KR101276758B1 - 연속식 호기,혐기 건식발효시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 총 2개의 호기성반응조와 혐기성반응조로 분리 구성되는 연속식 호기,혐기 건식발효시스템과 이 건식발효시스템을 구성하는 한쌍의 호기성반응조와 혐기성반응조를 이용하여 먼저 유기성폐기물을 산소가 공급되는 호기성반응조에서 호기성미생물에 의하여 부분적으로 분해시킨 후에 pH 7 이상으로 전환되는 시점에서 혐기성반응조로 이송시킨 후 혐기성반응조에서 혐기성미생물에 의하여 유기성폐기물을 분해시키는 방법을 연속적으로 수행하면서 유기성폐기물을 분해시키고, 분해와 동시에 생성되는 메탄가스를 회수하는 연속식 호기,혐기 건식발효방법을 채택한 것이어서,
호기성소화반응과 혐기성소화반응을 병용함에 있어서 총 2개의 호기성반응조와 혐기성반응조를 이용하여 소화반응과정을 각 단계에 맞도록 최적화시켜 단시간에 효율적인 고속 처리가 가능하다.
또한, 투입되는 유기성폐기물은 음식물류 폐기물과 하수슬러지, 목재류(가로수 전정지 등)를 혼합한 것으로서 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 혼합하였을 때 높아진 수분의 함량을 목재류를 수분조절제로 이용함으로써 건식소화에 적합한 수분의 범위를 유지할 수 있으며,
음식물류 폐기물, 하수슬러지, 목재류 등을 혼합한 유기성폐기물을 시료로 하여 첫 번째의 호기성반응조에서 공기를 주입하며 10일 간의 호기성소화반응을 거친 후 조 내부 온도가 55℃~60℃가 되고 pH 7이상의 약알칼리성 영역에 도달되는 시점을 판단하여 기밀이 철저하게 유지되는 두 번째의 혐기성반응조로 시료를 이동시켜 혐기성소화반응을 유도할 수 있다.
따라서, 호기성 반응을 거친 후 혐기발효를 할 경우 시료의 pH가 혐기발효 조건에 적절한 pH 7 범위를 유지하게 되며, 이때 혐기발효에서 있어야 할 산발효단계가 이미 그 영역을 벗어나 혐기로 치환할 시에 곧바로 메탄발효로 전환되어 메탄을 이전의 공법들보다 더 신속하면서도 대량으로 획득할 수 있는 것이다.

Description

연속식 호기,혐기 건식발효시스템 및 방법{Continuous aerobic and anaerobic dry fermentation system and method}
본 발명은 연속식 호기,혐기 건식발효시스템 및 방법에 관한 것으로,
더욱 상세하게는 연속식 호기, 혐기 건식발효시스템과 이 건식발효시스템을 구성하는 한쌍의 호기성반응조와 혐기성반응조를 이용하여 먼저 유기성폐기물을 산소가 공급되는 호기성반응조에서 호기성미생물에 의하여 부분적으로 분해시킨 후에 pH 7 이상으로 전환되는 시점에서 혐기성반응조로 이송시킨 후 혐기성반응조에서 혐기성미생물에 의하여 유기성폐기물을 분해시키는 방법을 연속적으로 수행하면서 유기성폐기물을 분해시키고, 분해와 동시에 생성되는 메탄가스를 보다 효율적으로 회수하고자 하는 연속식 호기,혐기 건식발효방법에 관한 것이다.
유기성폐기물은 미생물이 분해가능 한 물질로 이루어져 생분해가 가능한 폐기물을 말하며, 생활쓰레기 중에서도 음식물류폐기물, 목재류, 정원성 폐기물, 종이류 등이 이에 해당된다.
또한 하수처리장 및 폐수처리장에서 발생하는 슬러지류와 축산농가 등에서 발생하는 가축분뇨 등이 포함될 수 있으며, 이러한 유기성폐기물을 처리하는 방법으로는 호기성 소화와 혐기성 소화방법이 있다.
호기성 소화방법은 퇴비의 생산량이 많고 시설의 설치가 용이하며, 유지관리가 용이한 장점이 있으나 염분의 제거효율이 낮고 필요 인력이 많으며 시설에 필요한 면적과 계절에 따른 변수에 따라 효율성에 차이가 있기 때문에 원활하게 소화되지 못하는 문제점들이 있다.
호기성 소화방법의 문제점을 해결할 수 있고 바이오가스를 얻을 수 있어 경제성이 우수한 혐기소화방법이 최근 널리 이용되고 있으며, 혐기소화방법은 혐기성 미생물의 증식을 통해 유기물을 분해 및 안정화시켜 가스연료인 메탄을 생산할 수 있고 이는 습식과 건식 공법으로 나뉜다.
종래의 소화처리방법인 혐기성소화는 메탄발효라고도 하며 주된 목적은 폐수 혹은 폐기물처리와 동시에 메탄이라는 에너지를 회수하기 위한 방법으로 적용되고 있다.
메탄발효는 활성슬러지법이 보급되면서 적극적으로 사용되지는 않았으나, 1970년대 중반 석유파동 이후에 회수가스를 연료로 하여 이용하는 것이 가능하고, 많은 양의 공기를 통기시켜야하는 활성슬러지법과 비교하여 소비전력이 적은 장점 등으로 인해 적극적인 석유대체 에너지수단으로서 도시폐기물의 많은 바이오매스로부터 에너지 회수를 목적으로 하는 연구가 활발히 진행되어 있다.
습식공법의 경우 수분함량이 놓아 총 고형물의 농도가 낮은 폐수 등에 대해서는 가수공정이 필요 없으나, 음식물류 폐기물과 같이 총 고형물의 농도가 높고 수분함량이 높은 물질에 대해서는 가수공정이 필요하며 이에 따라 반응기의 용적이 커지는 단점이 있다.
이에 비해 건식공법은 총 고형물의 함량이 높아 반응조 내에 반입되는 물질 외에 추가로 첨가되는 가수공정이 필요 없으며, 발생되는 유기성폐기물을 별도의 가수공정 없이 그대로 이용가능하므로 반응조의 용적을 줄일 수 있는 이점을 가지고 있다.
따라서 건식혐기성소화방법은 유기성폐기물에 산소를 공급하지 않고 혐기성 미생물에 의한 혐기발효로 인해 폐기물 중 생분해성 물질을 바이오가스로 전환하여 에너지로 사용할 수 있도록 하며 발효조건은 함수율 60~80%, 중온소화온도 36~38℃, 고온소화온도 50~55℃, 산발효를 위한 최적pH 5.5~6.5, 메탄발효를 위한 최적pH 6.8~7.4이고 감량화율은 80~90% 정도이다.
또한 시설면적을 적게 차지하는 장점이 있어 최근 폐기물 및 폐수처리를 주목적으로 하고 에너지를 부수적으로 얻는 에너지절약 플랜트로서 많이 가동되고 있는 추세이다.
본 발명은 건식혐기성소화방법이 많이 사용되고 있는 추세를 감안하여 안출한 것으로 연속식 호기,혐기 건식발효시스템과 이 건식발효시스템을 구성하는 한쌍의 호기성반응조와 혐기성반응조를 이용하여 먼저 유기성폐기물을 산소가 공급되는 호기성반응조에서 호기성미생물에 의하여 부분적으로 분해시킨 후에 pH 7 이상으로 전환되는 시점에서 혐기성반응조로 이송시킨 후 혐기성반응조에서 혐기성미생물에 의하여 유기성폐기물을 분해시키는 방법을 연속적으로 수행하면서 유기성폐기물을 분해시키고, 분해와 동시에 생성되는 메탄가스를 회수하고자 하는 연속식 호기,혐기 건식발효방법을 제공함으로써,
유기성폐기물을 연속적으로 공급하고 공급되는 유기성폐기물이 순차적으로 호기성반응조와 혐기성반응조로 공급되면서, 유기성폐기물을 분해안정화 하고 최종처리물은 재투입, 또는 퇴비로 재활용하면서 메탄가스의 회수를 극대화할 수 있도록 하고자 함에 그 목적을 둔 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제에 기재된 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연속식 호기,혐기 건식발효시스템은 내용물이 채워지는 원형의 탱크와, 상기 탱크 상부에 형성되며 유기성폐기물의 투입이 가능하도록 유압게이트가 구비되는 투입구가 형성된 상부뚜껑과, 상기 탱크 하부에 형성되며 유기성폐기물이 유기물의 분해에 의하여 산발효 공정을 거쳐 약알칼리단계 pH 7.0 영역으로 전환되는 기점에서 배출이 용이하도록 배출구가 형성된 하부뚜껑으로 분리 구성되어 지되,
상기 탱크는 내부 온도를 감지하는 온도감지센서와, 상기 온도감지센서의 신호에 의해 내부 온도가 설정값이상으로 오르면 공기를 주입하여 온도를 제어할 수 있도록 내부 하측에 공기주입구를 형성하며,
상기 상부뚜껑은 압력게이지, 공기배출팬 또는 공기배출밸브 및 모터의 회전축을 탱크 내부로 수직으로 설치하고 이 회전축 하단부에 배출교반날개를 하부뚜껑에 형성된 배출구 바로 상측에 위치되도록 형성하며,
상기 하부뚜껑은 배출구 하측에 배출구를 개폐하는 유압게이트를 형성하여서 이루어지는 호기성반응조를 구성하고;
내용물이 채워지는 원형의 탱크와, 상기 탱크 상부에 형성되며 혼합물질을 투입할 수 있는 투입구가 형성된 상부뚜껑과, 상기 탱크 하부에 형성되며 혐기소화반응 종료물질을 연속적으로 배출하는 배출구가 형성된 하부뚜껑으로 구성되어 지되,
상기 탱크는 외벽을 이중벽으로 형성하고, 이중벽 내부로 온수를 순환공급하여 탱크내의 온도를 조정할 수 있도록 온도감지센서를 설치하며,
상기 상부뚜껑에는 압력게이지, 내부 진공압을 일정하게 유지하기 위한 진공압력스위치, 가스배출밸브가 구비된 가스배출관을 형성함과 동시에 호기성반응조에서 배출되어 이송콘베이어로 이송되는 반응물질과 혐기성 반응이 종료된 혐기성 반응물질을 혼합하는 역활을 하는 혼합조 및 혼합조와 이송스크류로 연결설치되어 탱크에 혼합물질을 연속적으로 투입하면서 산소가 탱크 내로 들어가지 않도록 압축하여 넣으며 감압에 의해 산소를 제거하는 진공투입장치를 형성하며,
상기 하부뚜껑에는 바닥면에 배출구 쪽을 향하여 다수의 이송스크류를 형성하고, 배출구 바로 하측에는 내부에 모터에 의해 회전하는 이송스크류가 구비된 배출관 및 배출관의 출구에 상,하부에 각각 유압게이트가 구비되고 외면에는 진공밸브가 구비되는 혐기소화반응 종료물질 배출용 배출탱크를 형성하여서 이루어지는 혐기성반응조를 구성하여;
상기 호기성반응조와 혐기성반응조를 이송콘베이어로 연계설치하여서 상기 호기성반응조의 배출구를 통해 배출된 호기성소화반응물질이 이송콘베이어에 의해 혐기성반응조로 공급되어 지도록 구성되어 진 것에 그 특징이 있다.
한편, 본 발명의 연속식 호기,혐기 건식발효방법은 수거 후 자연탈수(정치)하여 수분함량이 80% 전후인 것을 선별기에 투입하여 비닐, 협잡물 등을 제거하여서 된 음식물류폐기물 50중량%와,
수분함량이 78% 전후인 하수슬러지 20중량%와,
전정지(과수(果樹) 및 정원수(庭園樹)를 자른 가지)를 파쇄 후 일정기간 저장하여 수분함량이 20% 전후인 것을 가공하여 만든 톱밥 25중량%와,
통상의 호기성반응조에서 발효된 것으로서 수분함량이 50% 전후인 유기성 반응종료물질 0.5중량%를 준비하는 단계(A)와;
상기 단계(A)에서 준비된 음식물류폐기물, 하수슬러지, 톱밥을 혼합조에 넣고 혼합하되, 수분함량이 65% 전후가 되도록 하는 단계(B)와;
상기 단계(B)에서 혼합조에 넣어져 혼합된 혼합물에 단계(A)에서 별도로 준비된 수분함량이 50%전후의 호기성 반응종료물질 0.5중량%을 혼합하는 단계(C)와;
상기 단계(C)에서 혼합완료된 원료혼합물인 유기성폐기물을 호기성반응조에 연속적으로 투입하고 유기성폐기물 양에 비례하여 공기공급량을 조절하며 평시에 30L/minㆍton으로 공급하고, 호기성반응조 내 온도가 55℃ 이상으로 상승 시에는 10배로 공기공급량을 늘려 0.3m3/minㆍton으로 공급하는 방법으로 온도를 제어하는 단계(D)와,
상기 단계(D)에서 호기성반응조 내의 반응물질이 유기물의 분해에 의하여 산발효 공정을 거쳐 약알칼리단계 pH 7.0 영역으로 전환되는 기점에서 내부 반응물질을 배출하는 단계(E)와,(체류시간 약 10일)
상기 단계(E)에서 배출된 반응물질을 이송콘베이어를 이용하여 혼합조로 이송한 후 혐기성 반응이 종료된 혐기성 반응물질을 반응물질과의 중량비 대비 0.5중량% 혼합하는 단계(F)와,
상기 단계(F)에서 혼합조에서 혼합된 혼합물질을 혐기성반응조에 연속적으로 투입하면서 투입량을 확인하되, 산소가 혐기성반응조로 들어가지 않도록 압축하여 넣으며 감압에 의해 산소를 제거하는 진공투입장치를 이용하여 투입하는 단계(G)와,
상기 단계(G)에서 혐기성반응조에 새로 투입된 혼합물질을 혐기성반응조의 내부를 철저한 무산소 분위기로 유지하고 기본적으로 35℃의 중온소화, 55℃의 고온소화 모두 가능한 가온장치를 이용하여 평상시에는 35℃ 중온소화를 하고 필요시에는 55℃의 고온소화를 진행하면서 혐기성반응을 유도하면서 메탄가스를 일정압력이상이 되었을 때 회수하는 방법으로 주기적으로 회수하되, 상기 혐기성반응조에 넣어지는 혼합물질은 20일의 체류기간이 지나면 소화가 마무리됨에 따라 메탄가스의 발생량이 저감되므로 소화가 마무리된 혐기반응 종료물질을 연속적으로 배출하는 단계(I)를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있는 것이다.
본 발명은 총 2개의 호기성반응조와 혐기성반응조로 분리 구성되는 연속식 호기,혐기 건식발효시스템과 이 건식발효시스템을 구성하는 한쌍의 호기성반응조와 혐기성반응조를 이용하여 먼저 유기성폐기물을 산소가 공급되는 호기성반응조에서 호기성미생물에 의하여 부분적으로 분해시킨 후에 pH 7 이상으로 전환되는 시점에서 혐기성반응조로 이송시킨 후 혐기성반응조에서 혐기성미생물에 의하여 유기성폐기물을 분해시키는 방법을 연속적으로 수행하면서 유기성폐기물을 분해시키고, 분해와 동시에 생성되는 메탄가스를 회수하는 연속식 호기,혐기 건식발효방법을 채택한 것이어서,
호기성소화반응과 혐기성소화반응을 병용함에 있어서 총 2개의 호기성반응조와 혐기성반응조를 이용하여 소화반응과정을 각 단계에 맞도록 최적화시켜 단시간에 효율적인 고속 처리가 가능한 이점이 있다.
또한, 투입되는 유기성폐기물은 음식물류 폐기물과 하수슬러지, 목재류(가로수 전정지 등)를 혼합한 것으로서 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 혼합하였을 때 높아진 수분의 함량을 목재류를 수분조절제로 이용함으로써 건식소화에 적합한 수분의 범위를 유지할 수 있으며,
음식물류 폐기물, 하수슬러지, 목재류 등을 혼합한 유기성폐기물을 시료로 하여 첫 번째의 호기성반응조에서 공기를 주입하며 10일간의 호기성소화반응을 거친 후 호기성반응조 내부 온도가 55~60℃가 되고 pH 7 이상의 약알칼리성 영역에 도달되는 시점을 판단하여 기밀이 철저하게 유지되는 두 번째의 혐기성반응조로 시료를 이동시켜 혐기성소화반응을 유도할 수 있다.
따라서, 호기성소화반응을 거친 후 혐기발효를 할 경우 시료의 pH가 혐기발효 조건에 적절한 pH7 범위를 유지하게 되며, 이때 혐기발효에서 있어야 할 산발효단계가 이미 그 영역을 벗어나 혐기로 치환할 시에 곧바로 메탄발효로 전환되어 메탄을 이전의 공법들보다 더 신속하면서도 대량으로 획득할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 발효시스템을 이용하여 유기성폐기물을 처리하는 흐름도.
도 2는 본 발명 발효시스템의 일 구성상태도.
도 3은 본 발명으로서 혐기성반응조 상부 투입장치부의 요부 구성상태도.
도 4는 본 발명으로서 혐기성반응조 하부 배출장치부의 요부 구성상태도.
본 발명은 총 2개의 호기성반응조와 혐기성반응조로 구성되어지며 유기성폐기물을 연속적으로 공급하고 공급되는 유기성폐기물이 순차적으로 호기성반응조와 혐기성반응조로 공급되면서, 유기성폐기물을 분해안정화 하고 최종처리물은 재투입, 또는 퇴비로 재활용하면서 메탄가스를 회수할 수 있는 방법에 관한 것이다.
이에, 이하에서는 본 발명의 일 실시예를 첨부도면에 의거 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 발효시스템을 이용하여 유기성폐기물을 처리하는 흐름도이고, 도 2는 본 발명 발효시스템의 일 구성상태도 이며, 도 3은 본 발명으로서 혐기성반응조 상부 투입장치부의 요부 구성상태도 이며, 도 4는 본 발명으로서 혐기성반응조 하부 배출장치부의 요부 구성상태도이다.
도면에서 보는 바와 같이 본 발명은 수거 후 자연탈수(정치)하여 수분함량이 80% 전후인 것을 선별기에 투입하여 비닐, 협잡물 등을 제거하여서 된 음식물류폐기물 50중량%와,
수분함량이 78% 전후인 것 하수슬러지 20중량%와,
전정지(과수(果樹) 및 정원수(庭園樹)를 자른 가지)를 파쇄 후 일정기간 저장하여 수분함량이 20% 전후인 것을 가공하여 만든 톱밥 25중량%와,
외부에 설치된 통상의 호기성반응조나 또는 본 발명에서 사용되는 호기성반응조에서 발효된 것으로서 수분함량이 50% 전후인 유기성 반응종료물질 0.5중량%를 준비하는 단계(A)와;
상기 단계(A)에서 준비된 음식물류폐기물, 하수슬러지, 톱밥을 혼합조에 넣고 혼합하되, 수분함량이 65% 전후가 되도록 하는 단계(B)와;
상기 단계(B)에서 혼합조에 넣어져 혼합된 혼합물에 단계(A)에서 별도로 준비된 수분함량이 50%전후의 호기성 반응종료물질 0.5중량%을 혼합하는 단계(C)와;
상기 단계(C)에서 혼합완료된 원료혼합물인 유기성폐기물을 호기성반응조(10)에 연속적으로 투입하고 유기성폐기물 양에 비례하여 공기공급량을 조절하며 평시에 30L/min-ton으로 공급하고, 조 내 온도가 55 이상으로 상승 시에는 10배로 공기공급량을 늘려 0.3m3/min-ton으로 공급하는 방법으로 온도를 제어하는 단계(D)와;
상기 단계(D)에서 호기성반응조(10) 내의 반응물질이 유기물의 분해에 의하여 산발효 공정을 거쳐 약알칼리단계 pH 7.0 영역으로 전환되는 기점에서 내부 반응물질을 배출하는 단계(E)와;(체류시간 약 10일)
상기 단계(E)에서 배출된 반응물질을 이송콘베이어(11)를 이용하여 혼합조(530)로 이송한 후 혐기성 반응이 종료된 혐기성 반응물질을 반응물질과의 중량비 대비 0.5중량% 혼합하는 단계(F)와;
상기 단계(F)에서 혼합조(530)에서 혼합된 혼합물질을 혐기성반응조(20)에 연속적으로 투입하면서 투입량을 확인하되, 산소가 혐기성반응조(20)로 들어가지 않도록 압축하여 넣으며 감압에 의해 산소를 제거하는 진공투입장치(540)를 이용하여 투입하는 단계(G)와;
상기 단계(G)에서 혐기성반응조(20)에 새로 투입된 혼합물질을 혐기성반응조(20)의 내부를 철저한 무산소 분위기로 유지하고 기본적으로 35℃의 중온소화, 55℃의 고온소화 모두 가능한 가온장치를 이용하여 평상시에는 35℃ 중온소화를 하고 필요시에는 55℃의 고온소화를 진행하면서 혐기성반응을 유도하면서 메탄가스를 일정압력이상이 되었을때 회수하는 방법으로 주기적으로 회수하되, 상기 혐기성반응조(20)에 넣어지는 혼합물질은 20일의 체류기간이 지나면 소화가 마무리됨에 따라 메탄가스의 발생량이 저감되므로 소화가 마무리된 혐기반응 종료물질을 연속적으로 배출하는 단계(I)를 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 본 발명은 상기 단계(I)를 거쳐 배출되는 혐기반응 종료물질이 일부분은 산소가 차단된 환경으로 반송되어 재차 혐기성 반응조로 투입되어 지고, 나머지는 호기성 반응을 주로 하는 후숙조에서 재차 분해반응을 유도하여 퇴비로 사용된다.
이때, 상기 혐기반응 종료물질이 넣어져 호기성 반응이 이루어지는 후숙조에 공급되는 산소량은 10L/minㆍton 수준이다.
상기와 같은 본 발명은 총 2개의 호기성반응조(10)와 혐기성반응조(20)로 구성되어지며 유기성폐기물을 연속적으로 공급하고 공급되는 유기성폐기물이 순차적으로 호기성반응조(10)와 혐기성반응조(20)로 공급되면서, 유기성폐기물을 분해안정화 하고 메탄가스를 주기적으로 회수하는 것은 물론 최종처리물은 재투입, 또는 퇴비로 재활용하는 것이기 때문에 유기성폐기물의 분해안정화하는 것이 용이할 뿐만 아니라 최종처리물은 재투입, 또는 퇴비로 재활용할 수 있어서 편리하며, 메탄가스의 회수를 극대화할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 방법을 수행하기 위해서는 특수하게 구성된 호기성반응조(10)와 혐기성반응조(20)를 연계설치하여 된 연속식 호기,혐기 건식발효시스템을 사용한다.
이에 본 발명에 사용되는 연속식 호기,혐기 건식발효시스템에 대해 상세히 살펴본다.
본 발명의 연속식 호기,혐기 건식발효시스템을 구성하는 호기성반응조(10)는 기본적으로 내용물이 채워지는 원형의 탱크(100)와, 상기 탱크(100) 상부에 형성되며 유기성폐기물의 투입이 가능하도록 유압실린더에 의해 작동하는 유압게이트(201a)가 구비되는 투입구(201)가 형성된 상부뚜껑(200)과,
상기 탱크(100) 하부에 형성되며 유기성폐기물이 유기물의 분해에 의하여 산발효 공정을 거쳐 약알칼리단계 pH 7.0 영역으로 전환되는 기점에서 배출이 용이하도록 배출구(301)가 형성된 하부뚜껑(300)으로 구성된다.
여기서 상기 탱크(100)는 내부 온도를 감지하는 온도감지센서(110)가 설치되어 있어서 상기 온도감지센서(110)의 신호에 의해 내부 온도가 설정값이상으로 오르면 내부 하측에 형성된 공기주입구(120)를 통해 공기를 주입하여 온도를 제어할 수 있도록 구성되어 진다.
그리고 상기 상부뚜껑(200)에는 압력게이지(210), 공기배출팬 또는 공기배출밸브(220)가 연결설치되어 있으며, 모터(231)의 회전축(232)이 탱크(100) 내부로 수직으로 설치되어 있고 그 하단부에는 배출교반날개(230)가 하부뚜껑(300)에 형성된 배출구(301) 바로 상측에 위치되도록 형성되어 있다.
한편, 상기 하부뚜껑(300)의 배출구(301) 하측에는 배출구(301)를 개폐하는 유압게이트(310)가 형성되어 있고 그 하측으로는 배출구(301)를 통해 배출된 호기성소화반응물질이 혐기성반응조(20)에 공급될 수 있도록 혐기성반응조(20)를 향하도록 이송콘베이어(11)가 설치되어 있다.
이번에는 본 발명의 연속식 건식 호기, 혐기 발효 시스템을 구성하는 혐기성반응조(20)에 대해 살펴본다.
상기 혐기성반응조(20) 역시 기본적으로는 내용물이 채워지는 원형의 탱크(400)와, 상기 탱크(400) 상부에 형성되며 혼합물질을 투입할 수 있는 투입구(501)가 형성된 상부뚜껑(500)과,
상기 탱크(400) 하부에 형성되며 혐기반응 종료물질을 연속적으로 배출하는 배출구(601)가 형성된 하부뚜껑(600)으로 구성된다.
여기서 상기 탱크(400)는 외벽이 이중벽(400a,400b)으로 형성되어 있으며, 내부 온도를 감지하는 온도감지센서(410)가 설치되어 있어서 상기 온도감지센서(410)의 신호에 의해 내부 온도가 설정값이상으로 오르면 이중벽(400a,400b) 내부로 온수를 순환공급하여 탱크(400)내의 온도를 조정할 수 있도록 구성되어 진다.
그리고 상기 상부뚜껑(500)에는 압력게이지(511), 내부 진공압을 일정하게 유지하기 위한 진공압력스위치(512), 가스배출밸브(521)가 구비된 가스배출관(520)이 연결설치되어 있는 것은 물론,
상기 단계(E)에서 배출되어 이송콘베이어(11)로 이송되는 반응물질과 혐기성 반응이 종료된 혐기성 반응물질을 혼합하는 역활을 하는 혼합조(530)와 상기 혼합조(530)와 이송스크류(531)로 연결설치되어 탱크(400)내부로 연속적으로 투입하면서 산소가 탱크(400)내로 들어가지 않도록 압축하여 넣으며 감압에 의해 산소를 제거하는 진공투입장치(540)가 더 설치되어 있는데 상기 진공투입장치(540)는 가스배출관(520)과 연결설치되어 있다.
여기서, 상기 진공투입장치(540)는 상기 상부뚜껑(500)에 하단이 관통되게 일체로 고정설치되고, 상면에는 유압실린더(541)에 의해 상,하 작동하는 가압판(542)이 구비되며, 외면에 투입량감지센서(543) 및 진공밸브(544)가 구비됨과 동시에 외면이 가스배출관(520) 연결설치되어 가스를 공급받는 통형몸체(546)와,
상기 통형몸체(546) 외면에 형성되어 혼합기(530)와 연결설치된 이송스크류(531)로부터 이송되는 혼합물질이 통형몸체(546)내부로 투입되는 것을 단속하는 유압게이트(547)와,
상기 통형몸체(546) 하부에 설치되어 통형몸체(546) 내부에 넣어진 혼합물질이 혐기성반응조(20)를 구성하는 탱크(400) 내부로 투입되는 것을 단속하는 유압게이트(548)로 이루어진다.
한편, 상기 하부뚜껑(600)에는 바닥면에 배출구(601) 쪽을 향하여 모터(611)에 의해 회전하는 다수의 이송스크류(610가 형성되어 있으며, 배출구(601) 바로 하측에는 한개의 배출관(620) 내부에 모터(621)에 의해 회전하는 이송스크류(622)가 더 형성되어 있는데 배출관(620)의 출구(620a)에는 상,하부에 각각 유압게이트(631)(632)가 형성되고, 외면에는 진공밸브(633)가 형성되어 있는 혐기반응 종료물질 배출용 배출탱크(630)가 연결설치되어 있다.
상기와 같은 구성에 의해 상기 단계(E)에서 호기성반응조(10) 내에서 배출된 반응물질은 이송콘베이어(11)를 타고 혼합조(530)로 이송되어지고 여기에 혐기성소화반응이 종료된 혐기성소화반응 물질과 섞어진다.
그런다음 진공투입장치(540)를 구성하는 하부 유압게이트(548)를 이용 투입구(501)를 닫아 탱크(400)내부를 밀폐한 상태에서 상부 유압게이트(547)를 열면 혼합물질이 이송스크류(531)를 타고 진공투입장치(540)의 통형몸체(546) 내부로 투입된다.
이때 통형몸체(546) 외면에는 투입량감지센서(543)가 더 형성되어 있어서 투입량을 확인할 수 있다.
설정된 적정량의 혼합물질이 투입되면 투입량감지신호에 의해 호기성반응조(10)로 부터 혼합조(530), 이송스크류(531)의 동작이 모두 멈춰지고 상부 유압게이트(547)가 닫힌다.
그런 다음에는 상부뚜껑(500)의 가스배출관(520)과 연결설치된 진공투입장치(540)의 통형몸체(546) 내부로 가스가 충진됨과 동시에 통형몸체(546) 외면에 형성된 진공밸브(544)에 의해 통형몸체(546) 내부의 공기가 배출되어 진공상태가 된다.
그런 다음 하부 유압게이트(548)가 열린 후 가압판(542)이 하강하여 감압에 의해 산소가 제거된 혼합물질을 혐기성반응조(20)를 구성하는 탱크(400)내로 낙하시킨다.
그러면 상기 혐기성반응조(20)에 새로 투입된 혼합물질은 혐기성반응조(20)의 내부가 철저한 무산소 분위기로 유지되고 평상시에는 35℃ 중온소화를 하고 필요시에는 55℃의 고온소화가 진행되면서 혐기성반응이 유도되어 메탄가스를 발생하게 된다.
이와 같이 발생되는 메탄가스에 의해 설정된 압력이상으로 압력이 높아지면 상부뚜껑(500)에 형성된 진공압력스위치(512)가 작동하여 가스배출관(520)에 구비된 가스배출밸브(521)가 열리면서 메탄가스가 주기적으로 회수된다.
한편, 상기 혐기성반응조(20)에 연속적으로 투입되는 혼합물질은 혐기성반응조(20)내에서 20일의 체류기간이 지나면 소화가 마무리됨에 따라 메탄가스의 발생량이 저감되므로 소화가 마무리된 혐기소화반응 종료물질을 연속적으로 배출하여야 하는데, 배출과정을 살펴보면 먼저 배출탱크(630)에 형성된 상부 유압게이트(631)가 열린 상태에서 상기 하부뚜껑(600)의 바닥면에 배출구(601) 쪽을 향하도록 형성된 여러 개의 이송스크류(610)의 작동으로 혐기소화반응 종료물질을 배출구(601)로 배출되면 그 하측에 설치된 배출관(620) 내부에 형성된 이송스크류(622)의 작동으로 배출관(620)의 출구(620a)와 연결된 배출탱크(630)로 투입된다.
그런 다음에는 상부 유압게이트(631)가 닫힌 상태에서 하부 유압게이트(632)를 열면 배출탱크(630)내에 투입된 혐기반응 종료물질이 외부로 배출된다.
이와 같이 하여 혐기반응 종료물질을 배출시킨 다음에는 하부 유압게이트(632)를 닫은 후 배출탱크(630)내의 내부공기를 배출시켜주어야 하는데 그 이유는 혐기소화반응 종료물질 연속적으로 배출하기 위해서 상부 유압게이트(631)를 열게 되면 내부공기가 배출관(620)을 통해 혐기성반응조(20) 내부로 침투하여 혐기성분위기를 망가트릴 염려가 있기 때문이다.
이하에서는 표 1 내지 표 2와 같이 실험을 통하여 유기물질을 감량하고 가스발생량을 극대화할 수 있도록 하기 위해 시료를 습식과 건식의 2가지 조건으로 달리 투입하는 실험을 진행하고 또한 소화효율의 측면에서 호기성 반응과 혐기성 반응을 함께 진행하는 병용소화와 호기 혹은 혐기성 반응을 각각 진행하는 단일소화를 비교하여 병용소화의 경우 초기에 호기성 반응을 얼마간 유도하는 것이 효율적인지에 관하여 실험하였다.
Figure 112012047357834-pat00001
반응조No
측정회차 		1
( 수분60 %) 		2
( 수분70 %) 		3
( 수분80 %) 		4
( 수분90 %) 		5
( 수분95 %)
1차 1.61 3.23 4.31 2.69 1.08
2차 0.00 2.15 2.69 2.15 1.08
3차 0.22 1.30 1.69 1.49 0.93
평균 0.61 2.23 2.90 2.11 1.03
위 결과는 시료의 수분함량을 조절하여 습식과 건식의 2가지 양상에서 실험해 본 것으로 실험 진행 중 동일한 시점에서 가스량을 측정해본 결과, 함수율이 80%인 3번 반응조의 kg당 가스 발생량이 2.90cm3/kgㆍhr로 가장 많은 것을 알 수 있다.
건식의 경우 TS함량 20~40%의 값을 가지며, 이는 함수율이 80~60%를 의미한다.
따라서 반응기 용량을 최소화시킬 수 있는 건식의 형태로 만드는 것이 더 이점이 있다고 생각되며, 습식보다는 건식에서의 소화가 혐기소화에 있어서 더 유리한 것으로 판단된다.
Figure 112012047357834-pat00002
위 표 3의 결과는 호기, 혐기 치환반응조의 누적가스발생량을 나타낸 그래프로서 호기반응을 거치지 않은 혐기반응조에서 발생한 누적 가스량과 10일 호기 후 식종하여 혐기로 치환한 반응조의 누적 가스량 그래프를 보면 비슷한 추세를 보이는 것을 알 수 있으며, pH를 비교하면 호기 10일을 진행하였을 경우 메탄생성에 적합한 중성과 약알칼리성 영역에 도달하게 되는 것을 알 수 있다.
호기 5일차의 시료와 호기 10일차의 시료의 가스 발생량을 비교하여 보면 10일 호기 후 식종하여 혐기소화 시킨 5번 반응조의 경우가 표 4와 같이 현저하게 높은 가스발생량을 보이는 것을 알 수 있다.
Figure 112012047357834-pat00003
또한, 결과로서 이 연구의 주목적인 메탄회수에 대하여 살펴보면 메탄의 경우 호기반응을 거치지 않고 처음부터 혐기반응으로 이어간 1번 반응조의 가스발생 조성 비율 보다는 호기반응 후 혐기반응으로 치환시키는 나머지 반응조에서 가스발생 조성 비율이 좋게 나온 것을 확인할 수 있었으며, 또한 호기반응의 기간은 5일차 보다는 10일차에서 메탄가스의 발생 조성 비율이 현저히 많은 것을 알 수 있다.
특히, 10일차 호기반응을 거친 후 혐기반응으로 치환한 반응조 중에서도 식종균을 첨가한 5번 반응조의 메탄가스 발생 조성율이 가장 높은 것으로 확인되었으므로 따라서 10일간 호기반응을 거친 후 식종균을 첨가하여 혐기반응으로 치환하는 방법이 메탄가스 회수에 있어서 가장 적절한 방법으로 판단된다.
10:호기성반응조 11:이송콘베이어
20:혐기성반응조 100,400:탱크
110,410:온도감지센서 120:공기주입구
200,500:상부뚜껑 201,501:투입구
210,511:압력게이지 220:공기배출밸브
230:배출교반날개 231,611,621:모터
232:회전축 300,600:하부뚜껑
310,501:배출구 400a,400b:이중벽
512:진공압력스위치 520:가스배출관
530:혼합조 540:진공투입장치
541:유압실린더 542:가압판
543:투입량감지센서 544:진공밸브
546:통형몸체 547,548,631,632:유압게이트
610,622:이송스크류 620:배출관
630:배출탱크

Claims (5)

  1. 내용물이 채워지는 원형의 탱크(100)와, 상기 탱크(100) 상부에 형성되며 유기성폐기물의 투입이 가능하도록 유압실린더에 의해 작동하는 유압게이트(201a)가 구비되는 투입구(201)가 형성된 상부뚜껑(200)과, 상기 탱크(100) 하부에 형성되며 유기성폐기물이 유기물의 분해에 의하여 산발효 공정을 거쳐 약알칼리단계 pH 7.0 영역으로 전환되는 기점에서 배출이 용이하도록 배출구(301)가 형성된 하부뚜껑(300)으로 분리 구성되어 지되,
    상기 탱크(100)는 내부 온도를 감지하는 온도감지센서(110)와, 상기 온도감지센서(110)의 신호에 의해 내부 온도가 설정값이상으로 오르면 공기를 주입하여 온도를 제어할 수 있도록 내부 하측에 공기주입구(120)를 형성하며,
    상기 상부뚜껑(200)은 압력게이지(210), 공기배출팬 또는 공기배출밸브(220) 및 모터(231)의 회전축(232)을 탱크(100) 내부로 수직으로 설치하고 이 회전축(232) 하단부에 배출교반날개(230)를 하부뚜껑(300)에 형성된 배출구(301) 바로 상측에 위치되도록 형성하며,
    상기 하부뚜껑(300)은 배출구(301) 하측에 배출구(301)를 개폐하는 유압게이트(310)를 형성하여서 이루어지는 호기성반응조(10)를 구성하고,
    내용물이 채워지는 원형의 탱크(400)와, 상기 탱크(400) 상부에 형성되며 혼합물질을 투입할 수 있는 투입구(501)가 형성된 상부뚜껑(500)과, 상기 탱크(400) 하부에 형성되며 혐기반응 종료물질을 연속적으로 배출하는 배출구(601)가 형성된 하부뚜껑(600)으로 구성되어 지되,
    상기 탱크(400)는 외벽을 이중벽(400a,400b)으로 형성하고, 이중벽(400a,400b) 내부로 온수를 순환공급하여 탱크(400)내의 온도를 조정할 수 있도록 온도감지센서(410)를 설치하며,
    상기 상부뚜껑(500)에는 압력게이지(511), 내부 진공압을 일정하게 유지하기 위한 진공압력스위치(512), 가스배출밸브(521)가 구비된 가스배출관(520)을 형성함과 동시에 호기성반응조(10)에서 배출되어 이송콘베이어(11)로 이송되는 반응물질과 혐기성소화반응이 종료된 혐기성 반응물질을 혼합하는 역활을 하는 혼합조(530) 및 혼합조(530)와 이송스크류(531)로 연결설치되어 탱크(400) 내부에 혼합물질을 연속적으로 투입하면서 산소가 탱크(400) 내로 들어가지 않도록 압축하여 넣으며 감압에 의해 산소를 제거하는 진공투입장치(540)를 형성하며,
    상기 하부뚜껑(600)에는 바닥면에 배출구(601) 쪽을 향하여 모터(611)에 의해 회전하는 이송스크류(610)를 형성하고, 배출구(601) 바로 하측에는 내부에 모터(621)에 의해 회전하는 이송스크류(622)가 구비된 배출관(620) 및 배출관(620)의 출구(620a)에 상,하부에 각각 유압게이트(631)(632)가 구비되고 외면에는 진공밸브(633)가 구비되는 혐기반응 종료물질 배출용 배출탱크(630)를 형성하여서 이루어지는 혐기성반응조(20)를 구성하여,
    상기 호기성반응조(10)와 혐기성반응조(20)를 이송콘베이어(11)로 연계설치하여서 상기 호기성반응조(10)의 배출구(301)를 통해 배출된 호기성반응물질이 이송콘베이어(11)에 의해 혐기성반응조(20)로 공급되어지도록 구성되어짐을 특징으로 하는 연속식 호기,혐기 건식발효시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혐기성반응조(20)의 상부뚜껑(500)에 구비되는 진공투입장치(540)는,
    상기 상부뚜껑(500)의 투입구(501)에 하단이 일체로 고정설치되고, 상면에는 유압실린더(541)에 의해 상,하 작동하는 가압판(542)이 구비되며, 외면에 투입량감지센서(543) 및 진공밸브(544)가 구비됨과 동시에 외면이 가스배출관(545)과 연결설치되는 통형몸체(546)와,
    상기 통형몸체(546) 외면에 형성되어 혼합조(530)와 연결설치된 이송스크류(531)로부터 이송되는 혼합물질이 통형몸체(546)내부로 투입되는 것을 단속하는 유압게이트(548)와,
    상기 통형몸체(546)하부에 설치되어 통형몸체(546)내부에 넣어진 혼합물질이 혐기성반응조(20)를 구성하는 탱크(400) 내부로 투입되는 것을 단속하는 유압게이트(548)로 이루어진 것임을 특징으로 하는 연속식 호기,혐기 건식발효시스템.
  3. 수거 후 자연탈수(정치)하여 수분함량이 80% 전후인 것을 선별기에 투입하여 비닐, 협잡물 등을 제거하여서 된 음식물류폐기물 50중량%와,
    탈수기를 이용하여 탈수하여 수분함량이 78% 전후인 하수슬러지 20중량%와,
    전정지(과수(果樹) 및 정원수(庭園樹)를 자른 가지)를 파쇄 후 일정기간 저장하여 수분함량이 20% 전후인 것을 가공하여 만든 톱밥 25중량%와,
    호기성반응조에서 발효된 것으로서 수분함량이 50% 전후인 유기성 반응종료물질 0.5중량%를 준비하는 단계(A)와;
    상기 단계(A)에서 준비된 음식물류폐기물, 하수슬러지, 톱밥을 혼합조에 넣고 혼합하되, 수분함량이 65% 전후가 되도록 하는 단계(B)와;
    상기 단계(B)에서 혼합조에 넣어져 혼합된 혼합물에 단계(A)에서 별도로 준비된 수분함량이 50%전후의 호기성 반응종료물질 0.5중량%을 혼합하는 단계(C)와;
    상기 단계(C)에서 혼합완료된 원료혼합물인 유기성폐기물을 호기성반응조(10)에 연속적으로 투입하고 유기성폐기물 양에 비례하여 공기공급량을 조절하며 평시에 30L/minㆍton으로 공급하고, 호기성반응조내 온도가 55℃ 이상으로 상승 시에는 10배로 공기공급량을 늘려 0.3m3/minㆍton으로 공급하는 방법으로 온도를 제어하는 단계(D)와,
    상기 단계(D)에서 호기성반응조 내의 반응물질이 유기물의 분해에 의하여 산발효 공정을 거쳐 약알칼리단계 pH 7.0 영역으로 전환되는 기점에서 내부 반응물질을 배출하는 단계(E)와,(체류시간 10일)
    상기 단계(E)에서 배출된 반응물질을 이송콘베이어(11)를 이용하여 혼합조(530)로 이송한 후 혐기성 반응이 종료된 혐기성 반응물질을 반응물질과의 중량비 대비 0.5중량% 혼합하는 단계(F)와,
    상기 단계(F)에서 혼합조(530)에서 혼합된 혼합물질을 혐기성반응조(20)에 연속적으로 투입하면서 투입량을 확인하되, 산소가 혐기성반응조(20)로 들어가지 않도록 압축하여 넣으며 감압에 의해 산소를 제거하는 진공투입장치(540)를 이용하여 투입하는 단계(G)와,
    상기 단계(G)에서 혐기성반응조(20)에 새로 투입된 혼합물질을 혐기성반응조(20)의 내부를 철저한 무산소 분위기로 유지하고 기본적으로 35℃의 중온소화, 55℃의 고온소화 모두 가능한 가온장치를 이용하여 평상시에는 35℃ 중온소화를 하고 필요시에는 55℃의 고온소화를 진행하면서 혐기성반응을 유도하면서 메탄가스를 일정압력이상이 되었을 때 회수하는 방법으로 주기적으로 회수하되, 상기 혐기성반응조(20)에 넣어지는 혼합물질은 20일의 체류기간이 지나면 소화가 마무리됨에 따라 메탄가스의 발생량이 저감되므로 소화가 마무리된 혐기반응 종료물질을 연속적으로 배출하는 단계(I)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 연속식 호기,혐기 건식발효방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단계(I)를 거쳐 배출되는 혐기반응 종료물질이 일부분은 산소가 차단된 환경으로 반송되어 재차 혐기성반응조(20)로 투입되어지고,
    나머지는 호기성 반응을 주로 하는 후숙조에서 재차 분해반응을 유도하여 퇴비로 사용함을 특징으로 하는 연속식 호기,혐기 건식발효방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 혐기반응 종료물질이 넣어져 호기성 반응이 이루어지는 후숙조에 공급되는 산소량은 10L/minㆍton 수준임을 특징으로 하는 연속식 호기,혐기 건식발효방법.
KR20120063727A 2012-06-14 2012-06-14 연속식 호기,혐기 건식발효시스템 및 방법 KR101276758B1 (ko)

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