KR101152210B1 - 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물 등과 같은 고농도 유기성 폐기물에 포함된 유기성 폐기물의 소화를 촉진시키고, 슬러지 발생량을 감소시키며, 유기성 폐기물의 효율적 이용과 메탄발생 효율을 극대화한 혐기성 소화방식을 이용한 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 유기성 폐기물처리창지에 있어서, 전처리된 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물의 유기성 폐기물이 유입되어 가수분해(고분자 유기물질의 저분자화) 및 산생성(저분자 물질의 유기산 변환) 반응이 일어나는 산발효조와; 상기 산발효조에서 우점화된 산발효 미생물들을 제거하기 위한 고액분리조와; 상기 고액분리조와 연결되어 이로부터 유입된 초산(acetic acid) 및 알콜을 포함하는 유기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화조와; 상기 혐기성 소화조로부터 유입된 유기물을 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하고, 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)으로 질소를 제거하고 슬러지를 감량화하는 고온호기성소화조(ATAD, Autothermal Thermophlic Aerobic Digestion)와; 상기 고온호기성소화조로부터 유입된 처리액중 잔존 유기물 및 영양염류(질소, 인)의 추가적 처리, ATAD처리수 냉각, 고온 미생물의 안정화 또는 일반 미생물로의 미생물이 치환되도록 고온호기성소화조와 운전조건을 달리하여 슬러지소화조에 적합한 기질로 슬러지 성상을 변화시키는 안정화조와; 상기 안정화조로부터 유입된 처리액을 고액분리하고 슬러지를 침전시키고 방류하거나 또는 하수연계처리시스템과 연결되는 침전조와; 상기 침전조의 슬러지 일부 또는 전부를 슬러지소화조로 유입시켜 메탄발효하면서 메탄종균을 증식시켜 상기 혐기성 소화조로 반송 순환하여 상기 혐기성 소화조의 메탄수율을 향상시키도록 한 슬러지소화조;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치 및 그 방법{omitted}

본 발명은 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물 등과 같은 고농도 유기성 폐기물에 포함된 유기성 폐기물의 소화를 촉진시키고, 슬러지 발생량을 감소시키며, 유기성 폐기물의 효율적 이용과 메탄발생 효율을 극대화한 혐기성 소화방식을 이용한 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치 및 그 방법에 관한 것이다.

근래 산업발달과 더불어 물질적 생활이 풍요로워 짐에 따라 대량으로 발생하는 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 분뇨 등과 같은 고농도 유기성 폐기물의 처리는 대략 크게 분류하여 보면 소각, 매립, 재활용 기술로 나눌 수 있으며 재활용 기술은 사료화와 퇴비화 등으로 구분되고 있다.

이러한 유기성 폐기물은 다량의 수분을 함유하고 있어 이들을 소각하는 것은 소각하기 전에 전처리로서 유기성 폐기물의 수분을 제거하거나 함수율을 낮춘 다음 소각해야 하며, 따라서 이러한 소각방법은 유기성 폐기물의 처리비용과 시간이 증가하는 문제가 있으며, 낮은 발열량과 수분함유로 인한 불완전 연소 등에 의한 다이옥신 발생으로 2차 환경공해를 유발하는 심각한 문제점으로 사양화된 기술이다.

유기성 폐기물의 매립은 매립된 유기성 폐기물의 침출수에 의해 2차적으로 토양을 오염시키는 한편 악취를 발생시키고 있으며, 제한된 국토의 효율적 활용과 재활용이 가능한 자원의 낭비라는 차원에서 국가적으로 금지한 사항이다.

사료화 기술은 자원의 재활용이란 관점에서 가장 많이 보급된 기술이나 처리 과정에서 매우 까다로운 절차가 필요한 기술로서 최근에 많은 문제점이 따르고 있고, 퇴비화 기술은 호기성 방법과 혐기성 방법이 있으나 호기성 방법은 호기성 미생물의 호흡을 원활히 해주기 위한 수분 조절제(톱밥 등)의 사용을 필수로 요구하여 경제성이 떨어지고 대기에 문제가 발생하는 단점이 있는 반면에 혐기성 처리방법은 대기와 차단되어 악취문제가 해결될 뿐 아니라 혐기성 처리과정에서 활용가능한 바이오가스(메탄성분이 약70%)가 발생하여 이를 이용하는 에너지활용이라는 점에 장점이 있다.

바이오가스 발생기술에 대하여 보다 구체적으로 설명하면, 최근에 유기성 폐기물을 이용한 에너지 자원 활용화에 관련한 기술들이 지속적으로 개발되고 있는 것으로, 그 일례로 유기성 폐기물을 혐기성 소화시켜 바이오가스를 생산하는 방법으로서, 이는 생산된 바이오가스를 이용하여 전기, 열에너지로 전환하여 사용할 수 있으며, 부산물로 비료 등으로 사용할 수 있기 때문에 그 활용도가 높아 지속적인 개발이 요구되고 있는 기술이다.

특히, 음식물쓰레기를 자원화하는 과정의 일환으로 최근에는 음식물쓰레기를 메탄가스로 자원화하여 재활용하는 연구 즉, 혐기소화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 혐기소화라 함은 여러 가지 복잡한 공생미생물 군집이 무산소 상태에서 유기물질을 메탄과 이산화탄소로 분해하는 과정이다.

이론적으로 폐기물 중 생물분해가 가능한 유기물의 약 90%가 메탄으로 전환될 수 있고 더욱이 유기성 폐기물을 안정화시켜 혐기소화 과정 후에 생성되는 슬러지는 토양과 물에는 아무런 환경상의 위해를 가하지 않으면서 토양개량제와 비료로서 이용될 수 있기 때문에 또 다른 에너지 절감을 가능하게 한다.

뿐만 아니라, 바이오가스의 주요성분인 메탄은 융통성이 많은 형태의 재생에너지로서 열과 전기로 전환될 수 있으며, 차량 연료도로 사용될 수 있다.

결론적으로, 혐기소화는 다음와 같은 두 가지 방법으로 지구 기후변화에 대한 잠재적인 위험성을 감소시키는데, 첫째, 이산화탄소에 비해 약 21배에 해당하는 지구온난화 기여 가능성을 갖는 메탄은 우리나라에서 온실가스 방출량의 약 15%를 차지하고 있으므로 혐기소화를 통하여 바이오가스를 포착함으로서 자연 상태에서의 메탄 방출량을 줄일 수 있다. 둘째, 혐기소화에서 생산된 바이오가스를 화석연료로 대체할 수 있다면 화학연료로부터 생성되는 이산화탄소를 회피할 수 있어 결과적으로 지구온난화 원인 물질을 감소시킬 수 있다.

그러나 혐기 소화 공정은 미생물의 낮은 성장률, 처리된 유출수의 악취 문제, pH조절을 위한 많은 양의 버퍼의 필요성 등이 문제점 내지 한계점으로 대두되고 있고, 기존의 기술력으로는 이러한 문제점들을 극복하기 어려워 호기성 처리 공정에 비해 크게 주목받지 못하고 있는 실정으로 그 이유는 다양한 종의 혐기성 세균이 공생관계를 형성하며 다양한 유기 물질을 메탄으로 전환하기 위해선 매우 복잡하고 여러 단계의 경로를 거쳐야 하기 때문에 성공적인 혐기성 공정 운영을 위한 모니터링 및 제어가 상대적으로 어려웠기 때문이다.

최근에 개발된 혐기소화를 이용하여 메탄을 회수하는 유기폐기물 처리에 관한 기술을 살펴보면, 한국등록특허 제10-0374485호에는 유기성 폐기물(하수슬러지, 축분, 음식물쓰레기) 혼합 유기성 폐기물(1)파쇄기(3)로 파쇄하고 스크류식 선별기(5)와 사이클론선별기(6)로 이송하여 협잡물을 분리하는 전처리 단계, 상기 전처리 단계를 거친 유기성폐기물을 유기 성분이 분해되기 쉽도록 유기 성분의 구조를 끊어주며 이에 악취와 부식성 물질인 황화수소를 제거하기 위하여 약품을 투입하여 가수분해시키는 가수분해 단계, 가수분해 처리된 슬러리를 혐기성 미생물이 활동하기 용이한 온도를 유지하기 위하여 열교환기를 통하여 35-42℃ 승온하여 소화조로 투입하는 단계, 투입된 슬러리를 단상 혐기성 상태에서 소화단계 및 생성된 메탄가스는 연료로 공급하고 슬러지를 탈수하여 건조하고 퇴비를 생산하는 단계로 구성된 유기성 폐기물 처리방법이 개발되어 있으나, 이러한 처리방법은 단상 소화조에서 pH, 온도, 체류시간, 혼합 및 교반을 측정하여 측정된 데이터를 기준으로 단상 소화조를 최적의 조건으로 작동시키므로서 최대의 메탄 생산량을 얻을 수 있도록 하는 점에서 역시 성공적인 혐기성 공정 운영을 위한 모니터링 및 제어가 어려운 단점이 있다.

한국등록특허 제10-0592492호에는 가수분해미생물, 산발효미생물, 메탄생성미생물을 포함하는 혐기성 미생물을 직렬로 연결된 고온 반응조 및 중온 반응조에 각각 식종하고 이들 혐기성 미생물의 공생관계를 유지하도록 하여 유기성 폐기물을 처리하는 방법에 관한 것으로, 유기성 폐기물의 처리에 있어서, (1) 혐기성 미생물이 함유되고, 50~55℃로 유지되는 고온 반응조에 유기성 폐기물을 유입시켜 혐기성 미생물과 반응시키는 단계와, (2) 혐기성 미생물이 함유되고, 30~35℃로 유지되는 중온 반응조에 상기 (1)단계 처리 후의 상등액을 유입시켜 혐기성 미생물과 반응시키는 단계와, (3) 상기 (2)단계 후 중온 반응조에서 처리된 유기성 폐기물을 유출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 고온/중온 이단 혐기소화 공정을 이용한 유기성 폐기물의 처리방법이 공지되어 있는 바, 이는 유기성 폐기물을 고온 반응조와 중온 반응조의 연속회분식 운전을 통해 최종 처분되어야 할 부피 감량을 극대화하고 액화된 유기물을 유용한 에너지원인 메탄가스로 전환시켜 바이오에너지를 회수율을 획기적으로 증대할 수 있다고 개시되어 있지만, 고온/중온 이단 혐기소화 반응조에서 혐기성 미생물의 공생관계를 유지하도록 하는데 기술적 어려움이 따르는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-0745186호에는 음식물 쓰레기, 농산 폐기물 등이 투입되는 투입조; 상기 투입조 일측에 설치되어 이에 투입된 음식물 쓰레기를 자동분쇄하여 유기 고형물은 분쇄하고 협잡물은 분리하는 자동파쇄선별기; 상기 자동파쇄선별기에 연결되고 이로부터 자동분쇄된 음식물 쓰레기가 투입되어 체류되는 저류조; 상기 저류조에 연결되어 체류된 상기 유기성 폐기물이 투입되고 투입된 상기 유기성 폐기물이 가수분해 및 산발효되어 그 고형물이 액화되는 산발효조; 상기 산발효조에 연결되어 이로부터 투입된 미반응된 고분자 유기물을 소화하여 탄산가스와 메탄가스로 분해하는 혐기성 소화조; 상기 혐기성 소화조에 연결되고 이로부터 발생된 메탄가스가 저장되는 가스홀더; 상기 혐기성 소화조에 연결되어서 이로부터 공급된 처리수에서 부유물질과 폐액을 분리하는 고형물 분리 및 탈수장치;로 이루어진 혐기성 소화방식을 이용한 유기성 폐기물 처리장치가 공지되어 있으나, 이는 바이오 가스를 재활용할 수 있다는 일반적인 혐기소화방법을 이용한 것으로서 메탄발생효율을 증대시키지는 못하는 문제점이 있다.

한국공개특허 제10-2009-0123384호에는 일반가정의 음식폐기물나 축산농가에서 유출되는 축분.뇨 등의 유기성 폐기물을 혐기성 소화작용으로 바이오가스를 생산하여 에너지자원으로 활용화하는 유기성 폐기물을 이용한 재생연료 제조장치로서, 호퍼를 통해 투입되는 음식폐기물 및 축분.뇨 등 유기성 폐기물들을 혼합하는 교반수단; 기저면이 전방에서 후방으로 가며 점차적으로 낮아지는 소정의 기울기를 가지고 있고, 밀폐된 공간을 하측이 서로 소통되는 제1벽과 제2벽으로 구획하여 상기 교반수단으로부터 스크루피더를 통해 유기성 폐기물이 유입되는 측에 산발효공간, 그리고 상부 측에 유기성 폐기물의 액상 수위에 따라 오르고 내리면서 처리물의 발효접촉 표면적을 증대시키게 하는 적어도 하나 이상의 부상체들을 갖는 메탄발효공간으로 이루는 혐기소화조; 상기 혐기소화조의 메탄발효공간 상부 측에 생성된 메탄가스를 회수하는 수거관을 갖추어서 된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 재생연료 제조장치가 개발되어 있으나, 메탄가스가 메탄발효공간 상측에 충전됨과 동시 그 메탄가스의 충전 압력에 의해 유기성 폐기물의 액상 수위는 하강하게 되고 부상체들은 노출되면서 그 표면에 유기성 폐기물이 점착되어 발효 표면적을 증대하게 되고 따라서, 처리물의 발효율을 높이고 시간 단축과 가스생성은 물론 수율을 높이도록 하고 있으나, 별도의 부상체 및 설비들을 사용함에 따른 경제성에 문제가 있다.

한국등록특허 제10-0883676호에는 처리대상물이 저장된 원료저장조; 상기 원료저장조로부터 유입되는 처리대상물의 산발효가 이루어지는 산발효조; 상기 산발효조와 별도 공간으로 형성되어 상기 산발효조의 발효액이 유입되어 메탄발효가 이루어지는 메탄발효조; 및 상기 메탄발효조에서 메탄발효가 이루어진 발효액의 가스를 포집하는 가스포집장치로 이루어지되, 상기 산발효조와 메탄발효조 사이에 완충조가 더 구비되어 상기 산발효조의 발효액이 완충조를 경유하면서 pH가 조절된 후 메탄발효조로 투입되되, 상기 산발효조 또는 메탄발효조 또는 완충조 또는 이들 모두에는 pH측정용 센서가 설치되고, 상기 센서는 외부 모니터와 연결되도록 하여 각 반응조의 pH값에 대한 모니터링이 이루어지도록 하고, 상기 완충조에는 라임주입을 위한 라임탱크가 연결되어 완충조에 설치된 상기 pH측정용 센서에 의해 측정된 pH값이 6.8 미만이 되면 상기 라임탱크로부터 라임이 완충조에 자동 주입이 되어 완충조의 pH값이 6.8 이상 7.2 이하로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 실시간 pH모니터링을 통한 pH조절이 이루어지는 이상혐기소화장치가 공지되어 있는데, 이러한 이상혐기소화장치는 산발효조에서 유출되는 산발효액이 곧바로 메탄발효조로 유입됨으로 인해서 발생되는 pH저하를 방지하기 위해 이상 혐기소화 방식에서 pH를 콘트롤할 수 있는 완충조를 도입하고, 각 반응조에는 pH를 측정하기 위한 센서를 구비하여 pH모니터링을 실시간으로 수행하여 각 반응조에서 충격부하가 발행하면 즉각적으로 대응할 수 있도록 하여 음식물쓰레기의 효율적 이용과 바이오 가스 발생량을 최대화 및 안정화할 수 있는 실시간 pH모니터링을 통한 pH조절이 이루어지도록 하고 있으나, 이 또한 완충조가 별도로 설치되는 경제성에 문제가 있고, 성공적인 혐기성 공정 운영을 위한 모니터링 및 제어가 어려운 단점이 있다.

한국등록특허 제10-0903062호에는 유기성 폐액에 포함된 고형물을 파쇄하여 액상화시키는 고압 균질화기; 상기 고압 균질화기에서 유출된 처리수를 산발효시키고 고액분리하는 고액분리 산발효조; 상기 고액분리 산발효조에서 유출되는 유기물을 소화시켜 메탄을 회수하는 고효율 혐기성조; 및 상기 고효율 혐기성조에서 유출된 처리수에 포함된 질소 및 인을 회수하는 영양염류 회수조를 포함하며, 상기 영양염류 회수조는, 상기 질소 및 상기 인이 회수된 방류수를 상기 고액분리 산발효조로 반송시키는 유기성 폐액 처리 장치가 공지되어 있고, 메탄을 회수하는 고효율 혐기성조를 포함함으로써 고효율 혐기성 공정의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다고 개시되어 있으나, 고효율 혐기성조의 구성은 일반적인 혐기조와 동일한 것으로 이는 일반적인 혐기소화방법을 이용한 것으로서 실질적으로 메탄발생효율을 증대시키지는 못하는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-0853287호에는 고농도 축산폐수의 혐기성 소화에서 가스분해 및 산생성 반응조, 메탄생성 반응조를 분리하여 유기물 제거효율을 향상시키고 메탄회수율을 증대시키며, 상기 혐기성 소화방법을 운영함에 있어서 메탄 회수율을 극대화 하는데 있어서 혐기성 메탄균으로 알려진 메탄 아키아를 간헐적으로 주입함으로서, 운영 초기 시스템의 정성화를 단축시키고 메탄발생 효율을 극대화 시킬 수 있는 축산폐수 소화처리 시스템이 공지되어 있으나, 이는 메탄발생 효율을 높이기 위하여 일반적인 혐기소화방법에 메탄발생균을 추가적으로 주입하는 것으로서 비용적인 문제가 있으며, 또한 자체적인 메탄발생효율을 증대시키지는 못하는 문제점이 있다.

한편, 신재생 에너지 개발에 전 세계적인 관심이 쏠리고 있는 가운데 지난 2008년 11월 아산시 환경사업소에서 국내 최초 통합형 바이오가스 플랜트가 준공되어 본격적으로 가동을 시작한 바 있는데, 통합형 바이오가스 플랜트는 단일 원료를 이용하여 바이오가스를 생산하는 기존 플랜트와는 달리 하수슬러지, 음식물폐수, 축산분뇨 등을 통합 소화하여 바이오가스를 생산한다.

이러한 바이오가스 플랜트는 음식물이나 축산분뇨, 하수슬러지와 같은 유기성폐기물의 혐기성 소화 처리과정에서 발생되는 바이오가스를 연료로 활용하는 처리시설로서, 음식물 처리 폐수 25톤, 축산분뇨 50톤, 하수슬러지 25톤으로 하루에 총 100 톤의 유기물을 처리하여 메탄과 이산화탄소의 혼합기체로 천연가스와 유사한 성상을 가진 바이오가스(메탄가스) 약 1250 ㎥를 생산한다. 이렇게 생성된 1250 ㎥의 바이오가스를 가지고 열병합발전기를 가동하면 약 2900 kW의 전기가 발생되며, 이는 300여 가구의 일일 사용량에 해당하는 발전량이다. 이렇게 생산된 전력은 하수처리장의 교반장치 가동에 사용되어 하수처리장 일일 사용전력량의 12 %를 공급하며, 이외에도 전력 생산과는 별도로 일일 약 5700 Mcal의 온수가 발행되어 바이오가스 플랜트 가온에도 활용된다.

상기 통합형 바이오가스 플랜트는 각 폐기물의 저장조, 열교환기, 산발효조, 메탄발효조, 고액분리기, 열병합발전기 및 탈취설비로 구성되어 있고, 각 저장조에 저장되어 있던 축산분뇨 등의 유기성폐기물들은 이송펌프를 통해 일정혼합비율로 혼합조로 투입되어 혼합되고 혼합된 유기성폐기물들은 산발효조로 투입된다.

혼합된 폐기물은 산발효조로 투입되기 전에 미리 온도를 높여주어야 하는데 이는 산발효조와 메탄발효조에서 혐기성 소화가 35 ℃의 중온에서 이루어지기 때문이다. 따라서 산발효조에 투입되기에 앞서 열교환기를 거치게 되는데 열교환기 내부는 온수가 각 층에 따라 흐르며 온도를 높여주는 형태로 되어있다.

그리고 산발효조에서 약 1.5일 정도 체류한 후 고액분리기를 거쳐 나온 액상성분이 메탄발효조를 거치면서 메탄함유율이 70~75 %에 달하는 바이오가스가 발생되는 것이다. 발생된 바이오가스는 가스저장조로 이송되기 전에 수분과 황화수소를 제거한 후 발전기의 연료로 사용되는데 그 전에 미리 실록산과 미세먼지 제거 장치를 거치게 된다. 그리고 이렇게 생성된 바이오가스는 발전기의 연료로 사용된다.

그러나, 상기 종래 특허기술 및 바이오가스 플랜트는 그 기술구성이 단순 혐기성 소화방식을 이용하거나, 발효접촉 표면적을 증대시키거나, 혐기소화 방식에서 pH를 콘트롤하는 방식이거나, 메탄 아키아를 간헐적으로 주입하거나 또는 통합플랜트를 이용하여 메탄가스를 발생시키는 것으로서 기존의 단순 혐기성 소화방식을 그대로 이용하거나 별도의 추가적인 시설을 설치하여 경제성 면에서 문제가 있는 기술들이므로 추가 시설 설치없이 기존 혐기성 소화방식을 이용하면서도 메탄수율을 향상시킬 수 있는 유기성 폐기물 처리시스템 개발이 시급한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물 등과 같은 고농도 유기성 폐기물에 포함된 유기성 폐기물의 소화를 촉진시키고, 슬러지 발생량을 감소시키며, 유기성 폐기물의 효율적 이용과 메탄발생 효율을 극대화한 혐기성 소화방식을 이용한 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치 및 그 방법을 제공하는 것을 해결하려는 과제로 한다.

본 발명은 유기성 폐기물처리창지에 있어서, 전처리된 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물의 유기성 폐기물이 유입되어 가수분해(고분자 유기물질의 저분자화) 및 산생성(저분자 물질의 유기산 변환) 반응이 일어나는 산발효조와; 상기 산발효조에서 우점화된 산발효 미생물들을 제거하기 위한 고액분리조와; 상기 고액분리조와 연결되어 이로부터 유입된 초산(acetic acid) 및 알콜을 포함하는 유기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화조와; 상기 혐기성 소화조로부터 유입된 유기물을 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하고, 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)으로 질소를 제거하고 슬러지를 감량화하는 고온호기성소화조(ATAD, Autothermal Thermophlic Aerobic Digestion)와; 상기 고온호기성소화조로부터 유입된 처리액중 잔존 유기물 및 영양염류(질소, 인)의 추가적 처리, ATAD처리수 냉각, 고온 미생물의 안정화 및/또는 일반 미생물로의 미생물이 치환되도록 고온호기성소화조와 운전조건을 달리하여 슬러지소화조에 적합한 기질로 슬러지 성상을 변화시키는 안정화조와; 상기 안정화조로부터 유입된 처리액을 고액분리하고 슬러지를 침전시키고 방류하거나 또는 하수연계처리시스템과 연결되는 침전조와; 상기 침전조의 슬러지 일부 또는 전부를 슬러지소화조로 유입시켜 메탄발효하면서 메탄종균을 증식시켜 상기 혐기성 소화조로 반송 순환하여 상기 혐기성 소화조의 메탄수율을 향상시키도록 한 슬러지소화조;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치를 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 본 발명은 유기성 폐기물처리방법에 있어서, 전처리된 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물의 유기성 폐기물이 유입되어 가수분해(고분자 유기물질의 저분자화) 및 산생성(저분자 물질의 유기산 변환) 반응이 일어나는 산발효단계와; 상기 산발효단계에서 우점화된 산발효 미생물들을 제거하기 위한 고액분리단계와; 상기 고액분리단계 후 상기 산발효단계에서 생성된 초산(acetic acid) 및 알콜을 포함하는 유기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화단계와; 상기 혐기성 소화단계를 거친 유기물을 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하고, 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)으로 질소를 제거하고 슬러지를 감량화하는 고온호기성소화단계와; 상기 고온호기성소화조로부터 유입된 처리액중 잔존 유기물 및 영양염류(질소, 인)의 추가적 처리, ATAD처리수 냉각, 고온 미생물의 안정화 및/또는 일반 미생물로의 미생물이 치환되도록 고온호기성소화조와 운전조건을 달리하여 슬러지소화조에 적합한 기질로 슬러지 성상을 변화시키는 안정화단계와; 상기 안정화단계를 거쳐 유입된 처리액을 고액분리하고 슬러지를 침전시키고 방류하거나 또는 하수연계처리시스템과 연결되는 슬러지 침전단계와; 상기 슬러지 침전단계에서 슬러지 일부 또는 전부를 유입시켜 메탄발효하면서 메탄종균을 증식시켜 상기 혐기성 소화단계로 반송 순환하여 상기 혐기성 소화단계의 메탄수율을 향상시키도록 한 슬러지소화단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리방법을 과제의 해결수단으로 한다.

본 발명의 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치 및 그 방법은 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물 등과 같은 고농도 유기성 폐기물에 포함된 유기성 폐기물의 소화를 촉진시키고, 슬러지 발생량을 감소시키며, 유기성 폐기물의 효율적 이용과 메탄발생 효율을 향상시킬 수 있는 유리한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 전처리의 일실시예인 유분분리용 가압부상 개념도
도 3은 본 발명의 혐기성 소화에 의한 메탄가스 생성 메카니즘.
도 4은 본 발명의 고온호기성소화(ATAD)에 의한 슬러지 감량화의 개략도.
도 5는 본 발명의 고온호기성소화(ATAD)에 의한 질소제거의 개략도.

본 발명의 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치는 유기성 폐기물처리창지에 있어서, 전처리된 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물의 유기성 폐기물이 유입되어 가수분해(고분자 유기물질의 저분자화) 및 산생성(저분자 물질의 유기산 변환) 반응이 일어나는 산발효조와; 상기 산발효조에서 우점화된 산발효 미생물들을 제거하기 위한 고액분리조와; 상기 고액분리조와 연결되어 이로부터 유입된 초산(acetic acid) 및 알콜을 포함하는 유기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화조와; 상기 혐기성 소화조로부터 유입된 유기물을 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하고, 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)으로 질소를 제거하고 슬러지를 감량화하는 고온호기성소화조(ATAD, Autothermal Thermophlic Aerobic Digestion)와; 상기 고온호기성소화조로부터 유입된 처리액중 잔존 유기물 및 영양염류(질소, 인)의 추가적 처리, ATAD처리수 냉각, 고온 미생물의 안정화 및/또는 일반 미생물로의 미생물이 치환되도록 고온호기성소화조와 운전조건을 달리하여 슬러지소화조에 적합한 기질로 슬러지 성상을 변화시키는 안정화조와; 상기 안정화조로부터 유입된 처리액을 고액분리하고 슬러지를 침전시키고 방류하거나 또는 하수연계처리시스템과 연결되는 침전조와; 상기 침전조의 슬러지 일부 또는 전부를 슬러지소화조로 유입시켜 메탄발효하면서 메탄종균을 증식시켜 상기 혐기성 소화조로 반송 순환하여 상기 혐기성 소화조의 메탄수율을 향상시키도록 한 슬러지소화조;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리방법은 유기성 폐기물처리방법에 있어서, 전처리된 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물의 유기성 폐기물이 유입되어 가수분해(고분자 유기물질의 저분자화) 및 산생성(저분자 물질의 유기산 변환) 반응이 일어나는 산발효단계와; 상기 산발효단계에서 우점화된 산발효 미생물들을 제거하기 위한 고액분리단계와; 상기 고액분리단계 후 상기 산발효단계에서 생성된 초산(acetic acid) 및 알콜을 포함하는 유기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화단계와; 상기 혐기성 소화단계를 거친 유기물을 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하고, 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)으로 질소를 제거하고 슬러지를 감량화하는 고온호기성소화단계와; 상기 고온호기성소화조로부터 유입된 처리액중 잔존 유기물 및 영양염류(질소, 인)의 추가적 처리, ATAD처리수 냉각, 고온 미생물의 안정화 및/또는 일반 미생물로의 미생물이 치환되도록 고온호기성소화조와 운전조건을 달리하여 슬러지소화조에 적합한 기질로 슬러지 성상을 변화시키는 안정화단계와; 상기 안정화단계를 거쳐 유입된 처리액을 고액분리하고 슬러지를 침전시키고 방류하거나 또는 하수연계처리시스템과 연결되는 슬러지 침전단계와; 상기 슬러지 침전단계에서 슬러지 일부 또는 전부를 유입시켜 메탄발효하면서 메탄종균을 증식시켜 상기 혐기성 소화단계로 반송 순환하여 상기 혐기성 소화단계의 메탄수율을 향상시키도록 한 슬러지소화단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치 및 그 방법의 구체적인 기술구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도 1에 나타난 바와 같이 산발효조, 고액분리조, 혐기성 소화조, 고온호기성소화조, 안정화조, 침전조, 슬러지소화조를 포함하여 구성된다.

먼저, 산발효조에 유기성 폐기물이 투입되기 전에 큰 협잡물에 의한 후단 기계장치들을 보호하고 트러블을 방지하며, 가수분해 속도를 높이기 위하여 1~5mm눈 크기의 스크린이 설치된 전처리를 거치게 된다.

또한, 산발효조에는 유분이 분리된 유기성 폐기물이 투입되는데, 통상적으로 음식물 폐액에는 유분이 최대 5％ 정도 함유되어 있으며, 이러한 유분은 공정진행에 악영향을 미칠 뿐 아니라 2차 오염 등 여러 가지 부작용을 일으킬 수 있으므로 전처리로서 유분을 분리하게 된다.

즉, 도 2에 도시한 바와 같이 가압탱크에서 생성된 미세 기포를 유분분리용 가압부상조 하부에 설치된 산기관으로 유입시키면 유입된 미세 기포는 유분분리용 가압부상조 내부에 존재하는 유분을 흡착하여 유분분리용 가압부상조 상부로 부상시키고, 부상된 유분은 유수분리장치인 스키머(SKIMMER)에 의해 별도의 유분저장조에 저장되며 정체시설로 옮겨지고, 상기 유기성 폐기물은 유분이 분리된 상태로 산발효조에 투입된다.

상기 유분이 분리된 유기성 폐기물이 산발효조에 투입되면, 유기성 폐기물은 가수분해 및 산발효되어 그 고형물이 액화된다. 이러한 산발효조에 투입된 유기성 폐기물은 약 2일 정도의 체류시간을 가지며 고분자 유기물질이 가수분해 및 산발효되면서 액화된다. 따라서 산발효조를 통과한 유기성 폐기물은 고형물이 유기산화되어 대부분이 용해성 유기물로 전환되어 그 처리가 용이해진다.

즉, 산발효조에서는 전처리된 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물의 유기성 폐기물이 유입되어 가수분해(고분자 유기물질의 저분자화) 및 산생성(저분자 물질의 유기산 변환) 반응이 일어나는데, 유입된 유기성 폐기물중 고분자들은 가수분해 단계를 통해 여러 미생물이 분비하는 셀로비아제(cellobiase), 아밀라제(amylase), 프로테아제(protease), 리파아제(lipase) 등의 체외효소(Extracelluar Enzymes)에 의해 고분자 유기물질이 연쇄적으로 저분자 물질로 가수분해되고 산생성된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 산생성은 가수분해 반응산물인 단당류, 아미노산, 글리세롤, 고급지방산(LONG CHAIN FATTY ACIDS)과 같은 유기 단량체 등이 산생성에 관여하는 미생물의 전자공여체와 전자수용체로서 이용되어 저급지방산(Short chain fatty acids)으로 전환되는 반응이다. 저급지방산은 발효가 더 진행되어 최종적으로 메탄생성의 전구물질인 초산(acetic acid), 알콜, 이산화탄소 및 수소등을 생산한다.

산발효 미생물은 아세토박터 스피시스(acetobacter species), 락토바실러스 스피시스(lactobacillus species), 스트렙토코커스 스피시스(streptococcus speices), 페디오코커스 스피시스(pediococcus species), 프로피오니박테리움 스피시스(propionibacterium species) 등의 미생물 중에서 선택된 어느 하나이거나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다.

산발효조는 완전 혼합형 반응기로서 내부에는 항시 교반기가 가동되어 균일한 상태를 유지하며, 산발효조가 가득 찼을 경우 유입펌프가 자동으로 멈추도록 되어 있다.

한편, 산발효조는 발효의 진행 속도와 유기산의 생산 수율을 높이기 위해서는 45℃~70℃의 중온 이상의 높은 온도 유지와 알코올 및 유기물질을 유기산으로 산화할 수 있는 산소농도(좁은 산화환원전위(酸化還元電位, ORP, oxidation-reduction potential)편차를 유지)를 유지하고, 상기 산발효조의 구조는 자기 발열 시스템과 자동 ORP 유지 시스템을 갖추고 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 산발효조는 자체발열이 가능하도록 산발효조의 유입수순환펌프에서 산발효조 내부의 물을 흡수하여 순환하는 과정에서 벤츄리관을 통하여 흡입된 공기와 산발효조 내부의 미반응된 산소를 산발효조 내부에 유입하여 온도 상승 및 분해를 촉진할 수 있으며, 상기 산발효조의 자체발열을 이용하여 고온호기성소화조로 순환시켜 발효에 필요한 열로 재활용할 수도 있다.

상기 산발효조에서 산발효된 폐기물 슬러리는 열교환기에서 40℃ 정도로 가온된 다음 고액분리조로 이송된다. 상기 고액분리조에서는 산발효조에서 우점화된 산발효 미생물을 제거하게 되는데, 유기산균이 대부분을 차지하는 산발효 미생물은 혐기성 소화조로 유입시 메탄균의 생장을 저해한다. 특히, 음식물과 같이 유기산균의 번식이 왕성한 원수는 유기산균의 제거없이 혐기성 소화조로 유입할 경우 혐기성 소화조에서 우점화되어 메탄생성수율을 크게 떨어뜨리게 된다.

따라서, 상기 고액분리조는 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 산발효조에서 산발효된 폐기물 슬러리에 응집약품을 투입하고 교반하여 플록을 형성하기 위한 응집반응조와, 상기 응집반응조에서 유입된 폐기물 슬러리에 미세기포를 확산시켜 플록, 미세응집물, 미세고형물과 결합하여 상부에 슬러지층을 생성시키고 스크래퍼로 슬러지층을 제거시키기 위한 용존가압부상고액분리조와, 상기 미세기포를 발생시키는 미세기포발생장치를 포함하여 구성된다.

이어서, 상기 고액분리조에서 유입되는 유기성 폐기물은 혐기성 소화조로 보내져 메탄가스가 생성된다. 혐기성 소화조의 메탄가스 생성은 낙산과 프로피온산을 분해하여 메탄가스가 생성되는데, 낙산의 분해단계[C3 H7 COOH + 2H2 O → 2CH3 COOH + 2H2], 프로피온산의 분해단계[C2 H5 COOH + 3H2 O → CH3 COOH + 3H2+ H2 CO3], 메탄 생성[CH3 COOH → CH4+ CO2 → CO2+ 4H2 → CH4+ 2H2O]단계를 거쳐 메탄가스가 생성된다.

그러나, 종래의 혐기성 소화조에서는 유기성 폐기물의 산발효와 메탄발효가 동시에 일어나면서 메탄가스가 생성되므로 폐기물의 농도, pH, 온도, 체류시간 등의 변수를 측정하여 폐기물에서 메탄가스가 최대로 발생할 수 있는 최적의 조건으로 혐기성 소화조의 작동조건을 제어하도록 하여야 하는데 그 기술적인 어려움이 있었다.

즉, 기존의 혐기성 소화조는 산형성 박테리아와 메탄형성 박테리아가 동시에 작용하여 발효되었는데, 이 경우 메탄 발생 박테리아의 메탄 생성 속도가 산형성 박테리아의 휘발성 유기산 발생 속도보다 상대적으로 느려, 혐기성 소화조에는 결국 VFA(휘발성 지방산)의 축적이 발생되고, 이로 인해 pH 저하를 유발시키고, 메탄 형성 박테리아의 활동을 저해하게 된다. 더욱이 산형성 박테리아와 메탄형성 박테리아는 생리적인 특성, 영양요구 물질, 성장 동역학, 주변환경에 대한 민감도에 많은 차이를 보인다.

이와 같은 이유로 기존의 혐기성 소화조는 pH조절 실패 등과 같이 혐기성 소화조에서 활동하는 미생물의 성장 조건을 만족시켜주지 못할 경우 미생물 성장에 저해를 일으켜 바이오가스(메탄) 생성의 효율 저하를 가져올 수 있고, 또한 갑작스런 부하층격에 대한 대응을 제대로 하지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 혐기성 소화조는 유기성 폐기물을 처리하는데 중요한 장치로써, 산발효조에서는 가수분해 및 유기산 발효(고분자의 유기산, 즉 CH3CH2COOH-프로피온산) 반응이 일어나지만, 이 혐기성 소화조에서는 미반응된 고분자 유기물 및 유기산이 최종적으로 CH3COOH(초산)까지 전환되고, 메탄균에 의하여 초산에서 CH4 + CO2의 반응을 일으켜 메탄이 생성되는데, 혐기성 소화조에서는 메탄균 미생물이 많이 유지될 수 있도록 하며, 또한 미생물과 유기물이 매우 잘 접촉되도록 교반시켜 주고, 미생물의 농도를 25,000mg/L 이상 유지하여야 한다.

상기 메탄균이 많이 유지될 수 있도록 하기 위하여 종래에는 메탄을 생성하는 미생물(methanogens)인 절대 혐기성 고세균(Archaea)을 간헐적으로 주입하는 방법을 사용하였으나, 본 발명에서는 최종 침전 슬러러지 일부 또는 전부를 슬러지소화조로 유입시켜 메탄발효하면서 메탄균을 증식시켜 상기 혐기성 소화단계로 반송 순환시키는 슬러지소화조를 별도로 설치하거나 기존 유휴 슬러지소화조를 활용하여 상기 혐기성 소화조에 메탄균 미생물이 많이 유지될 수 있도록 한 것에 그 핵심적인 기술구성의 특징이 있다.

메탄생성 미생물은 메타노박테리움 스피시스(methanobacterium species), 메타노브레비박터 스피시스(methanobrevibacter species), 메타노스프리릴럼 스피시스(methanospririllum species), 메타노프래너스 스피시스(methanoplanus species), 메탄노코커스 스피시스(methanococcus species), 메타노사르시나 스피시스(methanosarcina species), 메타노℃트릭스 스피시스(methanothrix species), 메타노로버스 스피시스(methanolobus species), 메타노코코이드스 스피시스(methanococcoides species) 중에서 선택된 어느 하나이거나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다.

여기서, 산발효조와 혐기성 소화조의 pH는 미생물들의 성장에 큰 영향을 주는 인자이고 산발효조와 혐기성 소화조의 미생물들의 성장을 위한 최적 pH가 다르기 때문에 최적 pH를 맞춰주는 것이 바람직한데, 산발효조의 경우 pH는 5 내지 6 정도로 하고, 혐기성 소화조의 경우 pH는 6.5 내지 8 정도로 맞추는 것이 바람직하며, 특히, 혐기성 소화조는 pH 7에서 운전하도록 하는 것이 특히 바람직하다. 그 이유는 메탄 생성 균의 경우 변화에 매우 민감하고 유기산의 축적으로 인해 pH가 6 이하로 떨어질 경우 성장하기 어렵기 때문이다.

고온호기성소화조(ATAD, Autothermal Thermophlic Aerobic Digestion)는 산발효조 및 혐기성소화조를 거치면서 분자량이 작은 유기산으로 분해된 폐기물을 고온 호기성 미생물을 이용하여 분해하는데, 본 발명의 고온호기성소화조는 집진기를 설치하여 분해과정 중 고온호기성소화조 내에서 발생하는 휘발성유기화합물(VOC) 및 휘발성지방산(VFA)을 제거할 수 있도록 하고, 운전조건은 온도 45℃~70℃, 공기주입, 용액의 수소 이온농도(PH) 7~8, D.O농도 0.2ppm 이상의 조건을 유지하는 것이 바람직하며, 스컴소포조와 연계하여 고온호기성소화조에서 발생된 거품을 상기 스컴소포조에서 폐기물의 거품을 교반 제거하여 고온 호기성소화조로 재투입할 수도 있다.

상기 고온호기성소화조는 외부로부터 열에너지 공급 없이 자기 스스로 반응하는 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하는 것으로서, 이때 반응열, 바이오가스(BIO GAS), 발효 부산물이 발생되며 이는 각각의 회수장치에 의해 회수되며 재활용되며, 슬러지 감량화 및 질소 제거에 탁월하다.

또한, 상기 고온호기성소화조의 원리는, 자기 스스로 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 온도를 유지하며 유기물 분자의 화학적 에너지는 높은 상태로 미생물에 합성되기도 하지만 대부분 화학적 에너지는 열로써 주변에 방출되며, 혐기성 소화에 비해 유기물 부하 및 독성물질에 대하여 안전하고 질산화 공정을 거치지 않기 때문에 낮은 질소농도를 유지하는데 이때 질소는 NH₄ 상태에서 탈기되며, 높은 유기물 부하가 처리효율을 향상시키는데 최대 유기물부하가 10％ 이하이다.

상기 고온호기성소화에 의한 슬러지 감량화는 도 5와 같이 이루어지며 슬러지 감량화 원리는 고온 호기성 소화조 내의 고농도 유기성 슬러지는 고온호기성 미생물의 대사 과정에서 나오는 가수분해 효소에 의해 가수분해되어 작은 분자 형태로 전환되며 가수 분해가 된 용해성 유기물질은 산소에 의해 산화되어 CO2, H2O를 형성한다.

상기 고온호기성소화조에서 유기물 분해시 생성된 에너지는 미생물을 증식시키기도 하지만 대부분 산소와 같이 외부로 방출되는데 이러한 열과 산소를 다시 포집하여 고온 호기성 소화조 내부로 투입하여 연속 공정이 이루어진다. 또한, 외부로부터 유기물질이 공급되지 않으면 미생물 자체적으로 내호흡을 통하여 유기물을 산화시키며, 이러한 합성과 발열 반응 및 내호흡 과정을 통해 슬러지의 질량의 감소되며 열 에너지가 발생한다.

한편, 본 발명의 고온호기성소화조에 의한 슬러지 감량화 총괄 반응식은 [유기성 슬러지 + O2 + 미생물 + 영양물질 → 부산물 + CO2 + H2O + NH4 ↑ + energy]와 같으며, 미생물의 호기성 대사 과정은 [C6H12O6 + O2 + NH3 → CO2 + 4H2O + C5H7O2N + energy]와 같고, 또한, 내호흡 과정은 [C5H7O2N + 5O2 → 5CO2 + 2H2 + NH3 ↑ + energy]와 같다.

또한, 고온호기성소화조에 의한 질소제거는 도 6과 같이 이루어지는데, 질소제거의 원리는, 고온호기성소화조에서는 소화조 내부의 높은 온도와 상승된 PH 때문에 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)이 일어나기 때문에 질소 제거의 효과가 탁월하다.

상기 암모니아 스트리핑은 용존 되어 있는 NH4 + 암모늄이온(ammonium ion)이 PH와 온도 조건에 따라 NH3(ammonia)로 전환되어 가스 상태로 탈기되는 현상을 말하며, 이때는 PH, 온도, 공기 주입량의 세가지 요소가 중요한데, PH가 낮을 경우에는 NH3 + H2O → NH4 + OH -, PH가 높을 경우에는 NH4 + → NH3 ↑ + H + 반응이 일어난다.

안정화조는 잔존 유기물 및 영양염류(질소, 인)의 추가적 처리, ATAD처리수의 냉각, 고온 미생물의 안정화 및/또는 일반 미생물로의 미생물 치환을 목적으로 하며, 안정화조의 폭기/비폭기 주기 변화로 유입부하변동에 안정적 처리 가능하며, 약품투입량 절감 및 슬러지 침강성 향상되고, 간헐폭기로 인한 유지관리비(전력비)가 감소되는 장점이 있다.

상기 안정화조의 운전조건은, 수리학적 체류시간 1일 이상, SRT 10~20일, MLSS 2,000~5,000 mg/l, 폭기 DO 2.0 mg/l 이상, 비폭기 DO 0.5 mg/l 이하, 폭기/비폭기 주기 40~50/10~20분으로 운전하는 것이 바람직하다.

침전조는 상기 안정화조로부터 유입된 처리액을 고액분리하고 슬러지를 침전시키고 방류하거나 또는 하수연계처리시스템과 연결된다. 상기 안정화조에서 일부 정화된 반응수가 침전조로 옮겨 순수는 별도로 분리되어 방류하거나 또는 하수연계처리되고, 중력에 의해 침전된 슬러지 일부 또는 전부는 침전조 하부중앙의 슬러지집적장치에 모아 슬러지반송펌프의 구동력을 이용해 반송슬러지유입관을 통해 슬러지 소화조로 반송되거나, 탈수장치 등의 슬러지 감량장치를 통해 외부로 배출된다.

슬러지소화조는 상기 침전조의 슬러지 일부 또는 전부를 반송받아 메탄발효하면서 메탄종균을 증가시켜 상기 혐기성 소화조로 반송 순환시키는데, 이송된 슬러지를 미생물에 의하여 분해시킴과 동시에 부산물로서 소화가스를 발생하는 슬러지소화조는 한 개 또는 두 개 이상으로 된 것으로서, 침전조로부터 유입되는 슬러지를 혐기성 미생물의 작용으로 가스화와 액화, 무기화하여 안정화 감량한다.

보다 구체적으로 설명하면, 슬러지소화조에 유입되는 슬러지는 질소함량이 높아 혐기성소화시 혐기성균들을 위한 질소원으로 작용할 수 있으며, 상기 슬러지 자체가 다양한 미생물로 이루어져 있으므로 혐기성 소화를 위한 종균으로 작용할 수 있다.

즉, 슬러지는 주로 호기성균이나 임의성균(산소의 유무에 관계 없이 성장하는 미생물)으로 구성되며, 공기를 주입하지 않는 혐기성소화(anaerobic digestion)에 의해, 임의성 내지 혐기성의 유기산균 및 메탄균이 번식하게 된다. 상기의 번식은 생태계의 천이과정으로, 혐기성 상태를 유지하게 되면, 그에 적합한 혐기성균들이 우점종을 차지하게 되는 과정을 이용한 것이다.

이 과정을 상세히 살펴보면 혐기성소화는 여러종류의 박테리아에 의해 일어나며, 크게 유기산균과 메탄균으로 나뉜다. 임의성 내지 혐기성의 유기산균이 유기물을 분해시켜 유기산과 알코올을 생성하며 이때 CO2, 아세톤, H2 등이 소량 발생되는데, Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina, Methanospirillium의 4속으로 분류되는 메탄균이 상기 혐기성 소화에서 생성된 유기산을 분해시켜 CH4 및 CO2 등의 가스물질을 생성하며 이때 NH3, H2S, 메르캅탄 등도 일부 발생한다.

이때, 유기산균과 메탄균의 적절한 활동이 요구되는데, 유기산균으로 유기산이 생성되며 메탄균으로 유기산을 분해시킴으로써 유기산의 축적으로 pH가 저하되는 것을 방지하고, 또한 유기산균은 메탄균을 위하여 양분을 생산할 뿐 아니라 산화물을 소모시켜 환원제를 생성하므로서 완전혐기성 상태를 만든다.

따라서, 상기 슬러지는 메탄균 등의 혐기성 미생물이 우점종이 되므로 혐기성소화가 원활하게 일어나게 되고, 결과적으로 메탄가스의 발생이 증가하게 되며, 메탄균의 농축슬러지가 되어 혐기성 소화조에 공급되므로 메탄수율이 향상되게 되는 것이다.

상기 슬러지소화조에서 발생되는 소화가스는 메탄이 60~70%, 탄산가스30~40%이고 그밖에 질소, 수소, 황화수소를 포함하는 조성을 가진다. 이때, 소화가스에는, 황화가스나 수분, 미량 유해물질들이 포함되어 있어 오염부하가 높으며, 따라서 이들을 정제하지 않고 사용할 경우 발열량이 적게 되고, 독성이 강하며 심한 악취가 발생된다. 더 나아가 철이나 아연 구리등을 강하게 부식시킴으로써 열병합발전기의 기계장치를 부식시킨다. 이러한 문제점에 의거하여, 슬러지소화조는, 소화가스에 포함된 비연소 가스 및 유해가스를 제거하기 위한 필터유니트가 설치된다. 이러한 필터유니트를 채용함으로써 소화가스에 포함된 유해가스 및 비연소가스를 효과적으로 제거할 수 있다.

한편, 본 발명의 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리방법은 유기성 폐기물처리방법에 있어서, 전처리된 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물의 유기성 폐기물이 유입되어 가수분해(고분자 유기물질의 저분자화) 및 산생성(저분자 물질의 유기산 변환) 반응이 일어나는 산발효단계와; 상기 산발효단계에서 우점화된 산발효 미생물들을 제거하기 위한 고액분리단계와; 상기 고액분리단계 후 상기 산발효단계에서 생성된 초산(acetic acid) 및 알콜을 포함하는 유기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화단계와; 상기 혐기성 소화단계를 거친 유기물을 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하고, 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)으로 질소를 제거하고 슬러지를 감량화하는 고온호기성소화단계와; 상기 고온호기성소화조로부터 유입된 처리액중 잔존 유기물 및 영양염류(질소, 인)의 추가적 처리, ATAD처리수 냉각, 고온 미생물의 안정화 및/또는 일반 미생물로의 미생물이 치환되도록 고온호기성소화조와 운전조건을 달리하여 슬러지소화조에 적합한 기질로 슬러지 성상을 변화시키는 안정화단계와; 상기 안정화단계를 거쳐 유입된 처리액을 고액분리하고 슬러지를 침전시키고 방류하거나 또는 하수연계처리시스템과 연결되는 슬러지 침전단계와; 상기 슬러지 침전단계에서 슬러지 일부 또는 전부를 메탄발효하면서 메탄종균을 증가시켜 상기 혐기성 소화단계로 반송 순환시키는 슬러지소화단계;를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 고액분리단계는 상기 산발효단계에서 산발효된 폐기물 슬러리에 응집약품을 투입하고 교반하여 플록을 형성하기 위한 응집반응단계와, 상기 응집반응단계에서 유입된 폐기물 슬러리에 미세기포를 확산시켜 플록, 미세응집물, 미세고형물과 결합하여 상부에 슬러지층을 생성시키고 스크래퍼로 슬러지층을 제거하기 위한 용존가압부상고액분리단계를 포함하여 구성된다.

이하, 각 각 단계의 작용은 상기에서 설명한 바와 같으므로 상세한 설명은 생략한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

1. 유기성 폐기물처리창지에 있어서, 전처리된 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물의 유기성 폐기물이 유입되어 가수분해(고분자 유기물질의 저분자화) 및 산생성(저분자 물질의 유기산 변환) 반응이 일어나는 산발효조와;
   상기 산발효조에서 우점화된 산발효 미생물들을 제거하기 위한 고액분리조와;
   상기 고액분리조와 연결되어 이로부터 유입된 초산(acetic acid) 및 알콜을 포함하는 유기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화조와;
   상기 혐기성 소화조로부터 유입된 유기물을 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하고, 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)으로 질소를 제거하고 슬러지를 감량화하는 고온호기성소화조(ATAD, Autothermal Thermophlic Aerobic Digestion)와;
   상기 고온호기성소화조로부터 유입된 처리액중 잔존 유기물 및 영양염류(질소, 인)의 추가적 처리, ATAD처리수 냉각, 고온 미생물의 안정화 및/또는 일반 미생물로의 미생물이 치환되도록 고온호기성소화조와 운전조건을 달리하여 슬러지소화조에 적합한 기질로 슬러지 성상을 변화시키는 안정화조와;
   상기 안정화조로부터 유입된 처리액을 고액분리하고 슬러지를 침전시키고 방류하거나 또는 하수연계처리시스템과 연결되는 침전조와;
   상기 침전조의 슬러지 일부 또는 전부를 슬러지소화조로 유입시켜 메탄발효하면서 메탄종균을 증식시켜 상기 혐기성 소화조로 반송 순환하여 상기 혐기성 소화조의 메탄수율을 향상시키도록 한 슬러지소화조;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고액분리조는 상기 산발효조에서 산발효된 폐기물 슬러리에 응집약품을 투입하고 교반하여 플록을 형성하기 위한 응집반응조와, 상기 응집반응조에서 유입된 폐기물 슬러리에 미세기포를 확산시켜 플록, 미세응집물, 미세고형물과 결합하여 상부에 슬러지층을 생성시키고 스크래퍼로 슬러지층을 제거하기 위한 용존가압부상고액분리조와, 상기 미세기포를 발생시키는 미세기포발생장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 산발효조의 pH는 5 내지 6, 상기 혐기성 소화조의 pH는 6.5 내지 8로 유지하는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 고온호기성소화조는 집진기를 설치하여 분해과정 중 고온호기성소화조 내에서 발생하는 휘발성유기화합물(VOC) 및 휘발성지방산(VFA)을 제거할 수 있도록 하고, 운전조건은 온도 45℃~70℃, 공기주입, 용액의 수소 이온농도(PH) 7~8, D.O농도 0.2ppm 이상의 조건을 유지하는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치
   
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 안정화조의 운전조건은, 수리학적 체류시간 1일 이상, SRT 10~20일, MLSS 2,000~5,000 mg/l, 폭기 DO 2.0 mg/l 이상, 비폭기 DO 0.5 mg/l 이하, 폭기/비폭기 주기 40~50/10~20분으로 운전하는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리장치
   
6. 유기성 폐기물처리방법에 있어서, 전처리된 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 농산물 폐기물, 축산 폐기물의 유기성 폐기물이 유입되어 가수분해(고분자 유기물질의 저분자화) 및 산생성(저분자 물질의 유기산 변환) 반응이 일어나는 산발효단계와;
   상기 산발효단계에서 우점화된 산발효 미생물들을 제거하기 위한 고액분리단계와;
   상기 고액분리단계 후, 상기 산발효단계에서 생성된 초산(acetic acid) 및 알콜을 포함하는 유기물을 소화하여 메탄가스를 생성하는 혐기성 소화단계와;
   상기 혐기성 소화단계를 거친 유기물을 중, 고온성 미생물의 활동에 적합한 45℃~70℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하고, 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)으로 질소를 제거하고 슬러지를 감량화하는 고온호기성소화단계와;
   상기 고온호기성소화단계로부터 유입된 처리액중 잔존 유기물 및 영양염류(질소, 인)의 추가적 처리, ATAD처리수 냉각, 고온 미생물의 안정화 및/또는 일반 미생물로의 미생물이 치환되도록 고온호기성소화단계와 운전조건을 달리하여 슬러지소화조에 적합한 기질로 슬러지 성상을 변화시키는 안정화단계와;
   상기 안정화단계를 거쳐 유입된 처리액을 고액분리하고 슬러지를 침전시키고 방류하거나 또는 하수연계처리시스템과 연결되는 슬러지 침전단계와;
   상기 슬러지 침전단계에서 슬러지 일부 또는 전부를 유입시켜 메탄발효하면서 메탄종균을 증식시켜 상기 혐기성 소화단계로 반송 순환하여 상기 혐기성 소화단계의 메탄수율을 향상시키도록 한 슬러지소화단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리방법
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 고액분리단계는 상기 산발효단계에서 산발효된 폐기물 슬러리에 응집약품을 투입하고 교반하여 플록을 형성하기 위한 응집반응단계와, 상기 응집반응단계에서 유입된 폐기물 슬러리에 미세기포를 확산시켜 플록, 미세응집물, 미세고형물과 결합하여 상부에 슬러지층을 생성시키고 스크래퍼로 슬러지층을 제거하기 위한 용존가압부상고액분리단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리방법
   
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 산발효단계의 pH는 5 내지 6, 상기 혐기성 소화단계의 pH는 6.5 내지 8로 유지하는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리방법
   
9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 고온호기성소화단계는 집진기를 설치하여 분해과정 중 고온호기성소화조 내에서 발생하는 휘발성유기화합물(VOC) 및 휘발성지방산(VFA)을 제거할 수 있도록 하고, 상기 고온호기성소화단계 조건은 온도 45℃~70℃, 공기주입, 용액의 수소 이온농도(PH) 7~8, D.O농도 0.2ppm 이상의 조건을 유지하는 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리방법
   
10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 안정화단계의 조건은, 수리학적 체류시간 1일 이상, SRT 10~20일, MLSS 2,000~5,000 mg/l, 폭기 DO 2.0 mg/l 이상, 비폭기 DO 0.5 mg/l 이하, 폭기/비폭기 주기 40~50/10~20분인 것을 특징으로 하는 메탄수율이 향상된 유기성 폐기물 처리방법

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