KR101228196B1 - 수열 반응 이용의 오니 메탄발효 처리방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

순환형의 수열 반응을 이용하여 오니를 에너지 효율적으로 또한 장시간 안정적으로 메탄발효 처리하는 방법 및 시스템을 제공한다.
오니(S)를 소정 함수율로 조정한 후, 함수율 조정 후의 오니(Sa)를 수열 반응기(11)와 기액 분리기(12)를 연결하는 순환로(14a,14b)에 송입하고 또한 소정온도·압력으로 소정시간 순환시켜 저분자화하고, 순환로(14a,14b)로부터 출력된 저분자화 오니(Sc)를 발효조(20)에 체류시켜 메탄발효 처리하는 방법에 있어서, 순환로(14a,14b)내의 스케일 고착 상황을 계속적으로 검출하여, 그 고착 상황의 변동에 따라서 순환로(14a,14b)에 송입하는 오니(Sa)의 소정 함수율을 조정한다. 바람직하게는, 순환로(14a,14b)내의 오니(Sa)의 순환 유량을 소정 유량으로 제어하는 유량계(31) 및 유량 제어밸브(32)를 마련하고, 그 유량 제어밸브(32)의 개도로부터 스케일 고착 상황을 검출하여, 혹은 순환로(14a,14b)의 표면온도로부터 스케일 고착 상황을 검출한다.

Description

수열 반응 이용의 오니 메탄발효 처리방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR SLUDGE TREATMENT THROUGH METHANE FERMENTATION WITH HYDROTHERMAL REACTION}
본 발명은 수열(水熱) 반응 이용의 오니(汚泥) 메탄발효 처리방법 및, 시스템에 관한 것으로, 특히 하수처리장이나 폐수처리장 등으로부터 배출되는 오니를 수열 반응에 의해 저분자화한 후에 메탄발효 처리하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
하수처리장이나 화학공장, 식품공장 등의 폐수처리장에서는, 하수·폐수중의 유기물을 미생물 분해하는 활성오니법이 넓게 행하여지고 있어, 미분해유기물이나 증식된 미생물 등의 고형분을 포함한 대량의 생오니 및 잉여 오니(이하, 양자를 정리하여 단순히 오니라고 한다)가 발생한다. 오니는 산업폐기물로서 처분할 필요가 있고, 종래 많은 오니는 탈수 또는 소각 후에 매립 처분되고 있지만, 최근에는 온난화 방지 등의 관점으로부터 소각처분 등을 피해 감용화(減容化)·감량화(減量化)하는 것이 요구되고 있어, 그 한 수법으로서 오니를 감용·감량하는 동시에 에너지 자원이 되는 메탄가스를 회수할 수 있는 메탄발효 처리기술의 연구 개발이 진행되고 있다. 종래의 메탄발효 처리기술로 오니를 메탄가스로 분해하는 것도 가능하지만, 오니중에는 미생물 유래의 난분해 고형분이 다량으로 포함되어 있기 때문에 분해 처리 효율이 낮고, 메탄가스로 분해될 때까지 매우 긴 시간(예를 들면 15∼30일 이상의 소화일수(消化日數))을 필요로 하여, 그 때문에 설비의 규모가 커져 버리는 등의 문제점이 있다.
메탄발효 처리에 의한 오니의 분해 처리 효율을 높이기 위해, 알칼리 처리, 오존 처리, 초음파 처리 등의 전처리(前處理)에 의해 오니를 저분자화한 후에 메탄발효 처리하는 것이 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 그러나, 이러한 전처리는 소비에너지 등의 관점으로부터 경제수지가 성립되기까지는 도달하지 않았다. 이것에 대해, 비교적 작은 소비에너지로 오니를 저분자화할 수 있는 전처리 기술로서 수열 반응(고온 고압수에 의한 가수분해반응)이 주목받고 있다. 수열 반응은, 물의 임계점(374℃, 22MPa)보다 온도·압력은 낮지만 상온수의 300배 가까운 이온곱(ionic product)을 가지는 고온 고압수(이하, 열수(熱水)라고 하는 경우가 있다)를 이용한 가수분해반응이며, 열수의 가수분해 작용에 의해 고형분을 포함한 오니를 단시간으로 메탄발효 용이한 저분자로까지 분해할 수 있는 한편으로, 초임계수(超臨界水) 반응에 비해 분해력이 약하여 유기물을 무기물로까지 분해되기 전에 취출할 수 있으므로, 오니의 전처리에 적합하다고 일컬어져 있다(특허문헌 2, 3 참조).
예를 들면 특허문헌 2는, 도 5에 도시하는 바와 같이 공급탱크(6)에 저장한 오니 슬러리를, 공급장치(고압펌프 등)(7)에 의해 소정온도의 가열기(11a)를 통하여 수열 반응장치(10a)에 공급하여 저분자화한 후, 그 저분자화 처리물로부터 분리한 수상(水相)을 정량 펌프(19a)에 의해 메탄 발효조(醱酵槽)(20)에 도입하여 메탄발효 처리하는 메탄가스 제조방법을 개시하고 있다. 예를 들면, 수열 반응 후의 저분자화 처리물을 원료 탱크(19)에 일시 저장하여 원심분리기(도시하지 않음)에 의해 유상(油相)-수상(水相)-고형상(固形相)의 3층으로 분리하여, 분리한 수상을 메탄 발효조(20)에 도입한다. 메탄 발효조(20)에서 발생한 메탄가스는, 파이프를 통하여 가스탱크(23)에 회수한다. 도시하는 예는 오니 슬러리를 연속적으로 저분자화 처리하는 연속식의 수열 반응장치(10a)를 나타내고 있지만, 배치식의 수열 반응장치를 이용할 수도 있다.
또한 특허문헌 3은, 도 6에 도시하는 바와 같이 분쇄탱크(8a)와 공급탱크(6)와 순환형 수열 반응장치(10)를 이용한 오니의 전처리 방법을 개시하고 있다. 도시하는 예의 분쇄탱크(8a)에 저장한 오니는, 분쇄펌프(8b) 및 3방향 밸브(8c)(분쇄탱크(8a)측으로 전환되어 있다)를 통하여 순환하면서 슬러리 형상으로 분쇄된 후, 3방향 밸브(8c)(공급탱크(6)측으로 전환되어 있다)를 통하여 공급탱크(6)에 보내져, 공급장치(모노펌프 등)(7) 및 송입로(送入路)(9)를 통하여 수열 반응장치(10)의 순환펌프(14)의 석션(suction)측으로 더 공급된다. 도시하는 예의 순환형 수열 반응장치(10)는, 열교환기를 포함한 수열 반응기(11)와 기액(氣液) 분리기(12)와 순환펌프(14)에 의해 구성되어 있고, 공급된 오니 슬러리를 수열 반응기(11)와 기액 분리기(12)와 순환펌프(14)를 연결하는 순환로(循環路)에 순환시키면서 저분자화한다.
도 6에 있어서 송입로(9)로부터 수열 반응장치(10)에 연속적으로 송입된 오니 슬러리는, 순환펌프(14)에 의해 수열 반응기(11)내의 세관군(細管群)(열교환기)의 내부를 상승하면서 가열매체(H)와의 열교환에 의해 수열 반응의 반응온도(이하, 열수온도라고 하는 경우가 있다)가 되어 저분자화되어, 상부 연통관(連通管)(11a)을 통하여 기액 분리기(12)에 보내진다. 수열 반응기(11)와 기액 분리기(12)와의 압력차는 균압관(均壓管)(11b)에 의해 소거되어 있고, 기액 분리기(12)의 액면은 제어장치(15)에 의해 일정하게 유지되어 있다. 따라서, 수열 반응기(11)로부터의 오니의 연속적 송입에 따라서, 기액 분리기(12)내의 분해 수용액(저분자화된 오니)의 일부가 자압(自壓)으로 액면 컨트롤 밸브(15a) 및 일출로(溢出路)(15b)를 통하여 반응장치(10)의 외부로 출력되고, 나머지의 분해 수용액이 순환펌프(14)에 의해서 다시 수열 반응기(11)내에 되돌려져 순환한다. 순환로의 내용적(內容積)을 오니 슬러리의 송입량 x와 분해 수용액의 순환시간 y와의 곱(xy)에 일치시키는 것에 의해, 수열 반응장치(10)내의 오니 슬러리의 순환시간 y를 일정하게 유지하여, 외부로 출력된 분해 수용액을 균일한 농도로 할 수 있다. 도면 중의 부호 16은 기액 분리기(12)의 온도계, 부호 17은 압력 릴리프 밸브(17a)에 부착된 압력계, 부호 18은 안전밸브를 나타낸다.
: 일본 공개특허공보 2000-288594호 : 국제공개공보 제2004/037731호 팜플렛 : 일본 공개특허공보 2008-296192호 : 일본 공개특허공보 2000-167523호 공보
그러나, 도 5에 도시하는 연속식(또는 배치식)의 수열 반응장치(10a)는, 비교적 저농도의 오니 슬러리를 저분자화 처리하는 것은 가능하지만, 고형분이 고농도에 포함되는 오니 슬러리를 저분자화 처리하기에는 적합하지 않는 문제점이 있다. 즉, 도 5와 같이 1패스(through) 방식의 수열 반응장치(10a)에 고농도의 오니 슬러리를 공급하면, 장치 내부에서 고액분리가 발생하여 액분(液分)이 우선적으로 배출되는 동시에 고형분이 장치 내부에 체류해 버리므로, 장치로부터 배출되는 오니(저분자화된 오니)에 농도의 불균형이 생기기 쉽다. 또한, 장치 내부에 체류한 고형분이 고온의 내면에 접촉하여 고착(固着) 또는 눌어붙을 우려가 있다. 따라서, 도 5의 수열 반응장치(10a)를 이용한 전처리는, 오니를 다량의 수분이 포함되는 저농도인 채로 가열해야 하기 때문에, 저분자화 처리에 비교적 큰 가열 에너지를 필요로 하는 과제가 남는다.
이것에 대해 도 6과 같은 순환형의 수열 반응장치(10)는, 고형분을 포함한 고농도 오니 슬러리(예를 들면 고형분율 30∼70 중량%의 오니 슬러리)를 저분자화 처리하는 것도 가능하다. 즉, 도 6의 수열 반응장치(10)에서는, 수열 반응기(11)와 기액 분리기(12)를 연결하는 순환로의 내용적을 xy(=오니 슬러리의 송입량 x와 분해 수용액의 순환시간 y와의 곱)로 하는 것에 의해, 슬러리를 반복계내에 순환시켜도 순환로에서의 슬러리 체류시간을 일정하게 유지할 수 있고, 게다가 순환로에 슬러리내의 고형분의 종말침강속도보다 빠른 흐름(예를 들면 종말침강속도의 수배 정도의 속도의 흐름)을 발생시켜 상술한 장치 내부에서의 고형분의 침강·체류를 피할 수 있다. 도 6의 순환형의 수열 반응장치(10)를 전처리로서 도 5의 메탄 발효조(20)와 조합하면, 오니를 비교적 작은 소비에너지로 저분자화하여, 오니의 메탄발효 처리효율을 경제적으로 높이는 것을 기대할 수 있다.
다만, 본 발명자들의 시험적 실험에 의하면, 도 6과 같은 순환형의 수열 반응장치(10)에서는, 분명히 고농도의 오니 슬러리를 에너지 효율적으로 저분자화할 수 있지만, 오니 슬러리중의 고형분이 스케일로서 순환로의 내면에 서서히 퇴적하는 것이 경험되었다. 즉, 상술한 바와 같이 순환로내의 오니 슬러리를 고형분의 종말침강속도보다 빠른 유속으로 순환시켰다고 해도 고형분의 침강·고착을 완전하게 막는 것은 어렵고, 순환로 내면에 스케일이 서서히 침강·고착하여, 스케일이 크게 성장하면 박리 탈락하여 순환로의 폐색 그 외의 고장 원인이 될 수 있다. 따라서, 순환형의 수열 반응장치(10)는 정기적으로 운전을 정지하여 순환로내에 고착한 스케일을 세정해야 하지만, 가능한 한 긴 운전계속시간을 확보하는 동시에 원하지 않는 폐색 등을 피해 운전을 안정적으로 유지하기 위해서는, 순환로내의 스케일의 성장을 작게 억제하여 운전중에 박리 탈락하는 것을 방지하는 것을 구할 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 순환형의 수열 반응을 이용하여 오니를 에너지 효율적으로 또한 장시간 안정적으로 메탄발효 처리할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것에 있다.
도 1 및 도 2에 도시하는 실시예를 참조하기 위해, 본 발명에 의한 수열 반응 이용의 오니 메탄발효 처리방법은, 오니(S)를 소정 함수율로 조정한 후, 함수율 조정 후의 오니(Sa)를 수열 반응기(11)와 기액 분리기(12)를 연결하는 순환로(14a,14b)에 송입하고 또한 소정온도·압력으로 소정시간 순환시켜 저분자화하고, 순환로(14a,14b)로부터 출력된 저분자화 오니(Sc)를 발효조(20)에 체류시켜 메탄발효 처리하는 방법에 있어서, 순환로(14a,14b)내의 스케일 고착 상황을 계속적으로 검출하여, 그 고착 상황의 변동에 따라서 순환로(14a,14b)에 송입하는 오니 (Sa)의 함수율을 조정해서 이루어지는 것이다.
또한, 도 1의 블록도 및 도 2의 실시예를 참조하기 위해, 본 발명에 의한 수열 반응 이용의 오니 메탄발효 처리시스템은, 오니(S)를 소정 함수율로 조정하는 함수율 조정장치(4), 함수율 조정 후의 오니(Sa)를 수열 반응기(11)와 기액 분리기 (12)를 연결하는 순환로(14a,14b)에 송입하고 또한 소정온도·압력으로 소정시간 순환시켜 저분자화하는 순환형 수열 반응장치(10), 순환로(14a,14b)로부터 출력된 저분자화 오니(Sc)를 체류시켜 메탄발효 처리하는 발효조(20), 및 수열 반응장치 (10)의 순환로(14a,14b)내의 스케일 고착 상황을 계속적으로 검출하는 검출장치 (30)를 구비하여, 검출장치(30)에서 검출된 고착 상황의 변동에 따라서 조정장치 (4)에 의한 오니(Sa)의 함수율을 조정해서 이루어지는 것이다.
바람직하게는 도 1(A)에 도시하는 바와 같이, 검출장치(30)를 순환로(14a, 14b)내의 오니(Sa)의 순환 유량을 소정 유량으로 제어하는 유량계(31) 및 유량 제어밸브(32)로 하고, 그 유량 제어밸브(32)의 개도(開度)로부터 순환로(14a,14b)내의 스케일 고착 상황을 검출한다. 혹은 도 1(B)에 도시하는 바와 같이, 검출장치 (30)를, 순환로(14a,14b)의 표면온도를 계측하는 온도계(35)로 하고, 그 순환로 (14b)의 표면온도로부터 순환로(14a,14b)내의 스케일 고착 상황을 검출해도 좋다.
더 바람직하게는, 도시하는 예와 같이 수열 반응장치(10)의 순환로(14a,14b)의 내부를 물치환 세정 또는 약품 세정하는 세정장치(40)를 마련하여, 상술한 오니 (Sa)의 함수율의 조정에 대신하거나 더하여, 고착 상태의 변동에 따라서 세정장치 (40)를 구동한다.
본 발명에 의한 수열 반응 이용의 오니 메탄발효 처리방법 및 시스템은, 오니(S)를 발효조(20)에 체류시켜 메탄발효 처리하기 전에, 처리 대상의 오니(S)를 함수율 조정장치(4)에 의해 소정 함수율로 조정하여, 함수율 조정 후의 오니(Sa)를 수열 반응기(11)와 기액 분리기(12)를 연결하는 순환로(14a,14b)에 송입하고 또한 소정온도·압력으로 소정시간 순환시켜 저분자화하는 동시에, 순환로(14a,14b)내의 스케일 고착 상황을 계속적으로 검출하여, 그 고착 상황의 변동에 따라서 조정장치 (4)에 의한 오니(Sa)의 함수율을 조정하므로, 다음의 효과를 이룬다.
(가) 수열 반응장치(10)내의 스케일 고착 상황의 변동에 따라서, 스케일의 성장을 방지하면서 가열 에너지를 가능한 한 작게 억제하도록 함수율을 조정하는 것에 의해, 오니를 최적의 에너지 효율로 장시간 안정적으로 저분자화할 수 있다.
(나) 또한, 수열 반응장치(10)내의 스케일 고착 상황은 오니(S)의 점성 그 외의 종류에 따라서 변화할 수 있지만, 스케일 고착 상황의 변동에 따라서 오니(S)의 함수율을 조정하는 것에 의해, 다양한 오니(S)를 각각 에너지 효율적으로 저분자화할 수 있다.
(다) 수열 반응장치(10)의 순환로(14a,14b)에 유량 제어밸브(32) 또는 온도계(35)를 마련해 두면, 반응장치(10)를 정지·개방하는 일 없이 유량 제어밸브(32)의 개도 또는 온도계(35)의 계측치로부터 스케일 고착 상황을 정밀도 좋게 추측할 수 있다.
(라) 또한, 순환로(14a,14b)의 내부를 물치환 세정 또는 약품 세정하는 세정장치(40)를 마련해 두면, 스케일 고착 상황에 따라서 세정장치(40)를 적절히 구동하는 것에 의해, 최적인 시기에 반응장치(10)의 세정을 실시하는 것이 가능해진다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 형태 및 실시예를 설명한다.
도 1은, 본 발명의 오니 메탄발효 처리방법의 일실시예의 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 오니 메탄발효 처리방법의 다른 실시예의 블록도이다.
도 3은, 수열 반응장치의 순환로의 표면온도로부터 순환로내의 스케일 고착 상황을 검출하는 방법의 원리를 나타내는 설명도이다.
도 4는, 본 발명에 의한 수열 반응장치의 세정 제어 방법의 흐름도의 일례이다.
도 5는, 종래의 수열 반응을 이용한 메탄발효 처리방법의 일례의 설명도이다.
도 6은, 종래의 수열 반응을 이용한 메탄발효 처리방법의 다른 일례의 설명도이다.
도 2는, 예를 들면 하수처리장(1)에서 발생하는 하수 오니(S)의 감용·감량화에 본 발명의 메탄발효 처리시스템을 적용한 실시예를 나타낸다. 도시하는 예의 시스템은, 오니(S)의 함수율을 조정하는 함수율 조정장치(4)와 순환형의 수열 반응장치(10)와 메탄 발효조(20)를 갖는다. 하수처리장(1)에서 발생한 생오니 및 잉여 오니(S)(예를 들면 함수율 약 97%)를 혼합 오니조(2)에 일단 저장하고, 함수율 조정장치(4)에 의해 수열 반응장치(10)에 적절한 소정 함수율로 조정한 후, 함수율 조정 후의 오니(Sa)(이하, 농도 조정 오니(Sa)라고 하는 경우가 있다)를 공급탱크(6) 경유로 반응장치(10)에 공급한다. 함수율 조정장치(4)에 있어서 오니(S)로부터의 분리액(여과액)이 발생하는 경우는, 그 여과액은 수열 반응을 통하지 않고, 원료 탱크(19) 경유로 메탄 발효조(20)에 직접 도입한다. 바람직하게는, 도시하는 예와 같이 함수율 조정장치(4)에 응축제 첨가 장치(5)를 포함하여 오니(S)중의 소립지름의 고형분도 가능한 한 응축하여 수열 반응장치(10)에 보내, 고형분이 여과액과 함께 메탄 발효조(20)에 직접 도입되는 것을 방지한다.
도시하는 예의 함수율 조정장치(4)는, 통상은 고함수율의 오니(S)를 탈수하여 농축하는 진공탈수기, 원심분리기, 필터프레스(과압탈수기) 등의 농축장치이지만, 필요에 따라서 저함수율의 오니(S)에 물을 더해 희석하는 급수장치로 해도 좋고, 농축장치·급수장치의 양 장치를 포함할 수도 있다. 조정장치(4)로 함수율을 조정한 농도 조정 오니(Sa)는, 공급탱크(6)에 일단 저장한 후, 모노펌프 등의 공급장치(7)에 의해 후술하는 수열 반응장치(10)에 일정량씩 연속적으로 송입한다. 필요에 따라서 공급장치(7)에 분쇄장치(8) 또는 교반장치(6a)(도 6 참조)를 마련하여, 반응장치(10)에 공급하기 전에 농도 조정 오니(Sa)중의 고형분을 적절히 분쇄 또는 교반해도 좋다. 또한, 도 6을 참조하여 상술한 바와 같이 분쇄탱크(8a) 및 분쇄펌프(8b)를 포함하여, 조정장치(4)로부터의 농도 조정 오니(Sa)를 분쇄탱크(8a) 및 분쇄펌프(8b)로 분쇄한 후에 공급탱크(6)에 저장해도 좋다. 농도 조정 오니(Sa)를 분쇄하고 고형분의 입자지름 Dp를 작게 하는 것에 의해, 이하에 서술하는 고형분의 종말침강속도 u를 작게 하여, 반응장치(10)의 내부에서의 고형분의 침강·고착을 발생하기 어렵게 할 수 있다.
도 1은, 도 2의 순환형 수열 반응장치(10)를 확대 표시한 메탄발효 처리시스템의 설명도를 나타낸다. 도시하는 예의 반응장치(10)는, 도 6의 경우와 같이, 농도 조정 오니(Sa)를 소정 압력하에서 소정온도(수열 반응의 열수온도)에 가열하는 수열 반응기(11)와 기액 분리기(12)와 순환펌프(14)와 그것들을 연결하는 순환로 (14a,14b)를 가지고, 그 순환펌프(14)의 입구측(suction측)의 순환로(14a)에 송입로(9)로부터 송입량 x에서 송입된 농도 조정 오니(Sa)를 수열 반응기(11)와 기액 분리기(12)와의 사이에 소정시간 y만큼 순환시키는 것에 의해 저분자화한다.
예를 들면, 수열 반응기(11)를 반응 압력 0.72∼8.7MPa, 열수온도 160∼300℃의 범위로 설정하여, 순환시간 y가 15∼120분이 되도록 순환로(14a,14b)내(접액부(接液部)의 유효 내용적V(=xy)에 대한 공급장치(7)의 송입량 x를 설정하는 것에 의해 농도 조정 오니(Sa)를 효율적으로 저분자화할 수 있지만(특허문헌 3 참조), 순환로내의 온도·압력을 높게 하면 수열 반응의 소비에너지도 커진다. 본 발명자들은, 수열 반응장치(10)의 에너지 효율 향상을 위해서는, 순환로(14a,14b)내의 열수온도를 비교적 낮은 160∼200℃의 범위내에 억제하고, 압력도 비교적 낮은 1MPa 정도로 억제하여, 오니(Sa)를 30∼90분 정도의 충분한 시간을 걸쳐 저분자화하는 것이 유리한 것을 발견하였다.
도시하는 예의 수열 반응장치(10)는, 수열 반응기(11)를 에너지 변환장치 (25)(예를 들면 보일러 등)와 접속하고, 에너지 변환장치(25)에 있어서 후술하는 메탄 발효조(20)에서 회수되는 메탄가스(G)를 가열매체(예를 들면 증기, 열매유(熱媒油) 등) H의 가열 에너지로 변환하여 수열 반응기(11)에 공급하고, 그 가열매체(H)와의 열교환에 의해 순환로(14a,14b)내의 농도 조정 오니(Sa)를 160∼200℃ (예를 들면 180℃ 정도)의 열수온도로 가열하고 있다. 또한, 순환로(14a,14b)내를 1MPa 정도로 유지하는 압력밸브(17a)에 부착된 압력계(17)(도 6 참조)를 기액 분리기(12)에 마련하고, 순환로(14a,14b)내의 순환시간 y를 공급장치(7)로부터의 오니 (Sa)의 송입량 x에 의해서 30∼90분 정도로 유지하고 있다.
또한, 수열 반응장치(10)내에서 농도 조정 오니(Sa)중의 고형분이 침강·고착하는 것을 피하기 위해서, 순환로(14a,14b)내의 농도 조정 오니(Sa)의 순환속도 v는 오니 중의 고형분의 종말침강속도 u보다 커지도록(v>u) 설정한다. 일반적으로 고형분의 종말침강속도 u는, 중력가속도 g, 열수의 밀도 ρf 및 점도 μf, 및 그 중에 현탁 부유하고 있는 고형분의 입자지름 Dp 및 밀도 ρp를 이용하여, 스토크스 (stokes)의 식에 기초하는 (1)식에 의해 산출할 수 있다. 본 발명자들은, 반응장치 (10)의 내부에서의 원형분의 침강·고착을 막기 위해서는, 반응장치(10)의 순환속도 v를 고형분의 종말침강속도 u의 1.3배 이상으로 하는 것이 유효한 것을 실험적으로 발견하였다.
u=g·Dp 2·(ρp-ρf)/18μf …(1)
(1)식은, 고형분의 밀도 ρp가 높고 또는 입자지름 Dp가 클수록 종말침강속도 u가 커지는 것을 나타내고 있다. 통상의 농도 조정 오니(Sa)중의 고형분은 밀도 ρp=3500∼1000(kg/㎥), 입자지름 Dp=0.5∼0.1(㎜) 정도라고 상정할 수 있으므로, 예를 들면 180℃의 열수의 물성에 의해 밀도 ρf=886.9(kg/㎥), 점도 μf=1.54×10-4(kg/m·sec)로서 계산하면, 종말침강속도 u는 최저 0.004∼최고 2.32(m/sec)의 범위가 된다. 따라서, 예를 들면 180℃ 정도로 설정한 수열 반응장치(10)에서는, 상술한 본 발명자들의 실험적 지견에 기초하여 순환속도 v를 2.32×1.3≒3(m/sec) 이상으로 하면, 순환로(14a,14b)내부에서의 고형분의 침강·고착을 작게 억제할 수 있다.
도시하는 예의 수열 반응장치(10)는, 순환펌프(14)의 토출측(delivery측)의 순환로(14b)에 유량계(31) 및 유량 제어밸브(32)를 마련하고, 그 유량계(31) 및 유량 제어밸브(32)에 접속된 유량제어장치(33)에 의해, 순환로(14a,14b)내의 농도 조정 오니(Sa)의 순환속도 v를 고형분의 종말침강속도 u의 1.3 배 이상, 혹은 최저라도 3(m/sec) 이상의 설정속도로 제어하고 있다. 즉, 순환로(14b)내의 순환속도 v를 유량계(31)로 측정하여, 그 속도 v가 설정속도가 되도록 유량 제어밸브(32)의 개도(예를 들면 스로틀 밸브에 의한 순환로(14b)의 단면적)를 제어하고 있다.
순환형 수열 반응장치(10)에 있어서의 에너지 효율의 향상을 더 도모하기 위해서는, 함수율 조정장치(4)에 의해 농도 조정 오니(Sa)의 함수율을 조정하는 것이 바람직하다. 예를 들면 반응장치(10)에 있어서 함수율 85∼95%의 범위로 함수율을 조정한 오니(Sa)를 저분자화 처리하는 것이 가능하지만, 농도 조정 오니(Sa)의 함수율을 낮게 할 수록 반응장치(10)에 있어서의 가열 에너지를 작게 억제할 수 있다. 다만, 상술한 바와 같이 순환형의 반응장치(10)에서도 순환로(14a,14b)의 내면에 스케일이 서서히 침강·고착하는 것을 피하지 못하여, 본 발명자들의 시험적 실험에 의하면, 수열 반응의 열수온도 T에 따라서도 상이하지만, 농도 조정 오니(Sa)의 함수율을 낮게 할수록 점성(및 마찰력)이 커지므로 순환로(14a,14b)의 내면에 스케일이 고착하기 쉬워진다.
도시하는 예의 수열 반응장치(10)는, 순환로(14a,14b)의 내면의 스케일 고착 상황을 계속적으로 검출하여, 그 스케일 고착 상황에 따라서 함수율 조정장치(4)에 의한 농도 조정 오니(Sa)의 함수율을 조정 또는 전환하는 것에 의해, 순환로(14a, 14b)내면의 스케일의 두께(또는 성장속도)를 제어하고 있다. 순환로(14a,14b)내에 고착한 스케일 고착 상황을 검지하기 위해, 원시적인 방법으로서는 순환로(14a, 14b)에 검측창을 마련하고, 그 검측창을 적절히 개폐하여 육안 등에 의해 확인할 수도 있지만, 바람직하게는 적당한 검출장치(30)를 순환로(14a,14b)상에 마련한다. 예를 들면, 도 1(A)에 도시하는 바와 같이 순환로(14b)에 마련한 유량계(31) 및 유량 제어밸브(32)를 검출장치(30)로 하고, 그 유량 제어밸브(32)의 개도로부터 순환로(14a,14b)내의 압력 손실의 증가분을 구하여, 그 증가분으로부터 반응기(10)를 정지·개방하는 일없이 연산에 의해 스케일 두께(또는 성장속도)를 검출할 수 있다.
또한 도 1(B)는, 순환로(14a,14b)의 표면온도(철피(鐵皮)온도)를 계측하는 온도계(35)를 스케일 고착상황의 검출장치(30)로 한 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 도 3(A)에 도시하는 바와 같이 순환로(14a,14b)의 내면에 스케일이 고착되지 않은 깨끗한 상태일 때는, 순환로(14a,14b)의 내부온도(예를 들면 180℃)가 배관 내측의 경막(境膜)의 전열계수 h와 배관의 열전도도에 의해서 강온(降溫)하여, 순환로(14a,14b)의 표면온도는(내부온도 -α)℃가 된다. 이것에 대해서 도 3(B)와 같이 순환로(14a,14b)의 내면에 스케일이 고착되었을 때는, 내부온도(예를 들면 180℃)가 배관 내측의 경막의 전열계수 h와 스케일의 열전도도 λ'와 배관의 열전도도 λ에 의해서 강온하고, 표면온도는(내부온도 -β)℃가 된다. 즉, 순환로(14a,14b)의 표면온도는 내부온도보다 낮고, 그 강온차는 스케일의 고착에 의해 반드시 커진다(β>α). 배관 내측의 경막 전열계수 h, 스케일 및 배관의 열전도도 λ', λ는 반응장치(10)의 운전조건, 농도 조정 오니(Sa)의 성질과 상태 등으로부터 연산이나 분석에 의해 구할 수 있으므로, 그 연산시나 분석치를 이용하면 표면온도(철피온도)와 내부온도와의 강온차 β로부터 연산에 의해 반응기(10)를 정지·개방하는 일 없이 스케일 두께(또는 성장속도)를 검출할 수 있다.
더 바람직하게는, 도 1(A)에 도시하는 유량 제어밸브(32)의 개도와 도 1(B)에 도시하는 순환로(14a,14b)의 표면온도와의 양자로부터 스케일 고착 상황을 검출하는 것에 의해, 반응장치(10)내의 스케일 고착 상황의 변동을 조기에 정밀도 좋게 검출한다. 도시하는 예의 수열 반응장치(10)는, 고착상황 검출장치(30)에서 검출된 스케일 고착 상황(예를 들면 스케일 두께 또는 성장속도)의 신호를 입력하여 함수율 조정장치(4)를 제어하는 제어장치(38)를 마련하고 있다. 예를 들면 조정장치(4)에 의해 농도 조정 오니(Sa)의 초기함수율을 90∼92% 정도로 설정한 후에 수열 반응장치(10)의 운전을 시작하여, 스케일 두께(또는 성장속도)가 소정 허용치 이하일 때는 초기함수율을 유지하고, 스케일 두께(또는 성장속도)가 소정 허용치를 넘었을 때는 제어장치(38)를 통하여 함수율 조정장치(4)에 의한 농도 조정 오니(Sa)의 함수율을 93∼95% 정도로 전환한다. 다만, 제어장치(38)는 본 발명에 필수인 것이 아니라, 예를 들면 검출장치(30)의 검출 결과에 기초하여 함수율 조정장치(4)를 수동으로 전환하는 것도 가능하다.
도시하는 예의 순환형 수열 반응장치(10)에 있어서, 1MPa의 압력하에서 농도 조정 오니(Sa)를, 160∼200℃로 가열하면서 3(m/sec) 이상의 유속으로 30∼90분 정도 순환시키면, 기액 분리기(12)의 액면 컨트롤 밸브(15a)(도 6 참조)로부터 일출로(15b)를 통하여 반응장치(10)의 외부로 출력되는 분해 수용액(저분자화된 농도 조정 오니)(Sb)를 메탄발효 처리에 적합한 분해성이 높은 저분자 유기물로 할 수 있다. 수열 반응장치(10)에 의해 저분자화된 오니(Sb)(이하, 저분자화 오니(Sb)라고 하는 경우가 있다)는, 원료탱크(19)를 통하여 함수율 조정장치(4)의 여과액과 함께 메탄 발효조(20)(도 2 참조)에 도입한다.
도 2의 메탄 발효조(20)는, 메탄발효 미생물군을 고농도로 유지하는 미생물 고정상(固定床)(21)을 가지고, 도입된 저분자화 오니(Sb)를 소요시간 체류시켜 메탄발효 미생물군과 접촉시키는 것에 의해 메탄가스(G)에까지 분해한다. 예를 들면 발효조(20)내에 유리섬유 또는 탄소섬유제의 미생물 담체를 충전하여 고정상(21)으로 할 수 있다(특허문헌 4 참조). 상술한 바와 같이 저분자화전의 오니(S)를 메탄발효 처리하기 위해서는 15∼30일 이상 발효조(20)내에 체류시키는 것이 필요하지만, 저분자화 오니(Sb)는 3∼5일의 체류시간에서도 고형분의 분해율을 거의 최대치 (50%)로 할 수 있다. 또한, 메탄 발효조(20)에는 저분자화 오니(Sb)를 메탄발효 미생물군의 활성온도로 유지하는 보온장치(도시하지 않음)를 마련할 수 있어, 그 보온장치에 의해 발효조(20)내의 저분자화 오니(Sb)를 메탄발효 미생물에 적합한 발효온도, 예를 들면 중온(37℃ 정도) 또는 고온(55℃ 정도)으로 유지한다(특허문헌 4 참조). 다만 본 발명에서 이용하는 메탄 발효조(20)는 도시하는 예에 한정되는 것이 아니라, 고정상을 대신하여 부유상(浮游床) 방식으로 하는 것도 가능하다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 메탄 발효조(20)에서 발생한 메탄가스(G)는 가스 라인 경유로 취출하여, 필요에 따라서 탈황기로 탈황한 후 가스탱크(23)에 저장한다. 가스탱크(23)에 저장한 메탄가스(G)는, 상술한 에너지 변환장치(25)(예를 들면 보일러 등)에 의해 가열매체(예를 들면 증기, 열매유 등)(H)의 가열에너지로 변환하여 수열 반응장치(10)의 가열에 이용할 수 있다. 또한, 메탄가스(G)의 회수 후에 메탄 발효조(20)에 남는 소화 오니는, 반송탱크(27)를 통하여 탈수기(28)에 보내고, 여과액은 반류수(返流水)(D)로서 하수처리장(1)에 되돌려, 남은 탈수 오니(Sd)를 종래의 오니(S)와 같은 방법으로 처분한다. 예를 들면 도 1의 실시예에 의해 하수처리장(1)으로부터 배출된 하수 오니(S)를 본 발명의 시스템으로 메탄발효 처리하는 것에 의해, 탈수기(28)에 의해 탈수 오니(Sd)를 하수 오니(S)의 1/3∼1/5로 감용·감량할 수 있다.
본 발명은, 수열 반응장치(10)내의 스케일 고착 상황의 변동에 따라서 오니(S)의 함수율을 조정하므로, 스케일의 성장을 방지하면서 수열 반응의 필요 에너지를 가능한 한 작게 억제할 수 있어, 오니를 높은 에너지 효율로 장시간 안정적으로 저분자화할 수 있다. 또한, 수열 반응장치(10)의 에너지 효율을 높이는 것에 의해, 수열 반응장치(10)의 필요 에너지를 메탄 발효조(20)로부터 회수되는 메탄가스의 에너지에 의해서 조달하여, 에너지 자족적으로 오니(S)를 감용·감량할 수 있는 시스템으로 하는 것을 기대할 수 있다. 게다가, 수열 반응장치(10)내의 스케일 고착 상황은 오니(S)의 점성 그 외의 종류에 따라서 변화할 수 있지만, 스케일 고착 상황에 따라서 오니(S)의 함수율을 조정하는 것에 의해, 다양한 오니(S)를 종류에 구애받지 않고 각각 높은 에너지 효율로 저분자화할 수 있다.
이렇게 하여 본 발명의 목적인 '순환형의 수열 반응을 이용하여 오니를 에너지 효율적으로 또한 장시간 안정적으로 메탄발효 처리할 수 있는 방법 및 시스템'의 제공을 달성할 수 있다.
실시예 1
도 1 및 도 2의 실시예는, 수열 반응장치(10)의 순환로(14a,14b)의 내부를 물치환 세정 또는 약품 세정하는 세정장치(40)를 마련하여, 상술한 고착상황 검출장치(30)에 의한 스케일 고착 상황의 검출에 따라서 세정장치(40)를 구동 가능하게 하고 있다. 상술한 바와 같이, 순환형의 수열 반응장치(10)에서는 정기적으로 순환로내에 고착한 스케일을 세정할 필요가 있지만, 검출장치(30)에 의한 스케일 고착 상황의 검출에 따라서 세정장치(40)를 구동하는 것에 의해, 반응장치(10)를 정지·개방하는 일 없이 세정의 필요 여부를 판단하여, 최적인 시기에 반응장치(10)의 세정을 행할 수 있다.
도시하는 예의 세정장치(40)는, 수열 반응장치(10)의 송입로(9)에 전환밸브(41)를 통하여 접속된 주입로(注入路)와, 수열 반응장치(10)의 일출로(15b)에 전환밸브(42)를 통하여 접속된 발출로(拔出路)를 가지고 있다. 순환로(14a,14b)를 물 세정할 때는, 수열 반응장치(10)의 운전을 계속하면서 전환밸브(41)를 전환하여 송입로(9)에 세정수(W)를 소정시간 연속적으로 주입하여, 전환밸브(42)를 전환하여 세정수(W)를 수열상태인 채로 1패스(through) 방식으로 일출로(15b)로부터 계외 배출(다운 블로우)하는 것에 의해, 순환로(14a,14b)내를 물치환한다. 순환로(14a, 14b)를 약품 세정할 때는, 수열 반응장치(10)의 운전을 정지한 후에 전환밸브(41, 42)를 전환하여 송입로(9) 및 일출로(15b)를 각각 세정장치(40)와 접속하고, 세정장치(40)로부터 순환로(14a,14b)내에 약품(W)을 주입하여 소정시간 순환시킨다.
본 발명자들의 시험적 실험에 의하면, 장치 내부의 물치환(세정수(W)의 연속적 주입)을 2시간 정도 실시함으로써, 순환로(14a,14b)에 고착한 통상의 스케일은 거의 박리할 수 있다(도 4의 흐름도의 스텝 S105 참조). 따라서, 물치환 후에 전환밸브(41,42)를 되돌려 송입로(9) 및 일출로(15b)를 공급탱크(6) 및 원료 탱크(19)와 재접속하는 것에 의해 상술한 초기 함수율(90∼92% 정도)의 농도 조정 오니(Sa)의 수열 반응을 재개할 수 있다. 순환로(14a,14b)내에 스케일이 비교적 강고하게 적층하고 있는 경우에도, 예를 들면 과산화수소계의 약품 세정(약품(W)의 순환)을 2시간 정도 실시함으로써 거의 박리할 수 있다(스텝 S106 참조).
또한, 도시하는 예의 세정장치(40)(및 전환밸브(41,42))는 상술한 함수율 조정장치(4)의 제어장치(38)에 접속되어 있고, 제어장치(38)에 의해 물치환 세정 또는 약품 세정의 타이밍이 제어되어 있다. 도 4는, 제어장치(38)에 의한 함수율 조정장치(4) 및 세정장치(40)의 제어의 흐름도의 일례를 나타낸다. 상기 흐름도에서는, 함수율 조정장치(4)를 초기 함수율(90∼92% 정도)로 설정한 후에 수열 반응장치(10)의 운전을 시작하여(스텝 S101 참조), 제어장치(38)가 고착상황 검출장치(30)의 검출치(스케일 두께 또는 성장속도)에 기초하여 순환로(14a,14b)내의 이상 경향(세정의 필요 여부)을 판단한다(스텝 S102 참조). 예를 들면, 상술한 바와 같이 스케일 두께(또는 성장속도)가 소정 허용치 이하일 때는 이상(異常) 없음이라고 판단하여 초기함수율의 통상 운전을 계속하고, 소정 허용치를 넘었을 때에 이상의 정도(스케일 두께 또는 성장속도의 검출치)에 따라서 함수율 조정장치(4) 또는 세정장치(40)의 구동의 필요 여부를 판단한다(스텝 S103 참조).
도 4의 흐름도의 스텝 S103은, 고착상황 검출장치(30)의 검출치(스케일 두께 또는 성장속도)에 기초하여 이상 레벨을 3단계로 구분하고 있다. 예를 들면, 검출치가 소정 허용치를 넘었지만 소정 한계치 미만(레벨 1)일 때는, 제어장치(38)에 의해 함수율 조정장치(4)를 제어하고 농도 조정 오니(Sa)의 함수율을 93∼95% 정도로 전환하면서 수열 반응장치(10)의 운전을 계속한다(스텝 S104). 또한, 검출치가 소정 한계치 이상이지만 소정 이상치 미만(레벨 2)일 때는, 수열 반응장치(10)의 운전을 계속하면서 전환밸브(41,42)를 전환하여 세정수(W)를 주입하고, 반응장치(10)의 순환로(14a,14b)의 내부를 물치환에 의해 세정한다(스텝 S105). 소정 이상치 이상의 스케일 두께(또는 성장속도)가 검출되었을 때에(레벨 3), 수열 반응장치(10)의 운전을 정지하고 세정장치(40)에 의해 순환로(14a,14b)의 내부를 약품 세정한다(스텝 S106).
통상의 스케일 고착이면 순환로(14a,14b)의 2시간 정도의 물치환으로 수열 반응장치(10)의 회복이 가능하고, 물치환 후에 전환밸브(41,42)를 되돌림으로써 즉시 초기 함수율의 정상 운전(스텝 S101)으로 복귀할 수 있으므로, 수열 반응장치(10)의 운전을 정지할 필요는 없다. 따라서, 함수율 조정장치(4)에 의한 오니(Sa)의 함수율 조정(스텝 S104)을 적절히 행하면서, 순환로(14a,14b)의 물치환 세정(스텝 S105 )을 10일에서 1달에 1회 정도의 빈도로 행하는 것에 의해, 수열 반응장치(10)를 장시간 안정적으로 가동(연속 운전)시킬 수 있고, 순환로(14a,14b)의 약품 세정(스텝 S106)은 반년에서 1년에 1회 정도의 빈도로 또는 상정되지 않는 비정상인 스케일 고착의 발생시에 행하면 충분하다.
1 : 하수처리장치
2 : 혼합 오니조
4 : 함수율 조정장치
5 : 응축제 첨가장치
6 : 공급탱크
6a : 교반장치
6b : 압력계
6c : 릴리프 밸브
7 : 공급장치
8 : 분쇄장치
8a : 분쇄탱크
8b : 분쇄펌프
8c : 3방향 밸브
9 : 송입로
10 : 수열 반응장치
11 : 수열 반응기
11a : 연통관
11b : 균압관
11c : 세관
12 : 기액 분리장치
14 : 순환펌프
15 : 액면 제어장치
15a : 액면 컨트롤 밸브
15b : 일출로
16 : 온도계
17 : 압력계
17a : 압력 릴리프 밸브
18 : 안전밸브
19 : 원료 탱크
19a : 정량 펌프
20 : 메탄 발효조
21 : 미생물 고정상
23 : 가스탱크
25 : 에너지 변환장치
25a, 25b : 열매유로
25c : 트랩
27 : 반송탱크
28 : 탈수기
30 : 고착상황 검출장치
31 : 유량계
32 : 유량 제어밸브
33 : 유량 제어장치
34 : 온도센서
35 : 온도계(계측기)
38 : 제어장치
40 : 세정장치
41, 42 : 전환밸브
G : 메탄가스
S : 오니
Sa : 농도 조정 오니
Sb : 저분자화 오니
Sc : 감용·감량 오니
Sd : 탈수 오니
D : 반류수
W : 세정수 또는 약품

Claims (8)

  1. 오니를 소정 함수율로 조정한 후, 함수율 조정 후의 오니를 수열 반응기와 기액 분리기를 연결하는 순환로에 송입하고 또한 소정온도압력으로 소정시간 순환시켜 저분자화하고, 상기 순환로로부터 출력된 저분자화 오니를 발효조에 체류시켜 메탄발효 처리하는 방법에 있어서, 상기 순환로내의 오니 순환 유량을 소정 유량으로 제어하는 유량계 및 유량 제어 밸브를 마련하고, 상기 유량 제어 밸브의 개도로부터 상기 순환로내의 스케일 고착 상황을 계속적으로 검출하여, 그 고착 상황의 변동에 따라서 상기 순환로에 송입하는 오니의 함수율을 조정해서 이루어지는 수열 반응 이용의 오니 메탄발효 처리방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 순환로의 표면 온도를 계측하고, 상기 유량 제어 밸브의 개도와 순환로의 표면 온도 양자로부터 순환로의 스케일 고착 상황을 검출해서 이루어지는 수열반응 이용의 오니 메탄발효 처리방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오니의 함수율의 조정에 더하여, 상기 고착 상태의 변동에 따라서 순환로내의 내부를 물치환 세정 또는 약품 세정하여 이루어지는 수열 반응 이용의 오니 메탄발효 처리방법.
  4. 오니를 소정 함수율로 조정하는 함수율 조정장치, 상기 함수율 조정 후의 오니를 수열 반응기와 기액 분리기를 연결하는 순환로에 송입하고 또한 소정온도·압력으로 소정시간 순환시켜 저분자화하는 순환형 수열 반응장치, 상기 순환로로부터 출력된 저분자화 오니를 체류시켜 메탄발효 처리하는 발효조, 및 상기 순환로내의 오니 순환 유량을 소정 유량으로 제어하는 유량계 및 유량 제어밸브를 포함하고, 또한 그 유량 제어밸브의 개도로부터 수열 반응장치의 순환로내의 스케일 고착 상황을 계속적으로 검출하는 검출장치를 구비하고, 상기 검출장치에서 검출된 고착 상황의 변동에 따라서 상기 조정장치에 의한 오니의 함수율을 조정해서 이루어지는 수열 반응 이용의 오니 메탄발효 처리시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 검출장치에 순환로의 표면온도를 계측하는 온도계를 포함시키고, 상기 검출장치에 의하여 유량 제어밸브의 개도와 순환로의 표면온도의 양자로부터 순환로내의 스케일 고착 상황을 검출해서 이루어지는 수열 반응 이용의 오니 메탄발효 처리시스템.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 수열 반응장치의 순환로 내부를 물치환 세정 또는 약품 세정하는 세정장치를 마련하고, 상기 오니의 함수율의 조정에 더하여, 상기 고착 상태의 변동에 따라서 상기 세정장치를 구동해서 이루어지는 수열 반응 이용의 오니 메탄발효 처리시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
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