KR101047849B1 - 역방향 가스 교대교반 및 유로 와류형 혐기성 소화장치 및 그 방법 - Google Patents

역방향 가스 교대교반 및 유로 와류형 혐기성 소화장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기(탈리액), 가축분뇨, 하·폐수 슬러지 등의 유기성 폐기물 처리 및 에너지화를 위한 혐기성 소화 장치에 관한 기술이다.
고온으로 전처리된 유기성 폐기물이 최적온도로 유지할 수 있도록 온도를 조절하는 제1 온도조절장치(120); 및 상기 제1 온도조절장치를 통과한 유기성 폐기물을 소화조로 유입하는 유입관(100); 및 상기 유입관을 통해 외부로부터 유입된 유기성 폐기물의 유입통로와 동시에 열교환기의 역할을 하는 이중튜브관(110); 및 상기 이중튜브관 하단부에 유기성 폐기물이 소화조 바닥부에서 와류될 수 있도록 하는 유입수 순환관(260); 및 상기 소화조 내의 역방향 교대교반을 위하여 소화가스를 뽑아 소화조 내에 상호 역방향으로 재주입하는 제1 가스공급관(160) 또는 제2 가스공급관(170); 및 상기 제1 가스공급관 또는 제2 가스공급관에 소화가스가 역방향으로 공급될 때 와류를 발생시키는 와류유도판(130); 및 상기 소화조 상단부에 미생물 체류시간을 늘리고 상등수는 배출할 수 있도록 하는 내부침전조(210); 및 상기 소화조 바닥부에 침전된 유기성 폐기물을 강제로 순환, 교반할 수 있는 순환관(220); 및 상기 순환관에 소화조를 최적의 온도로 유지하기 위해 미세온도를 조절하는 제2 온도조절장치(240);를 포함하며, 상기 제1 가스공급관 또는 제2 가스공급관 중 어느 하나의 가스공급관에만 소화가스를 주입하여 상호 역방향 교대교반을 하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법에 있어서,
유기성 폐기물이 최적온도로 유지할 수 있도록 온도를 조절하는 제1 온도조절단계(S1); 및 상기 제1 온도조절단계를 통과한 유기성 폐기물을 소화조로 유입하는 단계(S2); 및 외부로부터 유입된 상기 유기성 폐기물이 이중튜브관을 통해 열교환작용을 하는 단계(S3); 및 상기 이중튜브관 하단부에서 유기성 폐기물이 소화조 바닥부에서 와류하는 단계(S4); 및 상기 소화조 내의 상호 역방향 교대교반을 위하여 소화가스를 뽑아 제1 가스공급관 또는 제2 가스공급관 중 어느 하나의 가스공급관을 통하여 소화조 내에 재주입하는 단계(S5); 및 상기 재주입된 소화가스가 역방향으로 공급될 때 와류를 발생시키는 와류발생단계(S6); 및 상기 소화조 상단부에서 미생물 체류시간을 늘리고 상등수를 배출할 수 있도록 하는 내부침전단계(S7); 및 상기 소화조 바닥부에 침전된 유기성 폐기물을 강제로 순환 및 교반할 수 있는 순환 및 교반단계(S8); 및
상기 소화조를 최적의 온도로 유지하기 위해 상기 순환 및 교반단계에서 미세온도를 조절하는 제2 온도조절단계(S9);를 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화방법에 관한 것이다.

Description

역방향 가스 교대교반 및 유로 와류형 혐기성 소화장치 및 그 방법{Anaerobic Digester with Gas Circulations in opposite directions and of Stream Swirling Type and Method thereof}
본 발명은 유기성 폐기물 처리 및 에너지화를 위한 혐기성 소화 장치 및 소화방법에 관한 기술이다. 더욱 상세하게는, 혐기성 소화조에 유입되는 유입관과 내부반송관에 온도조절장치를 설치하여 유기성 폐기물이 혐기성 소화조로 유입될 때와 소화조 바닥부에 침전된 유기성 폐기물을 순환할 때에 열교환 효율을 높여 소화조 내 온도를 최적의 상태로 유지하고 발생하는 소화가스를 소화조 내에 재주입하여 유기성 폐기물과 소화가스가 강제로 와류될 수 있도록 와류유도판을 제공하여 교반효율을 향상시킬 수 있는 구조의 혐기성 소화 장치 및 혐기성 소화방법에 관한 것이다.
혐기성 소화조에서 유기성 폐기물 교반은 투입유입수와 미생물과의 충분한 접촉, 소화조 내의 물리적, 화학적, 생물적인 반응이 균일, 대사생성물이나 유입저해물질을 급속히 확산시켜 저해요인을 희석, 표면에 스컴층이 형성되거나 소화조 하부에 부유물질이 퇴적되는 것을 방지하기 위해 매우 중요하다.
소화조는 교반하지 않으면 유기성 폐기물이 소화조 하부에 퇴적된다. 그 유기성 폐기물 중에는 유기산, 이산화탄소 등의 가스농도가 높게 되어, 혐기성 미생물의 활동이 저해되므로 교반에 의해 소화조 내에 균일히 분산되거나, 투입유기성 폐기물에 의해서 희석됨과 동시에 용해하고 있는 이산화탄소를 배출시킬 수 있다. 또한, 혐기성 미생물은 온도변화에 민감하므로 교반에 의해 소화조 내부온도를 균일하게 하여 가급적 일정하게 유지할 필요가 있다.
혐기성 소화조의 교반에는 가스교반방식과 기계식교반방식이 있다.
기계식교반방식은 기존 특허10-0982690호에 의하면 기존의 회전식 프로펠러를 이용하는 기술을 임펠러의 직선 왕복 운동을 통한 수직형 교반장치로 소화조의 교반효율을 향상시키고자 하였고, 특허10-2010-0086751호에 의하면 소화조 외측을 따라 1개소 이상으로 슬러지 순환로를 설치하고 내부에 교반기를 구비하여 순환로를 따라 슬러지가 순환하여 소화조의 교반효율을 향상시키고자 하였다. 기계식교반방식은 교반을 위해 큰 동력이 필요하여 소화조 운영비용이 증대되고, 소화조 내에 장착된 교반기가 부식되는 문제점이 있다.
가스교반방식은 기존 특허10-0982690호에 의하면 소화조 중앙에 수직 하방으로 설치된 연결관에 소화가스를 주입하고 하단 배출관이 회전하면서 소화가스를 배출하여 소화조 교반을 하고자 하였고, 특허20-0325105호에 의하면 혐기성 소화조 내에 회전하는 관에서 소화가스를 분출하여 소화조 교반을 하고자 하였다.
가스교반방식은 소화조 내의 유기성 폐기물을 교반하기 위해서는 충분한 양의 가스가 공급되어야 하지만 소화조의 크기에 비례하여 충분한 가스 공급량을 확보하기 어려운 문제가 있다. 또 보통의 가스 교반 장치에는 그 압력이 소화조 바닥은 물론 벽면에까지 미치기 어렵고 따라서 유기성 폐기물이 소화조 바닥 및 벽면에 침적 및 점착되는 문제가 있다. 이러한 현상으로 인하여 소화조 내의 완전 혼합이 어려워 소화 효율이 저하되는 문제가 있다.
본원 발명은 소화조 하부에 부유물질이 퇴적되는 것을 방지하고, 혐기성 미생물은 온도변화에 민감하므로 교반에 의해 소화조 내부온도를 균일하게 하여 소화조 내부의 유기성 폐기물의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
유기성 폐기물이 최적온도로 유지할 수 있도록 온도를 조절하는 제1 온도조절장치(120); 및 상기 제1 온도조절장치를 통과한 유기성 폐기물을 소화조로 유입하는 유입관(100); 및 상기 유입관을 통해 외부로부터 유입된 유기성 폐기물의 유입통로와 동시에 열교환기의 역할을 하는 이중튜브관(110); 및 상기 이중튜브관 하단부에 유기성 폐기물이 소화조 바닥부에서 와류될 수 있도록 하는 유입수 순환관(260); 및 상기 소화조 내의 역방향 교대교반을 위하여 소화가스를 뽑아 소화조 내에 상호 역방향으로 재주입하는 제1 가스공급관(160) 및 제2 가스공급관(170); 및 상기 제1 가스공급관 및 제2 가스공급관에 소화가스가 상호 역방향으로 공급될 때 와류를 발생시키는 와류유도판(130); 및 상기 소화조 상단부에 미생물 체류시간을 늘리고 상등수는 배출할 수 있도록 하는 내부침전조(210); 및 상기 소화조 바닥부에 침전된 유기성 폐기물을 강제로 순환, 교반할 수 있는 순환관(220); 및 상기 순환관에 소화조를 최적의 온도로 유지하기 위해 미세온도를 조절하는 제2 온도조절장치(240);를 포함하며 상기 제1 가스공급관 또는 제2 가스공급관 중 어느 하나의 가스공급관에만 소화가스를 주입하여 상호 역방향 교대교반을 일으키는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화장치에 의해 상기 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법에 있어서, 유기성 폐기물이 최적온도로 유지할 수 있도록 온도를 조절하는 제1 온도조절단계(S1); 및 상기 제1 온도조절단계를 통과한 유기성 폐기물을 소화조로 유입하는 단계(S2); 및 외부로부터 유입된 상기 유기성 폐기물이 이중튜브관을 통해 열교환작용을 하는 단계(S3); 및 상기 이중튜브관 하단부에서 유기성 폐기물이 소화조 바닥부에서 와류하는 단계(S4); 및 상기 소화조 내의 상호 역방향 교대교반을 위하여 소화가스를 뽑아 소화조 내에 제1 가스공급관 또는 제2 가스공급관 중 어느 하나의 가스공급관을 통하여 소화가스를 재주입하는 단계(S5); 및 상기 재주입된 소화가스가 상호 역방향으로 공급될 때 와류를 발생시키는 와류발생단계(S6); 및 상기 소화조 상단부에서 미생물 체류시간을 늘리고 상등수를 배출할 수 있도록 하는 내부침전단계(S7); 및 상기 소화조 바닥부에 침전된 유기성 폐기물을 강제로 순환 및 교반할 수 있는 순환 및 교반단계(S8); 및 상기 소화조를 최적의 온도로 유지하기 위해 상기 순환 및 교반단계에서 미세온도를 조절하는 제2 온도조절단계(S9);를 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화방법을 통하여 상기 과제를 해결할 수 있다.
본 발명의 혐기성 소화조는 유기성 폐기물을 사영역 없이 교반할 수 있으며, 소화가스를 이중튜브관 내부와 외부에 주입할 때 유기성 폐기물의 와류되는 방향이 달라지므로 투입 유기성 폐기물과 소화슬러지의 혼합 및 소화조 내 온도의 균일화가 가능하게 되고, 소화조 내부에 별도의 기계부품이 없어 유지관리가 쉽고 에너지 및 유지관리비용을 절약할 수 있게 된다.
또한 고온의 전처리 된 유기성 폐기물을 온도조절장치를 통해 상대적으로 저온인 유기성 폐기물과 열교환을 통하여 소화조 가온비를 절약할 수 있게 되고, 소화조 상부에 내부침전조를 설치하여 미생물 체류시간(Sludge Retention Time;SRT)이 증가되어 소화효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명은 교반효율이 향상됨으로서 소화 시간을 단축하고, 안정적이며 효율적인 소화가스를 생산할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 소화조 이중튜브관(110) 외관에 소화가스 주입 시 유기성 폐기물 이동 방향을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 소화조 이중튜브관(110) 내관에 소화가스 주입 시 유기성 폐기물 이동 방향을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 소화조에 구비된 와류유도판(130)을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 소화조에 구비된 유입수 순환관(260)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 소화조에 구비된 내부침전조(210)를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 A-A’부를 따라 절단한 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법에 대한 도시이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 이중튜브관(110) 외관에 소화가스가 유입되어 상향류의 흐름을 보이고 이중튜브관(110) 내관에는 하향류의 흐름이 일어나 전체적인 순환이 일어난다.
도 2는 이중튜브관(110) 내관에 소화가스가 유입되어 상향류의 흐름을 보이고 이중튜브관(110) 외관에는 하향류의 흐름이 일어나 전체적인 순환이 일어난다. 또한, 도 3은 본 발명에 따른 와류유도판(130)을 도시한 단면도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 유입수 순환관(260)을 확대한 도면이다. 또한, 도 5는 본 발명의 내부침전조(210)를 확대한 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 가스교대교반을 통한 유로와류형 혐기성 소화 장치는 이중튜브관(110), 제1온도조절장치(120), 와류유도판(130), 유입수 순환관(260), 내부침전조(210), 제1가스공급관(160), 제2가스공급관(170), 제2온도조절장치(240) 등을 구비한다.
먼저, 제1 온도조절장치(120)를 통과한 유기성 폐기물이 유입관(100)을 통해 외부로부터 유입된 유기성 폐기물의 유입통로와 동시에 열교환기의 역할을 하는 이중튜브관(110), 상기 이중튜브관(110)의 하단부에 유입수 순환관(260)이 구비되어 있어 유입된 유기성 폐기물이 소화조 바닥부에서 와류를 발생하며 이동된다. 상기 제1온도조절장치 전단계로서 고온의 열적 처리부를 더 포함할 수 있고, 이 경우 제1 온도조절장치는 미세온도를 조절하여 소화조 내부에서 유기성 폐기물의 온도를 일정하게 유지하는 것이 혐기성 미생물의 활성을 극대화 할 수 있다. 혐기성 미생물의 생육을 위한 최적온도로 소화조를 유지한 경우 유기성 폐기물의 분해속도가 증가되어 최종적으로 제거효율 향상 및 빠른 안정화를 달성할 수 있다. 그러므로, 고온의 열적 처리부를 전단계로 포함하는 경우, 제1 온도조절장치의 미세온도 조절 범위를 1℃~3℃로 하면 혐기성 미생물들의 활성을 증대 및 처리효율 향상, 그리고 안정적인 처리가 가능하다.
한편, 이중튜브관(110) 외관에는 와류유도판(130)이 구비되어 있으며 이중튜브관(110) 내관으로 통하는 제1 가스공급관(160)과 소화조 내벽과 이중튜브관(110) 사이를 통하는 제2 가스공급관(170)이 연결되어 있다. 이중튜브관(110) 내외부로 제1 가스공급관(160) 또는 제2 가스공급관(170) 중 어느 하나의 가스공급관을 통하여 소화가스가 공급된다. 이중 튜브관의 재질은 통상적으로 스테인레스로 하는 것이 제작의 편리성과 내구성, 내부식성 그리고 열효율을 극대화 등을 종합적으로 고려할 때 바람직하다.
상기 와류유도판의 재질은 스테인레스, PVC, 고밀도 폴리에틸렌(PE), 섬유강화플라스틱(FPC)중 선택된 하나이상의 재질로 구성되며, 경사각은 10도에서 50도 사이로 하는 것이 와류 형성에 더욱 도움이 되며, 혐기성 소화조 내벽과 이중튜브관 사이에 연속적인 와류형 흐름이 최적화 된다.
상기 제2 가스공급관(170)을 차단하고 제1 가스공급관(160)을 통하여 소화가스가 유입되면 도 2에서와 같이 이중튜브관(110) 내관에서 소화가스가 상승하면서 유기성 폐기물의 흐름을 유도하고 상승된 유기성 폐기물이 이중튜브관(110)외관으로 빠져나와 와류유도판(130)을 거치면서 아래 방향으로 흘러 최종적으로 이중튜브관(110) 내관으로 유입되어 연속적으로 순환되어진다.
상기 제1 가스공급관(160)을 차단하고 제2 가스공급관(170)을 통하여 소화가스가 유입되면 도 1에서와 같이 소화조 내벽과 이중튜브관(110) 사이에서 소화가스가 상승하고 와류유도판(130)을 거치면서 상방향 교반될 수 있도록 한다.
또한, 이중튜브관(110) 내관의 상단부에 구비되어 있는 내부침전조(210)는 소화슬러지가 침전하여 아래로 이동하고 상등수는 상등수유출관(270)을 통하여 외부로 유출되도록 하여 미생물 체류시간을 늘릴 수 있도록 한다.
한편, 이중튜브관(110) 하부에는 순환관(220)을 형성하고 슬러지조절밸브(230)을 두어 바닥 유기성 폐기물의 순환 및 교반를 유도하게 된다.
한편, 이중튜브관(110) 하부에는 유출관(250)이 형성되어 있어서, 이중튜브관(110) 내관 및 외관에서 혐기성 소화과정이 끝난 소화슬러지의 외부 유출을 조절한다.
도 4는 본 발명에 따른 가스교대교반을 통한 유로와류형 혐기성 소화 장치의 유입수 순환관(260)을 설명하기 위한 평면도이다. 유입관(100)을 통하여 유기성 폐기물이 유입되면 이중튜브관(110)의 하단부에 도 4에서 보는 바와 같이 유입수 순환관(260)을 설치하여 소화조 바닥부에서 와류가 발생할 수 있도록 한다. 상기 순환관에 제2 온도조절장치를 설치하여 혐기성 소화조를 최적의 온도로 유지하며, 제2 온도조절장치에서 미세온도를 1℃~3℃의 범위까지 조절한다.
도 5는 본 발명에 따른 가스교대교반을 통한 유로와류형 혐기성 소화 장치의 이중튜브관(110) 내관의 상단부에 설치된 내부침전조(210)을 설명하기 위한 도면이다. 내부침전조유입부(310)을 통하여 유입된 유기성 폐기물조유내부침전조(210)에 체류하다가 침전된 유기성 폐기물조유이중튜브관(110) 내관으로 이동하고 상등수는 상등수유출관(270)을 통하여 외부로 보내지게 된다.
이와 같이, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100:유입관 110:이중튜브관
120:제1 온도조절장치 130:와류유도판
140:제1 가스매집관 150:제2 가스매집관
160:제1 가스공급관 170:제2 가스공급관
180:가스압축기 190:제1 가스공급밸브
200:제 2가스공급밸브 210:내부침전조
220:순환관 230:슬러지조절밸브
240:제2 온도조절장치 250:유출관
260:유입수 순환관 270:상등수유출
300:웨어 310:내부침전조유입부

Claims (6)

  1. 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치에 있어서,
    유기성 폐기물이 소화장치 내에서 최적온도로 유지할 수 있도록 하는 제1 온도조절장치(120); 및
    상기 제1 온도조절장치를 통과한 유기성 폐기물을 소화조로 유입하는 유입관(100); 및
    상기 유입관을 통해 외부로부터 유입된 유기성 폐기물의 유입통로와 동시에 열교환기의 역할을 하는 이중튜브관(110); 및
    상기 이중튜브관 하단부에 유기성 폐기물이 소화조 바닥부에서 와류될 수 있도록 하는 유입수 순환관(260); 및
    상기 소화조 내에서 상호 역방향 교대교반을 위하여 소화조 내에 소화가스를 재주입하는 제1 가스공급관(160) 및 제2 가스공급관(170); 및과
    상기 제1 가스공급관 및 제2 가스공급관에 상호 역방향으로 소화가스가 공급될 때 와류를 발생시키는 와류유도판(130); 및
    상기 소화조 상단부에 미생물 체류시간을 늘리고 상등수는 배출할 수 있도록 하는 내부침전조(210); 및
    상기 소화조 바닥부에 침전된 유기성 폐기물을 강제로 순환, 교반할 수 있는 순환관(220); 및
    상기 순환관에 소화조를 최적의 온도로 유지하기 위해 미세온도를 조절하는 제2 온도조절장치(240);를 포함하며, 상기 제1 가스공급관 또는 제2 가스공급관 중 어느 하나의 가스공급관에만 소화가스를 주입하여 상호 역방향 교대교반을 하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 온도조절장치는 혐기성 소화조 전단에 열적 전처리부가 더 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 이중튜브관은 스테인레스 재질로 되어 있는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    와류 유도판은 재질은 스테인레스, PVC, 고밀도 폴리에틸렌(PE), 섬유강화플라스틱(FPC)중 선택된 하나이상의 재질로 구성되며, 경사각은 10도에서 50도 사이인 것을 특징으로 하는 혐기성 소화장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제2 온도조절장치는 1℃∼3℃범위에서 미세온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화장치.
  6. 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법에 있어서,
    소화조내에서 최적온도로 유지할 수 있도록 유기성 폐기물의 온도를 조절하는 제1 온도조절단계(S1); 및
    상기 제1 온도조절단계를 통과한 유기성 폐기물을 소화조로 유입하는 단계(S2); 및
    외부로부터 유입된 상기 유기성 폐기물이 이중튜브관을 통해 열교환작용을 하는 단계(S3); 및
    상기 이중튜브관 하단부에서 유기성 폐기물이 소화조 바닥부에서 와류하는 단계(S4); 및
    상기 소화조 내에서 상호 역방향 교대교반을 위하여 소화가스를 뽑아 제1 가스 공급관 또는 제2 가스공급관 중 어느 하나의 가스공급관을 통하여 소화조 내에 소화가스를 재주입하는 단계(S5); 및
    상기 재주입된 소화가스가 상호 역방향으로 공급될 때 와류를 발생시키는 와류발생단계(S6); 및
    상기 소화조 상단부에서 미생물 체류시간을 늘리고 상등수를 배출할 수 있도록 하는 내부침전단계(S7); 및
    상기 소화조 바닥부에 침전된 유기성 폐기물을 강제로 순환 및 교반할 수 있는 순환 및 교반단계(S8); 및
    상기 소화조를 최적의 온도로 유지하기 위해 상기 순환 및 교반단계에서 미세온도를 조절하는 제2 온도조절단계(S9);를 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화방법.
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