KR100945055B1 - 액상 음식물 폐기물 처리시스템 및 그 처리방법 - Google Patents

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전주시
권혁성
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Abstract

본 발명은 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬리지도 동시에 병합처리할 수 있도록 한 액상 음식물 폐기물 처리시스템 및 그 처리방법에 관한 것이다.
즉, 외부로부터 열에너지 공급 없이 자기 스스로 반응하는 중,고온성 미생물의 활동에 적합한 온도 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하는 유기산 발효가 일어나며, 발효과정에서 발생하는 발효 부산물을 회수장치로 회수할 수 있도록 하는 유기산 발효조와; 상기 유기산 발효조를 거친 폐기물이 유입되어 발효되면서 발효과정 중 발생하는 바이오가스를 회수장치로 회수하는 메탄 발효조와; 상기 메탄 발효조를 거친 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해하는 2차 고온 호기성 소화조를; 포함하여 구성되며, 상기 유기산 발효조는 자체발열이 가능하도록, 유입수순환펌프, 유입수순환관, 제1벤츄리관 및 가압탱크를 이용하여 순환유입수에 공기를 주입하고 가압하여 유기산 발효조 내부로 유입시킴으로써 유기산 발효조 내부의 온도 상승 및 분해를 촉진하거나, 또는 내부가스순환관, 송풍기 및 제2벤츄리관을 이용하여 내부가스의 열에너지로 외부공기를 가열함으로써 유기산 발효조의 온도가 떨어지는 것을 방지하며, 상기 2차 고온 호기성 소화조를 거친 폐기물은 응집반응조 및 가압부상조를 거쳐 퇴비처리되고 나머지 가압부상조를 거친 탈리액은 유량저장조와 방류조를 거쳐 수질을 안정화한 다음 하수연계처리함으로써, 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬러지도 동시에 병합처리 할 수 있도록 함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템에 관한 것이다.
음식물 폐기물, 하수 슬러지, 유분회수, 바이오가스, 폐열

Description

액상 음식물 폐기물 처리시스템 및 그 처리방법{PROCESS SYSTEM OF LIQUID FOOD WASTE MANDARIN BY-PRODUCT AND ITS PROCESS METHOD}
본 발명은 음식물 폐기물을 처리하는 과정에서 유분회수, 발효 부산물 회수, 바이오가스회수, 폐열회수 및 슬러지를 감량화하는 등 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬리지도 동시에 병합처리 할 수 있도록 한 액상 음식물 폐기물 처리시스템 및 그 처리방법에 관한 것이다.
음식물 탈리액 및 하수종말처리장 농축 슬러지는 도심형 폐기물 처리 과정에서 배출되는 고농도 2차 유기 폐기물로 고형물 함량 및 생물학적 산소요구량(BOD, biochemical oxygen demand), 화학적 산소 요구량(COD, Chemical Oxygen Demand)이 높아 처리하기 매우 힘들며, 현재 이러한 폐기물은 해양투기 또는 매립 등 방법으로 처리되고 있으나 환경문제와 런던협약 등으로 인하여 2012년부터 해양투기가 전면금지될 것으로 예상되는 등 폐기물의 처리는 정부, 지방자치단체, 음식물 자원화업체가 풀어야 할 가장 시급하고 중요한 과제라 할 수 있다.
이러한 폐기물의 처리를 위하여 현재 건조방법, 혐기성 소화방법, 소각방법, 매립방법이 적용되고 있고, 그 중 혐기성 소화방법은 처리방식에 있어 산소를 차단하고 혐기성 미생물에 의해 유기물 분해, 운전 안전성 온도, 유기물 부하, pH 등의 운전 조건의 폭이 좁으며, ORP편차가 심할 뿐만 아니라 메탄발효에 의한 바이오가스(BIOGAS)를 회수할 수 있으나 2차 폐기물을 발생하는 문제가 있고 처리기간 또한 15~30일의 장기간이 소요되며, 질소 처리를 위한 호기성 처리가 추가로 수반되어야 하고 별도의 온도유지시설이 필요한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로, 고온호기성소화(ATAD, Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion)방법을 적용함으로써 수질이 안정되고, 2차 폐기물의 발생이 경감되며 폐유분, 열에너지, 바이오가스(BIO GAS), 발효 부산물 등의 유가자원을 회수할 수 있으며, 자원재생 및 재이용에 의한 녹색 에너지를 창출할 수 있으며 유기물 재활용에 의한 탄소 배출저감으로 탄소배출권을 획득할 수 있는 등 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬러지도 동시에 병합처리할 수 있도록 한 액상 음식물 폐기물 처리시스템 및 그 처리방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 외부로부터 열에너지 공급 없이 자기 스스로 반응하는 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 온도 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하는 유기산 발효가 일어나며, 발효과정에서 발생하는 발효 부산물을 회수장치로 회수할 수 있도록 하는 유기산 발효조와; 상기 유기산 발효조를 거친 폐기물이 유입되어 발효되면서 발효과정 중 발생하는 바이오가스를 회수장치로 회수하는 메탄 발효조와; 상기 메탄 발효조를 거친 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해하는 2차 고온 호기성 소화조를; 포함하여 구성되며, 상기 유기산 발효조는 자체발열이 가능하도록, 유입수순환펌프, 유입수순환관, 제1벤츄리관 및 가압탱크를 이용하여 순환유입수에 공기를 주입하고 가압하여 유기산 발효조 내부로 유입시킴으로써 유기산 발효조 내부의 온도 상승 및 분해를 촉진하거나, 또는 내부가스순환관, 송풍기 및 제2벤츄리관을 이용하여 내부가스의 열에너지로 외부공기를 가열함으로써 유기산 발효조의 온도가 떨어지는 것을 방지하며, 상기 2차 고온 호기성 소화조를 거친 폐기물은 응집반응조 및 가압부상조를 거쳐 퇴비처리되고 나머지 가압부상조를 거친 탈리액은 유량저장조와 방류조를 거쳐 수질을 안정화한 다음 하수연계처리함으로써, 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬러지도 동시에 병합처리 할 수 있도록 함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 상기 유기산 발효조는, 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해할 수 있도록 함과 아울러, 상기 유기산 발효조는 자체발열이 가능하도록 유입수순환펌프에서 유기산 발효조 내부의 물을 흡수하여 순환하는 과정에서 제1벤츄리관을 통하여 흡입된 공기와 유기산 발효조 내부의 미반응된 산소를 유기산 발효조 내부에 유입하여 온도 상승 및 분해를 촉진함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 상기 유기산 발효조 및 2차 고온 호기성 소화조에서 발생한 열은 메탄 발효조의 메탄 발효 열로 사용함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 상기 2차 고온 호기성 소화조에는, 집진기를 설치하여 분해과정 중 2차 고온 호기성 소화조 내에서 발생하는 휘발성유기화합물(VOC) 및 휘발성지방산(VFA)을 제거할 수 있도록 하고 2차 고온 호기성 소화조의 운전조건은 온도 45℃~70℃, 공기주입, 용액의 수소 이온농도(PH) 7~8, D.O농도 0.2ppm 이상의 조건을 유지함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 상기 2차 고온 호기성 소화조와 스컴 소포조를 연결설치하여 2차 고온 호기성 소화조에서 유입된 폐기물에서 거품을 제거한 다음 2차 고온 호기성 소화조로 재공급함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 외부로부터 열에너지 공급 없이 자기 스스로 반응하는 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 온도 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 발효, 분해하고, 발효 과정에서 발생하는 발효 부산물을 회수장치로 회수하는 유기산 발효공정과; 상기 유기산 발효공정을 거친 폐기물에서 발생하는 바이오가스를 회수장치로 회수하고 나머지 폐기물을 2차 호기성 소화공정으로 보내는 메탄 발효공정과; 상기 유기산 발효공정 및 메탄 발효공정을 거친 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해하는 2차 고온 호기성 소화공정을 포함하여 구성되며, 상기 유기산 발효공정은 자체발열이 가능하도록, 유입수순환펌프, 유입수순환관, 제1벤츄리관 및 가압탱크를 이용하여 순환유입수에 공기를 주입하고 가압하여 유기산 발효조 내부로 유입시킴으로써 유기산 발효조 내부의 온도 상승 및 분해를 촉진하거나, 또는 내부가스순환관, 송풍기 및 제2벤츄리관을 이용하여 내부가스의 열에너지로 외부공기를 가열함으로써 유기산 발효조의 온도가 떨어지는 것을 방지하며, 상기 2차 고온 호기성 소화공정을 거친 폐기물은 응집반응공정과 가압부상공정을 거쳐 퇴비처리되고, 상기 가압부상공정을 거친 나머지 탈리액은 유량조정공정 및 방류공정을 거쳐 수질을 안정화한 다음 하수연계처리함으로써, 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬러지도 동시에 병합처리할 수 있도록 함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리방법을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 상기 유기산 발효공정에서는 유기산 발효가 일어나며, 발효의 진행 속도와 유기산의 생산 수율을 높이기 위해서는 45℃~70℃의 중온 이상의 높은 온도 유지와 알코올 및 유기물질을 유기산으로 산화할 수 있는 산소농도를 유지함과 아울러, 자체발열이 가능하도록 유기산 발효조의 유입수순환펌프에서 유기산 발효조 내부의 물을 흡수하여 순환하는 과정에서 제1벤츄리관을 통하여 흡입된 공기와 유기산 발효조 내부의 미반응된 산소를 유기산 발효조 내부에 유입하여 온도 상승 및 분해를 촉진함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리방법을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 상기 유기산 발효공정 및 2차 고온 호기성 소화공정에서 발생한 열은 메탄 발효공정의 메탄 발효 열로 사용함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 상기 2차 고온 호기성 소화공정과 연계하여 2차 고온 호기성 소화공정에서 발생하는 거품을 제거하는 스컴 소포공정이 더 포함됨을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리방법을 과제의 해결수단으로 한다.
본 발명은 고온호기성소화(ATAD, Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion)방법을 적용함으로써, 수질이 안정되고, 2차 폐기물의 발생이 경감되며 폐유분, 열에너지, 바이오가스(BIO GAS), 발효 부산물 등의 유가자원을 회수할 수 있으며, 자원재생 및 재이용에 의한 녹색 에너지를 창출할 수 있으며 유기물 재활용에 의한 탄소 배출저감으로 탄소배출권을 획득할 수 있고, 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬러지도 동시에 병합처리할 수 있는 장점이 있다.
또한, 고온호기성소화 방법을 적용함에 따라 휘발성 유기물의 농도가 높은 음식물 탈리액에 매우 적합하며, 탈리액 및 슬러지의 처리 부산물은 고품질의 퇴비와 사료를 생산할 수 있고, 탈리액 및 슬러지를 또 다른 자원으로 재생할 수 있으며, 혐기성과 조합 시 더 우수한 바이오(BIO) 부산물을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 호기성 운전으로 악취가 매우 적고 중, 고온 운전에 의한 병원성 미생물을 사멸할 수 있어 친환경적이며 2차 오염이 적은 등 기존의 혐기성 방법보다 여러 가지 장점이 있다.
또한, 유휴설비의 적극적 재활용으로 시설비용을 절감할 수 있으며, 자기발열 중, 고온 고효율에 인해 운전비용이 저렴하고, 고농도 음식물 폐수의 유기물부하를 80％ 이상 저감할 수 있으며, 하수 슬러지 병합처리시 70％ 이상의 슬러지 감량화율을 달성할 수 있고, 타 시설에 비래 운영이 간편하며 유지비가 저렴하고 음식물 탈리액 처리체계의 확립으로 도시의 균형적 발전을 도모할 뿐만 아니라, 하수 종말 처리장으로 유입되는 오염부하를 저감할 수 있음은 물론 처리효율 개선에 의한 운영 안정화 및 지자체의 운영경비 경감에도 기여할 수 있다.
본 발명은, 외부로부터 열에너지 공급 없이 자기 스스로 반응하는 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 온도 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하는 유기산 발효가 일어나며, 발효과정에서 발생하는 발효 부산물을 회수장치로 회수할 수 있도록 하는 유기산 발효조와; 상기 유기산 발효조를 거친 폐기물이 유입되어 발효되면서 발효과정 중 발생하는 바이오가스를 회수장치로 회수하는 메탄 발효조와; 상기 메탄 발효조를 거친 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해하는 2차 고온 호기성 소화조를; 포함하여 구성되며, 상기 유기산 발효조는 자체발열이 가능하도록, 유입수순환펌프, 유입수순환관, 제1벤츄리관 및 가압탱크를 이용하여 순환유입수에 공기를 주입하고 가압하여 유기산 발효조 내부로 유입시킴으로써 유기산 발효조 내부의 온도 상승 및 분해를 촉진하거나, 또는 내부가스순환관, 송풍기 및 제2벤츄리관을 이용하여 내부가스의 열에너지로 외부공기를 가열함으로써 유기산 발효조의 온도가 떨어지는 것을 방지하며, 상기 2차 고온 호기성 소화조를 거친 폐기물은 응집반응조 및 가압부상조를 거쳐 퇴비처리되고 나머지 가압부상조를 거친 탈리액은 유량저장조와 방류조를 거쳐 수질을 안정화한 다음 하수연계처리함으로써, 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬러지도 동시에 병합처리 할 수 있도록 함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 상기 유기산 발효조는, 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해할 수 있도록 함과 아울러, 상기 유기산 발효조는 자체발열이 가능하도록 유입수순환펌프에서 유기산 발효조 내부의 물을 흡수하여 순환하는 과정에서 제1벤츄리관을 통하여 흡입된 공기와 유기산 발효조 내부의 미반응된 산소를 유기산 발효조 내부에 유입하여 온도 상승 및 분해를 촉진하는 액 상 음식물 폐기물 처리시스템을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 상기 유기산 발효조 및 2차 고온 호기성 소화조에서 발생한 열은 메탄 발효조의 메탄 발효 열로 사용하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 상기 2차 고온 호기성 소화조에는, 집진기를 설치하여 분해과정 중 2차 고온 호기성 소화조 내에서 발생하는 휘발성유기화합물(VOC) 및 휘발성지방산(VFA)을 제거할 수 있도록 하고 2차 고온 호기성 소화조의 운전조건은 온도 45℃~70℃, 공기주입, 용액의 수소 이온농도(PH) 7~8, D.O농도 0.2ppm 이상의 조건을 유지하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 상기 2차 고온 호기성 소화조와 스컴 소포조를 연결설치하여 2차 고온 호기성 소화조에서 유입된 폐기물에서 거품을 제거한 다음 2차 고온 호기성 소화조로 재공급하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 외부로부터 열에너지 공급 없이 자기 스스로 반응하는 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 온도 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 발효, 분해하고, 발효 과정에서 발생하는 발효 부산물을 회수장치로 회수하는 유기산 발효공정과; 상기 유기산 발효공정을 거친 폐기물에서 발생하는 바이오가스를 회수장치로 회수하고 나머지 폐기물을 2차 호기성 소화공정으로 보내는 메탄 발효공정과; 상기 유기산 발효공정 및 메탄 발효공정을 거친 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해하는 2차 고온 호기성 소화공정을 포함하여 구성되며, 상기 유기산 발효공정은 자체발열이 가능하도록, 유입수순환펌프, 유입수순환관, 제1벤츄리관 및 가압탱크를 이용하여 순환유입수에 공기를 주입하고 가압하여 유기산 발효조 내부로 유입시킴으로써 유기산 발효조 내부의 온도 상승 및 분해를 촉진하거나, 또는 내부가스순환관, 송풍기 및 제2벤츄리관을 이용하여 내부가스의 열에너지로 외부공기를 가열함으로써 유기산 발효조의 온도가 떨어지는 것을 방지하며, 상기 2차 고온 호기성 소화공정을 거친 폐기물은 응집반응공정과 가압부상공정을 거쳐 퇴비처리되고, 상기 가압부상공정을 거친 나머지 탈리액은 유량조정공정 및 방류공정을 거쳐 수질을 안정화한 다음 하수연계처리함으로써, 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬러지도 동시에 병합처리할 수 있도록 함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리방법을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 상기 유기산 발효공정에서는 유기산 발효가 일어나며, 발효의 진행 속도와 유기산의 생산 수율을 높이기 위해서는 45℃~70℃의 중온 이상의 높은 온도 유지와 알코올 및 유기물질을 유기산으로 산화할 수 있는 산소농도를 유지함과 아울러, 자체발열이 가능하도록 유기산 발효조의 유입수순환펌프에서 유기산 발효조 내부의 물을 흡수하여 순환하는 과정에서 제1벤츄리관을 통하여 흡입된 공기와 유기산 발효조 내부의 미반응된 산소를 유기산 발효조 내부에 유입하여 온도 상승 및 분해를 촉진하는 액상 음식물 폐기물 처리방법을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 상기 유기산 발효공정 및 2차 고온 호기성 소화공정에서 발생한 열은 메탄 발효공정의 메탄 발효 열로 사용하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 상기 2차 고온 호기성 소화공정과 연계하여 2차 고온 호기성 소화공정에서 발생하는 거품을 제거하는 스컴 소포공정이 더 포함하는 액상 음식물 폐기물 처리방법을 기술구성의 특징으로 한다.
이하 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액상 음식물 폐기물 처리시 스템의 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 액상 음식물 폐기물 또는 하수 슬러지(이하 “폐기물”이라 한다)를 동시에 병합처리할 수 있도록 한 시스템에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 고온 호기성 소화(ATAD, Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion)시스템으로 구성되는 것으로서, 자기 스스로 반응하는 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 온도를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하여 이때 발생하는 발효 부산물을 회수장치로 회수하는 유기산 발효가 일어나는 유기산 발효조(200)와, 상기 유기산 발효조(200)를 거친 폐기물이 유입되어 발효되면서 바이오가스(Bio gas)는 회수장치로 회수하는 메탄 발효조(400)와, 상기 메탄 발효조(400)를 거친 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해하는 2차 고온 호기성 소화조(600)로 구성된다.
또한, 상기 유기산 발효조(200)는, 자체발열이 가능하도록 유입수순환펌프(222)에서 유기산 발효조(200) 내부의 물을 흡수하여 순환하는 과정에서 제1벤츄리관(231)을 통하여 흡입된 공기와 유기산 발효조(200) 내부의 미반응된 산소를 유기산 발효조(200) 내부에 유입하여 온도 상승 및 분해를 촉진한다.
이러한 유기산 발효조(200)는 고온 호기성 미생물의 활성화로 유입수에 포함 된 유기물이 산화 분해되는 소정 크기로 이루어지는 것으로서, 그 구성을 더욱 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 3, 4에 도시된 바와 같이 유기산 발효조(200) 내부의 유입수를 외부로 배출시킨 후 다시 유기산 발효조(200) 내부로 주입하는 유입수순환수단(220)과, 상기 유입수순환수단(220)에 의해 순환하는 유입수에 공기를 주입하고 용해시키는 제1공기주입수단(230)과, 상기 유기산 발효조(200) 상부의 내부가스를 외부로 배출시킨 후 다시 유기산 발효조(200)의 하부로 주입하는 내부가스순환수단(240)과, 상기 내부가스순환수단(240)에 의해 순환되는 내부가스에 공기를 주입하기 위한 제2공기주입수단(250) 및 상기 유기산 발효조(200) 상부의 거품을 외부로 배출시킨 후 다시 유기산 발효조(200)의 하부로 주입하는 거품순환수단(260)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 유기산 발효조(200)의 상단에 설치되어 유기산 발효조(200)에서 넘치는 거품을 외부로 배출시키기 위한 거품배출수단(270)과, 상기 호기성 소화조(210) 상부에 설치되어 유기산 발효조(200) 내부의 거품을 제거하는 살수거품제거수단(280)과, 상기 유입수순환수단(220) 및 내부가스순환수단(240)의 끝 부분에 연결되어 유입수와 공기 또는 내부가스를 혼합하여 상기 유기산 발효조(200) 내부로 분출시키기 위한 2류 노즐(290)을 더 포함하여 구성된다.
상기 유기산 발효조(200)는 밀폐된 탱크로서, 원수를 주입하기 위한 유입구(213)와, 처리수를 배출하기 위한 유출구(215)와, 슬러지를 배출하기 위한 슬러지배출구(216)가 형성되며, 유기산 발효조(200)는 단열을 위하여 소정 두께의 단열재로 감싸지며 유입수의 교반과 슬러지 배출을 원활하게 하기 위해서 바닥(211)은 완만하게 경사진 형태로 이루어진다.
상기 유기산 발효조(200)는 일정 높이의 수위(L1)를 유지하도록 유입구(213)를 통해 고농도 유기성 유입수(W)가 유입되며, 유입수(W)의 수위(L1)는 가변적이나 적어도 유입수가 순환하는 유입수순환관(221)이 설치된 위치보다는 높고, 내부가스가 순환되는 내부가스순환관(241)이 설치된 위치보다는 낮고, 유기산 발효조(200)의 상부에는 일정 높이로 거품층(S)이 형성되며, 상기 거품층(S)의 수위(L2)는 유입수의 수위(L1)보다는 높고 내부가스순환관(241)이 설치된 위치보다는 낮다.
따라서, 상기한 거품순환관(261)은 유입수의 수위(L1)와 거품층의 수위(L2) 사이에 위치되며, 상기 유기산 발효조(200)에는 수위(L1)를 측정하기 위한 수위측정센서(도시되지 않음)와, 상기 거품층의 수위(L2)를 측정하기 위한 적어도 두 개의 거품측정센서가 구비되며, 바람직하게 상기 두 개의 거품측정센서 중 하나는 상기 거품순환관(261)에 설치되는 제1거품측정센서이고, 다른 하나는 내부가스순환관(241)에 설치되는 제2거품측정센서이다.
예를 들어, 상기 제1거품측정센서가 감지되면 상기 거품순환수단(260)이 작동되어 거품을 제거하므로 거품층(S)의 수위(L2)가 상승하는 것을 막고, 반면에 상기 제2거품측정센서가 감지되면 내부가스순환수단(240)의 작동이 정지되고, 유기산 발효조(200) 내부에 설치된 살수거품제거수단(280)이 작동하여 거품의 일부를 제거하여 거품층의 수위(L2)를 낮추고, 만일 이것으로도 부족할 경우에는 거품배출수단(270)을 작동시켜 거품의 일부를 유기산 발효조(200) 외부로 배출한다.
이와 같이, 자체발열 유기산 발효조(200)의 상부에 소정 두께의 거품층(S)을 유지하는 것을 특징으로 하며, 거품층의 단열효과는 유기산 발효조(200)의 온도가 내려가는 것을 방지하나 거품층(S)이 너무 두터우면 공기의 유동을 방해하여 호기상태의 유지가 어려우므로 그 두께를 적절히 조절할 필요가 있다.
또한, 자체발열 유기산 발효조(200)에서 발생하는 내부가스를 외부로 배출하기 않고 순환시킴으로써 열 손실을 방지하며, 이를 위해서 본 발명의 유기산 발효조(200)는 밀폐구조로 이루어진다.
자체발열 유기산 발효조(200)의 유입수를 유입수순환수단(220)에 의해 연속적으로 순환시키고 외부의 신선한 공기를 압축하여 주입함으로써 유입수에 포함된 호기성 미생물을 활성화하고 호기성 미생물의 호흡열을 이용하여 외부 가열 없이 유기산 발효조(200)의 내부 온도를 유지한다.
이를 위해서, 상기 유입수순환수단(220)은 유기산 발효조(200)의 유입수를 강제로 흡입하여 압송하기 위한 유입수순환관(221)과, 이 유입수순환관(221)상에 설치된 유입수순환펌프(222)로 이루어지며, 상기 유입수순환관(221)에는 외부공기 를 주입하기 위한 제1공기주입수단(230)이 연결된다.
상기 제1공기주입수단(230)은 유입수순환관(221) 상에 설치된 제1벤츄리관(231)과, 상기 제1벤츄리관(231)의 하류에 설치된 가압탱크(232)로 이루어지며, 상기 제1벤츄리관(231)은 상기 유입수순환펌프(222)에 근접하게 설치되고, 제1벤츄리관(231)의 저압부에는 외부 공기가 흡입되는 공기흡입관(233)이 연결된다.
상기 가압탱크(232)는 밀폐된 탱크로 하부에는 상기 제1벤츄리관(231)을 통해서 유입수와 공기가 유입되고 상부에는 공기가 포함된 유입수가 배출된다.
그리고 상기 내부가스순환수단(240)은 호기성 소화조(210)의 내부가스를 호기성 소화조(210) 하부로 순환시키기 위한 내부가스순환관(241)과, 상기 내부가스순환관(241) 상에 설치된 내부가스제어밸브(242)로 이루어지며, 상기 내부가스순환수단(240)에는 외부공기를 주입하기 위한 제2공기주입수단(250)이 연결된다.
제2공기주입수단(250)은 내부가스순환관(241)에 연결되는 제2벤츄리관(253)과 제2벤츄리관(253)에 외부공기를 주입하는 송풍기(252)로 이루어지며, 상기 제2벤츄리관(253)의 저압부에는 유기산 발효조(200)와 연결된 내부가스순환관(241)이 연결된다.
따라서, 상기 송풍기(252)가 작동하거나 후술하는 2류 노즐이 작동하여 제2벤츄리관(253)을 통과하는 공기의 흐름이 빨라지는 경우에는 내부가스순환관(241)을 통해서 내부가스가 흡입되어 들어오게 된다.
상기 거품순환수단(260)은 유기산 발효조(200)의 상부에 연결된 거품순환관(261)과 거품순환관(261) 상에 설치되어 거품의 배출을 제어하는 거품제어밸브(262)로 이루어지며, 거품순환관(261)의 일단은 상기 제1벤츄리관(231)의 저압부에 연결된다.
따라서, 상기 유입수순환펌프(222)가 작동하여 유입수가 빠른 속도로 제1벤츄리관(231)을 통과하면 거품순환관(261)의 내부에 진공이 형성되어 유기산 발효조(200) 내부의 거품을 흡입하게 된다.
그리고 상기 공기흡입관(233)과 상기 거품순환관(261)에는 유입수순환관(221)으로 주입되는 공기량을 조절하기 위한 제어밸브가 설치되며, 공기흡입관(233)에 설치된 공기흡입제어밸브(234)는 흡입되는 공기량을 조절하는데 예를 들어 유기산 발효조(200)의 미생물 활성화가 활발하여 온도가 올라가고 거품이 과도하게 발생하면 공기흡입량을 줄이기 위해서 공기흡입제어밸브(234)를 닫는다.
상기 거품순환관(261)에 설치된 거품순환제어밸브(264)는 순환되는 거품의 양을 조절하고 공기가 역류하는 것을 방지한다.
즉, 유기산 발효조(200) 내에 거품이 과도하게 발생한 경우에는 공기흡입제어밸브(234)를 닫고 거품순환제어밸브(264)를 개방하여 거품을 제거함과 아울러 산소공급을 차단하고, 반면에 거품발생이 적고 유기산 발효조(200)의 온도가 낮은 경 우에는 거품순환제어밸브(264)를 닫고 공기흡입제어밸브(234)를 개방하여 많은 양의 공기가 유기산 발효조(200)로 공급되도록 한다.
상기 제1벤츄리관(231)을 통해 유입수에 주입된 공기(또는 거품)는 유입수와 함께 가압탱크(232)로 주입되며, 가압탱크(232)는 가압탱크 내부의 유입수를 배출하기 위한 배출구가 설치되며, 이 배출구는 유입수순환관(221)이 연결되고, 유입수순환관(221)에는 가압수제어밸브(235)가 설치되며 상기 가압수제어밸브(235)는 가압탱크 내부의 압력을 측정하는 압력계(239)와 연결되어 가압수의 배출량을 조절한다.
상기 가압탱크(232)는 유입수순환펌프(222)에 의해 가압된 유입수가 유입되는 반면에 상기 가압수제어밸브(235)에 의해 가압수의 배출량이 제한되어 있으므로 가압탱크(232)의 내부는 항상 대기압 이상의 고압으로 가압된다.
이와 같이, 고압 상태의 가압탱크(232)로 공기와 거품이 유입되면 공기는 유입수 속에 용해되고 거품은 고압으로 부서지게 되고, 가압탱크(232) 내의 가압수는 상기 가압수제어밸브(235)와 유입수순환관(221)을 통해 유기산 발효조(200)의 하부로 주입된다.
이를 위해 상기 유입수순환관(221)의 단부는 유기산 발효조(200)의 하부로 연결되며, 유입수순환관(221)에서 분출되는 고압의 유입수는 저압 상태의 유기산 발효조(200)에서 다량의 미세기포를 발생하게 된다.
그리고 유입수 속으로 분출된 미세기포는 유입수와 혼합되고 산소를 확산시킴으로써 호기성 미생물을 활성화하며, 특히 고압상태의 유입수에 용해되어 공기가 상대적으로 저압 상태인 유기산 발효조(200)에서 다량의 기포를 생성시킴으로써 단순히 벤츄리관이나 인젝터를 사용하여 공기를 주입하던 종래 기술에 비해서 기체의 확산 효율이 향상된다.
또한, 순환되는 유입수에 포함된 거품에는 다량의 호기성 미생물이 포함되어 있고, 이 호기성 미생물이 가압탱크(232)와 유입수순환관(221)을 통해 순환하고, 유기산 발효조(200)에서 분출되는 과정에서 서로 혼합되기 때문에 미생물의 활성이 더욱 활발하게 되는 효과가 있다.
한편, 유기산 발효조(200) 내부로 주입된 공기의 일부와 호기성 미생물의 호흡에 의해 발생하는 이산화탄소 등 내부가스는 수면(L1)과 거품층(S)을 통과하여 유기산 발효조(200)의 상부로 이동하며, 이때 내부가스는 상당량의 열에너지가 있다.
따라서, 내부가스를 그대로 방출하면 유기산 발효조(200)의 온도가 떨어지고 소실된 열에너지를 보충하여야 하기 때문에 별도의 가열장치를 설치하여야 하나, 본 발명은 내부가스를 배출하지 않고 순환시킴으로써 열에너지의 손실을 방지하므로 유기산 발효조(200)는 별도의 가열장치가 필요하지 않다.
이를 위해서 상기 내부가스순환수단(240)은 내부가스를 유기산 발효조(200)의 하부로 순환하기 위한 내부가스순환관(241)과 상기 내부가스순환관(241) 상에 설치된 내부가스제어밸브(242)로 이루어진다.
즉, 유기산 발효조(200)가 저온 상태인 경우에는 내부가스제어밸브(242)를 개방하여 내부가스가 연속적으로 순환되며, 이와 같이 내부가스를 방출하기 않고 순환시킴으로써 외부로 악취가 새나가는 것을 방지하고 호기성 미생물을 이용해서 악취물질을 제거할 수 있다.
반면에 유기산 발효조(200)가 고온 상태인 경우에는 내부가스제어밸브(242)를 폐쇄하고 상기 거품제거수단(270)의 펌프(272)를 작동시켜 내부가스를 외부로 배출시킴으로써 유기산 발효조(200)의 온도를 낮춘다.
이때, 상기 거품제거수단(270)의 거품방출관(271)에는 내부가스와 함께 배출되는 열에너지를 회수하기 위한 별도의 열교환기가 설치될 수 있으며, 상기 거품제거수단(270)의 거품방출관(271) 상에는 내부가스에 포함된 악취물질을 제거하기 위한 악취제거장치도 구비될 수 있고, 거품방출관(271)을 통해 이송된 거품은 살수장치를 통해서 거품을 제거한다.
그리고 상기 내부가스순환관(241)은 제2벤츄리관(253)에 연결되며, 제2공기주입수단(250)의 송풍기(252)가 작동하는 경우, 제2벤츄리관(253)의 흡입작용에 의해서 내부가스를 흡입될 수 있다.
즉, 유기산 발효조(200)가 저온 상태인 경우에는 많은 양의 산소를 필요로 하기 때문에 제1공기주입수단(230)은 물론 상기 제2공기주입수단(350)을 통해서 신선한 공기를 동시에 주입함으로써 호기성 미생물의 활성을 촉진할 수 있다.
이때, 상기 내부가스는 외부 공기를 가열하여 유기산 발효조(200)가 냉각되는 것을 방지하며, 제2공기주입수단(250)을 통해 주입되는 공기는 유기산 발효조(200) 내부의 유입수를 교반시키는 역할을 한다.
즉, 제2공기주입수단(250)은 유입수를 순환하고 가압하는 제1공기주입수단과 달리 단순히 공기만을 주입하기 때문에 주로 교반기능을 가지므로 본 발명은 유기산 발효조(200) 내부에 별도의 회전날개를 설치하지 않고 공기를 주입하여 유입수를 교반한다.
유기산 발효조(200)의 하부에 유입수순환관(221)과 내부가스순환관(241)을 설치하며 이때, 유입수순환관(221)과 내부가스순환관(241)은 각각 별개로 설치될 수도 있으나, 2류 노즐(290)을 이용하여 유입수순환관(221)과 내부가스순환관(241)을 동일 수직축 상에 설치한다.
상기 2류 노즐(290)은 유입수순환관(221)이 연결되는 외부관(292)와, 내부가스순환관(241)이 연결되는 내부관(291)으로 구성되며, 상기 내부관(291)과 외부관(292)은 동일 축상에 수직으로 설치되고, 상기 외부관(292)와 내부관(291) 사이에는 환상의 공간(294)이 형성된다.
그리고 상기 외부관(292)의 단부에는 직경이 점차 축소되는 노즐부(296)가 구비되며, 상기 내부관(291)의 선단은 상기 노즐부(296)를 관통하여 외부로 노출되도록 설치된다.
따라서, 유입수순환펌프(222)과 가압탱크(232)에 의해서 가압된 유입수가 외부관(292)의 노즐부(296)를 통해서 유기산 발효조(200)의 내부로 토출되면 노즐부(296)의 선단에 저압부가 형성되며, 이 저압부의 부압에 의해 내부관(291)에 있는 내부가스가 강제로 흡입된다.
이러한 2류 노즐(290)을 이용할 경우 상기한 송풍기(252)를 사용하지 않고도 외부공기와 내부가스를 흡입하여 유기산 발효조(200)로 공급할 수 있다.
또한, 상기 2류 노즐(290)은 순환유입수가 유기산 발효조(200)의 내부로 분출될 때, 내부관(291)을 통해 흡입되는 내부가스나 공기와 혼합되어 미세기포를 형성함에 따라 순환유입수와 내부가스를 각각 별도로 주입하는 경우보다 산소확산 효율이 향상되고 노즐부(296)을 통해 분출되는 유입수에 의해서 교반효율도 향상된다.
이와 같이, 자체발열 유기산 발효조(200)는 유입수순환수단(220)과 제1공기주입수단(230)을 이용하여 유입수에 공기를 주입하고 가압하여 순환시킴으로써 별도의 발열수단 없이도 유기산 발효조(200)를 고온상태로 유지할 수 있다.
또한, 내부가스순환수단(240) 및 제2공기주입수단(250)을 이용하여 내부가스의 열에너지를 이용하여 외부공기를 가열함으로써, 공기를 이용하여 교반 할 때 유기산 발효조(200)의 온도가 떨어지는 것을 방지할 수 있으며 유입수순환수단(220)과 거품순환수단(260)을 이용하여 유기산 발효조(200) 내부의 거품 층의 두께를 조절하고, 거품을 순환시켜 호기성 미생물을 활성화할 수 있다.
상기 유기산 발효조(200)에 투입된 미생물의 호흡에 의해 발생하는 이산화탄소 등의 내부가스는 유기산 발효조(200) 내부의 저장된 저장액의 수면과 거품 층을 통과하여 유기산 발효조(200) 상부로 이동하는데 이때, 내부가스는 상당량의 열에너지를 보유하고 있어 내부가스를 그대로 방출하면 유기산 발효조(200) 내부 온도가 떨어지고 소실된 열에너지를 보충해야하므로 별도의 가열장치를 설치해야 한다.
그러나 본 발명에 따른 액상 음식물 폐기물 처리시스템에서는 내부가스를 배출하지 않고 순환시킴으로써 열에너지의 손실을 방지할 수 있어 유기산 발효조(200) 내부에 별도의 가열장치가 필요 없으며, 이때 발생하는 열은 회수장치를 통해 회수하여 미생물 발효에 적합온도를 유지하기 위해 사용하는 등 재활용할 수 있다.
상기 유기산 발효조(200)에 유입되는 폐기물은 도 5에 도시된 바와 같이 전처리 과정을 거치면서 유분이 분리된 상태로 유입된다.
즉, 가압탱크(101)에서 생성된 미세 기포를 유분분리용 가압부상조(100) 하 부에 설치된 산기관(102)으로 유입시키면 미세 기포는 유분분리용 가압부상조(100) 내부에 존재하는 유분을 흡착하여 유분분리용 가압부상조(100) 상부로 부상시키고, 부상된 유분은 유수분리장치인 스키머(SKIMMER)에 의해 별도의 유분저장조에 저장된 다음 정제시설로 옮겨져 회수된다.
이와 같이 유분분리용 가압부상조(100)에서 유분이 분리되는 과정을 거치므로 유기산 발효조(200)에는 유분이 분리된 상태의 유기성 폐기물만 유입되며, 유분을 회수하지 않을 경우 처리과정에 악영향을 미칠 뿐 아니라 2차 오염 등 여러 가지 부작용을 일으키므로 회수하여 재활용하는 것이 바람직하다.
상기 메탄 발효조(400)는, 유기산 발효조(200)를 거친 폐기물이 유입되며 메탄 발효조(400)의 발효과정에서 발생하는 바이오가스는 회수장치에 의해 회수하여 재활용하고, 바이오가스가 회수된 상태의 폐기물만을 2차 고온 호기성 소화조(600)로 보낸다.
한편, 상기 유기산 발효조 및 2차 고온 호기성 소화조에서 발생한 열은 메탄 발효조(400)의 메탄 발효 열로 사용한다.
상기 2차 호기성 소화조(600)는, 상기 유기산 발효조(200) 및 메탄 발효조(600)를 거친 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해한다.
상기 2차 고온 호기성 소화조(600)에는, 집진기를 설치하여 분해과정 중 2차 고온 호기성 소화조(600) 내에서 발생하는 휘발성유기화합물(VOC) 및 휘발성지방산(VFA)을 제거할 수 있도록 하고, 2차 고온 호기성 소화조(600)의 운전조건은 온도 45℃~70℃, 공기주입, 용액의 수소 이온농도(PH) 7~8, D.O농도 0.2ppm 이상의 조건을 유지한다.
상기 유기산 발효조(200) 및 2차 고온 호기성 소화조(600)는 스컴 소포조(800)와 연결설치되며, 이 스컴 소포조(800)는 2차 고온 호기성 소화조(600)로부터 유입된 폐기물에서 거품을 제거한 다음 2차 고온 호기성 소화조(600)로 재공급한다.
또한, 2차 고온 호기성 소화조(600)를 거친 폐기물은 응집반응조와 가압부상조를 거쳐 퇴비화 처리되고, 나머지 탈리액은 가압부상조와 유량조정조 및 방류조를 거쳐 수질을 안정화한 다음 하수연계처리된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 처리 공정도를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 액상 음식물 폐기물 처리방법은 다음과 같은 일련의 순차적 공정으로 이루어진다.
본 발명에 따른 액상 음식물 폐기물 처리방법은, 중, 고온 미생물을 이용하여 유기물을 빠르게 분해하고 유기산 발효가 일어나는 유기산 발효공정과, 유기산 발효공정을 거친 폐기물에서 바이오가스를 회수하는 메탄 발효공정과, 메탄 발효공정을 거친 폐기물을 고온 호기성 미생물로 분해하는 2차 고온 호기성 소화공정으로 구성되어, 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬러지도 동시에 병합처리 할 수 있다.
(1) 유기산 발효공정
외부로부터 열에너지 공급 없이 자기 스스로 반응하는 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 온도를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하고, 이때 발생하는 발효 부산물을 회수장치로 회수하는 공정으로서, 유기산 발효공정에서는 유기산 발효가 일어나며 이때 발효의 진행 속도와 유기산의 생산 수율을 높이기 위해서는 45℃~70℃의 중온 이상의 높은 온도 유지와 알코올 및 유기물질을 유기산으로 산화할 수 있는 산소농도(좁은 산화환원전위(酸化還元電位, ORP, oxidation-reduction potential)편차를 유지)를 유지해야 한다.
유기산 발효공정에서 유기산 발효조(200)의 구조는 자기 발열 시스템과 자동 ORP 유지 시스템을 갖추고 있어 기존의 유기산 발효와 메탄 발효 시스템보다 발효속도가 빠르고 생산 수율이 높으며 안정된 운전이 가능하다.
유기산 발효공정은, 자체발열이 가능하도록 유기산 발효조(200)의 유입수순환펌프(222)에서 유기산 발효조(200) 내부의 물을 흡수하여 순환하는 과정에서 제1벤츄리관(231)을 통하여 흡입된 공기와 유기산 발효조(200) 내부의 미반응된 산소를 유기산 발효조(200) 내부에 유입하여 온도 상승 및 분해를 촉진한다.
이러한 유기산 발효공정의 자체발열을 이용하여 온수(가온액)를 데운 다음 이 온수를 2차 고온 호기성 소화조(600)로 순환시켜 미생물 발효에 필요한 열로 재활용하거나 폐열회수장치로 회수하여 재활용할 수 있다.
유기산 발효공정의 전 단계에서 폐기물에서 유분이 분리되기 때문에 유기산 발효공정에는 유분이 분리된 폐기물이 투입된다.
즉, 가압탱크(101)에서 생성된 미세 기포를 유분분리용 가압부상조(100) 하부에 설치된 산기관으로 유입시키면 유입된 미세 기포는 유분분리용 가압부상조(100) 내부에 존재하는 유분을 흡착하여 유분분리용 가압부상조(100) 상부로 부상시키고, 부상된 유분은 유수분리장치인 스키머(SKIMMER)에 의해 별도의 유분저장조에 저장되며 정체시설로 옮겨진다.
이와 같이 폐기물은 유분분리용 가압부상조(100)를 거치면서 유분이 분리된 상태로 유기산 발효공정으로 투입된다.
대략 음식물 폐액에는 유분이 최대 5％ 정도 함유되어 있으며, 이러한 유분은 공정진행에 악영향을 미칠 뿐 아니라 2차 오염 등 여러 가지 부작용을 일으킬 수 있으나, 본 발명에 따른 액상 음식물 폐기물 처리방법에서는 유분을 회수하여 재활용한다.
(2) 메탄 발효공정
유기산 발효공정을 거친 폐기물에서 발생하는 바이오가스는 회수장치로 회수하고 나머지 폐기물을 2차 호기성 소화공정을 보내는 공정으로서, 바이오가스(BIO GAS)의 회수시스템은 바이오가스(BIOGAS) 생산에 최적화된 공법으로 2단 혐기 반응조인 산 발효조와 메탄 발효조 대신에 고온 호기성 소화(ATAD)와 혐기조로 구성되며, 바이오가스(BIOGAS)의 성분비는 CH4 약 60~70％, CO2 약 25~35％, H2S 약 5％ 이며 탈황설비를 거쳐 재이용된다.
메탄가스 생성 메커니즘(mechanism)은, 도 7에 도시된 바와 같이 초산 발효공정에서 발생된 물질이 아세트산 발효를 거쳐 약 76％는 저급 지방산으로 변하고, 이중 52％는 다시 아세트산으로 변하며, 약 24％는 수소가스로 날아가고, 나머지 약 20％는 아세트산으로 변하는 공정이며 호기성 조건에서 공정이 진행된다.
한편, 상기 유기산 발효공정 및 2차 고온 호기성 소화공정에서 발생한 열은 메탄 발효공정의 메탄 발효 열로 사용한다.
(3) 2차 고온 호기성 소화공정
유기산 발효공정 및 메탄 발효공정을 거치면서 분자량이 작은 유기산으로 분해된 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해하는 공정이다.
2차 고온 호기성 소화공정에서 2차 고온 호기성 소화조(600)에는, 집진기를 설치하여 분해과정 중 2차 고온 호기성 소화조(600) 내에서 발생하는 휘발성유기화합물(VOC) 및 휘발성지방산(VFA)을 제거할 수 있도록 하고, 2차 고온 호기성 소화조(600)의 운전조건은 온도 45℃~70℃, 공기주입, 용액의 수소 이온농도(PH) 7~8, D.O농도 0.2ppm 이상의 조건을 유지하는 것이 바람직하다.
2차 고온 호기성 소화공정을 거친 폐기물은, 응집반응조와 및 가압부상조를 거쳐 퇴비처리되고, 나머지 가압부상조의 탈리액은 유량저장조와, 방류조를 거쳐 수질을 안정화한 다음 하수연계처리된다.
그리고 2차 고온 호기성 소화공정은 스컴 소포공정과 연계하여 스컴 소포공정에서 폐기물의 거품을 교반 제거하여 2차 고온 호기성 소화공정으로 재투입된다.
2차 고온 호기성 소화공정을 거친 폐기물은 응집반응조와 가압부상조를 거쳐 퇴비처리되고, 나머지 가압부상조에 남은 탈리액은 유량조정조 및 방류조를 거쳐 수질을 안정화한 다음 하수연계처리된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 액상 음식물 폐기물 처리방법에 적용하는, 고온호기성소화(ATAD, Autothermal Thermophlic Aerobic Digestion) 방법은 외부로부터 열에너지 공급 없이 자기 스스로 반응하는 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하는 것으로서, 이때 반응열, 바이오가스(BIO GAS), 발효 부산물이 발생되며 이는 각각의 회수장치에 의해 회수되며 재활용되며, 슬러지 감량화 및 질소 제거에 탁월하다.
또한, 고온호기성소화의 원리는, 자기 스스로 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 온도를 유지하며 유기물 분자의 화학적 에너지는 높은 상태로 미생물에 합성되기도 하지만 대부분 화학적 에너지는 열로써 주변에 방출되며, 혐기성 소화에 비해 유기물 부하 및 독성물질에 대하여 안전하고 질산화 공정을 거치지 않기 때문에 낮은 질소농도를 유지하는데 이때 질소는 NH4 상태에서 탈기되며, 높은 유기물 부하가 처리효율을 향상시키는데 최대 유기물부하가 10％ 이하이다.
본 발명에 따른 액상 음식물 폐기물 처리방법의 고온호기성소화(ATAD)에 의한 슬러지 감량화는 도 8과 같이 이루어지며 슬러지 감량화 원리는 2차 고온 호기성 소화조(600) 내의 고농도 유기성 슬러지는 고온호기성 미생물의 대사 과정에서 나오는 가수분해 효소에 의해 가수분해되어 작은 분자 형태로 전환되며 가수 분해가 된 용해성 유기물질은 산소에 의해 산화되어 CO2, H2O를 형성한다.
유기물 분해시 생성된 에너지는 미생물을 증식시키기도 하지만 대부분 산소와 같이 외부로 방출되는데 이러한 열과 산소를 다시 포집하여 2차 고온 호기성 소화조(600) 내부로 투입하여 연속 공정이 이루어진다.
또한, 외부로부터 유기물질이 공급되지 않으면 미생물 자체적으로 내호흡을 통하여 유기물을 산화시키며, 이러한 합성과 발열 반응 및 내호흡 과정을 통해 슬러지의 질량의 감소되며 열 에너지가 발생한다.
한편, 본 발명의 고온호기성소화(ATAD)에 의한 슬러지 감량화 총괄 반응식은,
“ 미생물↓
유기성 슬러지 + O2 → 분산물 + CO2 + H2O + NH4 ↑ + energy
↑ 영양물질 ”
와 같으며,
미생물의 호기성 대사 과정은,
“C6H12O6 + O2 + NH3 → CO2 + 4H2O + C5H7O2N + energy”
와 같고,
또한, 내호흡 과정은,
“C5H7O2N + 5O2 → 5CO2 + 2H2 + NH3 ↑ + energy”
와 같다.
본 발명의 고온호기성소화(ATAD)에 의한 질소제거는 도 9와 같이 이루어진다.
그리고 질소제거의 원리는, 고온호기성소화(ATAD) 방법은 소화조 내부의 높은 온도와 상승된 PH 때문에 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)이 일어나기 때문에 질소 제거의 효과가 탁월하다.
암모니아 스트리핑은, 용존 되어 있는 NH4 + 암모늄이온(ammonium ion)이 PH와 온도 조건에 따라 NH3(ammonia)로 전환되어 가스 상태로 탈기되는 현상을 말하며, 이때는 PH, 온도, 공기 주입량의 세가지 요소가 중요하다.
NH3 + H2O → NH4 + OH - (PH가 낮을 경우)
NH4 + → NH3 ↑ + H + (PH가 높을 경우)
또한, 질산화(nitrification)는, NH4 + 가 autotrophic 미생물에 의해 NH2OH를 거쳐 NO2-로 산화되고 산화된 NO2-는 nitro-bacter에 의해 NO3-로 산화되는 과정을 말한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액상 음식물 폐기물 처리시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유기산 발효조의 개략도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유기산 발효조의 세부구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도 3의 2류 노즐의 확대도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유분분리용 가압부상조의 확대도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 처리과정도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 메탄가스 생성 메카니즘.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 슬러지 감량화의 개략도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 질소제거의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100:유분분리용 가압부장조 101:가압탱크
102:산기관 103:스키머
104:유분 저장조 200:유기산 발효조
400:메탄 발효조 600:2차 고온 호기성 소화조
800:스컴 소포조

Claims (9)

  1. 외부로부터 열에너지 공급 없이 자기 스스로 반응하는 중,고온성 미생물의 활동에 적합한 온도 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하는 유기산 발효가 일어나며, 발효과정에서 발생하는 발효 부산물을 회수장치로 회수할 수 있도록 하는 유기산 발효조와; 상기 유기산 발효조를 거친 폐기물이 유입되어 발효되면서 발효과정 중 발생하는 바이오가스를 회수장치로 회수하는 메탄 발효조와; 상기 메탄 발효조를 거친 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해하는 2차 고온 호기성 소화조를; 포함하여 구성되며, 상기 유기산 발효조는 자체발열이 가능하도록, 유입수순환펌프, 유입수순환관, 제1벤츄리관 및 가압탱크를 이용하여 순환유입수에 공기를 주입하고 가압하여 유기산 발효조 내부로 유입시킴으로써 유기산 발효조 내부의 온도 상승 및 분해를 촉진하거나, 또는 내부가스순환관, 송풍기 및 제2벤츄리관을 이용하여 내부가스의 열에너지로 외부공기를 가열함으로써 유기산 발효조의 온도가 떨어지는 것을 방지하며, 상기 2차 고온 호기성 소화조를 거친 폐기물은 응집반응조 및 가압부상조를 거쳐 퇴비처리되고 나머지 가압부상조를 거친 탈리액은 유량저장조와 방류조를 거쳐 수질을 안정화한 다음 하수연계처리함으로써, 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬러지도 동시에 병합처리 할 수 있도록 함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기산 발효조 및 2차 고온 호기성 소화조에서 발생한 열은 메탄 발효조의 메탄 발효 열로 사용함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 고온 호기성 소화조는 스컴 소포조와 연결설치되며, 상기 스컴소포조는 2차 고온 호기성 소화조에서 유입된 폐기물에서 거품을 제거한 다음 2차 고온 호기성 소화조로 재공급함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리시스템.
  6. 외부로부터 열에너지 공급 없이 자기 스스로 반응하는 중,고온성 미생물의 활동에 적합한 온도 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 발효, 분해하고, 발효 과정에서 발생하는 발효 부산물을 회수장치로 회수하는 유기산 발효공정과; 상기 유기산 발효공정을 거친 폐기물에서 발생하는 바이오가스를 회수장치로 회수하고 나머지 폐기물을 2차 호기성 소화공정으로 보내는 메탄 발효공정과; 상기 유기산 발효공정 및 메탄 발효공정을 거친 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해하는 2차 고온 호기성 소화공정을 포함하여 구성되며, 상기 유기산 발효공정은 자체발열이 가능하도록, 유입수순환펌프, 유입수순환관, 제1벤츄리관 및 가압탱크를 이용하여 순환유입수에 공기를 주입하고 가압하여 유기산 발효조 내부로 유입시킴으로써 유기산 발효조 내부의 온도 상승 및 분해를 촉진하거나, 또는 내부가스순환관, 송풍기 및 제2벤츄리관을 이용하여 내부가스의 열에너지로 외부공기를 가열함으로써 유기산 발효조의 온도가 떨어지는 것을 방지하며, 상기 2차 고온 호기성 소화공정을 거친 폐기물은 응집반응공정과 가압부상공정을 거쳐 퇴비처리되고, 상기 가압부상공정을 거친 나머지 탈리액은 유량조정공정 및 방류공정을 거쳐 수질을 안정화한 다음 하수연계처리함으로써, 액상 음식물 폐기물의 단독 처리는 물론 하수 슬러지도 동시에 병합처리할 수 있도록 함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리방법
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 유기산 발효공정 및 2차 고온 호기성 소화공정에서 발생한 열은 메탄 발효공정의 메탄 발효 열로 사용함을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리방법
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 2차 고온 호기성 소화공정과 연계하여 2차 고온 호기성 소화공정에서 발생하는 거품을 제거하는 스컴 소포공정이 더 포함됨을 특징으로 하는 액상 음식물 폐기물 처리방법.
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