KR100983074B1 - 고효율 바이오가스 생산장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혐기성 소화조 내 미생물의 농도를 높게 유지함으로써 유기성폐기물 부하량 및 처리량을 증대시키고 바이오가스 생산효율을 높일 수 있는 고효율 바이오가스 생산장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 고효율 바이오가스 생산장치는 유기성 폐기물을 혐기성 소화시키는 혐기성 소화조와, 상기 혐기성 소화조로부터 배출되는 혐기성 소화액을 상압부상분리하여 처리수와 고형물질로 분리시키고 분리된 고형물질을 상기 혐기성 소화조로 반송시키는 상압부상분리조 및 상기 혐기성 소화조에서 생성된 바이오가스를 미세기포로 변환하고, 미세기포를 상기 상압부상분리조에 공급하는 상압부상용 미세기포 공급수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 바이오가스 생산장치{Apparatus for production of bio-gas}
본 발명은 고효율 바이오가스 생산장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 혐기성 소화조 내 미생물의 농도를 높게 유지함으로써 유기성폐기물 부하량 및 처리량을 증대시키고 바이오가스 생산효율을 높일 수 있는 고효율 바이오가스 생산장치에 관한 것이다.
최근, 음식물 쓰레기, 가축분뇨, 하수 슬러지와 같은 유기성폐기물을 혐기성 소화시켜 메탄 등의 바이오가스를 생산하고 이를 열병합 발전 등에 이용하는 기술이 개발되고 있다. 이와 같이 유기성폐기물로부터 바이오가스를 생산, 이용하는 방법은 바이오가스를 에너지원으로 사용할 수 있다는 점 이외에 환경 오염 부하를 감소시킬 수 있다는 점에서 각광을 받고 있다.
하지만, 이러한 혐기성 소화공정은 산생성 미생물과 메탄생성 미생물의 반응 기작이 관여하는 생물학적 공정임에 따라, 운영조건이 까다로워 최적화된 성능을 발휘하기 위해서는 각별한 주의가 요구된다. 특히, 메탄생성 미생물의 경우에는 호기성 미생물에 비해 생장속도가 매우 느린 이유로, 효과적인 반응을 위해서는 반응조 내의 미생물 유실을 방지하고 미생물의 양을 일정하게 유지시킬 수 있어야 한다.
고농도 유기성폐기물을 처리하는 혐기성 소화조는 일반적으로 상기 언급한 완전혼합형 반응기 형태로서 수리학적 체류시간(HRT)과 슬러지 체류시간(SRT)이 동일하기 때문에 반응조 내 메탄생성 미생물 농도를 일정 수준으로 유지시키기 위해서는 긴 체류시간이 요구되어 소화조의 용량이 커져야 하거나, 정해진 소화조 용량에 대해서 일정 수준 이상의 유기물 부하량 및 바이오가스 생산효율을 기대하기 어려운 문제점이 있다.
이를 해결하기 위한 방안으로, 소화조 후단에 막분리설비나 침전설비를 구비하여 미생물을 농축하고 소화조로 반송함으로써 혐기성 소화 반응조 내 슬러지 체류시간(SRT)을 연장시키는 기술이 적용되고 있다. 그러나, 막분리 공정의 경우 혐기성 소화액에 포함된 다량의 고형성분에 의한 막 표면의 파울링 현상이 심하게 발생하고 운전을 위한 소요동력이 커서 유지, 관리하는데 어려움이 있으며, 침전 공정의 경우는 부유성 물질이 다량 함유되어 있는 혐기성 소화액의 자체 특성으로 인해 침전 현상을 유도하기가 어려운 관계로, 고분자 계열의 난분해성 응집제가 다량 소요되고 침전조에서의 긴 체류시간이 요구되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 혐기성 소화조 내 미생물의 농도를 높게 유지함으로써 유기성폐기물 부하량 및 처리량을 증대시키고 바이오가스 생산효율을 높일 수 있는 고효율 바이오가스 생산장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고효율 바이오가스 생산장치는 유기성 폐기물을 혐기성 소화시키는 혐기성 소화조와, 상기 혐기성 소화조로부터 배출되는 혐기성 소화액을 상압부상분리하여 처리수와 고형물질로 분리시키고 분리된 고형물질을 상기 혐기성 소화조로 반송시키는 상압부상분리조 및 상기 혐기성 소화조에서 생성된 바이오가스를 미세기포로 변환하고, 미세기포를 상기 상압부상분리조에 공급하는 상압부상용 미세기포 공급수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 상압부상용 미세기포 공급수단은, 바이오가스, 기포유도유체 및 기포조제를 혼합, 교반하여 표면 장력에 의해 기포조제가 바이오가스를 감싼 형태의 미세기포를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 기포유도유체는 상기 상압부상분리조에 의해 분리된 처리수일 수 있으며, 상기 기포조제는 계면활성제일 수 있다.
또한, 소화액 응집수단이 더 구비되며, 상기 소화액 응집수단은 상기 혐기성 소화조로부터 혐기성 소화액을 공급받은 상태에서 응집제를 이용하여 혐기성 소화액을 응집하며, 응집된 혐기성 소화액을 상기 상압부상분리조에 공급할 수 있다.
상기 혐기성 소화조와 상압부상분리조는 격벽을 사이에 두고 배치되며, 상기 혐기성 소화조와 상압부상분리조는 공간적으로 서로 연결될 수 있다. 또한, 상기 상압부상분리조에 의해 분리된 고형물질은 상기 격벽 상부를 통해 상기 혐기성 소화조로 이동될 수 있다.
이와 함께, 상기 상압부상분리조에 직접 혐기성 소화액이 공급되고 응집제가 투여되어 상기 상압부상분리조 내에서 혐기성 소화액의 응집 과정을 진행될 수도 있다.
본 발명에 따른 고효율 바이오가스 생산장치는 다음과 같은 효과가 있다.
혐기성 소화조로부터 배출되는 소화액 중 미생물이 다량 포함된 고형물질을 상압부상원리를 이용하여 분리하고 혐기성 소화조에 재투입함으로써 소화조 내 혐기미생물의 농도를 높게 유지시킴에 따라 혐기성 소화장치의 바이오가스 생산효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 일반 공기를 이용하는 통상의 상압부상분리장치와는 달리, 혐기성 소화조에서 생성된 바이오가스를 미세기포(micro-bubble) 형태로 변환하여 이용함에 따라, 소화액 내에 포함된 고형성분의 상압부상분리 효율을 향상시킬 수 있으며, 부상분리된 상등액에 존재하는 고형성분(미생물 농축성분)이 재차 혐기성 소화조로 반송되더라도 일반 공기가 아닌 바이오가스를 상압부상용 가스로 이용함으로 인해 혐기성 소화공정에 악영향을 끼치지 않게 된다.
이와 함께, 미생물 농축 슬러지가 제거된 소화액 부상분리 처리수는 미생물 농축공정을 거치지 않은 소화액에 비해 고형물 및 유기성분의 농도가 낮기 때문에 보다 고품질의 액비로 사용할 수 있으며, 하수연계 공정 및 폐수처리 공정을 적용하더라도 보다 용이하게 경제적으로 정화처리하여 방류할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고효율 바이오가스 생산장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 바이오가스 생산장치의 구성도.
본 발명에 따른 고효율 바이오가스 생산장치는 혐기성 소화조의 미생물 농도를 높여 궁극적으로 바이오가스 생산효율을 향상시킴에 특징이 있다.
세부적으로, 본 발명에 따른 고효율 바이오가스 생산장치는 크게 혐기성 소화조와 상압부상분리조로 구성된다. 상기 상압부상분리조는 상압부상분리 원리를 이용하여 혐기성 소화액을 처리수와 상등액으로 분리하는 역할을 하는데, 상압부상분리를 진행함에 있어 바이오가스가 상압부상분리를 촉진시키는 미세기포(micro-bubble)로 이용된다. 또한, 상기 상압부상분리에 의해 분리된 고형물질 즉, 미생물 농축물질은 혐기성 소화조로 재공급되어 혐기성 소화조의 미생물 농도를 높여 궁극적으로 바이오가스 생성효율을 향상시키는 역할을 한다.
이와 함께, 공기를 이용하는 일반적인 상압부상분리와는 달리 혐기성 소화 장치에 적용이 가능하도록 산소가 포함되지 않은 메탄 등의 바이오가스가 상압부상분리의 미세기포(micro-bubble)로 이용됨에 따라, 미생물 농축물질이 혐기성 소화조에 재공급되더라도 혐기성 소화공정에 악영향을 끼치지 않게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 바이오가스 생산장치를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 따른 고효율 바이오가스 생산장치의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 바이오가스 생산장치의 구성도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 바이오가스 생산장치는 혐기성 소화조(110)와 상압부상분리조(120)를 포함하여 구성된다.
상기 혐기성 소화조(110)는 유기성폐기물을 혐기성 소화시켜 바이오가스를 생성함과 함께 혐기성 소화액을 배출하는 장치이며, 상기 상압부상분리조(120)는 상압부상분리 원리를 이용하여 혐기성 소화액을 처리수와 미생물 농축물질인 고형물질로 분리하는 역할을 한다. 본 발명에서 상압부상분리라 함은 응집제 주입을 통해 응집 반응시킨 혐기성 소화액에 바이오가스, 기포유도유체, 기포조제를 이용하여 대기압 하에서 생성한 미세기포(micro-bubble)를 부착시켜 미세기포의 부력의 원리를 통해 혐기성 소화액 내의 고형물질을 부상시킴에 따라 고형물질과 처리수를 분리하는 것을 의미하는 것으로서, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다. 여기서, 상기 미세기포는 바이오가스가 액체의 의해 둘러싸인 마이크로 크기의 미세기포로서 후술하는 상압부상용 미세기포 공급수단(140)에 의해 제조되어 상기 상압부상분리조(120)에 공급된다.
전술한 바와 같이, 상압부상분리조(120)에는 응집된 혐기성 소화액과 미세기포가 공급되어 상압부상분리가 진행되는데, 혐기성 소화액의 응집 및 미세기포의 공급을 위해 각각 소화액 응집수단(130) 및 상압부상용 미세기포 공급수단(140)이 더 구비된다.
상기 소화액 응집수단(130)은 상기 혐기성 소화조(110)로부터 혐기성 소화액을 공급받은 상태에서 응집제를 이용하여 혐기성 소화액을 응집하며, 응집된 혐기성 소화액은 상기 상압부상분리조(120)에 공급된다. 이 때, 상기 소화액 응집수단(130)은 라인 믹서(line mixer)로 구성될 수 있으며, 이 경우 별도의 동력없이 혐기성 소화액과 응집제를 혼합할 수 있다. 또한, 상기 응집제는 혐기성 미생물에 대한 저해작용이 미미하고, 생분해가 가능한 고분자 유기 성분 물질을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 상압부상용 미세기포 공급수단(140)은 상기 혐기성 소화조(110)로부터 바이오가스를 공급받아 이를 미세기포로 변환시키고 미세기포를 상기 상압부상분리조(120)에 공급하는 역할을 하는데, 바이오가스가 미세기포로 변환되는 과정은 다음과 같다.
미세기포 형성을 위해 상기 상압부상용 미세기포 공급수단(140)에는 바이오가스 이외에 기포유도유체 및 기포조제가 공급된다. 상기 기포유도유체는 상기 부상분리조에 의해 분리된 처리수일 수 있으며, 상기 기포조제는 별도의 설비를 통해 공급되며 일 예로 계면활성제가 이용될 수 있다. 상기 상압부상용 미세기포 공급수단(140)에 바이오가스, 기포유도유체 및 기포조제가 공급된 상태에서 이를 혼합, 교반하면 표면 장력에 의해 기포조제가 바이오가스를 감싼 형태의 미세기포가 형성된다. 이 때, 상기 기포조제는 기포화 물질에 해당된다. 또한, 상기 미세기포는 별도의 가압이 요구되지 않으며, 대기압(상압) 하에서 형성된다. 이와 같은 과정을 통해 형성된 미세기포는 기포유도유체인 처리수와 함께 상기 상압부상분리조(120)에 공급된다.
한편, 상기 상압부상분리조(120)에서의 상압분리과정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 상기 상압부상분리조(120)에 상기 소화액 응집수단(130)에 의해 응집된 혐기성 소화액이 공급됨과 함께 상기 상압부상용 미세기포 공급수단(140)으로부터 미세기포가 공급되면, 미세기포는 혐기성 소화액 내의 응집된 고형물질에 부착되어 고형물질과 함께 부상되며 이를 통해 고형물질과 처리수가 분리된다. 이 때, 상기 상압부상분리조(120)는 대기압 하에 노출된 상태를 유지한다.
상기 상압부상분리조(120)를 통해 분리된 처리수는 처리수조로 이송되며, 분리된 고형물질은 혐기성 소화조(110)로 공급된다. 이 때, 상기 상압부상분리조(120)에 의해 분리되어 상기 혐기성 소화조(110)로 공급되는 고형물질은 미생물이 응집된 미생물 농축물질임에 따라, 혐기성 소화조(110) 내의 미생물 농도가 높아지며, 궁극적으로 유기성 부하량 및 처리량을 증대되어 바이오가스의 생산효율이 향상된다.
한편, 상기 혐기성 소화조(110)와 상압부상분리조(120)를 설계함에 있어서, 격벽(112)을 사이에 두고 상기 혐기성 소화조(110)와 상압부상분리조(120)를 이웃하여 배치시키고, 상기 혐기성 소화조와 상압부상분리조를 공간적으로 서로 연결시킬 수 있다. 즉, 외부 공간과 밀폐된 하나의 반응조 내에 격벽을 기준으로 혐기성 소화조와 상압부상분리조가 분리, 구비될 수 있다. 이와 같은 구조는 상압부상분리 과정과 혐기성 소화 과정을 연속적으로 진행하기 위함이다. 구체적으로, 상기 상압부상분리조에 의해 분리된 고형물질이 상기 격벽 상부를 통해 상기 혐기성 소화조로 이동되도록 함으로써 상압부상분리 과정과 혐기성 소화 과정이 연계되도록 하여 공정 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 상압부상분리조의 고형물질이 상기 혐기성 소화조로 이동됨에 있어서, 격벽 상부를 통해 자연유하되도록 함에 따라 고형물질 이동을 위한 별도의 이동수단이 요구되지 않는다. 이에 따라, 이동수단의 설치 및 유지관리 비용이 절감되고, 운영 및 유지관리가 용이해 질 수 있다.
또한, 상술한 바에 있어서 소화액 응집수단(130)을 통해 혐기성 소화액이 응집됨을 기술하였으나, 상기 상압부상분리조(120)에 직접 혐기성 소화액을 공급하고 응집제를 투여하여 상기 상압부상분리조(120) 내에서 혐기성 소화액의 응집 과정을 진행할 수도 있다. 이 경우, 상기 상압부상분리조(120)는 상압부상분리의 역할과 함께 혐기성 소화액의 응집 공간을 제공한다.
본 발명에 있어서, 종래의 공기를 이용하는 방식과는 달리 상압부상분리의 유도 가스로서 바이오가스가 이용되고 바이오가스가 미세기포 형태로 공급됨에 따라, 상압부상분리조(120)에 의해 분리된 고형성분이 재차 혐기성 소화조(110)에 공급되더라도 해당 고형성분에 의해 혐기성 소화공정이 저해되지 않게 된다. 혐기성 소화공정은 혐기 상태가 유지되어야 하는데, 공기를 이용하게 되면 혐기성 소화조(110) 내에 공급되는 고형성분에 의해 산소 성분이 부착되어 무산소 조건이 유지되어야 하는 혐기성 소화에 악영향을 끼칠 수 있으며, 외부 물질이 혐기성 소화조(110)에 추가로 유입될 경우 밀폐된 소화조 내의 순간적인 압력 불균형 및 불안정 문제가 발생할 수 있다.
110 : 혐기성 소화조 120 : 상압부상분리조
130 : 소화액 응집수단 140 : 상압부상용 미세기포 공급수단

Claims (8)

  1. 유기성 폐기물을 혐기성 소화시키는 혐기성 소화조;
    상기 혐기성 소화조로부터 배출되는 혐기성 소화액을 상압부상분리하여 처리수와 고형물질로 분리시키고 분리된 고형물질을 상기 혐기성 소화조로 반송시키는 상압부상분리조; 및
    상기 혐기성 소화조에서 생성된 바이오가스를 이용하여 미세기포(micro-bubble)로 형성하고, 형성된 미세기포를 상기 상압부상분리조에 공급하는 상압부상용 미세기포 공급수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고효율 바이오가스 생산장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상압부상용 미세기포 공급수단은,
    바이오가스, 기포유도유체 및 기포조제를 혼합, 교반하여 표면 장력에 의해 기포조제가 바이오가스를 감싼 형태의 미세기포를 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 바이오가스 생산장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 기포유도유체는 상기 상압부상분리조에 의해 분리된 처리수인 것을 특징으로 하는 고효율 바이오가스 생산장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 소화액 응집수단이 더 구비되며,
    상기 소화액 응집수단은 상기 혐기성 소화조로부터 혐기성 소화액을 공급받은 상태에서 응집제를 이용하여 혐기성 소화액을 응집하며, 응집된 혐기성 소화액을 상기 상압부상분리조에 공급하는 것을 특징으로 하는 고효율 바이오가스 생산장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 혐기성 소화조와 상압부상분리조는 격벽을 사이에 두고 배치되며, 상기 혐기성 소화조와 상압부상분리조는 공간적으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 고효율 바이오가스 생산장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 상압부상분리조에 의해 분리된 고형물질은 상기 격벽 상부를 통해 상기 혐기성 소화조로 이동되는 것을 특징으로 하는 고효율 바이오가스 생산장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 상압부상분리조에 직접 혐기성 소화액을 공급되고 응집제가 투여되어 상기 상압부상분리조 내에서 혐기성 소화액의 응집 과정을 진행되는 것을 특징으로 하는 고효율 바이오가스 생산장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 소화액 응집수단은 라인믹서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고효율 바이오가스 생산장치.
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