리 수거하여 별도로 가축 사료나 비료용으로 사용하도록 하고 있다.

특히, 가축의 분뇨와 같은 유기성 폐기물들은 대량으로 배출되므로 생활 폐기물과는 달리 매립처리나 소각처리가 불가능하여 호기성 퇴비화시설을 이용하여 수분 조절제와 공기를 투입하므로서 자연 발효되도록 하여 퇴비로 전환시키고 있다. 그러나 종래의 퇴비화 시스템은 주목적이 퇴비를 생산하는 것이어서 많은 부지면적을 필요로 하므로 대부분 천연에 노출시켜 유기성 폐기물들이 자연 발효되도록 하고 있다.

따라서 최근에는 혐기성 소화설비를 이용하여 유기성 폐기물, 특히 가축의 분뇨로부터 메탄가스를 얻는 방법이 시도되고 있다. 이러한 방법은 생성되는 메탄가스를 연료로 활용할 수 있어서 자체 수요 전력을 생산하는 연료로 이용할 수 있는 장점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 메탄 생성을 최대로 얻기 위한 기존의 2상 혐기성 소화시스템에서 진일보한 단상으로 소화발효과정을 거치면서도 최대의 메탄 수율과 2상에서 문제점으로 발생하는 높은 산 생성으로 인한 재질의 부식을 방지하고 산 생성조에서 나타나는 악취문제를 해결하여 경제성이 높고 슬러리가 상향유입방식으로 하부에서 유입되어 소화조내의 슬러지층을 통과하면서 미생물에 의해 유기물이 세포합성이나 가스생성에 이용된 후 상부로 유출되도록 하므로서 발생된 가스는 상승하면서 슬러리를 교반시켜 소화조내의 회로차단을 방지하고 소화조 상부의 가스분리장치에 의하여 가스와 슬러지는 분리되고 분리된 슬러지는 다시 침전됨으로써 가스에 의한 슬러지의 유출이 방지되도록 하는 폐기물 처리방법을 제공하는 것이다.

전술한 본 발명의 목적은 유기성 폐기물을 파쇄하는 단계와 스크류식 선별기와 원심분리형 선별기를 이용하여 협잡물을 제거하는 전처리 단계, 바이오가스로부터 생성되는 악취와 부식성 물질인 황화수소류를 제거하기 위해 약품을 유기성폐기물에 첨가하는 단계 및 경제성이 있는 처리를 위하여 단상 소화조에서 pH, 온도, 체류시간, 혼합 및 교반을 측정하여 측정된 데이터를 기준으로 단상 소화조를 최적의 조건으로 작동시키므로서 최대의 메탄 생산량을 얻을 수 있도록 하는 본 발명의 폐기물 처리방법에 의하여 달성된다.

도 1은 본 발명에 따른 단상 혐기성소화설비에 의한 혼합 유기성 폐기물 처리방법을 설명하기 위한 공정도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1...혼합 유기성 폐기물 2...저장조

3...파쇄기 4,7,9,11...펌프

5...스크류식 선별기 6...사이클론형 선별기

8...혼합조 10...가수분해조

12...열교환기 13...혐기성 소화조

14...저장조 15...탈수기

16...폐수처리저장조(여액) 17...퇴비화 저장조

본 발명은 저장조(2)에서 배출되는 혼합 유기성 폐기물을 파쇄기(3)로 파쇄하고 파쇄물을 펌프(4)로 스크류식 선별기(5)와 원심분리형 선별기(6)로 이송하여 협잡물을 분리하는 전처리 단계, 상기 전처리 단계를 거친 유기성폐기물을 펌프로 교반날개가 장착된 혼화조(8)로 보내어 교반하여 균일한 농도를 유지하도록 할 수 있도록 한 다음, 펌프로 가수분해조(10)로 보내져 유기폐기물을 분해되기 쉽도록 유기성분의 구조를 끊어주며 이에 악취와 부식성물질인 황화수소류를 제거하기 위하여 약품( FeCl₂)을 투입하여 가수분해시키는 단계, 가수분해 처리된 슬러리를 혐기성 미생물이 활동하기 용이한 온도를 유지하기 위하여 자체 공정열을 이용한 열교환기(12)를 이용하여 30-42℃로 승온하여 혐기성 소화조(13)로 투입하는 단계, 투입된 슬러리를 단상 혐기성 상태에서 15-22일정도 체류, 혼합, 교반속도는15-25rpm, 온도는 35-42℃, pH 6.5∼7.5를 유지하여 단상에서 산 발효와 메탄발효를 동시에 행하여 메탄가스를 발생시키고 슬러지를 분리 이송하는 단상 혐기성 소화단계, 슬러지를 저장조(14)에서 수중폭기를 써서 침전을 방지하면서 2일 이상 체류하는 단계, 탈수기(15)에 응집제폴리머를 첨가하여 여액(16)과 고형분으로 분리한다음 고형분은 건조하여 퇴비를 생산하는 단계로 구성된다.

본 발명에 따르면 전처리 단계는 가축의 분뇨나 음식물 쓰레기 같은 물을 함유하는 유기성 폐기물을 저장조에서 배출하면서 펌프로 이송할 때 펌프가 폐쇄되는 것을 방지하고 용이하게 이송되도록 하기 위하여 섬유질 물질을 4cm 이하의 크기로 파쇄하는 단계, 스크류식 선별기를 이용하여 폐기물 중에 함유된 비닐 등을 분리하는 1차 선별단계 및 사이클론을 이용하여 돌과 같은 고형물을 비중차에 의하여 분리하는 2차 선별단계를 포함한다. 저장조는 파쇄기로 보내는 유기성 폐기물을 일시적으로 저장하는데 사용되는바, 파쇄기는 저장조 저면에 형성할 수 있다. 필요할 때는 2차 선별을 거친 폐기물을 교반날개가 장착된 혼합조로 보내어 교반하므로서 폐기물이 균질의 슬러리 상태를 유지하도록 하여 균일한 농도를 유지하도록 한다. 이때 혼합조에 미생물을 투입하여 발효시킬 수도 있다. 본 발명에 의하면 각 단계 사이의 폐기물 이송은 이송펌프에 의하여 이루어진다.

가수분해 단계는 악취와 부식성 물질인 H₂S를 제거하기 위하여 FeCl₂를 첨가하여 다음의 반응식으로 표현된 바와 같이 악취성 물질을 제거하고 유기성 폐기물을 1차 발효시켜 유기물을 분해시킨다. 가수분해조는 스테인레스스틸과 같은 부식성 물질로 제작하거나 내부코팅을 실시하여 산에 의한 부식이 일어나지 않도록 하는 것이 중요하다.

H₂S + FeCl₂→ FeS + 2HCl

가수분해 단계를 거친 폐기물 슬러리는 열교환기에서 37℃ 정도로 가온된 다음 혐기성 소화단계로 보내진다. 혐기성 소화단계는 혐기성 소화조에서 실시되는바, 이 단계에서는 유기성 폐기물이 단상에서 산 발효와 메탄발효가 동시에 일어나는 혐기성 발효가 일어나면서 메탄가스를 생산한다. 이 단계에서는 폐기물의 농도, pH, 온도, 체류시간 등의 변수를 측정하여 제어시스템으로 보내므로 서 시스템이 발효가 일어나서 폐기물에서 메탄가스가 최대로 발생할 수 있는 최적의 조건으로 혐기성 소화조의 작동조건을 제어하도록 한다. 전술한 혐기성 소화조에서는 다음의 반응식에 따라 낙산과 프로피온산을 분해하여 메탄가스가 생성되게 된다.

낙산의 분해단계

C₃H₇COOH + 2H₂O → 2CH₃COOH + 2H₂

프로피온산의 분해단계

C₂H₅COOH + 3H₂O → CH₃COOH + 3H₂+ H₂CO₃

메탄 생성

CH₃COOH → CH₄+ CO₂

CO₂+ 4H₂→ CH₄+ 2H₂O

전술한 바와 같이 혐기성 소화조는 내부의 압력을 1bar의 압력으로 배출되도록 한다. 배출되는 메탄 가스는 응축수 제거장치를 통과시켜 가스는 연료로 사용하고 응축수는 혐기성 소화조로 공급할 수 있다. 특히 본 발명에 의하여 생산되는 메탄가스는 발전설비의 연료로 사용하는바, 발전 설비의 가동 중단 시를 대비하여외부로 배출하면서 소각시킬 수 있도록 하여야 한다. 그리고 고형물은 배출시켜 탈수하고 퇴비로 사용된다.

본 발명에 의하면 메탄가스가 대량으로 생산되고 발효과정에 악취의 발생이 없으며 악취가 없는 퇴비를 생산할 수 있는 효과가 있다.

실시예

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 단상 혐기성소화설비에 의한 혼합 유기성 폐기물 처리방법을 설명하기 위한 공정도로서, 유기성폐기물(1)이 최소한 2일분의 저장할 수 있는 저장조(2)로 투입되며 저장조(2)에는 수위측정기가 설치되어 저장조에서 빠져나가는 양을 조절하게 되었다. 폐기물은 파쇄기(3)에서 5cm 이하의 크기로 파쇄한 다음, 펌프(4)를 이용하여 스크류식 선별기(5)로 이송하여 플라스틱 등의 협잡물을 제거한다. 이어서 폐기물을 사이클론 선별기(6)로 이송하여 폐기물에 포함된 돌이나 흙을 제거한 후 펌프(7)를 통하여 혼합조(8)로 이송한 다음 교반익(8')를 이용하여 균질이 되게 교반한다. 이 혼합조에는 폐기물이 슬러리 상태로 되도록 공정수를 첨가할 수 있다. 이 공정수는 발전시설의 냉각수를 열교환기(12)를 통해 가온시킨 다음 공급할 수 있다. 상기 전처리 단계를 거친 유기성폐기물은 펌프(9)를통하여 가수분해조(10)으로 이송하여 교반익(10')으로 교반하면서 유기 성분을 가수분해시켜 유기물의 조직을 분해시키고 펌프(11)를 통하여 혐기성 소화조(13)로 이송하면서 열교환기를 통하여 37℃로 가온시킨다.

혐기성 소화조(13)에서는 혐기성 미생물이 활동하기 용이한 온도와 pH 및 농도를 유지하기 위하여 온도, 농도 및 pH 측정기를 사용하여 상기 변수들을 측정하여 제어시스템으로 보낸 다음, 제어 시스템에서 미생물이 활동이 가장 왕성하게 일어나는 조건에 맞도록 소화조를 가동시킨다. 소화조에서는 폐기물이 단상으로 처리되며, 폐기물의 산 발효와 메탄가스 발효가 동시에 일어나서 메탄 가스가 발생하게 된다. 혐기성 소화조에 유입되는 슬러리는 소화조의 하방에서 상향 유입되면서 일차 발효가 일어난 후에 잔류하는 슬러지층을 통과하므로 슬러지 층이 교반됨과 동시에 교반익(13')에 의하여 교반되므로 발효가 균일하게 일어나게 된다.

이때 발생된 메탄 가스는 소화조 상부로부터 1bar의 압력으로 배출되는바, 이 메탄가스는 수증기 응축장치를 통과시켜 가스에 함유되어 배출되는 수분을 제거하고 발전설비로 보내어 발전에 필요한 연료로 사용한다. 그리고 응축수는 공정수로서 가수분해조로 순환시킨다. 그리고 잔류하는 폐기물 슬러리는 교반기(14')가 부착된 저장조(14)로 보내어 3일 이상 숙성시킨 다음, 탈수기(14)에서 탈수하여 수분은 폐수처리시설(16)을 통과시키면서 정화시켜 공정수로 순환 사용하고 고형분은 퇴비화 저장조(17)로 보내어 최소 25일간 재차 발효시켜 숙성시킨 다음 퇴비로 사용된다.

Claims (3)

1. 혼합 유기성 폐기물(1)파쇄기(3)로 파쇄하고 스크류식 선별기(5)와 사이클론선별기(6)로 이송하여 협잡물을 분리하는 전처리 단계, 상기 전처리 단계를 거친 유기성폐기물을 유기 성분이 분해되기 쉽도록 유기 성분의 구조를 끊어주며 이에 악취와 부식성 물질인 황화수소를 제거하기 위하여 약품을 투입하여 가수분해시키는 가수분해 단계, 가수분해 처리된 슬러리를 혐기성 미생물이 활동하기 용이한 온도를 유지하기 위하여 열교환기를 통하여 35-42℃ 승온하여 소화조로 투입하는 단계, 투입된 슬러리를 단상 혐기성 상태에서 소화단계 및 생성된 메탄가스는 연료로 공급하고 슬러지를 탈수하여 건조하고 퇴비를 생산하는 단계로 구성된 유기성 폐기물 처리방법.
2. 제1항에서, 단상 혐기성 소화단계가 폐기물 슬러리를 소화조의 하부에서 상부쪽으로 상향 유입하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 유기성 폐기물처리방법.
3. 제1항에서, 단상 혐기성 소화단계의 산발효와 메탄발효는 단상에서 35-42℃온도, pH 6.5∼7.5를 유지하여 행하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리방법.