KR101139416B1 - 미세 호기 발생기를 부착한 건식 혐기성 소화조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혐기성 소화조에 관한 것으로, 외부로부터 미세한 공기를 유입하여 반응조를 미세 호기 조건(micro-aerobic condition) 상태로 유지하여 반응조 내의 메탄가스 생성 미생물과 기질 경쟁관계에 있는 황환원 미생물의 활성도를 억제시킴으로써, 외부 공기가 반응조 내에 유입되지 않은 순수한 혐기조건과 비교하여 반응조 내에서의 황화수소 생성량이 감소되고 메탄가스 생성량을 증가시킬 수 있는 건식 혐기성 소화조에 관한 것이다.

Description

미세 호기 발생기를 부착한 건식 혐기성 소화조{Dry anaerobic digestion reactor equipped for micro-aerator}
본 발명은 혐기성 소화조에 관한 것으로, 외부로부터 미세한 공기를 유입하여 반응조를 미세 호기 조건(micro-aerobic condition) 상태로 유지하여 반응조 내의 메탄가스 생성 미생물과 기질 경쟁관계에 있는 황환원 미생물의 활성도를 억제시킴으로써, 외부 공기가 반응조 내에 유입되지 않은 순수한 혐기조건과 비교하여 반응조 내에서의 황화수소 생성량이 감소되고 메탄가스 생성량을 증가시킬 수 있는 건식 혐기성 소화조에 관한 것이다.
혐기성 소화 공정은 소화되는 고형물의 농도에 따라 습식 혐기성 소화 공정과 건식 혐기성 소화 공정으로 구분할 수 있다.
건식 혐기성 소화 공정의 경우 습식 혐기성 소화 공정과 비교하여 고농도의 고형물을 소화하기 때문에 혐기성 소화 시설의 건설비용을 절감할 수 있다. 또한, 건식 혐기성 소화 공정은 히팅(heating) 및 펌핑(pumping)에 소모되는 에너지 및 소화액(슬러지)의 탈수처리에 소모되는 에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 혐기성 소화 공정은 메탄균의 성장 속도(growth rate)가 느리기 때문에, 긴 초기운전(start-up) 기간이 필요할 뿐만 아니라, 긴 수리학적 체류시간(HRT)을 필요로 한다.
한편, 혐기성 소화 공정의 경우 바이오 가스가 생성되는 혐기성 반응조 에서는 메탄가스 외에 황화수소(H2S) 가스가 발생하게 된다. 그런데, 황화수소(H2S) 가스는 유독성 및 부식성을 가지고 있으므로, 혐기성 소화 공정에서 발생되는 바이오 가스의 활용시 반드시 제거되어야 한다.
본 발명은 반응조에 외부 공기를 유입하여 반응조 내의 메탄가스 생성 미생물과 기질 경쟁관계에 있는 황환원 미생물의 활성을 억제시킴으로써, 외부 공기가 반응조 내에 유입되지 않은 경우와 비교하여 반응조 내에서의 황화수소 생성량은 감소되고 메탄가스 생성량은 증가하는 상태인 미세 호기 조건(micro-aerobic condition) 상태가 될 수 있는 건식 혐기성 소화조를 제공하고자 한다.
본 발명은 반응조 내부에 초음파 진동자를 설치하여 특정 범위 파워(power)의 초음파를 주사함으로써, 반응조 내의 혐기 소화균에 존재하는 탈수소효소(DHA) 및 ATP의 농도를 증가시킴으로서 메탄가스 생성 미생물의 활성도를 증가하는 건식 혐기성 소화조를 제공하고자 한다.
본 발명은 혐기 슬러지에 미생물들이 응집되어 형성되는 혐기 슬러지 군체가 수용되는 반응조(100); 상기 미생물들 중 메탄가스 생성 미생물과 기질 경쟁관계에 있는 황환원 미생물의 활성도가 억제됨으로써, 상기 반응조(100)가 상기 반응조(100) 내에서의 황화수소 생성량을 억제하고 메탄가스 생성량을 증가시킬 수 있는 상태인 미세 호기 조건(micro-aerobic condition)이 되도록, 외부 공기 유입을 위하여 상기 반응조(100)에 연결되는 외부 공기 공급부(300); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 호기 발생기를 부착한 건식 혐기성 소화조에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 외부 공기 공급부(300)는, 상기 반응조(100) 내부로 공기를 분사하기 위하여 상기 반응조(100)의 바닥면에 설치되는 분사 노즐(320); 에어 펌프(330)가 구비되며 상기 분사 노즐(320)에 연결되는 공기공급관(310); 을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 반응조(100) 내부에 설치되며, 상기 혐기 슬러지 군체에 존재하는 탈수소효소(DHA) 및 ATP의 농도를 증가시켜 상기 메탄가스 생성 미생물의 활성도를 증가시키는 파워(power)의 초음파를 상기 혐기 슬러지 군체에 조사(照射)하기 위한 초음파 진동자(210)를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 초음파 진동자(210)는 상기 혐기 슬러지 군체가 층을 이루며 상기 반응조(100)에 수용됨으로써 형성되는 혐기 슬러지 군체 층이 존재하는 상기 반응조(100)의 하층부에 설치될 수 있다.
본 발명은 상기 초음파 진동자(210)가 구비되는 초음파 발생기(200) 및 상기 에어 펌프(330)의 작동을 제어하기 위한 제어부(400)를 포함할 수 있다.
본 발명은 외부 공기를 유입하여 건식 혐기성 소화 공정에 사용되는 반응조를 미세 호기 조건(micro-aerobic condition) 상태로 유지하여 반응조 내의 메탄가스 생성 미생물과 기질 경쟁관계에 있는 황환원 미생물의 활성을 억제시킴으로써, 외부 공기가 혐기성 반응조 내에 유입되지 않은 경우와 비교하여 혐기성 반응조 내에서의 황화수소 생성량은 감소되고 메탄가스 생성량은 증가하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 건식 혐기성 소화 공정에 사용되는 반응조 내부에 초음파 진동자를 설치하여 특정 범위 파워(power)의 초음파를 조사하여 반응조 내의 혐기 슬러지에 존재하는 탈수소효소(DHA) 및 ATP의 농도를 변화시킴으로써, 상기 혐기 슬러지에 응집된 메탄가스 생성 미생물의 활성도를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
도1은 본 발명에 따른 일실시예의 개략적 구성도.
도2는 건식 혐기성 소화 공정에 사용되는 반응조 A, B 및 C가 혐기 조건 상태인 경우와 미세 호기 조건(micro-aerobic condition) 상태인 경우 이들 반응조 내에서 발생하는 바이오 가스 중의 황화수소(H2S) 가스의 평균 농도를 비교도.
이하, 도면을 참조하며 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 일실시예의 개략적 구성도를, 도2는 건식 혐기성 소화 공정에 사용되는 반응조 A, B 및 C가 혐기 조건 상태인 경우와 미세 호기 조건(micro-aerobic condition) 상태인 경우 이들 반응조 내에서 발생하는 바이오 가스 중의 황화수소(H2S) 가스의 평균 농도 비교도를 나타낸다.
도1을 참조하면 본 발명에 따른 일실시예는 반응조(100)를 가진다. 도면에 도시되지 않았으나, 반응조(100)에는 혐기 슬러지에 미생물들이 응집되어 형성되는혐기 슬러지 군체가 수용된다. 상기 혐기 슬러지 군체에는 메탄가스 생성균 및 황환원 미생물을 포함하는 바이오 가스 생성 미생물들이 서로 혼합되어 있다. 상기 혐기 슬러지 군체가 층을 이루며 수용됨으로써 반응조(100) 하층에는 혐기 슬러지 군체 층이 형성된다.
도1을 참조하면 반응조(100) 상부에는 유기성 폐기물이 유입되는 유입관(110)이 형성된다. 반응조(100) 하부에는 상기 바이오 가스 생성 미생물들에 의하여 소화 처리된 유기성 폐기물이 유출되는 유출관(120)이 형성된다. 한편, 반응조(100)는 유기성 폐기물이 상기 혐기 슬러지 군체로 이루어진 상기 혐기 슬러지 군체층을 수평으로 통과하는 수평식 반응조이거나 기타의 반응조일 수 있다.
도1을 참조하면 반응조(100)의 상부에는 메탄가스를 포함한 바이오 가스를 유출하기 위한 가스 유출관(130)이 설치된다.
도1을 참조하면 반응조(100) 내부에는 유입관(100)을 통하여 유입된 상기 유기성 폐기물을 교반하기 위한 교반 수단(140)이 설치된다. 교반 수단(140)은 수평 회전축(141), 날개 고정축(142) 및 교반 날개(143)을 포함할 수 있다.
도1을 참조하면 수평 회전축(141)은 모터(도면 미도시)에 의하여 회전하도록 양측단이 반응조(100)에 회전 가능하도록 지지된다. 날개 고정축(142)은 수평 회전축(141)에 상호 이격되며 상하 방향으로 다수개 고정 설치된다. 교반 날개(143)는 각각의 날개 고정축(142)에 다수개가 날개 고정축(142)의 길이 방향을 따라 이격되며 다수개 설치된다.
도1을 참조하면 반응조(100) 내부에는 초음파 진동자(210)가 설치된다. 초음파 진동자(210)는 상기 혐기 슬러지 군체에 초음파를 조사(照射)하여 상기 혐기 슬러지에 응집된 바이오 가스 생성 미생물들, 특히 메탄가스 생성균의 활성도를 증가시키기 위한 것이다. 따라서, 초음파 진동자(210)는 상기 슬러지 군체 층이 형성되는 반응조(100)의 하층부에 설치되는데, 상기 슬러지 군체 층에 초음파를 고르게 조사(照射)하도록 반응조(100) 바닥면에 상호 이격되며 다수개 설치될 수 있다. 초음파 진동자(210)는 초음파 발생기(200)에 구비되는데, 초음파 발생기(200)는 반응조(100)의 외부에 부착될 수 있다.
메탄 가스 생성 미생물의 활성도는 상기 슬러지 군체 층에 존재하는 탈수소효소(Dehydrogenase activity: DHA)의 농도와 ATP의 농도 등과 밀접한 연관성이 있는 것으로 알려져 있다. 한편, 초음파의 조사밀도는 탈수소효소(Dehydrogenase activity: DHA)의 농도와 ATP의 농도를 변화시키는데, 이는 초음파의 조사밀도가 메탄 가스 생성 미생물의 활성도를 증가시키는 DHA 등의 효소의 활성도, 세포 성장 및 세포막 투과성 등을 증가시키기 때문으로 판단된다. 이에 대한 설명은 본 출원인에 의하여 대한민국 특허청에 출원하여 등록된 '초음파 진동자를 구비한 혐기소화조(등록번호:KR10-1066391)'에 자세히 기재되어 있다. 초음파 조사밀도는 상기 슬러지 군체 층을 이루는 상기 슬러지 군체의 부피 당 초음파 진동자(210)에 의하여 조사(照射)되는 초음파의 파워(power)를 말한다. 초음파의 파워(power)의 단위는 일률이므로, 초음파 조사밀도의 단위는 W/L 또는 W/㎖ 이다.
한편, 황환원 반응과 메탄생성 반응에 대하여 아래와 같은 관계식이 알려져 있다.
Sulfate reduction (from Widdel 1988)
(1)Acetate: CH3COO- + SO4 2 - → 2HCO3 - + HS- △G0 = -47.6kJmol-
(2)Propionate: 4CH3CH2COO- + 3SO4 2 - → 4CH3COO- + 4HCO3 - + 3HS- + H+ △G0 = -150.6kJmol-
(3)Hydrogen: 4H2 + SO4 2 - + H+ → 4H2O + HS- △G0 = -152.2kJmol-
Methanogenesis (from Brock & Madigan 1991)
(4)Acetate: 4CH3COO- → 3CH4 + HCO3 - △G0 = -31.0kJmol-
(5)Hydrogen: 4H2 + CO2 → CH4 + H2O △G0 = -134.0kJmol-
즉, 소화 기질에 대한 친화도가 황환원 미생물이 메탄가스 생성 미생물에 비하여 높을 뿐 아니라, 성장 속도(growth rate) 또한 황환원 미생물이 메탄가스 생성 미생물에 비하여 높기 때문에, 황환원 미생물은 메탄가스 생성 미생물의 활성도 및 메탄가스 생성에 저해를 주는 것으로 알려져 있다.(Kristjansson et al., 1982; Robinson and Tiedje 1984)
도1을 참조하면 본 발명의 일실시예는 반응조(100) 내부에 외부 공기를 유입하기 위한 외부 공기 공급부(300)를 가진다. 외부 공기 공급부(300)는 반응조(100) 내부의 메탄가스 생성 미생물과 기질 경쟁관계에 있는 황환원 미생물의 활성도를 억제하여, 반응조(100)의 상태가 미세 호기 조건(micro-aerobic condition) 상태를 이루도록 하기 위한 것이다. 미세 호기 조건(micro-aerobic condition) 상태는 외부 공기가 반응조(100)로 유입됨에 따라 황환원 미생물의 활성도가 억제되어 반응조(100) 내에서의 황화수소 생성량은 감소되고 메탄 가스 생성량은 증가하는 상태를 가리킨다.
도1을 참조하면 외부 공기 공급부(300)는 공기공급관(310), 분사 노즐(320) 및 에어 펌프(330)를 포함한다.
도1을 참조하면 분사 노즐(320)은 반응조(100) 내부로 공기를 분사하기 위한 것인데, 반응조(100)의 바닥면 또는 반응조(100)의 측면에 설치될 수 있다. 공기공급관(310)에는 강제로 공기를 이송하기 위한 에어 펌프(330)가 구비된다. 공기공급관(310)에는 분사 노즐(320)이 연결된다. 다수개의 분사 노즐(320)은 하나의 공기공급관(310)에 연결되거나, 다수개의 공기 공급관(310)에 각각 하나씩 연결될 수 있다.
도2를 참조하면 건식 혐기성 소화 공정에 사용되는 반응조 A, B 및 C가 혐기 조건 상태인 경우 이들 반응조 내에서 발생하는 바이오 가스 중의 황화수소(H2S) 가스의 평균 농도는 각각 4380 mg/m3, 7580 mg/m3, 34 mg/m3 이고, 건식 혐기성 소화 공정에 사용되는 반응조 A, B 및 C가 미세 호기 조건(micro-aerobic condition) 상태인 경우 이들 반응조 내에서 발생하는 바이오 가스 중의 황화 수소(H2S) 가스의 평균 농도는 각각 41 mg/m3, 72 mg/m3, 2.6 mg/m3 이다. 따라서, 혐기성 소화 공정에 사용되는 반응조 A, B 및 C는 혐기 조건 상태인 경우와 비교하여 미세 호기 조건(micro-aerobic condition) 상태인 경우 각각 99.06 %, 99.05 %, 92.35 % 의 H2S 제거 효율을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 반응조 A, B, C의 경우 미세 호기 조건이 혐기 조건에 비해 황화수소 제거율이 각각 99.06%, 99.05%, 92.35%로서 황화수소의 제거효율이 더 높은 것을 나타내고 있어 미세조건이 공기주입이 없는 혐기조건에 비해 황화수소 발생량을 더 잘 억제할 수 있음을 알 수 있다.
도1을 참조하면 본 발명의 일실시예는 제어부(300)를 가진다. 제어부(300)는 초음파 발생기(200) 및 에어 펌프(330)에 연결된다. 제어부(300)는 초음파 진동자(210) 및 에어 펌프(330)의 작동을 제어하기 위한 것이다. 제어부(300)의 제어에 의하여 초음파 조사밀도, 초음파 진동자(210)의 1회 작동시의 작동시간, 초음파 진동자(210)의 상호 이웃한 작동 사이의 시간 간격, 에어 펌프(300)의 1회 작동시의 작동시간, 초음파 진동자(210)의 상호 이웃한 작동 사이의 시간 간격 등이 조절된다.
100:반응조
200:초음파 발생기 210:초음파 진동자
300:외부 공기 공급부 310:공기공급관
320:분사 노즐 330:에어 펌프
400:제어부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 혐기 슬러지에 미생물들이 응집되어 형성되는 혐기 슬러지 군체가 수용되는 반응조(100);
    상기 미생물들 중 메탄가스 생성 미생물과 기질 경쟁관계에 있는 황환원 미생물의 활성도가 억제됨으로써, 상기 반응조(100)가 상기 반응조(100) 내에서의 황화수소 생성량은 감소되고 메탄가스 생성량은 증가하는 상태인 미세 호기 조건(micro-aerobic condition)이 되도록, 외부 공기 유입을 위하여 상기 반응조(100)에 연결되는 외부 공기 공급부(300);
    상기 반응조(100) 내부에 설치되며, 상기 혐기 슬러지 군체에 존재하는 탈수소효소(DHA) 및 ATP의 농도를 상기 혐기 슬러지에 응집된 메탄가스 생성 미생물의 활성도를 증가시키는 농도로 변화시킬 수 있는 파워(power)의 초음파를 상기 혐기 슬러지 군체에 조사(照射)하기 위한 초음파 진동자(210);
    를 포함하되,
    상기 외부 공기 공급부(300)는,
    상기 반응조(100) 내부로 공기를 분사하기 위하여 상기 반응조(100)의 바닥면에 설치되는 분사 노즐(320);
    에어 펌프(330)가 구비되며 상기 분사 노즐(320)에 연결되는 공기공급관(310);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 호기 발생기를 부착한 건식 혐기성 소화조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초음파 진동자(210)는, 상기 혐기 슬러지 군체가 층을 이루며 상기 반응조(100)에 수용됨으로써 형성되는 혐기 슬러지 군체 층이 존재하는 상기 반응조(100)의 하층부에 설치되는 것을 특징으로 하는 미세 호기 발생기를 부착한 건식 혐기성 소화조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 초음파 진동자(210)가 구비되는 초음파 발생기(200) 및 상기 에어 펌프(330)의 작동을 제어하기 위한 제어부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 호기 발생기를 부착한 건식 혐기성 소화조.
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