KR101248311B1 - 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기물을 가용화 및 산발효시키는 가용화조, 상기 가용화조에서 가용화된 가용화 유기물을 파쇄하여 이송하는 이송파쇄부, 상기 이송파쇄부에서 이송된 가용화 유기물을 메탄 발효하는 메탄 발효조, 상기 메탄발효조로부터 배출되는 바이오가스를 탈황시키는 탈황기, 상기 탈황기로부터 배출되는 가스를 저장하는 가스저장조 및 상기 저장된 바이오가스를 이용하는보일러 및 가스엔진 발전기와 상기 메탄발효조로부터 배출되는 잉여 가스를 연소시키는 잉여 가스 연소기를 포함하는 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 가용화조 및 메탄발효조에서 미생물과 유기성 폐기물의 지속적인 접촉을 유도하여 고농도 유기성 폐액 및 폐기물을 신속하고 안정적으로 처리하고 발생되는 바이오가스도 증가시킬 수 있다.
Description
본 발명은 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물을 효과적으로 처리하면서도 이러한 처리 과정에서 바이오가스를 생산하여 폐자원을 에너지화할 수 있는 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상 농축슬러지, 축산분뇨, 분뇨, 음식물쓰레기 등의 유기성 폐기물들은 해양투기, 소각, 매립을 통해 처리되고 있어 환경문제나 여러 가지 사회적인 문제를 야기시키고 있다. 그러나 이러한 유기성 폐기물들은 주성분으로 유기물질을 함유하고 있어 폐기처분하여야 할 대상에서 재활용 가능한 자원으로 인식이 전환되고 있다.
일반적인 종래의 유기성 폐기물 재활용방법으로는 사료화, 퇴비화, 액비화, 혐기성 소화, 호기성 소화 등의 방법이 있으며, 이중 혐기성 소화 방법은 환경적 및 경제적 측면에서 유리하여 유기성 폐기물 처리 자원화 방법으로 선호되고 있다.
그러나 기존의 혐기성 소화 장치 및 방법으로는 처리시간이 많이 소요되고 많은 부지가 요구되며, 지방 등의 난분해성 물질의 효과적인 처리가 어렵고, 유기성 폐기물을 가온하여야 하기 때문에 처리 비용이 상승하고, 온실 가스가 배출되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 고농도 유기성 폐액 및 폐기물을 안정적으로 처리하여 처리 효율을 높이고, 바이오가스 발생량을 증가시킬 수 있는 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 원료의 성상 변동에 대해서 내구성이 강하고, 다양한 유기성 폐기물의 혼합 처리가 가능하며, 메탄발효조 내에 투입되는 유기성 폐기물과 메탄 발효균의 접촉성이 뛰어나서 고농도 유기성 유기성 폐기물 및 유기성 폐기물의 소화를 촉진시키고 유지관리비를 절감할 수 있는 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 유기성 폐기물의 혐기성 처리 과정에서 생산되는 바이오가스(CH4 함량 60% 내외)를 이용한 보일러설비로 스팀 생산 등을 통한 열 이용 및 가스엔진을 통한 전기 생산 및 폐열을 회수하여 가용화조 및 메탄발효조 가온에 재활용함으로써 에너지 소비를 절감하고 온실가스 배출량을 줄일 수 있는 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은
유기물을 가용화 및 산발효시키는 가용화조, 상기 가용화조에서 가용화된 유기물을 파쇄하여 이송하는 이송파쇄부, 상기 이송파쇄부에서 이송된 가용화 유기물을 메탄 발효하는 메탄 발효조, 상기 메탄발효조로부터 배출되는 바이오가스를 탈황시키는 탈황기, 상기 탈황기로부터 배출되는 가스를 저장하는 가스저장조, 상기 저장조로부터 바이오가스를 스팀생산을 위한 보일러설비 또는 전기를 생산할 수 있는 가스엔진발전기 및 상기 메탄발효조로부터 배출되는 잉여 가스를 연소시키는 잉여 가스 연소기를 포함하는 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치로서, 상기 가용화조 및 메탄발효조는 유기성 폐기물을 기계적으로 교반하기 위한 교반기 및 고형물을 파쇄하는 순환펌프를 구비하고, 상기 메탄발효조는 3단으로 구성된 기계식 교반기를 포함하고, 최상부 1단은 스컴 제거용 교반기이고, 하부 2단은 유기성 폐기물 혼합용 교반기인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치에 관한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양상은 유기성 폐기물을 미세하게 분쇄함과 동시에 1.5일 내지 3일 동안 40℃ 내지 50℃ 및 pH 4 내지 5의 조건에서 가열하여 가용화시키는 가용화 단계;
가용화된 유기성 폐기물 내의 고형물은 미세하게 분쇄하여 이송하는 단계;
상기 가용화 단계로부터 가용화되어 배출되는 상기 이송 단계에서 공급받은 액상 유기물을 혐기성 조건하에서 20일 내지 30일간 온도 35℃ 내지 40℃ 및 pH 7.0 ~7.5 의 조건 하에서 메탄 세균으로 발효시켜 바이오가스를 생산하는 메탄 발효 단계;
상기 메탄 발효 단계로부터 배출되는 바이오가스를 탈황시키는 탈황단계;
상기 탈황처리된 가스를 저장하는 저장단계; 및
상기 메탄 발효 단계로부터 배출되는 잉여 가스를 연소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다양한 구현예의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치에 의하면, 고농도 유기성 폐액 및 폐기물을 안정적으로 처리하여 처리 효율을 높이고, 바이오가스 발생량도 증대시킬 수 있다. 즉, 가용화조 및 메탄발효조에서 미생물과 유기성 폐기물의 지속적인 접촉을 유도하여 고농도 유기성 폐액 및 폐기물을 신속하고 안정적으로 처리하고 발생되는 바이오가스도 증가시킬 수 있다.
또한 본 발명의 장치에 의하면 메탄발효조 내의 미생물과 유기물이 충분히 접촉되어 고농도 유기성 폐액 및 폐기물의 소화를 촉진시키고 유지관리비를 절감하여 경제성을 추구할 수 있다.
더욱이, 부산물로 발생되는 바이오가스(CH4 함량 60% 내외)를 이용한 보일러 설비로 스팀 생산 등을 통한 열 이용 및 가스엔진을 통한 전기 생산 및 폐열을 회수하여 가용화조 및 메탄발효조의 가온에 재활용함으로써 공정을 더욱 효율적으로 운영하고 에너지를 절감하면서 온실 가스의 발생을 최소화할 수 있다.
도 1 및 2는 본 발명의 일실시예에 의한 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 시스템 구성도이다.
도 3은 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 가용화조의 상세구조도이다.
도 4는 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 메탄발효조의 상세구조도이다.
도 5는 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 가용화조 및 메탄발효조의 벤추리관의 개략단면도이다.
도 6은 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 메탄발효조의 스팀주입장치의 개략단면도이다.
도 7a는 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 메탄발효조의 개략사시도이다.
도 7b는 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 메탄발효조의 개략평면도이다.
도 8은 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 가용화조 및 메탄발효조의 오리피스의 단면도이다.
도 3은 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 가용화조의 상세구조도이다.
도 4는 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 메탄발효조의 상세구조도이다.
도 5는 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 가용화조 및 메탄발효조의 벤추리관의 개략단면도이다.
도 6은 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 메탄발효조의 스팀주입장치의 개략단면도이다.
도 7a는 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 메탄발효조의 개략사시도이다.
도 7b는 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 메탄발효조의 개략평면도이다.
도 8은 도 1의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 가용화조 및 메탄발효조의 오리피스의 단면도이다.
이하 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 유기성 폐기물 혐기성 소화장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하는 바, 본 발명이 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치의 시스템 구성도이다. 도 1 및 도2를 참고하면, 본 발명의 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치는 유기물을 가용화 및 산발효시키는 가용화조(10), 상기 가용화조에서 가용화된 가용화 유기물을 파쇄하여 이송하는 이송파쇄부(20), 상기 이송파쇄부에서 이송된 가용화 유기물을 메탄 발효하는 메탄 발효조(30), 상기 메탄발효조로부터 배출되는 바이오가스를 탈황시키는 탈황기(40), 상기 탈황기로부터 배출되는 바이오가스를 저장하는 가스저장조(50), 저장된 바이오가스를 이용하는 보일러설비(70) 및 가스엔진 발전설비(80) 및 상기 메탄발효조로부터 배출되는 잉여 가스를 연소시키는 잉여 가스 연소기(60)를 포함한다. 상기 장치는 메탄발효조 내 암모니아 농도를 저감하는 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 가용화조(10)는 유기성 폐기물(또는 음식물)을 증기(steam)로 가온하고 기계교반 및 펌프순환을 실시하면서 가용 (액상)화 및 산발효시킨다. 가용화조(10) 내의 온도는 40~50℃를 유지하며 pH 4~5를 유지하고, 가용화조(10)는 약 1.5 ~3일분의 용적을 가지며 가수분해 및 산발효반응이 진행되도록 구성된다. 가용화조(10)에는 메탄발효에 필요한 영양원을 보충을 위해 무기약품(FeCl3)과 적정 pH를 유지 및 가용화를 촉진하기 위해서 알칼리화제(NaOH)를 투입하고, 산발효가 진행된 가용화액은 이송파쇄부를 거쳐서 메탄발효조(30)에 투입된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 혐기성 소화장치의 가용화조(10)은 교반기 및 고형물 파쇄기능이 있는 순환펌프를 구비하여, 기계식 교반 및 순환펌프에 의한 파쇄 및 혼합으로 교반 및 파쇄효과가 극대화될 수 있다. 교반기)는 가용화조(10)의 대략 중앙에, 복수의 교반기 날개가 마련된 교반기축을, 그 교반기 날개가 가용화조(10) 내의 액(液) 속에 침지하도록 매달아 설치하고, 이 교반기축을 교반기용 전동기에 의해 회전시킴으로써 교반기 날개의 회전에 의해 가용화조(10) 내를 적절하게 교반한다.
상기 이송파쇄부(20)는, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 벤추리관(21), 오리피스(23) 및 파쇄이송펌프(25)로 구성된다. 순환펌프(25)는 가용화조(10) 내의 유기성 폐기물을 각각의 조의 하부에서 인발하여 각각의 조의 상중하부로 유입시키면서 계속적으로 순환을 시키고 펌프의 임펠라는 고형물을 파쇄할 수 있도록 커팅 및 파쇄기능이 있는 임펠라를 사용하여 고형물의 잘게 파쇄를 통한 가용화효율 및 메탄 발효 효율을 높혀줄 수 있으며 또한 펌프순환을 통하여 교반효과를 높일 수 있다.
또한 가용화조(10) 내부에 배플(Baffle)(31)을 4개의 모서리면에 각각 상부(수면 아래 부분) 지점, 중간부(수면 중간 지점) 및 하부 (수면부 하부 지점)에 설치하여 유체의 흐름을 중앙으로 유도하여 교반효과를 더욱 높일 수 있다. 배플이 설치되지 않은 지점은 유체가 교반기가 회전하는 방향으로 유체흐름을 유도하여 교반효과를 높힐 수 있다. 이러한 구성에 의해서 조 내의 지상층과 지하층의 온도 격차를 줄여 유기성 폐기물을 지속적으로 혼합하여 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
고형물 파쇄기능이 있는 순환펌프(25)는 가용화조 하부에서 흡입하여 가용화조 모서리면 4개 지점으로 토출되도록 구성되며 각각의 지점에는 3~5개의 주입지점이 있으며 주입방향은 중심을 향하도록 구성될 수 있다.
한편, 가용화조(10)에 유기성 폐기물을 주입하는 주입부(Recirculation Nozzle Part)는 벤추리관(21)을 포함한다. 이러한 벤추리관(21)은 관경이 점차적으로 감소하는 수렴부(11), 관경이 일정한 단관부(13) 및 관경이 점차적으로 증가하는 확관부(13)를 포함한다. 일례로 상기 수렴부(11)는 주입지점 배관구경 보다 배관경을 작게 하기 위해 레듀서를 사용하여 관경을 줄이고, 단관부(13)는 레듀서 끝단의 구경과 동일한 크기의 단관을 일정 길이로 설치하고, 확관부(15)는 다시 레듀서를 사용하여 관경을 크게 하여 구성될 수 있다. 단관부에서는 유속이 높아지고 압력이 저하되어 확관부에서는 압력이 회복되어 단관부에서 생성되었던 기포가 터지면서 유기성 폐기물들을 분해해 주는 역할을 하여 교반 효과 및 고형물 파쇄 기능을 향상시킬 수 있다. 상기 벤추리관(21) 다음에는 도 8에 도시된 바와 같은 오리피스(23)가 설치되는데, 오리피스(23)는 벤추리관(21)과 유사하게 압력 강하에 의해 유기물을 가용화하고 파쇄하는 기능을 담당한다.
상기 가용화조(10)는 가용화조 내의 온도를 40~50도로 유지하기 위한 스팀 공급부, 메탄발효에 필요한 영양원을 보충하기 위한 무기약품 공급부; 및 상기 가용화조 내의 유기물의 가용화 촉진 및 알카리도 보충을 위해 알칼리화제를 투입하는 알칼리화제 투입구를 포함할 수 있다. 또한, 가용화조(10)에서의 체류시간은, 1.5일 내지 3일로 하는 것이 좋다. 가용화조에서의 체류시간을 3일 이상 길게 하면, 가용화조(10)의 용량을 크게 할 필요가 있고 또한 가열 열량이 증가되므로, 경제적으로 바람직하지 않다.
가용화조(10)에는 스팀공급부를 통해서 가용화조 내부의 온도(40~50℃)를 유지하기 위해 증기를 주입하는데, 파이프로 직접 주입 시 온도차에 의한 햄머링 현상이 발생한다. 이러한 햄머링 현상을 방지하기 위해서 본 발명의 혐기성 소화장치의 스팀공급부는 파이프의 양끝에 다수의 홀들이 천공된 캡으로 캐핑되어 구성된다. 또한 상기 스팀공급부는 균일한 온도상승 효과를 얻기 위해서 가용화조의 2~4개의 단면에 설치될 수 있다.
본 발명에서 가용화조(10)의 운전조건은 온도가 40℃ 내지 50℃이며, pH 4 내지 pH 5이다. 상기 pH 농도는 조절 및 가용화 촉진을 위해 NaOH, KOH 등과 같은 알칼리를 용해시킨 알칼리 용액을 알칼리화제 투입구를 통해 공급할 수 있다.
상기 이송파쇄부(20)는 가용화조(10)에서 펌프를 이용하여 메탄발효조(30)로 가용화된 유기성 폐기물을 이송하고 메탄발효조 내의 고형물 농도를 낮추기 위하여 파쇄하는 기능을 갖는다.
상기 메탄발효조(30)에서는 혐기성 소화가 진행된다. 혐기성 소화는 밀폐된 탱크에 슬러지를 투입하면 미생물의 작용으로 슬러지 속의 유기물이 비교적 안정된 유기물 또는 불활성 무기물로 분해되도록 하는 과정으로, 여러 가지 혐기성 미생물에 의해 슬러지 중의 유기물을 단계적으로 분해하여, 최종적으로 유기물을 메탄, 탄산가스 등으로 변화시켜 슬러지를 안정화시키는 과정이다. 이러한 혐기성 소화는 아세트산으로 분해하는 단계를 거친 슬러지를 이용하여 메탄 생성균에 의해 바이오가스발생을 유도하는 메탄 발효 공정을 진행하게 된다.
본 발명에서 메탄발효조(30)는 중온발효방식으로 35~40℃에서 유기성 폐기물/음식물을 약 20~30일간 발효시켜 메탄발효균에 의해 가용화조에서 가용화 및 유기산발효에 의해 생성된 기질을 이용하여 CH4(메탄)와 CO2(이산화탄소)를 발생시킨다. 이러한 중온발효방식은 암모니아 농도에 대한 안전성이 높아 부하변동이 큰 음식물 혐기성 소화에 매우 효과적이다.
도 4를 참고하면, 메탄발효조(30)에서의 교반에는 기계 교반기에 의한 교반, 펌프에 의한 액(液)교반, 가스 블로워 또는 가스콤프레서에 의한 가스 교반 등이 있지만, 본 발명에서 메탄발효조(30)의 교반기는 투입되는 유기물과 혐기성 미생물이 잘 접촉되도록 기계식 교반 방식 및 고형물 파쇄기능이 있는 펌프를 모두 채택한다.
상기 기계식 교반기(33)는 3단으로 구성하고, 최상부 1단은 스컴제거용, 하부 2단은 유기성 폐기물 혼합용으로 사용. 이때 최상부 1단의 스컴제거용 교반기는 유기성 폐기물의 표면에 항상 위치해 스컴을 지속적으로 제거할 수 있도록 구성될 수 있다.
메탄발효조(30)의 내부에도 배플(31)을 4개의 모서리면에 각각 상부(수면 아래 부분) 지점, 중간부(수면 중간지점) 및 하부 (수면부 하부지점)에 설치하여 유체의 흐름을 중앙으로 유도하여 교반 효과를 더 높인다. 배플이 설치되지 않은 지점은 교반기가 회전하는 방향으로 유체흐름을 유도하여 교반 효과를 높인다.
고형물 파쇄기능이 있는 순환펌프는 메탄발효조(30) 하부에서 흡입하여 메탄발효조 모서리면 4개 지점으로 토출되도록 구성되며 각각의 지점에는 3~5개의 주입 지점이 있으며 주입방향은 중심을 향하도록 구성되어 교반 효과를 높이는 기능을 제공한다.
메탄발효조(30)에 가용화된 유기성 폐기물이 주입되는 주입부(Recirculation Nozzle Part)는 주입지점 배관구경 보다 배관경을 작게 하기 위해 레듀서를 사용하여 관경을 줄이고 레듀서 끝단의 구경과 동일한 크기의 단관을 일정 길이로 설치하고 다시 레듀서를 사용하여 관경을 크게 하여 교반효과 및 고형물파쇄 기능을 높인다. 또한 펌프 토출부의 배관 내에 일정 간격으로 몇 개의 오리피스를 설치하여 주입장치로 사용할 수 있으며 이 장치 역시 교반 및 파쇄효과 기능을 높일 수 있다.
메탄발효조(30) 내의 온도를 35~40℃로 유지하기 위해서 증기를 주입하며, 스팀주입방법은 파이프로 직접 주입시 온도차에 의한 햄머링 현상이 발생하므로, 파이프의 양끝을 캡으로 막고 파이프에 다수의 홀들을 뚫어 스팀이 균등하게 분사되도록 구성함으로써 햄머링 현상을 방지한다. 또한 이러한 스팀주입장치는 메탄발효조의 2~4개의 단면에 각각 설치하여 조 내의 온도를 균일하게 상승시키고 편차가 발생하지 않게 한다.
메탄발효 완료 후 소화액에 대한 별도의 폐수처리시설이 있는 경우 유기물 및 암모니아 농도를 저감하기 위한 폐수처리시설(7)이 설치되며 암모니아 농도가 저감된 폐수처리 방류수를 메탄발효조 내에 유입시켜 메탄발효조 내의 유기성 폐액의 메탄발효 중 암모니아 농도를 일정 농도 이하로 유지한다. 별도의 폐수처리시설이 없는 경우는 암모니아 스트리핑 장치를 통하여 암모니아를 질소(N2) 가스로 변환시켜 탈기시킴으로써 메탄발효조 내의 암모니아 농도를 조절할 수 있다.
암모니아 스트리핑 장치는 메탄발효조내 폐액을 저장할 수 있는 저장부 및 스트리핑 장치로 이송하는 펌프설비, 공기와 폐액이 접촉할 수 있는 접촉부, pH조절 및 탈기용 약품장치와 송풍기로 구성된다.
메탄발효조(30) 내에서 바이오가스 및 이산화탄소가 생성됨에 따라 압력을 일정 이상 올라가지 않도록 하기 위해 압력조절용 밸브(Breather Valve)를 설치하고 메탄발효조 가스유출배관에서 일정 구경을 배관을 분기하여 실 포트(Seal Pot)를 설치할 수 있다. 이러한 실 포트는 일정 수위의 물을 채워놓고 가스압력이 수위압력을 초과할 경우 가스가 배출되는 시스템으로 메탄발효조의 안정성을 높일 수 있다.
메탄발효조(30)는 메탄발효세균의 능력에 의해 유기물이 가수분해되어 산생성단계(유기산)를 거쳐 최종적으로 메탄으로 전환되며, 이때 세균의 성장에 있어 온도가 매우 중요하다. 본 발명에서는 바람직하게 메탄발효조의 반응 온도 범위는 35~40℃이다. 상기 범위의 온도 내에서 가스 생성속도를 향상시킬 수 있어 유기성 폐기물의 분해시간을 단축시킬 수 있고, 발효 탱크 용량을 감소할 수 있으며, 경제적인 비용 절감의 효과가 큰 이점이 있다.
상기 메탄발효조(30)의 상단부에는 발생된 바이오가스를 배출하는 바이오가스배출구가 설치될 수 있다. 메탄발효조(30)에서는, 경량의 이물이 액면에 부상하지만, 이 액면이물은 상부 스컴배출장치에 의해 효과적으로 조(槽) 밖으로 배출된다. 또한 본 발명의 메탄발효조(30)에는 수위조절이 가능한 텔레스코픽 밸브가 설치될 수 있고, 이러한 텔레스코픽 밸브를 이용하여 장시간 정체된 스컴을 배출할 수 있다.
이때, 메탄발효조에서 발생되는 바이오가스는 그 성분 중에서 기기의 부식을 발생시킬 수 있는 황화수소, 메르캅탄 등 유해물질과 악취물질을 정제 처리하기 위해서 탈황기(40)를 거치면서 제거된다. 탈황기(40)는 구조가 간단하고 유지관리비가 저렴한 산화철을 이용하는 건식탈황기일 수 있다.
상기 탈황기(40)에서 정제된 바이오가스는 가스 라인을 통하여 가스저장조(50)로 이송된다. 상기 가스저장조(50)는 탈황기에 의해서 정제된 바이오가스를 가스엔진발전기 등의 발전 시설에 연료로 주입하기 위해서 일시적으로 저장하는 기능을 수행한다.
한편 메탄발효조(30)로부터 생성되는 바이오가스의 여분의 가스를 처리하기 위한 잉여 가스 연소기(플레어, Flare)(60)로 이송되어 연소된다.
본 발명의 혐기성 소화장치는 음식물쓰레기의 처리는 물론, 음식물쓰레기와 함께 축산폐기물, 하수오니 등을 모든 유기성 폐기물의 처리에 이용될 수 있다,
본 발명의 다른 양상은 유기성 폐기물의 혐기성 소화 방법에 관한 것이다. 이하, 본 발명에 따른 유기성 폐기물의 혐기 소화 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 방법은 유기성 폐기물을 미세하게 분쇄함과 동시에 1.5일 내지 3일 동안 40℃ 내지 50℃ 및 pH 4 내지 5의 조건에서 탈리액을 가열하여 가용화시키는 가용화 단계; 가용화된 유기성 폐기물 내의 고형물은 미세하게 분쇄하여 이송하는 단계; 상기 가용화 단계로부터 가용화되어 배출되는 상기 이송 단계에서 공급받은 액상 유기물을 혐기성 조건하에서 20일 내지 30일간 온도 35℃ 내지 40℃ 및 pH 7.0~ 7.5의 조건 하에서 메탄세균으로 발효시켜 바이오가스를 생산하는 메탄 발효 단계; 상기 메탄 발효 단계로부터 배출되는 바이오가스를 탈황시키는 탈황단계; 상기 탈황처리된 가스를 저장하는 저장단계; 상기 메탄 발효 단계로부터 배출되는 잉여 가스를 연소시키는 단계를 포함한다. 상기 방법의 실시 중에 탈황처리된 바이오가스를 보일러(70) 또는 가스엔진발전기(80)의 연료로 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 유기성 폐기물의 혐기 소화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 5를 참고하면, 유기성 페기물은 가용화조(10)에 투입되기 전에 탈수될 수 있다. 탈수기를 사용하여 유기성 폐기물에 함유된 수분을 탈수하여 탈리액과 슬러지를 각각 배출한다. 이어서, 가용화조(10)에 탈리액이 저장되면 이를 가열하여 가용화시킨다(S10). 탈리액의 가용화가 완료되어 가용화조(10)로부터 펌프로 탈리액을 메탄발효조(30)로 이송하고, 이 과정에서 메탄발효조 내의 고형물의 농도를 낮추기 위해서 미세하게 파쇄할 수 있다(S20). 메탄발효조로 이송 후에는, 혐기성 조건하에서 탈리액을 메탄세균으로 발효시켜 바이오가스를 생산한다(S30). 메탄발효조(30)로부터 배출되는 바이오가스는 탈황기(40)를 통해 H2S가 제거되어 후단 설비의 부식을 방지하고 대기오염을 최소화한다(S40). 탈황기로부터 배출되는 바이오가스가 가스저장조(50)에 저장되고, 보일러 연료, 가스 엔진 등에 사용된다(S50). 한편, 메탄발효조로부터 배출되는 잉여 가스는 연소시켜 제거.
이상에서 구체적인 실시예를 들어 본 발명에 대해서 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해서 예시된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 후술하는 특허청구범위 및 그와 균등한 범위로 정해져야 할 것이다.
10: 가용화조 20: 이송파쇄부
30: 메탄발효조 50: 가스저장조
40: 탈황기 60: 가스연소기
70: 보일러 80: 가스엔진발전기
30: 메탄발효조 50: 가스저장조
40: 탈황기 60: 가스연소기
70: 보일러 80: 가스엔진발전기
Claims (12)
- 유기물을 가용화 및 산발효시키는 가용화조, 상기 가용화조에서 가용화된 유기물을 파쇄하여 이송하는 이송파쇄부, 상기 이송파쇄부에서 이송된 가용화 유기물을 메탄 발효하는 메탄 발효조, 상기 메탄발효조로부터 배출되는 바이오가스를 탈황시키는 탈황기, 상기 탈황기로부터 배출되는 가스를 저장하는 가스저장조, 상기 저장조로부터 바이오가스를 스팀생산을 위한 보일러설비 또는 전기를 생산할 수 있는 가스엔진발전기 및 상기 메탄발효조로부터 배출되는 잉여 가스를 연소시키는 잉여 가스 연소기를 포함하는 유기성 폐기물 혐기성 소화 장치로서,
상기 가용화조 및 메탄발효조는 유기성 폐기물을 기계적으로 교반하기 위한 교반기 및 고형물을 파쇄하는 순환펌프를 구비하고, 상기 메탄발효조는 3단으로 구성된 기계식 교반기를 포함하고, 최상부 1단은 스컴 제거용 교반기이고, 하부 2단은 유기성 폐기물 혼합용 교반기인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 가용화조는 네 개의 모서리 부분에 설치되고, 유체의 흐름을 중앙으로 유도하는 배플들(baffle)을 수면 아래 지점, 수면 중간 지점 및 수면수 하부 지점에 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 가용화조의 유기성 폐기물 주입부는 파쇄순환펌프 토출 배관 내에 일정한 간격으로 형성된 오리피스를 구비하고, 주입 지점은 관경이 점차적으로 감소하는 수렴부, 관경이 일정한 단관부 및 관경이 점차적으로 증가하는 확관부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 가용화조는 가용화조 내의 온도를 40~50도로 유지하기 위한 스팀 공급부, 메탄발효에 필요한 영양원을 보충하기 위한 무기약품 공급부; 및 상기 가용화조 내의 수소이온농도를 pH를 4~5의 범위로 유지 및 가용화를 촉진하기 위하여 알칼리제를 투입하는 알칼리화제 투입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치.
- 제4항에 있어서, 상기 스팀공급부는 파이프에 다수의 홀들이 천공되고 양 끝에 캡으로 캐핑된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 메탄발효조는 네 개의 모서리 부분에 설치되고, 유체의 흐름을 중앙으로 유도하는 배플들(baffle)을 수면 아래 지점, 수면 중간 지점 및 수면수 하부 지점에 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 메탄발효조의 순환펌프는 상기 메탄발효조 하부에서 흡입하여 메탄발효조 모서리면 4개의 지점으로 토출되도록 구성되고, 각각의 지점에는 3~5개의 주입지점이 있으며 주입방향은 중심을 향하도록 구성된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 메탄발효조의 유기성 폐기물 주입부는 파쇄순환펌프 토출 배관 내에 일정한 간격으로 형성된 오리피스를 구비하고, 주입 지점은 관경이 점차적으로 감소하는 수렴부, 관경이 일정한 단관부 및 관경이 점차적으로 증가하는 확관부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 메탄발효조는 메탄 발효조 내의 가스 압력이 임계값 이상으로 올라가지 않도록 제어하는 압력조절용 밸브; 가스 압력이 수위 압력을 초과할 경우 가스를 배출시키는 실 포트(seal pot); 및 스컴 배출을 위한 텔레스코픽 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 메탄발효조는 사각형 구조로 35~40℃의 온도에서 20일 내지 30일간 체류시간을 확보할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 혐기성 소화장치.
- 유기성 폐기물을 미세하게 분쇄함과 동시에 1.5일 내지 3일 동안 40℃ 내지 50℃ 및 pH 4 내지 5의 조건에서 가열하여 가용화시키는 가용화 단계;
가용화된 유기성 폐기물 내의 고형물은 미세하게 분쇄하여 이송하는 단계;
상기 가용화 단계로부터 가용화되어 배출되는 상기 이송 단계에서 공급받은 액상 유기물을 혐기성 조건하에서 20일 내지 30일간 온도 35℃ 내지 40℃ 및 pH 7.0 ~7.5 의 조건 하에서 메탄 세균으로 발효시켜 바이오가스를 생산하는 메탄 발효 단계;
상기 메탄 발효 단계로부터 배출되는 바이오가스를 탈황시키는 탈황단계;
상기 탈황처리된 가스를 저장하는 저장단계; 및
상기 메탄 발효 단계로부터 배출되는 잉여 가스를 연소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 방법이 메탄발효조내 암모니아농도를 저감하는 단계 및 상기 저장된 바이오가스를 보일러 연료나 가스엔진 발전기의 연료로 사용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화 방법.
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