KR100962215B1 - 폐수 및 폐기물의 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐수 및 폐기물의 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혐기성 미생물을 이용하여 고농도의 유기물 폐수나 고형 폐기물을 완전히 분해시킴으로써 슬러지 발생량을 최소화하고, 메탄 등의 유용한 가스를 생성시키는 폐수 및 폐기물의 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 폐수 및 폐기물의 처리방법을 이용하면 혐기소화에 이용되는 모든 폐기물을 전처리 대상으로 하지 않으므로, 처리 장치비나 운전비를 절감 할 수 있을 뿐만 아니라, 단상 혐기 소화조 또는 제1 가수분해/산 생성 반응기에서 가수분해되지 않은 고형물을 별도의 반응기에서 가수분해시킨 후, 메탄 생성에 이용하므로, 메탄 생성 수율을 증가시킬 수 있다.
폐수, 폐기물, 처리방법, 메탄, 혐기성 미생물

Description

폐수 및 폐기물의 처리방법 {Method for Treating Waste Water and Waste Materials}
본 발명은 폐수 및 폐기물의 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혐기성 미생물을 이용하여 고농도의 유기물 폐수나 고형 폐기물을 완전히 분해시킴으로써 슬러지 발생량을 최소화하고, 메탄 등의 유용한 가스를 생성시키는 폐수 및 폐기물의 처리방법에 관한 것이다.
산업화가 진행되면서 다량의 액상 및 고형물로 된 오염물질을 배출하게 되었고, 이들은 토양과 하천 및 지하수를 심각하게 오염시키게 되었다. 이러한 액상 및 고형 폐기물 중에서 유기물 함량이 높은 슬러지나 음식물 쓰레기 등은 해양투기나 소각, 매립 등으로 처리하였으나 국제협약이나 처리기준이 변경되었고, 처리 비용 또한 막대하므로, 새로운 처리방법이 필요한 실정이다.
이와 같은 문제점을 해결하는 수단으로 오염물질을 혐기성 소화시키는 방법을 많이 이용하고 있으나, 약 20∼30일이나 소요되는 장기간의 체류시간과 적정한 온도(중온: 37℃ 전후, 고온: 50~60℃)를 유지하기 위한 가열에 많은 에너지가 필 요하게 됨으로써 실효성에 문제점이 있었다.
혐기성 소화란 산소가 전혀 없는 혐기성 조건에서 활동하는 미생물에 의해 분해 가능한 유기물이 메탄과 이산화탄소로 안정화되는 것을 말하며, 여기에 관여하는 미생물은 통성 혐기성 미생물과 메탄생성 박테리아와 같은 편성 혐기성균이다. 이러한 혐기소화는 공기나 산소의 유입이 제한되는 소화조(반응기)에서 진행된다.
초기의 혐기성 반응기는 단순한 콘크리트 탱크로서 슬러리 상태의 고형물을 60일 이상 넣어두고 혐기성 분해가 가능하도록 유지하였으나, 점차적으로 유기 고형물의 분해속도를 빨리하기 위해 소화조 내부의 온도를 35℃로 유지하며, 일정한 속도의 기계적 교반을 통해 소화조내의 유기물 분포를 일정하게 유지시키는 방법을 도입하였다. 그 결과, 처리시간(수리학적 체류시간 기준) 20일 정도에 처리가 가능하게 되었다.
혐기성 분해 단계는 우선 가수분해(hydrolysis)에 의해 입자성 물질이 용존 화합물로 전환된 후, 산 생성(acidogenesis) 미생물이 기질로 이용하는 간단한 단량체(monomer)를 만드는 과정을 말한다. 일반적으로 생슬러지의 경우 단순 유기물이 많은 부분을 차지하고 있으나, 잉여슬러지의 경우 폐수처리 중 발생된 잉여미생물이 주 구성원이고 이들은 세포벽에 의해 보호되고 있어 가수분해가 잘 되지 않아 혐기성 소화 공정의 율속단계가 된다.
산 생성 단계는 가수분해 단계에서 분해된 각종 유기성 기질이 전자공여체 및 전자수용체로서의 역할을 수행하게 되며, 주요 생성물은 아세트산, 수소, 이산 화탄소이며, 프로피온산(propionate)와 부틸산(butyrate)이 중간 대사산물로 생성되나 최종적으로 이산화탄소 및 수소 등으로 전환된다. 이들은 메탄 생성을 위한 전구물질들이다. 일반적으로 정상상태인 반응조 유출수의 휘발성 지방산 농도는 0.1~0.3 g/ℓ 정도로 매우 낮고, 유기물 부하율 변동이나 반응조가 최대부하 가까이에서 운전될 때 휘발산의 농도가 높게 나타난다.
메탄 생성(methanogenesis)에 관여하는 메탄 생성균은 산소에 대한 내성이 낮아 특히 취급이 어렵다. 이들은 매우 다양한 형태학적 특징을 가지고 있으나 그 생화학적 및 생리학적 특징이 서로 유사하여 하나의 그룹으로 분류되고 있다. 메탄 생성균은 이용하는 기질에 따라 크게 두 가지 그룹으로 분류될 수 있다. 첫째는 아세트산을 메탄과 이산화탄소로 분리하며 메탄을 만드는 그룹(acetoclastic methanogens)이며, 두 번째 그룹은 수소와 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 얻는 메탄 생성균이 있으며 이들 기질을 동시에 사용될 수 있는 균들도 존재하는 것으로 알려져 있다. 이런 혐기소화 공정은 고농도의 유기성 폐수나 폐기물 처리에 20일 이상의 운전 시간을 요구하며, 일반적으로 고형물의 가수분해 단계가 율속단계로 알려져 있어 혐기성 소화 공정의 성능 향상을 위해서는 가수분해 속도를 향상시키는 것이 필요하며 이에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다.
모든 혐기성 반응이 한 반응기에서 일어나는 일반적인 단상 혐기성 소화에서 메탄생성을 위한 소화조 내의 적정 pH 범위는 약 6.7∼7.4로 알려져 있으며, 운전 초기에는 산성을 유지하다가 안정되면 중성의 pH를 나타나게 된다.
한편, 도 1에 나타난 바와 같이, 산 생성과 메탄 생성이 분리되어 별도의 반 응기에서 진행되는 2상 혐기소화조의 경우에는 적정 pH에 차이가 있다. 1단계 산 생성 단계에서는 pH 4.5∼6.0 사이에서 유기산의 발생량이 최대가 되고, 메탄 생성인 2상계에서는 pH 7.0∼8.0 사이에서 메탄가스의 발생량이 최대가 된다. 따라서 2상 소화에서는 각 소화단계별 적정 pH를 유지시킬 경우, 산 생성과 메탄 생성이 촉진되어 총괄 체류시간이 단상소화에 비해 1/3 정도로 줄어들고, 혐기 소화조의 부피도 1/3으로 감소되어 투자비와 운전비를 감소시킬 수 있다. 그러나 2상 혐기소화조를 이용한다 하더라도 고형물이 다량 함유된 폐수나 폐기물을 처리할 경우 가수분해 및 산 생성속도가 느려지며, 용해되지 못한 고형물은 메탄 생성 반응기로 가지 못하고 제1반응기에서 제거된다. 그 결과, 최종 슬러지 양이 증가하고 메탄 발생량이 감소하는 문제가 발생된다. 즉, 가수분해 및 산 생성 반응기에서 가수분해 되지 않은 고형물은 반응기에 축적되어 반응기의 유효부피를 줄이게 되어 수리학적 체류시간이 줄어들어 처리효과가 떨어지게 된다. 따라서 가수분해 및 산 생성 반응기에서 가수분해 되지 않은 고형물을 주기적으로 제거해주어야 하며, 그렇게 함으로서 고형물 평균체류시간이 짧아지게 되어 메탄 생성균은 이 반응기에서 wash out 되게 되어 자연적으로 상 분리(phase separation)가 일어나게 된다. 이렇게 제거된 비용해성 고형물은 메탄 생성 반응기에서 기질로 이용될 수 없으며 따라서 메탄생산량을 낮추게 되고 또한 고형물 발생량도 증가하게 되어 전체적으로 혐기처리 효과가 저하되게 된다.
보다 효율적인 폐기물 또는 폐수 처리를 위하여, 미국등록 특허 제5,707,417호에서는 혐기성 소화(anaerobic digestion) 단계가 뒤따르는 열적 가수 분해를 포 함하는 쓰레기 처리를 위한 방법을 개시하였으나, 에너지 측면에서 효율적이지 못하고, 가용화 또는 잔류 고체상으로부터 액체의 제거를 최대화하지 못하였고, 미국등록 특허 제5,888,307호에서는 하수 슬러지(sewage sludge)를 함유하는 유기 폐기물을 가용화하기 위하여 연속적으로 작동되는 4개의 증기 반응기로 구성된 연속적 다단계 시스템을 개시하였으나, 가수분해 과정에서 에너지 사용을 최적화지 못하였다. 또한 미국등록 특허 제5,525,229호에서는 하수 슬러지, 도시 쓰레기 등 오물 및 유기 물질들의 혐기성 소화를 위한 장치 및 방법을 개시하였으나, 세균성 가수분해 단계는 충분한 용해와 잔류 고형물량을 최소화하기 위한 고형물 탈수화 가능성을 제공하지는 못하였기에, 처분되어야할 고형 폐기물의 양을 최소화하는 데는 충분히 효과적이지 못한 문제점이 있었다.
앞서 살펴본 바와 같이 종래에는 폐기물의 전처리를 통한 가용화로 혐기소화 속도를 증진시키고 있으나, 이는 혐기소화에 이용되는 모든 폐기물을 전처리 대상으로 하고 있기에, 전처리 양이 많아 처리 장치비나 운전비가 많이 드는 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 혐기소화 이전의 전처리를 수행하지 않고, 가수분해 및 산 생성 반응기에서 용해되지 않은 고형물을 분리하여 별도의 반응기에서 가수분해하여 용해된 상등액은 메탄 생성 반응기로 보내고, 침전된 고형물을 최종적으로 제거시킬 경우, (a) 고율 혐기소화가 가능하여 유기물 분해와 메탄 생성속도가 빨라지고, (b) 가수분해 및 산 생성 반응기에서 가수분해되지 않은 고형물을 별도의 반응기에서 가수분해하여 메탄 생성조로 주입하므로 메탄 생성 수율이 높아지고, (c) 유입 고형물의 메탄 전환율이 증가하여 최종 고형물(슬러지) 발생량이 감소하며, (d) 가수분해 및 산 생성 반응기에서 가수분해되지 않은 고형물만을 별도의 반응기에서 가수분해하므로 전체 유입되는 것을 전처리하는 방법에 비해 가수분해 반응기의 크기가 줄어들어 투자비와 운전비를 절감할 수 있다는 사실을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 유기물이 다량 함유된 폐수나 폐기물을 효율적으로 처리함으로써, 다량의 메탄 등의 에너지를 생산하는 폐수 및 폐기물의 처리방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 가수분해, 산 생성 및 메탄 생성이 일어나는 단상 혐기 소화조에 폐수 및 폐기물을 공급하고, 혐기 발효시키는 것을 포함하는 폐수 및 폐기물의 처리방법에 있어서, (a) 상기 단상 혐기 소화조에서 가용화되지 않은 고형물을 분리하여, 가수분해/산 생성 반응기로 이송시킨 다음, 이송된 고형물을 재처리하는 단계; 및 (b) 상기 재처리를 통해 생성된 용해액을 상기 단상 혐기 소화조로 이송시켜 추가로 혐기 발효시키고, 혐기 발효를 통하여 생성된 메탄을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 및 폐기물의 처리방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 가수분해 및 산 생성이 일어나는 제1 가수분해/산 생성 반응기에 폐수 및 폐기물을 공급하고, 혐기 발효시키는 것을 포함하는 폐수 및 폐기물의 처리방법에 있어서, (a) 상기 제1 가수분해/산 생성 반응기에서 가용화되지 않은 고형물을 분리하고, 제2 가수분해/산 생성 반응기로 이송시킨 다음, 이송된 고형물을 재처리하는 단계; 및 (b) 상기 재처리를 통하여 생성된 용해액을 메탄 생성 반응기로 이송시켜 추가로 혐기 발효시키고, 혐기 발효를 통하여 생성된 메탄을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 및 폐기물의 처리방법을 제공한다.
본 발명에 따른 폐수 및 폐기물의 처리방법을 이용하면 혐기소화에 이용되는 모든 폐기물을 전처리 대상으로 하지 않으므로, 처리 장치비나 운전비를 절감 할 수 있을 뿐만 아니라, 단상 혐기 소화조 또는 제1 가수분해/산 생성 반응기에서 가수분해되지 않은 고형물을 별도의 반응기에서 가수분해시킨 후, 메탄 생성에 이용하므로, 메탄 생성 수율을 증가시킬 수 있다.
본 발명에서는 유기물이 다량 함유된 폐수나 폐기물을 혐기적으로 소화시키 는데 있어서, 전처리를 수행하지 않고 혐기소화를 수행한 후, 소화되지 않은 고형물을 분리하여 별도의 반응기에서 가수분해하여 용해된 상등액은 메탄 생성 반응기로 이송시키고, 침전된 고형물을 최종적으로 제거시킬 경우, 전처리를 위한 장치비, 운전비를 절감할 수 있고, 메탄 생성 수율을 증가시킬 것으로 예측하였다.
본 발명에서는, 유기물이 다량 함유된 폐수나 폐기물을 혐기적으로 처리하기 위한 가수분해, 산 생성 및 메탄 생성이 일어나는 단상 혐기 소화조 및 상기 단상 혐기 소화조에서 가용화되지 않은 고형물을 재처리하는 가수분해/산 생성 반응기를 포함하는 폐수 및 폐기물 처리장치를 이용하여 하수처리장에서 발생하는 슬러지를 처리하였다. 그 결과 유입 유기물의 COD 제거율, 고형물의 가수분해 효율, 메탄 생성능 등이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서, 가수분해, 산 생성 및 메탄 생성이 일어나는 단상 혐기 소화조에 폐수 및 폐기물을 공급하고, 혐기 발효시키는 것을 포함하는 폐수 및 폐기물의 처리방법에 있어서, (a) 상기 단상 혐기 소화조에서 가용화되지 않은 고형물을 분리하여, 가수분해/산 생성 반응기로 이송시킨 다음, 이송된 고형물을 재처리하는 단계; 및 (b) 상기 재처리를 통해 생성된 용해액을 상기 단상 혐기 소화조로 이송시켜 추가로 혐기 발효시키고, 혐기 발효를 통하여 생성된 메탄을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 및 폐기물의 처리방법에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 및 폐기물의 처리방법을 수행하는 단상 처리장치의 구성 예시도이다.
상기 폐수 및 폐기물 처리장치(100)는 단상 혐기 소화조(15)에 폐수 및 폐기물을 공급하는 공급수단(12), 가수분해, 산 생성 및 메탄 생성이 일어나는 단상 혐기 소화조(15), 상기 단상 혐기 소화조에서 가용화되지 않은 고형물을 재처리하는 가수분해/산 생성 반응기(25) 및 상기 재처리로 생성된 용해액을 상기 단상 혐기 소화조로 이송시키기 위한 용해액 이송수단(22)을 포함한다.
상기 공급수단(12)은 통상적으로 사용되는 배관을 예시할 수 있고, 상기 배관은 펌프 등에 의한 압력이 가해져 폐수 및 폐기물이 이송될 수 있다.
상기 단상 혐기 소화조(15)는 폐수 및 폐기물 상의 유기물을 혐기성 미생물을 이용하여 혐기소화시킴으로써 가수분해, 산 생성, 메탄 생성이 한 반응기에서 발생되는 장치이다. 상기 단상 혐기 소화조(15)는 특별한 제한없이, 통상의 장치를 이용할 수 있으며, 상기 혐기성 미생물은 혐기조건에서 유기물을 가수분해시킬 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 이용할 수 있으며, 산 생성(acidogenesis) 미생물, 메탄 생성(methanogenesis) 미생물 등을 예시할 수 있다. 상기 단상 혐기소화조(15)에서 가수분해/산 생성 반응기(25)로 유입되는 고형물의 양은 단상 혐기소화조(15)로 유입되는 폐수나 폐기물 흐름에 대한 가수분해 속도에 따라 적절한 비율로 조절될 수 있다.
상기 가수분해/산 생성 반응기(25)는 상기 단상 혐기 소화조(15)에서 가용화 되지 않은 고형물을 재처리하기 위한 것으로서, 상기 재처리는 열적 처리, 물리적 처리, 화학적 처리 및 생물학적 처리로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 처리되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서, 상기 재처리는 열적 처리, 물리적 처리, 화학적 처리 및 생물학적 처리는 고형물의 종류에 따라 선택적으로 단독 또는 복합적으로 수행할 수 있다.
상기 열적 처리는 폐수 및 폐기물을 가열하는 것이고, 상기 물리적 처리는 고형물을 분쇄 또는 절단하거나 초음파를 가하는 것을 예시할 수 있다.
상기 화학적 처리는 알카리 또는 산을 폐수 및 폐기물에 처리하는 것으로서, 알카리로는 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 등을 예시할 수 있으며, 산으로는 아세트산, 붕산, 탄산, 염산, 황산, 질산, 인산 등을 예시할 수 있다.
상기 생물학적 처리는 곰팡이 또는 박테리아를 직접 폐수 및 폐기물에 처리하거나, 곰팡이 유래의 효소 또는 박테리아 유래의 효소를 폐수 및 폐기물에 처리하는 것으로서, 알카라인 발효(alkaline fermentation) 등을 예시할 수 있다.
상기 가수분해/산 생성 반응기(25)에서 재처리되어 생성된 용해액은 상기 단상 혐기 소화조(15)로 이송되는 것을 특징으로 한다. 상기 용해액 이송수단(22)은 상기 재처리로 생성된 용해액을 상기 단상 혐기 소화조로 이송시키기 위한 것으로서, 통상적으로 사용되는 배관을 예시할 수 있고, 상기 배관은 펌프 등에 의한 압력이 가해져 용해액을 이송시킬 수 있다. 단상 혐기 소화조(15)로 이송된 용해액은 메탄생성 미생물의 혐기소화에 의하여 메탄으로 변환될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 단상 혐기 소화조(15) 또는 가수분해/산 생성 반응기(25)에서의 고형물은 각각의 장치 내부 또는 외부에 별도로 설치된 고액분리 장치를 통하여 분리될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 처리장치를 이용한 폐수 및 폐기물 의 처리방법을 나타낸 순서도이다. 도 3에 따라 본 발명에 따른 폐수 및 폐기물의 처리방법을 살펴보면, 먼저 가수분해, 산 생성 및 메탄 생성이 일어나는 단상 혐기 소화조에 폐수 및 폐기물을 공급하고, 혐기 발효시킨다(S110). 혐기 발효 후, 단상 혐기 소화조에서 가용화되지 않은 고형물을 분리하고, 고형물을 가수분해/산 생성 반응기로 이송시킨 다음 가수분해/산 생성 반응기로 이송된 고형물을 재처리시킨다(S120). 끝으로 재처리를 통하여 생성된 용해액을 다시 단상 혐기 소화조로 이송시킨 후, 용해액, 폐수 및 폐기물을 함유하는 단상 혐기 소화조에서 혐기 발효를 수행하고, 이때 생성된 메탄을 회수한다(S130).
한편, 단상(single phase)이 아닌 2상(two phase) 폐수 및 폐기물 처리장치를 이용하는 경우에도, 전처리를 수행하지 않고 혐기소화를 수행한 후, 소화되지 않은 고형물을 분리하여 별도의 반응기에서 가수분해하여 용해된 상등액은 메탄 생성 반응기로 이송시키고, 침전된 고형물을 최종적으로 제거시킬 경우에도 전처리를 위한 장치비, 운전비를 절감할 수 있고, 메탄 생성 수율을 더욱 증가시킬 것으로 예측하였다.
본 발명에서는, 유기물이 다량 함유된 폐수나 폐기물을 혐기적으로 처리하기 위한 제1 가수분해/산 생성 반응기; 상기 제1 가수분해/산 생성 반응기에서 가용화되지 않은 고형물을 재처리하는 제 2 가수분해/산 생성 반응기; 및 메탄 생성 반응기를 포함하는 폐수 및 폐기물 처리장치를 이용하여 하수처리장에서 발생하는 슬러지를 처리하였다. 그 결과 유입 유기물의 COD 제거율, 고형물의 가수분해 효율, 메 탄 생성능 등이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 다른 관점에서, 가수분해 및 산 생성이 일어나는 제1 가수분해/산 생성 반응기에 폐수 및 폐기물을 공급하고, 혐기 발효시키는 것을 포함하는 폐수 및 폐기물의 처리방법에 있어서, (a) 상기 제1 가수분해/산 생성 반응기에서 가용화되지 않은 고형물을 분리하고, 제2 가수분해/산 생성 반응기로 이송시킨 다음, 이송된 고형물을 재처리하는 단계; 및 (b) 상기 재처리를 통하여 생성된 용해액을 메탄 생성 반응기로 이송시켜 추가로 혐기 발효시키고, 혐기 발효를 통하여 생성된 메탄을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 및 폐기물의 처리방법에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐수 및 폐기물의 처리방법을 수행하는 2상 처리장치의 구성 예시도이다.
상기 폐수 및 폐기물 처리장치(200)는 제1 가수분해/산 생성 반응기에 폐수 및 폐기물을 공급하는 공급수단(12), 가수분해 및 산 생성이 일어나는 제1 가수분해/산 생성 반응기(10), 상기 제1 가수분해/산 생성 반응기에서 가용화되지 않은 고형물을 재처리하는 제2 가수분해/산 생성 반응기(20), 상기 재처리로 생성된 용해액을 메탄 생성 반응기 또는 제1 가수분해/산 생성 반응기로 이송시키기 위한 용해액 이송수단(23), 및 상기 메탄 생성 반응기 또는 제1 가수분해/산 생성 반응기로부터 이송된 용해액을 혐기발효하여 메탄을 생성하는 메탄 생성 반응기(30)를 포함한다.
상기 2상 폐수 및 폐기물 처리장치는 가수분해와 산 생성이 메탄 생성과 분 리된 별도의 반응기에서 진행되는 장치를 의미한다. 통상적으로 2상 폐수 및 폐기물 처리장치를 이용하면 고율혐기소화 (high rate anaerobic digestion)가 가능하기에, 처리 속도가 빨라 유기물 부하가 높고 메탄 생성속도가 높은 특징이 있다.
본 발명에 있어서, 제1 가수분해/산 생성 반응기에 폐수 및 폐기물을 공급하는 공급수단(12) 및 상기 재처리로 생성된 용해액을 메탄 생성 반응기 또는 제1 가수분해/산 생성 반응기로 이송시키기 위한 용해액 이송수단(23)은 통상적으로 사용되는 배관을 예시할 수 있고, 상기 배관은 펌프 등에 의한 압력이 가해져 폐수, 폐기물 또는 용해액을 이송시킬 수 있다.
상기 제1 가수분해/산 생성 반응기(10) 또는 상기 제2 가수분해/산 생성 반응기(20)에서 가수분해로 생성된 용해액은 상기 제1 가수분해/산 생성 반응기(10) 또는 메탄 생성 반응기(30)로 이송될 수 있다. 상기 용해액의 제1 가수분해/산 생성 반응기(10) 또는 메탄 생성 반응기(30)로의 유입 방향이나 유입 비율은 혐기소화 운전 조건과 목표에 따라 조절이 가능하다.
상기 제2 가수분해/산 생성 반응기(20)에서의 재처리는 앞서 기재한 바와 같이 열적 처리, 물리적 처리, 화학적 처리 및 생물학적 처리로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 처리되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 가수분해/산 생성 반응기(10) 또는 상기 제2 가수분해/산 생성 반응기(20)에서의 고형물 분리는 각각의 장치 내부 또는 외부에 별도로 설치된 고액분리 장치를 통하여 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2상 처리장치를 이용한 폐수 및 폐기 물의 처리방법을 나타낸 순서도이다. 도 5에 따라 본 발명에 따른 폐수 및 폐기물의 처리방법을 살펴보면, 먼저 가수분해 및 산 생성이 일어나는 제1 가수분해/산 생성 반응기에 폐수 및 폐기물을 공급하고, 혐기 발효시킨다(S210). 혐기 발효 후, 제1 가수분해/산 생성 반응기에서 가용화되지 않은 고형물을 분리하고, 고형물을 제2 가수분해/산 생성 반응기로 이송시킨 다음, 제2 가수분해/산 생성 반응기로 이송된 고형물을 재처리시킨다(S220). 재처리에서도 가용화되지 않은 고형물은 별도로 분리되어 폐기되며, 재처리를 통하여 생성된 용해액을 메탄 생성 반응기로 이송시킨후, 용해액을 함유하는 메탄 생성 반응기에서 혐기 발효시키고, 이때 생성된 메탄을 회수한다(S230). 메탄 생성 반응기에서는 제1 가수분해/산 생성 반응기 및 제2 가수분해/산 생성 반응기에서 이송된 용해액을 대상으로 혐기발효시켜 메탄, 이산화탄소 등의 기체를 생성시킨다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
비교예 1: 통상의 2상 폐수 및 폐기물 처리장치를 이용한 처리
통상적으로 사용되는 2상 혐기소화장치를 이용하여 하수처리장에서 발생하는 슬러지를 처리하였다. 사용된 슬러지는 생 슬러지와 잉여 슬러지가 혼합되어 농축된 것으로서 농축 혼합 슬러지의 성분을 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
항 목 농도 (mg/L)
COD
(Chemical Oxigen
Demand)		 Total 58,000
Soluble 1,900
SS
(Suspended Solids)		 Total 36,000
Volatile 30,500
Carbohydrate Total 3000
Soluble 300
Protein Total 18,000
Soluble 630
pH 6.7
농축혼합슬러지는 중온(35~37℃) 조건에서 처리되었으며, 가수분해/산 생성 반응기(부피 20ℓ)에서의 체류시간은 3일, 메탄 생성 반응기(부피 80ℓ)에서의 체류시간은 12일이었다. 운전이 완료된 후, 처리된 농축혼합슬러지에 대한 COD 제거율, 휘발성 고형물, 고형물 감량율, 가스 생산량, 메탄 함량 등을 확인하고 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 1: 2상 폐수 및 폐기물 처리장치를 이용한 처리
본 발명에 따른 2상 폐수 및 폐기물 처리장치를 이용하여 표 1의 농축 혼합 슬러지를 처리하였다.
농축혼합슬러지는 중온(35~37℃) 조건에서 처리되었으며, 제1 가수분해/산 생성 반응기(부피 20ℓ)에서의 체류시간은 3일, 제2 가수분해/산 생성 반응기에서의 체류시간은 30분, 메탄 생성 반응기(부피 80ℓ)에서의 체류시간은 12일이었다. 제2 가수분해/산 생성 반응기(부피 0.14ℓ)에서는 초음파 장치(0.2 kW/L)로 30분간 처리하였으며, 용해액은 메탄 생성 반응기로 이송하였다. 운전이 완료된 후, 처리된 농축혼합슬러지에 대한 COD 제거율, 휘발성 고형물, 고형물 감량율, 가스 생산량, 메탄 함량 등을 확인하고 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
비교예 1 실시예 1
COD 제거율(%) 52.2% 58.5%
휘발성 고형물(%) 49.8% 45.6%
고형물 감량율(%) 38% 41%
가스생산량(L/kg 건조고형물) 830 910
메탄 함량(%) 56% 59%
표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 폐수 및 폐기물 처리장치는 비교예 1의 폐수 및 폐기물 처리장치에 비하여 유입 유기물의 COD 제거율이나 가스 생산량 측면에서 높은 효율을 가지는 것을 확인하였다. 이는 고형물을 가수분해 효율이 높아져서 나타난 것으로 사료된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 및 폐기물 2상 처리장치와 종래의 2상 혐기성 소화장치에서 메탄 생성 반응기 체류시간에 따른 COD 제거율 비교를 나타낸 그래프이다.
도 6에 따르면, 체류시간 4일이 지나면서 실시예 1과 비교예 1의 폐수 및 폐기물 처리장치의 COD 제거율이 20% 정도 차이가 나고, 실시예 1의 폐수 및 폐기물 처리장치의 경우 8일 경에는 약 76%의 COD를 제거시키는 것을 알 수 있었다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 폐수 및 폐기물 처리장치에서의 혐기소화 15 일 후 발생된 가스 발생량을 나타낸 그래프이다 .
도 7에 따르면, 투입된 휘발성 고형물(VS: volatile solids) 기준으로 실시예 1의 폐수 및 폐기물 처리장치와 비교예 1의 폐수 및 폐기물 처리장치에서는 각각 0.626 및 0.487 m3/투입된 kg VS가 발생하였으며, 분해된 휘발성 고형물 기준으로 실시예 1의 폐수 및 폐기물 처리장치와 비교예 1의 폐수 및 폐기물 처리장치에서는 각각 1.15 및 0.97 m3/분해된 kg VS가 발생되었음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명의 폐수 및 폐기물 처리장치는 COD 분해 뿐 아니라 가스 발생량 측면에서도 종래 폐수 및 폐기물 처리장치에 비하여 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
도 1은 종래의 2상 혐기성 소화장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 및 폐기물의 처리방법을 수행하는 단상 처리장치의 구성 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 처리장치를 이용한 폐수 및 폐기물의 처리방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐수 및 폐기물의 처리방법을 수행하는 2상 처리장치의 구성 예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2상 처리장치를 이용한 폐수 및 폐기물의 처리방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 및 폐기물 2상 처리장치와 종래의 2상 혐기성 소화장치에서 메탄 생성 반응기 체류시간에 따른 COD 제거율 비교를 나타낸 그래프이다 (▲: 본 발명의 폐수 및 폐기물 2상 처리장치, □: 종래의 2상 혐기성 소화장치).
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 폐수 및 폐기물 처리장치에서의 혐기소화 15일 후 발생된 가스 발생량을 나타낸 그래프이다 (■: 가스발생량 (m3/투입된 kg VS), □: 가스발생량 (m3/분해된 kg VS).
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 제1 가수분해/산 생성 반응기 12: 폐수 및 폐기물 공급수단
15: 단상 혐기 소화조
20: 제2 가수분해/산 생성 반응기 22, 23: 용해액 이송수단
25: 가수분해/산 생성 반응기
30: 메탄 생성 반응기

Claims (4)

  1. 가수분해, 산 생성 및 메탄 생성이 일어나는 단상 혐기 소화조에 폐수 및 폐기물을 공급하고, 혐기 발효시키는 것을 포함하는 폐수 및 폐기물의 처리방법에 있어서,
    (a) 상기 단상 혐기 소화조에서 가용화되지 않은 고형물을 분리하여, 가수분해/산 생성 반응기로 이송시킨 다음, 이송된 고형물을 재처리하는 단계; 및
    (b) 상기 재처리를 통해 생성된 용해액을 상기 단상 혐기 소화조로 이송시켜 추가로 혐기 발효시키고, 혐기 발효를 통하여 생성된 메탄을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 및 폐기물의 처리방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가수분해/산 생성 반응기에서의 재처리는 열적 처리, 물리적 처리, 화학적 처리 및 생물학적 처리로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
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