KR100907915B1

KR100907915B1 - 친환경 완전혼합다단반응조를 이용한 유기성폐기물의 고효율 바이오 에너지화장치

Info

Publication number: KR100907915B1
Application number: KR1020080132019A
Authority: KR
Inventors: 이광헌; 이지원; 박병재; 김길수; 강석웅
Original assignee: 주식회사 한국종합기술; 주식회사 피엠씨코리아
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2009-07-16

Abstract

본 발명은 소화반응조 내부에 공정 슬러지의 체류시간확보와 유체의 흐름이 점진적 유체이동(Plug Flow)으로 형성하여 유체의 유동성을 확보하며, 유기질과 미생물의 농도를 균일하게 유지할 수 있고, 슬러지의 침전과 상부의 스컴 층 형성을 줄일 수 있는 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치를 제공하는데 그 목적과 작용효과가 있다.

본 발명은 하, 폐수 처리 슬러지, 음식물 쓰레기, 분뇨 등의 유기성 슬러지를 소화시키기 위하여 유기성 슬러지를 영양 및 에너지원으로 사용하여 지방산 혹은 휘발성 산을 생산하는 산 생성공정과, 생성된 지방산이 소화과정에서 슬러지의 감량, 악취제거 및 대장균을 멸균함과 동시에 이산화탄소(CO₂)와 메탄가스(CH₄)로 변형되어 메탄을 발생하는 메탄생성공정으로 이루어진 소화반응장치를 구성하되, 혐기성 소화반응조에서 유기성 슬러지를 점진적 흐름(Plug Flow)으로 형성할 수 있는 다단계의 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치로 설계 제작하고, 각단의 소화 반응조는 유기성 슬러지를 효율적으로 혼합할 수 있는 기계식 다단 교반기가 설치되어 있다.

다단계 소화반응조, 산 생성공정, 메탄생성공정, 가로격벽, 와류제어판

Description

친환경 완전혼합다단반응조를 이용한 유기성폐기물의 고효율 바이오 에너지화장치{A Bio Apparatus for High Efficient Bio Wastes Digesting System using Complete Stirring Multi-Stage Reactor(CSMSR)}

본 발명은 하, 폐수 처리 슬러지, 음식물 쓰레기, 분뇨 등의 유기성 슬러지를 소화시키기 위하여 유기성 슬러지를 영양 및 에너지원으로 사용하여 지방산 혹은 휘발성 산을 생산하는 산 생성공정과, 생성된 지방산이 소화과정에서 슬러지의 감량, 악취제거 및 대장균을 멸균함과 동시에 이산화탄소(CO₂)와 메탄가스(CH₄)로 변형되어 메탄을 발생하는 메탄생성공정으로 이루어진 유기성 슬러지의 고효율 다단 소화반응장치를 구성하되, 유기성 슬러지 소화공정에서 소화효율을 극대화하기 위해 소화반응조(Chamber)를 다단(Multi Stage)계로 구성하고, 유기성슬러지가 이동할 때 하부와 상부를 순차로 이동하도록 이동통로를 설계 제작하며, 각단의 소화반응조(Chamber)에는 기계식 교반기(Mechanical Mixer) 및 중앙에 슬러지 이동통로가 형성된 가로격벽을 설치하여 유체의 흐름이 점진적 흐름(Plug Flow)을 이루도록 구성하여 각단의 소화반응조별로 슬러지를 골고루 혼합하여 효율적인 소화를 달성할 수 있도록 구성하고, 유체의 체류시간 확보와 교반효율의 증대에 의한 소화능률의 향상을 통한 슬러지의 감량과 바이오가스의 생산량 증가 및 바이오가스의 품질향상을 이룰 수 있도록 설계 제작된 친환경 다단계 반응조를 이용한 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치에 관한 것이다.

종래의 유기성 슬러지는 유기물과 모래, 흙 등 무기물로 구성되어 소화 공정을 거치지 않고 폐기할 경우에 악취와 함께 2차 오염원을 수반하는 문제점이 있으며, 이에 따라 슬러지 상태를 안정시키고 감량하며 부산물로 바이오가스를 생산하기 위한 소화공정을 거치고, 슬러지 소화공정에는 슬러지의 소화효율을 높이기 위한 혐기 조건 하에서의 체류기간 확보 및 혼합공정이 필수적으로 채용되나, 기존의 혐기성 소화방법은 단일의 소화반응조(Single Chamber) 내에서 연속 흐름(Continuous Flow)상태에 소화공정에서 생산되는 가스를 이용한 압축가스 믹싱방식을 이용하고 있었다.

이러한 유기성 슬러지의 소화방식 하에서는 일정량의 유기성 슬러지들은 소화공정에 필요한 시간 동안 반응조(Chamber) 내에 체류하지 못하고 조기 방출되며, 또한 믹싱의 효율이 조악(粗惡)하여 소화반응조 하부에 슬러지 침전층의 발생과 유체의 표면 상부에 스컴 층이 발생하는 문제점이 있고, 또한 메탄생성을 주관하는 메탄 생성균을 메탄가스와 분리해 주는 기능이 없어 메탄가스 농도가 높은 환경에서 메탄 균의 활동이 저해되는 문제점이 있다.

종래의 단일의 소화반응조(Single Chamber)에 의한 소화공정은 유기성 슬러지의 소화공정에 필요한 체류시간 미확보, 하부 슬러지의 침전 및 상부 스컴 층의 형성이 진행되므로 소화반응조 용적이 감소하고, 유기성슬러지 양이 증가하며, 메탄균 활동 저하에 의한 소화효율의 저하, 소화반응조의 청소에 따른 비용이 과다하게 발생되는 등의 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 각단의 소화반응조에는 기계식 교반기(Mechanical Mixer) 및 중앙에 슬러지 이동통로가 형성된 가로격벽을 설치하여 유체의 흐름이 점진적 흐름(Plug Flow)을 이루도록 하여 각단의 소화반응조별로 슬러지를 골고루 혼합하여 효율적인 소화를 달성할 수 있도록 하고, 유기성슬러지의 완전한 소화를 위한 체류시간 확보와 교반효율의 증대에 의한 소화능률의 향상을 통한 슬러지의 감량과 바이오가스의 생산량 증가 및 바이오가스의 품질향상을 이룰 수 있도록 하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 호기성 소화반응조와 혐기성 소화반응조를 병용하여 운영함으로써 폐수의 성상(性相) 조건에 따라 각종 폐수를 효율적으로 소화 정화시켜서 정화효율이 향상되고 에너지 비용이 낮아지도록 설계 제작한 복합형 슬러지 처리 소화반응을 이루는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 유기성슬러지의 완전한 소화를 위한 체류시간을 확보하고 효율적으로 혼합하기 위하여 각단의 소화반응조에서 소화반응조로 이동할 때 이동하는 이동통로를 하부 또는 상부로 순차로 설치하고, 고르게 슬러지를 교반할 수 있도록 수직축에 상하로 다층의 가로격벽 사이에 임펠러를 하나이상 설치하여 침전물 부양과 상부 스컴을 하강시키기 위한 슬러지 유동을 형성하여 고효율 점진적 유동(Plug Flow)에 의한 고른 혼합(Complete Stirring)으로 효율적인 소화 반응을 이루는데 있다.

본 발명의 과제 해결 수단은 소화 반응조를 다단계로 설계 제작하여 공정 슬러지의 점진적 유동(Plug Flow)을 달성하고, 각단의 소화반응조에는 가로격벽이 설치되고 교반익이 설치된 기계식 믹서를 적용하여 각 단의 소화 슬러지가 완전한 혼합을 이루어 박테리아가 유기물을 영양 및 에너지원으로 사용하여 지방산 혹은 휘발성 산을 생산하는 산산 생성공정과, 이러한 지방산이 반응하여 이산화탄소(CO₂)와 메탄가스(CH₄)를 생성하는 공정으로 이루어진 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치를 구성하되, 슬러지의 감량하고 악취를 제거하며 부산물로 바이오가스를 생산하여 에너지원으로 이용하도록 구성하고, 유기성 슬러지의 소화공정에서 유체의 체류시간을 확보하고 교반효율의 높여서 소화효율을 극대화하기 위해 소화반응조를 다단계로 구성하며, 각단의 소화반응조로 유기성슬러지가 이동할 때 하부과 상부를 순차로 이동할 수 있도록 이동통로를 설치하고, 각단의 소화반응조에는 기계식 교반기(Mechanical Mixer) 및 중앙에 슬러지 이동통로가 형성된 가로격벽을 설치하여 슬러지의 흐름이 점진적 흐름을 이루도록 구성하여 각단의 소화반응조별로 슬러지를 골고루 혼합하여 효율적인 소화를 달성할 수 있도록 구성하고, 유체의 체류시간 확보와 교반효율의 증대에 의한 소화능률의 향상을 통한 슬러지의 감량, 바이오가스의 생산량 증가 및 바이오가스의 품질향상을 이룰 수 있도록 설계 제작된 고효율 유기성슬러지 바이오화장치를 구현하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 소화반응조를 다단계로 설계 제작하되, 유기성 슬러지의 이동통로를 각단의 조화반응조의 하부와 상부를 순차로 설치하여 소화공정에서 필요한 슬러지의 체류시간을 확보하고 교반효율의 높여서 소화효율을 극대화함과 동시에 고온 호기성 소화반응조와 혐기성 소화반응조를 병용하여 운영함으로써 폐수의 성상(性相) 조건을 고려하여 각종 폐수를 효율적으로 소화 정화시켜서 정화효율이 향상되고 에너지 비용이 낮아지도록 설계 제작된 복합형 고효율 유기성슬러지 바이오화장치를 구현하는 있다.

본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 유기성슬러지의 완전한 소화를 위한 체류시간을 확보하고 효율적으로 슬러지를 혼합하기 위하여 각단의 소화반응조에서 소화반응조로 이동할 때 이동하는 슬러지 이동통로를 하부 또는 상부로 순차로 설치하고, 슬러지를 효율적으로 교반할 수 있도록 중앙에 슬러지 이동통로가 형성된 다층의 가로격벽사이의 회전축 상에 침전물 부양과 상부 스컴을 하강시키는 구조로 다수의 교반익을 설치하여 소용돌이 형성하여 고효율 점진적 유동에 의한 고른 혼합(Complete Stirring)으로 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 각단의 소화 반응조에는 기계식 교반기(Mechanical Mixer) 및 중앙에 슬러지 이동통로가 형성된 가로격벽을 다층으로 설치하여 유체의 흐름이 점진적 흐름(Plug Flow)을 이루도록 하여 각 소화반응조별로 슬러지를 골고루 혼합하여 효율적인 소화를 달성할 수 있도록 하고, 유기성슬러지의 완전한 소화를 위한 체류시간 확보와 교반효율의 증대에 의한 소화능률의 향상을 통한 슬러지의 감량과 바이오가스의 생산량 증가 및 바이오가스의 품질을 향상시키는 작용효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 호기성 소화 반응조와 혐기성 소화 반응조를 병용하여 운영함으로써 폐수의 성상(性相) 조건에 따라 각종 폐수를 효율적으로 소화 정화시켜서 정화효율이 향상되고 에너지 비용이 낮아지도록 제작한 복합형 슬러지 처리 소화반응을 이루는데 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 유기성슬러지의 완전한 소화를 위한 체류시간을 확보하고 효율적으로 혼합하기 위하여 각단의 소화반응조에서 소화반응조로 이동할 때 이동하는 슬러지 이동통로를 하부 또는 상부로 순차로 설치하고, 슬러지를 교반할 수 있도록 수직축에 상하로 다층의 가로격벽사이에 교반익을 하나 이상 설치하여 하부의 침전물 부양과 상부의 스컴을 하강시키기 위한 슬러지 유동을 형성하여 고효율 점진적 유동에 의한 고른 혼합으로 효율적인 소화 반응을 이루는데 있다.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다. 본 발명은 하, 폐수 처리 슬러지, 음식물 쓰레기, 분뇨 등의 유기성 슬러지를 소화시키기 위하여 유기성 슬러지를 영양 및 에너지원으로 사용하여 지방산 혹은 휘발성 산을 생산하는 산 생성공정과, 생성된 지방산이 소화과정에서 슬러지의 감량과 악취 제거 및 대장균을 멸균함과 동시에 이산화탄소(CO₂)와 메탄가스(CH₄)로 변형되어 메탄을 발생하는 메탄생성공정으로 이루어진 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치를 다단계로 설계 제작하므로 슬러지 소화에 필요한 체류시간 확보와 교반효율의 증대에 의한 소화효율을 높일 수 있도록 설계 제작된 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화장치는 유기성 슬러지 소화공정에서 소화효율을 극대화하기 위해 소화반응조를 다단계로 제작되며, 각단의 소화반응조로 유기성슬러지가 이동할 때 하부와과 상부로 순차로 이동하도록 이동통로를 설계 제작하고, 각단의 소화반응조에는 기계식 교반기 및 중앙에 슬러지 이동통로가 형성된 가로격벽을 설치하여 유체의 흐름이 점진적 흐름을 이루도록 구성하며, 각 소화반응조별로 유기성 슬러지를 골고루 혼합하여 효율적인 소화를 달성할 수 있도록 구성하고, 유체의 체류시간 확보와 교반효율의 증대에 의한 소화능률의 향상을 통한 슬러지의 감량, 바이오가스의 생산량 증가 및 바이오가스의 품질향상을 이룰 수 있도록 구성되어 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나 이상의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

본 발명의 이해를 용이하게 하는 도면을 살펴본다. 도1은 본 발명에 따른 다단 소화반응조를 확대한 도면을 도시한 것이며, 도2는 본 발명에 따른 종단 소화반응조를 확대한 도면을 나타낸 것이다. 도3은 본 발명에 따른 다단 소화반응조 중 하나의 소화반응조의 개략적인 사시도를 나타낸 것이며, 도4는 본 발명에 따른 4중 다단 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치의 개략적인 사시도를 도시한 것이며, 도5는 회전축과 고정부를 밀봉하는 마노메타 씰링 구조를 도시한 것이다. 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 살펴본다.

[실시 예]

본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 본 발명에 따른 고효율 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치는 유기성 슬러지 소화공정에서 소화효율을 극대화하기 위해 소화반응조를 다단계로 설계 제작하고, 각단의 소화반응조에는 기계식 교반기 및 중앙에 슬러지 이동통로가 형성된 가로격벽을 설치하여 슬러지의 흐름이 점진적 흐름을 이루도록 함과 동시에 각각의 소화반응조별로 유기성슬러지의 고른 교반을 이룰 수 있도록 설계 제작함으로써 슬러지의 소화를 위한 체류시간 확보와 교반효율의 증대에 의한 소화효율의 향상으로 슬러지의 감량, 바이오가스의 생산량 증가 및 바이오가스의 품질향상을 이룰 수 있도록 구성되어 있다.

또한 다단 소화반응조의 상부의 기계식 교반기의 교반익의 회전축 삽입부에는 가스의 유출을 방지할 있는 회전축 밀봉 구조(실용신안 등록 제20-0319140호)로 설계 제작되어 생성가스의 누출을 방지하고, 다수의 소화반응조 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 가열하는 가열장치를 설치하여 소화반응조 내의 온도를 효율적 소화에 필요한 적정한 온도 즉, 중온소화(35±2℃) 혹은 고온소화(50±0.5℃)로 설정된 온도를 유지하도록 구성되어 있다.

도1은 본 발명에 따른 다단 소화반응조(11)를 확대한 단면도이며, 도1의 다단 소화반응조(11)의 저면부에는 순환라인(13)을 형성하여 순환펌프(14)로 소화반응조(11)의 슬러지를 순환시켜 혼합되도록 설계 제작하되, 상기 순환라인(13)에는 순환펌프(14)와 슬러지파쇄기(15)를 설치하여 슬러지의 소화효율을 높일 수 있도록 슬러지를 잘게 파쇄하여 소화반응조(11) 내부로 다시 순환시키도록 구성되어 있다.

또한 순환라인(13)상에는 열교환기(16)를 설치하여 파쇄된 순환 슬러지가 효율적으로 소화될 수 있는 적절한 중온소화(35±2℃) 혹은 고온소화(50±0.5℃) 온도로 가열시켜 순환함으로 효율적으로 슬러지의 소화를 이룰 수 있도록 구성되어 있다.

상기 순환라인에 설치되는 구성요소 중에서 순환라인(13), 순환펌프(14) 및 열교환기(16)는 슬러지를 순화시켜 고른 슬러지의 혼합과 효율적으로 소화시킬 수 있는 적정한 온도를 유지하여 소화의 효율을 높일 수 있도록 설계 제작되며, 이는 각각의 소화반응조의 저면부에 설치할 수도 있다.

상기 순환라인에 설치되는 슬러지파쇄기(15)의 전단에는 슬러지에 포함된 모래 등의 비중이 무거운 물질들을 슬러지와 분리하여 외부로 배출하기 위한 싸이크론(30)을 설치할 수 있으며, 상기 모래 등의 무거운 물질을 분리하기 위한 싸이크론(30) 및/또는 슬러지에 포함된 고형물의 크기를 잘게 분쇄할 슬러지 파쇄기(15)는 슬러지 주입구 일측에 설치할 수도 있다.

도4는 본 발명의 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치의 전체적인 개략도이고, 도 1은 본 발명의 다단 소화반응조(11)를 확대한 단면도를 도시한 것이다. 도 1의 다단 소화반응조를 확대한 단면도에 도시되어 있는 바와 같이 전기구동모터(21))로 회전하는 회전축(22)에 복수의 교반익(임펠라, 23내지 25)을 상하로 다수개 설치하고, 교반익(23내지 25) 외측으로 교반익의 회전에 의한 와류발생을 방지하여 슬러지의 효율적인 교반이 가능하도록 다단 소화반응조(11)의 내부의 외측 벽에 수직으로 회전축을 향하여 일정길이로 하나 이상의 와류제어판(26, 27)이 설치되어 있다.

다단의 소화반응조 각각에는 소화 슬러지의 점진적 유동을 달성하고 체류시간을 확보하기 위한 가로격벽(28, 29)이 하나 이상 다층으로 설치되며, 다층의 가로격벽의 중앙에는 슬러지가 교반익의 회전에 의하여 상부 및/또는 하부로 이동할 수 있도록 원형의 구멍이 형성되어 있으며, 구멍의 크기는 교반익의 회전으로 인한 수류 흐름의 영향을 무시할 수 있는 범위 내에서 결정하는 것이 바람직하다. 상기 다수의 와류제어판(26, 27), 가로격벽(28, 29) 및 교반익(23내지 25) 등이 도시된 개략적인 소화반응조의 하나의 실시 예를 나타낸 사시도는 도3에 도시되어 있다.

각각의 다단 소화반응조(11)의 상부에는 효율적인 소화를 위하여 슬러지 교반 시에 발생하는 거품을 제거하기 위한 거품제거기(18)가 설치되어 있고, 소화반응조(11)에 슬러지탱크 혹은 슬러지 전처리장치로부터 슬러지를 주입하기 위한 슬러지 주입구(12)를 첫단 소화반응조의 하단부에 설치하여 슬러지 주입펌프를 통하여 슬러지를 소화반응조(11)로 주입 공급하도록 설계 제작되며, 각단의 소화반응조(11)의 상단부에는 소화에 필요한 물을 공급하기 위한 압축수 공급관(20)과 소화반응조(11)의 소화상태 및 슬러지 상태를 점검하기 위한 샘플 채취관(19)이 설치되어 있다.

도2는 본 발명에 따른 종단 소화반응조를 확대한 도면을 나타낸 것이며, 소화반응조(11)의 상부 및/또는 하부에는 소화된 슬러지를 배출하기 위한 이송라인(37)이 설치되고, 이송라인의 일측에 설치된 이송펌프(38)로 탈수장치 또는 2단소화반응조로 소화된 슬러지를 이송하도록 구성되어 있다.

또한, 다중으로 이루어진 소화반응조는 유기성 슬러지 소화공정에서 소화효율을 높이기 위하여 각단의 소화반응조로 유기성슬러지가 이동할 때 하부 및 상부 교대로 이동하도록 원형의 이동통로(17)를 설계 제작하고, 각단의 소화반응조에는 다수의 교반익, 와류제어판(26, 27) 및 가로격벽(28, 29) 등을 설치하여 고른 소화 및 소화슬러지의 흐름이 점진적으로 이루도록 설계 제작되어 있다.

상기 다수의 가로격벽(28, 29)에 형성된 이동통로 주위는 슬러지의 흐름이 거의 없고 비중이 높은 슬러지가 가운데로 모이는 구조로 형성되어 상부유체의 순차적 유동통로의 역할을 함과 동시에 상부의 높은 비중을 가진 슬러지가 하부로 침강하는 통로 역할을 하며, 하부에 침강된 슬러지는 슬러지 순환펌프(14)로 다시 상부로 주입하여 소화시킬 수 있도록 구성되어 있으며, 주입구는 하나이상 상하로 설치할 수 있다.

또한, 각단의 소화반응조별로 유기성 슬러지의 이동은 슬러지 주입펌프에 의하여 첫단의 소화반응조에 설치된 슬러지 주입구(12)로 주입되는 슬러지와 마지막 단의 소화반응조에서 소화가 종료된 슬러지를 슬러지 이송펌프(38)에 의하여 슬러지 이송라인(37)으로 배출시키므로 자연스럽게 슬러지의 이동이 점진적으로 이루어지도록 구성되어 있다.

상기 열교환기(16)는 보일러 또는 기타 가열장치에 의하여 가온된 열매체(액체 또는 기체)를 공급펌프를 사용하여 공급하는 배관으로 구성되며, 가열장치는 미생물의 최적 활동 환경이 조성되도록 일정온도로 설정 유지시켜 높은 유기물 분해에 의해 바이오가스 생산량 증대와 높은 소화효율로 최종 슬러지 농도가 낮아져 탈수케익의 양을 줄일 수 있도록 구성되어 있다.

다단 소화반응조(11) 내부에는 효율적으로 신속하게 소화시키기 위하여 유기성슬러지를 교반할 수 있도록 전기구동모터(21)에 의하여 회전하는 회전축(22)에 하나 이상의 교반익(임펠라, 23내지 25)이 설치되어 있다. 상기 교반익(23내지 25)은 다단 소화반응조(11)에 1개 이상 설치되어 회전하면서 슬러지를 교반하여 각단의 소화반응조 내부로 공급된 슬러지의 침전을 방지함과 동시에 상부의 부유물들을 하강시키기 위하여 회전축(22)에서 축류(Axial Flow) 혹은 방사류(Radial Flow)가 형성되도록 교반익(23내지 25)을 설계 제작하여 회전시킴으로 오니, 스컴 및 기타 부유물을 하강시키도록 구성함과 동시에 각단 소화반응조 바닥의 오니를 부양시켜 슬러지의 고른 교반에 의한 효율적인 소화가 이루어지도록 구성되어 있다.

도2의 최종단의 소화반응조에 설치되는 가스배관(27)의 일측에는 수분응축기(29)를 설치하여 가스에 포함된 수분을 응축시켜 제거하고, 소화과정에서 발생한 가스를 가스저장탱크로 이송하며, 소화반응조에 소화된 슬러지는 이송라인(37)과 이송펌프(38)를 이용하여 탈수장치 또는 2단 소화반응조 등으로 이송할 수 있도록 구성되어 있다.

도2에서, 종단 소화반응조에 설치되는 가스배관(31)에는 소화반응조 내부의 가스농도를 측정하는 가스감지센서(32)가 설치되고, 가스에 포함된 수분을 제거하기 위한 수분응축기(33)가 설치되며, 바이오 가스저장탱크로 이송되는 가스의 양을 계측할 수 있도록 가스계량기(34)가 설치되고, 가스를 바이오가스 저장탱크로 이송하기 위한 가스 개폐밸브가 설치되어 소화반응조(11)에서 발생한 설정된 농도 이상의 가스는 상기 가스배관(31)을 통과하여 바이오가스저장탱크로 이송되어 저장된 다.

상기 바이오가스저장탱크에 저장된 가스는 재활용 보일러의 가열을 위한 에너지로 사용할 수 있도록 구성하거나 가스개폐밸브에 의해 잉여가스 소화버너와 연결하여 버너를 가열하는 에너지원으로 사용할 수 있도록 구성할 수 있다.

도2에서, 슬러지 이송라인(37)은 소화반응조의 하부 및/또는 상부에 설치되어 탈수장치 또는 2단 소화반응조와 연결되고, 이송라인(37) 중간에는 슬러지 이송개폐밸브(39) 및 이송펌프(38)가 설치되어 있다. 탈수장치에서 탈수된 슬러지는 탈수케익화하여 배출시키도록 탈수케익 배출라인이 설치되어 있다.

상기 소화된 슬러지의 이송라인(37) 및 탈수케익 배출라인에는 1 이상의 이송펌프(38) 및 배출펌프를 설치하고, 이송라인 및 배출라인에는 슬러지 및 탈수케익을 이송하기 위한 개폐밸브를 설치하며, 필요시에 개폐밸브를 열어서 슬러지 및 탈수케익을 이송하고, 이송이 종료되면 개폐밸브를 닫을 수 있도록 전자개폐밸브(39)를 설치하여 이송 및 배출을 제어할 수 있도록 구성되어 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 하수, 폐수 처리공정에서 생성되는 부산물인 슬러지, 음식물 쓰레기 및/또는 축산분뇨 등은 소화시키기 위한 미도시된 전원제어 및 작동제어버튼이 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치의 일측에 설치되어 있으며, 상기 전원제어 및 작동제어버튼에 의해 슬러지 공급펌프, 전기구동모터, 개폐밸브 혹은 기타의 이송 수단을 동작시켜 슬러지를 점진적으로 이송시키면서 효율적으로 소화시킬 수 있도록 유기성슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치를 자동 또는 수동으로 제어 구동할 수 있도록 구성되어 있다.

슬러지저장탱크 혹은 슬러지 전처리장치로부터 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치의 슬러지 주입구(12)를 통해서 슬러지가 주입된 슬러지는 다단 소화반응조에 일정량 충진되면서 전기구동모터(21)가 교반익(23내지 25)이 부착된 회전축(22)을 회전시키면서 동작을 시작하게 된다.

상기 회전축(22)에는 축류(Axial Flow) 혹은 방사류(Radial Flow) 유동을 발생시키는 구조, 즉 하부에 설치된 교반익에 의하여 하부슬러지를 상부로 끌어올려주고 상부의 스컴 및 슬러지를 하부로 내리는 구조로 교반익이 각각의 소화반응조에서 설치되어 회전함으로 소화반응조(12) 내부로 공급된 슬러지를 소화반응조 내에서 하강과 승강을 반복하는 교반을 이루도록 설계 제작되며, 상기 교반익 외측으로 복수 개로 설치된 와류제어판(26, 27)에 의해 슬러지가 교반익(23내지 25)과 같은 방향으로 회전되면서 발생되는 와류 발생을 방지하도록 구성함으로써 슬러지의 교반 효율이 증대되고, 중앙에 원형의 슬러지 이동통로가 형성된 하나 이상의 가로격벽(28, 29)이 다층으로 바닥과 수평되게 설치되어 슬러지가 교반익에 의하여 교반되면서 점진적으로 이동되도록 구성되어 있다.

상기 와류제어판(26, 27)은 각단의 소화반응조의 하부에서 상부로 수직으로 회전축을 향하여 일정 길이로 설치된다. 보다 구체적으로 도1, 도2 및 도3에서 소화반응조의 바닥과 가로격벽사이, 가로격벽사이 및 가로격벽과 소화반응조의 천정사이에 하나 이상 설치되어 있다.

본 발명에 따른 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치의 내부 형상은 직사각형, 정사각형 및 원형 등으로 다양한 형상으로 설계 제작할 수 있으며, 각단의 소화반응조의 하부 바닥은 효율적인 슬러지의 교반을 위하여 콘(cone) 형상 또는 둥근 형상(구의 일면을 자른 형상)으로 제작하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 교반익(23내지 25)에 이물질이 걸렸을 때 이를 용이하게 제거하기 위하여 전기구동모터(21)를 역회전시킬 수 있도록 역회전 스위치가 제어버튼에 설치되어 전기구동모터(21)를 역회전할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하며, 또한 소화반응조 상부의 교반익(23내지 25)을 회전하는 회전축(22)의 관통 부에는 소화반응조에서 발생한 가스 누출을 방지할 수 있는 회전축을 밀봉하는 씰링부로 이루어져 있고, 상기 씰링부는 도5에서 구체적으로 도시된 바와 같이 마노메타(manometer) 씰 구조로 회전체와 고정축사이를 가스가 유출되지 않도록 씰링하도록 구성되어 있다. 도5는 상기 마노메타(manometer) 씰링부의 구조를 구체적으로 도시한 것이다.

본 발명에 따른 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치는 각종 오수, 분뇨, 축산 분뇨, 음식물 쓰레기, 하폐수 처리 슬러지를 교반익(23내지 25)의 회전에 의한 교반으로 유기물슬러지가 함유한 수중 미생물이 유기물을 영양원으로 섭취하여 슬러지를 소화시키게 되고, 이때의 미생물은 원생동물(protozoa), 조류(algae), 박테리아(bacteria) 등이 이용되며, 유기성슬러지를 다단의 소화반응조에서 일정 기간 동안의 체류기간을 가지므로 소화반응조 내부의 슬러지를 효율적으로 고른 소화를 이룰 수 있도록 구성되어 있다.

본 발명에 따른 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치는 직렬로 2단 이상으로 소화반응조를 설계 제작할 수 있으며, 도4는 4단의 소화반응조를 나타낸 사시도이다.

또한, 전원제어 및 작동제어버튼 등을 구비한 유기성 슬러지의 고효율 바이오 에너지화 장치의 제어부는 마이크로프로세서, 메모리, PLC 등으로 이루어져 소화에 필요한 전원의 온ㆍ오프, 이송펌프, 순환펌프, 전기구동모터, 개폐밸브 및/또는 기타의 슬러지 소화와 관련된 장치들을 메모리에 탑재된 제어프로그램으로 자동으로 동작시키거나 운전자에 의하여 수동으로 동작시킬 수 있도록 구성되어 있다.

본 발명은 하, 폐수 처리 슬러지, 음식물 쓰레기, 분뇨 등의 유기성 슬러지를 소화시키기 위하여 유기성 슬러지를 영양 및 에너지원으로 사용하여 지방산 혹은 휘발성 산을 생산하는 산 생성공정과, 생성된 지방산이 소화과정에서 슬러지의 감량과 악취 제거 및 대장균을 멸균함과 동시에 이산화탄소(CO₂)와 메탄가스(CH₄)로 변형되어 메탄을 발생하는 메탄생성공정으로 이루어지도록 구성하되, 유기성 슬러지 소화공정에서 소화효율을 극대화하기 위해 소화반응조를 다단계로 각각의 단계로 유기성슬러지가 이동할 때 하부와 상부를 순차로 이동하도록 설계 제작하고, 각 소화 반응조에는 기계식 교반기 및 중앙에 슬러지 이동통로가 형성된 가로격벽을 설치하여 유체의 흐름이 점진적 흐름을 이루도록 하여 각 소화반응조별 슬러지를 골고루 혼합하여 효율적인 소화를 달성할 수 있도록 하며, 유체의 체류시간 확보와 교반효율의 증대에 의한 소화능률의 향상을 통한 슬러지의 감량과 바이오가스의 생산량 증가 및 바이오가스의 품질향상을 이룰 수 있도록 설계 제작한 고효율 유기성슬러지 바이오화장치를 제공할 수 있음으로써 산업상 이용가능성이 매우 높다.

도1 : 본 발명에 따른 첫단 소화반응조를 확대한 도면

도2 : 본 발명에 따른 종단 소화반응조를 확대한 도면

도3 : 본 발명에 따른 다단 소화반응조 중 하나의 소화반응조의 사시도

도4 : 본 발명의 다단계 소화반응장치의 전체적인 구성의 사시도

도5 : 회전축과 고정체를 밀봉하는 마노메타 씰링 구조

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11; 소화반응조 12; 슬러지주입구

13; 순환라인 14; 순환펌프

15; 파쇄기 16; 열교환기

17; 이동통로 18; 거품제거기

19; 샘플채취관 20; 압축수 공급관

21; 전기구동모터 22; 회전축

23-25; 교반익 26, 27; 와류제어판

28, 29; 가로격벽 30; 싸이크론

31; 가스배관 32; 가스감지센서

33; 수분응축기 34; 계량기

35; 가스개폐밸브 36; 가스저장탱크 측

37; 이송라인 38; 이송펌프

39; 이송개폐밸브 40; 이동통로

41; 탈수기 또는 이단소화반응조 측

51; 감속기어 52; 고정축

53; 회전체 54; 물 또는 액체

Claims

폐수 처리 슬러지, 음식물 쓰레기, 분뇨를 포함하는 유기성 슬러지를 소화시키기 위하여 유기성 슬러지를 영양 및 에너지원으로 사용하여 지방산 혹은 휘발성 산을 생산하고, 생성된 지방산이 소화과정에서 슬러지의 감량, 악취제거 및 대장균을 멸균함과 동시에 이산화탄소와 메탄가스로 변형되어 메탄을 발생하는 혐기성 소화반응조에서 유기성 슬러지를 점진적 흐름으로 형성할 수 있는 다층의 유기성 슬러지의 혐기성 소화 반응조에 있어서,

소화반응조에 수평으로 고정 설치되며, 슬러지 소화에 필요한 체류시간을 확보하여 소화되지 않고 통과하는 것을 방지하기 위하여 슬러지가 점진적으로 이동하도록 구성하기 위하여 바닥과 수평으로 중앙에 슬러지의 점진적인 이동통로 겸 교반기 임펠라 축을 수용하는 공간이 형성된 하나 이상의 층으로 고정 설치된 가로격벽;

상기 소화반응조 상부에 설치되며, 반응조 내부에 하나 이상의 층으로 설치된 가로격벽의 각층 사이에는 하나 이상 교반익이 설치되어 축류 혹은 방사류 유동이 발생하도록 하여 하부의 슬러지를 상부로 끌어올려주어, 슬러지가 하부에 침전되는 것을 방지하고, 상부에 생성된 슬러지 및 스컴은 하부로 하강시켜 고른 교반이 이루어지도록 설계 제작된 교반익을 구비한 기계식 교반기;

상기 소화반응조 내부에 발생한 가스와 악취가 외부로 유출되지 않도록 소화반응조의 회전축과 고정부의 밀봉을 마노메타 씰 구조로 씰링한 씰링부; 및

상기 소화반응조에는 슬러지의 소화효율을 높이기 위하여 슬러지를 가열하기 위한 열교환기를 구비한 유기성 폐기물의 고효율 바이오 에너지화 장치.
삭제
청구항1에 있어서,

상기 소화반응조가 직렬로 2개 이상 결합되는 다단소화반응조는 슬러지 저장탱크 또는 슬러지 전처리 장치로부터 주입되는 슬러지 주입구가 소화반응조 하부에 설치되고, 다음 단계의 소화반응조로 이동하는 슬러지 이동통로는 상부에 설치되어 슬러지의 고른 혼합과 소화에 필요한 체류시간을 확보할 수 있도록 각단의 소화반응조로 이동하는 슬러지 이동통로를 상ㆍ하 교대로 설계 제작됨을 특징으로 하는 기계식 교반장치를 구비한 유기성 폐기물의 고효율 바이오 에너지화 장치.
삭제
삭제
청구항1 또는 청구항3에 있어서,

상기 소화반응조에는 하부에 침강된 슬러지를 순환하기 위한 순환라인이 설치되고,

상기 순환라인에는 순환펌프와 소화반응조로 이송된 슬러지를 파쇄하여 소화효율을 높이기 위한 슬러지파쇄기가 더 설치된 유기성 폐기물의 고효율 바이오 에너지화 장치.
청구항6에 있어서,

상기 소화반응조의 상부에는 소화상태 및 슬러지의 상태를 점검하기 위한 샘플 채취관이 설치되고,

소화 시에 필요한 물을 공급하기 위하여 소화반응조 상부에 압축수 공급관이 설치되며,

슬러지를 교반하면서 소화하는 과정에서 발생하는 거품을 제거하기 위한 거품제거기를 더 구비한 기계식 교반장치를 구비한 유기성 폐기물의 고효율 바이오 에너지화 장치.
청구항3에 있어서,

최종단의 소화반응조에는 소화반응조에서 슬러지 소화시에 발생한 가스를 바이오가스 저장탱크로 이송하기 위한 가스배관이 설치되고,

가스배관의 전단에는 가스의 농도를 측정하는 가스감지센스가 설치되며,

가스에 포함된 수분을 응축 제거하기 위한 수분응측기가 설치되고,

수분이 제거되고 설정된 가스농도가 되었을 때 발생한 가스를 바이오가스 저장탱크로 이송하기 위한 가스개폐밸브가 더 설치된 유기성 폐기물의 고효율 바이오 에너지화 장치.
청구항1 또는 청구항3에 있어서,

상기 바이오 에너지화 장치에는 소화반응조를 제어 및 동작을 위한 전원제어버튼 및 작동제어버튼을 구비하며, 제어프로그램에 의하여 자동으로 제어하거나 수동으로 제어할 수 있도록 제작된 고효율 유기성슬러지 바이오화장치의 제어부를 더 구비한 유기성 폐기물의 고효율 바이오 에너지화 장치.
청구항6에 있어서,

상기 고효율 소화반응장치에는 소화를 종료한 슬러지를 탈수 케익으로 처리하기 위하여 탈수장치로 슬러지를 배출하기 위한 이송라인을 구비하고,

이송라인의 일측에는 슬러지를 이송하기 위한 이송펌프와 이송을 위하여 밸브를 열고 닫기 위한 개폐밸브가 더 설치된 유기성 폐기물의 고효율 바이오 에너지화 장치.
청구항6에 있어서,

상기 순환라인에 설치된 파쇄기의 전단에는 슬러지에 포함된 모래를 분리 배출하기 위한 싸이크론이 더 설치된 유기성 폐기물의 고효율 바이오 에너지화 장치.
청구항1 또는 청구항3에 있어서,

상기 소화반응조의 하부 바닥은 효율적인 슬러지의 교반을 위하여 콘 형상 또는 둥근 형상으로 제작됨을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고효율 바이오 에너지화 장치.
청구항1 또는 청구항3에 있어서,

상기 소화반응조는 슬러지가 교반익과 같은 방향으로 회전되면서 발생되는 와류를 방지하여 슬러지의 고른 혼합을 이룰 수 있도록 설치된 상기 교반익 외측에 수직방향으로 하나 이상의 와류제어판을 더 부가함을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고효율 바이오 에너지화 장치.