KR101184648B1 - 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조 - Google Patents

Abstract

산발효조와 메탄발효조가 일체형으로 형성된 혐기소화조에 관한 것으로, 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조가 개시된다. 산발효조와 메탄발효조의 공간을 분할하고, 하부에 1 이상의 통수구가 형성된 원통형 경계벽, 경계벽 상부의 내측에 이격하여 고정 설치되는 드래프트 튜브 및 드래프트 튜브 내부에서 회전하도록 설치되어 산발효조 상부로 공급된 유기성 폐수를 하강 및 교반시키는 상부 교반기를 포함하여 구성된다. 이에 의해 유기성 폐수 중 비중이 낮은 물질을 강제적으로 하강시켜 스컴 발생을 억제하고, 스컴이 산발효조의 수면 중앙부에 모이게 함으로써 스컴을 효율적으로 제거할 수 있다.

Description

스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조{2-PHASE ANAEROBIC DIGESTION REACTOR FOR REDUCING SCUM}

본 발명은 유기성 폐수의 혐기소화조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산발효조와 메탄발효조가 일체형으로 형성된 혐기소화조에 관한 것이다.

혐기소화조 유입기질은 통상 유기성 폐수라 불리는 농축슬러지, 축산분뇨, 분뇨, 음식물쓰레기, 음폐수(음식물류 폐기물 폐수) 등으로 주성분으로 유기물질을 함유하고 있어 최근 들어 폐기처분 하여야 할 대상에서 재활용 가능한 물질로 바뀌고 있다.

종래의 2상 혐기소화조는 도 1에 도시된 바와 같이, 산발효조(2)로 공급되어 산발효된 유기성 폐수는 이송 펌프(4)에 의해 메탄발효조(5)로 공급된다. 이때 메탄발효조(5) 내의 미생물에게 pH 쇼크를 줄이기 위하여 버퍼 탱크(3)에 임시 저장하게 된다. 그리고 산발효조(2)와 메탄발효조(5)는 각각 보온재(2, 6)를 덮어 발효에 필요한 온도를 유지하게 된다.

종래의 다른 2상 혐기소화조로서 본 출원인의 등록특허공보 제10-0948287호(발명의 명칭 : 일체형 2상 혐기소화조 및 이를 구비하는 혐기소화 장치)에는 산발효조와 메탄발효조가 일체로 구성되고, 산발효조 내부에는 교반날개를 구비하고 있다.

그러나 위와 같은 종래의 혐기소화조는, 수면에 부상하여 모인, 유지, 섬유, 고형물 등으로 이루어지는 스컴이 층을 형성하여 두꺼워지고 외부로의 배출이 용이하지 않았다. 또한 이로 인해 가스 흐름을 방해하고 소화조의 유효 용량을 감소시키기 때문에 수리학적 체류시간이 감소하여 소화조 효율이 낮아진다는 문제점이 있었다.

이러한 스컴을 제거하는 방식으로서 종래에 탈리액 또는 공정 순환수를 이용하여 표면에 살포하여 깨뜨리는 방법과, 스키머(Skimmer)를 이용하여 상부의 스컴을 걷어내는 방법 등이 사용되고 있었다. 그러나 공정 순환수를 사용할 경우 일시적인 스컴이 제거만 가능하고 스컴의 원천적인 제거는 힘들다. 스키머를 이용할 경우 제거효율은 높으나 연속 가동으로 인해 반송수 또는 월류수가 증가하여 후단 공정에 부하를 줄 수 있다는 문제점이 있었다.

한편, 혐기소화조로 유입되는 유기성 폐수는 전처리과정을 통해 입자가 큰 협잡물을 제거하나, 가동 시간이 지남에 따라 소화조 하부에 지속적으로 협잡물들이 적체된다. 축산분뇨의 경우 동물 털, 축사 내부를 채웠던 톱밥 등의 협잡물이 발생되고, 음식물쓰레기 및 음식물 탈리액에서는 소화되지 않는 입자가 작은 껍질류, 동물뼈 잔재 등의 협잡물이 발생되어 소화조 하부에 적체되게 된다. 이러한 협잡물은 소화 용적을 감소시켜 소화효율이 감소하게 되므로 주기적으로 제거하여 한다.

이를 위하여 종래에는 소화조 하단부에 협잡물을 제거할 수 있는 배관과 외부 펌프를 추가하여 제거하였다. 그러나 협잡물 제거 시 혐기미생물도 동시에 배출되므로 혐기소화 효율을 저하시키는 하나의 요인으로 작용하였다.

상술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위하여 유기성 폐수에 포함된 부유성 물질의 부상을 최대한 억제하도록 유기성 폐수의 유동을 형성하며, 발생된 스컴을 효과적으로 제거하고, 협잡물 제거시 미생물의 손실을 최소화시키는 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조는, 외부로부터 유입된 유기성 폐수의 산발효를 수행하는 산발효조와, 상기 산발효조 둘레에 산발효된 상기 유기성 폐수의 메탄발효를 수행하는 메탄발효조가 일체형으로 이루어지는 2상 혐기소화조에 있어서, 상기 산발효조와 상기 메탄발효조의 공간을 분할하고, 하부에 1 이상의 통수구가 형성된 원통형 경계벽; 상기 경계벽 상부의 내측에 이격하여 고정 설치되는 드래프트 튜브; 및 상기 드래프트 튜브 내부에서 회전하도록 설치되어 상기 산발효조 상부로 공급된 상기 유기성 폐수를 하강 및 교반시키는 상부 교반기; 를 포함한다.

바람직하게, 상기 산발효조 내부에 부상된 스컴을 상기 드래프트 튜브 상부에서 흡입하여 외부로 배출하는 스컴 흡입부; 를 더 포함한다. 이때, 상기 스컴 흡입부는, 상기 스컴을 흡입하는 흡입구가 상기 회전축을 향하여 형성된다.

바람직하게, 상기 드래프트 튜브는, 상기 산발효조의 수중 상부의 일부에만 고정 설치된다.

바람직하게, 상기 드래프트 튜브는, 상기 경계벽의 반경보다 작은 반경을 갖는 원통형으로 이루어진다. 또는 상기 드래프트 튜브는, 상기 경계벽의 반경보다 작은 반경을 갖되, 상부가 하부보다 반경이 작은 관체로 이루어진다.

바람직하게, 상기 드래프트 튜브의 상단은 내측으로 만곡되어 형성된다.

바람직하게, 상기 드래프트 튜브의 하단은 외측으로 만곡되어 형성된다.

바람직하게, 상기 상부 교반기는, 상기 드래프트 튜브를 관통하여 상기 산발효조 내부에 수직하게 설치된 회전축상에 연결되는 1 이상의 임펠러로 구성된다.

바람직하게, 상기 임펠러는, 상기 드래프트 튜브 내부의 회전축 상, 하에 동일한 형상으로 구성된 제1, 제2임펠러로 구성된다.

바람직하게, 상기 드래프트 튜브 하부의 상기 회전축상에 연결되는 1 이상의 임펠러를 구비하는 하부 교반기; 를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 산발효조와 상기 메탄발효조 중 적어도 어느 하나의 저면에 침강된 협잡물을 수용하는 1 이상의 협잡물 수집부; 상기 협잡물 수집부에 수집된 협잡물을 공급받은 후, 탈수된 협잡물은 외부로 배출하고 나머지는 상기 메탄발효조로 반송하는 싸이클론; 을 더 포함한다.

본 발명의 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 드래프트 튜브 내부의 상부 교반기에 의하여 유기성 폐수 중 비중이 낮은 물질을 강제적으로 하강시켜 스컴 발생을 억제하는 효과가 있다.

둘째, 드래프트 튜브 상부의 중앙부로 스컴이 모이게 됨에 따라 스컴 흡입부를 이용하여 스컴을 효율적으로 제거할 수 있다.

셋째, 협잡물 수집부에 적재된 협잡물 싸이클론을 이용하여 협잡물만을 배출시키고 나머지 미생물이 함유된 슬러지를 메탄발효조로 반송시킴에 따라 미생물의 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 2상 혐기소화조의 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2상 혐기소화조의 구성도.
도 3은 도 2의 협잡물 수집부와 싸이클론의 연결 상태를 나타낸 구성도.
도 4는 도 2를 구성하는 산발효조 내부의 종단면 유동을 나타내는 그래프.
도 5 내지 7은 도 4의 각 횡단면별 유동을 나타내는 그래프.
도 8 내지 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 드래프트 튜브의 단면도.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2상 혐기소화조의 구성도이고, 도 3은 협잡물 수집부와 싸이클론의 연결 상태를 나타내는 구성도이다.

본 발명의 2상 혐기소화조는, 크게 산발효조(20)와 메탄발효조(30), 드래프트 튜브(50), 상부 교반기(60), 하부 교반기(70), 스컴 흡입부(80), 협잡물 수집부(90) 및 싸이클론(100)으로 이루어진다.

먼저, 산발효조(20)는 소화조 외부로부터 유입관(11)을 통하여 상부로 공급되는 유기성 폐수의 산발효를 수행하도록 수직한 원통 형상의 경계벽(40) 내부의 공간에 형성된다. 산발효조(20)로 유입되는 유기성 폐수는 TS 8% 이하가 바람직하다.

메탄발효조(30)는 경계벽(40) 외부와 소화조 외벽(10) 사이의 공간에 형성되며 1 이상의 수중 믹서(31, 32)를 구비한다. 산발효조(20)에서 산발효된 폐수는 수두압력 차이에 의해 경계벽(40) 하부의 횡방향으로 형성된 1 이상의 통수구(41)를 통하여 메탄발효조(30)로 유입되어 메탄발효를 수행하게 된다. 메탄발효된 폐수는 소화조 외벽(10)에 형성된 배출구(12)를 통하여 외부로 배출된다.

드래프트 튜브(50)는, 경계벽(40)의 반경보다 작은 반경을 갖는 원통 형상으로 경계벽(40) 상부의 내측에 이격되어 고정 설치된다. 후술하는 상부 교반기(60)에 의한 유동을 가이드하기 위한 것이다.

상부 교반기(60)는, 드래프트 튜브(50) 내부에서 산발효조(20) 상부로 공급된 유기성 폐수를 하강 및 교반시키는 역할을 한다. 구체적으로 소화조 상부에 설치된 모터(64)에 의하여 구동되는 회전축(63)이 산발효조(20) 내부에 수직하게 설치되고, 1 이상의 임펠러(61, 62)가 회전축(63)에 설치된다. 이때 드래프트 튜브(50) 내 상, 하부에 위치한 임펠러를 각각 제1임펠러(61)와 제2임펠러(62)라 칭한다. 이에 의해 유기성 폐수 중 비중이 낮은 물질을 강제적으로 하강시켜 산발효조(20)에서 부유하는 물질의 양을 줄여줌으로써 스컴 발생을 억제하는 역할을 함과 동시에 유기성 폐수의 순환과 원활한 교반을 통해 산발효 효율을 높이게 된다.

하부 교반기(70)는 산발효조(20) 하부의 유기성 폐수의 하강 및 교반 기능을 더욱 강화시키기 위하여 드래프트 튜브(50) 하부에 설치된다. 구체적으로 회전축(63) 하부에 상술한 제1, 제2임펠러(61, 62)와 동일한 형태의 임펠러로 구성할 수 있다.

상부 및 하부 교반기(60, 70)가 설치된 산발효조(20) 내부에서의 유기성 폐수의 유동에 대하여 도 4를 참고하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 산발효조(20) 내부의 유기성 폐수 공급 유량을 1ton/10min으로 하였을 때, 유기성 폐수의 유동속도(m/s)에 따라 색을 달리한 그래프로서, 드래프트 튜브(40) 내부에서 유기성 폐수의 유동속도가 높음을 알 수 있다. 또한 유기성 폐수는 상부 교반기(60)에 의하여 드래프트 튜브(40)의 내벽을 따라 하강한 후, 드래프트 튜브(40) 측방의 경계벽(40) 근처에서 다시 상승하여 회전축(63) 주위로 이동됨을 알 수 있다. 이에 의해 유기성 폐수에 포함된 비중이 낮은 물질을 강제적으로 하강시킴으로써 스컴 발생량을 저감시키는 기능을 하게 된다. 따라서 드래프트 튜브(50)는 산발효조(20)의 수중 상부의 일부에만 설치하는 것이 더욱 효과적임을 알 수 있다.

한편, 산발효조(20)의 용적이 큰 경우 하부는 상부 교반기(60)에 의한 회전력이 거의 미치지 않으므로 유기성 폐수의 원활한 교반 및 혼합을 위하여 별도의 하부 교반기(70)를 설치한다.

도 5와 도 6은 각각 상부 교반기(60)의 제1, 제2임펠러(61, 62)가 설치된 부분의 횡단면 유동을 나타낸 그래프이고, 도 7은 상부 교반기(70)가 설치된 부분의 횡단면 유동을 나타낸 그래프이다. 도 5, 6에 의하면 드래프트 튜브(50)가 설치된 내부에서의 유동속도가 외부의 유동속도보다 큼을 알 수 있으며, 도 5, 6과 도 7을 비교하면 드래프트 튜브(50)가 설치된 부분이 드래프트 튜브(50)가 설치되지 않은 부분보다 내외부의 유동 속도 차이가 큼을 알 수 있다.

위와 같이 상, 하부 교반기(60)에 의하여 스컴의 발생을 최소화할 수 있으나, 스컴의 발생을 완전히 차단할 수 없으며 가동 기간이 오래될수록 스컴의 양은 증가하므로 산발효 효율을 높이기 위해서는 이를 제거하기 위한 구성이 필요하다.

스컴 흡입부(80)는 산발효조(20) 내부에 부상된 스컴을 제거하기 위하여 드래프트 튜브(50) 상부에 설치되어 부상된 스컴을 흡입하여 스컴 배출관(81)을 통하여 외부로 배출한다. 스컴 흡입부(80)는 드래프트 튜브(50) 상단에 부착하여 설치하거나, 드래프트 튜브(50) 상부에 이격하여 설치할 수도 있다.

유기성 폐수는 도 4에서 보는 바와 같이, 드래프트 튜브(50) 상부의 중앙 즉, 회전축(63)이 설치된 수면 방향으로 유동하므로, 스컴 역시 회전축(63)이 설치된 수면 부분으로 모이게 된다. 따라서 스컴 흡입부(80)의 흡입구는 회전축(63)을 향하여 설치함으로써 스컴을 효율적으로 제거할 수 있다.

한편, 혐기소화조를 장기간 운전시 비중이 높은 협잡물이 산발효조(20)와 메탄발효조(30) 내부에 쌓이게 됨에 따라 데드 스페이스(dead space)가 증가하여 혐기소화조의 유효체적이 감소하게 된다. 유효체적의 감소는 유기성 폐수의 체류 시간 감소로 이어져 점차적으로 소화효율의 감소를 초래한다. 따라서 혐기소화조 하부의 협잡물 제거를 위한 구성이 필요하다.

협잡물 수집부(90)는 도 3에 도시된 바와 같이, 산발효조(20)의 저면과 메탄발효조(30)의 저면 둘레에 다수개의 협잡물 수집조(91~95)를 설치하고, 각각의 협잡물 수집조(91~95)에 수집된 협잡물의 제거를 위하여 싸이클론(100)을 구비한다. 구체적으로 싸이클론(100)은 협잡물 수집조(91~95)에 연결된 협잡물 공급관(101)으로부터 협잡물과 함께 혐기소화슬러지를 공급받은 후 협잡물 배출관(102)을 통하여 탈수된 협잡물만을 배출한다. 그리고 나머지 즉, 혐기소화슬러지는 슬러지 반송관(103)을 통하여 메탄발효조(40)로 반송한다. 따라서 혐기소화슬러지에 포함된 혐기미생물을 회수함으로써, 협잡물 제거시 함께 손실되는 혐기미생물의 양을 최소화하여 안정적인 혐기소화조 운전이 가능하다.

각각의 협잡물 수집조(91~95)는 운전시간이 경과함에 따라 협잡물의 적재량이 상이할 수 있고, 이들 협잡물을 펌핑시키는 펌프의 부하를 감소시키기 위하여 할 수 있으므로, 도 3에 도시된 바와 같이, 산발효조(20)의 협잡물 수집조(91)와 메탄발효조(30)의 협잡물 수집조(92~95)에 연결된 협잡물 공급관(101)을 각각 분리 구성할 수 있다. 또한 메탄발효조(30)의 협잡물 수집조(92~95)는 다시 대각선 방향에 위치한 협잡물 수집조(92와 94, 93과 95) 별로 분리하여 협잡물 공급관(101)을 설치할 수 있다. 한편, 협잡물 수집조(91~95) 형상은 도 2에서와 같이 단면 형상을 사각형으로 하는 이외에, 원추형으로도 구성할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 의한 드래프트 튜브의 형상을 도 8 내지 도 10을 참고하여 설명한다.

도 8에 의한 드래프트 튜브(51)는, 도 2의 드래프트 튜브(50)와 기본적으로 원통 형상이라는 점에서 동일하나, 그 상단은 내측으로 만곡되고 그 하단은 외측으로 만곡된 점에서 차이가 있다. 이는 유기성 폐수의 흐름이 드래프트 튜브(51) 상단에서는 외측에서 내측으로, 드래프트 튜브(51) 하단에서는 내측에서 외측으로 자연스럽게 형성되도록 하기 위함이다. 이에 의해 드래프트 튜브(51) 주의에서의 유기성 폐수의 흐름이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.

도 9에 의한 드래프트 튜브(52)는 경계벽(40)의 반경보다 작은 반경을 갖되 상부가 하부보다 작은 관체 즉, 단면이 사다리꼴 형상을 갖는다. 이에 의해 드래프트 튜브(52) 상부에서는 물질의 유동 속도를 증가시키고, 반대로 그 하부에서는 상대적으로 유동 속도를 감소시킨다. 따라서 상부 교반기(60)의 제1, 제2임펠러(61, 62)의 속도가 낮더라도 스컴을 유발하는 부유성 물질을 하부로 빠르게 이동시키므로 스컴의 발생량을 저감시킬 수 있다.

도 10에 의한 드래프트 튜브(53)는, 기본 형상은 도 9와 동일하며 그 상단과 하단은 도 8에서와 같이 만곡부를 형성한 것으로서, 그 이유는 도 8에 대한 설명과 동일하다.

이상에서는 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상은 물론 그 균등 내지 변형물에까지 권리가 미침은 자명하다 할 것이다.

10 : 소화조 외벽 11 : 유입구
12 : 유출구 20 : 산발효조
30 : 메탄발효조 31, 32 : 수중 믹서
40 : 경계벽 50 : 드래프트 튜브
60 : 상부 교반기 61, 62 : 제1, 제2임펠러
63 : 회전축 64 : 모터
70 : 하부 교반기 80 : 스컴 흡입부
81 : 스컴 배출관 90 : 협잡물 수집부
91~95 : 협잡물 수집조 100 : 싸이클론
101 : 협잡물 공급관 102 : 협잡물 배출관
103 : 슬러지 반송관

Claims (12)

1. 외부로부터 유입된 유기성 폐수의 산발효를 수행하는 산발효조와, 상기 산발효조 둘레에 산발효된 상기 유기성 폐수의 메탄발효를 수행하는 메탄발효조가 일체형으로 이루어지는 2상 혐기소화조에 있어서,
   상기 산발효조와 상기 메탄발효조의 공간을 분할하고, 하부에 1 이상의 통수구가 형성된 원통형 경계벽;
   상기 경계벽 상부의 내측에 이격하여 상기 산발효조의 수중 상부 일부에 고정 설치되는 원통형 드래프트 튜브;
   상기 드래프트 튜브 내부를 관통하여 상기 산발효조 내부에 수직하게 설치된 회전축상에 연결되는 1 이상의 임펠러를 구비하여, 상기 산발효조 상부로 공급된 상기 유기성 폐수를 하강 및 교반시키는 상부 교반기; 및
   상기 드래프트 튜브 하부로부터 이격된 상기 회전축상에 연결되는 1 이상의 임펠러를 구비하여, 상기 유기성 폐수를 교반시키는 하부 교반기;
   를 포함하되,
   상기 경계벽 내측과 상기 드래프트 튜브 외측 사이에 상기 드래프트 튜브의 직경보다 작은 간격을 갖는 통로가 형성되어, 상기 유기성 폐수 중 비중이 낮은 물질이 상기 드래프트 튜브 내부에서 하강하고 상기 통로 내부에서 상승하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 산발효조 내부에 부상된 스컴을 상기 드래프트 튜브 상부에서 흡입하여 외부로 배출하는 스컴 흡입부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스컴 흡입부는, 상기 스컴을 흡입하는 흡입구가 상기 회전축을 향하여 형성된 것을 특징으로 하는 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 드래프트 튜브는,
   상기 경계벽의 반경보다 작은 반경을 갖되, 상부가 하부보다 반경이 작은 관체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조.
7. 제6항에 있어서,
   상기 드래프트 튜브의 상단은 내측으로 만곡된 것을 특징으로 하는 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조.
8. 제6항에 있어서,
   상기 드래프트 튜브의 하단은 외측으로 만곡된 것을 특징으로 하는 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조.
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 임펠러는,
    상기 드래프트 튜브 내부의 회전축 상, 하에 동일한 형상으로 구성된 제1, 제2임펠러로 구성되는 것을 특징으로 하는 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조.
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    상기 산발효조와 상기 메탄발효조 중 적어도 어느 하나의 저면에 침강된 협잡물을 수용하는 1 이상의 협잡물 수집부;
    상기 협잡물 수집부에 수집된 협잡물을 공급받은 후, 탈수된 협잡물은 외부로 배출하고 나머지는 상기 메탄발효조로 반송하는 싸이클론;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조.

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