KR100936540B1 - 바이오가스 생산용 아파트형 혐기소화장치 - Google Patents

바이오가스 생산용 아파트형 혐기소화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혐기소화장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 축산폐수 또는 음식물 쓰레기(이하 '유입수')가 투입되는 1차 투입조와; 상기 1차 투입조를 통과한 유입수가 투입되는 2차 투입조와; 상기 2차 투입조를 통과한 유입수가 선입선출의 순서로 메탄발효를 수행하여 바이오가스를 생산함과 동시에 다음 혐기소화 구역으로 이동하도록 설계된 혐기소화조 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4와; 상기 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4의 유입수에 유동성을 부여하는 산기가스 공급관 및 산기관과; 상기 혐기소화조 구역 4의 하층으로부터 슬러지액을 흡입하는 하층부 흡입관과; 상기 혐기소화조 구역 4의 상층으로부터 활성화액을 흡입하는 상층부 흡입관과; 상기 혐기소화조 구역 4의 가스층에 연결되어 생산된 바이오가스를 포집하는 장치와; 상기 하층부 흡입관으로부터 흡입된 슬러지액이 신규 유입수와 열교환을 수행하도록 상기 1차 투입조 내부에 구비되는 제1열교환관과; 상기 열교환이 종료된 슬러지액이 선입선출의 순서로 유입되어 슬러지액으로부터 발생되는 악취가스 성분을 처리하는 상기 혐기소화조 상층에 구비되는 후처리조 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4와; 악취성분이 제거된 슬러지가 방출되어 저장되는 퇴액비조를 포함하여 구성되는 아파트형 혐기소화장치에 관한 것이다.
바이오가스, 혐기소화장치, 메탄발효

Description

바이오가스 생산용 아파트형 혐기소화장치{Apart-shaped anaerobic digester for producing biogas}
본 발명은 바이오가스 생산용 아파트형 혐기소화장치에 관한 것이다.
혐기성 소화처리는 일명 "메탄발효"라고도 하는데, 음식물, 축산 폐기물, 하수 슬러지, 분뇨 등의 유기성 폐기물 등의 안정화를 위한 생물학적 처리하는 방법으로서, 혐기성 조건하에서 통성 혐기균 및 절대혐기성균의 작용으로 고분자의 유기물을 가수분해하여 초산, 프로피온산, 낙산 등의 휘발성 지방산을 생성하고, 최종적으로 메탄, 수소, 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소로 가스화하는 처리방법이다.
이러한 혐기성 소화처리는 활성슬러지법이 보급되면서 적극적으로 사용되지는 않았으나, 1970 년대 중반 석유파동 이후에 회수가스(CH4 60-70%, CO2 30-40%)를 연료로 이용하는 것이 가능하고, 많은 양의 공기를 통기시켜야 하는 활성슬러지법 과 비교하여 소비전력이 적은 장점, 단위 유기물당 발생되는 생물학적 슬러지량이 호기성 처리법에 비하여 현저히 적은 점, 소화슬러지에는 질소, 인, 부식질 등이 풍부하여 비료로서의 가치가 높은 점, 단순한 폐기물의 분해, 처리기능 이외에도 연료 및 퇴비를 생산하는 친환경적인 자원재생방법이라는 점에서 적극적인 석유대체에너지수단으로서 많은 연구가 활발히 진행되어 왔다.
혐기성 소화공정은 기본적으로 산생산 단계와 메탄생성 단계의 2 단계로 구분되는데, 각 단계에서 작용하는 미생물은 생리적인 특징 및 영양적 요구성이 매우 다르기 때문에 외부의 조건이 바뀌면 두 생물군 사이의 균형이 깨어져 전체 공정 효율의 저해를 가져온다. 이에 대한 대안으로 반응조를 산생성 단계와 메탄생성 단계의 두 개의 반응조로 구분하는 2 단계의 발효공정(2상법)이 제안되었다. 전통적인 1 단계의 반응공정(1상법)에서는 하나의 반응조에서 산생성과 메탄생성이 동시에 일어나기 때문에 산생성 단계와 메탄생성 단계를 최적 상태로 조절하는 것이 불가능하고, 외부에서 유입되는 폐액의 변화에 민감하게 반응하여 안정성이 깨지는 문제가 있었다. 이에 반하여, 2상법은 각 단계에서 적합한 환경조건을 용이하게 유지시켜 줄 수 있고, 메탄 반응조의 부하율(loading rate)을 적절히 조절하고, 저급 지방산의 축적에 의해 급속한 pH의 저하를 방지하여 메탄발효의 저해를 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 2상법은 반응조를 별도로 구비해야 하는 점, 그에 따라 제1 반응조로부터 제2 반응조로 이송을 위한 시스템이 요구되는 점 등 비용면에서 불리하고, 각 반응조의 반응조건을 별도로 조절하여야 한다는 번잡한 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 종래 2상법 대신 하나의 혐기소화조에서 산생성 단계 및 메탄생성 단계를 수행할 수 있으며, 종래 1상법의 문제점으로 지적된 산생성과 메탄생성의 최적 조건을 동시에 만족시키는 것이 난해한 점을 개선하기 위해 연구하던 중, 축분 또는 음식물 쓰레기 등의 유입수를 하나의 혐기소화조 내에서 선입선출 방식으로 이동시키면서 최적의 조건이 공정흐름에 따라 적절하게 구비될 수 있는 아파트형 혐기소화장치를 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 구조적으로 간단하며, 최적의 혐기소화 조건을 부여하여 바이오가스의 생산 효율을 최대화할 수 있는 혐기소화장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 축산폐수 또는 음식물 쓰레기(이하 '유입수')가 투입되는 1차 투입조와; 상기 1차 투입조를 통과한 유입수가 투입되는 2차 투입조와; 상기 2차 투입조를 통과한 유입수가 선입선출의 순서로 메탄발효를 수행하여 바이오가스를 생산함과 동시에 다음 혐기소화 구역으로 이동하도록 설계된 혐기소화조 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4와; 상기 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4의 유입수에 유동성을 부여하는 산기가스 공급관 및 산기관과; 상기 혐기소화조 구역 4의 하층으로부터 슬러지액을 흡입하는 하층부 흡입관과; 상기 혐기소화조 구역 4의 상층으로부터 활성화액을 흡입하는 상층부 흡입관과; 상기 혐기소화조 구역 4의 가스층에 연결되어 생산된 바이오가스를 포집하는 장치와; 상기 하층부 흡입관으로부터 흡입된 슬러지액이 신규 유입수와 열교환을 수행하도록 상기 1차 투입조 내부에 구비되는 제1열교환관과; 상기 열교환이 종료된 슬러지액이 선입선출의 순서로 유입되어 슬러지액으로부터 발생되는 악취가스 성분을 처리하는 상기 혐기소화조 상층에 구비되는 후처리조 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4와; 악취성분이 제거된 슬러지가 방출되어 저장되는 퇴액비조를 포함하여 구성되는 아파트형 혐기소화장치를 제공한다.
본 발명에 따른 혐기소화장치는 별도의 가스저장시설이 요구되지 않으며, 유입수의 투입시 복잡한 전처리를 요구하지 않으며, 유입수의 온도를 폐열을 이용하여 혐기소화 전체 공정을 통해 조절함으로서 메탄균 생육에 최적의 조건을 제공할 수 있고, 발효액을 선입선출 방식으로 혐기소화 가능하게 함으로써, 후입된 미발효액이 선출되는 경우 후처리 공정에서의 악취성분 제거 효율을 저하시킬 수 있는 요인을 제거할 수 있고, 복잡하고 고비용이 요구되는 교반시설의 구비 없이 자체 생산한 바이오가스를 정제 또는 비정제하여 재활용함으로써 유입수에 포함된 침적물의 부유현상 및 균질화를 유발하고 최적의 메탄발효 효과를 달성할 수 있도록 서서히 유입수를 이동시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 저비용의 암모니아 및 황화수소 제거장치를 통해 종래 가스 교반식 혐기소화조의 단점으로 지적되었던 메탄균의 생육에 저해가 되는 암모니아 및 황화수소의 지속적인 농축을 방지할 수 있고, 생성되는 암모니아 및 황화수소의 99% 이상을 제거할 수 있고, 바이오가스 중의 이산화탄소 함량을 20% 이하로 낮춤으로써, 메탄 함량이 80% 이상인 도시가스 수준의 바이오가스를 생산할 수 있으므로, 경제적인 측면 및 생산되는 바이오가스의 순도 면에서 매우 우수한 혐기소화장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 하나의 혐기소화조에서 산생성 단계 및 메탄생성 단계가 동시에 수행될 수 있는 최적의 혐기소화조건을 부여하여 바이오가스의 생산 효율을 높일 수 있는 아파트형태의 구조를 갖는 혐기소화장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 일실시형태에 따른 혐기소화장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 혐기소화장치는,
축산폐수 또는 음식물 쓰레기(이하 '유입수')가 투입되는 1차 투입조(3)와;
상기 1차 투입조(3)를 통과한 유입수가 투입되는 2차 투입조(4)와;
상기 2차 투입조(4)를 통과한 유입수가 선입선출의 순서로 메탄발효를 수행하여 바이오가스를 생산함과 동시에 다음 혐기소화 구역으로 이동하도록 설계된 혐 기소화조 구역 1(5), 구역 2(6), 구역 3(7) 및 구역 4(8)와;
상기 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4의 유입수에 유동성을 부여하는 산기가스 공급관 및 산기관과;
상기 혐기소화조 구역 4(8)의 하층으로부터 슬러지액을 흡입하는 하층부 흡입관(41)과;
상기 혐기소화조 구역 4(8)의 상층으로부터 활성화액을 흡입하는 상층부 흡입관(42)과;
상기 혐기소화조 구역 4(8)의 가스층에 연결되어 생산된 바이오가스를 포집하는 장치와;
상기 하층부 흡입관(41)으로부터 흡입된 슬러지액이 신규 유입수와 열교환을 수행하도록 상기 1차 투입조(3) 내부에 구비되는 제1열교환관(2)과;
상기 열교환이 종료된 슬러지액이 선입선출의 순서로 유입되어 슬러지액으로부터 발생되는 악취가스 성분을 처리하는 상기 혐기소화조 상층에 구비되는 후처리조 구역 1(11), 구역 2(12), 구역 3(13) 및 구역 4(14)와;
악취성분이 제거된 슬러지가 방출되어 저장되는 퇴액비조;
를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일실시형태에 따른 혐기소화장치는 혐기소화조 구역 1(5), 구역 2(6), 구역 3(7) 및 구역 4(8)의 바닥에는 최적의 메탄발효 온도가 유지되도록 온돌 배관(9)이 구비된다(도 2 참조).
상기 온돌배관(9)은 혐기소화조 내에서 메탄 생성균에 의해 메탄이 생성될 수 있는 최적의 온도인 35-55 ℃를 제공한다. 초기 투입된 유입수의 온도는 여름철 의 경우 약 18 ℃ 정도, 겨울철의 경우에는 약 8 ℃ 정도이므로, 상기 온돌 배관(9)은 메탄생성을 위한 최적의 발효 온도와 초기 투입된 유입수의 온도편차를 최소화할 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 따른 혐기소화장치의 상기 혐기소화조 각 구역(5, 6, 7, 8)은 각 구역에 유입된 유입수의 상부와 각 구역의 천정 사이에 메탄 발효의 결과 생성되는 바이오가스가 저장되는 공간이 확보되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다(도 2 참조).
메탄발효의 결과 바이오가스가 생성되면, 생성된 가스는 각 구역의 천정과 유입수 상부 사이에 저장되며, 그 결과 본 발명의 일실시형태에 따른 혐기소화장치는 별도의 바이오가스 저장장치를 필요로 하지 않는다.
상기 혐기소화조의 구역 1(5)과 2차 투입조(4)의 외벽에는 구역 1(5) 및 2차 투입조(4)의 유입수의 수위를 가늠할 수 있는 수위 측정관(51, 52)이 구비된다. 유입수의 수위는 메탄발효의 결과 생성되는 바이오가스에 의한 압력에 의해 구역 1(5)과 2차 투입조(4)에서 차이가 발생할 수 있다. 즉, 생산된 바이오가스의 양이 많아 구역 1(6)의 가스층에서 큰 압력이 발생하면, 유입수가 투입되는 2차 투입조(4)의 수위가 상승하므로, 유입수의 투입을 중지하는 시점을 조절할 수 있다(도 11 참조).
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 혐기소화조의 각 구역(5, 6, 7, 8)은 분리벽(5', 6', 7')을 통해 서로 구획되는 구조를 갖는다. 이 경우 바이오가스가 저장되는 상부 공간을 제외하고 각 분리벽(5', 6', 7')의 끝 부분이 혐기소화조 내벽으로부터 'ㄱ'자 형태로 개방된다. 개방된 공간을 통해 유입수와 바이오가스가 다음 구역으로 이동하게 된다(도 2 참조).
상기 혐기소화조의 분리벽(5', 6', 7')은 구역 1과 구역 2의 분리벽(5'), 및 구역 3과 구역 4의 분리벽(7')이 동일한 위치에서 개방되고, 구역 2와 구역 3의 분리벽(6')이 상기 구역 1과 구역 2의 분리벽(5'), 및 구역 3과 구역 4의 분리벽(7')의 개방위치와 반대쪽 끝 부분이 개방되는 구조를 갖는다. 그 결과, 유입수는 상기 혐기소화조 전 구역을 지그재그 형태로 이동하게 된다.
상기 혐기소화조 구역 1(5)은 산생성이 수행되는 구역으로, 메탄생성균의 최적 pH인 7.2-7.4보다 훨씬 낮은 pH를 나타내게 된다. 따라서, 유입수의 낮아진 pH를 상기 최적의 pH 범위 내로 조절이 요구된다. 이러한 조절은 하기에서 설명되는 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)에 의해 투입되는 가스에 포함되어 있는 암모니아 성분에 의해 조절될 수 있다. pH가 조절된 유입수는 지그재그 형태로 긴 이동거리를 통과하면서, 메탄발효에 적절한 범위로 pH가 조절된다. 즉, 상기 분리막(5', 6', 7')은 유입수의 이동거리를 증가시킴으로써 유입수 자체 내에 버퍼능을 부여하여, 구역 4(8)에 근접할수록 최적의 메탄발효 조건이 제공되도록 한다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 혐기소화조의 각 구역(5, 6, 7, 8)은 유입수에 유동성을 부여하는 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)이 상기 1차 투입조(3) 및 2차 투입조(4)가 설치된 방향의 벽, 구역 1 및 구역 2의 분리벽(5') 및 구역 3 및 구역 4의 분리벽(7')을 제외한 나머지 벽의 바닥에 벽의 둘레를 따라 설치되는 구조를 갖는다(도 8 참조). 더욱 구체적으로, 상기 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)은 구역 2와 구역 3 사이에 설치된 분리벽의 구역 2 방향 측벽 바닥, 상기 분리벽과 직교하는 구역 1에서 구역 2까지의 내측벽 바닥 및 상기 구역 1에서 구역 2까지의 내측벽과 직교하는 구역 1의 내측벽 바닥에 이들 벽의 둘레를 따라 구역 1 및 구역 2의 산기가스 공급관 및 산기관이 구비된다. 또한, 구역 2와 구역 3 사이에 설치된 분리벽의 구역 3 방향 측벽 바닥, 상기 분리벽과 직교하는 구역 3에서 구역 4까지의 내측벽 바닥 및 상기 구역 3에서 구역 4까지의 내측벽과 직교하는 구역 4의 내측벽 바닥에 이들 벽의 둘레를 따라 구역 3 및 구역 4의 산기가스 공급관 및 산기관이 구비된다.
본 발명에 따른 혐기소화조는 별도의 교반장치를 구비하지 않는다. 교반장치 대신 유입수에 유동성을 제공하기 위해 상기 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)을 통해 투입되는 가스가 교반장치의 역할을 수행한다.
특히, 상기 혐기소화조의 구역 1(5)에는 하기에서 설명하는 제2열교환관(24)의 앞쪽에 산기가스 격벽(25)이 설치되어 벽 바닥에 설치된 산기관(26)으로부터 투입되는 산기가스의 흐름을 수직 방향으로 유도한 후, 상기 산기가스 격벽(25)을 통과한 산기가스가 구역 1(5)을 통과하는 유입수에 시계방향의 유동성을 부여함으로써 교반 및 유동성을 제공한다(도 7 참조). 한편, 투입되는 산기가스는 혐기소화조의 구역에 따라 구별되는 처리과정을 거친 가스를 투입할 수 있다. 이는 하기의 해당부분에서 더욱 구체적으로 설명한다.
나아가, 본 발명의 일실시형태에 따른 혐기소화조에 설치되는 산기가스 격벽(25)은 혐기소화조의 구역 1에 제한되지 않고, 혐기소화조 내의 구역 1에서 구역 4에 걸쳐 바닥에 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)이 설치되어 있는 벽의 앞쪽에 설치됨으로써 각 구역을 통과하는 유입수에 유동성을 한층 더 부여할 수 있다(도 13 참조).
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 혐기소화조의 구역 1(5)에는 초기 투입 유입수의 온도와 최적의 메탄 발효 온도와의 편차를 최소화하여, 이후의 혐기소화조 구역 2 내지 구역 4에서의 메탄 발효 효율의 최대화를 도모하기 위한 목적으로, 외부 열원으로부터 공급되는 열을 교환할 수 있는 제2열교환관(24)이 구역 1(5)의 분리벽(5')의 반대 측벽 면에 구비된다(도 6 참조). 이때, 상기 외부 열원으로부터 공급되는 열은 보일러 연통가스 또는 엔진 배기가스에 의한 폐열을 사용함으로써, 에너지 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 혐기소화조의 구역 2(6)에는 상부 가스층 흡입 브로워 2(31)를 통해 혐기소화의 결과 생성되는 상부 가스층으로부터 바이오가스를 회수하여, 구역 1(5) 및 구역 2(6)에 구비되는 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)에 교반 및 유동성 제공 가스를 공급하는 가스배관(34)이 구비된다. 또한, 상기 혐기소화조 구역 4(8)에는 상부 가스층 흡입 브로워 1(30)을 통해 혐기소화의 결과 생성되는 상부 가스층으로부터 바이오가스를 회수하여 구역 3(7) 및 구역 4(8)에 구비되는 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)에 교반 및 유동성 제공 가스를 공급하는 가스배관(35)이 구비된다(도 8 참조).
상기 가스배관(34)을 통해 흡입되는 바이오가스는 암모니아 및 황화수소를 별도로 정제함이 없이 직접 구역 1(5) 및 구역 2(6)에 공급될 수 있을 뿐만 아니라, 선택적으로 이웃한 가스배관(35)과 연결되어 간단한 밸브의 온(on)/오프(off) 조작을 통해서 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)를 통해 암모니아 및 황화수소가 정제된 형태로 공급될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 혐기소화조 구역 1(5)은 산생성 단계가 수행되기 때문에 상대적으로 낮은 pH 환경에 노출되어 있으며, 유입수가 다음 구역으로 순차적으로 이동하는 경우 메탄발효에 적합한 pH를 유지시키는 과정이 요구된다. 이를 위해, 본 발명은 혐기소화조 구역 2(6)의 가스배관(34)을 통해 흡입하는 바이오가스에 포함된 암모니아를 별도의 정제과정 없이 그대로 구역 1의 산기가스 공급 관(27) 및 산기관(26)에 투입함으로써, 낮아진 유입수의 pH를 메탄발효에 적합한 pH 범위 내로 조절할 수 있다.
한편, 혐기소화조 구역 3(7) 및 구역 4(8)에서는 상기한 과정을 통해 유입수의 pH가 메탄 발효의 수행을 위한 최적의 pH로 조절된 상태이므로, 교반 및 유동성 제공 가스는 이러한 메탄 발효 조건을 교란시키지 않도록 바이오가스에 포함되어 있는 암모니아를 제거하여 공급되는 것이 바람직하며, 나아가 최종적으로 생성되는 바이오가스의 순도를 높이기 위해 황화수소 또한 함께 제거된 상태로 공급되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 암모니아 및 황화수소 제거 장치(28)를 통해 암모니아 및 황화수소를 제거하는 것이 요구된다. 이하에서, 도 12를 참조하여 암모니아 및 황화수소 제거장치를 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)는,
혐기소화조의 가스층으로부터 이송된 암모니아 및 황화수소를 포함하는 바이오가스가 공급되는 산기관(65)과;
상기 산기관(65)으로부터 공급되는 바이오가스가 용해되는 물과;
하부에 상기 바이오가스가 용해된 물이 수위 및 가스압력에 의해 배출되는 배수관(66)과;
상부에 암모니아 및 황화수소가 제거된 물이 유입되는 유입관(67); 및
상기 암모니아 및 황화수소가 제거된 가스를 혐기소화조로 반송하는 배기관(68)을 포함하여 구성되는 폐쇄형 탱크(이하 'A형 탱크')와;
상부에 상기 A형 탱크 하부로부터의 배수된 물이 유입되는 입수관(69)과;
상기 입수관(69)에 연결되어 지지되는 수위 조절용 볼탑(62)과;
수위를 감지하는 레벨센서(61)와;
외부 공기가 공급되는 산기관(63)과;
암모니아 및 황화수소가 제거된 물을 배수하는 하부 배수관(70)과;
상기 배수관(70)과 연결되되, 상기 레벨센서의 수위감지 정보에 따라 온(on)/오프(off)되는 배수펌프(64)를 구비하고;
홍색 유황 세균 배양액을 포함하는 개방형 탱크(이하 'B형 탱크')가 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)의 A형 탱크는 암모니아 및 황화수소를 물에 용존된 상태로 B형 탱크에 공급함으로써, B형 탱크 내부에서 외부공기로부터 공급된 산소와 반응하여, 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 암모니아 및 황화수소를 황산암모늄((NH4)2SO4)의 형태로 제거하는 역할을 수행한다.
2NH3 + H2S + 2O2 → (NH4)2SO4
상기 제거장치(28)의 A형 탱크는 폐쇄형 탱크로서, 혐기소화조의 가스층으로 부터 유입된 가스가 용존된 물을 B형 탱크로 공급할 수 있도록 적절한 내부 압력과 수위를 유지시키는 것이 바람직하고, 상기 내부 압력은 0.4-0.6 kg/㎠로 유지되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)의 B형 탱크는 홍색 유황 세균 배양액을 포함시키는 것이 바람직하다. 상기 홍색 유황세균 배양액 중 일부의 효소가 하기 반응식 2에 나타난 바와 같이, 바이오가스 중의 이산화탄소와 황화수소를 포름알데히드(CH2O)와 황산(H2SO4) 염의 형태로 전환시킴으로써, 바이오가스의 순도를 향상시킬 수 있다. 또한, 전환된 황산은 암모니아와 추가적으로 반응하여 하기 반응식 3에 나타낸 바와 같이, 황산암모늄의 형태로 전환되는 것으로 판단된다. 나아가, 상기 홍색 유황 세균 배양액은 B형 탱크뿐만 아니라, 동일한 목적을 달성하기 위해 A형 탱크에도 포함될 수 있다.
2CO2 +H2S +2H2O → 2(CH2O) + H2SO4
H2SO4 + 2NH3 → (NH4)2SO4
상기 반응의 결과, 추가적으로 바이오가스에 포함되어 있는 황화수소를 일부 이산화탄소와 함께 저감시킬 수 있다. 특히, 암모니아 및 황화수소가 제거되지 않은 상태에서 혐기소화액의 교반이 이루어지는 종래의 가스교반식 혐기조화조는 암모니아 및 황화수소가 혐기소화조 내에 축적됨으로써, 바이오가스 생산 환경(메탄 균생육)에 악영향을 미치는 요인으로 지적되어 왔다. 그러나, 본 발명에 따른 상기 제거장치를 적용시키면, 황화수소와 암모니아가 제거된 상태의 가스, 즉 정제된 상층부 바이오가스를 혐기소화액 교반에 이용할 수 있고, 그 결과 혐기소화액 내부의 메탄균에게 메탄생성을 위한 기질로서 이산화탄소 및 수소를 공급할 수 있다. 이는 불순물인 이산화탄소가 여분의 수소와 결합함으로써 전체 생산되는 바이오가스 중 메탄의 농도는 증가시키고, 이산화탄소의 농도를 감소시켜 바이오가스의 순도를 향상시킬 수 있다.
또한, 암모니아 및 황화수소 제거장치에 투입되는 황화수소의 농도가 높은 경우에는 빠른 속도로 순수한 황(S)의 형태로 전환시켜 제거할 수 있다. 즉, 황화수소의 농도가 높은 경우, 홍색유황세균에 의해 황화수소(H2S)가 황(S)으로 산화되는 속도가 황(S)에서 황산 음이온(SO4 2 -)으로 산화되는 속도에 비하여 상대적으로 빨리 진행되므로, 제거장치 용액 중에 황을 다량 축적시키게 되고 일부는 석출되어 용기 벽면이나 용액 중에 부유하게 된다.
나아가, 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)의 B형 탱크는 외부공기로부터 산소를 물에 용존 산소 형태로 공급하는 것이 바람직하다. 이는 암모니아 및 황화수소를 제거시키고자 하는 바이오가스 중에 산소 유입을 차단할 뿐만 아니라, 극도의 혐기조건을 요구하는 혐기소화조에 산소의 유입을 원천적으로 차단하기 위 함이다.
또한, 본 발명의 일실시형태에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)의 B형 탱크에 존재하는 레벨센서(61)에는 서로 다른 길이의 3개의 센서봉(a, b, c)이 구비된다. B형 탱크의 수위가 가장 짧은 길이의 센서봉(a)에 감지되면 배수펌프(64)를 가동시켜 암모니아 및 황화수소가 제거된 물을 A형 탱크로 공급하고, B형 탱크의 수위가 중간 길이의 센서봉(b)에 감지되면 배수펌프(64)의 가동이 중단되며, 암모니아 및 황화수소의 제거반응은 A형 탱크에 기체상 산소의 공급없이, A형 탱크 및 B형 탱크에 용액이 순환하면서 연속적으로 수행된다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)는 B형 탱크를 통해 암모니아 및 황화수소가 제거된 용존 바이오가스를 A형 탱크로 이송하여 A형 탱크 상부의 배기관을 통해 혐기소화조 하부의 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)으로 공급한다. 이를 더욱 구체적으로 설명하면, A형 탱크에 이송되는 바이오가스 중 물에 쉽게 녹는 암모니아(NH4) 및 황화수소(H2S)는 물에 용해되고 잘 녹지 않는 메탄(CH4), 수소(H)와 일부 이산화탄소(CO2)는 A형 탱크 상부의 배기관을 통해 배출되어 본 발명의 혐기소화조 하부의 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)에 공급되며 A형 탱크의 물은 상기 반응식 2로 표시되는 2CO2 +H2S +2H2O → 2(CH2O) + H2SO4 반응이 수행되면서 B형 탱크로 공급된다. 상기 B형 탱크에서는 상술한 바와 같이, 홍색세균에 의해 H2S가 S로 산화되는 속도가 S에서 SO4 2-로 산화되는 속도보다 빨리 진행되는 결과, 일시적으로 S를 다량축적하게 되는 현상을 응용하여 B형 탱크에 공급되는 용존산소에 의해 S가 SO4 2-로 전환된다. 상기 SO4 2-는 용존 NH4 -와 결합함으로써 암모니아를 황산암모늄형태로 빠르게 반응시킨다(반응식 3 참조). 즉, 이와 같은 반응이 A형 탱크와 B형 탱크를 순환하면서 연속적으로 일어나게 된다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)의 B형 탱크는 증발되는 수분만을 보충함으로써 6개월 내지 1년 동안 액상의 교체없이 사용할 수 있다. 상기 제거장치(28)의 액상의 교체시기는 생성물질인 황산암모늄의 포화농도에 의존하며, 제거장치 내에서의 용액 포화농도가 40%에 도달하면 교체하는 것이 제거효율의 측면에서 바람직하다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)는 황화수소 제거효율을 높이기 위해, 별도의 황화수소 제거장치(28')를 상기 제거장치(28)에 추가적으로 연결시킬 수 있다.
상기 황화수소 제거장치(28')의 바람직한 실시형태는 제거장치(28)를 통해 황화수소가 일부 제거된 바이오가스가 유입되는 유입관(71)과; 상기 유입관(71)으로부터 유입되는 바이오가스를 산기시키는 산기관(72)과; 상기 산기관(72)으로부터 공급되는 바이오가스의 황화수소와 반응하는 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)을 포함하는 물과; 황화수소가 제거된 바이오가스를 배출하는 배기관(73 )을 포함하는 폐쇄형 탱크(이하, "A'형 탱크") 형태로 제공될 수 있다.
구체적으로, 상기 A형 탱크 상부의 배기관(68)을 통해 공급되는 암모니아 99% 이상 및 일부 황화수소가 제거된 바이오가스를 산기관(65)을 통해 용존시키고, 제거장치(28')에 포함시킨 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)과 잔존 황화수소를 반응시켜 황화철 및 물의 형태로 잔존 황화수소를 제거한다. 상기 황화수소 제거장치(28')는 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)의 A형 탱크에 직렬로 연결시켜 사용될 수 있다.
이때, 상기 수산화(Ⅱ)철 또는 수산화철(Ⅲ)은 본 발명자들에 의해 출원되어 등록된 '유기태 킬레이트의 제조방법'(대한민국등록특허 제0481326호 및 미국등록특허 제7087775호)에 기재되어 있는 수산화미네랄의 제조방법에 의해 제조된 수산 화철(Ⅱ)철 또는 수산화철(Ⅲ)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 상기 수산화철(Ⅱ)철 또는 수산화철(Ⅲ)은 FeSO4나
FeCl2, FeCl3 등의 종래 2가 또는 3가 철을 수용액상에서 NaOH와 당량 반응시켜 얻어지는 Fe(OH)2 또는 Fe(OH)3 형태로 얻어지는 물질이다. 상기 Fe(OH)2 또는 Fe(OH)3는 하기 반응식 4에 나타난 바와 같이 얻어지는 생성물을 원심분리하여 NaCl을 제거하여 수득할 수 있다.
FeCl2 + 2NaOH → Fe(OH)2 + 2NaCl
FeCl3 + 3NaOH → Fe(OH)3 + 3NaCl
상기 수산화철(Ⅱ)철 또는 수산화철(Ⅲ)은 본 발명에 따른 제거장치의 반응
탱크 내 산기관에 의해서 제거장치 내 제거 용액시스템으로 용해되는 가스성분인 황화수소와 100% 반응하기 때문에, 제거효율은 산기관의 가스용해 능력에 의존한다. 종래의 탈황장치에서 고압하에 통기시켜 수산화철(Ⅲ)인 FeO(OH) 및 산화철(Ⅲ) Fe2O3을 가스상태의 황화수소와 흡착반응시켜 황화수소를 제거하는 방식보다 통기속도(가스처리능력)가 월등히 우수하고, 반응효율 면에서도 수산화철(Ⅲ)의 순도 및 펠렛의 표면적에 좌우되는 종래 탈황장치보다 우수하다.
구체적으로, 제거효율 면에서 종래 탈황장치("이상혐기 공정의 축산폐수 적
용을 통한 바이오가스 생산 및 에너지 이용기술 실증 연구 최종보고서", p. 151, 2006년 9월, 산업자원부)의 경우 Fe2O3 1 kg 당 황화수소 130 g을 흡착하나, 본 발명에 따른 제거장치는 Fe(OH)3 1 kg 당 황화수소 약 478 g을 흡착시킬 수 있어 약 3.7 배 정도 우수한 제거효율을 나타낸다. 또한, 가스의 처리면에서 종래 탈황장치의 2.5 N㎥/hr 보다 월등히 우수한 약 4 N㎥/min의 통기속도를 나타내므로, 처리능력 면에서도 월등하다고 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)는 상술한 바와 같이, 그 내부에 포함하고 있는 홍색 유황 세균 배양액에서 생성되는 효소가 황화수소 제거시 이산화탄소를 소모함으로써, 바이오가스 중의 이산화탄소 함량을 현저하게 감소시킬 수 있다. 종래 일반적인 바이오가스 생산용 혐기소화조에서 생산되는 바이오가스는 메탄 60-70% 이하, 이산화탄소 35-45% 이하를 함유하는데 불과하다.
반면, 본 발명에 따른 상기 제거장치(28) 및/또는 제거장치(28')를 사용하면, 혐기소화조로부터 생산된 바이오가스에 대하여 황화수소를 제거하기 위한 목적으로 상기 제거장치 (28')를 독립적으로 적용시킬 수 있고, 나아가 제거장치(28) 및 제거장치(28')을 결합하여 사용하는 경우, 순도 높은 바이오가스를 혐기소화조에 공급하여 혐기소화액의 교반가스로 사용함으로써 최적의 혐기소화조건(암모니아, 황화수소의 소화액 축적방지)을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 2CO2 +H2S +2H2O → 2(CH2O) + H2SO4 반응 및 잔여 이산화탄소와 수소를 소화액 내부에 존재하는 메탄균의 기질로 공급함으로써, 불순물인 이산화탄소를 잔존수소를 이용 메탄으로 전환시킴으로써 이산화탄소의 함량을 20% 이하로 감소시켜 전체 생산되는 바이오가스의 메탄 함량을 80% 이상으로 증가시킬 수 있다. 하기 표 1에는 메탄균의 종류와 이용기질을 정리하여 나타내었다.
메탄생성균의 종류 이용기질
Methanobacterium , thermoautotrophicum H2 + CO2 , CO
Methanobrevibacter arboriphilus H2 + CO2
Methanococcus vanniellii H2 + CO2 , HCOOH
Methanospirillum hungatei H2 + CO2 , HCOOH
Methanosarcina barkeri H2 + CO2 , CH3OH, CH3COOH, methylamines
Methanosarcina mazei CH3OH, CH3COOH, methylamines
Methanothrix soehngenii CH3COOH
Methanolobus tindarius CH3OH, methylamines
Methanococcoides methylutens CH3OH, methylamines
Methanoplanus limicola H2 + CO2 , HCOOH
또한, 상기 제거장치에 의한 제거효율은 제거장치로 이송되는 제거대상 가스의 용해율에 좌우되므로, 용해율을 높이기 위해 제거장치로의 가스 유입 속도를 서서히 하는 것이 바람직하고, 제거효율은 제거대상 가스의 제거장치 순환 횟수를 증가시킴으로써 제거효율 중 순도 상승면에서는 더욱 바람직하다.
본 발명의 일실시형태에 따른 혐기소화조의 1차 투입조(3)에는 제1열교환관(2)이 구비된다. 최종 혐기소화가 종료된 구역 4(8)의 하층부에 존재하는 최종 발효액(슬러지액)을 슬러지펌프(21)를 이용하여 구역 4(8)의 바닥에 설치된 하층부 흡입관(41)으로 흡입하여 제1열교환관(2)으로 이송시키고 1차 투입조(3)를 순환하도록 설계함으로써, 차가운 신규 유입수를 가온시킬 수 있다(도 5 및 도 9 참조).
상술한 바와 같이, 혐기소화조에 유입되는 유입수는 여름철에는 약 18 ℃ 정도, 겨울철에는 약 8 ℃ 정도로서, 중온 혐기소화에 적합한 온도인 35-42 ℃와 비교하면 상당한 온도편차가 발생한다.
한편, 최종 혐기소화가 종료된 상태의 최종 발효액(슬러지액)의 온도는 약 35 ℃ 정도가 된다. 상기 온도에 해당하는 열을 유입수에 폐열 회수시키고, 상기 최종 발효액은 다음 단계로서 혐기소화조 위층의 후처리조로 이송되며, 발효단계가 완료되었으므로 더 이상의 온도 조절은 필요로 하지 않는다.
따라서, 본 발명은 상기와 같이 하층부 흡입관(41)과 연결되는 제1열교환관(2)을 도입함으로써, 상기 제1열교환관(2)이 상대적으로 고온인 최종 발효액으로부터 발생되는 폐열을 상대적으로 저온인 1차 투입조(3)의 신규 유입수에 제공하여 상기 신규 유입수가 최적의 메탄 발효 온도와의 편차를 최소화할 수 있도록 한다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 혐기소화조의 구역 4(8)는 상층부 활성화액을 흡입하는 상층부 흡입관(42)을 구비한다. 상기 활성화액은 슬러지 펌프(43)를 통해 흡입되고, 유입수가 축산폐수인 경우는 종균 접종액으로 사용되며, 유입수가 음식물 쓰레기인 경우에는 농도에 따라 희석용으로 사용된다. 종균 접종액으로 사용시에는 밸브(44)의 간단한 온/오프 조작에 의해 2차 투입조(4)에 투입할 수 있다(도 10 참조).
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 혐기소화조는 구역 4(8)의 상부 바이오가스층과 이에 연결된 바이오가스 포집장치 사이에 황화수소 제거효율을 높이기 위한 황화수소 제거장치를 더 포함할 수 있다(도 1 참조). 상기 황화수소 제거장치는 도 12의 (c)에서 언급한 황화수소 제거장치(28')를 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 따른 상기 혐기소화조 상층에는 후처리조가 구비된다(도 3 참조). 상기 후처리조는 구역 1(11), 구역 2(12), 구역 3(13) 및 구역 4(14)로 구획되며, 그 구조는 하층의 혐기소화조 구역 1(5), 구역 2(6), 구역 3(7) 및 구역 4(8)에 설치된 분리벽(5', 6', 7')과 동일한 형태의 분리벽으로 구획된다. 또한, 하층 혐기소화조에서와 동일한 형태의 산기가스 공급관(미도시) 및 산기관(미도시)이 구비된다.
상기 후처리조의 각 구역(11, 12, 13, 14)은 브로워(미도시)를 통해 산소를 포함하는 외부공기가 산기가스 공급관 및 산기관에 공급되고, 산기관을 통해 분사되는 공기가 각 구역의 유입수에 유동성을 부여하여 선입선출의 순서로 이동하게 된다. 이는 산기가스로서 외부공기를 이용하는 것을 제외하고, 하층의 혐기소화조와 동일하게 운영된다.
또한, 상기 후처리조의 각 구역(11, 12, 13, 14)은 혐기소화조의 최종 발효액(슬러지액)이 발생시키는 악취성분의 제거를 위해, 상기 각 구역(11, 12, 13, 14)의 상부 가스층에 생성되는 가스를 정화시켜 외부로 배출시키는 악취성분 제거장치(도 1 참조)와 연결될 수 있다.
이때, 상기 악취성분 제거장치로는 혐기소화조의 가스층과 연결되어 사용되는 암모니아 및 황화수소 제거장치(28) 중에서 개방형 탱크인 B형 탱크만을 단독으로 상기 후처리조의 가스층에 연결시켜 사용할 수 있다. 상기 B형 탱크는 홍색 유황 세균 배양액이 들어 있는 물을 포함하며, 상기 후처리조의 각 구역의 가스층으로부터 흡입된 가스를 상기 제거장치 내부의 산기관을 통해 물에 용존시켜 악취성분인 암모니아 및 황화수소를 황산암모늄 또는 황산염의 형태로 제거한 후 악취성분이 제거된 가스를 공기 중으로 배출한다.
이후, 악취성분이 제거된 최종 발효액은 퇴액비조로 이송되고, 농경지에 투입하여 비료 등으로 사용될 수 있다.
이하, 상기한 구조의 혐기소화장치의 동작 상태를 도 1을 참조하여 설명한다.
축산폐수, 음식물 찌꺼기 등의 유입수가 1차 투입조에 투입되고, 1차 투입조 내부에 구비되어 있는 열교환관(제1열교환관)으로부터 열을 제공받아 가온된다. 열교환이 되면서 가온이 된 상기 유입수는 2차 투입조로 오버플로우되어 하층 혐기소화조 구역 1로 투입되고, 선입선출의 방식으로 혐기소화조 구역 2, 구역 3 및 구역 4를 순차적으로 통과하면서 혐기소화의 결과 바이오가스를 각 구역의 상층부에 생성 및 저장한다. 혐기소화조 구역 1의 측벽에는 외부 폐열가스 공급장치로부터 공급되는 엔진 배기가스 또는 보일러 연통가스가 순환할 수 있는 열교환관(제2열교환관)이 구비되어 있어, 유입수의 온도와 최적의 혐기소화 온도와의 편차를 최소화한다. 또한, 상기 구역 1에서 구역 4의 바닥에 설치되어 있는 온돌배관이 동일한 목적 달성을 위해 유입수에 열을 공급한다.
혐기소화조의 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4의 바닥에는 산기가스 공급관 및 산기관이 설치되어 있어, 각 구역을 통과하는 유입수를 교반시키고 유동성을 제공한다. 상기 가스는 혐기소화조 구역 2 및 구역 4의 상부 바이오가스를 외부 브로워를 통해 흡입하고, 바이오가스에 포함되어 있는 암모니아 및 황화수소를 제거하거나 제거함이 없이 구역 1에서 구역 4의 산기가스 공급관 및 산기관에 공급된다. 암모니아 및 황화수소 제거장치를 경유하지 않은 바이오가스는 주로 구역 1의 산기가스 공급관, 산기관 및 산기가스 격벽으로 이송되고, 그 결과 산생성 단계를 수행하여 pH가 낮아진 구역 1의 유입수의 pH는 암모니아를 포함하는 바이오가스 공급에 의해 교반 및 유동성을 제공받음으로써, 메탄발효를 수행하는 다음 구역에 적합한 유입수의 pH 조건을 충족하게 된다. 한편, 암모니아 및 황화수소 제거장치를 경유하는 바이오가스는 주로 구역 3 내지 구역 4에 공급되며, 그 결과 최종 바이오가스가 저장되는 구역 4의 가스층에는 암모니아 및 황화수소가 최대한 제거된 순도 높은 바이오가스가 축적된다. 축적된 바이오가스는 필요에 따라 황화수소 제거장치를 경유함으로써, 잔존 황화수소가 거의 없는 상태로 발전/열생산을 위한 연료로 사용될 수 있다.
혐기소화조 구역 4에 도달하여 혐기소화를 종료한 최종 발효액(슬러지액)은 구역 4의 하층부에 모이게 된다. 이러한 최종 발효액은 하층부 흡입관을 통해 흡입되어 1차 투입조에 구비된 제1열교환관으로 이송되고, 최종 발효의 결과로 발생한 열을 새로이 유입되는 유입수에 제공한 후 혐기소화조 위층의 후처리조로 이동하게 된다. 한편, 혐기소화조 구역 4의 상층부에는 하층 최종 발효액을 제외한 활성화액이 존재하며, 이들은 상층부 흡입관을 통해 일부는 2차 투입조로 공급되어 종균 접종액 및 pH 조정액으로 사용되고, 나머지 일부는 1차 투입조로 유입되는 축산폐수 또는 음식물 찌꺼기 희석액으로 사용된다.
혐기소화조 위층의 후처리조로 이송된 최종 발효액(슬러지액)은 아래층 혐기소화조의 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4와 동일한 구조를 갖는 후처리조 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4를 선입선출의 방식으로 이동한다. 이때 최종 발효액에 교반 및 유동성을 제공하는 과정은 혐기소화조와 동일하나, 산기가스 공급관 및 산기관을 통해 공급되는 산기가스는 혐기소화조와는 달리 산소를 포함하는 외부공기를 주입하여 달성된다. 후처리조의 각 구역을 이동하는 최종 발효액은 상부 가스층에 악취성분인 암모니아, 황화수소 등을 발생시키며, 이러한 악취성분은 다시 암모니아 및 황화수소 제거장치로 이송되어 제거되어 외부로 배출된다. 최종적으로 남은 최종 발효액은 퇴액비조로 이송되고, 농경지로 환원되어 비료 등으로 사용됨으로써 본 발명에 따른 혐기소화장치를 통한 혐기소화공정이 완료된다.
본 발명에 따른 상기 혐기소화장치는 혐기소화조의 상부의 가스층이 가스저장시설을 겸하므로, 별도의 가스저장시설이 요구되지 않는다. 또한, 가스층의 가스 압력에 의해 투입구의 수위를 조절할 수 있고, 소화액 수위 측정관을 통해 혐기소화조와 연결된 발전 엔진 등의 부가적인 기기의 작동을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 혐기소화장치는 혐기소화조 구역 1과 구역 4의 산화환원전위(ORP)가 각각 -330 mV에서 -460 mV로 측정되며, -300 mV 이하의 산화환원전위를 요구하는 혐기소화조의 균배양 조건을 만족한다.
나아가, 본 발명에 따른 상기 혐기소화장치는 유입수의 투입시 전처리를 요구하지 않으며, 유입수의 온도를 폐열을 이용하여 초기 투입 단계, 혐기소화 단계 등 전 공정을 통해 조절함으로서, 메탄균 생육에 최적의 조건을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 혐기소화장치는 유입수의 선입선출을 가능하게 함으로써, 후입된 미발효액이 선출되는 경우 후처리 공정에서의 악취성분 제거 효율을 저하시킬 수 있는 요인을 제거할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 상기 혐기소화장치는 혐기소화조 내부에 특별한 교반시설을 요구하지 않으며, 자체 생산한 바이오가스를 정제 또는 비정제하여 재활용함으로써 유입수에 포함된 침적물의 부유현상 및 균질화를 유발하고 최적의 메탄발효 효과를 달성할 수 있도록 서서히 유입수를 이동시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 혐기소화장치는 혐기소화조 가스층으로부터 바이오가스를 흡입하여 암모니아 및 황화수소 제거장치를 통해 다시 재순환시킴으로써, 순도 높은 바이오가스를 생산할 수 있다. 상기 제거장치를 통해 종래 가스 교반식 혐기소화조의 단점으로 지적되었던 메탄균의 생육에 저해가 되는 암모니아 및 황화수소의 지속적인 농축을 방지할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치는 A형 탱크와 B형 탱크의 복합형(28)의 경우, 생성되는 암모니아의 99% 이상, 황화수소의 30% 이상을 제거할 수 있고, 상기 복합형 제거장치(28)에 연결하여 사용되는 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)을 포함한 제거장치(28')는 제거장치 통과횟수를 증가시킴으로써 생성된 황화수소를 99% 이상 제거할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28)는 그 내부에 포함하고 있는 홍색 유황 세균 배양액에서 생성되는 효소가 황화수소 제거시 이산화탄소를 소모함으로써, 바이오가스 중의 이산화탄소 함량을 1차적으로 감소시킬 수 있다. 나아가, 상술한 바와 같이 바이오가스 내 잔존 이산화탄소와 수소를 소화액 내부에 존재하는 메탄생성균의 기질로서 공급함으로써, 불순물인 이산화탄소를 메탄으로 전환시켜 이산화탄소의 함량을 2차적으로 감소시킬 수 있다. 종래 바이오가스 생산용 혐기소화조는 메탄 65%이하와 이산화탄소 35%이상을 함유하는데 불과하나, 본 발명에 따른 상기 제거장치를 본 혐기소화조에 사용하여 이산화탄소의 함량을 20% 이하로 낮춤으로써, 메탄 함량이 80% 이상인 도시가스 수준의 바이오가스를 생산할 수 있다(표 2 참조).
측정 H2S(ppm) CO2(%) NH3(ppm) 제거장치 통과횟수
측정위치1 측정위치2 측정위치1 측정위치2 측정위치1 측정위치2
1 5000 1600 23 18 25 - 1회
2 1600 320 20 17 25 - 2회
3 600 40 20 18 40 - 3회
상기 표 2는 본 발명에 따른 제거장치의 암모니아, 황화수소 및 이산화탄소 제거효율을 측정한 결과이다. 구체적으로는 제거장치(28)에 투입되기 전의 바이오가스의 성분 및 함량을 GASTEC Dectector tube(제조사: 일본)를 사용하고, 제거장치 통과횟수를 1회, 2회 및 3회 수행하면서, 도 12의 (a)의 브로워(29)와 A형 탱크 사이의 가스관에서 측정하고(측정위치 1), 제거장치를 통과한 바이오가스의 성분 및 함량을 도 12의 (a)의 제거장치(28')의 A'형 탱크를 빠져나온 위치에서 측정(측정위치 2)한 결과이다. 표 2를 참조하면, 암모니아는 최초 1회 통과만으로도 100% 제거되었으며, 황화수소는 1회 통과시 약 68%, 2회 통과시 약 80%, 3회 통과시 약 94%까지 제거되었고, 이산화탄소는 바이오가스 내에 20% 이하로 함유되어, 발명에 따른 제거장치를 포함하는 혐기소화조로부터 순도 높은 바이오가스를 생산할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있는 발명의 요지와 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 이러한 수정 및 변형은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.
예를 들면, 본 발명에 따른 혐기소화장치는 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 기재된 상층 및 하층의 복층 형태의 구조뿐만 아니라, 상층과 하층이 분리된 단층 형태, 상층과 하층의 기술적 특징을 하나의 단일층으로 구현한 혐기소화장치도 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치(28) 또는 황화수소 제거장치(28')는 본 발명에 따른 혐기소화장치에만 제한되어 사용되는 것은 아니며, 상기 제거장치(28) 또는 제거장치(28')는 바이오가스의 생산과정에서 발생하는 암모니아, 황화수소, 이산화탄소 등의 가스를 제거하고 순도 높은 바이오가스를 얻을 목적으로 제공되는 장치이면, 그 장치의 구조에 따라 적절하게 변형되어 사용될 수 있다. 나아가, 바이오가스 생산장치 뿐만 아니라, 탈황, 탈암모니아, 탈이산화탄소 등을 목적으로 하는 장치에도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 아파트형 혐기소화조의 축산폐수 또는 음식물 쓰레기 처리 공정 흐름도이고;
도 2는 본 발명에 따른 아파트형 혐기소화조의 1층 소화조를 나타낸 사시도이고;
도 3은 본 발명에 따른 아파트형 혐기소화조의 2층 후처리조를 나타낸 사시도이고;
도 4는 본 발명에 따른 아파트형 혐기소화조에 대한 관측구간을 표시한 평면도이고;
도 5는 도 4에 표시된 관측구간 A를 정면에서 관측한 투시도이고;
도 6은 도 4에 표시된 관측구간 B를 정면에서 관측한 정면도이고;
도 7은 도 4에 표시된 관측구간 C를 정면에서 관측한 정면도이고;
도 8은 도 4에 표시된 관측구간 D를 위에서 관측한 평면도이고;
도 9는 본 발명에 따른 아파트형 혐기소화조의 하층부 최종 발효액(슬러지액)을 흡입하는 배관의 배열을 나타내는 평면도(a) 및 측면도(b)이고;
도 10은 본 발명에 따른 아파트형 혐기소화조의 상층부 종균접종액 및 희석액을 흡입하는 배관의 배열을 나타내는 평면도(a) 및 측면도(b)이고;
도 11은 도 4에 표시된 관측구간 D를 측면에서 관측한 측면도이고;
도 12는 본 발명에 따른 아파트형 혐기소화조에 구비되는 암모니아/황화수소 제거장치를 나타낸 도면으로, (a) 암모니아/황화수소 제거장치와 혐기소화조의 개 략적인 연결도; (b) A형 탱크와 B형 탱크가 결합된 형태의 암모니아/황화수소 제거장치; (c) A'형 탱크만으로 구성되는 황화수소 제거장치를 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 축분 또는 음식물 쓰레기 유입관
2 : 제1열교환관
3 : 1차 투입조
4 : 2차 투입조
5 : 혐기소화조 구역 1
5': 혐기소화조 구역 1 및 구역 2 분리벽
6 : 혐기소화조 구역 2
6': 혐기소화조 구역 2 및 구역 3 분리벽
7 : 혐기소화조 구역 3
7': 혐기소화조 구역 3 및 구역 4 분리벽
8 : 혐기소화조 구역 4
9 : 온수관
11: 후처리조 구역 1
12: 후처리조 구역 2
13: 후처리조 구역 3
14: 후처리조 구역 4
21: 슬러지 펌프
22 : 최종발효액 이송관
23: 엔진 배기가스/연통가스 방출 브로워
24: 제2열교환관
25: 산기가스 격벽
26: 산기관
27: 산기가스 공급관
28: 암모니아/황화수소 제거장치(A형 탱크 + B형 탱크 복합형)
28': 황화수소 제거장치(A'형 탱크 단독형)
29: 격벽 지지용 체결구
30: 상부 가스층 흡입 브로워 1
31: 상부 가스층 흡입 브로워 2
32: 밸브 1
33: 밸브 2
34: 혐기소화조 구역 2의 상부 가스층 흡입 배관
35: 혐기소화조 구역 4의 상부 가스층 흡입 배관
41: 하층부 최종발효액(슬러지액) 흡입관
42: 상층부 최종발효액(종균접종액 또는 희석액) 흡입관
43: 슬러지 펌프
44: 밸브 3
45: 희석액 이송관
46: 종균접종관
51: 소화액 수위 측정관 1
52: 소화액 수위 측정관 2
61: 순환펌프용 레벨센서(a: 상단 센서봉, b: 중단 센서봉, c: 하단 센서봉)
62: 볼탑
63: B형 탱크 산기관
64: 순환펌프
65: A형 탱크 산기관
66: A형 탱크 배수관
67: 암모니아 및 황화수소가 제거된 가스 유입관
68: A형 탱크 상부 배기관
69: B형 탱크 입수관
70: B형 탱크 배수관
71: 제거장치(28)을 통과한 바이오가스 유입관
72: A'형 탱크 산기관
73: A'형 탱크 배기관

Claims (28)

  1. 축산폐수 또는 음식물 쓰레기(이하 '유입수')가 투입되는 1차 투입조와;
    상기 1차 투입조를 통과한 유입수가 투입되는 2차 투입조와;
    상기 2차 투입조를 통과한 유입수가 선입선출의 순서로 메탄발효를 수행하여 바이오가스를 생산함과 동시에 다음 혐기소화 구역으로 이동하도록 설계된 혐기소화조 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4와;
    상기 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4의 유입수에 유동성을 부여하는 산기가스 공급관 및 산기관과;
    상기 혐기소화조 구역 4의 하층으로부터 슬러지액을 흡입하는 하층부 흡입관과;
    상기 혐기소화조 구역 4의 상층으로부터 활성화액을 흡입하는 상층부 흡입관과;
    상기 혐기소화조 구역 4의 가스층에 연결되어 생산된 바이오가스를 포집하는 장치와;
    상기 하층부 흡입관으로부터 흡입된 슬러지액이 신규 유입수와 열교환을 수행하도록 상기 1차 투입조 내부에 구비되는 제1열교환관과;
    상기 열교환이 종료된 슬러지액이 선입선출의 순서로 유입되어 슬러지액으로부터 발생되는 악취가스 성분을 처리하는 상기 혐기소화조 상층에 구비되는 후처리조 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4와;
    악취성분이 제거된 슬러지가 방출되어 저장되는 퇴액비조;
    를 포함하여 구성되는 아파트형 혐기소화장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혐기소화조 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4의 바닥에는 메탄발효 온도가 유지되도록 온돌 배관이 구비되는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 혐기소화조의 각 구역은 유입수 상부에 메탄 발효의 결과 생성되는 바이오가스가 저장되는 공간이 확보되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 혐기소화조의 각 구역은 분리벽을 통해 서로 구획되되, 각 분리벽의 끝 부분이 'ㄱ'자 형태로 개방되고, 개방된 공간을 통해 유입수와 바이오가스가 다음 구역으로 이동하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 혐기소화조의 각 구역의 분리벽은 구역 1과 구역 2의 분리벽, 및 구역 3과 구역 4의 분리벽이 동일한 위치에서 개방되고, 구역 2와 구역 3의 분리벽이 상기 구역 1과 구역 2의 분리벽, 및 구역 3과 구역 4의 분리벽의 개방위치와 반대쪽 끝 부분이 개방됨으로써 유입수가 상기 혐기소화조 전 구역을 지그재그 형태로 이동하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 산기가스 공급관 및 산기관은 구역 2와 구역 3 사이에 설치된 분리벽의 구역 2 방향 측벽 바닥, 상기 분리벽과 직교하는 구역 1에서 구역 2까지의 내측벽 바닥 및 상기 구역 1에서 구역 2까지의 내측벽과 직교하는 구역 1의 내측벽 바닥에 이들 벽의 둘레를 따라 구비되는 구역 1 및 구역 2의 산기가스 공급관 및 산기관과, 구역 2와 구역 3 사이에 설치된 분리벽의 구역 3 방향 측벽 바닥, 상기 분리벽과 직교하는 구역 3에서 구역 4까지의 내측벽 바닥 및 상기 구역 3에서 구역 4까지의 내측벽과 직교하는 구역 4의 내측벽 바닥에 이들 벽의 둘레를 따라 구비되는 구역 3 및 구역 4의 산기가스 공급관 및 산기관인 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 혐기소화조의 구역 1은 초기 투입 유입수의 온도와 최적의 메탄 발효 온도와의 편차를 최소화함으로써, 메탄 발효 효율을 최대화하기 위해 외부 열원으로부터 공급되는 열을 교환할 수 있는 제2열교환관이 구역 1 분리벽의 반대 측벽면에 형성되는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 외부 열원으로부터 공급되는 열은 보일러 연통가스 또는 엔진 배기가스에 의한 폐열인 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 혐기소화조의 구역 1은 상기 제2열교환관의 앞쪽에 산기가스 격벽이 설치되어 있고, 상기 제2열교환관이 설치된 벽과 상기 산기가스 격벽 사이의 바닥에는 산기가스 공급관 및 산기관이 설치되어 있으며, 상기 산기가스 격벽은 상기 산기관으로부터 나오는 산기가스의 흐름을 수직 방향으로 유도한 후, 산기가스 격벽을 통과한 산기가스가 구역 1을 통과하는 유입수에 시계방향의 유동성을 부여하는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 혐기소화조 구역 2는 혐기소화의 결과 생성되는 가스를 회수하여 구역 2와 구역 3 사이에 설치된 분리벽의 구역 2 방향 측벽 바닥, 상기 분리벽과 직교하는 구역 1에서 구역 2까지의 내측벽 바닥 및 상기 구역 1에서 구역 2까지의 내측벽과 직교하는 구역 1의 내측벽 바닥에 이들 벽의 둘레를 따라 구비되는 구역 1 및 구역 2의 산기가스 공급관 및 산기관에 가스를 공급하는 가스배관이 구비되고, 상기 혐기소화조 구역 4는 혐기소화의 결과 생성되는 가스를 회수하여 구역 2와 구역 3 사이에 설치된 분리벽의 구역 3 방향 측벽 바닥, 상기 분리벽과 직교하는 구역 3에서 구역 4까지의 내측벽 바닥 및 상기 구역 3에서 구역 4까지의 내측벽과 직교하는 구역 4의 내측벽 바닥에 이들 벽의 둘레를 따라 구비되는 구역 3 및 구역 4의 산기가스 공급관 및 산기관에 가스를 공급하는 가스배관이 구비되는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 혐기소화조 구역 4에 구비되는 가스배관은 혐기소화의 결과 생성되는 가스에 포함되어 있는 암모니아 및 황화수소를 제거하는 장치와 연결되어, 구역 3 및 구역 4에 구비되는 산기가스 공급관 및 산기관에 암모니아 및 황화수소가 제거된 가스를 공급하여 혐기소화조의 구역 3 및 구역 4의 최적의 메탄 발효를 위한 pH를 유지시키고, 최종 생산되는 바이오가스의 순도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 혐기소화조 구역 2에 구비되는 가스배관은 암모니아 및 황화수소 제거장치를 통과한 가스가 이동하는 상기 혐기소화조 구역 4에 구비되는 가스배관과 연결되어, 밸브의 개폐에 의해 암모니아 및 황화수소가 제거된 가스를 구역 1 및 구역 2에 구비된 산기가스 공급관 및 산기관에 선택적으로 공급 또는 차단하는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치는:
    혐기소화조의 가스층으로부터 이송된 암모니아 및 황화수소를 포함하는 바이오가스가 공급되는 산기관과;
    상기 산기관으로부터 공급되는 바이오가스가 용해되는 물과;
    하부에 상기 바이오가스가 용해된 물이 수위 및 가스압력에 의해 배출되는 배수관과;
    상부에 암모니아 및 황화수소가 제거된 물이 유입되는 유입관; 및
    상기 암모니아 및 황화수소가 제거된 가스를 혐기소화조로 반송하는 배기관을 포함하여 구성되는 폐쇄형 탱크(이하 'A형 탱크')와;
    상부에 상기 A형 탱크 하부로부터의 배수관이 연결되어 물이 유입되는 입수관과;
    상기 입수관과 연결되는 수위 조절용 볼탑과;
    수위를 감지하는 레벨센서와;
    외부 공기가 공급되는 산기관과;
    암모니아 및 황화수소가 제거된 물을 배수하는 하부 배수관과;
    상기 배수관과 연결되되, 상기 레벨센서의 수위감지 정보에 따라 온(on)/오프(off)되는 배수펌프를 구비하고;
    홍색 유황 세균 배양액을 포함하는 개방형 탱크(이하 'B형 탱크')가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치의 A형 탱크는 암모니아 및 황화수소를 물에 용존된 상태로 B형 탱크에 공급함으로써, B형 탱크 내부에서 외부공기로부터 공급된 산소와 반응하여, 암모니아 및 황화수소를 황산암모늄((NH4)2SO4)의 형태로 제거하는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치의 B형 탱크는 홍색 유황 세균 배양액을 이용하여 바이오가스 중의 이산화탄소와 황화수소를 포름알데히드(CH2O), 황산(H2SO4) 염 또는 순수한 황(S)의 형태로 제거하는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치의 B형 탱크는 외부공기로부터 산소를 물에 용존 산소 형태로 공급함으로써 혐기소화조에 산소의 유입을 차단하는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  17. 제13항에 있어서, 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치의 B형 탱크에 존재하는 레벨센서는 서로 다른 길이의 3개의 센서봉을 구비하여, B형 탱크의 수위가 가장 짧은 길이의 센서봉에 감지되면 배수펌프를 가동시켜 암모니아 및 황화수소가 제거된 물을 A형 탱크로 공급하고, B형 탱크의 수위가 중간 길이의 센서봉에 감지e되면 배수펌프의 가동을 중단시켜 암모니아 및 황화수소의 제거반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  18. 제13항에 있어서, 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치는 B형 탱크를 통해 암모니아 및 황화수소가 제거된 용존 바이오가스를 A형 탱크로 이송하여 A형 탱크 상부의 배기관을 통해 혐기소화조 하부의 산기가스 공급관 및 산기관으로 공급하는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  19. 제13항에 있어서, 상기 암모니아 및 황화수소 제거장치는 황화수소 제거효율을 높이기 위해, 상기 A형 탱크 상부의 배기관을 통해 공급되는 암모니아 및 황화수소가 제거된 바이오가스를 산기관을 통해 용존시키고, 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)과 잔존 황화수소를 반응시켜 황화철 및 물의 형태로 잔존 황화수소를 제거하는 황화수소 제거장치를 상기 A형 탱크에 직렬로 더 연결시킨 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 황화수소 제거장치는,
    제13항의 암모니아 및 황화수소 제거장치를 통해 황화수소가 일부 제거된 바이오가스가 유입되는 유입관과;
    상기 유입관으로부터 유입되는 바이오가스를 산기시키는 산기관과;
    상기 산기관으로부터 공급되는 바이오가스의 황화수소와 반응하는 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)을 포함하는 물과;
    황화수소가 제거된 바이오가스를 배출하는 배기관을 포함하는 폐쇄형 탱크 (“A'형 탱크”)인 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 혐기소화조의 구역 4의 하층부 흡입관으로 흡입되는 슬러지액은 혐기소화로 인한 온도 상승의 결과로 발생한 열을 제1차 투입조의 제1열교환관을 순환하면서 신규 유입수에 제공하여 최적의 메탄 발효 온도와 신규 유입수의 온도 편차를 최소화하는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 혐기소화조의 구역 4의 상층부 흡입관으로 흡입되는 활성화액은 유입수가 축산폐수인 경우 2차 투입조로 일부 투입시켜 종균 접종액으로 사용되는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  23. 제1항에 있어서, 상기 혐기소화조의 구역 4의 상층부 흡입관으로 흡입되는 활성화액은 유입수의 농도에 따라 일부를 상기 유입수가 1차 투입조에 투입되기 전에 희석시키는 용도로 사용하는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 혐기소화조 구역 4의 바이오가스층과 이에 연결된 바 이오가스 포집 장치 사이에는 황화수소 제거효율을 높이기 위해, 상기 바이오가스층으로부터 공급되는 바이오가스를 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)이 첨가된 물을 포함하는 탱크 내부의 산기관을 통해 공급하고, 상기 바이오가스에 잔존하는 황화수소와 상기 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)을 반응시켜 황화철 및 물의 형태로 잔존 황화수소를 제거하는 황화수소 제거장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 혐기소화조 상층에 구비되는 후처리조 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4는 하층의 혐기소화조 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4에 설치된 분리벽과 동일한 형태의 분리벽으로 구획되고, 동일한 형태의 산기가스 공급관 및 산기관을 구비하는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 후처리조의 각 구역은 브로워를 통해 산소를 포함하는 외부공기가 산기가스 공급관 및 산기관에 공급되고, 산기관을 통해 분사되는 공기가 각 구역의 유입수에 유동성을 부여하여 선입선출의 순서로 이동하게 되는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  27. 제25항에 있어서, 상기 후처리조의 각 구역은 유입수로부터 발생된 악취성분의 제거를 위해 각 구역의 가스층에 생성되는 가스를 정화시켜 외부로 배출시키는 악취성분 제거장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 아파트형 혐기소화장치.
  28. 제25항에 있어서, 상기 악취성분 제거장치는 홍색 유황 세균 배양액이 들어 있는 물을 포함하며, 상기 후처리조의 각 구역의 가스층으로부터 흡입된 가스를 상기 제거장치 내부의 산기관을 통해 물에 용존시켜 악취성분인 암모니아 및 황화수소를 황산암모늄 또는 황산염의 형태로 제거한 후 악취성분이 제거된 가스를 공기 중으로 배출하는 개방형 탱크인 것을 특징으로 아파트형 혐기소화장치.
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