KR101235666B1

KR101235666B1 - Method for controlling start-up operating condition by seeding microorganism to anaerobic digester

Info

Publication number: KR101235666B1
Application number: KR20110028762A
Authority: KR
Inventors: 허관용
Original assignee: 허관용; 주식회사 안나비니테즈
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2013-02-22
Also published as: KR20120110721A

Abstract

혐기성 소화조 내에서 미생물의 농도를 특정 범위 내로 유지함으로써 적정 운전 및 적정 초기 운전이 가능하고 안정화 기능을 효과적으로 수행할 수 있는 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법이 제공된다. 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법은, 혐기성 소화 슬러지를 소화조에 주입하는 제1 단계, 소화조 내의 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도를 검출하는 제2 단계, 소화조 내의 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도를 기준 농도로 맞추기 위한 유기물 요구량 또는 슬러지 상징액 대체량을 계산하는 제3 단계, 및 유기물 요구량에 상응하는 소정량의 유기탄소원을 소화조에 주입하거나 슬러지 상징액 대체량에 상응하는 소정의 방류수로 소화조 내의 슬러지 상징액의 적어도 일부를 대체하는 제4 단계를 포함한다.By maintaining the concentration of microorganisms in a specific range within the anaerobic digester, there is provided a method for controlling the initial operating conditions of the anaerobic digester, which enables proper operation and proper initial operation and effectively performs a stabilization function. The method for controlling the initial operating conditions of the anaerobic digester includes: a first step of injecting anaerobic digestion sludge into the digester, a second step of detecting pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration in the digester, a pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N in the digester A third step of calculating the organic matter demand or the sludge supernatant replacement amount to adjust the concentration to the reference concentration, and a sludge supernatant in the digester with a predetermined amount of organic carbon source corresponding to the organic matter demand into the digester or a predetermined effluent corresponding to the sludge supernatant replacement amount And a fourth step of replacing at least a portion of the.

Description

METHOD FOR CONTROLLING START-UP OPERATING CONDITION BY SEEDING MICROORGANISM TO ANAEROBIC DIGESTER}

본 발명은 혐기성 소화조를 이용하여 유기성 폐기물을 에너지화함에 있어서 소화조에 미생물의 식종부터 정상 운전에 이르기까지 설계 에너지량을 생산할 수 있도록 혐기성 미생물을 식종하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 소화조 내에서 혐기성 미생물의 농도가 특정 범위 내에서 유지되도록 소화 슬러지의 농도를 균일하게 제어하고 소화조 내부 상징액의 NH₄ ⁺-N 농도와 순수 알칼리도 농도를 일정하게 유지함으로써 최적 조건하에서 유기물과 질소 안정화 기능을 효과적으로 수행할 수 있도록 그 초기 운전 조건을 제어하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for seeding anaerobic microorganisms so as to produce a design energy amount from the planting of microorganisms to normal operation in energizing organic wastes using an anaerobic digester. By controlling the concentration of digested sludge uniformly to maintain the concentration of anaerobic microorganisms in a certain range, and maintaining the NH ₄ ⁺ -N concentration and the pure alkalinity concentration of the supernatant inside the digester effectively, organic matter and nitrogen stabilization function under optimum conditions It relates to a method of controlling the initial operating conditions to be performed.

일반적으로 유기성 폐기물을 에너지화하기 위한 혐기성 소화조의 초기 운전을 위해서는 일정한 양의 혐기성 미생물이 요구된다. 이러한 혐기성 미생물은 휘발성고형물질 또는 강열감량(VS, Volatile Solids)을 지표로 삼는 것이 가능하다. 혐기성 미생물은 하수처리장이나 기존의 운영 시설에서 운영되는 혐기성 소화조의 소화슬러지(미생물)를 보통 식종(Seeding)하고 있다. In general, a certain amount of anaerobic microorganisms is required for the initial operation of an anaerobic digester to energize organic waste. Such anaerobic microorganisms can be based on volatile solids or volatile solids (VS). Anaerobic microorganisms usually seed digestive sludge (microorganisms) in anaerobic digesters operated in sewage treatment plants or existing operating facilities.

하지만, 이러한 혐기성 소화 시설의 설계 및 운전에 있어서 아직까지 혐기성 미생물의 적정량이나 적정 농도에 대한 기준은 없다. 다만, 기존의 소화조 미생물 식종방법으로 고농도의 유기성 폐기물을 에너지화하는데 있어서 초기 일정량의 미생물 농도는 총고형물질(TS, Total Solids) 약 4% 또는 그 이상의 농도로 요구되는 정도로 인지되고 있다. 미생물의 지표로 사용되는 VS 농도가 소화조 내에서 높으면 높을수록 처리 효과가 더 있다고 판단하고 있다. 실제로, TS 또는 VS 농도를 지표로 혐기성 미생물을 식종하는 것에 관하여는 아직까지 그 기준이 없어 관련 시설마다 혐기성 미생물을 식종하는데 차이가 있는데, 심지어는 기존에 운영되고 있는 소화조로부터 순수알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도가 매우 높은 소화슬러지(혐기성 미생물)을 그대로 이용하고 있는 실정에 있다. 즉, 기존의 잘못 운영되고 있는 에너지화 시설에서의 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도가 높은 식종 미생물은 반드시 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도를 제어한 후 사용되어야 한다.
However, in the design and operation of such anaerobic digestion facilities, there is no criterion for the proper amount and the appropriate concentration of anaerobic microorganisms. However, in order to energize high concentrations of organic wastes by the existing digester microbial seeding method, the initial concentration of microorganisms is recognized as required to about 4% or more of total solids (TS). The higher the concentration of VS in the digester, the more effective the treatment effect. Indeed, there is no standard for planting anaerobic microorganisms as an indicator of TS or VS concentration, so there is a difference in planting anaerobic microorganisms in each facility, even pure alkalinity and NH ₄ ⁺ from existing digesters. Digested sludge (anaerobic microorganism) with very high concentration of -N is used as it is. That is, planting microorganisms with high pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentrations in existing misoperated energy facilities must be used after controlling alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentrations.

유기성 폐기물은 혐기성 미생물에 의해 분해될 때 최적의 조건 하에서 유지되어야 한다. 알칼리도의 최적 조건은 총알칼리도와 순수 알칼리도가 같은 조건하에서이다. 혐기성 소화조 내에서 총알칼리도는 순수알칼리도와 유기산 알칼리도의 합으로 표현할 수 있는데, 아래 수학식 1 및 수학식 2에 나타낸 바와 같이 알칼리도는 순수 알칼리도(HCO₃ ^-)로써 표현되어야 한다. 즉, 소화조에서 유기산에 의해 검출되는 유기산 알칼리도는 이론적으로 0(zero)이어야 하는 것이다. 또한 유기성 폐기물이 분해되면 이러한 최적의 순수 알칼리도 조건(1,000~5,000 ㎎/L as CaCO₃)하에서 유기물의 일부는 미생물로, 가수분해과정에서 생성된 NH₄ ⁺-N는 혐기성 미생물(Bacteria)로 전환되는데, 이 때 바이오 가스는 95~99% 정도로 정상적으로 생산이 가능하다.Organic waste should be maintained under optimum conditions when degraded by anaerobic microorganisms. The optimum condition of alkalinity is under the same condition of total alkalinity and pure alkalinity. In the anaerobic digester, total alkalinity may be expressed as the sum of pure alkalinity and organic acid alkalinity. As shown in Equations 1 and 2 below, alkalinity should be expressed as pure alkalinity (HCO ₃ ⁻ ). That is, the organic acid alkalinity detected by the organic acid in the digester should theoretically be zero. In addition, when organic waste is decomposed, some of organic matter is converted to microorganisms and NH ₄ ⁺ -N produced during hydrolysis under analytic conditions (1,000 to 5,000 mg / L as CaCO ₃ ) is converted to anaerobic bacteria (Bacteria). At this time, biogas can be produced normally at 95 ~ 99%.

여기에서, 순수 알칼리도는 탄산칼슘(CaCO₃)의 단위로 나타내고 중탄산염 알칼리도(Bicarbonate Alkalinity)라고도 하며, 총알칼리도(Total Alkalinity)는 적정법(Titration Method) 등에 의해 탄산칼슘(CaCO₃)의 단위로 표기하며, TVA(Total Volatile Acid)는 휘발성 유기산의 농도를 유기산 알칼리도로 전환한 것으로서 증류법이나 기타 표준 처리법으로 아세트산(CH₃COOH)의 단위로 표시한 것이며, Exp는 계수로서 총알칼리도를 산출하기 위하여 pH 4.0까지 적정하게 되면 휘발성 유기산 농도의 약 85% 정도 밖에 전환하지 못하기 때문에 사용하는 계수(즉, Exp≒0.85)를 나타내고, ER은 아세트산(CH₃COOH) 농도를 알칼리도의 단위로 변환시킬 때의 계수로서, 탄산칼슘(CaCO₃)과 아세트산(CH₃COOH)의 당량비(50/60)로 약 0.833이다.
Here, the pure alkalinity is expressed in units of calcium carbonate (CaCO ₃ ), also referred to as Bicarbonate Alkalinity, and the total alkalinity is expressed in units of calcium carbonate (CaCO ₃ ) by a titration method. , TVA (Total Volatile Acid) is the conversion of volatile organic acid concentration into organic acid alkalinity, expressed in units of acetic acid (CH ₃ COOH) by distillation or other standard treatment, Exp is a coefficient to calculate total alkalinity as pH 4.0 When titrated until, only about 85% of the volatile organic acid concentration can be converted, that is, the coefficient to be used (that is, Exp ≒ 0.85), and ER is the coefficient when converting the acetic acid (CH ₃ COOH) concentration to an alkalinity unit. As an equivalent ratio (50/60) of calcium carbonate (CaCO ₃ ) and acetic acid (CH ₃ COOH), it is about 0.833.

일례로, 현재 유기성 폐기물의 에너지화를 위하여 운영되고 있는 기존의 혐기성 소화조에서의 순수 알칼리도를 조사해보면 탄산칼슘(CaCO₃)의 단위로 보통 10,000㎎/L 이상, 좀 더 상세하게는, 10,000~25,000㎎/L 이상을 상회한다. 이러한 순수 알칼리도가 의미하는 것은 소화조가 정상적으로 운영되고 있지 못하다는 것이다. 알칼리도가 특정 범위 이상으로 과다해지면 소화조 내에서 유기물이 축적되어 바이오 가스의 생산은 감소하기 때문이다. 소화조 내에서 미생물에 의해 유기물이 분해되어 바이오가스가 정상적으로 생성되는 조건은 순수 알칼리도의 측면에서 알칼리도가 5,000㎎/L 이하에서 유지되는 것이다. 순수 알칼리도가 5,000㎎/L을 상회하게 되면, 바이오가스의 생성은 점차 감소하는 추세를 보인다. 이러한 현상은 총질소(T-N, Total Nitrogen) 농도가 높은 유기성 폐기물을 혐기성 소화조에서 에너지화할 때 자주 일어난다.For example, the pure alkalinity in an existing anaerobic digester currently operating for energy conversion of organic wastes is usually in the unit of calcium carbonate (CaCO ₃ ), usually 10,000 mg / L or more, 10,000-25,000. It exceeds the mg / L or more. This pure alkalinity means that the digester is not operating normally. If the alkalinity exceeds a certain range, organic matter accumulates in the digester and biogas production is reduced. The conditions under which organic matters are decomposed by microorganisms in the digester to generate biogas normally are to maintain an alkalinity of 5,000 mg / L or less in terms of pure alkalinity. When the pure alkalinity exceeds 5,000 mg / L, the production of biogas tends to decrease gradually. This often occurs when organic wastes with high total nitrogen (TN) concentrations are energized in anaerobic digesters.

소화조 내의 순수 알칼리도가 높은 것은 통상 총고형물질 농도가 높은 데에 그 원인이 있다. 그것은 혐기성 미생물 즉 혐기성 소화 슬러지의 총고형물질 농도가 높을수록 그 상징액에서의 순수 알칼리도 농도는 증가하기 때문이다. 정상 운전시 소화조 내의 순수 알칼리도가 최적 조건을 벗어나게 되면 소화 효율은 점차 저하되고 따라서 바이오가스의 생산도 저하된다. 이와 같이, 알칼리도는 혐기성 소화조의 운전에 큰 영향을 미치므로 최적의 범위에서 유지되어야 한다.
The high pure alkalinity in the digester is usually due to the high total solid concentration. This is because the higher the concentration of total solids in anaerobic microorganisms, that is, anaerobic digested sludge, increases the pure alkalinity in the supernatant. In the normal operation, if the pure alkalinity in the digester is out of optimum conditions, the digestion efficiency gradually decreases and thus the production of biogas is also reduced. As such, alkalinity has a great effect on the operation of the anaerobic digester and should be maintained in an optimum range.

본 발명의 목적은 혐기성 소화조를 이용하여 유기성 폐기물을 에너지화함에 있어서 소화조의 정상 운전까지 예컨대 바이오가스의 생산량이 설계 에너지 생산량으로의 도달을 위하여 소정의 혐기성 미생물(소화슬러지)과 그 환경특성(상징액)이 최적의 활성 조건을 유지하도록 미생물을 식종하여 혐기성 소화조를 최적의 초기 운전 조건으로 제어할 수 있는 방법을 제공하는데에 있다.
An object of the present invention is to provide a predetermined anaerobic microorganism (digestion sludge) and its environmental characteristics (symbolizer) for the purpose of reaching the design energy yield, for example, until the normal operation of the digester in energizing organic waste using an anaerobic digester. The present invention provides a method for controlling anaerobic digester to optimal initial operating conditions by seeding microorganisms to maintain optimal active conditions.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 혐기성 소화조의 초기 운전 조건을 제어하는 방법은, 혐기성 미생물에 의한 유기성 폐기물의 에너지화를 위하여 혐기성 소화조에 미생물을 식종하여 초기 운전 조건을 제어하는 방법에 있어서, 혐기성 소화슬러지 또는 혐기성 미생물을 소화조에 주입하는 제1 단계; 소화조 내 슬러지 상징액의 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도를 검출하는 제2 단계; 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도를 기준 농도로 맞추기 위한 유기물 요구량을 산출하는 제3 단계; 및 유기물 요구량에 상응하는 소정량의 유기탄소원 또는 카본 소스를 소화조에 주입하는 제4 단계를 포함한다.In order to solve the above technical problem, the method for controlling the initial operating conditions of the anaerobic digestion tank according to an aspect of the present invention, to control the initial operating conditions by planting microorganisms in the anaerobic digestion tank for energyization of organic waste by anaerobic microorganisms A method, comprising: a first step of injecting anaerobic digested sludge or anaerobic microorganisms into a digester; Detecting a pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration of the sludge supernatant in the digestion tank; A third step of calculating an organic material requirement for matching the pure alkalinity and the NH ₄ ⁺ -N concentration to the reference concentration; And a fourth step of injecting a predetermined amount of the organic carbon source or carbon source corresponding to the organic substance requirement into the digester.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 혐기성 소화조의 초기 운전 조건을 제어하는 방법은, 혐기성 미생물에 의한 유기성 폐기물의 에너지화를 위하여 혐기성 소화조에 미생물 식종을 통하여 초기 운전 조건을 제어하는 방법으로서, 혐기성 소화슬러지를 소화조에 주입하는 제1 단계; 소화조 내 슬러지 상징액의 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도를 검출하는 제2 단계; NH₄ ⁺-N 농도가 기준 농도 범위에 존재하지 않으면, 혐기성 소화슬러지를 일정 시간 동안 침전시키고, 소화조 내 슬러지 상징액의 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도를 기준 농도로 맞추기 위한 슬러지 상징액 배제량을 산출하는 제3 단계; 슬러지 상징액 배제량에 대한 산출 결과에 따라 슬러지의 상징액의 적어도 일부를 NH₄ ⁺-N 농도가 검출되지 않는 방류수 또는 제2 단계에서 검출된 농도보다 낮은 NH₄ ⁺-N 농도를 갖는 방류수로 식종한 미생물의 상징액으로 대체하는 제4 단계; 및 제4 단계 후에 소화조 내의 슬러지의 상징액으로부터 검출된 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도가 기준 농도 범위 내에 존재하지 않으면, 제4 단계를 반복 수행하도록 결정하는 제5 단계를 포함한다.Method for controlling the initial operating conditions of the anaerobic digestion tank according to another aspect of the present invention, a method for controlling the initial operating conditions through the microbial planting in the anaerobic digester for the energyization of organic waste by anaerobic microorganisms, anaerobic digestion sludge Injecting the first into the digester; Detecting a pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration of the sludge supernatant in the digestion tank; If the NH ₄ ⁺ -N concentration does not exist in the standard concentration range, the anaerobic digested sludge is allowed to settle for a period of time, and the sludge supernatant is removed to adjust the pure alkalinity of the sludge supernatant in the digester and the NH ₄ ⁺ -N concentration to the reference concentration. Calculating a third step; According to the calculation result of the sludge supernatant exclusion amount, at least a part of the supernatant of the sludge was planted into the effluent without NH ₄ ⁺ -N concentration or the effluent with NH ₄ ⁺ -N concentration lower than the concentration detected in the second step. A fourth step of replacing the supernatant of the microorganism; And a fifth step of determining to repeat the fourth step if the pure alkalinity and the NH ₄ ⁺ -N concentration detected from the supernatant of the sludge in the digester are not within the reference concentration range after the fourth step.

바람직하게, 소화조 내에서 슬러지 상징액의 NH₄ ⁺-N 농도의 기준 농도는 100~350㎎/L이다.Preferably, the reference concentration of the NH ₄ ⁺ -N concentration of the sludge supernatant in the digester is 100-350 mg / L.

제1 단계는 총고형물질(TS, Total Solids) 1.5~2.5%의 혐기성 소화 슬러지를 소화조 용량에 맞게 주입하거나 총고형물질 4.0%의 혐기성 소화 슬러지를 소화조 용량 대비 50%로 주입하여 최종 TS 농도가 1.5~2.5%로 유지되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.The first step is to inject anaerobic digestion sludge 1.5 ~ 2.5% of total solids (TS) to the digester volume or inject 50% anaerobic digestion sludge of total solids 4.0% of digester volume. It may include the step of maintaining at 1.5 to 2.5%.

또한, 상기 방법은, (1) 혐기성 소화조에 미생물을 식종하여 초기 운전 조건을 정상운전시에도 그대로 유지하는 방법으로서, 혐기성 소화조로 유입되는 유기물 부하율을 0.5~2.0㎏ VS/㎥·day로 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method, (1) a method of maintaining the initial operating conditions intact even during normal operation by planting microorganisms in the anaerobic digester, maintaining the load ratio of organic matter flowing into the anaerobic digester to 0.5 ~ 2.0kg VS / ㎥ · day It may further include.

(2) 혐기성 소화조에 미생물을 식종하여 초기 운전 조건을 제어하는 방법은 혐기성 소화조 내로 유입되는 유기물이 유입되어 가수분해되는 과정에서 생성되는 NH₄ ⁺-N 농도(최대 85㎎/L)와 혐기성 소화조 내 미생물의 상징액에 존재하는 NH₄ ⁺-N 농도(100~350㎎/L)의 합을 500㎎/L 이하로 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.(2) Controlling the initial operating conditions by injecting microorganisms into the anaerobic digester controls the NH ₄ ⁺ -N concentration (up to 85 mg / L) and the anaerobic digester produced during the hydrolysis of organic matter introduced into the anaerobic digester. The method may further include maintaining the sum of the NH ₄ ⁺ -N concentration (100-350 mg / L) present in the supernatant of the microorganism within 500 mg / L or less.

(3) 또한, 혐기성 소화조에 미생물을 식종하여 초기 운전 조건을 제어하는 방법은 혐기성 소화조 내에 식종한 미생물의 상징액의 순수 알칼리도를 탄산칼슘의 단위로 나타낼 때 1,000~2,500㎎/L 범위로 유지하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
(3) In addition, the method of controlling the initial operating conditions by seeding the microorganisms in the anaerobic digestion tank is to maintain the pure alkalinity of the supernatant of the microorganisms planted in the anaerobic digester tank in the range of 1,000 to 2,500 mg / L It is preferable to further include.

본 발명에 의하면, 혐기성 소화조 내부의 총고형물질의 농도를 실질적으로 일정하게 유지하면서 혐기성 소화조 내부에서 고형 물질이 적절하게 혼합되는 조건하에서 미생물을 식종하여 초기운전 조건을 적절히 제어함으로써, 혐기성 소화조의 초기 운전 조건을 최적화할 수 있다. 따라서, 혐기성 소화조의 신속한 초기운전을 가능케 하며, 안정적이고 빠른 기동에 의해 바이오가스를 효율적으로 생산할 수 있게 된다.
According to the present invention, the initial operation of the anaerobic digester is controlled by appropriately controlling the initial operation conditions by planting microorganisms under the condition that the solid material is properly mixed in the anaerobic digester while maintaining a substantially constant concentration of the total solid in the anaerobic digester. Conditions can be optimized Therefore, it is possible to quickly start the anaerobic digester, and to be able to produce biogas efficiently by stable and fast start-up.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조에 미생물을 식종하여 초기 운전 조건을 제어하는 방법(이하, '혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법'이라 한다)을 채용할 수 있는 혐기성 소화 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 3은 도 2의 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법을 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법을 도식적으로 보여주는 도면들이다.
도 7은 도 2 또는 도 4의 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법의 적용예를 설명하기 위한 흐름도이다.1 is a anaerobic digestion apparatus that can employ a method for controlling the initial operating conditions by planting the microorganisms in the anaerobic digester according to an embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as 'method for controlling the initial operating conditions of the anaerobic digester') It is a schematic block diagram.
2 is a schematic flowchart of a method for controlling initial operating conditions of an anaerobic digester according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a method for controlling initial operating conditions of the anaerobic digester of FIG. 2.
4 is a schematic flowchart of a method for controlling initial operating conditions of an anaerobic digester according to another embodiment of the present invention.
5 and 6 are diagrams showing a method of controlling the initial operating conditions of the anaerobic digester of FIG.
7 is a flowchart illustrating an application example of a method for controlling initial operating conditions of the anaerobic digester of FIG. 2 or 4.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법을 채용할 수 있는 혐기성 소화 장치의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of an anaerobic digestion apparatus that can employ the method for controlling the initial operating conditions of the anaerobic digester according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 있어서, 소화조 내의 질소 농도는 두 가지 정도로 구분될 수 있는데, 미생물은 Org-N(유기성 질소) 농도 형태로, 상징액은 NH₄ ⁺-N 농도 형태로 검출되고, 이들의 합은 TKN(Total Kjeldahl Nitrogen) 농도이고, 혐기성 소화 공정에서는 T-N 농도로 표기하기도 한다. 여기서는 T-N 농도로 표현하기로 한다.In this embodiment, the nitrogen concentration in the digester can be divided into two levels, the microorganism is detected in the form of Org-N (organic nitrogen) concentration, the supernatant in the form of NH ₄ ⁺ -N concentration, the sum of these is TKN (Total Kjeldahl Nitrogen) concentration, also referred to as TN concentration in anaerobic digestion process. Here, it is expressed as TN concentration.

도 1에 나타낸 바와 같이, 혐기성 소화 장치(100)는 소화조(10) 내로 유입된 유기물질은 미생물에 의해 분해되는데, 슬러지(미생물)는 주로 (Org-N, 12), 소화조 내 슬러지 상징액(기준되는 농도의 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N, 14)에서 적정한 조건이 유지될 때 최적량의 메탄(CH₄)을 포함한 바이오가스를 생성한다. 혐기성 소화 장치(100)는 소위 혐기성 소화 슬러지로 불리는 미생물이 유기물과 완전히 혼합되는 조건을 형성하기 위하여 순환 펌프 또는 기타의 교반 장치를 구비할 수 있다. 여기에서, 순환 펌프 또는 교반 장치는 완전혼합 조건을 제어하기 위한 장치가 된다.As shown in Figure 1, the anaerobic digestion apparatus 100, the organic material introduced into the digester 10 is decomposed by microorganisms, sludge (microorganism) is mainly (Org-N, 12), the sludge supernatant in the digester (reference) Biogas containing the optimum amount of methane (CH ₄ ) is produced when the appropriate conditions are maintained at pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N, 14). The anaerobic digestion apparatus 100 may be equipped with a circulation pump or other stirring device to create a condition in which microorganisms called so-called anaerobic digestion sludge are completely mixed with organic matter. Here, the circulation pump or stirring device becomes a device for controlling the complete mixing condition.

소화조(10)는 중온(예컨대 35℃) 또는 고온의 고율 혐기성 소화 방식 등을 채택하여 운전될 수 있다. 가온(Heating)은 일정한 온도에서 유지될 수 있도록 자동 온도 조절 장치가 부착될 수 있다. 소화조(10) 내의 교반은 슬러지가 완전혼합될 수 있도록 모터에 의한 기계적 방법이 이용될 수 있다. 소화조(10)는 소정량(예컨대 1,000㎥, 3,000㎥, 5,000㎥ 이상 등등)의 실규모 용량으로 제작 또는 시공될 수 있고, 소정 용량의 바이오가스 저장조가 연결될 수 있다. 혐기성 미생물은 지자체 등에서 운영되는 하수처리장 혐기성 소화조에서 배출되는 혐기성 미생물을 채취하여 사용할 수 있다.The digester 10 may be operated by adopting a medium temperature (eg, 35 ° C.) or high temperature, high rate anaerobic digestion method. Heating may be attached to a thermostat to maintain a constant temperature. Stirring in the digester 10 may be a mechanical method by a motor so that the sludge can be mixed completely. The digester 10 may be manufactured or constructed in a real amount of a predetermined amount (for example, 1,000 m 3, 3,000 m 3, 5,000 m 3 or more), and a bio gas storage tank of a predetermined capacity may be connected. Anaerobic microorganisms can be used by collecting anaerobic microorganisms discharged from the anaerobic digester of a sewage treatment plant operated by a local government.

또한, 소화조(10)로는 완전혼합형 반응기(CSTR, Continuous Stirred Tank Reactor) 또는 순환식 관류형 반응기(Recycle type Plug Flow Reactor) 형태 등의 다양한 거의 모든 형태의 혐기기성 소화조가 이용될 수 있다.In addition, as the digester 10, various anaerobic digesters of various types, such as a continuous mixed tank reactor (CSTR) or a recycle type plug flow reactor, may be used.

이러한 혐기성 소화 장치(100)는 운전 시작 후 정상 운전 상태에 도달하기까지 즉 설계 에너지 생산량을 출력하기까지 소화조(10) 내부의 환경/분위기(최적운전 조건)가 적절히 제어되어야 한다. 특히, 초기 운전시 소화조(10) 내에 적절한 환경/분위기를 형성해 주지 못하면, 소화조(10) 내의 미생물은 유기물의 분해 능력이 저하되면서 알칼리도가 증가하고, pH 증가로 유리 암모니아의 농도가 증가하며, 그것에 의해 소화조 내의 암모니아 독성 유발과 함께 바이오가스 발생이 저하하여 소화조 운전 효율이 상당히 저하되거나, 운전 실패를 초래하게 된다. 이와 같이, 혐기성 소화 장치에 있어서 초기 운전시 소화조 내의 적절한 환경/분위기 조성 즉 초기 운전 조건은 매우 중요하다.The anaerobic fire extinguishing device 100 should be properly controlled in an environment / atmosphere (optimum operating condition) inside the digester 10 until the normal operation state is reached after the start of operation, that is, until the output of the designed energy output. In particular, if the proper environment / atmosphere is not formed in the digester 10 during the initial operation, the microorganisms in the digester 10 increase in alkalinity as the degradation ability of organic matter decreases, and the concentration of free ammonia increases with increasing pH. As a result, the generation of ammonia toxicity in the digester together with the generation of biogas is deteriorated, which leads to a significant decrease in the digester operation efficiency or an operation failure. As such, the proper environment / atmosphere composition in the digester during initial operation, i.e., the initial operating conditions, is very important for the anaerobic digester.

혐기성 소화 장치의 초기 운전시에 고려하여야 한 사항들을 간략히 나열하면 다음과 같다.A brief list of things to consider during the initial operation of the anaerobic digester is as follows:

혐기성 소화조 내에서 미생물의 환경 조건(예컨대 소화조에서 배출되는 소화된 물질의 특징)은 적정한 조건의 범위에서 유지되어야 한다. 그렇지 않으면, 특정한 무기물질이 소화조 내에서 미생물에 의한 에너지화를 방해하여 효율을 크게 떨어뜨릴 수 있다.The environmental conditions of the microorganisms in the anaerobic digester (such as the characteristics of the digested material released from the digester) should be maintained within a range of appropriate conditions. Otherwise, certain inorganic materials may interfere with the energyification by microorganisms in the digester, leading to a significant drop in efficiency.

예를 들면, 혐기성 조건하에서 고농도의 복합 유기물질은 그 부하율이 증가할수록 높은 알칼리도를 형성하게 된다. 이러한 알칼리도는 특정한 범위를 벗어났을 때 암모니아 독성 등을 발생시켜 미생물의 생장에 오히려 악영향을 주며, 그것에 의해 바이오가스의 생성을 저하시킨다. 이러한 현상은 특히 질소 농도가 높은 유기물질 예컨대 음식물 쓰레기, 음폐수, 가축분뇨, 하수슬러지 등의 에너지화에서 자주 나타난다.For example, under anaerobic conditions, a high concentration of complex organic material forms high alkalinity as its loading rate increases. Such alkalinity causes ammonia toxicity and the like when it is out of a certain range, which adversely affects the growth of microorganisms, thereby lowering the production of biogas. This phenomenon is particularly common in the energy generation of organic substances having high nitrogen concentration such as food waste, drinking water, livestock manure and sewage sludge.

이러한 유기물질의 에너지화에서 나타나는 문제점을 미연에 방지하기 위하여 본 실시예에서는 유기물 부하율을 기준으로 하여 소화조와 그 운전 조건을 설계하지 않고 질소 부하율을 기준으로 하여 그것들을 설계한 후 실시간으로 유기물 부하율이 적정한지, 그리고 유기물 부하율에서 생성되는 바이오가스, NH₄ ⁺-N 농도 및 순수 알칼리도 농도는 적정한지를 검출 및 제어하도록 한다. 이러한 제안에 의하면, 소화조의 미생물 환경 조건을 최적으로 유지하는 것이 가능하다. 또한, 유기물을 분해한 양의 일정한 비율만큼 NH₄ ⁺-N 농도의 질소가 미생물로 전환(증식)되는 것을 통해 원하는 바이오가스를 생산할 수 있다.In order to prevent the problems caused by the energyization of organic substances in the present embodiment, the organic material loading rate is designed in real time after designing them based on the nitrogen loading rate without designing the digester and its operating conditions based on the organic load rate. Determination and control of the titration and the biogas, NH ₄ ⁺ -N concentration and pure alkalinity concentration produced at organic loading rates are appropriate. According to this proposal, it is possible to optimally maintain the microbial environmental conditions of the digester. In addition, the desired biogas can be produced by converting (proliferating) nitrogen at a concentration of NH ₄ ⁺ -N to a microorganism by a predetermined ratio of the amount of decomposed organic matter.

이를 위해, 먼저 고려하여야 하는 것은 혐기성 소화조 내의 순수 알칼리도이다. 식종된 소화슬러지 상징액의 순수 알칼리도가 이미 높은 상태에서 유입되는 유기물 부하율이 증가되면 증가될수록 소화조 내의 순수 알칼리도는 더욱 높아지는데, 최적의 운전조건을 유지하기 위해서는 혐기성 소화조에 식종한 혐기성 미생물의 상징액에서 순수 알칼리도가 일정한 범위에서 유지되도록 하여야 한다. 이를 미리 제어해서 일정한 수준으로 유지하지 않으면, 예컨대 질소 농도가 높은 유기물을 과다한 부하로 소화조에 유입시키게 되면, 결국 소화조 내에서 과도한 알칼리도 생성을 유발하게 되고, 그것에 의해 미생물의 생장은 최적 조건을 벗어나면서 그 분해 능력을 저하시키게 된다. 이처럼, 과도한 알칼리도 생성에 의한 알칼리도 축적은 유기산의 축적을 의미하는 것으로 결국, 소화조 내에서 유기산의 축적으로 바이오가스의 생산은 감소하게 된다.For this purpose, the first consideration is the pure alkalinity in the anaerobic digester. The pure alkalinity in the digester increases as the organic loading rate of the planted digested sludge supernatant increases as the organic loading rate increases. The alkalinity should be maintained within a certain range. If this is not controlled in advance and maintained at a constant level, for example, when an organic substance having a high nitrogen concentration is introduced into the digester at an excessive load, it may cause excessive alkalinity production in the digester, whereby the growth of microorganisms may be out of optimum conditions. It will degrade the decomposition ability. As such, alkalinity accumulation due to excessive alkalinity generation means accumulation of organic acids, and as a result, biogas production is reduced due to the accumulation of organic acids in the digester.

좀더 구체적으로 설명하면, 혐기성 소화조 내의 순수 알칼리도는 탄산칼슘(CaC0₃) 농도를 기준으로 표시할 때 1,000~5,000㎎/L의 최적 알칼리도 범위를 유지해야 한다. 그리고, 혐기성 소화공정에서의 최적 pH는 약 6.8 이상, 약 7.5 이하의 범위를 유지해야 한다. 그 이유를 pH와 순수 알칼리도 측면에서 설명하면 아래와 같다.More specifically, the pure alkalinity in the anaerobic digester should maintain an optimal alkalinity range of 1,000 to 5,000 mg / L when expressed based on the calcium carbonate (CaC0 ₃ ) concentration. In addition, the optimum pH in the anaerobic digestion process should be maintained in the range of about 6.8 or more and about 7.5 or less. The reason for this is as follows in terms of pH and pure alkalinity.

음식물 쓰레기, 음폐수, 축산분뇨, 하수슬러지, 매립장 침출수 등을 포함한 유기 물질은 복합 유기물이라 하는데, 특히 음식물 쓰레기의 경우 pH가 약 4.0 정도임에도 불구하고 pH 조정을 하지 않아도 혐기성 소화 과정에서 buffer(HCO₃ ^-)를 형성하여 완충작용을 하기 때문에 유기물 부하의 변동이 생기더라도 안정적인 pH를 유지할 수 있게 된다.Organic matter, including food waste, drinking water, livestock manure, sewage sludge, landfill leachate, etc., is called a complex organic matter. Especially in the case of food waste, pH is about 4.0. _^3-forming) and is able to maintain a stable pH even if the load change of the organic material, because the animation buffer action.

이러한 유기 물질이 혐기성 소화조 내에서 최적의 순수 알칼리도 범위를 유지할 수 있도록 하여야 하는데, 순수알칼리도는 앞의 수학식 2로부터 산출될 수 있다.The organic material should be able to maintain the optimum pure alkalinity range in the anaerobic digester, pure alkalinity can be calculated from the above equation (2).

운전의 안전성은 아래의 수학식 3을 통해서 평가될 수 있다.The safety of operation can be evaluated through Equation 3 below.

위에서 언급한 바와 같이, 혐기성 소화 공정에서 복합 유기물질을 에너지화함에 있어서 소화조 내부에서의 미생물 환경 조건을 순수 알칼리도로 표현할 때 순수 알칼리도는 탄산칼슘의 단위로 약 1,000㎎/L 이상, 약 5,000㎎/L 이하에서 반드시 유지되어야 한다. 여기서, 순수 알칼리도 농도는 최적 조건에서 혐기성 미생물이 성장하고 증식하기 위한 물속에서의 환경 조건/분위기 즉 최적의 운전 조건을 의미하는 것이다. 이러한 순수 알칼리도 농도범위 분석을 통해 혐기성 소화조 운전의 안전성을 평가할 수 있다. 또한, 이러한 조건 하에서 미생물에 의해 유기물이 분해되는 조건은 유입된 유기물에 의해서 기인한 소화조 내의 상징액에서 유기물 농도 : N(NH₄ ⁺-N) : P(PO₃ ³ ^--P)의 비율을 의미 있는 것으로 가지게 된다.As mentioned above, the pure alkalinity is expressed in terms of pure alkalinity in terms of the amount of calcium carbonate in the unit of calcium carbonate, in terms of pure alkalinity in the digestion tank for the energization of complex organic substances in the anaerobic digestion process. It must be kept below L. Here, the pure alkalinity concentration means an environmental condition / atmosphere, that is, an optimum operating condition in water, for the growth and growth of anaerobic microorganisms under optimum conditions. The analysis of pure alkalinity concentration range can evaluate the safety of anaerobic digester operation. In addition, under these conditions, the conditions under which organic matters are decomposed by microorganisms mean the ratio of organic matter concentration: N (NH ₄ ⁺ -N): P (PO ₃ ³ ^-- P) in the supernatant in the digester caused by the introduced organic matter. You have what you have.

소화조 내에서 순수 알칼리도는 탄산칼슘 단위를 기준으로 약 1,000㎎/L 미만이면, 일시적인 과부하에서도 소화조는 완충 작용을 수행하지 못하므로 소화조 내의 pH(수소이온농도)가 저하될 수 있다. 따라서, 순수 알칼리도는 상기 범위 이상에서 유지될 때 운전 안정성이 확보될 수 있다.If the pure alkalinity in the digester is less than about 1,000 mg / L based on calcium carbonate units, the digester does not buffer even under temporary overload, and thus the pH (hydrogen ion concentration) in the digester may decrease. Therefore, operating stability can be ensured when the pure alkalinity is maintained in the above range.

추가로, 혐기성 소화조의 유출수의 유기산 농도가 아세트산 농도를 기준으로 약 50㎎/L 내지 약 300㎎/L 정도의 범위에 있을 때, 소화조는 가장 안정적으로 운전된다. 그리고, 안정된 운전을 위해서는 휘발성 유기산의 농도는 아세트산을 기준으로 약 500㎎/L를 초과하지 않는 것이 좋다. 유기산의 농도가 아세트산 형태로 환산하여 500㎎/L를 초과하면, 소화조 내의 유기산 농도의 축적이 시작하는데, 이때는 유기산 농도를 줄이기 위한 적절한 조치를 취해야 할 것이다.In addition, when the organic acid concentration of the effluent of the anaerobic digester is in the range of about 50 mg / L to about 300 mg / L based on the acetic acid concentration, the digester operates most stably. In addition, for stable operation, the concentration of volatile organic acids should not exceed about 500 mg / L based on acetic acid. When the concentration of organic acid exceeds 500 mg / L in acetic acid form, the accumulation of organic acid concentration in the digester begins, in which case appropriate measures should be taken to reduce the organic acid concentration.

그리고, 순수 알칼리도가 탄산칼슘 단위를 기준으로 약 5,000㎎/L를 초과하게 되면, 소화조 내의 pH도 점차 증가하게 된다. 예컨대, 혐기성 소화조 내의 pH는 8.0 이상 심지어는 9~10까지도 검출되기도 한다. 이로 인하여 유리 암모니아(Free Ammonia, NH₃)가 생성되는데, 이 유리 암모니아는 혐기성 소화조 내에서 농도 50㎎/L에서 독성을 유발하기 시작해서 100㎎/L에서 극심한 독성을 나타낸다. 이러한 현상은 소위 암모니아 독성이라고 불린다. 그렇게 되면, 암모니아의 독성으로 인해 소화조의 소화 효율은 현저히 저하되고, 결국 바이오가스의 생산은 감소되는 것이다.When the pure alkalinity exceeds about 5,000 mg / L based on the calcium carbonate unit, the pH in the digester gradually increases. For example, pH in anaerobic digesters can be detected above 8.0 or even 9-10. This results in the formation of free ammonia (NH ₃ ), which induces toxicity in anaerobic digesters at concentrations of 50 mg / L and severe toxicity at 100 mg / L. This phenomenon is called ammonia toxicity. If so, the digestion efficiency of the digester is significantly reduced due to the toxicity of ammonia, which in turn reduces the production of biogas.

한편, 혐기성 소화조 내에서 높은 NH₄ ⁺-N 농도로 인해 발생하는 독성을 제어하기 위해 소화조 내의 pH를 용이하게 조절할 수 있다면 공정상의 문제는 다소 줄일 수 있겠지만, 이는 실험실 조건에서만 제어가능한 것으로, 이를 실규모 현장에 적용하여 pH를 제어하는 것은 쉬운 일이 아니다. 특히, 그것은 순수 알칼리도가 높은 소화조 상징액의 특성상 pH를 조절할 경우 약품비가 많이 소요되므로 운전 비용의 상승으로 이어져 결국 공정의 경제성이 매우 취약해지는 문제를 야기하게 된다.On the other hand, if the pH in the digester can be easily adjusted to control the toxicity caused by the high NH ₄ ⁺ -N concentration in the anaerobic digester, process problems can be somewhat reduced, but this is only controllable in laboratory conditions. It is not easy to control the pH by applying it to scale sites. In particular, since it takes a lot of chemical costs when the pH is adjusted due to the nature of the digester supernatant with a high alkalinity, it leads to an increase in operating costs, resulting in a problem that the economic efficiency of the process is very weak.

예컨대, 유기물 부하율이 최대 2.0㎏ VS/㎥·day를 초과하는 조건하에서는 5,000㎎/L를 초과하는 순수 알칼리도가 형성될 수 있다. 즉, 기존 공법의 경우, 4.0~6.5㎏ VS/㎥·day 범위의 유기물 부하를 적용하고 있는데, 이러한 조건하에서는 순수 알칼리도가 10,000~25,000㎎/L 정도로 높게 형성될 수 있다. 이는 곧 pH의 증가로 이어지며, 유리 암모니아의 형성에 의한 독성을 유발하게 된다.For example, pure alkalinity in excess of 5,000 mg / L may be formed under conditions in which the organic loading rate exceeds 2.0 kg VS / m 3 · day. That is, in the case of the existing method, the organic load is applied in the range of 4.0 ~ 6.5kg VS / ㎥ · day, under these conditions, the pure alkalinity can be formed as high as 10,000 ~ 25,000mg / L. This soon leads to an increase in pH and causes toxicity by the formation of free ammonia.

질소 농도가 높은 유기성 폐기물의 혐기성 소화는 암모니아 독성에 매우 취약하다. 이러한 이유로 순수 알칼리도가 높은 소화조에서 발생한 유리 암모니아의 독성을 감소시키기 위하여 인위적으로 pH를 조절한다면 공정의 경제성 측면에서는 매우 비효율적인 시스템으로 전락해버리고 말 것이다.Anaerobic digestion of organic wastes with high nitrogen concentrations is very susceptible to ammonia toxicity. For this reason, artificially adjusting the pH to reduce the toxicity of free ammonia from a high alkalinity digester would be a very inefficient system in terms of process economics.

전술한 바와 같이, 암모니아에 의한 영향은 총질소(T-N, Total Nitrogen) 농도가 높은 음식물 쓰레기, 음폐수, 축산 분뇨, 하수 슬러지, 매립지 침출수 등과 같은 고농도 복합 유기물의 혐기성 소화공정에서 주로 나타난다. 하지만, 이러한 현상은 고농도 복합 유기물의 혐기성 소화 공정에 있어서 pH 7.5, 알칼리도 5,000㎎/L as CaC0₃ 이하, 소화조에서 배출되는 NH₄ ⁺-N 농도 약 400㎎/L 이하, 그리고 적절한 유기물질 부하율의 조건들이 유지된다면 안정된 혐기성 소화조의 운영이 기본적으로 가능하다.As described above, the effect of ammonia is mainly shown in the anaerobic digestion process of high concentration complex organic matter such as food waste having high concentration of total nitrogen (TN), drinking water, livestock manure, sewage sludge, landfill leachate, and the like. However, this phenomenon is due to the anaerobic digestion of high concentration organic compounds with pH 7.5, alkalinity of 5,000 mg / L as CaC0 ₃ or less, NH ₄ ⁺ -N concentration of about 400 mg / L or less, and the appropriate organic loading rate. If conditions are maintained, it is basically possible to operate a stable anaerobic digester.

전술한 조건에도 불구하고, pH 또는 순수 알칼리도에 의한 운전 방법에는 여전히 주목해야 할 점이 있다.Despite the conditions mentioned above, there is still a point to note in the operating method by pH or pure alkalinity.

아래의 표 1은 혐기성 소화조에 식종하는 혐기성 미생물(소화슬러지)의 각종 성분과 특성에 대한 적정한 농도 범위를 나타낸다.Table 1 below shows the appropriate concentration ranges for various components and properties of anaerobic microorganisms (digested sludge) that are planted in anaerobic digesters.

표 1에 나타낸 바와 같이, 음식물쓰레기, 음폐수, 가축분뇨, 하수슬러지 등의 복합 유기물 형태의 유기성 폐기물에 존재하는 총질소(T-N) 농도는 이들이 소화조로 유입된 후에는 미생물에 의한 가수분해 과정에서 거의 NH₄ ⁺-N 농도로 전환된다.As shown in Table 1, the total nitrogen (TN) concentrations in organic wastes in the form of complex organic matter such as food waste, drinking water, livestock manure, and sewage sludge are measured in the course of hydrolysis by microorganisms after they enter the digester. Almost converted to NH ₄ ⁺ -N concentration.

예를 들면, 음식물쓰레기나 음폐수의 경우 복합 유기물로서 대개 음식물에 함유되어 있는 질소(T-N)가 혐기성 소화조에 유입되면, 유입된 양에 존재하는 총질소(T-N)는 가수분해 단계에서 모두 NH₄ ⁺-N으로 전환되는 것을 의미한다. 이때 소화조 내의 pH와 온도가 증가할수록 NH₄ ⁺-N은 암모니아(NH₃)로 전환되는 양이 많아진다. 일례로, 중온 소화시 pH 7.5에서 암모니아 농도는 136㎎/L까지 증가하고, pH 8.0에서 암모니아 농도는 396㎎/L까지 증가한다. 암모니아 농도가 396㎎/L라는 것은 (앞에서 언급, 100㎎/L에서 극심한 독성유발) 소화조에서 극심한 독성이 발생하는 조건보다 약 400% 더 심한 독성이 발생하는 것을 의미한다. 다시 말해서, 그것은 혐기성 소화조에서 바이오가스의 정상적인 생산은 기대할 수 없는 것을 의미한다.For example, in the case of food waste or drinking waste water, when nitrogen (TN), which is usually contained in foods, enters an anaerobic digester, total nitrogen (TN) in the introduced amount is all NH ₄ in the hydrolysis stage. ⁺ Means -N. At this time, as the pH and temperature in the digester increases, the amount of NH ₄ ⁺ -N is converted to ammonia (NH ₃ ) increases. In one example, at moderate temperature digestion, the ammonia concentration increases to 136 mg / L at pH 7.5 and the ammonia concentration increases to 396 mg / L at pH 8.0. An ammonia concentration of 396 mg / L (referred to above, extreme toxicity at 100 mg / L) means that the digestion tank is about 400% more toxic than the severe toxicity condition. In other words, it means that normal production of biogas in anaerobic digesters cannot be expected.

다음으로 고려해야 할 조건으로는 혐기성 미생물의 TS 농도 또는 VS 농도이다. 혐기성 소화조 내에 식종한 슬러지 즉, 혐기성 미생물의 농도가 높다고 해서 단순히 유기물 분해 효율이 높아지지는 않는다. 즉, 최적의 미생물 환경 조건에서 혐기성 소화조의 최대 효율을 얻어내기 위하여 미생물의 지표가 되는 TS 농도 또는 미생물 농도만을 높게 하여 소화조에 투입한다고 최적의 효과를 낼 수는 없다. 그 이유는, 이미 순수 알칼리도 농도가 높은 상태의 미생물은 유기물의 부하를 조금만 높여도 최적운전 범위를 초과해버릴 가능성이 있기 때문에 식종되는 미생물(소화슬러지)은 이를 소화조의 설계 및 운전에 적절히 고려해야 한다.The next condition to consider is the TS concentration or VS concentration of the anaerobic microorganisms. The sludge planted in the anaerobic digester, ie, the high concentration of anaerobic microorganisms, does not increase the efficiency of organic decomposition. That is, in order to obtain the maximum efficiency of the anaerobic digester under the optimum microbial environmental conditions, it is not possible to achieve the optimal effect by increasing only the TS concentration or the microbial concentration which is an indicator of the microorganism. The reason for this is that microorganisms with a high level of pure alkalinity may exceed the optimum operating range even with a slight increase in organic load, so that the planted microorganisms (digested sludge) should be properly considered in the design and operation of the digester. .

보통 식종 슬러지(미생물)로 사용하고자 하는 하수처리장의 혐기성 소화조의 미생물(소화슬러지)은 TS 약 2%를 기준으로 할 때 탄산칼슘 농도 기준으로 약 2,000㎎/L 또는 그 이상의 순수 알칼리도 농도를 이미 보유하고 있기 때문에 TS 약 4%를 기준으로 미생물을 소화조 내로 식종한다면 소화조 내의 순수 알칼리도가 적정범위 이상으로 과도하게 높아져 유기물 유입으로 형성된 알칼리도가 더 높아지게 되면 오히려 소화 효율을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.Microorganisms (digestion sludge) in anaerobic digestion tanks in sewage treatment plants, which are usually intended to be used as planting sludges (microorganisms), already have a pure alkalinity concentration of about 2,000 mg / L or more based on calcium carbonate concentration based on TS of about 2%. This is because if the microorganisms are planted in the digester based on about 4% of TS, the pure alkalinity in the digester is excessively higher than an appropriate range, and when the alkalinity formed by the inflow of organic material becomes higher, the digestion efficiency may be lowered.

이와 같이, 복합 유기물의 에너지화를 위해 소화조 내의 순수 알칼리도가 탄산칼슘 단위를 기준으로 약 1,000 내지 5,000㎎/L 범위에서 유지되어야 최적 운전에 기여할 수 있는데, 미생물을 식종한 후 소화조 내의 순수 알칼리도가 약 2,000㎎/L이면, 최대 3,000㎎/L 이하의 순수 알칼리도를 생성하는 유기물 부하만을 적용해야 혐기성 소화조의 효율을 최적화시킬 수 있다. 이러한 조건하에서 혐기성 소화조를 가동하게 되면, 유기물이 분해되면서 미생물의 증식에 적정한 NH₄ ⁺-N 농도가 유지되게 되고, 그것에 의해 그것들 대부분이 유기성 질소(Org-N)로 전환되어 안정화되며, 이러한 안정 조건하에서 혐기성 소화조는 바이오가스를 정상적으로 생성할 수 있게 된다.As such, the pure alkalinity in the digestion tank must be maintained in the range of about 1,000 to 5,000 mg / L based on the calcium carbonate unit for the energy of the complex organic material, thereby contributing to the optimal operation. At 2,000 mg / L, only organic loads that produce up to 3,000 mg / L of pure alkalinity should be applied to optimize the efficiency of the anaerobic digester. When the anaerobic digester is operated under these conditions, organic matter is decomposed to maintain the NH ₄ ⁺ -N concentration suitable for the growth of microorganisms, whereby most of them are converted to organic nitrogen (Org-N) and stabilized. Under conditions, anaerobic digesters are able to produce biogas normally.

전술한 조건하에서, 혐기성 미생물이 약 4% 정도의 TS 농도를 가지는 것만으로는 실제로 혐기성 소화조는 적정한 운전이 어려운 상황에 처할 수 있다. 특히, 초기 미생물 식종 후 혐기성 소화조의 적정 운전에 어려움이 예상되는데, 그것은 TS 농도가 높아질수록 총알칼리도 즉 순수 알칼리도 농도와 유기산 알칼리도 농도의 합과 NH₄ ⁺-N 농도는 더 높아지기 때문이며, 좀더 구체적으로는, 최적 운전에 요구되는 질소 농도는 적은 양의 유기물 유입에 의해서도 적정 범위를 벗어날 수 있기 때문이다.Under the above-described conditions, only anaerobic microorganisms having a TS concentration of about 4% may actually put the anaerobic digester in a situation where proper operation is difficult. In particular, difficulty in proper operation of anaerobic digesters after initial planting of microorganisms is expected because, as the TS concentration increases, the total alkalinity, that is, the sum of the pure alkalinity concentration and the organic acid alkalinity concentration, and the NH ₄ ⁺ -N concentration increase. This is because the nitrogen concentration required for optimum operation can be out of the proper range even by the inflow of a small amount of organic matter.

전술한 문제는 식종하고자 하는 미생물의 TS 농도 또는 VS 농도도 적정 범위 내에서 형성되어야 한다는 것을 암시하며, 그것은 혐기성 소화조 내의 순수 알칼리도 농도는 적정 범위 내에서 유지되어야 초기 운전이 원활하게 이루어질 수 있음을 나타낸다. 다시 말해서, 식종 미생물의 TS 또는 VS 농도가 특정 농도 이상으로 높아진다면, 상징액에서의 유기물 농도 예컨대 총알칼리도 및 NH₄ ⁺-N 농도가 높아지는 것을 의미하며, 이는 곧 정상적인 유기물 부하를 적용하는 것이 어렵고 유기물 부하의 공급량을 낮추어야만 해결할 수 있다.The above problem suggests that the TS concentration or VS concentration of the microorganism to be planted should also be formed within an appropriate range, indicating that the pure alkalinity concentration in the anaerobic digestion tank must be maintained within an appropriate range so that initial operation can be smoothly performed. . In other words, if the TS or VS concentration of the planting microorganism is raised above a certain concentration, it means that the organic concentration such as total alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration in the supernatant is increased, which is difficult to apply normal organic load and organic matter. This can be solved only by lowering the load supply.

전술한 이유로, 혐기성 소화조에 식종하는 미생물의 상징액으로부터 순수 알칼리도는 적정한 수준으로 유지되어야 하는데, 그 수준은 표 1에 나타낸 바와 같이, 약 1,400 내지 약 2,450㎎/L의 범위를 고려할 때, 약 1,000 내지 약 2,500㎎/L 정도의 범위 즉, 식종 미생물의 초기 조건인 순수 알칼리도 농도는 비교적 낮을수록 바람직하다고 할 수 있다.For the reasons mentioned above, the pure alkalinity from the supernatant of the microorganisms planted in the anaerobic digester should be maintained at an appropriate level, which is in the range of about 1,000 to about 2,450 mg / L, as shown in Table 1. In the range of about 2,500 mg / L, that is, the initial alkalinity concentration, which is the initial condition of the planting microorganism, is relatively low.

전술한 바와 같이, 소화조로의 단위 소정량의 유기물 유입으로부터 산출되는 바이오가스를 온전히 생산하기 위해서는 생물학적으로 최적의 환경이 조성되어야 하지만, 미생물에 독성을 유발하는 환경이 조성되어 있는 소화조에서는 최적 운전을 수행하기 어렵다. 특히, 유기물에 포함된 총질소(T-N) 농도가 과다하게 포함되어 있는 조건하에서 미생물의 활성도에 영향을 주는 설계 용량이 과소평가되어 설계된다면 즉, 적정치 보다 용량이 작아진다면 소화조 내의 미생물에 독성을 유발하는 환경이 쉽게 조성될 수 있는 것이다.As described above, in order to fully produce biogas generated from the unit inflow of a predetermined amount of organic matter into the digester, a biologically optimal environment should be created. However, in a digester that has an environment causing toxicity to microorganisms, an optimal operation is performed. Difficult to perform In particular, if the designed dose that affects the activity of the microorganism is underestimated under the condition that the total nitrogen (TN) concentration contained in the organic substance is excessively evaluated, that is, if the capacity is smaller than the optimum value, the microorganism in the digester is toxic. The causing environment can be easily created.

소화조 내로 유입되는 유기물이 가수분해되어 생성되는 NH₄ ⁺-N 농도(10~85㎎/L)와 소화조 내 미생물의 상징액에 존재하는 NH₄ ⁺-N 농도(100~350㎎/L)의 합이 435㎎/L(최대 NH₄ ⁺-N 농도 ≤ 500㎎/L)로 독성 문제는 자연히 없어지게 된다. 이러한 측면에서 소화조 내에서 미생물의 상징액에 존재하는 NH₄ ⁺-N 양(농도)에 유기물로부터 기인하여 소화조로 유입된 질소의 양(농도)의 합에 매우 주의를 기울여야 한다. 따라서, 본 실시예에서는, 소화조 내 상징액에서의 질소 부하(농도)와 유기물로부터 기인한 질소 부하(농도)를 적절하게 유지하고, 그에 의하여 소화조 내에서 적절한 순수 알칼리도가 형성되도록 함으로써 소화조의 안전성과 최적의 바이오가스 생산에 기여한다.The sum of the NH ₄ ⁺ -N concentration (10 ~ 85㎎ / L) and NH ₄ ⁺ -N concentration (100 ~ 350㎎ / L) present in the supernatant of the microbial digestion of organic matter introduced into the digester is generated hydrolyses The 435 mg / L (maximum NH ₄ ⁺ -N concentration ≤ 500 mg / L) naturally eliminates the toxicity problem. In this respect, great attention should be paid to the sum of the amount of NH ₄ ⁺ -N (concentration) present in the supernatant of the microorganism in the digester, the amount of nitrogen (concentration) introduced into the digester due to organic matter. Therefore, in this embodiment, the nitrogen load (concentration) in the supernatant in the digester and the nitrogen load (concentration) resulting from organic matter are properly maintained, whereby the appropriate pure alkalinity is formed in the digester, thereby ensuring the safety and optimum of the digester. Contribute to biogas production.

본 실시예에서 제시하는 조건에 따르면, 적절한 질소 부하율이 적용된 소화조 내 상징액에서의 NH₄ ⁺-N 농도는 약 500㎎/L 이하에서 유지되며, 그것은 소화조에 유입된 유기물에 기인한 NH₄ ⁺-N 농도가 약 10~65㎎/L, 최대 약 85㎎/L 정도 되도록 소화조 용량을 설계하는 것을 의미한다.According to the conditions presented in this example, the NH ₄ ⁺ -N concentration in the supernatant in the digester to which the proper nitrogen loading rate was applied is maintained at about 500 mg / L or less, which is due to the NH ₄ ⁺ -due to the organic matter introduced into the digester. This means that the digester capacity is designed so that the N concentration is about 10-65 mg / L, and about 85 mg / L at maximum.

더욱이, 유입 유기물의 부하변동이 발생하더라도 소화조 내로 유입되는 질소부하는 일정해야 하는데 혐기성 소화조 운전의 안전성을 감안해서 유기물 유입에 의해 유입초기 산출되는 소화조 내 상징액에서의 NH₄ ⁺-N 농도는 약 400~410㎎/L의 조건이 유지되도록 하는 것이 더욱 바람직하며, 그것은 복합 유기물이 에너지화되고 질소가 NH₄ ⁺-N에서 Org-N으로 안정화(발효기간)를 통해서 소화조 상징액의 NH₄ ⁺-N 농도가 약 300~350㎎/L 정도로 유지될 수 있음을 의미한다. 그것은 즉, 상징액에서의 NH₄ ⁺-N 농도가 약 410㎎/L로 유지된다는 의미는 약 500㎎/L의 NH₄ ⁺-N 농도 기준으로 약 20~25% 정도의 유입 질소 부하 변동에 대처할 수 있는 능력을 보유하게 되는 것을 의미한다. 본 실시예에 의하면, 소화조의 안정성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
Moreover, even if the load variation of the influent organic matter occurs, the nitrogen load flowing into the digester should be constant.In consideration of the safety of anaerobic digester operation, the concentration of NH ₄ ⁺ -N in the supernatant in the digester initially calculated by the inflow of organic matter is about 400. It is more preferable that the condition of 410 mg / L is maintained, which means that the complex organics are energized and nitrogen stabilizes from NH ₄ ⁺ -N to Org-N (fermentation period) NH ₄ ⁺ -N of the digester supernatant. It means that the concentration can be maintained at about 300 ~ 350mg / L. This means that the concentration of NH ₄ ⁺ -N in the supernatant is maintained at about 410 mg / L, which can cope with fluctuations in incoming nitrogen load of about 20-25% based on the concentration of NH ₄ ⁺ -N of about 500 mg / L. It means having the ability to do so. According to this embodiment, the stability and reliability of the digester can be greatly improved.

전술한 본 실시예의 조건을 달성하기 위한 구체적인 예를 설명하면 다음과 같다.A specific example for achieving the conditions of the present embodiment described above is as follows.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법에 대한 개략적인 흐름도이다. 도 3은 도 2의 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법을 도식적으로 보여주는 도면이다.2 is a schematic flowchart of a method for controlling initial operating conditions of an anaerobic digester according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a method for controlling initial operating conditions of the anaerobic digester of FIG. 2.

도 2 및 도 3을 참조하면, 우선 혐기성 소화 슬러지(20)를 소화조(10)에 주입한다(S200). 여기에서, TS 약 1.5~2.5%의 혐기성 소화 슬러지가 소화조 용량에 맞도록 주입될 수 있다.2 and 3, first, the anaerobic digestion sludge 20 is injected into the digester 10 (S200). Here, anaerobic digested sludge of about 1.5-2.5% TS may be injected to suit the digester capacity.

다음으로, 소화조 내의 상징액의 NH₄ ⁺-N 농도를 검출한다(S210). 본 단계에서는, 소화조 내에서 혐기성 소화 슬러지가 완전히 혼합되는 조건하에서 바이오가스의 생산성을 향상시키기 위하여 슬러지 상징액의 NH₄ ⁺-N 농도가 대략 100~350㎎/L의 범위에서 검출되도록 하여야 한다. 즉, 유기물 유입시 소화조의 최적 운전을 위하여 NH₄ ⁺-N 농도가 최대 500㎎/L 이하에서 유지되어야 하며, 유기물 유입에 의해 소화조 내 상징액에서의 예상 NH₄ ⁺-N 농도가 최대 80~90㎎/L 예컨대 약 85㎎/L 정도 증가하는 것을 고려한다.Next, the NH ₄ ⁺ -N concentration of the supernatant in the digester is detected (S210). In this step, the NH ₄ ⁺ -N concentration of the sludge supernatant should be detected in the range of approximately 100-350 mg / L to improve the productivity of the biogas under the condition that anaerobic digested sludge is completely mixed in the digester. In other words, the NH ₄ ⁺ -N concentration should be maintained at a maximum of 500 mg / L or less for the optimal operation of the digester when the organic matter is inflowed, and the expected NH ₄ ⁺ -N concentration in the supernatant in the digester is 80 ~ 90. Consider increasing the mg / L such as about 85 mg / L.

예를 들면, 소화조 내에서 식종 미생물의 상징액의 NH₄ ⁺-N 농도100~350㎎/L가 유기물 유입으로 소화조 내에서 NH₄ ⁺-N 농도가 최대 약 85㎎/L 정도 더해지면, 소화조 내의 NH₄ ⁺-N 농도는 약 435㎎/L까지 높아질 수 있다. 따라서, 유기물의 유입시 높아지는 NH₄ ⁺-N 농도를 고려하여 소화조 내의 상징액에서의 NH₄ ⁺-N 농도를 일정 범위 이하로 유지하고, 이때의 순수 알칼리도 농도는 5,000㎎/L를 넘지 않도록 해야 한다.For example, haejimyeon the NH ₄ ⁺ -N concentration 100 ~ 350㎎ / L of the supernatant of the microorganism sikjong NH ₄ ⁺ -N concentration is more up to about 85㎎ / L in the organic digester inlet in the digester, the digester in the The NH ₄ ⁺ -N concentration can be elevated to about 435 mg / L. Therefore, in consideration of the NH ₄ ⁺ -N concentration increased upon introduction of organic matter maintain the NH ₄ ⁺ -N concentration in the supernatant liquid in the digester by more than a predetermined range, at which time the concentration of the pure water alkalinity should not exceed 5,000㎎ / L .

다음으로, NH₄ ⁺-N 농도를 기준 농도로 맞추기 위한 유기물 요구량을 산출한다(S220). 본 단계는 NH₄ ⁺-N 농도를 안정화시키고자 하는 농도에 대한 유기물 양 예컨대 유기탄소원의 양을 산출하기 위한 것이다.Next, the organic material demand for adjusting the NH ₄ ⁺ -N concentration to the reference concentration is calculated (S220). This step is to calculate the amount of organic matter such as the amount of organic carbon source for the concentration to stabilize the NH ₄ ⁺ -N concentration.

참고로, 혐기성 소화조 내에 초기 미생물을 식종(Seeding)하는 경우, TS 약 2%를 기준으로 하더라도 소화조 내 상징액에서의 NH₄ ⁺-N 농도는 약 100~350㎎/L의 범위를 벗어나게 될 수도 있다. 따라서, 본 단계(S220)에서는, 소화조의 초기 운전 기간 동안 NH₄ ⁺-N 농도를 기준 농도로 맞추어 유지하기 위하여, 소화조 내에 TS 약 1.5~2.5%의 혐기성 소화 슬러지를 주입한 후에 소화조 내 상징액에서의 NH₄ ⁺-N 농도를 100~350㎎/L 범위 내로 맞추기 위한 유기물 비율 또는 요구량(예컨대, 유기탄소원 주입량)을 산출한다.For reference, when seeding initial microorganisms in an anaerobic digester, even if the TS is about 2%, the concentration of NH ₄ ⁺ -N in the supernatant in the digester may be outside the range of about 100-350 mg / L. . Therefore, in this step (S220), in order to maintain the NH ₄ ⁺ -N concentration to the reference concentration during the initial operation of the digester, after the injection of anaerobic digestion sludge of TS about 1.5 to 2.5% in the supernatant in the digester The organic matter ratio or required amount (for example, an organic carbon source injection amount) for setting the NH ₄ ⁺ -N concentration in the range of 100 to 350 mg / L is calculated.

다음으로, 도 3에 도시한 바와 같이, NH₄ ⁺-N 농도를 안정화시키기 위해 해당 유기물 양에 상응하는 포도당(C6H12O6), 또는 알콜류 등을 유기탄소원(Carbon Source)으로 소화조(10) 내에 주입/보충한다(S230).Next, as shown in Figure 3, in order to stabilize the NH ₄ ⁺ -N concentration, glucose (C6H12O6), or alcohols corresponding to the amount of the organic matter is injected into the digester (10) to the carbon source (Carbon Source) / Replenish (S230).

다음으로, 발효시간 경과 후 NH₄ ⁺-N 농도가 기준 농도 범위에 있는가를 판단한다(S240).Next, it is determined whether the NH ₄ ⁺ -N concentration is in the standard concentration range after the fermentation time passes (S240).

상기 단계(S240)의 판단 결과, NH₄ ⁺-N 농도가 기준 농도 범위에 있지 않으면, 추가 발효시간이 지난 후 NH₄ ⁺-N 농도가 기준 농도 범위에 있는지를 판단한다(S250). 그리고, NH₄ ⁺-N 농도가 기준 농도 범위에 있으면, 본 실시예의 초기 운전 조건 제어 과정을 종료한다.It is determined whether the determination result of the step (S240), if the NH ₄ ⁺ -N concentration not in the reference concentration range, additional fermentation time has elapsed after the NH ₄ ⁺ -N concentration is based on the concentration range (S250). If the NH ₄ ⁺ -N concentration is within the reference concentration range, the initial operating condition control process of the present embodiment is terminated.

전술한 과정을 통하여 소화조 내에 식종한 혐기성 소화슬러지(미생물) 상징액에서의 NH₄ ⁺-N 농도를 최적의 운전범위에서 유지할 수 있다. 본 실시예에서, TS 농도는 약 1.5~2.5%를 유지하는 것이 바람직하다. 여기에서, 소화조 내의 온도는 혐기성 미생물의 생장에 적정하도록 유지되어야 한다.Through the above-described process, it is possible to maintain the NH ₄ ⁺ -N concentration in the anaerobic digested sludge supernatant planted in the digester in the optimal operating range. In this embodiment, the TS concentration is preferably maintained at about 1.5 to 2.5%. Here, the temperature in the digester should be maintained to be suitable for the growth of anaerobic microorganisms.

본 실시예에 의하면, 혐기성 소화조 내의 상징액(Supernatant)에 대한 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도가 적정 범위로 유지되도록 혐기성 소화 슬러지를 소화조에 식종한 후 NH₄ ⁺-N 농도에 따라 유기탄소원을 주입하고 적정한 발효시간이 경과하도록 함으로써, 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도를 제어할 수 있게 된다. 이러한 제어에 의해 적정한 순수 알칼리도 농도 범위에서 미생물은 소화조 내에서 유기물을 에너지화시키고 질소를 Org-N의 형태로 안정화시키게 된다. 그리고, 목표로 설정된 양의 바이오가스를 효율적으로 생산하게 된다.
According to this embodiment, the anaerobic digestion sludge is planted in the digester so that the pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration for the supernatant in the anaerobic digester are maintained in an appropriate range, and then the organic carbon source is prepared according to the NH ₄ ⁺ -N concentration. By injecting and allowing an appropriate fermentation time to elapse, it is possible to control pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration. By this control, microorganisms in the proper pure alkalinity concentration range energize organic matter in the digester and stabilize nitrogen in the form of Org-N. In addition, it is possible to efficiently produce a target amount of biogas.

도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법에 대한 개략적인 흐름도이다. 도 5 및 도 6은 도 4의 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법을 도식적으로 보여주는 도면들이다.4 is a schematic flowchart of a method for controlling initial operating conditions of an anaerobic digester according to another embodiment of the present invention. 5 and 6 are diagrams showing a method of controlling the initial operating conditions of the anaerobic digester of FIG.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 우선 혐기성 소화 슬러지(20)를 소화조(10)에 주입한다(S300). 여기에서, TS 약 1.5~2.5%의 혐기성 소화 슬러지가 소화조 용량에 맞도록 주입될 수 있다. 또 다른 측면에서, TS 약 4.0%의 혐기성 소화 슬러지가 소화조 용량 대비 50% 정도로 주입될 수 있다.4 to 6, first, the anaerobic digestion sludge 20 is injected into the digester 10 (S300). Here, anaerobic digested sludge of about 1.5-2.5% TS may be injected to suit the digester capacity. In another aspect, anaerobic digested sludge of about 4.0% TS may be injected at about 50% of the digester volume.

TS 약 4.0%의 혐기성 소화 슬러지를 이용하는 경우는 우선 소화조 내에 혐기성 미생물을 소화조 용량의 약 50%로 채운 후, 상징액의 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도를 요구되는 농도로 제어하기 위하여 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도가 아주 낮은 하수처리장의 방류수 등으로 소화조 용량의 나머지 50%를 채우도록 수행될 수 있다.In case of using anaerobic digestion sludge of about 4.0% of TS, first fill anaerobic microorganisms in the digester with about 50% of digester capacity, and then control pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration of supernatant to the required concentration. This can be done to fill the remaining 50% of the digester's capacity with effluent from sewage treatment plants with very low NH ₄ ⁺ -N concentrations.

다음으로, 소화조 내의 상징액의 NH₄ ⁺-N 농도를 검출한다(S310). 여기에서, 상징액은 소화슬러지를 원심분리하여 얻을 수 있다.Next, the NH ₄ ⁺ -N concentration of the supernatant in the digester is detected (S310). Here, the supernatant can be obtained by centrifuging digested sludge.

본 단계(S310)에서, 소화조 전체 내에서 총질소 농도(T-N)는 Org-N 농도와 NH₄ ⁺-N 농도의 합으로 산출할 수 있는데, 그 경우, 미생물은 주로 Org-N 형태로, 상징액에서는 주로 NH₄ ⁺-N 형태로 대부분 검출될 수 있다. 실제로, 적정하게 운전되는 소화조 내의 슬러지를 원심분리하여 분석한 상징액의 총질소 농도는 NH₄ ⁺-N 농도와 유사하거나, 약간 높은 정도이다.In this step (S310), the total nitrogen concentration (TN) in the entire digester can be calculated as the sum of the Org-N concentration and NH ₄ ⁺ -N concentration, in which case, the microorganism is mainly in the form of Org-N, supernatant In most cases it can be detected mainly in the form of NH ₄ ⁺ -N. In fact, the total nitrogen concentration of the supernatant analyzed by centrifugation of the sludge in the digester properly operated is similar to or slightly higher than the NH ₄ ⁺ -N concentration.

다음으로, 소화조 내 상징액에서의 NH₄ ⁺-N 농도가 기준 농도 범위에 있는가를 판단한다(S320).Next, it is determined whether the NH ₄ ⁺ -N concentration in the supernatant in the digester is in the standard concentration range (S320).

상기 단계(S320)에서의 판단 결과, NH₄ ⁺-N 농도와 순수 알칼리도 농도가 기준 농도 범위에서 검출되면, 본 실시예의 초기 운전 모드를 종료하고 정상 운전을 수행한다.As a result of the determination in step S320, if the NH ₄ ⁺ -N concentration and the pure alkalinity concentration are detected in the reference concentration range, the initial operation mode of the present embodiment is terminated and normal operation is performed.

한편, 상기 단계(S320)에서의 판단 결과, NH₄ ⁺-N 농도와 순수 알칼리도 농도가 기준 농도 범위에서 벗어난 경우이면, 도 5에 도시한 바와 같이, 식종한 슬러지(20)를 적정 시간 동안 침전시킨 후 슬러지 상징액(30)으로부터 배제할 양을 산출한다(S330). 본 단계(S330)에서는 NH₄ ⁺-N 농도를 기준 농도로 맞추기 위하여 슬러지 상징액의 대체량을 산출한다.On the other hand, if the determination result in the step (S320), the NH ₄ ⁺ -N concentration and the pure alkalinity concentration is out of the standard concentration range, as shown in Figure 5, the planted sludge 20 is precipitated for a suitable time. After calculating the amount to be excluded from the sludge supernatant 30 (S330). In this step (S330) to calculate the replacement amount of the sludge supernatant in order to adjust the NH ₄ ⁺ -N concentration to the reference concentration.

다음으로, 상기 단계(S330)에서 배제 또는 대체할 상징액의 양이 결정되면, 도 6에 도시한 바와 같이, NH₄ ⁺-N 농도가 검출되지 않은 물이나 NH₄ ⁺-N 농도가 낮은 하수처리장 방류수 등으로 식종한 미생물의 상징액으로 슬러지 상징액의 적어도 일부를 대체한다(S340). 이 과정에서 대체할 상징액의 온도는 소화조 운전에 용이한 적정한 수준인 것이 바람직하다. 도 6에 도시된 슬러지 상징액(40)은 적어도 그 일부가 실질적으로 NH₄ ⁺-N 농도가 검출되지 않거나 낮은 하수처리장 방류수 등으로 식종한 미생물의 상징액으로 대체된 것으로, 도 5의 슬러지 상징액(30)보다 낮은 NH₄ ⁺-N 농도를 갖는다.Next, if the amount of the supernatant to be excluded or replaced in step S330 is determined, as shown in Figure 6, the NH ₄ ⁺ -N concentration is not detected water or NH ₄ ⁺ -N low sewage treatment plant At least a part of the sludge supernatant is replaced with the supernatant of microorganisms planted with effluent (S340). In this process, the temperature of the supernatant to be replaced is preferably at an appropriate level for the digester operation. The sludge supernatant 40 shown in FIG. 6 is at least a part of which is replaced with a supernatant of microorganisms planted with substantially no NH ₄ ⁺ -N concentration or planted with low sewage treatment plant effluent. The sludge supernatant 30 of FIG. Have a lower NH ₄ ⁺ -N concentration.

다음으로, 소화조 내의 슬러지 상징액의 대체는 NH₄ ⁺-N 농도가 100~350㎎/L 범위에 들어올 때까지 반복 수행할 수 있다(S350).Next, the replacement of the sludge supernatant in the digester may be repeated until the NH ₄ ⁺ -N concentration is in the range of 100 ~ 350 mg / L (S350).

전술한 과정에서 소화조 내의 유기물의 TS 농도는 약 1.5~2.5%의 농도를 유지하는 것이 바람직하다. 물론, 그러한 경우 소화조 내의 온도는 혐기성 미생물의 생장에 적정하도록 유지되어야 한다.In the above-described process, the TS concentration of the organic matter in the digester is preferably maintained at a concentration of about 1.5 to 2.5%. Of course, in such cases the temperature in the digester should be maintained to be suitable for the growth of anaerobic microorganisms.

한편, 본 실시예의 상기 단계(S300)에서, TS 약 4.0%의 혐기성 소화 슬러지를 소화조 용량 대비 50% 정도 주입하는 경우, 소화조 내의 약 4.0%의 소화 슬러지 상징액에서 NH₄ ⁺-N 농도는 약 500~800㎎/L이거나 그 이상을 상회할 수 있다. 그러한 경우, NH₄ ⁺-N 농도가 검출되지 않거나 낮은 하수처리장 방류수 등으로 50% 식종한 미생물을 상징액으로 주입하여 기존 슬러지 상징액의 적어도 일부를 대체할 수 있다. 그리고, 방류수 등을 상징액으로 주입할 때 고형물질의 농도를 TS 약 2.0% 정도의 농도로 검출되는 수준으로 조절하고, 그때의 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도가 적정한지 점검할 수 있다.On the other hand, in the step (S300) of the present embodiment, when the anaerobic digestion sludge of about TS TS of about 50% 50% of the digester capacity, the NH ₄ ⁺ -N concentration in the digestion sludge supernatant of about 4.0% in the digester is about 500 Or more than 800 mg / L. In such a case, at least a part of the existing sludge supernatant may be replaced by injecting the supernatant into which the NH ₄ ⁺ -N concentration is not detected or 50% planted with low sewage treatment plant effluent. When the effluent and the like are injected into the supernatant, the concentration of the solid substance is adjusted to a level detected at a concentration of about 2.0% of TS, and it is possible to check whether the pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration at that time are appropriate.

또한, NH₄ ⁺-N 농도가 검출되지 않거나 낮은 하수처리장 방류수 등으로 식종한 미생물의 상징액으로 소화조 내의 슬러지 상징액의 적어도 일부를 대체하는 경우, 낮은 온도에서는 용존 산소가 혐기성 미생물에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있기 때문에 가능한 한 열교환 후 혐기성 미생물의 생장에 적정한 온도 또는 그 이상에서 사용하는 것이 바람직하다.In addition, when at least a part of the sludge supernatant in the digester is replaced by a supernatant of microorganisms planted with low sewage treatment plant effluent, such as when no NH ₄ ⁺ -N concentration is detected, dissolved oxygen may adversely affect anaerobic microorganisms at low temperatures. Since it is possible to use, it is preferable to use it at the temperature which is suitable for the growth of anaerobic microorganism after heat exchange as much as possible or more.

본 실시예에 의하면, 상징액 교체를 통하여 순수 알칼리도와 NH₄ ⁺-N 농도를 분석하고 그것들을 제어함으로써, 도 2를 참조하여 설명한 방법보다 빠르게 또는 단기간에 소화조의 초기운전(Start-up)이 가능하게 된다. 또한, 혐기성 소화조의 초기운전에 대한 안정성과 신뢰성을 높이고 장치 효율과 성능을 향상시킬 수 있다.
According to this embodiment, by analyzing the pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration through the supernatant and control them, the start-up of the digester can be started faster or shorter than the method described with reference to FIG. Done. In addition, it is possible to increase the stability and reliability of the initial operation of the anaerobic digester and to improve the efficiency and performance of the device.

도 7은 도 2 또는 도 4의 혐기성 소화조의 초기 운전 조건 제어 방법의 적용예를 설명하기 위한 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating an application example of a method for controlling initial operating conditions of the anaerobic digester of FIG. 2 or 4.

도 7을 참조하면, 우선 총고형물질(TS)이 약 1.5 내지 2.5%가 되도록 소화조 내에 혐기성 소화 슬러지 즉 혐기성 미생물을 주입한다(S400).Referring to FIG. 7, first, anaerobic digestion sludge, that is, anaerobic microorganisms, is injected into a digester so that total solids (TS) is about 1.5 to 2.5% (S400).

다음으로, 소화조 내의 슬러지 상징액의 NH₄ ⁺-N 농도와 순수 알칼리도 농도를 분석하고 기준 농도로 맞추기 위한 유기물 요구량 또는 슬러지 상징액 대체량을 계산한다(S410).Next, the NH ₄ ⁺ -N concentration and the pure alkalinity concentration of the sludge supernatant in the digester are analyzed and the amount of organic matter or the amount of sludge supernatant to be adjusted to the reference concentration is calculated (S410).

다음으로, 상기 단계(S410)에서 계산한 값들에 의해 획득한 유기물 요구량 또는 슬러지 상징액 대체량에 상응하는 소정량의 물질을 소화조 내에 공급한다(S420).Next, a predetermined amount of material corresponding to the required amount of organic matter or the amount of sludge supernatant obtained by the values calculated in the step S410 is supplied into the digester (S420).

상기 단계(S420)에 의하면, 혐기성 소화조 내의 슬러지 상징액(Supernatant)에 대한 NH₄ ⁺-N 농도와 순수 알칼리도 농도가 적정 범위 또는 기준 범위로 유지되도록 제어된다(S430). 예를 들면, 본 실시예에서는 소화조 내의 현재 슬러지 상징액에서의 NH₄ ⁺-N 농도에 따라 적정량의 유기탄소원을 주입하거나 실질적으로 NH₄ ⁺-N 농도가 없거나 매우 낮은 방류수 등으로 소화조 내의 슬러지 상징액의 적어도 일부를 대체할 수 있다.According to the step (S420), the NH ₄ ⁺ -N concentration and the pure alkalinity concentration for the super slant supernatant in the anaerobic digester is controlled to be maintained in an appropriate range or reference range (S430). For example, the present embodiment injects an appropriate amount of organic carbon source according to the NH ₄ ⁺ -N concentration in the current sludge supernatant in the digester, or the sludge supernatant in the digester with substantially no NH ₄ ⁺ -N concentration or very low effluent. At least some may be substituted.

다음으로, 본 실시예에서는, NH₄ ⁺-N 농도와 순수 알칼리도 농도를 기준 농도로 제어하는 것에 더하여 소화조 내로 유입되는 유기물 부하율을 적절히 유지한다(S440). 예를 들면, 전술한 단계들(S400~S430)에 있어서, 소화조 내의 유기물 부하율은 0.5~2.0㎏ VS/㎥·day로 유지하는 것이 바람직하다.Next, in the present embodiment, in addition to controlling the NH ₄ ⁺ -N concentration and the pure alkalinity concentration to the reference concentration, the organic material loading rate flowing into the digester is appropriately maintained (S440). For example, in the above-described steps (S400 ~ S430), it is preferable to maintain the organic loading rate in the digester to 0.5 ~ 2.0kg VS / ㎥ · day.

유기물 부하율이 0.5㎏ VS/㎥·day 미만이면, 소화조의 용량이 커져 시공비가 과다해지고 그에 의해 경제성 측면에서 문제가 발생할 수 있으며, 운전상 순수 알칼리도 농도 측면에서는 탄산칼슘 농도 기준으로 최적 농도 하한선이 1,000㎎/L 이하로 떨어져 작은 양의 유기물 부하 변동에도 소화조의 완충 능력을 저하시킬 수 있다(S450). 그리고, 유기물 부하율이 2.0㎏ VS/㎥·day를 초과하면, 소화조 내의 순수 알칼리도가 약 5,000㎎/L를 초과하게 될 수 있어서, 그로 인하여 소화조 내의 유기물이 축적되어 혐기성 미생물의 분해 능력을 저하시킬 수 있기 때문이다(S450).If the organic matter loading rate is less than 0.5 kg VS / ㎥ · day, the capacity of the digester is increased and the construction cost may be excessive, thereby causing problems in terms of economical efficiency.In operation, the lower limit of the optimal concentration based on the calcium carbonate concentration is 1,000 based on the pure alkalinity concentration. It may fall to less than mg / L, even if a small amount of organic load changes can lower the buffer capacity of the digester (S450). In addition, when the organic matter loading rate exceeds 2.0 kg VS / m 3 · day, the pure alkalinity in the digestion tank may exceed about 5,000 mg / L, whereby the organic matter in the digestion tank may accumulate and degrade the decomposition ability of anaerobic microorganisms. This is because (S450).

다시 말해서, 전술한 단계들(S400~S440)에 있어서, 식종할 미생물 또는 소화조 내의 순수 알칼리도는 유기물을 유입하지 않는 조건하에서 최소 1,000 이상, 2,500㎎/L 이하에서 유지되어야 한다. 그 이유는 유기물이 유입되면 혐기성 조건하에서 버퍼(Buffer)(HCO₃ ^-)의 형성으로 순수 알칼리도가 증가하게 되는데 그때 순수 알칼리도가 약 5,000㎎/L를 넘지 않도록 해야하기 때문이다. 더욱이, 유기물 부하의 변동이 생길 수 있기 때문에 그로 인한 순수 알칼리도 농도 측면에서 소화조 내의 순수 알칼리도는 약 4,000㎎/L 정도 이하에서 유지되는 것이 바람직하다. 소화조 내의 순수 알칼리도 농도가 4,000㎎/L 정도에서 유지된다면, 유기물 부하의 변동에 대처하는 능력이 5,000㎎/L를 기준으로 약 25% 향상될 수 있음을 의미하는 것이다.In other words, in the above-described steps (S400 ~ S440), the pure alkalinity in the microorganism to be planted or the digester should be maintained at least 1,000, 2,500 mg / L or less under conditions that do not introduce organic matter. The reason is that when the organic material is introduced, the pure alkalinity increases due to the formation of a buffer (HCO ₃ ⁻ ) under anaerobic conditions, since the pure alkalinity should not exceed about 5,000 mg / L. In addition, since the organic load may be changed, the pure alkalinity in the digestion tank is preferably maintained at about 4,000 mg / L or less in view of the pure alkalinity concentration. If the pure alkalinity concentration in the digester is maintained at about 4,000 mg / L, it means that the ability to cope with fluctuations in organic load can be improved by about 25% based on 5,000 mg / L.

순수 알칼리도를 5,000㎎/L 이하로 유지하기 위해서 식종 미생물의 순수 알칼리도가 1,000㎎/L 이하인 경우에는 최적의 운전이 유지되기 어려우므로 이를 제한하는 것이 바람직하다. 그 이유는 작은 부하변동에도 소화조 내의 pH가 급격하게 감소할 수 있기 때문이다. 즉, 소화조 내의 순수 알칼리도가 약 1,000~5,000㎎/L 범위를 유지하도록 식종할 미생물 또는 미생물을 식종한 상태에서 소화조 내 혐기성 미생물 상징액의 순수 알칼리도를 약 1,000~2,500㎎/L as CaC0₃ 범위로 유지하는 것이 좋다. 이러한 범위를 유지한다면 유기물 유입시에도 혐기성 미생물의 활성도를 최적으로 유지하는 것이 가능하다. 따라서, 소화조 내 소화슬러지 즉 혐기성 미생물의 상징액의 순수 알칼리도 농도가 적정하게 유지될 수 있는 소화조의 용량설계가 이루어진 조건하에서 최적의 에너지화가 가능하게 된다.In order to maintain the pure alkalinity of 5,000 mg / L or less, when the pure alkalinity of the planting microorganism is 1,000 mg / L or less, it is preferable to limit the optimum operation because it is difficult to maintain. This is because the pH in the digester can be drastically reduced even with small load fluctuations. That is, the pure alkalinity of the anaerobic microbial supernatant in the digester is maintained in the range of about 1,000 to 2500 mg / L as CaC0 ₃ while the microorganism to be planted or the microorganism is planted to maintain the pure alkalinity in the digester to maintain the range of about 1,000 to 5,000 mg / L. Good to do. If this range is maintained, it is possible to optimally maintain the activity of anaerobic microorganisms even when organic matter is introduced. Therefore, it is possible to optimize energy under the conditions in which the digestion sludge in the digester, that is, the capacity design of the digester in which the pure alkalinity concentration of the supernatant of the anaerobic microorganism is properly maintained can be maintained.

예를 들면, 표 1에서 사용된 혐기성 미생물의 특성분석표를 참조하여 TS 약 2.0% 정도를 기준으로 계산해 보면, 총알칼리도와 유기산 농도는 각각 1,940㎎/L as CaCO₃, 200㎎/L as CH₃COOH 정도로, 이때의 순수 알칼리도는 약 1,800㎎/L as CaCO₃ 정도이고, 또한 상징액에서의 NH₄ ⁺-N 농도 역시 약 300㎎/L로서, 이러한 조건은 소화조에 식종할 혐기성 미생물로 적합한 조건이라고 할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면, 혐기성 소화조 내의 NH₄ ⁺-N 농도와 순수 알칼리도에 따라 혐기성 소화슬러지의 양이나 특성을 결정하거나 적절히 조절하여 선택할 수 있고, 더 나아가, 전술한 단계들(S400 ~ S440)에 따라 혐기성 소화조 내의 NH₄ ⁺-N 농도와 순수 알칼리도를 효과적으로 유지할 수 있다(S450).For example, referring to the characterization table of the anaerobic microorganisms used in Table 1, the total alkalinity and organic acid concentration were 1,940 mg / L as CaCO ₃ and 200 mg / L as CH _{3, respectively.} At COOH, the pure alkalinity is about 1,800 mg / L as CaCO ₃ , and the NH ₄ ⁺ -N concentration in the supernatant is also about 300 mg / L. This condition is suitable for anaerobic microorganisms to be planted in the digester. can do. As such, according to the present embodiment, the amount or characteristics of anaerobic digested sludge may be determined or appropriately adjusted according to the NH ₄ ⁺ -N concentration and the pure alkalinity in the anaerobic digester, and further, the above-described steps (S400 ~ According to S440) it is possible to effectively maintain the NH ₄ ⁺ -N concentration and pure alkalinity in the anaerobic digester (S450).

전술한 본 실시예의 과정에 따르면, 혐기성 소화조의 안정적인 초기 운전이 가능하고 그것에 의해 최적의 바이오가스를 생산할 수 있다(S460).According to the above-described process of this embodiment, stable initial operation of the anaerobic digester is possible, thereby producing an optimal biogas (S460).

이상에서, 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명은 첨부한 특허청구범위 및 도면 등의 전체적인 기재를 참조하여 해석되어야 할 것이며, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. It will be possible. Accordingly, the present invention should be construed by reference to the appended claims, drawings, and the like, and all of its equivalents or equivalent variations fall within the scope of the present invention.

Claims

In the method of controlling the initial operating conditions by planting microorganisms (sludge) in the anaerobic digester for the energy of organic waste by anaerobic microorganisms,
Injecting anaerobic digestion sludge or anaerobic microorganisms into the digester;
A second step of detecting pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration of the sludge supernatant in the digester;
A third step of calculating an organic material requirement for matching the pure alkalinity and the NH ₄ ⁺ -N concentration to a reference concentration; And
A fourth step of injecting a predetermined amount of an organic carbon source or a carbon source corresponding to the organic material requirement into the digester
How to control the initial operating conditions by planting microorganisms in the anaerobic digestion tank comprising a.

In the method of controlling the initial operating conditions by planting microorganisms in the anaerobic digester for the energy of organic waste by anaerobic microorganisms,
Injecting anaerobic digestion sludge into the digester;
A second step of detecting pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration of the sludge supernatant in the digester;
If the NH ₄ ⁺ -N concentration is not present in the standard concentration range, the anaerobic digested sludge is precipitated for a predetermined time, the sludge supernatant for adjusting the pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration of the sludge supernatant in the digester to the reference concentration Calculating a rejection amount;
The sludge discharged according to the calculated results for a supernatant excluding the amount that has at least a low concentration of NH ₄ ⁺ -N concentration in a portion than the detected discharge water or the second step the NH ₄ ⁺ -N concentration is not detected in the supernatant of the sludge A fourth step of replacing the supernatant of the microorganism planted with; And
A fifth step of determining to repeat the fourth step if the pure alkalinity and NH ₄ ⁺ -N concentration detected from the supernatant of the sludge in the digestion tank do not exist within the reference concentration range after the fourth step;
How to control the initial operating conditions by planting microorganisms in the anaerobic digestion tank comprising a.

The method according to claim 1 or 2,
Control the initial operating conditions by seeding the microorganisms in the anaerobic digester of the NH ₄ ⁺ -N concentration of the sludge supernatant in the digester is 100 ~ 350 mg / L.

The method of claim 3,
The first step is the final TS concentration by injecting anaerobic digestion sludge of 1.5 ~ 2.5% of total solids to the digester capacity or injecting anaerobic digestion sludge of 4.0% of total solids to 50% of the digester volume Controlling the initial operating conditions by seeding the microorganisms in the anaerobic digester comprising the step of maintaining a 1.5 to 2.5%.

The method of claim 3,
A method for controlling initial operating conditions by planting microorganisms in the anaerobic digester further comprising the step of maintaining the organic load in the anaerobic digester to 0.5 ~ 2.0kg VS / ㎥ · day.

The method of claim 3,
NH ₄ ⁺ -N concentration in the NH ₄ ⁺ -N concentration (10 ~ 85㎎ / L) and the supernatant of the anaerobic digestion within sikjong microorganism produced wherein the organic carbon source, or organic material is hydrolyzed to be introduced into the anaerobic digestion tank ( A method of controlling initial operating conditions by planting microorganisms in an anaerobic digester further comprising the step of maintaining the sum of 100 ~ 350mg / L) to 500mg / L or less.

The method according to claim 6,
When the pure alkalinity of the supernatant of the microorganisms planted in the anaerobic digestion tank is expressed in units of calcium carbonate, a method of controlling initial operating conditions by seeding the microorganisms in the anaerobic digestion tank.