KR101300234B1 - 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응축, 광산화 단계, 산성수 세척 및 알카리수 세척단계를 통하여 축산분뇨의 연료 및 퇴비화 과정 중에 발생하는 악취를 제거하는 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 축산분뇨의 연료화 및 퇴비화 공정에서 발생하는 복합 악취를 단계적으로 완전히 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 사용 및 설치가 용이한 장치를 사용하여, 축산분뇨를 축산 농가 근처에서 연료화 및 퇴비화할 수 있고, 저비용으로 악취를 제거할 수 있어 경제적인 효과가 있다.

Description

광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치 및 방법{Apparatus and Method for Removing Livestock Excrement Odor Using Photo-Oxidation Process}

본 발명은 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응축, 광산화 단계, 산성수 세척 및 알카리수 세척단계를 통하여 축산분뇨의 연료 및 퇴비화 과정 중에 발생하는 악취를 제거하는 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치 및 방법에 관한 것이다.

소, 돼지 등의 가축의 축산 산업이나 양계 축사가 대형화되면서, 축사 및 가축의 분뇨로부터 발생되는 냄새가 문제가 되고 있으며, 특히 이러한 가축의 분뇨를 유기 비료 또는 연료로 재생하기 위한 퇴비 공정에 있어서도 분뇨의 발효, 건조의 과정에서 암모니아를 고농도로 포함하는 냄새가 발생되고 있다. 이러한 악취로 인해 축사나 퇴비 공장의 조업에 문제가 될 뿐 아니라, 주변 지역에 악취 공해를 유발하고 부근의 주민 생활에 불편을 줄 수 있다.

이러한 복합 악취는 그 발생량이 갈수록 증가하고 있는 실정이며, 그 처리방법이 까다롭고 번거로워 그에 따른 민원 발생이 더욱 극심해지고 있다. 이에 따라서 악취가 발생하는 사업장이나 시설에 대해 악취처리시설의 설치가 의무화되고 있다.

그러나, 축산분뇨에서 방출되는 악취의 경우 한두 종류의 악취가 아닌 유·무기성, 산성, 알칼리성 등을 포함하고 있는 복합적인 성분의 것이므로, 단순히 물을 뿌리는 방법을 이용하거나, 황산이나 가성소다 등의 약액으로 악취성분과 화학반응이 일어나도록 하는 일반적인 악취처리 시설을 이용할 경우 악취처리가 상당히 미흡한 실정이다.

일반적으로 알려진 탈취 방법에는 (1) 탈취제를 이용하는 방법, (2) 미생물 처리법, (3) 연소법, (4) 약액 탈취법 등이 있다. 탈취제를 이용하는 방법의 예로는 활성탄에 의한 물리 흡착, 산화제에 의한 화학 분해, 마스킹(masking)제에 의한 방향의 부여 등을 들 수 있는데 이들은 수명이 짧거나, 단일 성분의 악취에만 효과가 있어 근본적인 탈취 방법이라 말할 수 없다. 미생물 처리의 경우 시간 및 비용이 많이 들고 대규모의 설비를 필요로 하는 단점이 있고, 연소법의 경우 고가의 비용이 소비되며, 약액 탈취법은 비용이 많이 소요될 뿐 아니라, 탈취 후 고형물이 생성되어 장치를 관리하는 데 어려움이 있다.

일본공개특허 1993-015732에서는 가축의 분뇨 처리의 때에 발생한 악취 가스를 산성 수용액에 접촉시켜, 암모니아，트리메틸아민 등의 알칼리성 악취 성분을 제거하고，뒤이어，가스를 인산，아인산，차 아인산 및 이러한 염 및 과산화물으로 된 군으로부터 선택된 적어도 일종의 화합물을 포함한 탈취제에 접촉시켜 탈취하는 방법 및 장치를 제시하였으나, 이 방법의 경우 탈취를 행한 뒤에 냄새와 탈취제와의 반응물이 생성되므로 이를 폐기물로 처리해야 할 필요가 있어 처리 비용이 증가하고 공정이 복잡해지는 문제가 있다.

또한, 일본공개특허 2004-337533의 경우 리그닌 술폰산 혹은 그 염을 이용한 탈취제를 축산분뇨에 직접 살포하여 탈취하는 방법을 제시하였으나, 이 경우 분뇨의 전량에 살포해야 하여 사용량이 방대해지고, 축산분뇨를 이용하여 비료를 조제하는 공정일 경우 비료에 탈취제 성분이 혼입되어 지는 문제가 있다.

또한, 일본공개특허 2009-268754에서는 인산, 사과산, 구연산, 주석산 및 유산으로부터 선택되는 적어도 한 종류의 유기산을 함유하는 탈취제를 제시하였다. 이 방법의 경우, 폐기물을 발생시키지 않고 냄새를 제거할 수 있는 방법을 제시하였으나, 탈취제의 성분이 암모니아와 반응하여 암모니아를 함유하는 악취만을 제거할 수 있기 때문에 복합 악취 중 이를 제외한 다른 성분에 대한 탈취가 완전히 이루어지지 않는 단점이 있다.

그리고, 한국공개특허 2010-0033568에서는 세라믹 촉매를 이용하고, 염기성, 산성, 중성으로 구성된 복합악취 3단계의 처리 장치를 제시하였으나, 사용되는 화학물질과 장치에 대한 취급이 용이하지 않은 단점이 있다.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 광산화 공정, 산성수 세척 및 알카리수 세척 단계를 거쳐 축산분뇨를 처리할 경우,축산분뇨의 연료화 및 퇴비화 공정에서 발생하는 복합 악취를 단계적으로 완전히 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 악취 제거 후 부산물이 생성되지 않으므로 추가적인 공정이 필요하지 않으며, 사용 및 설치가 용이한 장치를 사용하여, 축산분뇨를 축산 농가 근처에서 연료화 및 퇴비화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 축산분뇨의 연료 및 퇴비화 과정 중에 발생하는 악취를 제거하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 축산분뇨 가스를 응축시키는 응축부; 상기 축산분뇨 가스와 반응하여 유기물 성분의 악취를 제거하는 AOP(advanced oxydation process) 광산화부; 상기 AOP 광산화부에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 알카리성 악취물질을 중화시키는 산성수 세척부; 상기 산성수 세척부에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 산성 악취물질을 중화시키는 알칼리수 세척부; 및 상기 산성수 세척부 및 알카리수 세척부에 각각 산성수 및 알카리수를 공급하는 소금물 전기분해조를 포함하는 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치를 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 축산분뇨 가스를 응축시키는 응축 단계; (b) 상기 축산분뇨 가스의 유기물 성분의 악취를 광산화부에서 AOP광산화 공정을 통해서 제거하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 알칼리성 악취물질을 산성수 세척부에서 제거하는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 산성 악취물질을 알카리수 세척부에서 제거하는 단계를 포함하는 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 광산화 공정, 산성수 세척 및 알카리수 세척 단계를 거쳐 축산분뇨를 처리할 경우, 축산분뇨의 연료화 및 퇴비화 공정에서 발생하는 복합 악취를 단계적으로 완전히 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 사용 및 설치가 용이한 장치를 사용하여, 축산분뇨를 축산 농가 근처에서 연료화 및 퇴비화할 수 있고, 저비용으로 악취를 제거할 수 있어 경제적인 효과가 있다.

도 1은 축산 분뇨 가스를 응축시키는 응축 단계를 나타낸 것이다.
도 2는 광산화 공정이 일어나는 AOP 광산화부 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 산성수 세척부 장치를 나타낸 것이다.
도 4은 알카리수 세척부 장치를 나타낸 것이다.
도 5는 응축부, 광산화부, 산성수 세척부 및 알칼리수 세척부를 포함한 축산분뇨 악취제거 장치를 나타낸 것이다.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명에서는, 본 발명의 장치를 사용하여 광산화 공정, 산성수 세척 및 알카리수 세척 단계를 거쳐 축산분뇨를 처리할 경우, 축산분뇨의 연료화 및 퇴비화 공정에서 발생하는 복합 악취를 단계적으로 완전히 제거할 수 있으며, 사용 및 설치가 용이한 것을 확인하고자 하였다.

본 발명에서는, 본 발명의 장치를 사용하여 광산화 공정, 산성수 세척 및 알카리수 세척 단계를 거쳐 축산분뇨의 처리를 수행하였다. 그 결과 복합 악취를 단계적으로 완전히 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 악취 제거 후 부산물이 생성되지 않으므로 추가적인 공정이 필요하지 않으며, 사용 및 설치가 용이한 장치를 사용하여, 축산분뇨의 연료화 및 퇴비화 공정을 축산 농가 근처에서 상업화할 수 있음을 확인하였다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서 축산분뇨 가스를 응축시키는 응축부; 상기 축산분뇨 가스와 반응하여 유기물 성분의 악취를 제거하는 AOP(advanced oxydation process) 광산화부; 상기 AOP 광산화부에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 알카리성 악취물질을 중화시키는 산성수 세척부; 상기 산성수 세척부에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 산성 악취물질을 중화시키는 알칼리수 세척부; 및 상기 산성수 세척부 및 알카리수 세척부에 각각 산성수 및 알카리수를 공급하는 소금물 전기분해조를 포함하는 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 축산분뇨는 80%이상의 수분을 함유하고 있으며, 이 수분의 대부분은 암모니아로 대표되는 강알칼리성 악취물질이다.

본 발명에 있어서, 상기 응축부는 강알칼리성 악취 물질인 발효조에서 나온 60℃ 이상의 배기 가스를 응축기를 통해 제거하는 방식으로 설계되었다. 이 응축기는 밀폐된 용기내에 밀폐된 용기내에 써스(steel use stainless) 파이프를 이용하여 냉각수 통로를 형성하고, 펌프를 이용하여 냉각수를 통과시켜 응축시킨다. 이 냉각수는 간이 쿨링타워를 통해 자연냉각시켜 순환하는 방식을 이용하였다. 여기에서 수분을 제거함으로써 후단인 산성수 세척조의 오염을 크게 줄일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광산화부는 AOP(advanced oxydation process)를 수행하기 위하여 오존발생기를 설치하고 여기에 추가로 자외선 램프를 설치하여 산화력이 강한 수산화기 라디칼을 생성시키고 오존에서 활성산소를 더욱 많이 분리할 수 있게 하였다.

본 발명에 있어서, 광산화 공정은 빛의 흡수에 의해서 일어나는 산화 과정으로, 빛의 흡수에 의해서 생긴 들뜬 분자나 자유라디칼이 산소분자와 직접 화합하여 과산화물을 형성하는 경우와 생성된 들뜬분자가 산소로 에너지 이동하여 들뜬 산소를 형성하고, 그 들뜬산소가 다른 분자와 화합하는 경우가 있다. 이러한 반응은 환경친화적 정화기술에 이용되고 있으며, 이중 AOP(advanced oxydation process)는 자외선과 오존을 동시에 발생하는 광산화 공정으로 수산화기 라디칼을 생성하여 각종 오염 물질인 유기물을 산화 처리하는 기술이다. 이 기술은 방전 램프에 자외선 파장인 253.7nm와 오존 생성파장인 184.9nm를 동시에 발생시켜주어 공기중의 산소와 결합하여 광분해하는 과정에서 다량의 수산화기 라디칼을 생성하는 특징이 있다. AOP방식은 독성을 전혀 남기지 않으면서 우수한 살균력을 나타낼 수 있는데 기존의 산화제인 염소, 이산화염소, 과망간산칼륨 등보다 훨씬 강한 산화력을 가지고 있을 뿐만 아니라, 오존발생기 단독 사용에 비해서 독성이나 잔류물질을 남기지 않으면서 10~10,000배까지 반응 속도를 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, AOP는 다양한 분야에 용이하게 적용할 수 있고, 수명이 길기 때문에 매우 경제적이다.

본 발명에 있어서, 상기 산성수 세척부는 소금물 전기분해조에서 생성된 차아염소산수(HOCl)를 이용하여 알카리성 악취물질을 걸러내는 것을 특징으로 하며, 2개의 관로에 각각 6개의 스파이럴 노즐(spiral nozzle)을 설치하여 다중의 수막을 형성할 수 있게 하였고, 펌프를 통해 전기 분해조에서 공급된 강산성차아염소산수를 분사시켜 배기가스 중에 함유된 알카리성 악취를 제거하였다. 또한, 밀폐 용기내의 강산성차아염소산수는 계속적으로 전기분해조에서 새로 분해되어 제조된 강산성차아염소산수를 공급하고 오염된 용액은 일정량씩 over flow되는 구조로 설계되었다. 상기 차아염소산수(HOCl)은 살균력과 알칼리성 악취에 대한 탈취 효과가 매우 우수하며 이를 이용하여 축산분뇨 악취의 대부분을 차지하는 알카리성 악취를 제거할 수 있고, 0.2%의 염화나트륨 용액을 전기분해하여 플러스 극에서 얻어지며 pH 2.7 ~ 3을 나타낸다.

본 발명에 있어서, 산성수 세척부 전단에 설치된 블로우어(blower)의 배기 용량은 일정하게 정해져 있기 때문에 발효 시간별 변화하는 냄새의 양 및 종류에 따라 변화해야 하고 전기분해조의 pH값과도 연동되어 관리되어져야 하기 때문에 모터의 속도제어를 할 수 있는 속도 조절 장치를 설치하여 이를 해결하였다.

본 발명에 있어서, 상기 알카리수 세척부는 소금물 전기분해조에서 생성된 수산화나트륨(NaOH)용액을 이용하여 산성 악취 물질을 제거하는 것을 특징으로 하며, 아래쪽에 미세 분무노즐을 나선형으로 3~6개 설치하여 안개상태의 분위기를 만들어 배기 가스 중에 잔류한 산성 악취 물질과 반응하도록 하였고, 상단은 반응된 물질이 밖으로 직접 배출되는 것을 방지하기 위하여 격자 구조의 격막을 형성시켜 부딪혀 떨어지는 구조로 설계하였다. 또한, 상기 산성수 세척부에서와 마찬가지로 전기분해조에서 만들어진 수산화나트륨(NaOH)용액이 계속 공급되고 오염된 물질은 일정량씩 over flow되는 방식으로 설계되었다. 상기 수산화나트륨(NaOH)용액은 0.2%의 염화나트륨 용액을 전기분해하여 얻어지며 pH10 이상을 나타내고 전기 분해시 마이너스 극에서 발생된다.

상기 전기 분해조는 소금물을 분해하여 산성수 세척부 및 알카리수 세척부에 각각 산성수 및 알카리수를 공급하며, 전기분해시 차아염소산수 및 수산화나트륨 용액과 함께 Cl가스가 발생하는데 이는 유해한 가스이므로 식약청에서 허용한 200ppm을 초과하지 않기 위해 전기분해조의 전원 공급측에 On-Off타임을 조절할 수 있는 타이머를 설치하여 이를 관리하도록 하였고, 이 조절을 통해 차아염소산수 및 수산화나트륨 용액의 pH도 적절하게 조절할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 과정에서 Over flow된 차아염소산수 및 수산화나트륨 용액은 하나의 용기에서 합쳐져서 염화나트륨 용액으로 중화되며, 전기분해조에 재투입되어 사용함으로써 폐기물의 양을 감소시켰다.

본 발명은 또 다른 관점에서, (a) 축산분뇨 가스를 응축시키는 응축 단계; (b) 상기 축산분뇨 가스의 유기물 성분의 악취를 광산화부에서 AOP광산화 공정을 통해서 제거하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 알칼리성 악취물질을 산성수 세척부에서 제거하는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 산성 악취물질을 알카리수 세척부에서 제거하는 단계를 포함하는 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 응축 단계는 밀폐된 용기내에 냉각수를 통과시켜 응축시킴으로써, 수분을 제거하고 이와 함께 강알칼리성 악취물질을 제거하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 광산화 단계는 AOP(advanced oxydation process) 광산화 공정을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 산성수 세척단계는 차아염소산수(HOCl)로 수막을 형성하여 알카리성 악취물질을 걸러내는 것을 특징으로 하며, 1차 및 2차의 두 단계로 수행된다.

본 발명에 있어서, 상기 알카리수 세척단계는 수산화나트륨(NaOH)용액을 분무하여 산성 악취 물질이 제거되는 것을 특징으로 한다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것이 아니라는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

악취 성분 제거 실험

악취의 성분 중에서 가장 많이 발생하는 성분인 암모니아(NH₃)와 이산화황(H₂S)에 대하여 실험을 실시하였다. 실험 전 가스의 성분을 가스크로마토그래피(HP5892 II Gas Chromatography 및 Mass selective detector)를 통하여 분석하였을 때, 암모니아 가스는 40ppm으로 측정되었고 이산화황은 30ppm으로 측정되었다. 본 발명의 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치를 통과한 후, 가스크로마토그래피를 통하여 가스의 성분을 재분석하였을 때, 알카리성 악취인 암모니아 가스의 경우 5~6ppm으로 악취의 85~88%가 감소하였으며, 산성 악취인 이산화황은 7.5ppm으로 악취의 75%가 감소하였다. 또한 축분 발효시 발생하는 가스 중 악취제거장치를 통과한 공기에서는 무황 화합물 계열 등은 나타나지 않았다.

이러한 결과를 통하여, 본 발명의 장치를 사용하여 광산화 공정, 산성수 세척 및 알카리수 세척 단계를 거쳐 축산분뇨를 처리할 경우, 축산분뇨의 연료화 및 퇴비화 공정에서 발생하는 복합 악취를 단계적으로 완전히 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 악취 제거 후 부산물이 생성되지 않으므로 추가적인 공정이 필요하지 않다는 것을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 첨가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

1 : 응축부
2 : 광산화부(AOP : Advanced Oxydation Process)
3 : 산성수 세척부
3-1 : Spiral Nozzle
3-2: 차아염소산수(HOCl)
3-3: 소금물 전기 분해조
3-4: Motor Pump
4 : 알칼리수 세척부
4-1 : 격자 구조 격막
4-2 : 나선형 미세 분무 노즐

Claims (11)

1. 축산분뇨 가스를 응축시키는 응축부;
   상기 응축부에서 응축되지 않은 축산분뇨 가스의 유기물 성분의 악취를 제거하기 위한 오존발생기와 자외선 램프가 장착된 AOP(advanced oxydation process) 광산화부;
   소금물을 전기분해하여 차아염소산수와 수산화나트륨 용액을 생성하고, 전기분해시 부생성물로 생성되는 염소가스의 농도와 pH를 조절하는 타이머가 장착된 소금물 전기분해조;
   상기 소금물 전기분해조로부터 공급받은 차아염소산수를 스파이럴 노즐을 통해 다중의 수막 형태로 분사시켜 AOP 광산화부에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 알카리성 악취물질을 중화시키는 산성수 세척부; 및
   상기 산성수 세척부에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 산성 악취물질을 중화시키기 위하여 상기 소금물 전기분해조로부터 공급받은 수산화나트륨 용액을 분무하는 미세 분무노즐 3~6개가 나선형으로 하부에 설치되어 있고, 수산화나트륨 용액과 산성 악취물질이 외부로 배출되는 것을 방지하기 위해 격자구조의 격막이 상부에 형성되어 있는 관형의 알칼리수 세척부를 포함하는 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 산성수 세척부는 전단의 블로우어(blower)에 모터의 속도 제어를 위한 속도조절 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산화 공정을 이용한 축산분뇨 악취 제거장치.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 다음 단계를 포함하는, 제1항의 축산분뇨 악취 제거장치를 이용한 축산분뇨 악취 제거방법:
   (a) 축산분뇨 가스를 응축부에서 응축시키는 응축 단계;
   (b) 상기 응축부에서 수분이 제거된 축산분뇨 가스의 유기물 성분의 악취를 AOP 광산화부에서 AOP광산화 공정을 통해서 제거하는 단계;
   (c) 소금물 전기분해조로부터 공급받은 차아염소산수(HOCL)를 산성수 세척부에서 수막을 형성시켜 (b)단계에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 알칼리성 악취물질을 산성수 세척부에서 제거하는 단계; 및
   (d) 소금물 전기분해조로부터 공급받은 수산화나트륨(NaOH)용액을 알카리수 세척부에서 분무하여 (c)단계에서 제거되지 않은 축산분뇨 가스의 산성 악취물질을 알카리수 세척부에서 제거하는 단계.
   
9. 삭제
10. 제8항에 있어서, 상기 산성수 세척단계는 1차 및 2차의 두 단계로 수행되는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 악취 제거방법.
    
11. 삭제

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