KR101224624B1 - 선박용 폐기물 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

선박용 폐기물 처리 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 폐기물 처리 시스템은, 선박 내에서 발생하는 오폐수가 유입되며 오폐수를 미생물에 의해 분해하여 1차 정화수를 배출시키는 멤브레인 생물반응기(Membrane Bio-reactor); 멤브레인 생물반응기로부터 배출되는 1차 정화수를 미생물 및 세균을 살균 소독한 2차 정화수를 배출시키고, 전기분해 반응에 의한 수소, 산소, 염소 중 어느 하나 이상을 포함하는 혼합가스를 발생시키는 수전해 장치; 멤브레인 생물반응기로부터 발생하는 슬러지와 선박 내에서 발생하는 유기성분의 고형 폐기물을 발효시켜 수소 가스를 발생시키는 수소 발효장치; 수소 발효장치로부터 배출되는 고형 폐기물로부터 수분을 제거하는 건조장치; 및 수전해 장치와 수소 발효장치로부터 발생된 수소 및 산소의 혼합가스를 보조 연료로 사용하여 건조장치를 통과한 고형 폐기물을 소각하는 소각장치를 포함한다.

Description

선박용 폐기물 처리 시스템{Wastes treatment system for ship}
본 발명은, 선박용 폐기물 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 선박 내에서 발생하는 수분함량이 높은 유기성 폐기물을 선내에서 무해한 물질로 처리하고 자원 및 에너지를 재활용하는 선박용 폐기물 처리 시스템에 관한 것이다.
선박에서는 매일 승무원과 승객의 식사를 제공하는 주방, 식당 등으로부터 배출되는 유기성의 음식 쓰레기와 여객실 오수, 세탁실 폐수 등의 생활폐수가 배출된다.
종래에 선박 내에서 발생하는 이러한 폐기물들은 가연성 폐기물과 유기성 폐기물로 분리하여 처리되었는데, 가연성 폐기물의 경우 선내에 구비된 소각장치에 의해 처리되었으나 유기성 폐기물은 적당한 선내 처리 방법이 없기 때문에 선내에 보관된 후 기항한 항구의 시설에서 처리되는 경우가 많았다.
그런데 최근 장기간에 걸쳐 항해하는 선박이나 여객선, 크루즈선 등과 같이 승선인원이 많은 선박의 경우 선내에서 발생하는 유기성 폐기물의 양이 방대해지고 있어 종전과 같이 이를 보관 후 기항한 항구에서 처리하는 것은 기술적으로 어려울 뿐만 아니라 비위생적인 문제가 있다. 특히 유기성 폐기물은 높은 수분함량에 따른 막대한 부피와 쉽게 부패하는 특성으로 인한 병원균의 증식 등이 문제되고 있어 빠른 시간 내에 선내에서 자체적으로 처리할 필요가 있다.
한편, 가연성 폐기물의 경우에도 이를 소각하는데 많은 에너지가 소비되고, 수분함량이 높은 유기성 폐기물을 소각하기 위해서 수분제거에 많은 에너지를 소비하고 있다.
따라서 선내에서 발생하는 수분함량이 높은 유기성 폐기물을 생물학적 반응을 이용하여 무해한 물질로 전환하고 전환된 물질과 생물학적 반응 시 발생한 부산물을 활용하여 요구되는 에너지 소비량을 줄일 수 있는 선박용 폐기물 처리 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 수분함량이 높은 유기성 폐기물을 포함하여 선내에서 발생하는 폐기물을 생물학적 반응을 이용하여 무해한 물질로 처리하고, 가연성 폐기물과 생물학적 반응 시 발생한 고형 폐기물을 소각하는 데 있어 요구되는 에너지 소비량을 획기적으로 줄일 수 있도록 개선된 선박용 폐기물의 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 내에서 발생하는 오폐수가 유입되며, 상기 오폐수를 미생물에 의해 분해하여 1차 정화수를 배출시키는 멤브레인 생물반응기(Membrane Bio-reactor); 상기 멤브레인 생물반응기로부터 배출되는 상기 1차 정화수를 전기분해하여 미생물 및 세균을 살균 소독한 2차 정화수를 배출시키고, 전기분해 반응에 의해 수소 및 산소의 혼합가스를 발생시키는 수전해 장치; 상기 멤브레인 생물반응기로부터 발생하는 슬러지(Sludge)와 선박 내에서 발생하는 유기성분의 고형 폐기물을 발효시켜 수소 가스를 발생시키는 수소 발효장치; 상기 수소 발효장치로부터 배출되는 상기 고형 폐기물로부터 수분을 제거하는 건조장치; 및 상기 수전해 장치와 상기 수소 발효장치로부터 발생된 수소, 산소, 염소 중 어느 하나 이상을 포함하는 혼합가스를 보조 연료로 사용하여 상기 건조장치를 통과한 상기 고형 폐기물을 소각하는 소각장치를 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템이 제공될 수 있다.
상기 멤브레인 생물반응기는, 상기 오폐수 속에 포함된 유기물을 미생물에 의해 분해하여 슬러지가 생성되는 미생물 반응조; 및 상기 미생물 반응조에 설치되며, 상기 슬러지를 분리하는 분리막 반응조를 포함할 수 있다.
상기 수전해 장치의 전기분해 반응에 의해 발생되는 염소가스를 상기 수전해 장치로부터 배출되는 2차 정화수에 흡수시켜 상기 2차 정화수를 소독하는 흡수탑을 더 포함할 수 있다.
상기 수전해 장치로부터 발생하여 상기 수소와 산소의 혼합가스를 상기 소각장치에 공급하는 혼합가스 공급배관을 더 포함할 수 있다.
상기 수소 발효장치는, 상기 수전해 장치로부터 발생하는 알칼리수를 이용하여 상기 고형 폐기물을 화학적으로 전처리하는 전처리조; 및 상기 수소 발효장치로부터 발생하는 가스에서 수소 가스를 정제하여 상기 소각장치에 공급하는 가스 정제장치를 포함할 수 있다.
상기 수전해 장치의 양극 측에 연결되어 전기분해 반응에 의해 발생하는 알칼리수를 상기 전처리조에 공급하는 알칼리수 공급배관을 더 포함할 수 있다.
상기 수소 발효장치는, 상기 소각장치의 소각 폐열을 이용하여 상기 수소 발표장치 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
상기 수소 발효장치는 상기 고형 폐기물이 발효되는 동안 이를 교반하는 교반장치를 더 포함할 수 있다.
상기 소각장치는, 상기 유기성 고형 폐기물이 투입되어 소각되는 소각로; 상기 소각로에 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 수전해 장치와 상기 수소 발효장치로부터 발생하는 수소 및 산소의 혼합가스가 공기와 함께 공급되는 벤투리관; 및 상기 벤투리관을 통해 공급되는 상기 혼합가스의 유량에 따라 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료량을 조절하는 제어장치를 포함할 수 있다.
상기 건조장치는, 원심분리에 의해 상기 고형 폐기물로부터 수분을 제거하는 경사 분리기; 및 상기 경사 분리기로부터 배출되는 상기 유기성 고형 폐기물을 건조시키는 건조로를 포함할 수 있다.
상기 건조로는 상기 소각장치의 소각 폐열을 이용하여 상기 유기성 고형 폐기물을 건조할 수 있다.
상기 오폐수가 상기 생물 반응기에 유입되기 전에 상기 오폐수로부터 고형 폐기물을 분리하는 고액분리장치를 더 포함할 수 있다.
상기 수전해 장치의 하류 측에 배치되어 상기 수전해 장치로부터 배출되는 2차 정화수를 재활용할 수 있는 수준으로 필터링 하는 UF 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은, 선박 내에서 발생하는 오폐수를 소독 처리하는 전기분해 과정에서 발생하는 수소와 산소의 혼합가스 및 수소 발효장치에서 발생하는 수소 가스를 고형 폐기물의 소각처리에 이용함으로써 기존 유기성 폐기물 처리에 요구되는 에너지를 절감할 수 있다.
또한, 전기분해 과정에서 발생하는 알칼리수를 이용하여 유기성 폐기물을 전처리하여 수소발생 효율을 높이고, 발생되는 고형 폐기물량을 감소시켜 소각 및 건조에 요구되는 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 종합 폐기물 처리 시스템의 구성도이다.
도 2는 수전해 장치를 간접방식에 의해 배치한 오페수 처리 시스템의 일부 구성도이다.
도 3은 혐기성 발효를 통한 유기물질이 유기산과 수소로 전환되는 과정을 나타내는 모식도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 종합 폐기물 처리 시스템의 구성도이다.
선박에서 발생하는 폐기물은 크게 오폐수와 고형 폐기물로 구분된다. 오폐수는 여객실 오수, 세탁실 폐수, 음식물 쓰레기 처리과정에서 발생하는 폐수, 슬러지(Sludge) 처리과정에서 발생하는 폐수 등이며, 고형 폐기물은 음식물 쓰레기와 오폐수를 처리하는 과정에서 발생하는 슬러지가 포함된다.
이러한 두 가지 형태의 폐기물을 처리하기 위해 본 실시예의 선박용 폐기물 처리 시스템(10)은, 오폐수 처리 시스템(100)과, 고형 폐기물 처리 시스템(200)을 포함한다. 다만, 이러한 구분은 설명의 편의를 위한 것이고 실제로는 오폐수를 처리하는 과정에서 발생하는 고형 폐기물은 고형 폐기물 처리 시스템(200)으로 이송되고, 고형 폐기물을 처리하는 과정에서 발생하는 오폐수는 오폐수 처리 시스템(100)으로 이송되는 등 두 가지 시스템은 유기적으로 연결되어 선박 내에서 발생하는 폐기물을 종합적으로 분리 처리하게 된다.
이하에서는 도 1을 참조하여 오폐수 처리 시스템(100)에 대하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 오폐수 처리 시스템(100)은 선박 내에서 발생하는 오폐수를 재활용하거나 해양으로 배출할 수 있는 수준으로 처리하기 위한 시스템으로, 고액분리장치(101)와, 멤브레인 생물 반응기(Membrane Bio-reactor, 110)와, 수전해 장치(120)를 포함한다.
고액분리장치(101)는 오폐수를 멤브레인 생물 반응기(110)에 투입하기에 앞서 오폐수 속에 포함된 고형 폐기물을 중력침전, 약품침전, 원심분리 등을 통하여 분리한다. 이러한 고액분리장치(101)는 후속되어 설치되는 미생물 반응조(111)의 유기물 부하를 줄여 멤브레인 생물 반응기(110) 처리시간을 단축시키며, 유기물 함량이 높은 고형 폐기물을 분리하여, 후술하는 수소 발효장치(210)의 수소 발생량을 증가시킨다
고액분리장치(101)에 의해서 분리된 고형 폐기물은 고형 폐기물 처리 시스템(200)으로 이송되고, 고형 폐기물이 제거된 오폐수는 멤브레인 생물 반응기(110)에 투입된다.
멤브레인 생물 반응기(110)는 미생물 반응과 고액분리가 하나의 반응기에서 수행되도록 미생물 반응조(111)와, 분리막 반응조(112)를 포함한다. 그리고 미생물 반응조(111)의 운전이나 분리막 반응조(112)의 유지관리를 위해 반응조 내에 구획을 두거나 분리된 반응조로 운영할 수 있다. 이와 같이 미생물 반응과 고액분리가 하나의 반응기에서 수행하도록 배치하면 멤브레인 생물 반응기(110)의 설치 부피를 줄일 수 있게 된다.
미생물 반응조(111)에서는 오폐수 속에 포함된 유기물이 미생물에 의해 분해되어 슬러지가 생성되면서 오폐수가 정화된다. 이러한 미생물 반응조(111)는 현재 오폐수 처리분야에서 사용되고 있는 연속 교반식 생물반응기(CSTR:continuously stirred tank reactor), 공기부양식 생물반응기(ASR: air-lifted loop bioreactor), 유동상 생물막 반응기(MBBR: moving bed bio-reactor), 혐기성 생물반응기(anaerobic bioreactor)중 어느 하나가 사용될 수 있다.
미생물 반응조(111)에 후속하여 설치된 분리막 반응조(112)는 멤브레인(Membrane)을 침지한 호기성 반응조로 미생물 반응조(111)를 거쳐 유입된 하수와 슬러지를 분리막을 통해 고액 분리한다. 침지된 분리막은 UF(Ultra filtration), MF(Micro filtration), NF(Nano Filtration) 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있으며, 분리막 반응조(112)에 의해 슬러지가 분리된 오폐수는 1차 정화수로서 1차 정화수 배관(113)을 통해 배출되고, 슬러지는 후술되는 고형물 처리 시스템(200)으로 이송된다.
멤브레인 생물 반응기(110)를 통해 슬러지가 제거된 1차 정화수는 1차 정화수 공급펌프(113a)에 의해 수전해 장치(120)에 유입된다. 수전해 장치(120)를 통해서 1차 정화수에 포함된 난분해성 유기물질이 분해되고 세균 및 미생물이 사멸된다.
본 실시예에서 수전해 장치(120)는 1차 정화수 배관 상에 수전해 장치(120)를 설치하여 1차 정화수를 직접 통과시켜 처리하는 직접방식이 사용된다. 1차 정화수를 직접 통과시켜 처리하는 방식은 설치 구조가 간단한 장점이 있다. 이러한 수전해 장치(120)의 구성이나 규모는 1차 정화수 처리규모에 따라 선택하여 결정될 수 있다.
한편, 수전해 장치(120)에서 전기분해가 원활히 진행되기 위해서는 오폐수 내에 적당량의 전해물질이 포함되어야 한다. 보통 음식물 쓰레기는 염분을 포함하고 있어 이로부터 배출되는 오폐수에도 전해물질인 염분을 포함하게 되므로 크게 문제되지는 않는다. 만일 정화하고자 하는 1차 정화수에 전해물질이 부족한 경우 염분이 포함된 적당량의 해수나 전해약품을 투입할 수도 있다.
1차 정화수가 투입된 수전해 장치(120)에서 양극과 음극에서의 화학반응은 다음과 같다.
양극 : 2Cl-→ Cl2+2e-, Cl2+H2O↔ HCl +HClO
2H2O→ O2↑ + 4H++4e-
음극 : 2H2O+2e-→ 2OH- +H2↑,
2Na++2e-→ 2Na, 2Na + 2H2O→ 2NaOH + H2
수전해 장치(120)에서 상기한 전기분해 반응이 진행되는 동안 1차 정화수 내의 유기물은 전기분해 시 생성된 전해수에 포함된 활성물질에 의해 산화되어 이산화탄소로 분해되거나, 위 식의 양극반응에 의해 생성된 차아염소산(HClO) 등의 산화제에 의해 분해된다. 또한, 질산성 질소나 아질산성 질소는 수전해 장치(120)의 음극에서 암모니아성으로 환원되거나 질소가스로 환원된다. 환원된 암모니아는 양극에서 질소 가스로 산화되거나 물속에 생성된 산화제에 의해 산화되어 질소 가스로 대기중으로 배출된다.
한편, 화학반응식에서와 같이 수전해 장치(120)의 양극에서는 전기분해 반응에 의하여 강력한 제균 효과를 나타내는 차아염소산을 포함하는 강 산성수가 생성되고, 음극에서는 전기분해 반응에 의하여 단백질계 오염물의 세척효과를 나타내는 강 알칼리수가 생성된다. 강 산성수는 1차 정화수에 포함된 세균 또는 미생물을 살균하는 데 사용되고, 강 알칼리수는 후술하는 수소 발효장치(210)의 전처리 과정에 공급된다.
수전해 장치(120)에서 전기분해 반응이 진행되는 동안 화학 반응식에서와 같이 수소와 산소가 2:1의 몰 비율로 혼합가스 형태로 발생한다. 이러한 수소(H2)와 산소(O2)의 혼합가스는 소각장치(230)에 공급된다.
전기분해 반응에서는 수소와 산소의 혼합가스 이외에 염소(Cl2)가스가 발생할 수 있다. 이러한 염소 가스는 오폐수를 살균, 소독하는데 유용한 물질이나 소각장치(230) 내에서 부식성 물질을 생성시킬 수 있다. 즉, 염소 가스가 수전해 장치(120)의 강 알칼리수에 포함되어 수소 발효장치(210)의 전처리 과정에 사용되는 경우 고형 폐기물에 염소가 포함되어 소각장치(230)에 이송될 수 있다. 이때 고형 폐기물을 소각하게 되면 염소 가스가 다시 발생하여 소각로(231) 벽이 부식될 수 있다.
본 실시예에서는 수전해 장치(120)로부터 발생하는 수소와 산소의 혼합가스로부터 염소 가스를 제거하기 위한 흡수탑(121)이 수전해 장치(120)의 상부에 마련된다.
흡수탑(121)은 수전해 장치(120)로부터 배출되는 2차 정화수에 염소 가스를 흡수시키고, 2차 정화수에 흡수된 염소성분들은 수중에서 OCl-, HOCl의 형태의 소독물질로서 2차 정화수를 최종적으로 소독하는데 사용된다. 이를 위해서 수전해 장치(120)에 연결되는 2차 정화수 배관(122)에 흡수탑(121)에 연결되는 반송배관(123)을 분기시키고, 2차 정화수의 일부를 반송배관(123)을 따라 이송시켜 흡수탑(121)의 상부에서 분무시킨다.
분무된 2차 정화수에 의해 흡수탑(121) 내의 염소 가스가 2차 정화수에 흡수되고, 염소가스가 흡수된 흡수탑(121) 내의 2차 정화수는 다시 2차 정화수 배관(122)에 공급된다. 이와 같이 2차 정화수의 일부를 염소 가스를 흡수하도록 순환시킴으로써 염소 가스에 의해 2차 정화수가 살균, 소독된다.
그리고 수전해 장치(120)에서 발생하는 염소 가스를 2차 정화수에 지속적으로 흡수시켜 배출시킴으로써 염소 가스에 의해 배관 계통 및 소각로(231)가 부식되는 것이 방지된다
한편, 전술한 바와 같이 흡수탑(121)에서 염소 가스가 제거된 수소와 산소의 혼합가스는 혼합가스 공급배관(124)을 통해 소각장치(230)에 공급된다. 소각장치(230)에 수소 및 산소의 혼합가스를 공급함에 따른 연료절감 효과에 대해서는 뒤에서 상세히 설명한다.
수전해 장치(120)로부터 배출되는 2차 정화수는 재활용되거나 해양으로 배출된다. 이때 재활용되는 2차 정화수는 UF 필터(130)를 이용한 한외여과(Ultrafilteration) 방법에 의해 여과된 후 사용될 수 있다. 다만 2차 정화수의 재활용을 위한 여과 방법은 재활용의 용도에 맞게 변경할 수 있는 것으로 본 실시예의 여과방법에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 수전해 장치를 간접방식에 의해 배치한 오페수 처리 시스템(100)의 일부 구성도이다.
이를 참조하면, 간접방식에 의해 배치한 수전해 장치(120)는 1차 정화수 배관(113)으로부터 분기하는 1차 정화수 분기배관(114)을 통해 1차 정화수의 일부만이 수전해 장치(120)에 유입되어 전기분해 된다.
수전해 장치(120)에 유입되는 1차 정화수에 전해물질이 적게 포함되어 전기분해 반응이 원활히 진행되기 어려운 경우에는 적당량의 해수를 공급하거나 전해약품이 투입될 수 있다.
전해약품은 약품 저장조(116)에 저장되었다가 약품 전해조(117)에 투입되고, 1차 정화수 분기배관(114)으로부터 분기되는 약품용 정화수 배관(115)을 통해 공급되는 1차 정화수에 용해된 후 수전해 장치(120)에 투입된다.
수전해 장치(120)의 전기분해 반응에 의해 생성된 전해수는 전해수 공급배관(120a)을 통해서 1차 정화수 배관(113)에 공급되어 1차 정화수를 살균, 소독하게 된다.
이때, 전해수의 농도에 따라 1차 정화수의 총 유입량과 수전해 장치(120)로 공급되는 1차 정화수의 양을 조절하는 제어부(127)가 추가로 구비될 수 있다.
제어부(127)는 전해수 공급배관(120a)으로부터 공급되는 전해수의 농도를 측정할 수 있는 농도측정센서(128)로부터 수신된 전해수의 농도 신호에 따라 1차 정화수 공급밸브(113b)와 1차 정화수 분기밸브(141a)의 개폐량을 조절하여 1차 정화수가 안정적으로 살균, 소독될 수 있도록 한다.
예를 들어, 1차 정화수 공급밸브(113b)를 통해 유입되는 1차 정화수양을 살균, 소독하기에 전해수의 농도가 낮은 경우에는 1차 정화수 공급밸브(113b)의 개방량을 줄이거나, 1차 정화수 분기밸브(114a)의 개방량을 크게 하여 전해수의 농도를 높이도록 조절할 수 있다.
여기서 농도측정센서(128)는 잔류염소농도 측정에 많이 쓰이는 갈바니 전극으로 구성될 수 있다. 갈바니 전극은 2개의 전극 사이에 흐르는 전류의 세기가 용액의전도도에따라서변하는원리를이용하여농도를측정하는것이다.
한편, 수전해 장치(120)에서 발생하는 가스를 흡수탑(121)에서 처리하는 과정은 수전해 장치(120)를 직접방식으로 설치한 경우와 동일하게 진행된다. 다만 본 실시예와 같은 간접방식에서는 1차 정화수의 일부만을 전기분해 하여 1차 정화수를 처리하게 되므로 수전해 장치(120)을 통과한 2차 정화수와 흡수탑(121)을 통해 공급되는 소독물질이 확실하게 섞일 필요가 있다.
이를 위해 본 실시예에서는 2차 정화수 배관(122) 상에 접촉조(126)가 추가로 설치된다. 접촉조(126)는 접촉조(126) 내벽에 좌우 교호하여 설치되는 격벽을 따라 1차 정화수와 소독물질이 섞여 흐르며 교반되는 방식이 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 오폐수 처리 과정에서 발생하는 슬러지는 음식 쓰레기와 함께 고형 폐기물 처리 시스템(200)을 통해 처리되는데, 이때 수전해 장치(120)를 통해 발생하는 강 알칼리수와 수소와 산소의 혼합 가스는 고형 폐기물 처리 시스템(200)에서 유용하게 사용된다.
이하에서는 도 1을 계속 참조하여 고형 폐기물 처리 시스템(200)에 대하여 상세히 설명한다.
고형 폐기물 시스템(200)은 선박 내에서 발생하는 유기성분의 고형 폐기물을 소각 처리하기 위한 시스템으로, 전처리조(211)와, 수소 발효장치(210)와, 건조장치(220)와, 소각장치(230)를 포함한다.
전처리조(211)는 오폐수 처리 시스템(100)에서 발생하는 슬러지와 음식 쓰레기 등의 고형 폐기물을 수소 발효장치(210)에 투입되기에 앞서 화학적으로 처리하는 곳이다.
종래에 수소 발효장치(210)의 수소 발생량을 높이기 위한 방법으로 고온(80~90℃)에서 약 10~20분 동안 끓이는 방법이 제시되었으나, 이러한 방법은 에너지 소비가 많아 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 또 다른 방법으로는 오존(O3), 초음파(Ultrasonic) 조사, 알칼리 처리 등이 있다. 이 방법들은 고형 폐기물의 세포벽을 파괴하여 세포벽 내부 물질들을 혐기 미생물들이 활용하기 쉽도록 하기 위한 것이며, 고형 폐기물의 종류 및 성상에 따라 수소 발생량 증가효율이 달라 경제성을 고려하여 전처리 방법이 선정되어 사용되고 있다.
본 실시예에서는 수전해 장치(120)의 음극 측에서 생성되는 강 알칼리수를 이용하여 고형 폐기물을 화학적으로 전처리하게 된다.
전처리조(211)에 고형 폐기물이 투입되면 수전해 장치(120)에서 생성된 강 알칼리수가 음극 측에 연결된 알칼리수 공급 파이프(125)를 통해 공급된다. 강 알칼리수로 고형 폐기물을 전처리하면 수소를 기질로 이용하는 미생물을 사멸시켜 고형 폐기물의 발효 과정에서 수소의 발생효율을 높일 수 있으며, 고형 폐기물의 세포벽을 파괴하여 혐기성 발효 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 강 알칼리수를 이용하여 고형 폐기물을 전처리하면 수소 발효장치(210)에 투입되는 고형 폐기물의 수소이온농도(pH)를 조절할 수 있다. 수소 발효를 위한 최적의 수소이온농도는 pH 7.5 정도로 보고되고 있는데, 전처리조(211) 내에 pH미터(pH meter, 211a)를 설치하고 강 알칼리수의 투입량을 조절함으로써 최적의 수소이온농도 조건에서 발효되도록 할 수 있다.
화학적 전처리가 끝난 고형 폐기물은 수소 발효장치(210)에서 미생물에 의해 혐기발효된다. 혐기발효를 할 수 있는 세균은 산소가 부족한 혐기적 환경을 갖는 슬러지 속에서 미생물 복합체로 존재한다. 이러한 미생물 복합체는 고분자 물질을 액화하는 미생물, 수소를 발생하는 미생물, 수소를 소비하는 미생물, 수소 대사와 관련이 없는 미생물 등으로 구성되어 있다. 이러한 미생물에 의해 고형 폐기물을 혐기 발효시키면 고형 폐기물의 용량이 발효 전 용량에 비하여 20~30% 감소하게 된다. 폐기물의 용량이 감소하면 소각장치(230)의 처리용량이 감소하게 되고 소각로 (231)에 투입되는 연료도 감소하게 되어 비용이 절감된다. 또한, 고형 폐기물의 용량감소에 의해 고형물의 수분제거에 요구되는 에너지를 절감하는 효과도 발생한다.
한편, 화학적 전처리가 끝난 고형 폐기물 내의 미생물은 상대적으로 수소를 생성하는 미생물이 우세하며, 혐기조건 하에서 수소 생성 세균은 유기물로부터 유기산과 수소를 생성하게 된다.
수소 생성의 혐기성 세균으로는 클로스트리디움 부티리컴(Clostridium butyricum), 클로스트리디움 파스텡리아넘(Cl. pasteurianum), 클로스트리디움 아세티컴(Cl. aceticum), 클로스트리디움 클루이베리(Cl. kluyveri) 및 엔테로박터 에로게네스(Enterobacter aerogenes)이 가장 잘 알려져 있다.
수소 생성률을 높이기 위해 본 실시예의 수소 발효장치(210)는 2~3일의 체류시간과 35~40℃의 발효 온도로 유지되어 운전되거나, 1~2일의 체류시간과 45~60℃의 발효 온도로 유지되어 운전될 수 있다. 여기서 수소 발효장치(210)의 온도를 35~40℃ 또는 45~60℃의 중온으로 유지하는 것은 별도의 가열장치 없이 소각로(231)의 폐열을 이용하여 유지할 수 있다.
수소 발효장치(210) 내의 체류시간을 제한하는 것은 발생된 수소가 다시 메탄 생성 세균에 의해 메탄으로 전환되는 것을 방지하기 위한 것이며, 반응조의 온도 운전조건, 고형 폐기물의 종류에 따라 운전시간을 조절하여 수소 발생량을 높일 수 있다.
도 3은 혐기성 발효를 통한 유기물질이 유기산과 수소로 전환되는 과정을 나타내는 모식도이다. 도 3에서 나타낸 바와 같이 단백질, 탄수화물, 지방 등의 고분자 화합물은 혐기성 발효를 통해 유기산과 수소로 전환되고, 계속하여 발효가 진행되면 수소를 기질로 하는 세균에 의해 메탄으로 전환된다.
따라서, 수소 발효장치(210)으로부터 수소 생산량을 높이기 위해서는 수소가 메탄으로 전환되기 전 단계에서 수소를 추출하고, 수소의 분압을 낮출 필요가 있다.
다음 표 1은 유기성 고형 폐기물의 연속 수소 발효 운전시 수소 수율의 예를 나타낸다.
반응조 온도 기질 수리학적 체류시간 최대 H2수율


중온 수소발효


 가정 폐기물 2일 43ml H2/g VS
음식물류 폐기물 1.5일 88.9 ml H2/g VS
음식물+슬러지 3일 62.0 ml H2/g VS
도시 폐기물 + 도축 폐기물 3일 33.6 ml H2/g VS
음식물 + 종이 50일 99 ml H2/g VS
표 1에서와 같이 음식물 쓰레기와 슬러지로 구성되는 선박의 고형 폐기물의 경우 체류시간을 2~3일로 하는 경우 최대의 H2 수율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
한편, 수소 발효장치(210) 내에는 미생물과 고형 폐기물의 접촉을 높여 발효 효율을 높이기 위한 교반장치(미도시)가 마련된다. 교반장치는 블레이드를 이용한 기계식 교반이나, 반응조에서 발생하는 가스를 순환시키는 가스교반 방법이 사용될 수 있다. 교반장치에 의해 연속적으로 고형 폐기물을 교반하면 균체가 배양기 바닥에 가라앉아 물질 전달 현상이 저해되는 것을 방지할 수 있다.
수소 발효장치(210)에 의해 발생하는 가스는 수소 발효장치(210)의 상부에 설치되는 가스 정제장치(212)에 의해 정제된다. 가스 정제장치(212)는 수소 발효장치(210)로부터 발생하는 발효 가스 중 황과 실록산 및 수분을 제거하고 고순도의 수소만을 정제하여 소각장치(230)에 공급한다.
수소 발효장치(210)에 의해 용량이 감소한 고형 폐기물은 건조장치(220)를 통과하며 수분이 제거된 상태로 소각장치(230)로 이송된다.
건조장치(220)는 탈수를 위한 경사 분리기(221)와, 탈수된 고형 폐기물의 수분을 제거하는 건조로(222)를 포함한다.
경사 분리기(221)는 원심력을 이용하여 여과, 탈수, 농축 등의 조작을 하는 장치의 한 형식으로 일반적으로 고형물이 많은 슬러지의 연속 탈수용으로 널리 사용되고 있다. 경사 분리기(221)의 탈수작용을 통해 배출되는 배출수는 배출수 배관(221a)을 통해 오폐수 처리 시스템(100)으로 이송된다.
한편, 건조로(222)의 건조열은 소각장치(230)의 폐열을 이용할 수 있다. 도면에 자세히 도시되어 있지 않으나 소각로(231)의 벽면과 굴뚝에 열교환기를 달아 거기에서 나오는 고온 폐열을 이용할 수 있다.
이와 같이 건조장치(220)를 이용하여 고형 폐기물의 함수율을 낮추면 소각되는 고형 폐기물의 양과 소각 시 발생하는 배출 가스의 양을 줄일 수 있다.
건조장치(220)에 의해 건조된 고형 폐기물은 선박 내에서 발생하는 다른 가연성 폐기물과 함께 소각장치(230)를 통해서 소각된다. 소각장치(230)는, 소각로(231)와, 소각로(231)에 연료를 공급하는 연료 공급부(232)와, 공기와 정제된 수소 및 산소의 혼합가스를 공급하는 벤투리관(Venturi tube, 233)과, 벤투리관(233)에 공급되는 혼합가스의 유량에 따른 연료공급량을 조절하는 제어부(235)를 포함한다.
소각장치(230)에 공급되는 수소 및 산소의 혼합가스는 수전해 장치(120)와 수소 발효장치(210)로부터 생산된 가스로서 혼합가스 공급밸브(234)에 의해 공급량이 조절되고, 소각로(231)에 공급되는 공기가 벤투리관(233)을 통과할 때 발생하는 부압을 이용하여 공기에 혼합되어 공급된다.
제어부(235)는 혼합가스 공급밸브(234)의 혼합가스 공급량의 신호에 따라 디젤 연료의 공급량을 결정하여 소각로(231)에 공급한다.
디젤 연료에 수소 및 산소의 혼합가스를 공급하는 경우 연료 절감에 관한 효과는, 연료대비 6% 이상 혼합 시 약 15% 이상의 연료절감 효과가 발생하는 것으로 보고되고 있다(논문 S. Bari and M.M. Esmaeil, "Effect of H2/O2 addition in increasing the thermal efficiency of a diesel engine", Fuel 89:378-383 (2010) 참조).
또한, 수소 가스는 연소 시 이산화탄소의 발생이 없기 때문에 소각로(231)에 수소 가스를 공급하면 이산화탄소의 배출량이 저감되는 효과도 발생한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 폐기물 처리 시스템(10)은 선박 내에서 발생하는 수분함량이 높은 유기성 폐기물을 오폐수 처리시스템(100)을 통해 선박배출 또는 재활용 가능한 물로 처리하고, 반응 시 발생한 고형 폐기물을 고형 폐기물 처리시스템(200)을 통해 선박에서 발생하는 가연성 폐기물과 함께 소각처리할 수 있다.
구체적으로, 오폐수 처리 시스템(100)은 오폐수를 멤브레인 생물 반응기(110)와 수전해 장치(120)를 이용해 생물학적, 화학적으로 처리하여 해양으로 배출할 수 있는 수준으로 처리하는 한편, 처리과정에서 발생하는 수소 및 산소의 혼합가스를 고형 폐기물의 소각처리에 활용하여 에너지를 절감할 수 있다.
또한, 고형 폐기물 처리 시스템(200)에서는 수소 발효장치(210)를 통하여 고형 폐기물의 용량을 감소시켜 고형 폐기물의 소각에 필요한 에너지를 절감하는 한편, 수소 발효과정에서 생산되는 수소 가스를 보조연료로 사용함으로써 추가적인 에너지 절감의 효과가 발생한다.
이상에서 설명한 본 발명은 기재된 실시 예에 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 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 오폐수 처리 시스템 101 : 고액분리장치
110 : 멤브레인 생물 반응기 120 : 수전해 장치
121 : 흡수탑 122 : 2차 정화수 배관
123 : 반송배관 124 : 혼합가스 공급배관
125 : 알칼리수 공급배관 130 : UF 필터
200 : 고형 폐기물 처리 시스템 210 : 수소 발효장치
211 : 전처리조 212 : 가스 정제장치
220 : 건조장치 230 : 소각장치
231 : 소각로 233 : 벤투리관

Claims (13)

  1. 선박 내에서 발생하는 오폐수가 유입되며, 상기 오폐수를 미생물에 의해 분해하여 1차 정화수를 배출시키는 멤브레인 생물반응기(Membrane Bio-reactor);
    상기 멤브레인 생물반응기로부터 배출되는 상기 1차 정화수를 전기분해하여 미생물 및 세균을 살균 소독한 2차 정화수를 배출시키고, 전기분해 반응에 의해 수소, 산소, 염소 중 어느 하나 이상을 포함하는 혼합가스를 발생시키는 수전해 장치;
    상기 멤브레인 생물반응기로부터 발생하는 슬러지(Sludge)와 선박 내에서 발생하는 유기성분의 고형 폐기물을 발효시켜 수소 가스를 발생시키는 수소 발효장치;
    상기 수소 발효장치로부터 배출되는 상기 고형 폐기물로부터 수분을 제거하는 건조장치; 및
    상기 수전해 장치와 상기 수소 발효장치로부터 발생된 수소 및 산소의 혼합가스를 보조 연료로 사용하여 상기 건조장치를 통과한 상기 고형 폐기물을 소각하는 소각장치를 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인 생물반응기는,
    상기 오폐수 속에 포함된 유기물을 미생물에 의해 분해하여 슬러지가 생성되는 미생물 반응조; 및
    상기 미생물 반응조에 설치되며, 상기 슬러지를 분리하는 분리막 반응조를 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수전해 장치의 전기분해 반응에 의해 발생되는 염소가스를 상기 수전해 장치로부터 배출되는 2차 정화수에 흡수시켜 상기 2차 정화수를 소독하는 흡수탑을 더 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수전해 장치로부터 발생하는 상기 수소 및 산소의 혼합가스를 상기 소각장치에 공급하는 혼합가스 공급배관을 더 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소 발효장치는,
    상기 수전해 장치로부터 발생하는 강 알칼리수를 이용하여 상기 고형 폐기물을 화학적으로 전처리하는 전처리조; 및
    상기 수소 발효장치로부터 발생하는 가스에서 수소 가스를 정제하여 상기 소각장치에 공급하는 가스 정제장치를 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수전해 장치의 양극 측에 연결되어 전기분해 반응에 의해 발생하는 알칼리수를 상기 전처리조에 공급하는 알칼리수 공급배관을 더 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 수소 발효장치는,
    상기 소각장치의 소각 폐열을 이용하여 상기 수소 발효장치 내부의 온도를 일정하게 유지하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수소 발효장치는 상기 고형 폐기물이 발효되는 동안 이를 교반하는 교반장치를 더 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소각장치는,
    상기 유기성 고형 폐기물이 투입되어 소각되는 소각로;
    상기 소각로에 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 수전해 장치와 상기 수소 발효장치로부터 발생하는 수소 및 산소의 혼합가스가 공기와 함께 공급되는 벤투리관; 및
    상기 벤투리관을 통해 공급되는 상기 혼합가스의 유량에 따라 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료량을 조절하는 제어부를 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조장치는,
    원심분리에 의해 상기 고형 폐기물로부터 수분을 제거하는 경사 분리기; 및
    상기 경사 분리기로부터 배출되는 상기 고형 폐기물을 건조시키는 건조로를 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 건조로는 상기 소각장치의 소각 폐열을 이용하여 상기 고형 폐기물을 건조하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오폐수가 상기 멤브레인 생물 반응기에 유입되기 전에 상기 오폐수로부터 고형 폐기물을 분리하는 고액분리장치를 더 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전해 장치의 하류 측에 배치되어 상기 수전해 장치로부터 배출되는 2차 정화수를 재활용할 수 있는 수준으로 필터링 하는 UF 필터를 더 포함하는 선박용 폐기물 처리 시스템.
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