KR100692249B1 - 고효율 축산폐수처리소화 시스템 및 이를 이용한 처리소화방법 - Google Patents

고효율 축산폐수처리소화 시스템 및 이를 이용한 처리소화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고농도 축산폐수를 이용하여 혐기성 반응기를 2상(two-phased)으로 분리하여 유기물 제거효율을 향상시키고 혐기성 아키아(archaea)를 간헐적으로 주입하여 메탄가스 발생량을 극대화하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 축산폐수를 상향류식으로 산생성 반응조로 유입하며 폐수중에 고형물을 가수분해하고 고분자 유기물을 저분자 유기산 형태로 전환하게 되고, 산생성 반응조에서는 낮은 속도의 교반을 통하여 유입되는 폐수의 접촉을 원활하게 유지하였으며 생성된 유기산 용액은 정량펌프를 이용하여 상향유식 UASB 메탄생성 반응조로 유입하게 되어 최종적으로 매탄가스로 전환시킴으로서 그 목적이 달성된다. 여기서 혐기성 아키아를 메탄 생성조에 간헐적으로 주입하여 매탄가스 발생량을 극대화 하였고 혐기성 소화공정에 제거되는 유기물은 65% 이상 제거되었다. 또한 소화작용으로 인해 제거된 슬러지내 VS만큼 슬러지가 감소되어 축산폐수처리시 발생되는 고형물의 양을 감소시킬 수 있다. 포스트-에어로빅필터(fost-aerobic filter)와 에녹시필터(anoxic filter)에서는 상대적으로 적은 유기물의 부하로 인하여 질산화 효율을 증대하고 자가영양 탈질반응을 기대할 수 있다.

Description

고효율 축산폐수처리소화 시스템 및 이를 이용한 처리소화 방법{High rate methanc production system using anaerobic archaea}
도 1은 본 발명의 축산폐수의처리 시스템 및 방법을 설명하기 위하여 도시화한 개략 공정도이고,
도 2는 본 발명에 사용되는 메탄 생성반응조의 가스발생량 및 가스종류별 발생특성그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 가수분해/산생성 반응조 101 : 원수 유입구
102 : 교반장치 200 : 저류조
300 : 메탄생성 반응조 301 : 유출관
302 : 가스포집장치 400 : 아키아 주입장치
500, 510 : 펌프
본 발명은 축산폐수를 대상으로 고농도 유기물과 영양염류를 제거하고 이에 따른 에너지원 메탄가스의 회수율을 증개시키기 위한 고효율 축산폐수처리소화 시 스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단일 혐기성 UASB 장치를 산생성조와 메탄생성조로 상(phase)분리하고, 메탄생성조에 혐기성 메탄 아키아(archaea)를 주입함으로서 유기물 제거 및 메탄가스 회수율을 극대화시키기 위한 축산폐수처리소화 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 혐기성 반응은 생물학적으로 분해 가능한 유기물이 산소가 없는 상태에서 CO2와 CH4로 분해되는 과정으로 정의 되지만, 실제로는 기질에 따른 반응경로 및 여러 미생물이 관련된 복잡한 반응으로 이루어진다. 고형 유기물이 메탄으로 전환되는 혐기성 분해반응은 고분자를 저분자로 변화시키는 가수분해단계(Hydrolysis), 산을 형성시키는 메탄형성단계(Methanogenesis)로 구분할 수 있다. 또한, 가스분해와 발효단계를 비메탄생성상(Non-methanogenesis phase), 메탄형성단계를 메탄생성상(Methanogenesis phase)이라고 하며(Toerine et al., 1967), 가수분해와 발효단계의 관점에서 BOD가 감소하지 않는 것으로부터 BOD 일정상, 메탄형성단계를 BOD 감소상이라고도 한다(Speece and McCarty, 1962).
가수분해 단계는 여러 미생물이 분비하는 셀로비아제(cellobiase), 아밀라제(amylase), 프로테아제(protease), 리파아제(lipase) 등의 체외효소(Extracelluar Enzymes)에 의해 고분자 물질이 연쇄적으로 저분자물질로 가수분해되는 과정으로 전체 혐기성 분해반응의 율속단계(Rate-limiting step)로 알려져 있으며, pH, 온도, 가수분해효소 뿐만 아니라, 고형물의 형태, 크기 및 잔류농도에 영향을 받고, 또한 생성된 유기산에 의해 저해를 받는 복잡한 반응이다(Eastman and Ferguson, 1981: Noike et al., 1985). 이러한 율속단계로 인한 혐기성 반응의 제한성을 극복 하여 혐기성 반응의 효율을 증가시키기 위해서 고형물의 화학적(Mukher jee and Levine 1992: Lin 2002), 물리적(Nah et al., 2000) 및 생물학적(Kitazumee et al., 1991)인 전처리가 활발히 연구되고 있다.
가수분해에 의해 생성된 저분자 유기물질은 발효에 관련된 미생물의 탄소원 및 에너지원으로 이용되며 이때의 주된 산생성 물질들은 VFAs(Volatile Fatty Acids) 등과 같은 저분자 지방산과 알콜 등이다. 산생성 반응시의 환원 생성물은 소화조내 산생성균의 종류와 pH, HRT, 온도 등의 환경특성에 따라 달라지는데 어떤 산생성균은 주로 수소가스를 발생시키거나 아세트산보다 고분자의 위발산이나 유기물질로부터 아테트산, 탄산가스, 수소가스 및 암모니아를 발생시킨다.
산생성 단계의 영향인자로는 ph는 5.7~6.0이 최적범위이고, 최적온도는 중온(37℃)과 고온(52℃)의 두가지가 있지만, 중온의 경우 산생성물의 분포가 일정하기 때문에 고부하에서 고온보다 안정적이다(Zeotemeyer et al., 1982). 산생성반응에 관련된 미생물을 산형성균이라하며 이전에는 통성혐기성균이 주체라고 생각해 왔으나(McKinney, 1962), 절대혐기성균이 압도적으로 많은 것이 밝혀졌다(Yoerien et al., 1967).
메탄형성단계는 혐기성 분해반응의 최종 산물인 메탄에 생성되는 과정으로 아세트산을 이용하는 메탄균과 H2를 이용하는 메탄균에 의해 수행되는데, 생성되는 메탄가스의 약 70%는 아세트산에서, 그리고 30%가 H2와 CO2에서 발생된다. 메탄균은 환경에 매우 민감한 종으로 최적 온도는 중온과 고온 두 종류가 있으며 최적 pH는 6.8~7.2이며 최적 C/N비와 N/P비는 350~400, 7이다(Henze and Harremoes, 1983).
지금까지는 단일혐기성 반응기에서 가수분해/산생성단계, 메탄생성단계를 모두 수행하기 위한 소화공정이 주를 이루었다. 이러한 소화공정은 모든 소화단계에서 관여하는 다른 미생물들의 성장조건을 모두 만족시키기 어렵기 때문에 운영조건이 까다롭고 운영실폐 후 회복하는데 오랜 시간이 걸리는 문제점이 있다. 최근에는 가수분해/산생성단계와 메탄생성 단계를 구분하여 각각의 조건을 최적화하기 위한 연구가 활발히 수행되고 있다. 각각의 단계에 관여하는 미생물의 성장조건을 충족시키기 위하여 성장속도를 조절하거나 환경인자를 조절하는 것이 일반적인데, 이를 위하여 2상(two-phase) 혐기성 소화에 대하여 연구가 되고 있다. 즉, 산생성 단계와 메탄생성 단계를 구분하고 각각의 단계에 필요한 체류시간을 달리함으로써 최종산물인 메탄생성량을 증가시키기 위한 시스템의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고농도 축산폐수의 혐기성 소화에서 단일 UASB 반응기를 가수분해/산생성 반응조, 메탄생성 반응조로 2상(two-phase)으로 분리하여 유기물 제거효율을 향상시키고 메탄회수율을 증대시킬 수 있는 고효율 축산폐수처리소화 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 시스템을 이용하여 고농도 축산폐수에서 메탄가스회수율을 향상시키기 위한 방법으로서 고효율 축산폐수처리소화 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
혐기성 단일 UASB 반응기를 가수분해/산생성 반응조와 메탄생성 반응조로 2상(2-phase)분리하여 혐기성 분해 산물인 메탄의 발생량을 증대시킬 수 있는 고효율 축산폐수처리소화 시스템을 제공한다.
상기에서, 가수분해/산생성 반응조 및 메탄생성 반응조에서의 체류시간은 각각 2일, 5일로 함이 바람직하고, 메탄생성반응을 극대화시키기 위하여는 메탄생성 반응조 유입부에 아키아 주입장치를 설치하여 혐기성 아키아를 정량주입함이 바람직하다. 상기에서의 각 체류시간은 부피를 조정하기 위하여 이와 같이 정한 것으로 관계 문헌을 참조하여 실험한 결과 최적으로 판단되었기 때문이다.
또한 상기 아키아 주입장치를 통한 아키아 주입량은 정량적으로 정하지 않고, 아키아 활성도와 주입된 반응조 내에서의 조건을 고려하여 주입한다. 본 발명에서는 메탄 생성 반응조의 부피비로 약 500배 주입, 1일 40mL를 주입하였다.
또한, 상기 가수분해/산생성 반응조로부터의 유기산 용액은 바로 메탄생성 반응조로 유입시키는 것보다 상기 가수분해/산생성 반응조 다음에 저류조를 설치하여 일정시간 체류시킨 다음 메탄생성 반응조로 유입시킴이 바람직하다.
여기서의 저류조는 상기 산생성 반응조에서 생성된 유기산을 아키아 주입 여부의 대조를 위해 조절반응기 역할로 두개의 반응조로 분할 유입하기 위한 것으로서 본 발명에서는 생물반응조로서의 역할은 하지 않으므로 저류조에서의 특정 체류시간은 없다. 또한 상기에서의 기수분해/산생성 반응조는 혐기성 상태이므로 저류 조에서의 환경 역시 혐기성 상태를 유지한다.
또한 상기 가수분해/산생성 반응조에는 원수유입을 위한 원수유입부, 반응조내의 미생물과의 접촉을 원활히하기 위한 교반장치 및 생성된 유기산 용액을 배출하기 위한 배출부를 구비시킴이 바람직하고, 상기 메탄 생성산응조에는 상기 유기산 용액을 유입시키기 위한 유입부, 생성된 유기산을 배출시키기 위한 유출관 및 메탄가스를 포집하기 위한 가스포집장치를 구비시킴이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기한 바와 같은 시스템을 이용하여 처리하고자하는 축산폐수원수를 가수분해/산생성 반응조로 유입 · 체류시켜 반응조내의 미생물과 접촉시켜 상기 원수를 유기산 용액으로 만든다음, 상기 유기산 용액을 저류조로 보내어 일정시간 체류시킨 후 메탄생성 반응조로 보내어 메탄가스를 생성하여 포집할 수 있게 하는 고효율 축산폐수처리소화 방법을 제공한다.
상기와 같은 본 발명에서는 가수분해/산생성 단계에서 유입된 고분자 유기물들이 가수분해 단계를 통해 여러 미생물이 분비하는 셀로비아제, 아밀라제, 프로테아제, 리파아제 등의 체외효소(Extracelluar Enzymes)에 의해 고분자 물질이 연쇄적으로 저분자 물질로 가수분해되고 생성된다. 산생성 단계는 가수분해 반응산물인 단당류, 아미노산, 글리세롤, 고급지방산(LONG CHAIN FATTY ACIDS)과 같은 유기 단량체 등이 산생성에 관여하는 미생물의 전자공여체와 전자수용체로서 이용되어 저급지방산(Short chain fatty acids)으로 전환되는 반응이다. 저급지방산은 발효가 더 진해되어 최종적으로 메탄생성의 전구물질인 초산(acetic acid), 알콜, 이산화탄소 및 수소 등을 생산한다. 이렇게 생성된 전구물질은 혐기성 소화의 최종단계인 메탄생성반응조로 유입되고 생성된 아세테이트와 수소를 이용하여 메탄과 이산화탄소로 전환된다. 메탄을 생성하는 미생물(methanogens)은 엄밀히 절대 혐기성 미생물인 고세균(Archaea)으로 분류된다. 따라서 본 발명의 시스템에서는 상(phase)을 가수분해/산생성단계, 메탄생성단계로 분리하여 미생물의 성장 및 반응 효율을 최적화 하고 혐기성메탄 아키아를 간헐적으로 주입함으로서 운영초기 시스템의 정상화를 단축시키고 메탄발생 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 따라서, UASB 반응기를 가수분해/산생성 단계와 메탄생성단계로 구분하여 운전하게 한다. 장치의 구성은 산생성조, 메탄생성조로 분리하여 구성하였고, 수리학적체류시간(HRT)은 각각 2.0, 5.0일 이었다.산생성 반응에 관여하는 혐기성균은 메탄생성균에 비하여 성장속도가 빠르기 때문에 상대적으로 짧은 체류시간을 요구한다. 따라서 산생성 반응조와 메탄생성 반응조의 부피비(VFR : volume fraction ratio)를 1:4 정도로 하였다.
상기에서 산생성 반응조와 메탄 생성 반응조의 부피비는, 본 발명의 개발에서 관계 문헌과 실험을 통하여 정해진 것으로서, 산생성 미생물이 메탄 생성 미생물보다 성장율이 빠르므로 이에 따른 산생성과 메탄 생성의 최적 조건을 찾은 것이다.
축산폐수는 상향류식으로 산생성 혐기성 반응조로 유입하게 되며 폐수중의 고형물을 가수분해하고 고분자 유기물을 저분자 유기산 형태로 전화하는 과정을 거치게 된다. 낮은 속도의 교반을 통하여 유입되는 폐수의 접촉을 원활하게 유지하였으며 고액분리된 상징액은 저류조에서 짧은 시간 체류하게 된다. 생성된 유기산 용 액은 정량펌프를 이용하여 상향류식 메탄생성 반응조로 유입하게 되고 최종적으로 메탄가스로 전환한다. 혐기성 메탄 반응조 상단에는 가스포집을 위하여 비닐백을 설치하였으며 수위식 가스측정기를 이용하여 가스량을 측정하였다.
이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 기술한다.
먼저, 처리하고자 하는 축산폐수 원수는 가수분해/산생성 반응조(100)의 원수 유입관(101)을 통해 가수분해/산생성 반응조(100)로 유입되고, 이때 가수분해/산생성 반응조(100)내에서 미생물과의 접촉을 원활하게 하기 위하여 교반장치(102)를 설치한다. 이렇게 생성된 유기산 용액은 저류조(200)에서 짧은 시간 체류하다가 정량펌프(510)에 의하여 메탄생성 반응조(300)로 유입하게 된다. 메탄생성 반응조(300)에서는 가수분해/산생성 반응조(100)에서 생성된 유기산을 이용하여 최종적으로 메탄가스를 생성하게 되고 메탄생성 반응조 유출관(301)을 통하여 배출되고 생성된 메탄가스는 가스포집장치(302)에 포집된다. 메탄생성 반응을 극대화하기 위하여 메탄생성 반응조(300) 유입부에 혐기성 아키아 주입장치(400)를 설치 이용하여 혐기성 아키아를 정량적으로 주입하였다.
상기와 같은 시스템에서, 가수분해/산생성 반응조(100)에서의 체류시간과 메탄생성 반응조(300)에서의 체류시간은 각각 2. 5일로 함이 좋다.
표 2와 같은 조건으로 본 발명을 실시해 본 결과를 표 1에 나타내었다.
이러한 본 발명은 축산폐수의 혐기성 처리방법에 따라 유기물질(COD) 10,000mg/L농도인 축산폐수를 유입시킨 결과, 유기물질은 6,000mg/L로 감소함을 관찰할 수 있었으며, 그 제거효율은 65%이었다.
표 1. 본 발명을 이용한 유기물 처리 성과
구분 유입 유출 제거율
유기물(COD) 17,000mg/L 6,000mg/L 65%
도 2는 본 발명의 메탄생성 반응조에서의 가스발생량과 가스종류별 발생특성을 나타낸 그래프로서, 메탄생성 반응기에서의 가스발생특성은 유기물 부하율이 0.5에서 4까지 증가 할 수록 전체 가스량과 함께 메탄가스의 발생량이 점차 증가하는 것으로 나타났다. 유기물 부하율 4에서 축산폐수 1L당 가스발생량 1.1L이었으며, 메탄측정량은 최대 0.76L로, Glucose를 이용한 이론적 가스발생량 0.8L보다 약간 적은 것으로 나타났다. 유기물부하율 4일때 정상상태에서 메탄 반응조에서 발생된 메탄, 질소, 이산화탄소의 농도는 평균적으로 각각 64, 24, 10%이었다.
표 2. TPAD(Two-phased anaerobic digestion) Operation conditions
\ 공 정 운전인자\ TPAD(two-phased anaerobic digestion)
산생성조 UASB(Archaea)
유효용량(working volume) 7L 36L
수리학적 체류시간(HRT) 2 day 5 day
반응기 형태 슬러지 bed(완속교반) 입상형 슬러지
온도(temperature) 35±1℃
상기한 바와 같은 본 발명은 축산폐수의 혐기성 소화공정과 질소, 인 제거 공정을 연계한 복합처리시스템으로 슬러지의 감량화와 안정화라는 처리목적과 함께 에너지를 회수할 수 있는 축산폐수처리 분야의 새로운 방향을 제시하는 생물공학기술(BT)를 접목한 첨단환경기술(ET)이다.
본 발명의 초점은 혐기성 소화에 관여하는 아키아(Archaea)를 배양하는 생물 공학 기술을 적용하여 향상된 혐기성 처리와 고도처리 기술을 개발한 것으로 기존의 축산폐수처리공정에도 쉽게 적용시킬 수 있다는 장점이 있으며 일부의 시설개선으로 충분한 효과를 기대할 수 있다. 또한, 후속되는 BNR을 연계하여 질소, 인을 유기물과 동시에 처리할 수 있는 패키지화된 복합고도처리 시스템을 개발할 때 축산폐수는 물론 고농도 유기성 폐수의 처리시장을 개척할 수 있을 것이다.
신설 또는 기존에 운영중인 축산폐수처리시설로부터 바이오가스의 생산량과 열량을 증대시킴으로써 연료 및 전력의 생산이 가능할 수 있을 것으로 기대되는 고도처리 기법으로 국가, 지방자치 및 각 농가에서 바로 이용할 수 있다. 따라서 우리나라의 축산폐수 처리여건에 맞는 메탄발효와 질소, 인 동시처리에 대한 대안을 제시하는 국산화된 복합적인 고도처리공정으로 상용화를 통한 시장개척이 가능하다. 또한, 연구 개발하고자 하는 시스템은 초기투자비, 유지관리비, 판매수익 등의 면에서 충분히 경쟁력이 있기 때문에 국내 시장뿐만 아니라 향후 우리나라와 여건이 비슷한 중국과 동남아시아 등에 기술이전이 가능하여 축산폐수 고도처리를 위한 막대한 예산절감과 해외시장 개척이라는 효과를 얻을 수 있을 것이다.
또한 혐기성 메탄발효 활성을 증가시켜 주는 아키아의 배양기술은 개발하고자 하는 바이오가스 생산을 위한 축산폐수 고도처리시스템 기술을 실용화시키고 시장을 개척하는데 어려움이 없을 것으로 보인다. 또한 개발기술은 국내에서는 물론 해당 산업체 중심으로 해외에 수출 할 수 있을 것이다.
본 발명은 또한, 축산폐수 처리에 많은 고충을 갖고 있는 지방자치단체에서 현재 가동중인 하수처리장과 연계하여 축산폐수 처리와 하수의 고도처리를 동시에 수행할 수 있어 직접적 활용대상자로 될 수 있으며, 축산폐수 고형물 발효 후 생성된 고 순도의 유기질 비료는 성분이 화학비료가 없던 과거에 농작물의 주된 영양분으로 사용된 거름과 같아서 현대 일반 농가의 부가가치 및 소비자의 신뢰도가 높은 유기농법을 추구하는 미래형 농업으로 전환시키는 계시가 될 것으로 판단된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 고농도 축산폐수에서 메탄가스 회수율을 향상시키기 위한 시스템에 있어서, 혐기성 단일 UASB 반응기를 가수분해/산생성 반응조와 메탄생성 반응조로 2상(two-phase) 분리하여 혐기성 분해 산물인 메탄의 발생량을 증대시키기 위한 고효율 축산폐수처리소화 시스템으로서, 상기 가수분해/산생성반응조 및 메탄생성 반응조에서의 체류시간은 각각 2일, 5일임을 특징으로 하는 고효율 축산폐수처리소화 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항 있어서, 상기 가수분해/산생성 반응조는 원수유입부, 교반기 및 생성된 유기산 용액 배출부를 구비하고 있으며, 상기 메탄생성 반응조는 상기 유기산 용액 배출부로부터의 유기산을 유입하기 위한 유기산 용액 유입부 및 생성된 가스를 포집하기 위한 가스포집장치를 구비하고 있음을 특징으로 하는 고효율 축산폐수처리소화 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 가수분해/산생성 반응조와 메탄생성 반응조 사이에는 저류조가 구비됨을 특징으로 하는 고효율 축산폐수처리소화 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 저류조와 메탄생성 반응조 유입부 사이에는 혐기성 아키아 주입장치가 구비됨을 특징으로 하는 고효율 축산폐수처리소화 시스템.
  6. 고농도 축산폐수에서 메탄가스회수율을 향상시키기 위한 방법으로서, 고효율 축산폐수처리소화방법에 있어서,
    처리하고자하는 축산폐수원수를 가수분해/산생성 반응조로 유입하여 2일간 체류시킨 다음, 상기 반응조내의 미생물과 접촉으로 상기 원수를 유기산 용액으로 만들고, 상기 유기산 용액을 저류조에서 체류시킨 다음, 메탄생성 반응조로 유입하여 5일간 체류시킴을 특징으로 하는 고효율 축산폐수처리소화 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
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KR20050085909A KR100692249B1 (ko) 2005-09-14 2005-09-14 고효율 축산폐수처리소화 시스템 및 이를 이용한 처리소화방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101273265B1 (ko) * 2011-10-10 2013-06-11 충북대학교 산학협력단 하·폐수의 유기물질 분리 및 바이오가스 회수 장치
KR101418650B1 (ko) 2012-10-23 2014-07-10 강민구 혐기성소화장치 및 혐기성소화장치 운영방법

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