KR100972178B1 - 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법 - Google Patents

유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물에 산 발효미생물을 배양하여 유기성 폐기물이 산 발효되는 산 발효조와, 산 발효조를 가온하기 위한 가온수단과, 산 발효조에서 산 발효되어 배출되는 제1슬러지의 일부가 제1반송라인을 통해 반송되어 산 발효조로 새로 공급되는 유기성 폐기물과 혼합되는 제1혼합기와, 제1반송라인에 설치되어 제1슬러지를 제1혼합기로 펌핑하는 제1반송펌프와, 제1혼합기에서 혼합된 제1혼합물이 산 발효조로 공급되기 위해 제1혼합물이 이동하는 제1공급라인에 설치되어 제1혼합물을 산 발효조로 펌핑하는 제1공급펌프와, 산 발효조에서 배출된 제1슬러지에 메탄 발효미생물을 배양하여 제1슬러지가 메탄 발효되는 메탄 발효조와, 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 제2슬러지의 일부가 제2반송라인을 통해 반송되어 메탄 발효조로 공급되는 제1슬러지 및 황화수소제거제와 혼합되는 제2혼합기와, 제2반송라인에 설치되어 제2슬러지를 제2혼합기로 펌핑하는 제2반송펌프와, 제2혼합기에서 혼합된 제2혼합물이 메탄 발효조로 공급되기 위해 제2혼합물이 이동하는 제2공급라인에 설치되어 제2혼합물을 메탄 발효조로 펌핑하는 제2공급펌프와, 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 제2슬러지에 응집제가 혼합되는 제3혼합기 및 제3혼합기에서 응집제가 혼합된 제2슬러지가 탈수되어 탈수여액 및 탈수케익으로 분리되어 배출되는 탈수수단을 포함하되, 산 발효조 및 메탄 발효조의 상단에 구비된 바이오가스 포집수단을 통해 산 발효조 및 메탄 발효조에서 발생하는 바이오가스가 포집되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 고농도의 유기성 폐기물을 산발효조와 메탄발효조의 2단 혐기성소화를 통해 효율을 극대화하고, 산발효조, 메탄발효조 내부에 별도의 교반장치가 없어 고장요인을 제거하고, 소화되어 유동성이 양호한 상태에서 선별파쇄하여, 이물질(모래, 금속, 뼈 등)을 공정 중에서 제거함으로써 배관의 막힘 및 설비의 마모를 최소화하고, 슬러지 입자를 미세화하여 소화조의 효율을 향상시키는 효과가 있고, 나아가 슬러지의 유동성 향상으로 소화조에 공급하는 펌프의 동력을 최소화시키는 효과가 있다.

Description

유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법{Apparatus for anaerobic treatment of organic waste and method there of}
본 발명은 혐기성 소화장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 고농도의 유기성 폐기물을 혐기성 발효에 의해 생화학적으로 분해하되, 산 발효공정과 메탄 발효공정으로 이단 분리하여 각각의 기능을 최대화하면서 소화효율을 향상시켜 더욱 많은 양의 바이오가스를 생성시키고, 소화조 내의 별도의 교반장치 없이 순환라인을 통해 유기성 폐기물을 지속적으로 순환시키되, 소화조 내의 축적되는 유기성 폐기물에 포함된 각종의 이물질을 공정과정 중에 제거함으로써 공정을 안정화시켜 유기성 폐기물의 가수분해, 산 생성 및 메탄 생성 과정을 안정적으로 유도할 수 있는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 음식물 쓰레기, 가축분뇨 및 하수 슬러지와 같은 유기성 폐기물을 혐기성 소화시켜 화석연료를 대체할 수 있는 메탄 등의 바이오가스를 생산하고, 이를 열병합 발전 등에 이용하는 기술이 전 세계적으로 보편화하고 있다.
여기서, 구체적으로 유기성 폐기물이란 생물에 유래한 소재로 되어 있으면서 미생물에 의하여 생분해할 수 있는 폐기물을 말하며, 가정에서 발생하는 생활쓰레기 중에 음식물 쓰레기, 종이류, 목재류 및 정원성 폐기물(전지목) 등이 해당하며, 하수처리장 및 폐수처리장에서 발생하는 슬러지류, 축산농가 등에서 발생하는 가축분뇨로 분류되는 것으로서 이러한 유기성 폐기물 처리하여 재활용하는 호기성 미생물을 이용한 호기성 소화공법과 혐기성 미생물을 이용한 혐기성 소화공법이 있다.
일반적으로 퇴비로서 이용하는 경우에는 호기성 소화공법이 이용되고 있으며, 유기물을 분해시켜 감량화함과 동시에 메탄가스를 회수하기 위해서는 혐기성 소화공법이 사용된다.
유기성 폐기물로부터 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화반응기는 종래에는 폐수의 처리목적으로 하수처리장 등에서 저농도의 유기성 폐기물에 대해 습식혐기성 소화처리 방법인 주로 완전혼합반응기(Completely Mixed Reactor)가 보편적으로 이용되어 왔다.
혐기성 소화는 효율을 향상시키기 위해 많은 연구가 진행되어, 가수분해, 산 생성단계, 메탄 발효단계를 거쳐야 메탄이 주성분인 바이오가스가 생성되는데, 이 과정중 산 생산 단계와, 메탄 생산 단계에서 작용하는 미생물은 생리적인 특징 및 영양적 요구성이 매우 다른 것에 착안하여 산 발효조와 메탄 발효조를 분리한 이단 혐기성소화조가 개발되었다.
이는 소화조의 분리를 통하여 각각의 미생물이 최적의 조건에서 반응토록 하여 소화효율은 향상시켰지만, 여전히 완전혼합방식으로 내부에 교반장치를 통해 교반토록 되어 있고, 고형물의 농도가 약 10% 이상일 경우, 기계적인 교반이 어려운 문제점이 있었다. 이에 투입되는 유기성 폐기물의 농도를 높이지 못하고 유동성을 위해 투입되는 유기성 폐기물의 농도조절이 필요하여 가수에 의한 투입량의 증가로 인한 소화조의 규모가 커지는 단점이 있다.
또한 유기물의 유동성 향상을 위한 미세파쇄공정이 필요하고, 금속물질, 모래, 비닐 등의 이물질이 소화조에 퉁입될 경우 침전 및 스컴 등의 문제로, 이를 방지하기 위해 투입전단에 복잡한 선별설비를 필요로 한다.
근래에 들어, 이러한 문제점을 해결하고 바이오가스의 생성을 극대화하기 위해 고농도의 유기성 폐기물을 처리하는 건식 혐기성 소화공정이 생겨났다.
건식 혐기성 소화공정은 습식과 달리 고농도 유기성 폐기물을 전처리를 통해 혐기성 소화에 알맞은 크기(약 40mm이내)로 파쇄하고, 조대 협잡물만을 제거한후 투입하고, 소화조 내부의 고형물의 농도를 약 15% 이상 유지시켜 고형물에 부착되어 있는 미생물의 양을 극대화시켜 단시간에 고농도의 유기성 폐기물을 분해시켜 바이오가스를 생산가능토록 하였다.
이러한 건식 혐기성 소화공정 중 건식 단상 혐기성 소화의 경우 하나의 소화조에서 초기에 가수분해, 산 발효가 진행된 뒤에 메탄 발효하여 바이오가스를 생산하도록 되어 있으나, 산 발효의 경우 pH가 약 5 내지 7에서 미생물에 의한 분해가 최적화되고, 메탄 발효의 경우 pH가 약 7 내지 8.5에서 미생물에 의한 분해가 최적화되는 특징이 있고, 이를 극복하기 위해 상대적으로 환경변화에 약한 메탄 발효조건인 pH를 약 7.5 내지 8.5를 유지하도록 되어 있다.
운영중 소화조의 pH가 이 범위 아래로 떨어질 경우 급격한 산 발효 진행으로 소화조의 상태가 급격히 악화되어 회복시까지 상당시간 소요되는 단점이 있다.
건식 혐기성 소화조는 소화조 내부의 고형물 농도가 높게 유지되기 때문에, 투입되는 유기성 폐기물의 고형물 농도가 높아도 비교적 처리가 양호하고, 소량의 이물질이 투입되어도 처리가 양호한 장점이 있다.
이물질을 최대한 제거하고, 유기성 폐기물의 입자크기를 작게 할수록 소화조의 효율이 높게 되지만, 고농도의 유기성 폐기물에서 이물질을 제거하기 어렵고, 유기성 폐기물의 입자를 미세하게 분쇄하기 위해서는 고가의 장비 및 운영비용이 요구되어 일반적으로 간단한 파쇄선별한 고형물을 투입하도록 시설이 설치된다.
그러나, 소화조의 상태가 불량하거나 고농도 유지가 안 될 경우, 내부의 고액분리가 일어나 이물질(모래, 금속, 뼈 등)이 배관에 축적되어 배관이 막히는 단점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 과제는, 고농도의 유기성 폐기물을 안정적으로 처리하고 소화효율을 향상시키기 위해 산 발효공정과 메탄 발효공정으로 이단 분리 운영하여 각각의 소화조에서 미생물에 의한 분해에 적합한 상태를 유지하고, 각각의 소화조에서 배출되는 혐기성 미생물이 배양된 슬러지와 일정비율로 혼합하여 소화를 촉진시켜 소화조 용적을 최소화하고, 소화조 내부에 별도의 교반장치 없이 자연적인 흐름으로 소화조 자체에 고장요소를 미리 방지할 수 있는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 과제는 혐기성 소화 후에 유동성이 향상된 소화 슬러지를 새로 투입되는 유기성 폐기물과 접종시키기 전에 이물질선별파쇄설비를 추가하여, 이물질(모래, 금속, 뼈 등)을 제거하고, 미세하게 파쇄한 슬러지를 순환시켜 소화조 내의 이물질을 최대한 제거하고, 분해가 덜 된 고형물의 분해를 촉진시켜 소화조의 안정된 운영 및 바이오가스 생산량을 증대시킬 수 있는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위해 안출된 본 발명은, 유기성 폐기물에 산 발효미생물을 배양하여 상기 유기성 폐기물이 산 발효되는 산 발효조, 상기 산 발효조를 가온하기 위한 가온수단, 상기 산 발효조에서 산 발효되어 배출되는 제1슬러지의 일부가 제1반송라인을 통해 반송되어 상기 산 발효조로 새로 공급되는 유기성 폐기물과 혼합되는 제1혼합기, 상기 제1반송라인에 설치되어 상기 제1슬러지를 상기 제1혼합기로 펌핑하는 제1반송펌프, 상기 제1혼합기에서 혼합된 제1혼합물이 상기 산 발효조로 공급되기 위해 상기 제1혼합물이 이동하는 제1공급라인에 설치되어 상기 제1혼합물을 상기 산 발효조로 펌핑하는 제1공급펌프, 상기 산 발효조에서 배출된 제1슬러지에 메탄 발효미생물을 배양하여 상기 제1슬러지가 메탄 발효되는 메탄 발효조, 상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 제2슬러지의 일부가 제2반송라인을 통해 반송되어 상기 메탄 발효조로 공급되는 상기 제1슬러지 및 황화수소제거제와 혼합되는 제2혼합기, 상기 제2반송라인에 설치되어 상기 제2슬러지를 상기 제2혼합기로 펌핑하는 제2반송펌프, 상기 제2혼합기에서 혼합된 제2혼합물이 상기 메탄 발효조로 공급되기 위해 상기 제2혼합물이 이동하는 제2공급라인에 설치되어 상기 제2혼합물을 상기 메탄 발효조로 펌핑하는 제2공급펌프, 상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 제2슬러지에 응집제가 혼합되는 제3혼합기 및 상기 제3혼합기에서 상기 응집제가 혼합된 상기 제2슬러지가 탈수되어 탈수여액 및 탈수케익으로 분리되어 배출되는 탈수수단을 포함하되, 상기 산 발효조 및 상기 메탄 발효조의 상단에 구비된 바이오가스 포집수단을 통해 상기 산 발효조 및 상기 메탄 발효조에서 발생하는 바이오가스가 포집되는 것을 특징으로 한다.
상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지에 포함된 이물질을 선별하여 파쇄하는 이물질선별파쇄기, 상기 이물질선별파쇄기에서 배출되는 상기 제2슬러지의 일부가 상기 제3혼합기로 공급되기 위해 상기 이물질선별파쇄기와 상기 제3혼합기 사이에 설치된 제3공급라인 및 상기 제3공급라인에 설치된 제3공급펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탈수수단을 통해 배출되는 상기 탈수여액의 일부가 상기 제2혼합기로 반송되어 상기 제2혼합기에 투입되는 것을 특징으로 한다.
상기 탈수수단을 통해 배출되는 상기 탈수케익의 일부가 상기 제2혼합기로 반송되어 상기 제2혼합기에 투입되는 것을 특징으로 한다.
상기 탈수여액 또는 상기 탈수케익이 반송되어 상기 제2혼합기를 통해 상기 메탄 발효조로 재공급됨으로써 상기 메탄 발효조 내의 고형물 농도가 약 5 내지 35%로 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 황화수소제거제는 염화철인 것을 특징으로 한다.
상기 응집제는 수용성 폴리머와 응결제인 것을 특징으로 한다.
유기성 폐기물이 산 발효미생물에 의해 산 발효조에서 산 발효되어 제1슬러지가 생성되는 단계, 상기 산 발효조에서 산 발효된 상기 제1슬러지의 일부가 제1반송펌프에 의해 제1혼합기에 반송되어 상기 산 발효조로 새로 공급되는 유기성 폐기물과 혼합되어 제1혼합물이 생성되는 단계, 상기 제1혼합물이 제1공급펌프에 의해 상기 산 발효조에 공급되는 단계, 상기 산 발효조에서 산 발효된 상기 제1슬러지가 메탄 발효미생물에 의해 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 제2슬러지가 생성되는 단계, 상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지의 일부가 제2반송펌프에 의해 제2혼합기에 반송되어 상기 메탄 발효조로 공급되는 상기 제1슬러지 및 황화수소제거제와 함께 상기 제2혼합기에서 혼합되어 제2혼합물이 생성되는 단계, 상기 제2혼합물이 제2공급펌프에 의해 상기 메탄 발효조로 공급되는 단계, 상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지가 제3혼합기에서 응집제와 혼합되는 단계 및 상기 제3혼합기에서 상기 응집제와 혼합된 상기 제2슬러지가 탈수수단에 의해 탈수되어 탈수여액 및 탈수케익으로 분리되어 배출되는 단계를 포함하되, 상기 산 발효조 및 상기 메탄 발효조의 상단에 구비된 바이오가스 포집수단을 통해 상기 산 발효조 및 상기 메탄 발효조에서 발생하는 바이오가스가 포집되는 것을 특징으로 한다.
상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지가 이물질선별파쇄기를 통해 상기 제2슬러지에 포함된 이물질이 선별되어 파쇄되는 단계 및 상기 이물질선별파쇄기에서 배출된 상기 제2슬러지가 제3공급펌프에 의해 상기 제3혼합기에 공급되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탈수수단을 통해 배출되는 상기 탈수케익의 일부가 상기 제2혼합기로 반송되어 상기 제2혼합기에 투입되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탈수수단을 통해 배출되는 상기 탈수여액의 일부가 상기 제2혼합기로 반송되어 상기 제2혼합기에 투입되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탈수여액 또는 상기 탈수케익이 반송되어 상기 제2혼합기를 통해 상기 메탄 발효조로 재공급됨으로써 상기 메탄 발효조 내의 고형물 농도가 약 5 내지 35%로 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 황화수소제거제는 염화철인 것을 특징으로 한다.
상기 응집제는 수용성 폴리머와 응결제인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 고농도의 유기성 폐기물을 산발효조와 메탄발효조의 2단 혐기성소화를 통해 효율을 극대화하고, 산발효조, 메탄발효조 내부에 별도의 교반장치가 없어 고장요인을 제거하고, 소화되어 유동성이 양호한 상태에서 선별파쇄하여, 이물질(모래, 금속, 뼈 등)을 공정 중에서 제거함으로써 배관의 막힘 및 설비의 마모를 최소화하고, 슬러지 입자를 미세화하여 소화조의 효율을 향상시키는 효과가 있고, 나아가 슬러지의 유동성 향상으로 소화조에 공급하는 펌프의 동력을 최소화시키는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치를 나타낸 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치를 나타낸 개략적으로 도시한 구성도,
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치를 나타낸 개략적으로 도시한 구성도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법을 나타낸 순서도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법을 나타낸 순서도,
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법을 나타낸 순서도 이다.
이하, 본 발명에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치의 바람직한 실시예들에 대해 상세하게 설명한다.
제1실시예
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치를 나타낸 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치는 산 발효조(100), 가온수단(110), 제1혼합기(300), 제1반송펌프(121), 제1공급펌프(311), 메탄 발효조(200), 제2혼합기(400), 제2반송펌프(211), 제2공급펌프(411), 제3혼합기(500) 및 탈수수단(600)을 포함하는 구성요소로 이루어지며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 산 발효조(100)는 고농도의 유기성 폐기물에 산 발효미생물을 배양하여 상기 유기성 폐기물이 산 발효되는 혐기성 소화조이다.
상기 가온수단(110)은 상기 산 발효조(100)의 내부를 소정의 온도로 승온하기 위한 것으로서, 산 발효시 pH가 약 5 내지 7정도 인 최적의 산 발효 환경이 되기 위해 약 35 내지 38℃의 중온소화 또는 약 50 내지 58℃의 고온소화온도로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 산 발효조(100)가 상기 가온수단(110)에 의해 통해 적합한 온도까지 승온되어 산 발효가 진행되면, 유동성이 향상되고 메탄 발효에 적합한 상태가 된다.
상기 제1혼합기(300)는 상기 산 발효조(100)에서 산 발효되어 배출되는 제1슬러지의 일부가 제1반송라인(120)을 통해 반송되어 상기 산 발효조(100)로 새로 공급되는 유기성 폐기물과 혼합된다.
즉, 산 발효된 상기 제1슬러지는 하부 배출되어 일부는 초기 투입되는 유기성 폐기물의 산 발효를 촉진하기 위한 미생물접종을 위하여 반송되고, 일부는 메탄 발효조(200)의 가동시간 동안 일정하게 투입된다.
이와 같이 다른 곳에서 발효된 접종물질을 투입하는 것은 발효 개시시에만 필요하며, 발효가 진행되면 발효조에서 배출되는 발효물을 접종물질로 재사용할 수 있으므로 별도의 접종물질의 투입은 불필요하게 된다.
즉, 상기 산 발효조(100)에서 배출되는 발효물(제1슬러지)의 일부를 새로운 유기성 폐기물과 혼합하여 상기 산 발효조(100)로 재투입하는데, 이때 산 발효된 상기 제1슬러지가 새로운 유기성 폐기물과 혼합되어 제1혼합물이 생성되게 된다.
상기 제1반송펌프(121)는 상기 제1반송라인(120)에 설치되어 상기 제1슬러지를 상기 제1혼합기(300)로 펌핑한다.
그리고, 제1공급펌프(311)는 상기 제1혼합기(300)에서 혼합된 제1혼합물이 상기 산 발효조(100)로 공급되기 위해 상기 제1혼합물이 이동하는 제1공급라인(310)에 설치되어 상기 제1혼합물을 상기 산 발효조(100)로 펌핑한다.
즉, 상기 산 발효조(100)에서 배출되어 혐기성 미생물이 배양된 제1슬러지와 새로운 유기성 폐기물이 일정비율로 혼합됨으로써 소화를 촉진시켜 소화조의 용적을 최소화할 수 있고, 소화조 내부에 별도의 소화조 내부의 교반장치 없이 자연적인 흐름으로 소화조 자체에 고장요소를 방지할 수 있다.
따라서, 소화가 덜 된 소화물의 분해를 촉진시켜, 소화조의 안정된 운영 및 바이오가스 생산량을 증대시킬 수 있다.
한편, 상기 메탄 발효조(200)는 상기 산 발효조(100)에서 배출된 제1슬러지에 메탄 발효미생물을 배양하여 상기 제1슬러지가 메탄 발효되는 혐기성 소화조이다.
여기서, 유기성 폐기물의 혐기성 산 발효의 경우 pH가 약 5 내지 7에서 미생물에 의한 분해가 최적화되고, 메탄 발효의 경우 pH가 약 7 내지 8.5에서 미생물에 의한 분해가 최적화되는 특징이 있는데, 바람직하게는 환경변화에 약한 메탄 발효조(200)건인 pH가 약 7.5 내지 8.5가 유지되도록 한다.
상기 제2혼합기(400)는 상기 메탄 발효조(200)에서 메탄 발효되어 배출되는 제2슬러지의 일부가 제2반송라인(210)을 통해 반송되어 상기 메탄 발효조(200)로 공급되는 상기 제1슬러지 및 황화수소제거제와 혼합된다.
즉, 상기 산 발효조(100)에서 일정량 배출된 산 발효된 상기 제1슬러지는 상기 메탄 발효조(200)에서 메탄 발효된 제2슬러지가 되어 배출되는데, 상기 제2슬러지의 일정량이 제2반송라인(210)을 통해 반송되어 상기 산 발효조(100)에서 배출되는 제1슬러지와 제2혼합기(400)에서 일정비율로 혼합된다.
여기서 상기 제2반송펌프(211)는 상기 제2반송라인(210)에 설치되어 상기 제2슬러지를 상기 제2혼합기(400)로 펌핑한다.
이때, 상기 제2혼합기(400)에서 상기 제1슬러지와 제2슬러지가 혼합할 때, 메탄 발효의 저해요소인 황화수소의 농도를 낮추기 위한 황화수소제거제와 함께 혼합되는데, 상기 황화수소제거제는 염화철(FeCl2, FeCl3)인 것이 바람직하다.
이는 유기성 폐기물의 혐기성 발효시 생성되는 혐기성 발효의 진행을 방해하는 황화합물을 황 환원하여 황을 제거하는 것이다.
이와 같이 혐기성 발효에 투입되는 유기성 폐기물에 염화철이 혼합되어 투입되면 유기성 폐기물의 혐기성 발효시에 바이오가스와 더불어 생성되는 황화합물과 염화철이 반응하여 황화철과 염화수소로 황 환원된다. 이렇게 제거된 황은 철염과 황화철의 형태로 고형물로서 침전되어 유기성 폐기물의 혐기성 발효를 방해하지 않게 되며, 후술하는 혐기성 발효된 유기성 폐기물의 탈수 전에 응집하는 응집공정의 효율을 향상시키게 된다.
그리고, 상기 제2공급펌프(411)는 상기 제2혼합기(400)에서 혼합된 제2혼합물이 상기 메탄 발효조(200)로 공급되기 위해 상기 제2혼합물이 이동하는 제2공급라인(410)에 설치되어 상기 제2혼합물을 상기 메탄 발효조(200)로 펌핑한다.
즉, 상기 제1슬러지와 상기 제2슬러지와 황화수소제거제가 상기 제2혼합기(400)에서 혼합되어 제2혼합물이 생성되는데, 상기 제2혼합물이 상기 제2공급펌프(411)를 통해 상기 메탄 발효조(200)에 재공급된다. 상기 메탄 발효조(200)에서 메탄 발효를 통해 유기성 폐기물은 분해되어 바이오가스가 생산되어 메탄발효조의 함수율은 높아지게 되고 슬러지의 유동성은 더욱 향상되는 것이다.
한편, 상기 제3혼합기(500)는 상기 메탄 발효조(200)에서 메탄 발효되어 배출되는 제2슬러지의 일부가 소정의 응집제와 혼합된다. 여기서, 상기 응집제는 수용성 폴리머와 응결제인 것이 바람직하다.
상기 탈수수단(600)은 상기 제3혼합기(500)에서 상기 응집제가 혼합된 상기 제2슬러지가 탈수되어 탈수여액 및 탈수케익으로 분리되어 배출된다.
한편, 상기 산 발효조(100) 및 상기 메탄 발효조(200)의 상단에 구비된 바이오가스 포집수단(700)을 통해 상기 산 발효조(100) 및 상기 메탄 발효조(200)에서 발생하는 바이오가스가 포집된다.
제2실시예
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치를 나타낸 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치는, 상기 탈수수단(600)을 통해 배출되는 상기 탈수여액의 일부가 소화조 내부의 함수율을 조정하기 위해, 즉 발효물의 고형물 농도를 조절하기 위해 상기 제2혼합기(400)로 반송되어 상기 제2혼합기(400)에 재투입될 수 있다.
또한, 상기 탈수수단(600)을 통해 배출되는 상기 탈수케익의 일부가 소화조 내부의 함수율을 조정하기 위해, 즉 발효물의 고형물 농도를 조절하기 위해 상기 제2혼합기(400)로 반송되어 상기 제2혼합기(400)에 재투입될 수 있다.
이를 구체적으로 설명하면, 상기 탈수여액 또는 상기 탈수케익이 반송되어 상기 제2혼합기(400)를 통해 상기 메탄 발효조(200)로 재공급됨으로써 상기 메탄 발효조(200) 내의 고형물 농도를 약 5 내지 35%로 바람직하게는 약 15 내지 25%로 유지시키는 것인데, 고형물 농도가 약 5% 미만이면, 상기 메탄 발효조(200)로 재투입되어 접종물질로서의 기능을 하게 되는 발효물의 고형입자에 붙어 있는 메탄 박테리아의 밀도가 급격하게 감소하게 되어 유기성 폐기물의 혐기성 분해장애를 유발할 수 있고, 고형물 농도가 약 35%를 초과하게 되면, 이동성이 나빠지고 오히려 분해효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
제3실시예
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치를 나타낸 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치는 이물질선별파쇄기(800), 제3공급라인(810) 및 제3공급펌프(811)를 더 포함할 수 있다.
상기 메탄 발효조(200)에서 메탄 발효를 통해 유기물은 분해되어 바이오가스가 생산되어 메탄 발효조(200)의 함수율은 높아지게 되어 슬러지의 유동성은 더욱 향상된다.
상기 메탄 발효조(200) 하부에서 배출된 소화 슬러지는 이물질선별파쇄기(800)에서 이물질(모래, 금속, 뼈 등)을 분리해 내고, 선별된 소화 슬러지는 미세파쇄하여 새로 투입되는 산 발효 슬러지와 혼합되도록 펌프로 이송된다.
이로써, 분해가 덜 된 고형물의 분해를 촉진시켜, 소화조의 안정된 운영 및 바이오가스 생산량을 증대할 수 있고, 배관의 막힘 및 설비의 마모를 최소화하고, 슬러지 입자를 미세화하여 소화조의 효율을 향상시키는 효과가 있고, 슬러지의 유동성 향상으로 소화조에 공급하는 펌프의 동력을 최소화시키는 효과가 있다.
상기 이물질선별파쇄기(800)는 상기 메탄 발효조(200)에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지에 포함된 이물질을 선별하고 파쇄한다.
상기 제3공급라인(810)은 상기 이물질선별파쇄기(800)에서 배출되는 상기 제2슬러지의 일부가 상기 제3혼합기(500)로 공급되기 위해 상기 이물질선별파쇄기(800)와 상기 제3혼합기(500) 사이에 설치되며, 상기 제3공급펌프(811)는 상기 제3공급라인(810)에 설치된다.
이하, 본 발명에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법의 바람직한 실시예들에 대해 상세하게 설명한다.
제1실시예
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법은, 먼저 유기성 폐기물이 산 발효미생물에 의해 산 발효조에서 산 발효되어 제1슬러지가 생성단계(S100)된다. 이어서, 상기 산 발효조에서 산 발효된 상기 제1슬러지의 일부가 제1반송펌프에 의해 제1혼합기에 반송되어 상기 산 발효조로 새로 공급되는 유기성 폐기물과 혼합되어 제1혼합물이 생성(단계S200)된 후, 상기 제1혼합물이 제1공급펌프에 의해 상기 산 발효조에 재공급(단계S300)된다.
그 다음, 상기 산 발효조에서 산 발효된 상기 제1슬러지가 메탄 발효미생물에 의해 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 제2슬러지가 생성(단계S400)되고, 상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지의 일부가 제2반송펌프에 의해 제2혼합기에 반송되어 상기 메탄 발효조로 공급되는 상기 제1슬러지 및 황화수소제거제와 함께 상기 제2혼합기에서 혼합되어 제2혼합물이 생성(단계S500)된 후, 상기 제2혼합물이 제2공급펌프에 의해 상기 메탄 발효조로 재공급(단계S600)된다.
그 다음, 상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지가 제3혼합기에서 응집제와 혼합(단계S700)된 후, 마지막으로 상기 제3혼합기에서 상기 응집제와 혼합된 상기 제2슬러지가 탈수수단에 의해 탈수되어 탈수여액 및 탈수케익으로 분리되어 배출(단계S800)된다.
이때, 상기 산 발효조 및 상기 메탄 발효조의 상단에 구비된 바이오가스 포집수단을 통해 상기 산 발효조 및 상기 메탄 발효조에서 발생하는 바이오가스가 포집되는데, 상기 황화수소제거제는 염화철인 것이 바람직하다.
제2실시예
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법은 상기 탈수수단을 통해 배출되는 상기 탈수케익 또는 탈수여액의 일부가 상기 제2혼합기로 반송되어 상기 제2혼합기에 투입(단계S900)될 수 있다.
제3실시예
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법은 상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지가 이물질선별파쇄기를 통해 상기 제2슬러지에 포함된 이물질이 선별되어 파쇄(단계S620)된 후, 상기 이물질선별파쇄기에서 배출된 상기 제2슬러지가 제3공급펌프에 의해 상기 제3혼합기에 공급(단계S700')될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.
100: 산 발효조 110: 가온수단
120: 제1반송라인 121: 제1반송펌프
200: 메탄 발효조 210: 제2반송라인
211: 제2반송펌프 300: 제1혼합기
310: 제1공급라인 311: 제1공급펌프
400: 제2혼합기 410: 제2공급라인
411: 제2공급펌프 500: 제3혼합기
600: 탈수수단 700: 바이오가스 포집수단
800: 이물질선별파쇄기 810: 제3공급라인
811: 제3공급펌프

Claims (14)

  1. 유기성 폐기물에 산 발효미생물을 배양하여 상기 유기성 폐기물이 산 발효되는 산 발효조;
    상기 산 발효조를 가온하기 위한 가온수단;
    상기 산 발효조에서 산 발효되어 배출되는 제1슬러지의 일부가 제1반송라인을 통해 반송되어 상기 산 발효조로 새로 공급되는 유기성 폐기물과 혼합되는 제1혼합기;
    상기 제1반송라인에 설치되어 상기 제1슬러지를 상기 제1혼합기로 펌핑하는 제1반송펌프;
    상기 제1혼합기에서 혼합된 제1혼합물이 상기 산 발효조로 공급되기 위해 상기 제1혼합물이 이동하는 제1공급라인에 설치되어 상기 제1혼합물을 상기 산 발효조로 펌핑하는 제1공급펌프;
    상기 산 발효조에서 배출된 제1슬러지에 메탄 발효미생물을 배양하여 상기 제1슬러지가 메탄 발효되는 메탄 발효조;
    상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 제2슬러지의 일부가 제2반송라인을 통해 반송되어 상기 메탄 발효조로 공급되는 상기 제1슬러지 및 황화수소제거제와 혼합되는 제2혼합기;
    상기 제2반송라인에 설치되어 상기 제2슬러지를 상기 제2혼합기로 펌핑하는 제2반송펌프;
    상기 제2혼합기에서 혼합된 제2혼합물이 상기 메탄 발효조로 공급되기 위해 상기 제2혼합물이 이동하는 제2공급라인에 설치되어 상기 제2혼합물을 상기 메탄 발효조로 펌핑하는 제2공급펌프;
    상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 제2슬러지에 응집제가 혼합되는 제3혼합기; 및
    상기 제3혼합기에서 상기 응집제가 혼합된 상기 제2슬러지가 탈수되어 탈수여액 및 탈수케익으로 분리되어 배출되는 탈수수단을 포함하되,
    상기 산 발효조 및 상기 메탄 발효조의 상단에 구비된 바이오가스 포집수단을 통해 상기 산 발효조 및 상기 메탄 발효조에서 발생하는 바이오가스가 포집되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지에 포함된 이물질을 선별하여 파쇄하는 이물질선별파쇄기;
    상기 이물질선별파쇄기에서 배출되는 상기 제2슬러지의 일부가 상기 제3혼합기로 공급되기 위해 상기 이물질선별파쇄기와 상기 제3혼합기 사이에 설치된 제3공급라인; 및
    상기 제3공급라인에 설치된 제3공급펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탈수수단을 통해 배출되는 상기 탈수여액의 일부가 상기 제2혼합기로 반송되어 상기 제2혼합기에 투입되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탈수수단을 통해 배출되는 상기 탈수케익의 일부가 상기 제2혼합기로 반송되어 상기 제2혼합기에 투입되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 탈수여액 또는 상기 탈수케익이 반송되어 상기 제2혼합기를 통해 상기 메탄 발효조로 재공급됨으로써 상기 메탄 발효조 내의 고형물 농도가 5 내지 35%로 유지되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 황화수소제거제는 염화철인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 응집제는 수용성 폴리머와 응결제인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치.
  8. a) 유기성 폐기물이 산 발효미생물에 의해 산 발효조에서 산 발효되어 제1슬러지가 생성되는 단계;
    b) 상기 산 발효조에서 산 발효된 상기 제1슬러지의 일부가 제1반송펌프에 의해 제1혼합기에 반송되어 상기 산 발효조로 새로 공급되는 유기성 폐기물과 혼합되어 제1혼합물이 생성되는 단계;
    c) 상기 제1혼합물이 제1공급펌프에 의해 상기 산 발효조에 공급되는 단계;
    d) 상기 산 발효조에서 산 발효된 상기 제1슬러지가 메탄 발효미생물에 의해 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 제2슬러지가 생성되는 단계;
    e) 상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지의 일부가 제2반송펌프에 의해 제2혼합기에 반송되어 상기 메탄 발효조로 공급되는 상기 제1슬러지 및 황화수소제거제와 함께 상기 제2혼합기에서 혼합되어 제2혼합물이 생성되는 단계;
    f) 상기 제2혼합물이 제2공급펌프에 의해 상기 메탄 발효조로 공급되는 단계;
    g) 상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지가 제3혼합기에서 응집제와 혼합되는 단계; 및
    h) 상기 제3혼합기에서 상기 응집제와 혼합된 상기 제2슬러지가 탈수수단에 의해 탈수되어 탈수여액 및 탈수케익으로 분리되어 배출되는 단계를 포함하되,
    상기 산 발효조 및 상기 메탄 발효조의 상단에 구비된 바이오가스 포집수단을 통해 상기 산 발효조 및 상기 메탄 발효조에서 발생하는 바이오가스가 포집되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 메탄 발효조에서 메탄 발효되어 배출되는 상기 제2슬러지가 이물질선별파쇄기를 통해 상기 제2슬러지에 포함된 이물질이 선별되어 파쇄되는 단계; 및
    상기 이물질선별파쇄기에서 배출된 상기 제2슬러지가 제3공급펌프에 의해 상기 제3혼합기에 공급되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 탈수수단을 통해 배출되는 상기 탈수케익의 일부가 상기 제2혼합기로 반송되어 상기 제2혼합기에 투입되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 탈수수단을 통해 배출되는 상기 탈수여액의 일부가 상기 제2혼합기로 반송되어 상기 제2혼합기에 투입되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 탈수여액 또는 상기 탈수케익이 반송되어 상기 제2혼합기를 통해 상기 메탄 발효조로 재공급됨으로써 상기 메탄 발효조 내의 고형물 농도가 5 내지 35%로 유지되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 황화수소제거제는 염화철인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 응집제는 수용성 폴리머와 응결제인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법.
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