KR100851529B1 - 유기성 폐기물 처리장치 - Google Patents

유기성 폐기물 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기성 폐기물로부터 바이오 가스를 생성함에 있어서, 바이오 가스 내에 포함되어 있는 황화수소를 효과적으로 제거할 수 있는 유기성 폐기물 처리장치에 관한 것으로서,
본 발명에 따른 유기성 폐기물 처리장치는 유기성 폐기물이 혐기성 소화되는 공간을 제공하는 혐기성 소화조와, 상기 혐기성 소화조의 상부에 구비되어 상기 혐기성 소화조에서 생성된 바이오 가스를 포집하는 가스백 및 상기 혐기성 소화조의 상단과 상기 가스백 사이에 구비되며, 황산화 미생물을 이용하여 상기 바이오 가스 내에 포함되어 있는 황화수소를 제거하는 역할을 하는 탈황 여재 시스템을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
유기성폐기물, 혐기성소화, 바이오가스, 황화수소, 탈황

Description

유기성 폐기물 처리장치{Organic waste treatment apparatus}
본 발명은 유기성 폐기물 처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유기성 폐기물로부터 바이오 가스를 생성함에 있어서, 바이오 가스 내에 포함되어 있는 황화수소를 효과적으로 제거할 수 있는 유기성 폐기물 처리장치에 관한 것이다.
최근, 음식물 쓰레기, 축분, 하수 슬러지와 같은 유기성 폐기물을 혐기성 소화시켜 메탄 등의 바이오 가스를 생산하고 이를 열병합 발전 등에 이용하는 기술이 개발되고 있다. 이와 같이 유기성 폐기물로부터 바이오 가스를 생산, 이용하는 방법은 바이오 가스를 에너지원으로 사용할 수 있다는 점 이외에 2차적인 환경 오염을 방지할 수 있어 각광을 받고 있다.
한편, 유기성 폐기물의 혐기성 소화를 통해 얻어지는 바이오 가스 내에는 메탄 가스 이외에 황화수소(H2S)가 포함되어 있다. 바이오 가스 내의 황화수소는 유황 및 황산염을 환원하는 황환원세균에 의해 생성되는데, 이와 같은 황화수소는 인체 에 노출될 경우 생명에 치명적인 영향을 끼칠 뿐만 아니라 열병합 발전 등의 바이오 가스 활용 과정에 있어서 아황산가스 및 황산으로 변환되어 보일러, 엔진 실린더 및 배기관을 부식시키는 등 시스템에 악영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 따라서, 혐기성 소화를 통해 얻어진 바이오 가스의 유용한 활용을 위해서는 바이오 가스의 탈황이 필수적이라 할 수 있다.
탈황의 방법으로는 크게 물리적 탈황, 화학적 탈황, 생물학적 탈황 방법이 있는데, 각각 다음과 같은 특징을 갖고 있다.
먼저, 물리적 탈황 방법은 합성 제올라이트나 활성탄 등의 다공성 물질을 이용하여 황화수소를 흡착, 제거하는 방법인데, 수분이 응축하여 막힘 현상이 발생하거나 압력이 손실되어 흡착 효율이 급격하게 저하되는 단점이 있다. 또한, 흡착제의 재생이 어려워 탈황제의 빈번한 교체 및 폐탈황제 폐기물의 위탁처리가 필요하여 유지비용이 많이 드는 문제점이 있다.
다음으로, 화학적 탈황 방법은 황화수소를 산화철이나 화학부착활성탄 등의 화학흡착제를 이용하여 흡착시키거나 메틸디에탄올아민(MDEA) 및 디이소프로판올아민(DIPA) 등과 화학반응 및 메탄올, 폴리에틸렌글리콜, 디메틸에틸 등의 용매에 용해시켜 습식 세정 흡수하는 방법이다. 화학흡착제를 이용하는 화학적 탈황 방법의 경우, 재생이 거의 불가능하여 주기적인 교체 및 폐탈황제의 처리가 필수적이며, 용매를 이용하는 화학적 탈황 방법의 경우에는 흡착수의 재생이 어렵고, 폐수가 발생하여 폐수처리의 어려움 및 추가비용이 소요되는 문제와 함께 악취가 발생하는 단점이 있다.
마지막으로, 생물학적 탈황 방법은 별도의 생물학적 반응기 내에 천연 또는 인공 담체로 바이오 필터를 구성하여 황산화 미생물을 배양하여 황화수소를 산화, 제거하는 방법이다. 이와 같은 생물학적 탈황 방법은 물리적, 화학적 탈황 방법에 비해 환경 친화적이고 경제적이라는 장점이 있으나, 장치의 설치 면적이 비교적 크고 온도, 습도, pH, 영양분 등의 미생물 배양 조건을 맞추기 위해 적지 않은 비용과 기술이 요구되고 물리적, 화학적 탈황 방법에 비교하여 상대적으로 처리 효율이 저조한 단점이 있다.
현재, 혐기성 소화 공정과 연계된 바이오 가스 이용 시스템의 경우, 기존의 생물학적 탈황 효과가 미비하여 대부분 물리적, 화학적 탈황 방법에 의존하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 유기성 폐기물로부터 바이오 가스를 생성함에 있어서, 바이오 가스 내에 포함되어 있는 황화수소를 효과적으로 제거할 수 있는 유기성 폐기물 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기성 폐기물 처리장치는 유기성 폐기물이 혐기성 소화되는 공간을 제공하는 혐기성 소화조와, 상기 혐기성 소화조의 상부에 구비되어 상기 혐기성 소화조에서 생성된 바이오 가스를 포집하는 가스백 및 상기 혐기성 소화조의 상단과 상기 가스백 사이에 구비되며, 황산화 미생물을 이용하여 상기 바이오 가스 내에 포함되어 있는 황화수소를 제거하는 역할을 하는 탈황 여재 시스템을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 탈황 여재 시스템은, 황산화 미생물이 부착, 성장되는 공간을 제공하는 여재 수단과, 상기 여재 수단을 상기 혐기성 소화조에 고정시키는 역할을 하는 고정틀로 구성된다. 상기 여재 수단은, 막대 형상의 여재가 간격을 두고 배열되어 구성되는 제 1 여재층과 상기 제 1 여재층 상에 시트 형태로 구비되는 제 2 여재층으로 구성되거나, 격자 형상의 여재가 간격을 두고 배열되어 구성되는 제 1 여재층과 상기 제 1 여재층 상에 구비되는 시트 형상의 제 2 여재층으로 구성되거나 막대 형 상의 제 1 여재층이 간격을 두고 배열되고, 각각의 제 1 여재층의 둘레에 시트 형상의 제 2 여재층이 구비되는 형태로 구성될 수 있다.
상기 혐기성 소화조 내부에 황산화 미생물에 공기를 공급하는 역할을 하는 공기 공급 장치가 더 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 유기성 폐기물 처리장치는 다음과 같은 효과가 있다.
별도의 탈황 반응기를 설치하지 않고, 혐기성 소화조 내부에서 황화수소의 생물학적 처리를 유도함에 따라 기존의 생물학적 탈황 방법에 비해 추가적인 장치의 설치 면적이 요구되지 않으며, 별도의 제작이 필요한 담체 대신 손쉽게 구할 수 있는 목재류 및 직물류의 여재 또는 별도의 제작이나 가공 없이 상기 두 종류의 여재 각각에 상응하는 미생물 부착성능과 물리적 강성 및 물리적 내부구조를 갖는 여재를 이용함으로써 설치비용을 크게 절감할 수 있게 된다.
또한, 메탄 가스로 포화된 혐기성 소화조 상단부와 가스백의 하단부 사이에 탈황 여재 시스템이 구비됨에 따라, 황산화 미생물에 의한 탈황에 필요한 가스 체류시간을 확보할 수 있어 탈황 처리 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이에 부가하여, 혐기성 소화조의 내부 조건(온도, pH, 영양분) 자체가 미생물이 성장하기에 적당하여 별도의 배양 조간을 조성할 필요가 없으며, 단지 전자수용체인 산소만을 공급함으로써 황산화 미생물의 배양할 수 있어 운영 및 유지관리비용이 절감될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 절개 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 여재 시스템의 분리 사시도이다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치는 크게 혐기성 소화조(110), 가스백(120) 및 탈황 여재 시스템(130)의 조합으로 이루어진다.
상기 혐기성 소화조(110)는 음식물 쓰레기, 축분, 하수 슬러지 등의 유기성 폐기물이 혐기성 소화되는 공간을 제공하는 역할을 하며, 상기 가스백(120)은 상기 혐기성 소화조(110)의 상부에 구비되어 상기 혐기성 소화조(110) 내의 유기성 폐기물이 혐기성 소화되어 생성된 바이오 가스를 포집하는 역할을 한다. 또한, 상기 탈황 여재 시스템(130)은 상기 가스백(120)과 혐기성 소화조(110)의 경계 상에 구비되어 상기 바이오 가스 내에 포함되어 있는 황화수소를 생물학적으로 제거하는 역할을 하는데 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
상기 혐기성 소화조(110) 내부의 상단에는 공기 공급 장치(111)가 구비되어 상기 탈황 여재 시스템(130) 내에 부착되어 있는 황산화 미생물에 공기를 공급하는 역할을 한다.
한편, 상기 탈황 여재 시스템(130)의 구성을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 3에 도시한 바와 같이 상기 탈황 여재 시스템(130)은 황산화 미생물이 부착되어 성장되는 공간을 제거하는 여재 수단과, 상기 여재 수단을 상기 혐기성 소화조(110) 상단에 고정시키는 역할을 하는 고정틀(133)로 구성된다. 참고로, 상기 황산화 미생물로는 혐기성 소화조(110) 내부의 환경에 적응력이 강한 T. ferrooxidans 이 이용될 수 있다.
상기 여재 수단은 수분을 흡수할 수 있는 기능, 바이오 가스가 원활하게 통과할 수 있는 통기성 및 황산화 미생물이 부착, 성장할 수 있는 성장 조건이 담보되어야 한다. 이와 같은 조건을 만족하기 위해 본 발명은 제 1 여재층(131) 및 제 2 여재층(132)으로 구성되는 여재 수단을 제시한다.
일 실시예로, 상기 여재 수단의 재료적인 측면에서는 상기 제 1 여재층(131)은 수분 함유 및 황산화 미생물의 부착, 성장이 가능한 목재류로 구성하고, 제 2 여재층(132)은 황산화 미생물의 부착, 성장 및 바이오 가스의 원활한 통기가 가능한 직물류로 구성할 수 있다. 다른 실시예로, 상기 제 1 여재층(131)은 별도의 제작이나 가공 없이 상기 목재류에 상응하는 미생물 부착성능과 물리적 강성 및 물리적 내부 구조를 갖는 재료로 구성하고, 상기 제 2 여재층(132)은 별도의 제작이나 가공 없이 상기 직물류에 상응하는 미생물 부착성능과 물리적 연성 및 물리적 내부 구조를 갖는 시트형 재료로 구성할 수 있다.
또한, 상기 여재 수단의 형태적인 측면에서는 상기 제 1 여재층(131)은 도 2 에 도시한 바와 같이 막대 형상의 여재 예를 들어, 목재류를 간격을 두고 배열하는 형태로 구성할 수 있으며, 이와 같은 제 1 여재층(131) 상에 시트(sheet) 형상의 여재 예를 들어, 직물류의 제 2 여재층(132)을 구비시킬 수 있다. 상기 제 2 여재층(132) 상에는 상기 제 1 및 제 2 여재층(131)(132)을 상기 혐기성 소화조(110)에 고정시키는 역할을 하는 고정틀(133)이 구비된다.
상기 제 1 및 제 2 여재층(131)(132)은 상기 도 2에 도시된 실시예 이외에 다른 형태의 실시예로 구성할 수도 있다. 즉, 도 4a에 도시한 바와 같이 제 1 여재층(131)을 격자 형상으로 구성하고, 그 상부에 제 2 여재층(132)을 구성할 수도 있다. 또한, 다른 실시예로 도 4b에 도시한 바와 같이 막대 형상의 여재(131) 예를 들어, 목재류를 간격을 두고 배열시키고 각각의 여재의 둘레에 직물류의 여재(132)를 구비시킬 수도 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치를 설명하였다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 탈황 흐름을 살펴보기로 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 탈황 흐름을 설명하기 위한 참고도이다.
먼저, 혐기성 소화조(110) 내에서 유기성 폐기물의 혐기성 소화가 진행되는 상태에서, 상기 혐기성 소화조(110) 내부의 상단에 구비된 공기 공급 펌프를 통해 상기 혐기성 소화조(110) 내부에 공기가 공급된다. 여기서, 주입되는 공기의 양은 상기 혐기성 소화조(110) 내부에서 발생하는 가스에 대비하여 5% 정도가 바람직하 다.
주입된 공기는 상기 혐기성 소화조(110)에서 생성된 바이오 가스와 함께 상기 탈황 여재 시스템(130)에 공급되는데, 주입된 공기 중의 산소는 호기성 미생물인 황산화 미생물에 전자수용체 역할을 한다. 이와 같은 산소의 공급 하에 황산화 미생물은 아래의 화학반응식과 같이 황화수소(H2S)를 황산이온(SO4 2-)으로 산화시키고, 황산이온은 바이오 가스 내에 포함되어 있는 NH4 + 이온과 화학 반응하여 황산암모늄((NH4)2SO4)으로 안정화된다. 상기 화학 반응으로 얻어진 황산암모늄은 황산화 미생물의 영양원으로 재활용될 수 있다.
<탈황 화학반응식>
(1) 2H2S + O2 → 2S + 2H2O
(2) H2S + O2 → 2H+ + SO4 2-
(3) 2NH4 + + SO4 2- → (NH4)2SO4
이상의 과정을 통해 황화수소가 제거됨에 따라, 상기 가스백(120) 내에는 황화수소가 제거된 바이오 가스만이 포집된다.
한편, 본 발명에 따른 유기성 폐기물 처리장치는 혐기성 소화조(110)의 상단에 가스백(120)이 구비되는 형태를 가짐에 따라, 가스백(120) 내에 바이오 가스가 포집된 상태에서 바이오 가스 내에 포함되어 있는 황화수소와 황산화 미생물이 반 응하게 되어 황화수소의 제거 효율을 높일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 탈황 효율을 살펴보면, 바이오 가스 내의 2000∼5000ppm의 황화수소를 20∼600ppm 정도의 수준으로 낮출 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 절개 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 여재 시스템의 분리 사시도.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 여재 수단의 사시도.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 여재 수단의 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 탈황 흐름을 설명하기 위한 참고도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 혐기성 소화조 111 : 공기 공급 장치
120 : 가스백 130 : 탈황 여재 시스템
131 : 제 1 여재층 132 : 제 2 여재층
133 : 고정틀

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 유기성 폐기물이 혐기성 소화되는 공간을 제공하는 혐기성 소화조;
    상기 혐기성 소화조의 상부에 구비되어 상기 혐기성 소화조에서 생성된 바이오 가스를 포집하는 가스백; 및
    상기 혐기성 소화조의 상단과 상기 가스백 사이에 구비되며, 황산화 미생물을 이용하여 상기 바이오 가스 내에 포함되어 있는 황화수소를 제거하는 역할을 탈황 여재 시스템을 포함하여 이루어지며,
    상기 탈황 여재 시스템은,
    황산화 미생물이 부착, 성장되는 공간을 제공하는 여재 수단과,
    상기 여재 수단을 상기 혐기성 소화조에 고정시키는 역할을 하는 고정틀로 구성되며,
    상기 여재 수단은,
    막대 형상의 여재가 간격을 두고 배열되어 구성되는 제 1 여재층과,
    상기 제 1 여재층 상에 시트 형태로 구비되는 제 2 여재층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  4. 유기성 폐기물이 혐기성 소화되는 공간을 제공하는 혐기성 소화조;
    상기 혐기성 소화조의 상부에 구비되어 상기 혐기성 소화조에서 생성된 바이오 가스를 포집하는 가스백; 및
    상기 혐기성 소화조의 상단과 상기 가스백 사이에 구비되며, 황산화 미생물을 이용하여 상기 바이오 가스 내에 포함되어 있는 황화수소를 제거하는 역할을 탈황 여재 시스템을 포함하여 이루어지며,
    상기 탈황 여재 시스템은,
    황산화 미생물이 부착, 성장되는 공간을 제공하는 여재 수단과,
    상기 여재 수단을 상기 혐기성 소화조에 고정시키는 역할을 하는 고정틀로 구성되며,
    상기 여재 수단은,
    격자 형상의 여재로 구성되는 제 1 여재층과,
    상기 제 1 여재층 상에 구비되는 시트 형상의 제 2 여재층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  5. 유기성 폐기물이 혐기성 소화되는 공간을 제공하는 혐기성 소화조;
    상기 혐기성 소화조의 상부에 구비되어 상기 혐기성 소화조에서 생성된 바이오 가스를 포집하는 가스백; 및
    상기 혐기성 소화조의 상단과 상기 가스백 사이에 구비되며, 황산화 미생물을 이용하여 상기 바이오 가스 내에 포함되어 있는 황화수소를 제거하는 역할을 탈황 여재 시스템을 포함하여 이루어지며,
    상기 탈황 여재 시스템은,
    황산화 미생물이 부착, 성장되는 공간을 제공하는 여재 수단과,
    상기 여재 수단을 상기 혐기성 소화조에 고정시키는 역할을 하는 고정틀로 구성되며,
    상기 여재 수단은,
    막대 형상의 제 1 여재층이 간격을 두고 배열되고, 각각의 제 1 여재층의 둘레에 시트 형상의 제 2 여재층이 구비되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 여재층은 목재류로 구성되고, 상기 제 2 여재층은 직물류로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
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