KR100553532B1 - 유기성 슬러지의 탈수 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 함수율이 높은 유기성 슬러지의 탈수 장치가 개시된다.

상기 탈수 장치는 일정한 가압 하에서 수분이 기화(증발)되지 않는 수증기압 곡선 이내의 온도 범위에서 가온하여, 기화에너지(잠열)의 소요 없이도 슬러지 결합수분의 분리 및 제거가 가능한 탈수 장치이다.

이 때 온도의 범위는 슬러지내 세포와 결합하고 있는 결합 수분의 분리가 가능한 150~250℃로 운전하게 되고, 특히 기화에너지가 필요 없으므로 저비용 운전이 가능하게 되며, 더불어 고형물의 감량화 및 악취발생의 원천적 방지가 가능하다.

슬러지, 함수율, 결합수, 가온가압, 기화에너지, 탈수, 감량, 악취

Description

유기성 슬러지의 탈수 방법 및 그 장치{Apparatus for producing a dehydrated and dried solid from organic sludge in high moisture content}

도 1은 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 가온가압 탈수장치 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 탈수장치 및 주변 장치들을 도시한 블록도,

도 3는 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 탈수 과정을 도시한 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 반응기

110: 교반기 120: 온도센서

130: 압력센서 140: 가온히터

150: 가압부 160: 수증기 벤트

200: 펌프

300: 제어부

400: 수분증발기

본 발명은 유기성 슬러지의 탈수 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 함수율이 높은 유기성 슬러지 즉, 하수 슬러지, 축산분뇨 슬러지, 음식물쓰레기 등을 탈수하여 고형물로 생성하기 위한 유기성 슬러지의 탈수 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 미생물 처리방식으로 운영되는 하수처리장 및 축산분뇨처리장의 경우 대량의 폐 잉여 슬러지(함수율 80% 정도)가 발생하게 되는데, 상기 슬러지가 2003년 한 해 2.3백만톤에 달하였으며, 음식물 쓰레기(함수율 70% 이상)의 경우 2003년 한 해 3.9백만톤에 달하였다.

이러한 함수율이 높은 유기성 슬러지는 세포벽 내부에 결합되어 있는 수분이 많아 이의 제거가 매우 어려운데, 탈수 효율을 높이면 첫째 고형물 감량화를 통한 처리비용이 절감되고, 둘째 혐기/호기 소화를 통한 메탄 등의 연료를 생성하게 되며, 셋째 비료 및 퇴비화 그리고 넷째 소각 및 열분해를 위한 건조 처리비용의 절감 등 많은 이점이 있으므로 그동안 많은 시도가 이루어져 왔다.

이러한 시도에 앞서 현재까지는 대부분 매립 또는 해양투기로 버려지고 있으나, 매립의 경우 하수슬러지는 2003년 7월부터, 음식물쓰레기는 2005년1월부터 폐기물관리법에 의해 금지되었고, 해양투기의 경우도 런던협약에 의해 2005년 12월경부터 금지될 예정에 있다.

이에따라 향후의 슬러지 처리기술로는 소각.용융, 열분해, 비료 및 퇴비화 등이 대두되고 있는 실정이다.

함수율이 높은 유기성 슬러지의 소각.용융, 열분해, 비료 및 퇴비화를 위해서는 함수율을 낮추는 것이 필수적인데(소각.용융: 60%미만, 퇴비화: 50%미만, 가스화:20%미만, 건자재:5%미만), 현재의 기계적인 탈수장치(벨트프레스, 프레스필터 등의 1차 탈수)로는 함수율을 낮추기가 어려워(함수율 70 ~ 80%), 열처리에 의한 건조방법을 통해 함수율을 낮추고 있다.

다만, 건조 시 400℃가량의 열풍으로 처리하여 주게 되는데 수분 기화(증발)를 위한 기화에너지(539cal/g, 1atm)가 필요하게 되어 에너지 비용이 과다하고, 외부 공기원을 주입하게 되어 악취발생이 심하므로 주변 지역 주민에 의한 민원 및 Nimby 현상의 원인이 되고 있다.

최근 건조설비 제작업체들은 건조비용 및 악취발생 저감을 위해 노력하고 있으나 기술의 원천적 한계를 극복할 수는 없는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명의 목적은 함수율이 높은 유기성 슬러지를 탈수하기 위한 기술로서, 저비용 운전 및 악취발생의 문제가 발생되지 않는 저온저압형(150~250℃, 4.8~40kg/㎠) 가온가압 반응기에 의한 하수 슬러지의 수분을 분리 제거할 수 있는 탈수 방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 유기성 슬러지의 탈수 방법에 있어서, 밀폐형 가온가압 반응기에 함수율이 높은 유기성 슬러지를 투입하는 슬러지 투입단계; 가온히터를 통해 반응기의 온도를 150 ~ 250℃, 그리고 가압부를 통해 반응기의 압력을 4.8 ~ 40kg/㎠ 으로 설정하고 30분 ~ 1시간 가열 및 가압하는 가온가압 단계; 가온가압 단계시 반응기의 교반날개를 통해 슬러지의 고화를 방지하도록 교반하는 슬러지 교반단계; 가온가압 단계후 고형물을 생성하는 고형물 생성단계;를 수행하여서 됨을 특징으로 한다.

상기 가온가압 단계에서 슬러지로부터 분리된 수분의 일부가 기화되어 일정 압력 이상이 될 경우 온도 및 압력센서가 이를 감지하여 제어부를 통해 수증기 벤트로 증기를 배출하도록 하는 증기 배출단계를 더 추가하여 수행한다.

상기 과정에서 투입된 하수 슬러지를 반응온도 150~250℃, 압력 4.8~40kg/㎠ 범위에서 30분 ~ 1시간 가열하고, 가온시 상기 슬러지에 포함되어 있는 수분이 기화(539cal/g의 기화에너지 소요)되지 않도록 반응기의 압력을 수증기압 곡선 이상의 조건으로 조정하여(150℃에서 4.8kg/㎠ 이상), 상기 슬러지의 세포로부터 결합 수분을 액상의 형태로 분리 추출한다.

즉, 슬러지 내부의 세포 결합 수분은 150℃ 전후에서 고형물과 분리되기 시작하므로 온도의 범위를 150℃이상으로 가온해주고, 수증기압 원리에 의해 수분이 해당 온도에서 기화(증발)되지 않는 압력 조건 이내로 반응기를 운전하여 주면, 기화에너지 필요 없이 가온에 필요한 비열(1cal/g)만으로도 수분을 탈수 분리하여 낼 수 있다.

기존의 열풍 건조 방식은 상압 조건(1.03kg/㎠)에서 운전되므로 수분이 100℃에서 기화되기 시작하며, 슬러지내 모든 수분이 기화되기 전에는 아무리 많은 에너지를 투입하여도 우선적으로 수분의 기화에 소모되므로 온도는 상승하지 않는다. 이로 인해 400℃가량의 직접 열풍으로 수분의 기화에 필요한 에너지를 전달하게 되므로, 많은 비용이 소요되고 건조시 다량의 외부 공기원 투입에 의해 악취 발생이 필연적이다.

상기 유기성 슬러지의 탈수 과정을 위해, 유기성 슬러지를 저장하게 되며, 내부에 슬러지를 교반하도록 교반날개가 제공되는 반응기; 상기 반응기의 내부를 가열하기 위한 가온히터; 상기 반응기의 내부를 가압하기 위한 가압부; 상기 반응기의 가온가압시 온도와 압력 측정을 위한 온도 및 압력센서; 상기 온도 및 압력센서의 신호값을 통해 정해진 해당 온도 및 압력으로 조절하게 되는 제어부; 상기 반응기에 제공되며 내부가 일정 압력 이상으로 압력 상승시 상기 제어부에 의해 조절되어 증기를 배출하게 되는 수증기 벤트;를 포함하여 구성한다.

상기 반응기에 제공되며 슬러지의 수분 분리 제거 후 얻어진 고형물의 표면에 남아있는 일부 수분을 건조하게 되는 수분 증발기;를 포함한다.

또한, 상기 반응기에 유기성 슬러지를 자동으로 이송하여 투입하기 위한 슬러지 이송용 펌프를 더 구비함이 바람직 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 탈수 장치를 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 가온가압 탈수장치의 구성도이고, 도 2는 전체 장치들 간의 블록도이다.

도 1 또는 도 2의 도시에 의하여 본 발명은, 슬러지를 탈수하기 위한 반응기(100)와 주변장치들로 구성되며, 교반날개(110), 온도센서(120), 압력센서(130), 가온히터(140), 가압부(150), 수증기 벤트(160), 및 이들 부품을 제어하기 위한 제어부(200) 등이 있고, 또한 슬러지를 반응기(100)에 이송시키기 위한 펌프(300)가 더 제공된다.

상기 반응기(100)는, 기밀이 유지된 밀폐형이며, 그 내부에 설치된 교반날개(110)는 회전시 상기 반응기(100) 내부에 수용된 슬러지를 반응이 진행되는 동안 고화(덩어리짐)를 방지하고 온도를 골고루 전달하게 된다.

상기 압력센서(130)는, 상기 반응기(100)의 내부 압력을 측정하기 위한 것이고, 측정된 신호값을 상기 제어부(200)로 출력하게 되며, 반응초기 압력이 부족할 경우 질소 탱크 등과 연결된 가압부(150)에 의해 승압된다.

상기 가온 히터(140)는, 상기 반응기(100)의 가열을 위한 것으로 상기 제어부(200)의 신호값에 따라 작동되며, 이때 전기가열로가 바람직하다.

상기 제어부(200)는, 상기 압력센서(130)를 통해 일정한 압력조건하에서 가온히터(140)의 동작을 제어하여 상기 반응기(100)의 내부온도를 조절하기 위한 것이다. 그 온도범위는 유기성 슬러지의 결합 수분 분리에 필요한 150～250℃의 범위로 함이 바람직하다.

상기 수증기 벤트(400)는, 상기 반응기(100) 내에서 슬러지가 처리되는 동안 분리된 수분의 일부가 증기로 기화되어 일정 압력 이상이 될 경우 외부로 배출할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이상에서와 같이 구성되는 유기성 슬러지의 탈수 장치를 통한 슬러지 탈수 방법에 대해 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3의 도시에 의하여, 함수율 약 80%의 하수 슬러지(100)를 이송용 펌프(300) 등을 이용하여 반응기(100) 안에 투입하는 슬러지 투입단계(S1)를 수행하고, 연속해서 가온히터(140)로 가열하여 반응기의 내부 온도를 150～250℃로 올림과 동시에 30분 ～ 1시간 가량 작동시키는 가온가압단계(S2)를 수행하며, 동시에 교반날개(110)를 회전시키는 슬러지 교반단계(S3)를 수행한다. 그러면 슬러지의 고화가 방지되며 온도와 압력이 슬러지 전체에 고르게 전달된다. 이 때 정해진 온도에서 압력이 수증기압 이상으로 올라가지 않을 경우 수분이 증발하게 되어 에너지 손실이 많아지므로, 가압부(150)를 통해 수증기압 이상으로 반응기(100) 내의 압력을 높여준다. 작업이 끝날 때까지 반응기(100)는 밀폐 상태를 유지하여 내부 공기가 유출되지 않도록 하게 되며, 제어부(200)는 상기 반응기(104)의 온도 및 압력을 제어하게 된다. 그러면 상기 제어부(200)는 적절한 온도와 압력의 범위인, 150℃온도로 운전시 압력 4.8kg/㎠ 이상을, 또는 200℃온도로 운전시 압력 15.9kg/㎠ 이상으로 운전하도록 하게 된다.

여기서, 상기 가온가압 단계(S2)에서 슬러지로부터 분리된 수분의 일부가 기화되어 일정 압력 이상이 될 경우 온도 및 압력센서(120)(130)가 이를 감지하여 제어부(200)를 통해 수증기 벤트(160)로 증기를 배출하도록 하는 증기 배출단계(S4)를 수행하도록 함이 바람직하다.

상기와 같은 방식으로 반응기(100)의 내부 온도와 압력을 조절하면서 가열하면, 슬러지 세포 내의 결합 수분이 분리 탈수되어 고형물이 생성되는 고형물 생성단계(S5)가 완료되고, 동시에 분리된 수분은 반응기(100) 내에 수분으로 존재하게 된다. 반응 후의 수분은 배출하여 하수처리장 등으로 보내어 처리하게 되고, 생성된 고형물은 수분증발기(400)에 의해 일부 표면에 부착된 수분이 증발 제거되는 수분 증발단계(S6)가 수행된다.

최종적으로 슬러지 고형물은 함수율이 5% 정도로 건조되고, 부피 및 무게비율은 20% 정도로 감소되므로, 매립, 소각 또는 재이용할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 탈수 장치는 적정한 가온 및 가압을 통해 에너지 손실을 최소화하면서 함수율이 높은 유기성 슬러지로부터 쉽게 수분을 분리, 제거하여 탈수할 수 있는 효과가 있다.

또한, 슬러지의 무게 및 부피의 대폭적인 감량과 밀폐형 반응장치에 의한 악취발생의 원천적 방지가 가능한 효과도 있다.

이외에도 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 쉽게 이해될 수 있다.

Claims (6)

1. 유기성 슬러지의 탈수 방법에 있어서,

   밀폐형 가온가압 반응기에 함수율이 높은 유기성 슬러지를 투입하는 슬러지 투입단계;

   가온히터를 통해 반응기의 온도를 150 ~ 250℃, 그리고 가압부를 통해 반응기의 압력을 4.8 ~ 40kg/㎠ 으로 설정하고 30분 ~ 1시간 가열 및 가압하는 가온가압 단계;

   상기 가온가압 단계에서 슬러지로부터 분리된 수분의 일부가 기화되어 일정 압력 이상이 될 경우 온도 및 압력센서가 이를 감지하여 제어부를 통해 수증기 벤트로 증기를 배출하도록 하는 증기 배출단계;

   가온가압 단계시 반응기의 교반날개를 통해 슬러지의 고화를 방지하도록 교반하는 슬러지 교반단계;

   가온가압 단계후 고형물을 생성하는 고형물 생성단계;

   상기 고형물 생성단계후 생성된 고형물이 수분증발기에 의해 일부 표면에 부착된 수분이 증발 제거되도록 하는 수분증발단계;

   를 수행하여서 됨을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 탈수 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 유기성 슬러지의 탈수 장치에 있어서,

   유기성 슬러지를 저장하게 되며, 내부에 슬러지를 교반하도록 교반날개가 제공되는 반응기;

   상기 반응기에 유기성 슬러지를 이송하여 투입하기 위한 슬러지 이송용 펌프;

   상기 반응기의 내부를 가열하기 위한 가온히터;

   상기 반응기의 내부를 가압하기 위한 가압부;

   상기 반응기의 가온가압시 온도와 압력 측정을 위한 온도 및 압력센서;

   상기 온도 및 압력센서의 신호값을 통해 정해진 해당 온도 및 압력으로 조절하게 되는 제어부;

   상기 반응기에 제공되며 내부가 일정 압력 이상으로 압력 상승시 상기 제어부에 의해 조절되어 증기를 배출하게 되는 수증기 벤트;

   상기 반응기에 제공되며 슬러지의 수분 분리 제거 후 얻어진 고형물의 표면에 남아있는 일부 수분을 건조하게 되는 수분 증발기;

   를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 탈수 장치.
5. 삭제
6. 삭제

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