KR100723066B1 - 가축분뇨 비료화 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 축산농가에서 발생하는 가축분뇨의 비료화 방법 및 이 방법의 실현을 위한 비료화 장치에 관한 것으로, 특히 기업형 축산농가에서 발생된 가축분뇨 슬러리를 고액분리하여 얻어진 축뇨를 가열하여 암모니아가스와 이산화탄소가스를 휘발시키고, 상기 가스와 탈황석고를 반응시켜 황산암모늄(유안비료) 및 탄산칼슘(석회질비료)을 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가축분뇨 비료화 방법은 (a) 분뇨슬러리를 축분과 축뇨로 분리하는 고액분리단계; (b) 분리된 축뇨를 가열하여 암모니아가스와 이산화탄소가스 휘발시키는 단계; (c) 휘발된 가스를 냉각시키는 단계; (d) 냉각된 가스를 탈황석고수용액이 충진된 반응조로 이송시켜 황산암모늄과 탄산칼슘을 생성시키는 비료생성단계를 포함하여 이루어진다.
축산, 분뇨, 비료화, 고액분리, 암모니아, 이산화탄소, 탈황석고, 황산암모늄, 탄산칼슘, 휘발, 휘산, 가열

Description

가축분뇨 비료화 방법 및 그 장치{FERTILIZING PROCESS FOR LIVESTOCK EXCRETION AND SYSTEM THEREOF}
도 1은 본 발명에 따른 가축분뇨 비료화 방법에 대한 개략적인 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 가축분뇨 비료화 장치에 대한 개략적인 블록도,
도 3은 본 발명의 비료화 장치에 사용되는 고액분리장치의 일례를 도시한 개략적인 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 분뇨슬러리 수집탱크 20: 고액분리장치
21: 1차 고액분리장치 22: 저류조
23: 이송컨베어 24: 호퍼
25: 2차 고액분리장치 26: 탈수스크류
27: 여과망 30: 가스휘산장치
31A,31B: 휘산조 32: 교반기
33: 열교환기 34: 가열수단
35A,35B: 발효조 40: 냉각기
50: 반응장치 51: 반응조
52: 교반기 53: 산기파이프
54: 반송 송풍기 55A: 탈황석고 공급탱크
55B: 물 공급탱크 60: 비료저장탱크
본 발명은 축산농가에서 발생하는 가축분뇨의 비료화 방법 및 이 방법의 실현을 위한 비료화 장치에 관한 것으로,
특히 기업형 축산농가에서 발생된 가축분뇨 슬러리를 고액분리하여 얻어진 축뇨를 가열하여 암모니아가스와 이산화탄소가스를 휘발시키고, 상기 가스와 탈황석고를 반응시켜 황산암모늄(유안비료) 및 탄산칼슘(석회질비료)을 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
대규모로 가축을 기르는 기업형 축산농가에서 발생하는 가축분뇨를 적은 인력으로 쉽게 관리하기 위하여 축사에 슬러리피트를 갖추고 있는데,
분뇨 슬러리는 수분이 많이 함유되어 있어 분뇨의 비료화에는 많은 비용이 소모되고, 암모니아 등과 같은 가스에 의하여 악취가 발생하는 문제점이 있다.
현재 축산 분뇨 슬러리의 처리방법은 발효방식에 의한 고체비료화 시설을 갖추고 있는 축산농가가 대부분이며,
액비화 시설이나 정화시설이 일부 운영되고 있고,
한편으로는 위탁 처리 방식에 의한 공공 처리시설이나 해양 투기에 의존하고 있다.
상기 고체비료화 시설은 원칙적으로 무배출 시설로,
분뇨 슬러리에 함유되어 있는 수분을 증발시켜 고형비료로 변형시켜야 하므로 시설에 소요되는 부지가 크며,
수분 증발을 위한 기계설비 등에 대한 기술적 지원과 운영에 있이 고비용이 소요되어 경제적 부담 크며,
고체비료 생성시 암모니아의 탈기화 현상으로 인해 질소 손실에 커서 비료의 품질 저하가 일어나며,
악취발생 등의 문제로 불리한 점이 많다.
또 수분 제거를 위하여 톱밥, 왕겨와 같은 부자재를 도입하여 발효하는 방식은
분뇨슬러리에 포함된 과도한 수분으로 인하여 부자재 소모량이 커서 비용증가가 예상되고,
부자재로 인한 C/N율 과다로 퇴비가 충분히 부숙되지 않게 되므로 퇴비의 품 질이 저하되며
계절적 요인에 따른 부숙공정의 저효율 등으로 현재 축산산업의 여건상 극명한 한계점을 가지고 있다.
한편 액체비료화 시설은 액상분뇨를 처리하기 위한 방법으로
액비의 혐기성 또는 호기성 발효에 의한 액비 품질을 보장하기 위하여 충분한 기간 동안 부숙공정을 진행하기 위하여 대용량의 액비 저장조가 구비되어야 하는데,
기술적, 경제적 여건의 차이로 인하여 액비 품질이 불균일해지기 쉽고,
액비의 살포를 위하여 별도로 고가의 장비를 구비하여야 하고,
장거리의 수송의 곤란성, 미생물 첨가제 필요로 인한 비용상승문제, 상품화의 곤란성 등과 같은 단점이 있으며,
나아가 부숙공정과 액비 살포시 악취가 발생하고 지하수의 오염 등 2차 환경오염이 유발되는 문제점이 있다.
정화시설은 하수수질정화공정을 응용한 방법으로
분뇨 슬러리의 고형물을 분리하는 전처리공정과 포기공정을 포함한 생물학적 처리와 침전을 포함하는 주처리공정, 그리고 고형물을 처리하는 공정 등으로 구성되며,
처리공정이 복잡하고 각각의 공정에 대한 전문 지식과 시설 운전을 위한 전 문기술이 요구되어 사실상 설치된 시설이 제대로 운영되지 못하고 있는 형편이다.
축산 분뇨 슬러리 정화방법은 활성슬러지법을 적용하고 있으나 부유물질, 유기질, 질소 및 염류 등의 농도가 높아 수리학적으로 장기간의 처리시간이 요구되며, 벌킹 및 거품 발생 등으로 인하여 정상적인 운전이 어려운 문제점이 있다.
또한 가축분뇨의 특성상 유기질 탄소성분에 비해 질소 및 인의 함량이 상대적으로 높아 유기질 탄소분을 첨가하거나 별도의 대책을 수립하지 않으면 처리수 속에 질소와 인이 과다하게 유출되어 공공수역에 부영영화 현상을 야기할 수 있다.
공공처리시설은 위에 언급한 방법들을 활용하는 것으로
개개의 축산농가에서 운영되는 시설보다 큰 규모의 장치를 이용하여 운영하고 있다는 차이를 제외하고는 동일한 문제점을 안고 있고,
또 저렴한 비용 때문에 수거한 가축분뇨를 단순하게 바다에 투기하는 해양투기는 이를 관리하는 해양투기방지법에 대한 법제의 강화로 실행의 연속성이 불가능한 형편이다.
따라서 기업화되고 있는 축산농가의 가축분뇨 및 축산폐수를 효과적으로 처리할 수 있는 방법이 요청되고 있으며,
아울러 악취발생 등의 근원적인 문제점에 대한 해결 방안에 대하여 최근 환경부의 악취에 대한 대기오염방지법의 실행과 관련하여 절실하게 요청되고 있다.
종래 공지된 가축 분뇨의 비료화 방법과 관련된 기술로는
먼저 미생물을 이용한 가축분뇨의 비료화와 관련된 특허등록 제0225784호(1999.07.22) 『가축분뇨의 부숙 퇴비화 장치』와,
황산철, 황산알루미늄, 그리고 염화제이철로 이루어진 조성물과 규산칼륨, 탄산칼륨, 구연산칼륨, 황산가리, 그리고 붕사로 이루어진 조성물로 각각 분뇨를 1, 2차 처리하여 악취 저감과 부숙을 촉진하는 것과 관련된 특허등록 제0530855호(2005.11.17) 『축산분뇨 및 축산분뇨 액비 탱크의 악취를 저감하고 부숙을 촉진하는 방법』이 있다.
그러나 상기 등록특허들은 기본적으로 미생물을 이용한 분뇨의 처리방법으로 앞서 축분과 축뇨 비료화와 관련하여 지적한 문제점을 여전히 안고 있다.
또 발효방법에 의한 가축 분뇨의 비료화에서 발생되는 냄새를 제거하고 톱밥의 사용량을 줄일 수 있는 특허공개 제2000-0018207호(2000.04.06) 『축분발효시 냄새를 제거하는 방법』과
약액을 이용한 탈취와 관련된 특허공개 제2003-0015805호(2003.02.25) 『고농도 악취가스의 제거 및 재이용을 위한 다단식 악취제거장치』가 있으나 가축분뇨의 효율적인 비료화 처리와는 거리가 있다.
한편 화학적 분뇨처리방법으로
돈분 폐수원액에 대한 산화촉매반응을 통하여 1차 고액분리한 후 액체는 소 석회로 염기촉매반응을 일으키고 응집제로 응집시켜 침전-탈수-2차분리하고, 1차 및 2차 분리된 고형물은 생석회로 중화시켜 건조한 다음, 미생물 속성발효를 거치는 방법과 관련된 특허등록 제0285298호(2001.01.03) 『산화 촉매반응에 의한 돈분 처리방법』과,
축산분뇨를 질산과 염산 등으로 처리하여 안정화시키고 황산제일철과 같은 응집제와 질산칼륨을 첨가하여 고액분리하여 고체상을 건조함으로써 질소화합물의 고정을 유도하는 것과 관련된 특허공개 제2005-0070641호(2005.07.07) 『축산분뇨를 이용한 비료의 제조방법』이 있다.
아울러 앞서 설명한 특허공개 제2000-0018207호에서는 석고와 석탄회의 사용으로 부분적으로 본 발명과 같은 유안비료(황산암모늄)의 생성이 가능하나 비료로 사용할 수 있을 정도의 수율을 얻기에는 무리가 있다.
그러나 이와 같은 화학적 분뇨 처리방법들은 가축분뇨에서 특정 비료를 얻는데 초점을 맞추고 있어 가축분뇨의 종합적인 처리를 통한 환경오염물질의 원천적인 배출방지를 목적으로 한 것이 아니며,
추가적인 화학반응제의 첨가로 처리비용상승 문제와 추가적인 반응물로 인한 오염물질 배출의 문제를 안고 있다.
본 발명은 축산농가에서 배출되는 가축분뇨의 비료화와 관련된 종래 기술들이 갖는 한계를 극복하기 위하여 제안된 것이다.
이에 본 발명은 가축분뇨를 고액분리한 다음, 축뇨의 가열 휘발에 의하여 암모니아가스 및 이산화탄소가스를 분리한 후, 이 가스를 탈황석고와 반응시켜 황산암모늄(유안비료) 및 탄산칼슘(석회질비료)을 생성시키며, 생성된 축분과 잔류 액체비료는 발효 등의 후처리를 거치는 가축분뇨의 비료화 방법과 이를 실현하기 위한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 본 발명은 상기 축뇨의 가열시 최적의 온도를 특정하고, 에너지 소비를 줄이기 위하여 분뇨 발효열을 열교환하여 축뇨 예열에 사용하는 가축분뇨 비료화 방법과 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가 본 발명은 상기 축뇨의 휘발이 쉽게 이루어지도록 감압하에서 공정이 이루어지도록 한 가축분뇨 비료화 방법과 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가축분뇨 비료화 방법은 (a) 분뇨슬러리를 축분과 축뇨로 분리하는 고액분리단계; (b) 분리된 축뇨를 가열하여 암모니아가스와 이산화탄소가스 휘발시키는 단계; (c) 휘발된 가스를 냉각시키는 단계; (d) 냉각된 가스를 탈황석고수용액이 충진된 반응조로 이송시켜 황산암모늄과 탄산칼슘을 생성시키는 비료생성단계를 포함하여 이루어진다.
또 상기 비료화 방법의 실현을 위한 본 발명의 가축분뇨 비료화 장치는 분뇨슬러리를 축분과 축뇨로 분리하는 고액분리장치; 분리된 축뇨를 가열하여 암모니아가스와 이산화탄소가스 휘발시키기 위하여 가열수단을 구비한 가스휘산장치; 휘발된 가스를 냉각하기 위한 냉각기; 및 냉각된 가스를 공급받아 황산암모늄과 탄산칼슘을 생성시키기 위하여 탈황석고수용액이 충진되어 있고 교반기가 구비된 반응장치를 포함하여 이루어진다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2에서 원료 및 생성물의 이송과 관련하여,
굵은 실선은 원료공급 및 최종 생산물의 이송을 나타내고,
점선은 축분의 이송, 이점쇄선은 축뇨의 이송, 가는 실선은 암모니아 및 이산화탄소 가스의 이송, 그리고 일점쇄선은 열교환과 관련된 매체의 이송 관계를 각각 나타낸다.
먼저 도 1에서, 적절한 고액분리장치를 이용하여 분리장치에 투입된 분뇨슬러리(S10)를 (a) 축분과 축뇨로 분리하게 된다(S20).
이와 같이 가축분뇨를 고액분리하는 이유는 본 발명의 주된 목적인 황산암모늄((NH4)2SO4, 유안비료)의 생성을 위한 암모니아가 축분보다는 축뇨에 대부분 함유되어 있기 때문이며,
동시에 고액분리공정을 통하여 분리된 축분의 비료화 과정에서 수분조절제의 사용을 피할 수 있어 경제성을 제고할 수 있고,
축뇨의 액비화 과정에서 액비저장 탱크에 고형물의 퇴적을 막을 수 있어 처리용량 확보가 용이하며, 액비화 장치 관거와 살포기의 폐색현상을 방지할 수 있다는 장점이 있으며,
뿐만 아니라 가축분뇨를 이용한 메탄가스 생성기술에서 고농도의 암모니아에 의한 혐기소화효율 저하를 막을 수 있기 때문이다
이와 같은 분리공정을 실현하기 위하여 도 2에서와 같이,
축산농가, 특히 기업형 축산농가에서 본 발명의 원료(material)인 분뇨슬러리의 수집탱크(10)에서 자연유하 또는 양정펌프(P)를 이용하여 고액분리장치(20)로 분뇨슬러리가 투입된다.
상기 고액분리장치는 도 3에 보다 상세히 도시된 바와 같이. 1차 고액분리장치(21)를 거쳐 우선 고액분리되는데,
상기 1차 고액분리장치(21)는 유입로(미도시 됨)를 거쳐 슬러리가 유입되는 분리조(22)와, 유입된 슬러리가 1차적으로 축분이 분리되도록 하는 여과망 타입의 이송컨베어(23)를 포함한다.
상기 분리조(22)에는 과도한 슬러리의 유입을 방지하기 위하여 분리조(22)와 월류벽(22b)을 통하여 분리된 저류부(22a)가 구비되어 있다.
상기 컨베어벨트(23)는 구동모터(23a)에 의하여 순환 이동되며, 보다 원활한 고액분리를 위하여 진동기(23b)에 의한 떨림 동작이 이루어진다.
1차적으로 분리된 고체상 축분은 보다 완벽한 고액분리를 위하여 호퍼(24)를 거쳐 2차 고액분리장치(25)로 이송되고,
분리된 액상 축뇨는 필요에 따라 추가적인 여과수단을 거쳐 이후 가스 휘발공정(S30)을 위하여 이송된다.
보다 완벽한 분뇨의 고액분리를 위하여 1차고액분리장치(21)에서 얻어진 축분은 압축형 스크류탈수기나 압축형 로울러탈수기와 같은 2차 고액분리장치를 거쳐 기계적인 높은 압축력으로 슬러리에 함유되어 있는 자유수와 결합수 형태의 수분을 탈수함으로써 함수율이 약 65%정도로 탈수된 분뇨를 얻을 수 있다.
도 2에 도시된 2차 고액분리장치는 스크류 타입의 탈수장치(25)로, 상기 호퍼(24)를 거쳐 유입된 축분은 구동모터(26a)에 의하여 회전되는 탈수스크류(26)를 통하여 보다 완벽하게 분리된 후, 후처리공정, 특히 축분발효공정(S21) 진행을 위하여 발효조(35A)로 이송되고,
상기 2차 고액분리장치(25) 하부에 배열되어 있고 다수의 통공이 형성된 여과망(27)을 거쳐 분리된 축뇨는 역시 가스 휘발공정(S30)을 위하여 이송되며,
암모니아 및 이산화탄소 가스가 휘발되어 분리된 후 잔류하는 축뇨는 역시 후처리공정, 특히 축뇨발효공정(S23)의 진행을 위하여 발효조(35B)로 이송된다.
한편, 상기 1차 고액분리장치(21)는 회분식으로 구성할 수 있으며,
필요에 따라 1차 고액분리장치 없이 2차 고액분리장치만으로 고액분리를 실현할 수 있다.
이와 같이 고액분리장치(20)에서 진행되는 고액분리공정(S20)을 통하여 얻어 진 축뇨는 이하에서 상술하는 처리공정을 거쳐 최종 생성물(product)인 유안비료와 석회질 비료 제조에 활용되며,
또 축분과 축뇨는 발효공정을 거쳐 유기질 비료의 원료로 활용될 수 있는데,
특히 65%정도의 함수율로 탈수된 축분은 수분조절제를 첨가하지 않아도 퇴비화 부숙공정(S21)이 가능한 상태이며,
고형물을 제거한 축뇨는 액비화 부숙공정(S23)에서 경작지 살포시 고형물의 퇴적이나 관로폐색현상으로 인한 문제를 제거함으로써 종래 유기질 비료화공정에서 발생하는 단점을 제거할 수 있다는 장점을 갖는다.
다음으로 상기 (a)고액분리단계에서 얻어진 액상의 축뇨는 (b) 가열에 의하여 암모니아 가스와 이산화탄소 가스를 휘발시키게 된다(S30).
상기 암모니아 및 이산화탄소 가스 휘발(striping)시 적절한 가열온도는 약 60~80℃, 보다 바람직하기로는 70~80℃, 가장 바람직하기로는 75℃인데,
이는 가열 온도가 60도 미만인 경우에는 암모니아 및 이산화탄소 가스의 휘발률이 현저히 떨어져 최종 생성물(유안비료) 획득에 문제가 발생하며,
가열온도를 80℃ 초과, 특히 100℃ 이상인 경우에는 수분의 증발로 인하여 최종 생산물인 비료생산물에 지나치게 많은 수분이 함유되기 때문에 유안비료와 석회질비료를 고체화하는데 많은 비용이 소모되며, 액체상태의 유안비료와 석회질비료를 그대로 사용하더라도 농도가 낮아 비료로써 부적절할 수 있기 때문이다.
본 발명에서는 보다 낮은 온도를 사용하여 축뇨 가열에 소요되는 에너지를 줄이면서도 증발율을 높이기 위하여 대기압 보다 낮게 감압된 상태에서 휘발이 이루어지도록 하는 것을 고려하였다. 예를 들어 상기 가스휘발공정(S30)이 이루어지는 압력은 0.4~0.5bar 일 수 있다.
또 상기 (b)단계(S30)에서 축뇨의 가열시 에너시 소모량을 줄이기 위하여 상기 축분 및 축뇨의 발효공정(S21)(S23)이 이루어지는 발효조(35A)(35B)에서 발생되는 발효열과의 열교환을 통하여 상기 (b)단계 전의 축뇨를 예열(S25)하는 것을 고려하였다.
나아가 가열 휘발에 의하여 축뇨에서 암모니아 보다는 이산화탄소 가스가 먼저 휘산하게 되는데,
유안비료 및 석회질 비료 생성을 위한 반응을 위하여 축뇨에서 분리된 이산화탄소 가스가 부족할 것을 고려하여,
본 발명에서는 축산분뇨에 함유되어 있는 것과 축사에서 발생하는 이산화탄소 가스를 병행하여 포집하는 것을 착안하였다.
축사의 이산화탄소는 가축의 호흡작용을 통하여 발생하는 양이 많고 이산화탄소가 공기의 질량보다 무거우므로 이산화탄소 가스는 축사의 바닥부근에 쌓이게 되므로, 축사로부터 이산화탄소 가스를 취하는 방법은 축사의 바닥에서 10~20cm정도 떨어진 높이에 배기시설을 설치하여 포집하면 효과적이며, 축사로부터 이산화탄소 가스를 포집하는 일은 축사공기를 정화시키는 효과가 있다.
이러한 암모니아 및 이산화탄소 가스 휘발공정(S30)을 위한 가스휘산장치 (30)는 도 2에 도시된 바와 같이,
상기 1차 및 2차 고액분리장치(21)(25)에서 분리된 축뇨를 양정펌프(P)를 통하여 이송하여 가열수단(34)에서 가열한 후,
충분한 가스 발생량 보장을 위하여 둘 이상 구비될 수 있는 휘산조(31A)(31B)에서 가스 증발이 이루어지는 것으로 구성하였다. 상기 각 휘산조에는 가스 증발효율을 높이기 위하여 모터(32a)에 의하여 구동되는 교반기(32)가 구비되어 있다.
상기 가열수단(34)은 상기 휘산조(31A)(31B) 자체에 구비된 전열식 급탕설비일 수 있으며,
앞서 설명한 바와 같이 에너지 손실을 최소화하기 위하여 축분 및 축뇨 발효조(35A)(35B)에서 발생되는 발효열과의 열교환이 가능하도록 열교환기(33)를 추가 구성할 수 있다.
닫힌 순환형 구조로서 관로를 이용하여 열을 전달하는 시스템인 열교환기(33)에서 발효열을 얻은 매체는 상기 가열부(34)에서 상기 고액분리장치(20)에서 생선된 축뇨에 열을 전달하는 방식으로 순환된다.
상기 열교환기(33)를 이용함으로써 발효열을 재활용 할 수 있으며, 이를 통하여 축뇨의 온도를 약 40~50℃정도로 예열할 수 있을 것으로 기대된다.
또 암모니아 가스와 이산화탄소 가스의 휘발에 필요한 에너지 사용을 최소화하면서도 가스 휘산효율을 보다 높이고자
본 발명에서는 휘산 가스의 이송을 위하여 이후의 휘발 가스 냉각단계(S40)를 위한 냉각기(40)와 연결된 진공펌프(Pv)에 의하여 휘산조(31A)(31B) 내부가 대기압 이하가 되도록 하여 감압하에서 증발이 이루어지도록 하면서도 별도의 감압수단이 불필요하므로 장치의 단순성을 구현할 수 있도록 하였다.
상기 진공펌프(Pv)에 의한 압력설정은 예를 들어, 0.1~0.3bar정도로 함으로써 상기 휘산조 내의 기체 이송력을 제공하면서,
냉각공정과 반응공정에서는 0.4~0.5bar 정도로 운전되도록 조절할 수 있다.
또 상기 휘산조에 일체로 또는 휘산조 이전에 별도로 구비된 가열수단(34)에는 축뇨의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 자동온도조절장치를 설치하는 것이 바람직한데, 이 자동온도조절장치는 설정온도가 최적의 휘산 온도인 75℃ 일 경우, 급탕 가열수단에 의하여 수온이 75℃이하로 내려갈 경우 자동적으로 온도가 상승되도록 할 수 있다.
상기 휘산조에서 암모니아 및 이산화탄소 가스 분리후 남은 축뇨는 액비상 처리공정(S23)을 위하여 발효조(35B)로 이송된다.
다음으로 (c) 휘발된 가스는 냉각단계(S40)를 거치는데,
이러한 냉각단계의 실현을 위한 냉각기(40)는 특히 2단으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 2단의 냉각기에서 효율적 운영을 위하여 1차 냉각시에는 상기 휘산조(31A)(31B)로부터 휘발한 초기의 고온의 가스는 냉각기의 아래에서 위로 통과하는 상향류(up-flow) 송류방식에 의하여 냉각되며,
2차 냉각시에는 하향류(down-flow) 송류방식에 의하여 냉각된다.
최종적으로 냉각된 가스의 온도는 약 35~45℃정도를 유지할 수 있도록 조절되며,
이때 냉각과정에서 집적된 예열은 상기 열교환기(33)로 냉매가 순환되도록 하여 잔열이 축뇨 예열에 사용되도록 구성하는 것이 바람직하다.
앞서 설명한 진공펌프(Pv)에 의하여 상기 냉각기(40)로부터 가스는 반응장치(50)로 이송되며, 필요에 따라 원활한 가스의 이송을 위하여 송풍기가 추가될 수 있다.
이어서 마지막으로 (d) 냉각된 가스를 탈황석고수용액이 충진된 반응조로 이송시켜 황산암모늄과 탄산칼슘을 생성시키는 비료생성단계(S50)를 거쳐 최종 생성물인 유안비료 및 석회질비료(S60)가 얻어지는데,
이를 위한 반응장치(50)는 냉각된 가스를 공급받아 황산암모늄과 탄산칼슘을 생성시키기 위하여 탈황석고수용액이 충진되어 있고 모터(52a)에 의하여 구동되는 교반기(52)가 구비된 반응조(51)로 이루어진다.
도 2에서, 상기 반응조(51)의 하부에는 가수 분출수단으로써 암모니아 및 이산화탄소 가스가 황산암묘늄 수용액과 잘 혼합되도록 가능한 가스입자를 작게 만들기 위한 산기수단이 구비되어 있는 것이 바람직하데,
개략적으로 도시된 상기 산기수단은 다수의 분출공이 구비된 산기파이프(53)로,
상기 파이프(53)의 분출공은 퇴적물에 의하여 구멍이 막히는 것을 방지하기 위하여 하방을 향하도록 형성되어 있는 것이 바람직하며,
필요에 따라 상기 산기파이프는 폐수처리 분야에서 공지된 여러 산기관 형태로 대체될 수 있다.
또 추가적으로 탈황석고 공급탱크(55A)와 물 공급탱크(55B)가 더 구성될 수 있으며, 상기 탱크로부터 유입되는 탈황석고와 물은 교반기(52)의 작동으로 탈황석고(CaSO4) 수용액을 형성하게 되며, 수용액에서 물에 대한 탈황석고의 비율이 20~50중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 반응조에서 이루어지는 암모니아(NH3)와 황산염(SO4 2 -)의 반응식은 다음과 같다.
2NH3 + CO2 + H2O + CaSO4 → CaCO3↓ + (NH4)2SO4
생성된 불용성의 황산암모늄((NH4)2SO4)과 탄산칼슘(CaCO3)은 식물이 흡수할 수 있는 비료이며, 상기 탈황석고에 함유되어 있는 잔류 성분 가운데 철(Fe) 성분과 알루미늄(Al) 성분 등은 각각 응집제로서 작용하며, 수분 속에 함유되어 있는 오염물질 등과 반응하여 응집 침강하여 수분을 정화할 수 있다.
최종 비료생성반응(S50)에 쓰이지 않은 잔류 가스는 가스순환 송풍기(54)를 통하여 휘산장치(30)의 휘산조로 반송될 수 있고, 필요에 따라 진공펌프를 이용하여 냉각기(40)로 반송될 수 있다.
이러한 가스순환과정을 통하여 악취성분이 외부로 노출되는 것을 막을 수 있고, 동시에 비료생산에 대한 효율을 높일 수 있다.
또 상기 반응조(51)에는 배관을 통하여 배가스가 최종 배출되도록 할 수 있는데,
본 발명에 따른 가축분뇨 비료화 장치 전체는 폐쇄된 상태로 순환되는 형태이므로,
상기 냉각기(40) 후방에 구비된 진공펌프(Pv)는 경우에 따라 가스휘산장치(30)의 감압 상태 형성 보다는 주로 가스에 대한 이송력 제공을 위하여 펌프의 펌핑력이 소진되기 쉬우므로,
상기 반응장치(50)에서 배가스용 배관에 추가적인 진공펌프(Pv)를 설치하여 가스휘산장치(30)에 필요한 감압상태를 달성하도록 하면서, 아울러 배가스의 배출력을 제공하도록 구성할 수 있다.
생산된 비료(S60)는 비료저장탱크(60)에 축적되는데, 이들 가운데 석회질비료는 침전물상태로 생성되고 유안비료는 수용액상태로 생성되므로 이들의 물리적 성질을 이용하여 손쉽게 분리할 수 있고,
생성된 비료는 정기적으로 배출 생산되며, 상기 비료는 필요에 따라 묽은 수용액 상태 또는 건조과정을 거쳐 응집된 덩어리 상태 또는 분말로 생산할 수 있고,
전체의 생산과정은 Batch공정이나 연속공정으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 가축분료 비료화 방법 및 그 장치는 다음과 같은 실시예를 통하여 보다 잘 이해될 수 있다.
[실시예]
200L 슬러리상 가축분뇨(소의 분뇨)를 이용하여 비료를 생산하였는데,
도 2에서와 같은 스크류 타입의 고액분리장치(35)를 이용하여 약 65%의 함수율을 갖는 축분과 축뇨로 분리한 후,
축분은 통상의 공지된 미생물 부숙공정을 통하여 비료화 시켰으며,
축뇨는 양정펌프(P)를 이용하여 먼저 열교환하여 약 35℃로 예열한 다음,
증발되는 가스의 양을 충분히 확보하기 위해서 2기로 이루어진 휘산조(31A)(31B)로 투입하고, 가열수단(34)을 이용하여 약 75℃로 가열하여 감압하에서 증발이 이루어지도록 하였다.
상기 휘산장치(30)는 지속적으로 가열되지만 새로운 원료가 투입되는 과정에서 현저하게 온도가 떨어지므로 가스가 휘산하는 양이 줄어들 수 있다. 따라서 집수용 탱크를 일정한 시간을 두고 유입시킬 경우에는 이로 인한 영향을 최소화 할 수 있다.
휘산된 암모니아 가스와 이산화탄소 가스는 냉각기(40)에서 온도를 낮추어서 탈황석고 수용액이 들어있는 반응장치(50)로 이송시킨다.
이때 가스의 이송은 진공펌프(Pv)를 이용하여 구현하고, 상기 진공펌프의 작동으로 휘산장치(30)의 휘산조는 감압상태를 유지할 수 있다.
상기 반응장치(50)의 반응조(51)에는 물과 탈황석고의 비율이 물 15L에 탈황석고는 7kg(건조상태)을 충진하며,
이때 생성되는 비료의 양은 유안비료가 3.9Kg(건조상태)과 석회질 비료가 3.4Kg(건조상태)이다.
상기 반응조로 유입되는 가축분뇨에 함유되어 있는 암모니아의 농도는 6kg/m3이며,
탈황석고와 가스가 반응하는 시간은 약2~3시간이므로, 탈황석고를 하루에 6번 충진하도록 하면 충분한 생산성을 보장할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 가축분뇨 비료화 방법 및 이의 실현을 위한 장치는 가축분뇨를 고액분리한 다음, 축뇨의 가열 휘발에 의하여 암모니아가스 및 이산화탄소가스를 분리한 후, 이 가스를 탈황석고와 반응시켜 황산암모늄(유안비료) 및 탄산칼슘(석회질비료)을 생성시키며, 생성된 축분과 잔류 액체비료는 발효 등의 후처리를 거치도록 하여 가축분뇨의 주요 악취성분인 암모니아 가스와 온실가스 성분인 이산화탄소 가스를 제거하며, 이들 악취성분과 산업폐기물인 탈황석고를 이용하여 경작용 비료를 생산하는데 생산과정에서 산이나 알칼리아 등의 별도 화학제를 필요로 하지 않는다.
또 상기 축뇨의 가열시 최적의 온도를 특정하고, 에너지 소비를 줄이기 위하여 분뇨 발효열을 열교환하여 축뇨 예열에 사용하도록 하며, 상기 축뇨의 휘발이 쉽게 이루어지도록 감압하에서 공정이 이루어지도록 하여, 가스휘발을 위한 별도의 휘발가스(striping agent)를 사용하지 않으며 에너지 사용을 최소화 할 수 있고,
축분과 가수 분리 후 남은 축뇨를 연계처리공정에서 기존의 유기질 비료화 공정의 문제점인 함수율과다로 인한 불완전 부숙 및 수분조절제의 사용을 절제할 수 있으며,
액비화 과정에서는 고형물과 악취성분을 제거함으로써 관로의 폐색현상을 방지하며 살포시에 악취발생을 없애고 살포차량장비의 운영을 용이하며 일반 펌프장비를 이용하여도 살포가 가능하다.
동시에 축사의 공기를 정화하는 효과가 있는데, 특히 본 발명의 목표 생산물인 질소성비료와 석회질 비료는 경작농가에 유용한 비료로 기존의 생산방식인 강산과 알칼리 화학제를 이용하지 않고 폐기물을 활용하여 생산함으로써 폐자원재활용과 자원순환의 길을 열어주는 계기가 될 것이다.
결과적으로 축산농가가 악취발생의 근원지라는 사회적 인식을 전환할 수 있는 계기를 마련하였으며, 본 발명을 통하여 축산농가가 비료생산을 통하여 수익을 창출할 수 있는 계기가 마련될 것이다.
본 발명의 기술은 신선한 축산분뇨에 적용할 뿐만 아니라 축산분뇨의 액비에 적용할 수 있으며, 또한 음식물쓰레기 처리장과 오수처리장 및 폐수처리장 등 암모니아의 발생량이 많은 대상지에 악취제거를 겸하여 이를 이용하여 질소성 비료를 생산할 수 있다.
이상의 설명에서 가축분뇨의 비료화와 관련된 통상의 공지된 기술을 생략되어 있으나, 당업자라면 이를 당연히 추측 및 추론할 수 있을 것이다.
또 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 순서와 배열을 갖는 공정 및 비료화 장치를 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. (a) 분뇨슬러리를 축분과 축뇨로 분리하는 고액분리단계;
    (b) 분리된 축뇨를 가열하여 암모니아가스와 이산화탄소가스 휘발시키는 단계;
    (c) 휘발된 가스를 냉각시키는 단계;
    (d) 냉각된 가스를 탈황석고수용액이 충진된 반응조로 이송시켜 황산암모늄과 탄산칼슘을 생성시키는 비료생성단계를 포함하여 이루어진 가축분뇨 비료화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)단계의 가열 온도는 60~80℃인 것을 특징으로 하는 가축분뇨 비료화 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)단계는 대기압 보다 낮게 감압된 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 비료화 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b)단계의 가열은 상기 (a)단계를 거친 축분 발효조와 상기 (b)단계를 거쳐 암모니아가스 및 이산화탄소가스가 분리된 축뇨 발효조에서 발생되는 발효열과의 열교환을 통하여 상기 (b)단계 전의 축뇨를 예열하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 비료화 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (d)단계에 공급되는 이산화탄소가스는 축사에서 별도로 포집된 가스가 병행 공급되는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 비료화 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (d)단계의 반응을 거치고 남은 암모니아가스 및 이산화탄소가스는 다음 반응을 위하여 반송되는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 비료화 방법.
  7. 분뇨슬러리를 축분과 축뇨로 분리하는 고액분리장치;
    분리된 축뇨를 가열하여 암모니아가스와 이산화탄소가스 휘발시키기 위하여 가열수단을 구비한 가스휘산장치;
    휘발된 가스를 냉각하기 위한 냉각기; 및
    냉각된 가스를 공급받아 황산암모늄과 탄산칼슘을 생성시키기 위하여 탈황석고수용액이 충진되어 있고 교반기가 구비된 반응장치를 포함하여 이루어진 가축분뇨 비료화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스휘산장치에서 가열수단에 의한 온도는 60~80℃인 것을 특징으로 하는 가축분뇨 비료화 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스휘산장치에는 대기압 보다 낮게 감압된 상태가 유지되도록 하는 감압수단이 더 구비된 것을 특징으로 가축분뇨 비료화 장치.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고액분리장치에서 생성된 축분을 위한 발효조와 상기 가스휘산장치에서 잔류된 축뇨를 위한 발효조를 더 구비하고,
    상기 가스휘산장치 전방에는 상기 발효조에서 생성되는 발효열과의 열교환으로 상기 고액분리장치에서 분리된 축뇨를 예열하는 열교환기가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 비료화 장치.
  11. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스휘산장치에서 상기 냉각기로의 가스 이송은 진공펌프에 의하여 이루어지고,
    상기 진공펌프에 의하여 상기 가스휘산장치에는 대기압 보다 낮은 감압 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 비료화 장치.
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