KR100969501B1 - 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템 및 운전방법 - Google Patents

Abstract

이를 위해, 유기성 폐기물을 분해하여 소화가스를 생산하는 혐기성 반응기(110, 120)와, 혐기성 반응기(110, 120)로부터 배출된 소화액을 임시 저장하는 완충조(200)와, 완충조(200)와 연결된 제1 소화액 유입라인(L22)과, 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비된 가압펌프(300)와, 일단이 제1 소화액 유입라인(L22)과 연결되고 가압펌프(300)가 가동됨에 따라 소화액이 소정의 압력으로 주입되어 농축액과 여과수로 고액분리되는 분리막 장치(400)와, 분리막 장치(400)의 타단과 연결되어 농축액을 혐기성 반응기(110, 120)로 반송시키는 제1 농축액 반송라인(L32)을 포함하는 막결합형 혐기성 소화조에 있어서, 분리막 장치(400)에 소화액의 주입방향을 소정의 시간마다 역전시키는 주입방향 전환수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템이 제공된다.

Description

막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템 및 운전방법{Filtration system and operating method for a membrane-coupled anaerobic digester}

본 발명은 혐기성 소화공정에 막여과(membrane filtration) 기술이 접목된 막결합형 혐기성 소화조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 여과막의 여과효율 및 수명이 대폭 증대되어 혐기성 소화공정의 비용절감 및 효율 향상을 이룰 수 있는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템 및 운전방법에 관한 것이다.

일반적으로 혐기성 소화(Anaerobic digestion)는 혐기성 소화 미생물을 이용하여 축산폐수, 하수슬러지와 같은 유기성 폐기물을 처리하는 것을 말한다. 일명 "메탄발효"라고도 하는 혐기성 소화는 유기성 폐기물을 화학적으로 분해하여 안정화시킴과 동시에 메탄과 같은 소화가스(바이오가스)를 생산하여 에너지로 회수하는 것을 주된 목적으로 한다.

혐기성 소화공정은 통상적으로 전처리공정, 산발효공정, 메탄발효공정, 가스포집 및 정제공정 등으로 이루어진다. 이와 같은 혐기성 소화공정에 있어서 연구 및 기술개발은 주로 유기성 폐기물의 분해효율을 증대시킴으로써 처리기간을 단축하고, 에너지 회수율을 향상시키는데 촛점이 맞추어져 왔다.

한편, 본 출원인은 종래의 혐기성 소화기술에 막여과 기술을 접목한 막결합형 혐기성 소화조를 개발하였고, 대한민국 등록특허 제0841089호(발명의 명칭 : 막결합형 혐기성 소화조를 이용한 소화가스 생산장치 및 방법)로 개시되어 있다.

이하, 도 1을 참조하여 종래기술에 따른 막결합형 혐기성 소화조에 대하여 설명하기로 한다. 종래기술에 따른 막결합형 혐기성 소화조는 도 1에 도시된 바와 같이 크게 유기물을 분해하여 소화가스를 생산하는 혐기성 반응기(30)와, 혐기성 반응기(30)에서 배출되는 소화액(유기성 폐기물과 소화 미생물의 혼합액으로 어느 정도 소화가 이루어진 것)을 임시 저장하는 완충조(50)와, 가압펌프(63)에 의해 완충조(50) 내의 소화액이 주입되어 농축액과 여과수로 고액분리하는 분리막 장치(70)로 구성된다. 그리고, 혐기성 반응기(30)에서 생성된 소화가스는 소화가스 배출관(43)을 통해 배출되고, 분리막 장치(70)에서 분리된 농축액은 농축액 반송관(47)을 통해 혐기성 반응기(30)로 반송되며 여과수는 여과수 배출관(74)를 통해 외부로 배출되는 구조를 갖는다.

이와 같은 구성을 갖는 종래기술에 따른 막결합형 혐기성 소화조는 분리막 장치(70)의 여과막에서 탈수된 농축액을 반응기(30)로 반송하여 반응기(30) 내의 소화 미생물의 농도를 증대할 수 있다. 이로 인해 유기성 폐기물의 분해효율을 향상시키고 소화가스의 생산효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

그리고, 반응기(30)에서 생성되는 소화가스를 반송관(82)을 통해 혐기성 반응기(30)로 반송시켜 반응기(30) 내의 혼합액을 교반함으로써 분해효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

그러나, 종래기술에 따른 막결합형 혐기성 소화조는 다음과 문제점을 갖고 있다.

도 2는 종래기술에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 문제점을 설명하기 위한 관상형 여과막의 개략적인 단면도이다. 종래기술에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 분리막 장치(70)는 도 2에 도시된 바와 같이 원통 형상의 단순한 구조로 설치, 유지 및 보수가 용이한 관상형(tubular type) 여과막(72)이 주로 사용된다. 관상형 여과막(72)은 도 2의 실선으로 표시된 화살표 방향으로 소화액이 가압 주입되고, 소화액에 포함된 물이 여과막(72)에 형성된 미세공극을 통해 방사상으로 투과하여 여과수로 배출된다(점선으로 표시된 화살표 방향).

한편, 관상형 여과막(72)의 막면(72a)에는 시간이 지남에 따라 오염물질(75)이 쌓이게 된다. 이때, 관상형 여과막(72)은 소화액의 주입이 일방향으로 이루어지기 때문에 도 2에 도시된 바와 같이 소화액의 주입측으로 갈수록 막오염이 심화된다. 즉, 관상형 여과막(72)은 소화액의 주입측에 적층되는 오염물질(75)에 의해 소화액의 주입유량이 갈수록 저하되고, 막면(72a)이 폐색됨에 따라 여과수의 유량 이 줄어들어 고농도의 농축액을 얻을 수 없는 문제점이 있다. 이는 여과막(72)의 수명이 급격하게 단축되는 것을 의미하고, 고가의 관상형 여과막(72)을 자주 교체하게 되어 과도한 비용발생을 유발시킨다. 또한, 여과막(72)의 교체시 농축액의 반송이 중단되어 혐기성 소화공정의 효율저하를 가져온다.

이와 같은 문제점으로 인해 종래기술에 따른 막결합형 혐기성 소화조는 도 1에 도시된 바와 같이 세정관(92)을 통해 분리막 장치(70)에 소화가스를 주입함으로써 여과막(72)이 오염되는 것을 어느 정도 저감할 수 있지만, 이와 같은 구조의 세정수단은 세정효율이 크게 떨어져서 여과막(72)의 수명을 향상시키는데 한계가 있다.

본 발명의 목적은 여과막의 수명을 대폭 증진시켜 교체비용을 최소화할 수 있고, 혐기성 소화공정의 효율화를 이룰 수 있는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템 및 운전방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 분리막 장치를 효율적으로 세정하여 여과막의 수명을 더욱 향상시킬 수 있는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템 및 운전방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은,

유기성 폐기물을 분해하여 소화가스를 생산하는 혐기성 반응기(110, 120)와, 혐기성 반응기(110, 120)로부터 배출된 소화액을 임시 저장하는 완충조(200)와, 완충조(200)와 연결된 제1 소화액 유입라인(L22)과, 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비된 가압펌프(300)와, 일단이 제1 소화액 유입라인(L22)과 연결되고 가압펌프(300)가 가동됨에 따라 소화액이 소정의 압력으로 주입되어 농축액과 여과수로 고액분리되는 분리막 장치(400)와, 분리막 장치(400)의 타단과 연결되어 농축액을 혐기성 반응기(110, 120)로 반송시키는 제1 농축액 반송라인(L32)을 포함하는 막결합형 혐기성 소화조에 있어서,

분리막 장치(400)에 소화액의 주입방향을 소정의 시간마다 역전시키는 주입방향 전환수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템에 의하여 달성될 수 있다.

그리고, 분리막 장치(400)는 프레임(410); 여과수의 배출을 위한 배출공(423)이 형성된 케이싱(422)과, 케이싱(422)에 내장된 다수의 관상형 여과막(424)으로 이루어져 프레임(410)에 설치된 1개 이상의 막여과 모듈(420); 1개 이상의 막여과 모듈(420)의 일단에 형성되고, 제1 소화액 유입라인(L22)과 연결된 제1 헤더(432); 및 1개 이상의 막여과 모듈(420)의 타단에 형성되고, 제1 농축액 배출라인(L32)과 연결된 제2 헤더(434);를 포함한다. 이때, 관상형 여과막은 한외여과막인 것이 바람직하다.

그리고, 분리막 장치(400)로부터 배출되는 여과수를 임시 저장하는 방류조(500)가 더 구비된다.

그리고, 주입방향 전환수단은 제1 소화액 유입라인(L22)에서 분기되어 분리막 장치(400)의 타단과 연결된 제2 소화액 유입라인(L24)과, 분리막 장치(400)의 일단과 제1 농축액 반송라인(L32)을 연결하는 제2 농축액 반송라인(L34)과, 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비된 제1 주입밸브(V1)와, 제1 농축액 반송라인(L32)에 구비된 제1 배출밸브(V2)와, 제2 소화액 유입라인(L24)에 구비된 제2 주입밸브(V3)와, 제2 농축액 반송라인(L34)에 구비된 제2 배출밸브(V4)와, 가압펌프(400)와 제1 및 제2 주입밸브(V1, V3)와 제1 및 제2 배출밸브(V2, V4)를 제어하는 제어부로 구성된다.

또한, 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비되어 소화액의 주입유량을 측정하는 제1 유량계(F1)와, 제1 농축액 배출라인(L32)에 구비되어 농축액의 배출유량을 측정하는 제2 유량계(F2)가 더 구비된다. 아울러, 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비되어 소화액의 주입압력을 측정하는 제1 압력계(P1)와, 제1 농축액 배출라인(L32)에 구비되어 농축액의 배출압력을 측정하는 제2 압력계(P2)가 더 구비될 수 있다. 그리고, 막여과 모듈(420)에서 배출되는 상기 여과수의 배출유량을 측정하는 제3 유량계(F3)가 더 구비될 수 있다.

그리고, 분리막 장치(400)를 역세척하는 세정수단(500)이 더 구비되고, 그리고 제1 및 제2 유량계(F1, F2)에서 각각 측정된 유량값에 기초하여 제어부가 유량차를 도출하고, 유량차가 소정의 기준치보다 작은 경우에 세정수단(500)이 가동되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 세정수단(600)은 제2 소화액 유입라인(L24)과 연결된 세정수 공급라인(L40)과, 세정수 공급라인(L40)에 연결된 물탱크(610)와, 물탱크(610)에 저장된 세정수를 세정수 공급라인(L40)으로 가압 이송하는 역세펌프(620)를 포함하여 구성된다. 이때, 세정수 공급라인(L40)에 세정약품을 첨가하는 약품탱크(630)가 더 구비될 수 있다. 그리고, 세정수 공급라인(L40)에 압축공기를 공급하는 공기압축기(640)가 더 구비될 수 있다.

또한, 제1 농축액 반송라인(L32)에 설치되어 역세척시 폐쇄되는 제5 밸브(V5)와, 제5 밸브(V5)가 폐쇄됨에 따라 세정액이 유입되도록 상기 제1 농축액 반송라인(L32)에서 분기되고, 원수 저장조(101) 또는 약품탱크(630)와 연결된 세정액 반송라인(L50)이 더 구비된다.

그리고, 완충조(200)는 소화액에 포함된 협잡물을 걸러내는 메쉬망(210)과, 임시 저장된 소화액을 교반시키는 교반장치(220)와, 가압펌프(300)와 연동되는 수위측정장치(230)가 구비된다.

한편, 다른 카테고리로서 상기와 같은 본 발명의 목적은,

혐기성 반응기(110, 120)에서 미생물을 이용하여 유기성 폐기물을 분해하는 혐기성 소화단계(S100); 혐기성 반응기(110, 120)에서 배출된 소화액을 완충조(200)에서 임시 저장하는 소화액 저장단계(S200); 가압펌프(300)에 의해 완충조(200)에 저장된 소화액이 관상형 여과막(424)에 주입되어 농축액과 여과수로 분리되고, 소화액의 주입방향을 소정의 시간마다 역전시키는 고액분리단계(S300); 및 분리된 농축액을 혐기성 반응기(110, 120)로 반송하는 농축액 반송단계(S400);를 포함하는 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법에 의해서도 달성될 수 있다.

그리고, 고액분리단계(S300)는 관상형 여과막(424)의 양단에 걸린 유량차 또는 압력차를 측정하여 소정의 기준치와 비교하는 단계를 더 포함하고, 그리고 비교단계는 유량차 또는 압력차가 기준치보다 작은 경우 고액분리단계(S300) 및 농축액 반송단계(S400)를 멈추고, 관상형 여과막(424)을 소정시간 동안 역세척하는 세정단계가 더 포함된다.

또한, 세정단계는 역세펌프(620)를 가동하여 물탱크(610)에 저장된 세정수를 관상형 여과막(424)에 가압 주입하여 물세정하는 단계와, 물세정 단계의 세정주기가 소정의 기준치보다 작아지는 경우 세정수에 약품을 첨가하여 약품세정하는 단계로 이루어진다. 이때, 물세정 단계 또는 약품세정 단계 중 세정수에 압축공기가 주입될 수도 있다. 그리고, 물세정에 의해 생성된 세정액을 원수 저장조(101)로 반송하는 단계와, 약품세정에 의해 생성된 세정액을 약품탱크(630)로 반송하는 단계를 더 포함된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템 및 운전방법은 분리막 장치에 주입되는 소화액의 주입방향을 전환함으로써 관상형 여과막의 막오염을 대폭 늦출 수 있고, 이로 인해 여과막의 수명이 대폭 증진되는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 물세정, 약품세정을 통해 분리막 장치를 효율적으로 세정함으로써 여과막의 수명을 더욱 증진시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 혐기성 소화조의 여과시스템 및 운전방법은 고가의 여과막을 자주 교체함에 따라 발생하는 비용발생을 최소화할 수 있으며 혐기성 공정의 효율저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

도 1은 종래기술에 따른 막결합형 혐기성 소화조를 나타내는 구성도.
도 2는 종래기술에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 문제점을 설명하기 위한 관상형 여과막의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 여과시스템을 구비한 막결합형 혐기성 소화조를 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 막여과 모듈의 개략적인 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법을 나타내는 개략적인 흐름도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용한다.

[본 발명의 구성]

먼저, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템에 관한 구성을 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 여과시스템을 구비한 막결합형 혐기성 소화조를 나타내는 구성도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 여과시스템을 구비한 막결합형 혐기성 소화조는 크게 혐기성 반응기(110, 120), 완충조(200), 제1 소화액 유입라인(L22), 가압펌프(300), 분리막 장치(400), 주입방향 전환수단, 제1 농축액 반송라인(L32), 방류조(500) 및 세정수단(600)을 포함하여 구성된다.

혐기성 반응기(110, 120)는 축산폐수, 분뇨, 음식물 쓰레기, 하수슬러지 등의 유기성 폐기물을 혐기성 소화 미생물을 이용하여 분해하고, 메탄가스와 같은 소화가스(바이오가스)를 생산하게 된다. 본 실시예에 의하면 혐기성 반응기(110, 120)는 도 3에 도시된 바와 같이 유기물을 가수분해 및 산발효시키는 산발효조(110)와, 메탄발효 시키는 메탄발효조(120)로 이루어진 2상식 소화조이다. 이와 달리, 산발효조(110)가 생략된 단상식 소화조가 적용될 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 혐기성 소화조는 도 3에서와 같이 유기성 폐기물이 저장되는 원수 저장조(101)와, 이송펌프(102)에 의해 원수 저장조(101)로부터 이송된 유기성 폐기물의 유동성을 향상시키기 위한 전처리장치(103)가 구비된다. 그리고, 메탄발효조(120)는 소화가스의 배출을 위한 소화가스 배출라인(L1)과, 소화액(유기성 폐기물과 소화 미생물의 혼합액으로 어느 정도 소화가 이루어진 것)의 배출을 위한 소화액 배출라인(L10)이 연결되어 있다.

완충조(200)는 메탄발효조(120)로부터 배출된 소화액을 임시 저장하는 역할을 한다. 완충조(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 메쉬망(210), 교반장치(220) 및 수위측정장치(230)가 구비된다. 메쉬망(210)은 소화액에 포함된 협잡물을 걸러내고, 교반장치(220)는 저장된 소화액을 교반하여 유동성을 향상시키는 역할을 한다. 그리고, 수위측정장치(230)는 소화액의 수위를 측정하여 소정량 이상의 소화액이 저장된 경우에 후술될 가압펌프(300)가 구동될 수 있도록 구성되어 있다.

제1 소화액 유입라인(L22)은 완충조(200)와 분리막 장치(400)를 연결하고, 소화액의 이동통로가 된다. 그리고, 제1 소화액 유입라인(L22)에는 소화액의 주입유량을 측정하기 위한 제1 유량계(F1)가 구비된다. 그리고, 제1 유량계(F1)와는 별도로 소화액의 주입압력을 측정하는 제1 압력계(P1)가 구비될 수 있다.

가압펌프(300)는 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비되고, 완충조(200)에 저장된 소화액을 분리막 장치(400)로 가압 이송하는 역할을 한다. 가압펌프(300)는 완충조(200)의 수위조절장치(230)와, 제1 내지 제3 유량계(F1, F2, F3) 또는 제1 및 제2 압력계(P1, P2)와 연계되어 펌핑속도가 조절될 수 있도록 제어부(미도시)에 의해 인버터 제어되는 것이 바람직하다.

분리막 장치(400)는 가압펌프(300)에 의해 이송된 소화액을 농축액과 여과수로 고액분리하는 역할을 한다. 본 실시예에 의하면 분리막 장치(400)는 도 3에서와 같이 프레임(410), 막여과 모듈(420) 및 제1 및 제2 헤더(432, 434)로 구성된다.

프레임(410)은 막여과 모듈(420)을 수용하고, 지지하는 역할을 한다.

막여과 모듈(420)은 소정 길이의 원통 형상을 갖고, 내부에 여과막이 충진된다. 본 실시예에 의하면 막여과 모듈(420)은 1개 이상이 구비되고, 양단이 프레임(410)의 외측으로 각각 돌출되도록 프레임(410)에 내장 설치된다. 일실시예로써, 막여과 모듈(420)은 도 3에 도시된 바와 같이 4단으로 제작되고, 각 단은 6개의 모듈(420)이 1조로 구성될 수 있다(미도시). 따라서, 총 24개의 막여과 모듈(420)이 소요된다.

제1 및 제2 헤더(432, 434)는 소정의 내부공간을 갖는 통체이다. 제1 헤더(432)는 제1 소화액 유입라인(L22)과 다수의 막여과 모듈(420)을 연통시키고, 제2 헤더(434)는 다수의 막여과 모듈(420)과 제1 농축액 반송라인(L32)을 연통시킨다. 따라서, 제1 소화액 유입라인(L22)을 통해 제1 헤더(432)로 유입된 소화액은 다수의 막여과 모듈(420)에 분배되고, 다수의 막여과 모듈(420)에서 배출되는 소화액은 제2 헤더(434)에 모여서 제1 농축액 반송라인(L32)으로 배출되는 구조를 갖는다.

도 4는 본 발명에 따른 막여과 모듈의 개략적인 단면도이다. 한편, 본 실시예에 따른 막여과 모듈(420)은 도 4에 도시된 바와 같이 원통 형상의 케이싱(422) 내부에 다수의 관상형(tubular type)의 여과막(424)이 다발 형태로 내장된다. 그리고, 케이싱(422)은 여과수 배출공(423)이 형성되고, 여과수 배출공(423)은 도 3에서와 같이 여과수 배출라인(L42)이 연결된다.

도 4에 도시된 "⊙" 표시는 소화액의 주입방향을 나타낸다. 소화액이 관상형 여과막(424)에 소정의 압력으로 주입되면 소화액 중에 포함된 물이 원통형 막면(424a)에 대하여 방사상으로 투과하면서 여과가 이루어진다. 따라서, 관상형 여과막(424)은 소화 미생물이 포함된 고농도의 농축액이 주입측의 반대편에서 배출되고, 여과수는 케이싱(422)에 형성된 배출공(423)을 통하여 배출되는 구조를 갖는다.

한편, 관상형 여과막(424)은 세라믹 등을 재료로 하고, 다공질 내압성 지지관(미도시)의 내측에 미세공극이 형성된 막(미도시)이 피복된 형태를 갖는다. 이와 같은 관상형 여과막(424)은 주입 원수가 지나가는 유로를 넓게 확보할 수 있어 고탁질 원수의 처리에 적합한 장점이 있다. 또한, 평판형(plate type), 중공사(hollow fiber), 또는 와권형(spiral wound type) 등 다른 형태의 여과막에 비해 막면(424a)에서의 폐색 현상이 적게 발생하고, 여과막의 세정시에도 역세척이 용이하다는 장점을 갖고 있다.

관상형 여과막(420)은 한외여과막(UF membrane)이나 정밀여과막(MF membrane)이 사용될 수 있으나, 정밀여과막에 비해 작은 공경(0.01 ~ 0.001μm)을 갖고 폐색 현상이 적게 발생하는 한외여과막인 것이 바람직하다. 한외여과막은 소화액의 주입압력을 높게 유지하여야 하고, 여과수가 비교적 적게 생성되는 특징을 갖는다.

주입방향 전환수단은 분리막 장치(400)에 있어서 소화액의 주입방향을 미리 설정된 시간에 따라 역전시키는 역할을 한다. 본 실시예에 의하면 주입방향 전환수단은 도 3에 도시된 바와 같이 제2 소화액 유입라인(L24), 제2 농축액 반송라인(L34), 제1 및 제2 주입밸브(V1, V3), 제1 및 제2 배출밸브(V2, V4) 및 제어부(미도시)로 구성된다.

제2 소화액 유입라인(L24)은 제1 소화액 유입라인(L22)의 일측에서 분기되어 분리막 장치(400)의 제2 헤더(434)와 연결된다. 그리고, 제2 농축액 반송라인(L34)은 분리막 장치(400)의 제1 헤더(432)와 제1 농축액 반송라인(L32)의 일측을 연결한다.

제1 주입밸브(V1)는 제1 헤더(432)에 인접한 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비되고, 제1 배출밸브(V2)는 제2 헤더(434)에 인접한 제1 농축액 반송라인(L32)에 구비된다.

제2 주입밸브(V3)는 제2 헤더(434)에 인접한 제2 소화액 유입라인(L24)에 구비되고, 제2 배출밸브(V4)는 제1 헤더(432)에 인접한 제2 농축액 반송라인(L34)에 구비된다.

제어부(미도시)는 제1 및 제2 주입밸브(V1, V3)와 제1 및 제2 배출밸브(V2, V4)의 개폐를 제어함으로써 소화액의 주입방향을 역전시키게 된다. 이때, 제어부(미도시)에 의한 역전 주기는 약 1일 ~ 3일의 범위에서 적절히 선택되는 것이 바람직하다.

제1 농축액 반송라인(L32)은 분리막 장치(400)와 혐기성 반응기(110, 120)를 연결하고, 분리막 장치(400)에서 생성된 농축액이 혐기성 반응기(110, 120)로 반송되는 통로가 된다. 그리고, 제1 농축액 반송라인(L32)에는 농축액의 배출유량을 측정하는 제2 유량계(F2)가 구비된다. 그리고, 제2 유랑계(F2)와는 별도로 농축액의 배출압력을 측정하는 제2 압력계(P2)가 구비될 수 있다.

방류조(500)는 분리막 장치(400)로부터 배출되는 여과수를 임시 저장하였다가 방류하는 역할을 한다. 방류조(500)는 도 3에 도시된 바와 같이 여과수 배출라인(L42)을 통해 분리막 장치(400)와 연결되고, 방류펌프(510)를 가동하여 방류라인(L44)을 통해 여과수를 방류하게 된다. 한편, 여과수 배출라인(L42)에는 각 막여과 모듈(420)에서 배출되는 여과수의 배출유량을 측정하기 위한 제3 유량계(F3)가 구비된다.

세정수단(600)은 분리막 장치(400)를 세척하여 수명을 향상시키는 역할을 한다. 이때, 세정수단(600)은 전술한 제어부(미도시)가 제1 및 제2 유량계(F1, F2) 또는 제1 및 제2 압력계(P1, P2)에서 측정된 유량값 또는 압력값에 기초하여 유량차 또는 압력차를 도출하고, 도출된 유량차 또는 압력차가 소정의 기준치보다 작은 경우에 가동되도록 구성된다. 본 실시예에 따른 세정수단(600)은 도 3에 도시된 바와 같이 세정수 공급라인(L40), 물탱크(610), 역세펌프(620), 약품탱크(630) 및 공기압축기(640)로 구성되어 물세정 또는 약품세정이 가능하다.

세정수 공급라인(L40)은 제2 소화액 유입라인(L24)과 연결된다.

물탱크(610)는 세정수 공급라인(L40)에 연결되어 세정수를 공급하게 된다.

역세펌프(620)는 물탱크(610)에 저장된 세정수를 세정수 공급라인(L40) 및 제2 소화액 유입라인(L24)을 거쳐 분리막 장치(400)로 가압 이송하게 된다.

약품탱크(630)는 세정수 공급라인(L40)에 연결되어 세정약품을 공급하고, 약품세정을 가능케 한다. 세정약품으로는 NaOCl(차염) 등이 사용될 수 있다.

공기압축기(640)는 세정수 공급라인(L40)에 연결되어 압축공기를 공급하게 된다. 공기압축기(640)는 역세펌프(620)를 가동하기 전에 세정수 공급라인(L40)에 압축공기를 분사함으로써 분리막 장치(400)에 잔류한 소화액을 배출시킬 수 있다. 또한, 공기압축기(640)는 물세정 또는 약품세정시 기포를 생성하여 세정효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 분리막 장치(400)의 세정하고 난후의 세정액을 배출시키기 위해 제1 및 제2 세정액 반송라인(L50, L60)과 제5 내지 제7 밸브(V5, V6, V7)가 구비된다.

제5 밸브(V5)는 제1 농축액 반송라인(L32)에 구비되고, 분리막 장치(400)의 세정시 폐쇄되어 제1 세정액 반송라인(L50) 및 제2 세정액 반송라인(L60)으로 세정액을 유입시키게 된다.

제1 세정액 반송라인(L50)은 제1 농축액 반송라인(L32)로부터 분기되고, 제6 밸브(V6)가 구비된다. 그리고, 제1 세정액 반송라인(L50)은 2개의 라인(L52, L54)으로 분기되어 각각 원수 저장조(101)와 약품탱크(630)에 연결된다. 이때, 2개의 라인(L52, L54)에는 밸브(V6a, V6b)가 각각 구비된다.

제2 세정액 반송라인(L60)은 제1 세정액 반송라인(L50)로부터 분기되어 방류조(500)와 연결된다. 이때, 제2 세정액 반송라인(L60)에는 제7 밸브(V7)가 구비된다.

[본 발명의 운전방법]

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법을 나타내는 개략적인 흐름도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법은 도 5에 도시된 바와 같이 크게 혐기성 소화단계(S100), 소화액 저장단계(S200), 고액분리단계(S300), 농축액 반송단계(S400)를 거치게 된다.

혐기성 소화단계(S100)는 혐기성 반응기(110, 120)에서 소화 미생물을 이용하여 유기성 폐기물을 분해하게 된다. 구체적으로 도 3에 도시된 바와 같이 이송펌프(102)가 원수 저장조(101)에 저장된 유기성 폐기물을 전처리장치(103)로 이송하고, 전처리장치(103)는 유기성 폐기물을 액상화시켜 산발효조(110)로 공급하게 된다. 유기성 폐기물은 산발효조(110)에서 산발효 공정을 거친 뒤, 메탄발효조(120)로 이송되어 메탄발효 공정을 거치게 된다. 그리고, 메탄발효조(120)에서 생성된 메탄가스는 소화가스 배출라인(L1)을 통해 배출되고, 잔류한 소화액(유기성 폐기물과 소화 미생물의 혼합액으로 어느 정도 소화가 이루어진 것)의 일부가 소화액 배출라인(L10)을 통해 배출된다.

소화액 저장단계(S200)는 메탄발효조(120)에서 배출된 소화액이 완충조(200)에서 임시 저장된다. 이때, 소화액에 포함된 협잡물이 메쉬망(210)에 의해 걸러지고, 교반장치(220)에 의해 유동성이 향상된다.

고액분리단계(S300)는 분리막 장치(400)가 완충조(200)에 저장된 소화액을 이송받아 농축액과 여과수로 고액분리하게 된다. 구체적으로, 완충조(200)의 수위측정장치(230)가 소화액의 수위를 측정하고, 소정량 이상의 소화액이 저장된 경우 가압펌프(300)가 가동된다. 이에 따라, 소화액은 제1 소화액 유입라인(L22)을 통해 분리막 장치(400)로 가압 이송된다. 이때, 제1 주입밸브(V1) 및 제1 배출밸브(V2)는 개방되고, 제2 주입밸브(V3) 및 제2 배출밸브(V3, V4)는 폐쇄된 상태에 있다. 한편, 소화액은 제1 헤더(432)를 거쳐 다수의 막여과 모듈(420)에 분배되어 주입된다. 그리고, 소화액에 포함된 물은 도 4에서와 같이 관상형 여과막(424)을 통과하면서 여과수를 생성하고, 이에 따라 소화 미생물이 포함된 고농도의 농축액이 주입측의 반대편에서 배출된다. 그리고, 다수의 막여과 모듈(420)에서 배출되는 소화액은 제2 헤더(434)에 모여서 제1 농축액 반송라인(L32)으로 배출된다.

한편, 본 발명에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법은 고액분리단계(S300)에서 소화액의 주입방향을 소정의 시간마다 역전시킴으로써 막여과 모듈(420)의 수명을 향상시키게 된다. 구체적으로, 제어부(미도시)가 제1 주입밸브(V1) 및 제1 배출밸브(V2)를 폐쇄하고, 제2 주입밸브(V3) 및 제2 배출밸브(V4)를 개방함으로써 소화액의 주입방향을 역전시키게 된다. 이에 따라 소화액은 제2 소화액 유입라인(L24) 및 제2 헤더(434)를 거쳐 관상형 여과막(424)으로 유입되고, 농축액은 제1 헤더(432) 및 제2 농축액 반송라인(L34)을 거쳐 제1 농축액 반송라인(L32)으로 배출된다. 즉, 관상형 여과막(424)의 주입측이 전환되고, 반대방향의 주입압력에 의해 여과막(424)에 쌓인 오염물질이 어느 정도 제거되는 효과를 가져온다. 또한, 종래의 분리막 장치가 여과막의 일단부에만 막의 폐색 현상이 급격하게 발생되는 것에 비해 본 발명의 관상형 여과막(424)은 막면(424a) 전체에 대하여 오염물질이 고르게 쌓이게 됨에 따라 막의 폐색 현상이 늦추어지는 효과를 가져온다. 이는 관상형 여과막(424)의 수명이 증대됨을 의미하고, 여과막(424)의 잦은 교체에 따른 비용발생을 감소시킬 수 있다. 한편, 제어부(미도시)에 의한 소화액 주입방향의 역전 주기는 약 1일 ~ 3일의 범위에서 적절하게 선택될 수 있다.

농축액 반송단계(S400)는 분리막 장치(400)의 제2 헤더(434)에서 배출되는 농축액이 제1 농축액 반송라인(L32)을 통해 산발효조(110) 또는 메탄발효조(120)로 반송된다. 이때, 전술한 바와 같이 소화액의 주입방향이 전환된 경우에는 제2 농축액 반송라인(L34) 및 제1 농축액 반송라인(L32)을 통해 산발효조(110) 또는 메탄발효조(120)로 반송된다.

한편, 본 발명에 따른 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법은 분리막 장치(400)의 관상형 여과막(424)를 역세척하는 세정단계가 더 포함될 수 있다.

고액분리단계(S300)에서는 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비된 제1 유량계(F1)와 제1 농축액 반송라인(L32)에 구비된 제2 유량계(F2)가 유량을 측정하게 된다. 그런데, 세정단계는 이와 같은 측정값에 기초하여 제어부(미도시)가 소화액의 주입유량과 농축액의 배출유량의 차를 계산하고, 도출된 유량차가 소정의 기준치보다 작은 경우에 전술한 고액분리단계(S300) 및 농축액 반송단계(S400)를 멈추고 분리막 장치(400)를 역세척하게 된다. 이에 대하여 설명하면, 분리막 장치(400)의 주입방향을 전환시키더라도 시간이 지남에 따라 관상형 여과막(424)의 막면(424a)에 오염물질이 쌓이게 되어 여과수의 양이 줄어들게 되고, 이로 인해 소화액의 주입유량과 농축액의 배출유량의 차가 갈수록 작아지게 된다. 따라서, 분리막 장치(400)의 수명이 다한 경우(성능이 어느 일정한도로 저하된 경우) 역세척을 수행하게 되는 것이다. 이때, 제어부(미도시)에 의해 도출된 유량차와 비교되는 기준치는 실험실에서 측정된 데이터를 기초하여 설정될 수 있고, 실제운전을 하면서 적절하게 조정될 수 있다. 예를 들어 약 5톤의 소화액을 주입하는 경우 0.5톤의 여과수와 4.5톤의 농축액이 배출되는 경우(탈수율 10%)를 기준치로 설정할 수 있다.

또한 위와 같은 원리로, 제1 소화액 유입라인(L22)과 제1 농축액 배출라인(L32)에 각각 구비된 제1 압력계(P1)와 제2 압력계(P2)로부터 압력차를 도출하고 소정의 기준치보다 작은 경우에 분리막 장치(400)의 역세척을 수행할 수도 있다.

이와 같은 세정단계는 다음과 같은 절차로 진행된다.

먼저, 공기압축기(640)를 가동하여 세정수 공급라인(L40)에 압축공기를 분사하고, 분리막 장치(400)의 관상형 여과막(424)에 잔류한 소화액을 배출시키게 된다. 이때, 소화액은 제2 농축액 반송라인(L34) 및 제1 농축액 반송라인(L32)을 거쳐 혐기성 반응기(110, 120)로 반송된다.

다음으로, 역세펌프(620)를 가동하여 물탱크(610)에 저장된 세정수를 관상형 여과막(424)에 가압 주입하여 소정의 시간 동안 물세정을 하게 된다. 이때, 생성된 세정액은 제2 농축액 반송라인(L34)을 거쳐 제1 농축액 반송라인(L32)으로 유입되고, 폐쇄된 제5 밸브(V5)에 의해 제1 세정액 반송라인(L50)으로 유입된 후 원수 저장조(101)로 반송된다. 이때, 세정액이 소정의 방류기준에 만족될 경우에는 제2 세정액 반송라인(L60)으로 유입되어 방류조(500)에 저장되었다가 방류될 수 있다.

다음으로, 전술한 물세정 단계의 세정주기가 소정의 기준치보다 작아지는 경우 세정수에 약품을 첨가하여 약품세정을 하게 된다. 이에 대하여 설명하면, 분리막 장치(400)를 물세정하더라도 세정효과가 완벽할 수 없기 때문에 시간이 지남에 따라 세정주기가 짧아질 수밖에 없다. 예를 들면 세정주기가 1주일에서 기준치인 3일로 단축되는 경우 세정수에 약품을 첨가하여 약품세정을 함으로써 관상형 여과막(424)의 수명을 더욱 향상시킬 수 있다. 이와 같이 처음부터 약품세정을 하지 않는 이유는 약품세정을 자주 실시하면 관상형 여과막(424)의 미세공극이 빠르게 손상될 뿐만 아니라 약품을 구입하는데 많은 비용이 소요되기 때문이다. 그리고, 약품세정에 의해 생성된 세정액은 제2 농축액 반송라인(L34) 및 제1 세정액 반송라인(L50)을 거쳐 약품탱크(630)로 반송되어 처리된다.

한편, 전술한 물세정 또는 약품세정시 세정수에 압축공기를 분사하여 관상형 여과막(424) 내부에 기포를 생성함으로써 세정효율을 더욱 향상시킬 수도 있다.

101 : 원수 저장조 103 : 전처리장치
110 : 산발효조 120 : 메탄발효조
200 : 완충조 210 : 메쉬망
220 : 교반기 230 : 수위측정장치
300 : 가압펌프 400 : 분리막 장치
410 : 프레임 420 : 막여과 모듈
422 : 케이싱 423 : 여과수 배출공
424 : 관상형 여과막 432 : 제1 헤더
434 : 제2 헤더 500 : 방류조
510 : 방류펌프 600 : 세정수단
610 : 물탱크 620 : 역세펌프
630 : 약품탱크 640 : 공기압축기
L1 : 소화가스 배출라인 L10 : 소화액 배출라인
L22 : 제1 소화액 유입라인 L24 : 제2 소화액 유입라인
L32 : 제1 농축액 반송라인 L34 : 제2 농축액 반송라인
L40 : 세정수 공급라인 L50 : 제1 세정액 반송라인
L60 : 제2 세정액 반송라인
V1 : 제1 주입밸브 V2 : 제1 배출밸브
V3 : 제2 주입밸브 V4 : 제2 배출밸브
V5 : 제5 밸브 V6 : 제6 밸브
V7 : 제7 밸브
F1 : 제1 유량계 F2 : 제2 유량계
F3 : 제3 유량계
P1 : 제1 압력계 P2 : 제2 압력계

Claims (19)

1. 유기성 폐기물을 분해하여 소화가스를 생산하는 혐기성 반응기(110, 120)와, 상기 혐기성 반응기(110, 120)로부터 배출된 소화액을 임시 저장하는 완충조(200)와, 상기 완충조(200)와 연결된 제1 소화액 유입라인(L22)과, 상기 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비된 가압펌프(300)와, 일단이 상기 제1 소화액 유입라인(L22)과 연결되고 상기 가압펌프(300)가 가동됨에 따라 상기 소화액이 소정의 압력으로 주입되어 농축액과 여과수로 고액분리되는 분리막 장치(400)와, 상기 분리막 장치(400)의 타단과 연결되어 상기 농축액을 상기 혐기성 반응기(110, 120)로 반송시키는 제1 농축액 반송라인(L32)을 포함하는 막결합형 혐기성 소화조에 있어서,
   상기 제1 소화액 유입라인(L22)에서 분기되어 상기 분리막 장치(400)의 타단과 연결된 제2 소화액 유입라인(L24)과,
   상기 분리막 장치(400)의 일단과 상기 제1 농축액 반송라인(L32)을 연결하는 제2 농축액 반송라인(L34)과,
   상기 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비된 제1 주입밸브(V1)와,
   상기 제1 농축액 반송라인(L32)에 구비된 제1 배출밸브(V2)와,
   상기 제2 소화액 유입라인(L24)에 구비된 제2 주입밸브(V3)와,
   상기 제2 농축액 반송라인(L34)에 구비된 제2 배출밸브(V4)와,
   상기 가압펌프(400)와 상기 제1 및 제2 주입밸브(V1, V3)와 상기 제1 및 제2 배출밸브(V2, V4)를 제어하는 제어부로 구성된 주입방향 전환수단이 더 구비되고,
   상기 주입방향 전환수단은 상기 분리막 장치(400)에 상기 소화액의 주입방향을 소정의 시간마다 역전시키는 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 분리막 장치(400)는
   프레임(410);
   상기 여과수의 배출을 위한 배출공(423)이 형성된 케이싱(422)과, 상기 케이싱(422)에 내장된 다수의 관상형 여과막(424)으로 이루어져 상기 프레임(410)에 설치된 1개 이상의 막여과 모듈(420);
   상기 1개 이상의 막여과 모듈(420)의 일단에 형성되고, 상기 제1 소화액 유입라인(L22)과 연결된 제1 헤더(432); 및
   상기 1개 이상의 막여과 모듈(420)의 타단에 형성되고, 상기 제1 농축액 배출라인(L32)과 연결된 제2 헤더(434);를 포함하는 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 관상형 여과막은 한외여과막인 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 분리막 장치(400)로부터 배출되는 상기 여과수를 임시 저장하는 방류조(500)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비되어 상기 소화액의 주입유량을 측정하는 제1 유량계(F1)와,
   상기 제1 농축액 배출라인(L32)에 구비되어 상기 농축액의 배출유량을 측정하는 제2 유량계(F2)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 소화액 유입라인(L22)에 구비되어 상기 소화액의 주입압력을 측정하는 제1 압력계(P1)와,
   상기 제1 농축액 배출라인(L32)에 구비되어 상기 농축액의 배출압력을 측정하는 제2 압력계(P2)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 막여과 모듈(420)에서 배출되는 상기 여과수의 배출유량을 측정하는 제3 유량계(F3)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
9. 제6항에 있어서,
   상기 분리막 장치(400)를 역세척하는 세정수단(500)이 더 구비되고, 그리고
   상기 제1 및 제2 유량계(F1, F2)에서 각각 측정된 유량값에 기초하여 상기 제어부가 유량차를 도출하고, 상기 유량차가 소정의 기준치보다 작은 경우에 상기 세정수단(500)이 가동되는 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 세정수단(600)은
    상기 제2 소화액 유입라인(L24)과 연결된 세정수 공급라인(L40)과,
    상기 세정수 공급라인(L40)에 연결된 물탱크(610)와,
    상기 물탱크(610)에 저장된 세정수를 상기 세정수 공급라인(L40)으로 가압 이송하는 역세펌프(620)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 세정수 공급라인(L40)에 세정약품을 첨가하는 약품탱크(630)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
12. 제10항에 있어서,
    상기 세정수 공급라인(L40)에 압축공기를 공급하는 공기압축기(640)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 농축액 반송라인(L32)에 설치되어 상기 역세척시 폐쇄되는 제5 밸브(V5)와,
    상기 제5 밸브(V5)가 폐쇄됨에 따라 세정액이 유입되도록 상기 제1 농축액 반송라인(L32)에서 분기되고, 원수 저장조(101) 또는 상기 약품탱크(630)와 연결된 세정액 반송라인(L50)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
14. 제1항에 있어서,
    상기 완충조(200)는
    상기 소화액에 포함된 협잡물을 걸러내는 메쉬망(210)과,
    상기 임시 저장된 소화액을 교반시키는 교반장치(220)와,
    상기 가압펌프(300)와 연동되는 수위측정장치(230)가 구비된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 여과시스템.
15. 혐기성 반응기(110, 120)에서 미생물을 이용하여 유기성 폐기물을 분해하는 혐기성 소화단계(S100);
    상기 혐기성 반응기(110, 120)에서 배출된 소화액을 완충조(200)에서 임시 저장하는 소화액 저장단계(S200);
    가압펌프(300)에 의해 상기 완충조(200)에 저장된 소화액이 관상형 여과막(424)에 주입되어 농축액과 여과수로 분리되고, 상기 소화액의 주입방향을 소정의 시간마다 역전시키는 고액분리단계(S300); 및
    상기 분리된 농축액을 상기 혐기성 반응기(110, 120)로 반송하는 농축액 반송단계(S400);를 포함하고,
    상기 고액분리단계(S300)는
    상기 관상형 여과막(424)의 양단에 걸린 유량차 또는 압력차를 측정하여 소정의 기준치와 비교하는 단계를 더 포함하고, 그리고
    상기 비교단계는 상기 유량차 또는 압력차가 상기 기준치보다 작은 경우 상기 고액분리단계(S300) 및 농축액 반송단계(S400)를 멈추고, 상기 관상형 여과막(424)을 소정시간 동안 역세척하는 세정단계가 더 포함된 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법.
16. 삭제
17. 제15항에 있어서,
    상기 세정단계는,
    역세펌프(620)를 가동하여 물탱크(610)에 저장된 세정수를 상기 관상형 여과막(424)에 가압 주입하여 물세정하는 단계와,
    상기 물세정 단계의 세정주기가 소정의 기준치보다 작아지는 경우 상기 세정수에 약품을 첨가하여 약품세정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 물세정 단계 또는 상기 약품세정 단계 중 상기 세정수에 압축공기가 주입되는 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법.
19. 제17항에 있어서,
    상기 물세정에 의해 생성된 세정액을 원수 저장조(101)로 반송하는 단계와,
    상기 약품세정에 의해 생성된 세정액을 약품탱크(630)로 반송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막결합형 혐기성 소화조의 운전방법.

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