KR100484681B1 - 친수성 유동상 미생물 담체가 충진된 고율 혐기성 소화조 - Google Patents

친수성 유동상 미생물 담체가 충진된 고율 혐기성 소화조 Download PDF

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Abstract

친수성 유동상 미생물 담체를 소화조에 충진하여 폐수 처리 효율을 높이고, 소화조의 안정적인 운전을 도모하는 고율 혐기성 소화조에 관한 것으로서, 고율 혐기성 소화조는 친수성 유동상 미생물 담체를 15∼30부피% 보유하는 본체와; 본체 내부로 폐수를 공급하는 폐수 공급관과; 본체 내부에서 본체의 바닥면과 임의의 간격을 두고 수직하게 고정 설치되며 내부가 빈 원통형으로 이루어지는 교반 튜브 및 교반 튜브 내부로 압축 가스를 공급하는 가스 공급관을 구비하여 압축 가스의 압력을 이용해 본체의 내용물을 교반하는 가스 교반기와; 본체에서 수거된 바이오 가스를 제공받아 이를 압축하여 가스 공급관에 압축 가스를 제공하는 가스 컴프레셔와; 미생물 담체에 의해 분해된 소화액을 배출하는 처리수 배출관을 포함한다.

Description

친수성 유동상 미생물 담체가 충진된 고율 혐기성 소화조 {HIGH RATE ANAEROBIC DIGESTER USING HYDROPHILIC MOVING MICROBIAL MEDIA}
본 발명은 축산 폐수 처리용 혐기성 소화조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 친수성 유동상 미생물 담체를 소화조에 충진하여 폐수 처리 효율을 높이고, 소화조의 안정적인 운전을 도모하는 고율 혐기성 소화조에 관한 것이다.
종래 축산 폐수 처리용 혐기성 소화조로 단상 완전 혼합형 소화조(single stage completely mixed anaerobic digester)가 알려져 있다. 그러나 이 소화조는 유기물 감량에 필요한 체류 시간이 15∼30일로 매우 길어 소화조의 용량 증가를 유발하고, 소화조 내에 고농도로 혐기성 미생물을 유지하기 곤란하므로 별도의 침전조를 설치하여 침전된 혐기성 미생물을 소화조로 재순환시킴에 따라, 불필요한 구조물 증대를 유발하는 단점이 있다.
그리고 소화조를 운영함에 있어서, 안정적인 소화 효율을 얻기 위해서는 기질과 미생물의 접촉 효율을 최대화하고, 유입수 내 저해 물질이 소화조로 유입시에 이를 신속하게 확산시켜 소화조의 운영 실패를 막아야 하는데, 이를 위해 종래의 소화조는 그 상부에 임펠러형 교반기를 장착하여 균일한 교반을 수행하게 된다.
그러나 전술한 기계적 교반기는 고장이 잦으며, 고장시 수리를 위해서는 소화조 내부를 비워야 하는 단점이 있다. 특히 혐기성 소화조의 특성상 소화조를 비운 후 공정을 재시작하여 정상 상태로 운영하는 데에는 약 50일 이상이 소요되므로, 교반기의 고장은 소화조 운영에 막대한 차질을 유발한다.
따라서 단상 완전 혼합형 소화조의 문제점을 해결하기 위하여, 소화조에 고정상 담체를 충진하는 혐기성 필터(AF; anaerobic filter) 공법과, 미생물의 자가 고정화(self immobilization)을 이용한 UASB(upflow anaerobic sludge blanket) 공법이 축산 폐수 처리를 위해 일부 적용되고 있다.
그러나 혐기성 필터 공법은 담체가 고정되어 있으므로 미생물과 기질의 접촉 효율이 떨어지고, 담체 외부에서 내부로의 물질 전달이 어려워 처리 효율이 저하되며, 유입수 순환에 의한 교반을 제외한 별도의 교반 장치를 구비하지 않아 소화조 내에서 단회로(channelling) 현상이 자주 발생하는 단점이 있다. 그리고 UASB 공법은 축산 폐수와 같이 부유 물질(suspended solids)이 많은 경우에는 그래뉼레이션이 어려워 안정적인 운영이 어려워진다.
더욱이 소화조의 형상을 살펴볼 때, 종래의 소화조는 교반 효율을 높이기 위해 소화조 하부를 원뿔 형상으로 하고 있으나, 이는 구조물의 설치를 어렵게 하고, 초기 투자비를 상승시키는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 미생물과 기질의 접촉 효율을 향상시켜 폐수 처리 효율을 높이며, 소화조의 내용물을 원활하게 교반하여 소화조 내 단회로 현상을 방지하고, 소화조 내부에 고농도 미생물을 유지시켜 소화조내 체류 시간을 단축시킬 수 있는 축산 폐수 처리용 고율 혐기성 소화조를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
친수성 유동상 미생물 담체를 15∼30부피% 보유하는 본체와, 본체 내부로 폐수를 공급하는 폐수 공급관과, 본체 내부에서 본체의 바닥면과 임의의 간격을 두고 수직하게 고정 설치되며 내부가 빈 원통형으로 이루어지는 교반 튜브 및 교반 튜브 내부로 압축 가스를 공급하는 가스 공급관을 구비하여 압축 가스의 압력을 이용해 본체의 내용물을 교반하는 가스 교반기와, 본체에서 수거된 바이오 가스를 제공받아 이를 압축하여 가스 공급관에 압축 가스를 제공하는 가스 컴프레셔와, 미생물 담체에 의해 분해된 소화액을 배출하는 처리수 배출관을 포함하는 고율 혐기성 소화조를 제공한다.
바람직하게, 미생물 담체는 표면이 친수화 처리된 폴리우레탄 발포체로 제작되고, 한변의 길이가 20∼50mm인 정육면체로 이루어지며, 95% 이상의 기공율과 0.03∼0.04mg/cm3의 비중을 갖는다.
폐수 공급관은 가스 공급관 상부에서 본체 외부와 교반 튜브 내부를 연결하도록 설치되어 교반 튜브 내부로 폐수를 공급한다. 그리고 폐수 공급관 및 가스 공급관의 끝단에 대향하는 교반 튜브 내부에는 유속 상승과 와류 형성을 위한 내부 배플이 설치되며, 내부 배플은 플레이트 형상으로 교반 튜브 상부를 향해 45°각도로 경사지게 설치된다.
교반 튜브 하단부에는 깔때기 형상의 회전 유도형 유입구가 설치되고, 회전 유도형 유입구에는 원주 방향을 따라 다수의 천공이 형성되며, 내부에 굽은 모양의 블레이드가 다수 설치된다. 교반 튜브 상단부에는 깔때기 형상의 회전 유도형 유출구가 설치되며, 회전 유도형 유출구 내부로 굽은 형상의 블레이드가 다수 설치된다. 또한 교반 튜브 상부에는 교반 튜브와 임의의 간격을 두고 역 원뿔 형상의 유로변경 배플이 설치된다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고율 혐기성 소화조를 도시한 단면도이다.
도시한 바와 같이, 고율 혐기성 소화조(2)는 친수성 유동상 미생물 담체(4)를 15∼30부피% 보유하는 본체(6)와, 본체(6) 내부로 폐수를 공급하는 폐수 공급관(8)과, 본체(6)에서 생성된 바이오 가스를 수거하고 압축하여 압축 가스를 생성하는 가스 컴프레셔(10)와, 본체(6) 내부에 고정 설치되고 가스 컴프레셔(10)로부터 압축 가스를 제공받아 압축 가스의 압력으로 본체에 저장된 내용물을 교반하는 가스 교반기(12)와, 본체(6)에서 분해된 소화액을 배출하는 처리수 배출관(14)을 포함한다.
본 실시예에서 친수성 유동상 미생물 담체(4)는 정육면체 형상으로, 한변의 크기는 대략 20∼50mm로 이루어진다. 미생물 담체(4)의 기공율은 95% 이상이며, 기공의 크기는 15∼30ppi 범위이다. 미생물 담체(4)는 폴리우레탄 발포체로 이루어지며, 각각의 기공은 발포 단계에서 불활성 가스에 의해 완전히 개방되도록 한다.
또한 미생물 담체(4)는 표면을 친수화 처리(일례로, 발포 단계에서 수산기나 카르복실기 등 친수화기를 부착)하여 소화조에 미생물 담체가 투입되었을 때, 미생물 담체에 물이 쉽게 스며들어 유동을 용이하게 하며, 혐기성 소화 과정에서 발생하는 바이오 가스가 쉽게 배출되도록 하여 담체 외부의 기질을 기공으로 유입함으로써 미생물과 기질의 접촉 효율을 극대화한다.
바람직하게, 미생물 담체(4)의 비중은 0.03∼0.04mg/cm3이고, 미생물 부착시에는 0.95∼1.15mg/cm3이며, 가스 교반기(12)의 교반 작용에 의해 본체(6) 내부에서 균일하게 분포하게 된다.
가스 교반기(12)는 본체(6) 내부에서 본체(6)의 바닥면과 임의의 간격을 두고 수직하게 고정 설치되며 내부가 빈 원통형으로 이루어지는 교반 튜브(16)와, 본체(6) 외부에 설치된 가스 컴프레셔(10)와 교반 튜브(16) 내부를 연결하여 가스 컴프레셔(10)에서 생산된 압축 가스를 교반 튜브(16)에 제공하는 가스 공급관(18)을 포함한다.
이 때, 가스 컴프레셔(10)는 로터리베인형 가스 컴프레셔가 바람직하며, 본체(6) 상부에 설치된 바이오 가스 유출관(20)으로부터 바이오 가스를 제공받아 이를 1∼3kgf/cm2의 압력으로 압축한다. 이로서 가스 교반기(12)는 별도의 동력원을 구비하지 않고, 본체(6)에서 생성된 바이오 가스를 폐수 슬러지 교반을 위한 에너지로 사용한다.
이와 같이 교반 튜브(16) 내부에 압축 가스가 제공됨에 따라, 본체(6)에 제공되는 폐수와 바이오 가스의 원활한 혼합을 위하여 폐수 공급관(8)은 가스 공급관(18) 상부에서 가스 공급관(18)과 평행하게 설치된다. 즉, 폐수 공급관(8)은 가스 공급관(18) 상부에서 본체(6) 외부와 교반 튜브(16) 내부를 연결하여 교반 튜브(16) 내부로 폐수를 공급한다.
그리고 교반 튜브(16)는 폐수 공급관(8) 및 가스 공급관(18)의 끝단에 대향하는 내부에 플레이트 형상의 내부 배플(22)을 교반 튜브(16) 상부를 향해 45°각도로 경사지게 설치한다. 이로서 교반 튜브(16)는 내부 배플(22)이 설치된 지점에서 내부 용적이 감소하여 순간적인 유속 상승을 유발하고, 와류 발생을 최대화하여 유입되는 폐수와 내부 소화액 및 압축 가스의 혼합을 극대화한다.
이로서 가스 교반기(12)가 교반 튜브(16) 내부에서 압축 가스의 압력을 이용해 폐수를 상승시키면, 상승된 폐수는 친수성 유동상 미생물 담체와 혼합되며 교반 튜브(16) 외부에서 본체(6) 바닥면을 향해 하강하고, 본체(6) 바닥면에 쌓인 미생물 담체와 폐수 슬러지는 압력 차에 의해 다시 교반 튜브(16) 내부로 유입되어 상승하는 과정을 반복하게 된다.
이와 같이 동작하는 가스 교반기(12)는 폐수 슬러지의 교반 효율을 높이기 위해 교반 튜브(16) 하단에 깔때기 형상의 회전 유도형 유입구(24)를 설치하고, 교반 튜브(16) 상단에도 깔때기 형상의 회전 유도형 유출구(26)를 설치하며, 교반 튜브(16) 상부에 원뿔형의 유로변경 배플(28)을 설치한다.
도 2는 도 1에 도시한 회전 유도형 유입구의 저면도로서, 회전 유도형 유입구(24)는 원주 방향을 따라 다수의 천공(30)을 구비하여 미생물 담체와 폐수 슬러지가 교반 튜브(16) 내부로 용이하게 유입되도록 하고, 굽은 형상의 블레이드(32)를 내부에 다수 설치하여 미생물 담체와 폐수 슬러지의 회전을 유도한다.
도 3은 도 1에 도시한 회전 유도형 유출구의 평면도로서, 회전 유도형 유출구(26) 또한 내부에 굽은 형상의 블레이드(32)를 다수 설치하여 미생물 담체와 폐수 슬러지의 회전을 유도한다. 이 때, 회전 유도형 유입구(24)와 회전 유도형 유출구(26)에 설치된 굽은 형상의 블레이드(32)는 블레이드(32)를 폈을 때의 형상이 도 4에 도시한 바와 같이 삼각 형상으로 이루어진다.
따라서 본체(6) 바닥에 쌓인 미생물 담체와 폐수 슬러지는 회전 유도형 유입구(24)를 통해 교반 튜브(16) 내부를 회전하면서 상승하게 되고, 회전 유도형 유출구(26)를 통해 배출되면서 회전력이 더욱 증가하게 된다.
도 5는 도 1에 도시한 유로변경 배플의 사시도로서, 유로변경 배플(28)은 원뿔형으로 이루어지고, 교반 튜브(16) 상단에서 교반 튜브(16)와 임의의 간격을 두고 뾰족한 끝단이 교반 튜브(16)를 향하도록 배치된다. 이로서 유로변경 배플(28)은 교반 튜브(16)를 통해 상승한 폐수 슬러지의 경로를 수평 방향으로 변경하여 본체(6) 내부에서 원활한 유동 흐름을 갖도록 한다.
한편, 본체(6) 상부에는 본체(6) 내부의 상황을 관찰하기 위한 내부 점검창(34)이 마련되고, 압력 안전장치(36)가 구비되어 본체(6) 내부에 발생하는 갑작스런 부압과 양압에 의한 구조물의 파손을 방지한다. 그리고 도시하지 않은 가스 발전기에 바이오 가스를 제공하는 관로에는 화염 방지기(38)가 설치되어 본체(6) 내부에 점화원이 유입되는 것을 차단한다.
또한 본체(6)에서 분해되어진 소화액을 배출하는 처리수 배출관(14)에는 망사 스크린(40)이 설치되어 미생물 담체(4)의 유실을 방지하며, 본체(6)의 바닥부는 원뿔 형상이 아닌 평평한 형상으로 이루어져 초기 건설비를 감소시킨다. 이 때, 본체(6)의 너비:높이의 비는 1:1∼1:1.5 정도가 바람직하다.
이하, 본 발명의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저 본체(6) 내부에 친수성 유동상 미생물 담체(4)를 15∼30부피% 충진시키고, 폐수 공급관(8)을 통해 교반 튜브(16) 내부에 폐수를 공급함과 아울러, 가스 컴프레셔(10)를 가동하여 가스 공급관(18)을 통해 교반 튜브(16) 내부로 1∼3kgf/cm2 압력의 압축 바이오 가스를 제공한다.
이 때, 폐수 공급관(8)이 가스 공급관(18) 상부에 설치되고, 교반 튜브(16)에는 폐수 공급관(8) 및 가스 공급관(18)에 대향하여 내부 배플(22)이 45°각도로 기울어지게 설치되어 있으므로, 내부 배플(22)에 의해 폐수가 공급되는 지점에서 상승 유속과 와류가 최대화되어 유입되는 폐수의 혼합을 극대화한다.
이와 같이 교반 튜브(16) 내부로 압축 가스와 폐수가 유입되면, 압축 가스의 압력에 의해 본체(6)에 충진된 미생물 담체(4)와 폐수가 섞이면서 교반 튜브(16) 상부로 상승하고, 상승된 미생물 담체(4)와 폐수 슬러지는 회전 유도형 유출구(26) 및 유로변경 배플(28)을 통해 회전력이 최대화된 상태로 교반 튜브(16) 외부로 배출된다.
그리고 교반 튜브(16) 외부로 배출된 내용물들은 본체(6) 바닥으로 침전되고, 본체(6) 바닥에 침전된 내용물들은 교반 튜브(16)의 압력차에 의해 회전 유도형 유입구(24)를 통해 다시 교반 튜브(16) 내부로 유입되어 교반 튜브(16) 내부와 외부를 순환함으로써 본체(6) 내부에서 원활한 유동이 이루어진다.
따라서 가스 교반기(12)가 본체(6)에 충진된 미생물 담체와 본체(6)로 유입된 폐수의 혼합 효율을 극대화하여 폐수의 유기물 분해를 원활하게 하며, 미생물 담체(4)에 의해 유기물이 분해되어진 소화액은 본체(6) 상부에 설치된 처리수 배출구(14)를 통해 본체(6) 외부로 배출된다. 이 때, 처리수 배출구(14) 전면에 망사 스크린(40)이 설치되어 있으므로 미생물 담체(4)가 본체(6) 외부로 유실되는 것을 방지한다.
한편, 전술한 폐수 처리 과정에서 발생하는 바이오 가스는 바이오 가스 유출관(20)을 통해 가스 컴프레셔(10)로 제공되고, 가스 컴프레셔(10)가 바이오 가스를 압축하여 폐수 슬러지 교반을 위한 에너지로 공급한다.
이와 같이 본 발명에 의한 고율 혐기성 소화조(12)는 축산 폐수 이외에 도축장 폐수, 주정 폐수, 음식물 쓰레기의 혐기성 소화액 등 고농도 유기성 폐수를 처리하는데 유용하게 사용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 친수성 유동상 미생물 담체를 보유함으로써 기존 단상 완전 혼합형 소화조의 문제점인 슬러지 유실을 해결할 수 있고, 고정상 담체를 보유한 소화조의 문제점인 단회로 현상을 방지할 수 있다. 또한 담체 내에 고농도 미생물이 유지되어 기존 완전 혼합형 소화조에 비해 소화조내 체류시간을 2배 이상 단축할 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 가스 교반기는 소화조 내부에 설치되는 구조물이 최소화되어 소화조 내부에서 발생할 수 있는 고장과 같은 문제를 최소화하며, 수리 점검이 요구되는 가스 컴프레셔와 기타 기계 구조물들을 본체 외부에 배치하여 유지 관리를 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 고율 혐기성 소화조의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 회전 유도형 유입구의 저면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 회전 유도형 유출구의 평면도이다.
도 4는 도 2와 도 3에 도시한 블레이드가 펴진 상태를 도시한 개략도이다.
도 5는 도 1에 도시한 유로변경 배플의 사시도이다.

Claims (4)

  1. 친수성 유동상 미생물 담체를 15∼30부피% 보유하는 본체와;
    상기 본체 내부로 폐수를 공급하는 폐수 공급관과;
    상기 본체 내부에서 본체의 바닥면과 임의의 간격을 두고 수직하게 고정 설치되며 회전 유도형 유입구와 회전 유도형 유출구를 포함한 내부가 빈 원통형으로 이루어지는 교반 튜브 및 교반 튜브 내부로 압축 가스를 공급하는 가스 공급관을 구비하여 압축 가스의 압력을 이용해 본체의 내용물을 교반하는 가스 교반기와;
    상기 본체에서 수거된 바이오 가스를 제공받아 이를 압축하여 상기 가스 공급관에 압축 가스를 제공하는 가스 컴프레셔; 및
    상기 미생물 담체에 의해 분해된 소화액을 배출하는 처리수 배출관
    을 포함하는 고율 혐기성 소화조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 미생물 담체는 표면이 친수화 처리된 폴리우레탄 발포체로 제작되며 한변의 길이가 20∼50mm인 정육면체로 이루어지고, 95% 이상의 기공율과 0.03∼0.04mg/cm3의 비중을 갖는 고율 혐기성 소화조.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 회전 유도형 유출구와 회전 유도형 유입구가 각각 상기 교반 튜브의 상, 하단부에 깔때기 형상으로 구비되고,
    상기 회전 유도형 유출구와 회전 유도형 유입구가 그 내부에 굽은 형상의 블레이드를 다수 구비하며, 상기 회전 유도형 유입구의 원주 방향을 따라 다수의 천공이 형성되고,
    상기 가스 교반기가 교반 튜브 상부에서 교반 튜브와 임의의 간격을 두고 역 원뿔 형상으로 구비되는 유로변경 배플을 더욱 포함하는 고율 혐기성 소화조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 폐수 공급관이 가스 공급관 상부에서 본체 외부와 교반 튜브 내부를 연결하도록 설치되고, 상기 폐수 공급관 및 가스 공급관 끝단에 대향하는 교반 튜브 내부에 교반 튜브 상부를 향하여 45°경사각을 갖는 플레이트 형상의 내부 배플을 설치하여 유속 상승과 와류 형성을 유도하는 고율 혐기성 소화조.
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