KR100998604B1 - 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극초단파를 이용하여 혐기성 소화의 온도조건을 유지하면서 기존 재래식 가열 방식의 혐기성 소화보다 많은 메탄(CH₄)을 발생시킬 수 있는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치에 관한 것이다.

본 발명은 극초단파를 혐기성 소화의 열원으로 이용하여 소화조를 가열하고, 중온 및 고온 혐기성 소화 온도를 유지할 수 있음은 물론 사용자가 원하는 온도를 실온 이상에서 유지할 수 있는 새로운 형태의 혐기성 소화 가열방식을 구현함으로써, 극초단파가 순간적으로 침투하여 발열하기 때문에 열전도에 필요한 시간이 불필요해져 단시간에 가열시킬 수 있고, 유기성 폐기물의 각 부가 동시에 발열되기 때문에 형상에 상관없이 비교적 균일하게 발열시킬 수 있는 등 높은 열효율을 얻을 수 있는 한편, 극초단파를 혐기성 소화의 전처리 및 열원으로 동시에 이용하는 새로운 공정방식을 구현함으로써, 전처리 부분에서 극초단파가 혐기성 소화 단계 중 첫 번째 단계인 가수분해 단계에 관여하여 하수 슬러지에 존재하는 부유물 또는 미생물 덩어리의 가수분해 속도를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 혐기성 소화조 내 체류시간을 짧게 하여 단시간에 혐기성 소화를 이루며, 극초단파의 비열적 효과 또한 얻을 수 있기 때문에 효율적으로 바이오가스를 생산할 수 있는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치를 제공한다.

하수 슬러지, 유기성 폐기물, 혐기성 소화, 가열 장치, 극초단파, 소화조, 바이오가스

Description

극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치{Microwave-heating anaerobic digester}

본 발명은 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 극초단파를 이용하여 혐기성 소화의 온도조건을 유지하면서 기존 재래식 가열 방식의 혐기성 소화보다 많은 메탄(CH₄)을 발생시킬 수 있는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치에 관한 것이다.

현재 하수슬러지는 단순매립과 해양투기 등의 방법에 의존해 대부분 처리하여 왔으나, 2003년 7월 1일부터 「폐기물 관리법 시행규칙」제8조 관련 별표4의 규정에 의해 시설용량 1만 톤/일 이상 하ㆍ폐수종말처리시설 발생 슬러지의 직매립이 금지되어 저렴한 해양투기로 전환됨에 따라 해양오염이 가중되었고, 이에 해양수산부에서는 2006년 2월에 해양배출기준을 대폭 강화하여 제1기준을 초과하는 슬러지는 2008년 8월부터, 제2기준을 초과하는 슬러지는 2012년 1월부터 해양 배출을 금 지토록 함으로써, 슬러지 처리처분의 근본적인 해결책인 슬러지 감량화가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

하수 슬러지의 감량화 방법 중의 하나인 혐기성 소화 처리는 예전부터 기술이 확립되어 발전되어 오고 있는 전통적인 기술로서, 비교적 기온이 온난한 지역에서 액상 및 반고상 폐기물의 처리에 이용되었다.

혐기성 소화 처리는 일명 "메탄발효"라고도 하며, 공정이 간단하고 에너지 소비와 소화 슬러지 생성량이 적고 에너지 회수가 가능하다는 장점을 가지고 있다.

대부분의 공정에서 고형물의 함량이 10% 이내인 것에 적용되고 있으며, 최근의 기술발전에 의하여 고형물이 25% 전후인 고형상 폐기물에도 적용이 시도되고 있다.

최근의 지속적인 하수종말처리장 건설과 더불어 증가하고 있는 하수 슬러지는 하수도 보급률 제고, 하수관 정비 및 분류식 관거 도입확대 등에 따라 향후 단위 하수처리량당 슬러지 발생량의 증가 뿐 아니라 하수 슬러지의 발생총량도 증가될 전망이다.

그로 인해 슬러지 발생량의 증가로 하수 슬러지처리가 국가적인 문제로 부각되고, 육상 직매립의 금지 및 국제적인 해양배출 규제동향에 따라 안정적이고 경제적인 하수 슬러지의 처리, 재이용, 자원화가 대두되고 있다.

따라서, 하수 슬러지의 자원화와 재이용을 향상시키기 위한 하나의 방법으로 가열을 통한 혐기성 소화로 발생되는 하수 슬러지의 메탄가스를 자원으로 활용하는 방법이 일부 제시되고 있다.

그러나, 기존에 사용되었던 혐기성 소화 열처리 방법은 재래식 가온에 의한 열처리 방법으로서, 에너지 손실의 문제점과 단시간에 가열되지 않는 등의 문제점을 가지고 있고, 이로 인해 메탄가스를 자원으로 활용하는 측면에서 효율성이 떨어지는 단점이 있다.

한편, 최근에는 슬러지의 탈수 및 건조 특성 향상을 위해 혐기성 소화 이전에 전처리 단계로 2,450 MHz의 극초단파를 이용한 가열 방식이 시도되고 있는데, 이 방식은 가열시간이 짧으며 열효율이 높고 소화효율 향상(소화 가스량의 증대, 유기물 부하 감소, 부하 감소, 부피 감소, 탈수성능 증가, 병원균 감소, 악취 감소 등)을 기대할 수 있는 등 혐기성 소화를 보다 활성화시켜주는 장점을 가지고 있다.

또한, 극초단파 가열 방식은 오래전부터 식료품의 제조, 광석과 펄프의 건조, 고무의 가황공정 등에 상업적으로 이용되고 있으며, 폐기물의 처리, 유기물의 합성, 무기물의 분해, 세라믹의 소결과 접합, 청정합성 등에 이용해 보려는 시도가 활발히 진행되고 있다.

최근 나노기술의 발전으로 학문간 제휴 및 기술 산업간의 교류가 요구되므로, 극초단파를 통한 유기금속, 중간화합물, 다양한 무기물질, 나노물질의 합성 및 응용에 대한 연구들이 진행되고 있다.

따라서, 본 발명은 고농도의 유기성 폐기물을 극초단파로 가열하여 혐기성 소화로 발생되는 메탄가스를 자원화할 수 있는 장치를 그 안출의 대상으로 한다.

본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 극초단파를 혐기성 소화의 열원으로 이용하여 소화조를 가열하고, 중온 및 고온 혐기성 소화 온도를 유지할 수 있음은 물론 사용자가 원하는 온도를 실온 이상에서 유지할 수 있는 새로운 형태의 혐기성 소화 가열방식을 구현함으로써, 극초단파가 순간적으로 침투하여 발열하기 때문에 열전도에 필요한 시간이 불필요해져 단시간에 가열시킬 수 있고, 유기성 폐기물의 각 부가 동시에 발열되기 때문에 형상에 상관없이 비교적 균일하게 발열시킬 수 있는 등 높은 열효율을 얻을 수 있으며, 이에 따라 효율적으로 바이오가스를 생산할 수 있는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 극초단파를 혐기성 소화의 전처리 및 열원으로 동시에 이용하는 새로운 공정방식을 구현함으로써, 전처리 부분에서 극초단파가 혐기성 소화 단계 중 첫 번째 단계인 가수분해 단계에 관여하여 하수 슬러지에 존재하는 부유물 또는 미생물 덩어리의 가수분해 속도를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 혐기성 소화조 내 체류시간을 짧게 하여 단시간에 혐기성 소화를 이루며, 극초단파의 비열적 효과 또한 얻을 수 있기 때문에 더욱 효율적으로 바이오가스를 생산할 수 있는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치는 혐기성 소화에 필요한 극초단파를 제공하는 극초단파 발생기, 상기 극초단파 발생기의 내부에 설치되고 유기성 폐기물이 들어 있으며 혐기성 소화 반응을 일으키는 혐기성 소화조, 상기 혐기성 소화조에 배관을 통해 연결되어 혐기성 소화의 산물인 메탄가스를 포집하는 가스 저장조, 상기 혐기성 소화조의 내부까지 연장 설치되어 혐기성 소화조 온도를 측정하는 온도 센서, 상기 온도 센서의 검출 온도 값을 제공받아 극초단파 발생기의 작동 유무를 제어하는 소화조 제어기 등을 포함하는 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치는 소화조 제어기와 직접 연결되어 제어기 측에서 제공한 온도변화를 표시하고, 온도에 따른 극초단파 발생기의 작동 유무를 관장하는 소화조 제어기에 제어신호를 출력하는 컴퓨터를 더 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 극초단파 발생기에서 발생시킨 극초단파는 혐기성 소화조의 내부에 들어 있는 유기성 폐기물에 대한 전처리와 열원으로 동시에 이용될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 극초단파를 이용하는 혐기성 소화는 재래식 가열 혐기성 소화에 비교하여 형상에 관계없이 모든 부분이 균일하게 가열되는 특징을 가지고 있으며, 극초단파가 순간적으로 침투하여 발열하기 때문에 열전도에 필요한 시 간이 불필요해져 기존의 재래식 가열(Conventional heating)에 비해 짧은 시간에 가열될 수 있고, 유기성 폐기물이 발열체가 되어 주위 공기로의 열손실이 없이 높은 열효율을 얻을 수 있다.

또한, 극초단파를 혐기성 소화의 전처리 및 열원으로 동시에 이용함으로써, 극초단파가 유기성 폐기물에 존재하는 부유물 또는 미생물 덩어리의 가수분해 속도를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 혐기성 소화조 체류시간을 짧게 하여 단시간에 혐기성 소화를 이룰 수 있으며, 극초단파의 비열적 효과를 통해 기존 재래식 가열에 비해 더 효율적인 바이오가스를 생산할 수 있다.

특히, 본 발명에서 제공하는 혐기성 소화 장치는 전체 공정의 변경을 요하는 것이 아니기 때문에 기존의 혐기성 소화시설에 적용이 용이하고, 또 유기성 폐기물이 대량으로 발생하는 곳에 본 발명의 혐기성 소화 장치를 이용한 혐기성 소화시설을 설치하면 보다 많은 메탄을 생산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종전의 경우 소화율을 높이기 위해 혐기성 소화조 전단에 전처리 시설을 추가로 건설해 왔는데, 본 발명은 한 소화조에서 가열과 동시에 유기성 폐기물의 전처리를 할 수 있는 등 불필요한 전처리 시설을 없애는 동시에 바이오 가스 생산량 증가를 가져올 수 있는 효과가 있고, 궁극적으로는 기후 협약과 관련하여 신재생에너지가 중요한 현 시점에서 충분한 시장성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치를 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 혐기성 소화 장치는 기존의 가열방식인 재래식 가열방식에서 벗어나, 극초단파를 이용한 가열방식을 적용한 것으로서, 극초단파를 이용한 유기성 폐기물의 전처리뿐만 아니라 극초단파를 혐기성 소화의 열원으로 이용하여 소화조의 가열 및 온도유지에 전반적으로 관여하는 장치이다.

이를 위하여, 혐기성 소화에 필요한 극초단파를 제공하는 극초단파 발생기(10)가 구비되고, 상기 극초단파 발생기(10)의 내부에는 2차 슬러지와 식종 슬러지를 적절한 비율로 혼합한 유기성 폐기물을 일정량 담고 있는 혐기성 소화조(11)가 설치된다.

여기서, 유기성 폐기물은 하수 슬러지, 축산분뇨, 음식물류 폐기물 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 극초단파 발생기(10)의 내부에는 혐기성 소화조(11)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(14)가 설치되며, 이때의 온도 센서(14)는 혐기성 소화조(11)에 담겨 있는 유기성 폐기물의 내부까지 연장되는 형태로 배치된다.

또한, 상기 극초단파 발생기(10)의 외부 일측에는 혐기성 소화의 산물인 메탄가스를 포집하기 위한 가스 저장조(13)가 배치되며, 이 가스 저장조(13)에서부터 연장되는 튜브 등의 배관(12)은 극초단파 발생기(10)의 내부에 있는 혐기성 소화조(11)의 내부까지 연장 위치되어 소화조 상부에 있는 메탄가스가 배관(12)을 통해 가스 저장조(13)로 유입될 수 있게 된다.

특히, 상기 배관(12)상에는 밸브(17)가 설치되어 있으며, 이에 따라 적절한 시기에 밸브(17)를 잠근 다음, 가스 저장조(13)에 포집되어 있는 가스를 뽑아서 측정 및 분석을 할 수 있다.

또한, 상기 혐기성 소화조(11)에서 혐기성 소화가 이루어지는 동안에 소화조 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(14)가 구비되며, 이때의 온도 센서(14)는 혐기성 소화조(11)의 내부에 채워져 있는 유기성 폐기물 내부까지 연장되는 형태로 설치된다.

특히, 상기 온도 센서(14)는 내부가 진공상태로 되어 있는 기다란 막대 형태로 이루어져 있으며, 백금으로 제작되어 있는 끝부분을 이용하여 온도를 측정할 수 있으므로, 극초단파의 영향을 최대한 배제할 수 있다.

예를 들면, 상기 온도 센서(14)는 PT-100 이라는 온도 센서를 본 발명에 맞추어 사용할 수 있도록 하기 위해 특별히 모양과 길이를 조정하여 제작한 것으로서, 온도 측정 시 극초단파의 영향을 받지 않도록 하기 위해 백금저항체를 사용하여 제작하였다.

기존의 시중품들은 길이 전체 부분에서 온도를 감지하게 되지만, 본 발명에서 제공하는 온도 센서는 센서의 하단부분에서만 온도를 측정할 수 있기 때문에 극초단파 발생기(10)의 내부에 위치되어도 극초단파에 의한 영향을 거의 받지 않고 혐기성 소화조(11)의 내부 온도를 측정할 수 있다.

또한, 상기 극초단파 발생기(10)의 작동 유무를 제어하기 위한 수단으로 소화조 제어기(15)가 제공된다.

상기 소화조 제어기(15)는 극초단파 발생기(10) 및 후술하는 컴퓨터(16)와 전기적으로 접속되어 있으며, 온도 센서(14)로 부터 제공받은 온도 값에 따라 극초단파 발생기(10)의 작동을 제어하는 역할은 한다.

여기서, 상기 소화조 제어기(15)와 컴퓨터(16) 간의 접속은 USB 포트 등을 이용하여 간단하게 연결될 수 있다.

이때, 상기 소화조 제어기(15)의 경우 덮개 형식의 차단막(18)으로 둘러싸여 있어서 극초단파 발생기(10)에서 나오는 극초단파의 영향을 거의 받지 않게 되고, 결국 보다 정확하고 안정적인 제어기능을 수행할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 혐기성 소화의 온도에 따라 극초단파 발생기(10)의 작동 유무를 관장하는 소화조 제어기(15)에 제어신호를 출력하는 컴퓨터(16)를 제공한다.

상기 컴퓨터(16)는 랩뷰(Labview) 프로그램을 갖추고 있으며, 이러한 랩뷰 프로그램을 통해 혐기성 소화조(11)의 온도를 실시간으로 나타낼 수 있고, 온도를 그래프화하여 누적 온도변화를 나타낼 수 있다.

이때의 디스플레이 방식은 컴퓨터에 속해 있는 모니터 등을 이용할 수 있다.

상기 컴퓨터(16)의 랩뷰 프로그램을 이용하여 중온 및 고온 혐기성 소화 온도를 유지할 수 있을 뿐 아니라, 실온보다 높은 온도 중 사용자가 원하는 온도를 유지할 수 있다.

즉, 컴퓨터(16)는 자체의 랩뷰 프로그램을 통해 설정된 혐기성 소화 온도를 제어할 수 있고, 이때의 출력되는 제어신호가 소화조 제어기(15)에 제공되며, 결국 극초단파 발생기(10)를 제어할 수 있다.

또한, 상기 랩뷰 프로그램의 경우, 혐기성 소화조(11)의 온도변화에 자동적으로 극초단파 발생기(10)의 가동 유무를 결정할 수 있고, 특히 과열 등과 같은 이상 여부 발생 시 강제적으로 극초단파 발생기(10)의 가동 유무를 결정할 수 있는 기능을 갖는다.

따라서, 혐기성 소화조(11)에 폐활성 슬러지와 식종 슬러지를 적절한 혼합비로 투입하고, 혐기성 소화조(11)의 상단에 온도를 측정하기 위한 온도 센서(14)와 발생한 바이오가스를 가스 저장조(13)로 이동시키기 위한 배관(12)을 설치한다.

이때의 슬러지는 하수처리장에서 채취한 2차 슬러지와 혐기성 소화조 내의 혐기 미생물을 사용할 수 있다.

상기 가스 저장조(13)는 혐기성 소화조(11)에 연결된 배관(12)과 밸브(17)를 통해 연결되어 있으며, 혐기성 소화가 진행되면서 혐기성 소화조(11)에서 발생되는 바이오가스를 가스 저장조(13)에 포집해 두었다가 일정하게 정해 놓은 채취시간에 포집된 가스를 채취하여 가스의 성분 분석 및 발생량 측정을 할 수 있게 된다.

본 발명에서 제공하는 극초단파 발생기(10)는 일반 전자레인지(발진주파수 2,450 MHz, 정격고주파출력 700 W)를 개조한 형태의 것을 적용할 수 있다.

이러한 극초단파 발생기(10)의 작동을 조절하기 위해 제작한 소화조 제어기(15)는 컴퓨터(16)와 USB 포트를 통해 서로 연결된다.

극초단파 발생기(10)의 가동 여부를 결정하는 기준은 혐기성 소화 시의 온도로서, 소화조 제어기(15)와 직접 연결되어 있는 온도 센서(14)에서 측정한 온도가 설정온도보다 낮을 때는 가동되고, 높을 때는 가동을 중지하게 된다.

예를 들면, 후술하는 랩뷰 프로그램의 실행을 통해 중온 혐기성 소화 온도인 35±1℃를 유지할 수 있도록 최고 온도와 최저 온도를 각각 36℃와 34℃로 설정하였으며, 이 설정 값은 측정온도가 36℃에서 극초단파 발생기(10)의 작동을 멈추게 하며, 34℃보다 낮은 경우에는 재작동을 하게 해준다.

여기서, 사용자가 설정한 혐기성 소화조(11)의 적정 온도범위를 판단하도록 하기 위해 컴퓨터(16)의 랩뷰 프로그램을 사용하였다.

즉, 혐기성 소화조(11)의 제어를 위해 전자회로판인 소화조 제어기(15)를 사용하여 극초단파 발생기(10)와 컴퓨터(16)를 연결하는 한편, 혐기성 소화조(11) 내부의 유기성 폐기물 온도를 측정하기 위한 온도 센서(14)를 소화조 제어기(15)에 연결하였다.

이렇게 연결된 온도 센서를 통해 측정된 온도 값은 랩뷰 프로그램을 통해 컴퓨터 화면에 그 값을 출력시켰으며, 중온 혐기성 소화온도 35±1℃를 유지할 수 있도록 랩뷰 프로그램을 설정하였다.

이때, 랩뷰 프로그램을 이용하여 설정 온도와 측정 온도를 비교한 후, 해당 제어신호를 출력하는 방법 등은 당해 기술 분야에서 통상적으로 알려져 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.

본 발명에서 가장 중요한 부분은 온도유지 부분으로서, 랩뷰 프로그램은 사용자가 지정한 적정 온도범위를 온도 기준으로 설정하고, 설정된 온도 기준에 따라 극초단파 발생기의 가동여부를 판단할 수 있게 된다.

본 발명의 비교 평가를 위하여, 재래식 가열을 이용한 혐기성 소화조를 운전하였다.

재래식 가열방법은 수욕조 상에서 가열하는 방식으로, 본 발명과 바이오가스의 발생량을 비교하기 위해 혐기성 소화 온도를 수욕조를 이용해 유지하는 것 외에는 극초단파 가열 혐기성 소화조에서 사용한 동일한 조건으로 재래식 가열 혐기성 소화조를 운전하였다.

여기서, 발생된 바이오 가스분석은 Gas Chromatography(GC)를 이용하였다.

이하, 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 공정 전체 기간 동안에 극초단파를 이용하여 중온 혐기성 소화온도(35±1℃)를 유지시켜주는 혐기성 소화조를 개발하여 혐기성 소화를 진행시키고, 그에 따른 결과들을 재래식 가열방법으로 혐기성 소화를 하였을 때의 결과와 비교 분석함으로써, 극초단파가 혐기성 소화에 어떠한 영향을 주는지에 대해 평가하고자 하였다.

본 발명의 실시 예에 쓰인 슬러지는 강원도 춘천시 근화동에 소재하고 있는 춘천하수처리장에서 2차 슬러지와 혐기성 소화조에서 식종 슬러지를 함께 채취하여 실험을 하였으며, 2차 슬러지와 식종 슬러지를 2 mm 체에 걸러 사용하였다.

사용한 식종 슬러지 및 2차 슬러지의 총 고형물(Total Solids ; TS) 농도는 15,985±247 mg/l, 20,935±544 mg/l, 휘발성 고형물(Volatile Solids ; VS) 농도는 9,450±269 mg/l, 15,055±431 mg/l, pH는 6.80, 6.22로 나타났다(표 1)

본 발명의 실시 예에 사용한 극초단파 혐기성 소화조를 도 1에 나타내었다.

열공급장치인 극초단파 혐기성 소화조는 주파수 2,450 MHz, 최대 정격 고주파출력 700 W인 LG 전자(MW-272LB)의 가정용 전자레인지를 사용하였으며, 온도를 35℃로 유지하기 위해 제어 가능한 도 3의 회로도와 랩뷰 프로그램을 사용하였다.

극초단파 혐기성 소화조의 효율성을 평가하기 위해 수욕조를 이용한 재래식 가열 혐기성 소화조에서 중온 혐기성 소화를 실시하였으며, 그 결과와 비교 분석하기 위해 동시에 같은 시료의 조건을 실험을 실시하였다.

소화에 사용된 시료병은 전체 부피가 500 ml로 식종 슬러지와 2차 슬러지의 혼합비는 3 : 7(식종 슬러지 90 ml, 2차 슬러지 210 ml)로 하여 유효부피 300 ml로 하여 실험을 하였다.

시료조사항목은 TS, VS, pH, GC를 이용한 가스 분석 및 휘발성 유기산(volatile fatty acids, VFAs) 등 총 5개 항목에 대하여 조사하였다(표 2).

여기서, pH는 pH미터기(istek pH meter 735P)를 이용하여 측정하였고, TS는 105℃의 드라이 오븐에 24시간 이상 건조시켜 충분히 수분이 증발되도록 한 후에 측정하였으며, VS는 550℃의 노에서 30분간 태운 후에 방냉시켜 측정하였다.

실험에 사용한 GC는 Agilent Technologies GC(모델 : 7890A)으로써 VFAs 측정 시 FID검출기를 사용하였고, 오븐온도는 260℃ 등온조건으로 운전하였다.

또한, 주입부 및 검출부의 온도는 각각 250℃와 280℃로 하였다.

사용한 컬럼은 HP-INNOWAX(30 m, 0.25 mm, 0.25 ㎛)를 사용하였으며, 이동상 가스는 헬륨가스를 이용하였다.

가스 측정시 TCD검출기를 사용하였고, 오븐온도는 40℃ 등온조건으로 운전하였다.

사용한 컬럼은 Alltech(12 m, 0.125 mm, 0.085 ㎛)를 사용하였으며, 이동상 가스는 헬륨가스를 이용하였다.

극초단파를 이용한 소화조와 재래식 가열 소화조의 혐기성 소화가 진행된 이후의 슬러지를 GC를 이용하여 소화 전 후의 각각 VFAs와 성상 분석, 메탄수율을 계산하였으며, 그 값을 표 3에 나타내었다.

VS의 경우 재래식 가열 소화조 유출수는 8.093±85 mg/l, 극초단파 소화조 유출수는 7,953±104 mg/l로, VS 제거효율이 40%와 41%로 비슷한 효율을 보였으나, 재래식 가열 소화조에 비해 극초단파 소화조에서 383 ml 더 많은 바이오 가스발생량을 보였다(표 3).

도 2는 메탄 발생량을 누적그래프로 나타낸 것이다.

초기에는 재래식 가열방법의 혐기성 소화 방법이 많은 양의 메탄가스를 생성하였지만, 6일 이후에는 극초단파 소화조에서 더 많은 누적 메탄가스가 생성되었으며, 시간이 지날수록 본 발명의 메탄 생성량이 증가하여 최종적으로 재래식 가열방법에 비해 약 1.5배의 메탄가스를 더 생성하였음을 볼 수 있다.

이는 극초단파를 혐기성 소화에 이용할 경우 극초단파를 이용한 유기성 폐기물의 전처리뿐만 아니라, 극초단파를 혐기성 소화의 열원으로 이용하기 때문에 열적 효과와 비열적 효과의 두 가지 효과를 얻을 수 있어, 메탄가스량이 증가한 것으로 판단된다.

따라서, 재래식 가열 혐기성 소화보다 본 발명의 혐기성 소화가 더 효율적인 메탄가스 생성 방법이라 할 수 있다.

재래식 가열 소화조에 비해 극초단파를 이용한 혐기성 소화조에서 g VS 제거량당 발생하는 메탄가스량은 0.28, 0.41 1 CH₄ / g VS removal로 극초단파를 이용한 혐기성 소화가 더 높음을 나타내었으며, 이는 비교적 슬러지 성상이 비슷한 시료로 재래식 가열 소화조를 이용하여 혐기성 소화 실험을 실행한 다른 연구에서의 0.276 ~ 0.36 1 CH₄ / g VS removal, 0.125 1 CH₄ / g VS removal 결과보다도 높은 값임을 알 수 있었다.

표 3에 나타난 혐기성 소화 전후에 VFAs를 살펴보면, 재래식 가열 소화조를 이용한 혐기성 소화와 극초단파를 이용한 혐기성 소화 두 경우 모두 소화 후에 소량의 아세트산을 제외한 다른 산은 측정되지 않았으며, 이는 혐기성 소화 과정인 발효 및 산 생성 단계를 거쳐 생성된 VFAs가 메탄 생성균에 의해서 메탄과 이산화탄소의 가스상 최종물질로 잘 전환되었음을 보여주고 있는 것으로 사료된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치를 나타내는 개략도

도 2는 메탄 발생량의 누적 그래프

도 3은 본 발명의 극초단파 가열 혐기성 소화조의 온도 제어를 위한 회로도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 극초단파 발생기 11 : 혐기성 소화조

12 : 배관 13 : 가스 저장조

14 : 온도 센서 15 : 소화조 제어기

16 : 컴퓨터 17 : 밸브

18 : 차단막

Claims (9)

1. 혐기성 소화에 필요한 극초단파를 제공하는 극초단파 발생기(10);

   상기 극초단파 발생기(10)의 내부에 설치되고 유기성 폐기물이 들어 있으며 혐기성 소화 반응을 일으키는 혐기성 소화조(11);

   상기 혐기성 소화조(11)에 배관(12)을 통해 연결되어 혐기성 소화의 산물인 메탄가스를 포집하는 가스 저장조(13);

   상기 혐기성 소화조(11)의 내부까지 연장 설치되어 혐기성 소화조 온도를 측정하는 온도 센서(14);

   상기 온도 센서(14)의 검출 온도 값을 제공받아 극초단파 발생기(10)의 작동 유무를 제어하는 소화조 제어기(15);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 소화조 제어기(15)와 직접 연결되어 제어기 측에서 제공한 온도변화를 표시하고, 온도에 따른 극초단파 발생기(10)의 작동 유무를 관장하는 소화조 제어기(15)에 제어신호를 출력하는 컴퓨터(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 혐기성 소화조(11)와 가스 저장조(13) 사이의 배관(12)에는 지정된 시간에 가스 저장조(13)의 가스를 뽑아서 측정할 수 있도록 해주는 밸브(17)가 설치되는 것을 특징으로 하는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 온도 센서(14)는 극초단파의 영향을 최대한 적게 받기 위하여 내부가 진공상태로 이루어져 있고 백금으로 제작되어 있는 끝부분으로만 온도를 측정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 소화조 제어기(15)는 극초단파 발생기(10)에서 나오는 극초단파의 영향을 줄이기 위하여 덮개 형식의 차단막(18)에 의해 외부가 감싸여지는 것을 특징으로 하는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치.
6. 청구항 2에 있어서, 상기 컴퓨터(16)는 랩뷰(Labview) 프로그램을 포함하며, 상기 랩뷰 프로그램을 통해 혐기성 소화조(11)의 온도를 실시간으로 나타낼 수 있고, 온도를 그래프화하여 누적 온도변화를 나타낼 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치.
7. 청구항 2에 있어서, 상기 컴퓨터(16)는 랩뷰 프로그램을 포함하며, 랩뷰 프로그램을 통해 중온 및 고온 혐기성 소화 온도를 유지할 수 있을 뿐 아니라 실온보다 높은 온도 중 사용자가 원하는 온도를 유지할 수 있도록 소화조 제어기(15)를 통해 극초단파 발생기(10)를 제어할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치.
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 극초단파 발생기(10)의 극초단파는 혐기성 소화조(10)의 내부에 들어 있는 유기성 폐기물에 대한 전처리와 열원으로 동시에 이용될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치.
9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 혐기성 소화조(10)의 내부에 들어 있는 유기성 폐기물은 하수 슬러지, 축산분뇨, 음식물류 폐기물 등인 것을 특징으로 하는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치.

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