KR100701613B1 - 소화조 효율향상을 위한 하수슬러지의 액상화장치 및 이를 구비한 하수처리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 하수 및 폐수처리시설에서 슬러지의 안정화 및 메탄가스 등의 에너지를 회수하는 소화조의 슬러지 액상화장치 및 이를 구비한 하수처리시스템에 관한 것으로, 소화조의 혐기성 소화효율을 향상시키기 위해 소화조에 도입되는 슬러지를 액상상태로 전환하여 메탄생성 효율을 향상시키고, 탈수슬러지의 배출량을 저감할 수 있도록 한 슬러지 액상화장치 및 이를 구비한 하수처리시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하수처리과정에서 발생된 슬러지를 포함하는 슬러지를 액상시키기 위하여 슬러지를 수용하는 액상화반응기; 상기 액상화반응기로 유입되는 슬러지를 열교환에 의하여 냉각 및 가열하는 열교환수단; 상기 액상화반응기로 공기를 공급하는 공기공급장치; 상기 액상화반응기를 소정온도로 가열하는 가열수단; 상기 액상화반응기 내의 압력을 조절하는 압력조절수단; 상기 액상화반응기 내의 온도 및 압력을 감지하는 센서부; 및 상기 센서부가 연결되고, 상기 가열수단 및 압력조절수단을 제어하여 액상화반응기 내의 온도 및 압력을 제어하는 가열가압제어장치를 포함하는 하수슬러지의 액상화장치 및 이를 구비한 하수처리시스템을 제공한다.

하수처리시스템, 하수슬러지, 액상화장치, 가열가압제어장치, 센서부

Description

소화조 효율향상을 위한 하수슬러지의 액상화장치 및 이를 구비한 하수처리시스템{Sludge liquidation apparatus for enchancing digestion efficiency and a sewage treatmemt system having the apparatus}

도1은 본 발명에 따른 슬러지의 액상화장치를 나타낸 구성도.

도2는 본 발명에 따른 슬러지의 액상화장치에 따른 액상화과정을 나타낸 액상화 공정흐름도.

도3은 본 발명에 따른 슬러지의 액상화장치를 포함하는 하수처리시스템을 나타낸 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 액상화반응기 20: 열교환수단

30: 가열수단 40: 압력조절수단

50: 가열가압제어장치 61: 압력센서

62: 온도센서 70: 교반수단

90: 공기공급수단 91: 공기분산수단

100: 슬러지 액상화장치 110: 1차침전조

120: 포기조 130: 2차침전조

140: 농축조 151, 152: 소화조

160: 탈수기

본 발명은 기존의 하수 및 폐수처리시설에서 슬러지의 안정화 및 메탄가스 등의 에너지를 회수하는 소화조의 슬러지 액상화장치 및 이를 구비한 하수처리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소화조의 혐기성 소화효율을 향상시키기 위해 소화조에 도입되는 슬러지를 액상상태로 전환하여 메탄생성 효율을 향상시키고, 탈수슬러지의 배출량을 저감할 수 있도록 한 슬러지 액상화장치 및 이를 구비한 하수처리시스템에 관한 것이다.

하수처리공정 중 소화조는 슬러지에 포함된 유기성 물질을 분해시켜 메탄가스를 생성시키고, 잔류슬러지의 탈수효율을 높여 잔류슬러지의 발생량을 줄이는 역할을 한다.

한편, 하수 슬러지에 함유된 유기물을 분해하기 위한 방법으로는 미생물을 이용한 혐기성소화법이 사용된다. 혐기성소화는 혐기성 미생물에 의해 유기물을 분해시키는데, 분해과정에서 메탄가스가 발생되어 에너지로 활용할 수 있는 장점이 있으며, 유기물 농도가 높을 경우에 적합한 기술이다.

그러나, 이러한 혐기성소화는 유기물을 분해하기 위하여 평균 20일 이상이 긴 체류시간을 위하여 반응조 용량이 커야하며, 유기물감량이 평균 30% 내외에 불과하고, 생성된 메탄의 수율이 55% 이하로 낮아 활용성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 미반응 유기물들은 슬러지의 효과적인 탈수를 방해하여, 고농도의 유기물과 수분함유로 인하여 탈수된 슬러지의 처리에 어려움이 있다.

혐기성소화반응은 크게 고형슬러지의 액상화반응과정과 액상화된 슬러지가 미생물에 의하여 소화되는 과정으로 구분되는데, 그 과정에서도 속도제한단계는 고형슬러지의 액상화 반응으로 알려져 있다.

따라서, 근래의 소화조 효율향상을 위한 기술들은 고형물의 액상화를 촉진하기 위한 전처리기술과 소화조 자체의 효율향상을 위해 온도, pH 등을 최적화하는 발법 등이 연구되어 왔다.

전처리방법으로 산, 염기, 오존 등에 의한 화학적방법과, 초음파, 파쇄기 등과 같은 물리적인 방법으로 슬러지 플록(flock)을 파과히여 생물학적 처리가 가능한 물질을 배출, 소화효율을 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 또한, 소화조 자체의 효율향상을 위해 고온 및 중온에서 운전하는 방법과 함께 미생물 활성증대를 위해 pH를 적절히 조절하여 효율을 높이는 방법도 연구되고 있다.

그러나, 기술적, 경제적인 문제들로 인해 물리,화학적 방법이 대규모로 상용화 공정에 적용된 예는 없으며, 소화조 자체의 효율향상도 한계점을 지니고 있는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 생물학적 하수처리공정에서 발생되는 농축슬러지를 액상화상태로 전처리하여 소화조에 주입함으로써 소화조의 유기물 처리효율을 향상시켜서 소화조의 용량을 줄이며, 고농도의 메탄가스를 부산물로 얻어 에너지 생산성을 향상시는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 슬러지의 탈수성을 향상시켜 슬러지 배출을 최소화 하는데 다른 목적이 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하수처리과정에서 발생된 슬러지를 액상화시키기 위하여 슬러지를 수용하는 액상화반응기; 상기 액상화반응기로 유입되는 슬러지를 열교환에 의하여 냉각 및 가열하는 열교환수단; 상기 액상화반응기내에 공기를 주입하는 공기공급장치; 상기 액상화반응기를 소정온도로 가열하는 가열수단; 상기 액상화반응기 내의 압력을 조절하는 압력조절수단; 상기 액상화반응기 내의 온도 및 압력을 감지하는 센서부; 및 상기 센서부가 연결되고, 상기 가열수단 및 압력조절수단을 제어하여 액상화반응기 내의 온도 및 압력을 제어하는 가열가압제어장치를 포함하는 하수슬러지의 액상화장치를 제공한다.

상기 센서부는, 액상화반응기 내의 압력을 측정하고, 측정된 압력값을 상기 가열가압제어장치로 전달하는 압력센서; 및 상기 액상화반응기 내의 온도를 측정하 고, 측정된 온도값을 상기 가열가압제어장치로 전달하는 온도센서로 이루어진다.

상기 액상화반응기 내부에 수용된 슬러지를 균일하게 혼합시키기 위한 교반수단을 더 구비한다.

상기 가열가압제어장치는 상기 액상화반응기의 온도가 120℃ ~ 180℃ 사이로 유지되고 압력은 10 - 15atm이 되도록 제어하고, 상기 액상화반응기 내에서 슬러지를 액상화시키기 위한 반응시간은 20 - 30분이 바람직하다.

삭제

삭제

또한, 본 발명은 외부에서 유입되는 하수의 슬러지가 침전되는 하나 이상의 침전조; 상기 침전조를 거쳐 유입된 유출수를 질산화시키는 포기조; 상기 침전조로부터 배출된 유출수의 슬러지가 제공되는 농축조; 상기 농축조에서 제공된 슬러지를 액상화시키는 액상화장치; 상기 액상화장치에서 액상화된 슬러지를 안정화시키고 이 과정에서 발생된 메탄가스를 회수하는 하나 이상의 소화조; 및 상기 소화조 에서 안정화된 슬러지를 탈수하여 배출시키는 탈수기를 포함하는 하수슬러지 액상화장치를 구비한 하수처리시스템을 제공한다.

상기 액상화장치는 하수처리과정에서 발생된 슬러지를 포함하는 슬러지를 액상시키기 위하여 슬러지를 수용하는 액상화반응기; 상기 액상화반응기로 유입되는 슬러지를 열교환에 의하여 냉각 및 가열하는 열교환수단; 상기 액상화반응기로 공기를 공급하는 공기공급장치; 상기 액상화반응기를 소정온도로 가열하는 가열수단; 상기 액상화반응기 내의 압력을 조절하는 압력조절수단; 상기 가열수단 및 압력조절수단을 제어하여 액상화반응기 내의 온도 및 압력을 제어하는 가열가압제어장치; 상기 액상화반응기 내의 압력을 측정하고, 측정된 압력값을 상기 가열가압제어장치로 전달하는 압력센서; 상기 액상화반응기 내의 온도를 측정하고, 측정된 온도값을 상기 가열가압제어장치로 전달하는 온도센서; 및 상기 액상화반응기 내부에 수용된 슬러지를 균일하게 혼합시키기 위한 교반수단을 포함하고, 상기 가열가압 제어장치는, 상기 액상화반응기의 온도가 120℃ ~ 180℃ 사이로 유지되고, 압력은 10 - 15atm이 되도록 제어하며; 상기 액상화반응기 내에서 슬러지를 액상화시키기 위한 반응시간은 20 - 30분이 바람직하다. 또한, 상기 액상화반응기에서의 원활한 혼합을 위하여 300rpm 정도로 교반된다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

이하, 첨부된 도1 및 도2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소 화조 효율향상을 위한 슬러지의 액상화장치를 설명한다. 도1은 본 발명에 따른 슬러지의 액상화장치를 나타낸 개략도이다.

도1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 슬러지 액상화장치(100)는, 하수처리과정에서 발생된 슬러지(sludge)를 포함하는 슬러지를 액상화시키기 위하여 수용하는 액상화반응기(10); 상기 액상화반응기(10)의 고온생성물과 그 반응기(10)로 유입되는 슬러지를 열교환에 의하여 냉각 및 가열하는 열교환수단(20); 상기 액상화반응기(10)를 소정온도로 가열하는 가열수단(30); 상기 액상화반응기(10) 내의 압력을 조절하는 압력조절수단(40); 상기 액상화반응기(10) 내의 온도 및 압력을 감지하는 센서부; 및 상기 센서부가 연결되고, 상기 가열수단(30) 및 압력조절수단(40)을 제어하여 액상화반응기 내의 온도 및 압력을 제어하는 가열가압제어장치(50)를 포함한다. 또한, 액상화반응을 위하여 상기 액상화반응기(10)로 공기를 주입하기 위한 공기공급장치가 제공된다.

상기 센서부는, 액상화반응기(10) 내의 압력을 측정하고, 측정된 압력값을 상기 가열가압제어장치(50)로 전달하는 압력센서(61); 및 상기 액상화반응기(10) 내의 온도를 측정하고, 측정된 온도값을 상기 가열가압제어장치(50)로 전달하는 온도센서(62)로 이루어진다.

상기 액상화반응기(10)로 공기를 주입하기 위한 공기공급장치는 외부의 공기를 액상화반응기(10)로 공급하기 위한 공기공급수단(90)과, 상기 액상화반응기(10)내에, 보다 상세하게는 액상화반응기(10) 하부측에 설치되어 공기공급수단(90)에 의하여 공급되는 공기를 균일하게 분산 공급시키기 위한 공기분산수단(91)으로 이 루어진다.

또한, 본 발명은 액상화반응기(10) 내부에 수용된 슬러지를 균일하게 혼합시키기 위한 교반수단(70)을 더 구비한다.

미설명부호 80은 하수처리공정에서 발생된 슬러지를 반응기로 주입시키기 위한 슬러지 주입펌프이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 슬러지액상화장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 하수처리과정에서 발생된 슬러지는 슬러지 주입펌프(80)에 의하여 이송되 열교환수단(20)을 거처 액상화반응기(10)로 유입된다. 이 때, 상기 액상화반응기(10)로 유입되는 슬러지는 열교환수단(20)에 의하여 예열된다.

상기 예열되어 액상화반응기(10)로 이송된 슬러지는 액상화반응기(10) 내에서 가열수단(30)에 의하여 부가적으로 가열되고, 압력조절수단(40)에 의하여 소정압력으로 유지된다. 상기 액상화반응기(10)로 유입된 슬러지는 반응시작 초기에 적절한 교반속도로 설정된 교반수단(70)에 의하여 균일하게 혼합된다.

상기 액상화반응기(10) 내의 슬러지는 가열가압제어장치(50)에 의하여 일정 온도와 압력, 교반속도 하에서 액상화된다. 다시 말해서, 상기 가열가압제어장치(50)는 120℃ ~ 180℃ 사이의 온도로 유지시키고, 액상화반응기(10)내의 압력은 10 - 15atm 이 되도록 제어한다. 또한, 액상화반응기(10) 내에서의 슬러지를 액상화시키기 위한 반응시간은 20 - 30분 이내로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 교반수단(70)의 교반속도는 300rpm 이상으로 이루어지고, 상기 공기공급장치(90, 91)에 의한 공기주입은 슬러지의 산화에 필요한 화학양론적 요구량의 50% 이하로 주입되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 액상화반응기(10)내의 슬러지는 공기공급장치에 의하여 주입된 공기중의 산소에 의해 분해되고 용해된다.

또한, 상기 가열가압제어장치의 구체적인 동작을 살펴보면, 압력은 초기에 액상화반응기(10)에 공기를 주입하여 압력과 온도가 상승할 경우 압력조절수단(40)에 의해 적절히 기체를 배출함으로써 목적하는 압력 이하로 제어하며, 온도는 액상화반응기(10)의 가열수단(30)의 열원공급을 조절함으로써 제어한다. 여기에서, 상기 액상화반응기(10)의 내부에 별도의 냉각장치(미도시)를 설치하여 온도가 크게 상승하는 것을 제어할 수 있다. 여기에서, 압력, 온도, 반응시간에 대한 수치범위는 그 상한값을 전후로 적절히 조절 가능하나, 앞서 예시한 수치범위에서 경제성이 가장 좋고, 높은 액상화 반응을 달성할 수 있다.

이와 같이 상기 액상화반응기(10)에서 생성된 액상부산물은 열교환기(20)에 의하여 냉각되어 상압으로 다음 과정으로 진행된다.

즉, 본원발명에 따른 액상화장치의 동작을 요약하면, 하수처리과정에서 발생된 슬러지가 열교환수단에 의하여 예열되고, 예열된 슬러지는 액상화반응기로 이송된다. 액상화반응기로 이송된 슬러지는 일정 온도와 압력, 교반속도 하에서 주입된 공기중의 산소와 반응하여 액상화되며, 액상화반응기에서 생성된 액상부산물을 열교환기에 의해 냉각시켜 소정 과정으로 이송시킨다.

다음으로, 상기에서 설명한 본 발명의 슬러지 액상화장치가 하수처리시스템에 구비된 일예를 도3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도3은 본 발명에 따른 슬 러지 액상화장치를 구비한 하수처리시스템을 나타낸 개략도이다.

도3에 나타낸 바와 같이 본 발명의 슬러지 액상화장치를 구비한 하수처리시스템은, 외부에서 유입되는 하수의 슬러지가 1차적으로 침전되는 1차침전조(110); 상기 1차침전조(110)를 거쳐 유입된 유출수 중의 유기물질과 질소화합물질을 미생물(활성슬러지)에 의해 분해 및 질산화시키는 포기조(120); 상기 포기조(120)로부터 배출되는 유출수를 수용하며, 유기물 농도가 낮은 유출수를 배출시키는 2차침전조(130); 상기 1차침전조(110)와 2차침전조(130) 하부로부터 침전되어 배출된 슬러지가 제공되는 농축조(140); 상기 농축조(140)에서 슬러지가 중력식으로 농축되어 제공된 고강도의 슬러지를 액상화시키는 액상화장치(100); 상기 액상화장치에서 액상화된 반응물을 안정화시키고 이 과정에서 발생된 메탄가스를 회수하는 하나 이상의 소화조(151)(152); 및 상기 소화조(151)(152)에서 안정화된 슬러지를 탈수하여 수분함량이 낮은 탈수슬러지를 배출시키는 탈수기(160)를 포함한다.

상기 1차침전조(110)를 거친 유출수는 농축조(140)로 바로 유입될 수 있는 경로수단를 구비할 수 있으며, 상기 2차침전조(110)에서 유출된 저정도의 유출수는 상기 포기조(120)로 반송시킬 수 있는 반송수단을 구비할 수 있다. 여기에서, 상기 2차침전조(130)는 생략될 수 있다.

미설명부호 170은 소화조(151)(152)에서 회수된 메탄가스가 제공되어 저장하는 가스저장조이다.

이와 같이 본 발명에 따른 슬러지액상화장치를 구비한 하수처리시스템의 동작을 간략히 설명하면 다음과 같다.

외부에서 유입되는 하수중의 고형물질이 1차침전조(110)에서 1차적으로 침전되고, 상기 1차침전조(110)로부터 배출된 유출수는 포기조(120)로 유입되어 미생물에 의해 분해 및 질산화된다. 상기 포기조(120)에서 분해된 하수와 미생물을 포함하는 유출수는 2차침전조(130)에 수용되어 유기물 농도가 낮은 유출수는 최종 배출되고, 비중이 높은 슬러지(미생물)은 침전되어 농축조(140)로 제공된다.

상기 농축조(140)로 제공된 슬러지는 액상화장치(100)에서 액상화시킨 다음, 소화조에서 액상화된 슬러지를 안정화시키고 이 과정에서 발생된 메탄가스를 회수한다. 회수된 메탄가스는 가스저장조(170)에 저장되고, 안정화될 슬러지는 탈수기(160)를 거쳐 탈수된 다음 외부로 배출된다.

이와 같이 본 발명에 따른 슬러지 액상화장치에 따르면, 농축슬러지의 고형분의 70% 이상을 액상화 할 수 있고, 이에 따라 최종 배출슬러지량을 70% 이상 저감할 수 있으며, 가스분해반응의 진행으로 메탄수율이 65% 이상 증가되며, 소화조에서의 체류시간을 단축시킬 수 있다.

전술한 본 발명은 생물학적 하수처리공정에서 발생되는 농축슬러지를 액상화, 전처리 함으로써 소화조의 유기물 처리효율을 향상시키고, 고농도의 메탄가스를 부산물로 얻을 수 있으며, 슬러지의 탈수성을 향상시켜 슬러지 배출을 최소화 할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 하수처리과정에서의 슬러지 액상화장치 및 이를 구비한 하수처리시스템은, 생물학적 하수처리공정에서 발생되는 농축슬러지를 액상화, 전처리 함으로써 소화조의 유기물 처리효율을 향상시키고, 고농도의 메탄가스를 부산물로 얻을 수 있으며, 슬러지의 탈수성을 향상시켜 슬러지 배출을 최소화 하여 하수처리과정에서 슬러지의 안정화 및 유기성 자원회수를 위한 농축조의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 하수처리과정에서 발생된 슬러지를 액상화시키기 위하여 슬러지를 수용하는 액상화반응기;

   상기 액상화반응기로 유입되는 슬러지를 열교환에 의하여 냉각 및 가열하는 열교환수단;

   상기 액상화반응기를 소정온도로 가열하는 가열수단;

   상기 액상화반응기 내의 압력을 조절하는 압력조절수단;

   상기 액상화반응기로 제공된 슬러지의 액상화반응을 위하여 공기를 공급하기 위한 공기공급장치;

   상기 액상화반응기 내의 온도 및 압력을 감지하는 센서부; 및

   상기 센서부가 연결되고, 상기 가열수단 및 압력조절수단을 제어하여 액상화반응기 내의 온도 및 압력을 제어하는 가열가압제어장치

   를 포함하는 하수슬러지의 액상화장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 센서부는, 액상화반응기 내의 압력을 측정하고, 측정된 압력값을 상기 가열가압제어장치로 전달하는 압력센서; 및

   상기 액상화반응기 내의 온도를 측정하고, 측정된 온도값을 상기 가열가압제 어장치로 전달하는 온도센서로 이루어진

   하수슬러지의 액상화장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 액상화반응기 내부에 수용된 슬러지를 균일하게 혼합시키기 위한 교반수단을 더 구비하는

   하수슬러지의 액상화장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 가열가압 제어장치는

   상기 액상반응기의 온도를 120℃ ~ 180℃ 사이로 유지하고, 압력은 10 - 15atm으로 제어하는

   하수슬러지의 액상화장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 액상화반응기 내에서 슬러지를 액상화시키기 위한 반응시간은 20 - 30분인

   하수슬러지의 액상화장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 외부에서 유입되는 하수의 슬러지가 침전되는 하나 이상의 침전조;

   상기 침전조를 거쳐 유입된 유출수를 질산화시키는 포기조;

   상기 침전조로부터 배출된 유출수의 슬러지가 제공되는 농축조;

   상기 농축조에서 제공된 슬러지를 액상화시키는 액상화장치;

   상기 액상화장치에서 액상화된 슬러지를 안정화시키고 이 과정에서 발생된 메탄가스를 회수하는 하나 이상의 소화조; 및

   상기 소화조에서 안정화된 슬러지를 탈수하여 배출시키는 탈수기를 포함하는 하수처리시스템으로서,

   상기 액상화장치는

   하수처리과정에서 발생된 슬러지를 포함하는 슬러지를 액상시키기 위하여 슬러지를 수용하는 액상화반응기;

   상기 액상화반응기로 유입되는 슬러지를 열교환에 의하여 냉각 및 가열하는 열교환수단;

   상기 액상화반응기를 소정온도로 가열하는 가열수단;

   상기 액상화반응기 내의 압력을 조절하는 압력조절수단;

   상기 가열수단 및 압력조절수단을 제어하여 액상화반응기 내의 온도 및 압력을 제어하는 가열가압제어장치;

   상기 액상화반응기 내의 압력을 측정하고, 측정된 압력값을 상기 가열가압제어장치로 전달하는 압력센서;

   상기 액상화반응기 내의 온도를 측정하고, 측정된 온도값을 상기 가열가압제어장치로 전달하는 온도센서; 및

   상기 액상화반응기 내부에 수용된 슬러지를 균일하게 혼합시키기 위한 교반수단을 포함하는

   하수슬러지의 액상화장치를 구비한 하수처리시스템.
10. 제9항에 있어서,

    상기 액상화반응기는 그 내부의 온도가 120℃ ~ 180℃ 사이로 유지되고, 압력이 10 - 15atm이 되도록 상기 가열가압제어장치에 의해 제어되며;

    상기 액상화반응기 내에서 슬러지를 액상화시키기 위한 반응시간은 20 - 30분인

    하수슬러지의 액상화장치를 구비한 하수처리시스템.

Images