KR101313766B1 - 가축분뇨와 부재료의 혼합물을 이용한 고효율 혐기성소화 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가축분뇨 및 부재료 혼합에 의한 유기산(VFAs) 생성을 극대화시켜 메탄발효조의 에너지회수효율 및 안전성을 극대화하여 처리하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 수거된 가축분뇨를 저장하기 위한 가축분뇨저장조; 볏짚, 갈대, 억새등의 부재료를 저장 및 파쇄나 절단하기 위한 부재료저장조; 상기 가축분뇨저장조로부터 유입되는 가축분뇨와 상기 부재료저장조로부터 유입되는 부재료를 혼합하기 위한 혼합조; 상기 혼합조에서의 혼합된 혼합물을 유입받아 산 생성을 위한 산생성조; 상기 산생성조로부터의 발효물을 유입받아 고액 분리하기 위한 고액분리장치; 상기 고액분리장치로부터 분리액을 상향류방식으로 유입시켜 메탄발효를 통해 메탄가스를 생산하는 메탄발효조; 그리고 상기 메탄발효조에서 배출되는 소화액을 유입받아 액비를 생산하는 액비발효조를 포함하는, 가축분뇨와 부재료의 혼합물을 이용한 고효율 혐기성 소화장치가 개시된다.

Description

가축분뇨와 부재료의 혼합물을 이용한 고효율 혐기성소화 장치 및 방법 {Apparatus and method for high-performance anaerobic digestion using mixture of livestock wastewater and subsidiary materials}

본 발명은 가축분뇨와 볏짚, 갈대, 억새 등의 부재료를 혼합하여 혐기성소화 처리하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가축분뇨 및 부재료 혼합에 의한 유기산(VFAs) 생성을 극대화시켜 메탄발효조의 에너지회수효율 및 안전성을 극대화하여 처리하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

국내 가축분뇨의 일일 배출량은 약 13만톤으로 전체 수질오염원에서 차지하는 비중은 배출량을 기준으로 단지 0.6%에 불과하지만 오염부하량으로 환산하면 가축분뇨에 있는 BOD와 총 질소, 총 인이 전체 오염부하에서 차지하는 양은 각각 20%, 13%, 51%에 달한다.

현재 상기와 같은 유기물 및 영양염 농도가 높은 가축분뇨를 처리하는 방법으로는 혐기성소화기술이 많이 이용되고 있는데, 혐기성소화 처리 시 발생되는 CH4 gas는 에너지원으로 활용할 수 있고 슬러지도 적게 발생되는 장점이 있으나, 가축분뇨의 경우 음식물류폐기물에 비해 수분함량이 높고, 유기탄소원이 상대적으로 적은 특성상 혐기성소화에 의한 메탄회수율이 낮은 문제점이 있어서 혐기성 소화법을 가축분뇨 등의 처리에 적용하기에는 부적합한 문제점을 안고 있다.

여기서 일반적인 혐기성 분해반응을 살펴보면 혐기성 분해 반응은 생물학적으로 분해가 가능한 유기성 고형물 또는 용존성 유기물이 용존산소(DO)가 없는 상태에서 메탄과 이산화탄소로 전환되는 과정으로 간단하게 정의 될 수 있으며, 실제로는 기질에 따른 반응경로 및 관련 미생물이 아직까지 정확히 규명되지 않은 매우 복잡한 반응경로를 갖는다. 혐기성 분해단계는 가수분해, 산생성, 메탄생성의 3단계로 이루어지는 연속적인 반응이다.

상기 분해 단계에서의 가수분해(hydrolysis)는 혐기성 소화공정의 첫 단계로서, 고형물이 용존성 물질로 전화되어 산생성 미생물에 의해 사용되는 간단한 단량체를 생산하는 과정으로 설명될 수 있다. 즉, 효소에 의한 반응으로 고분자 유기물질(탄수화물, 단백질, 지질)이 산생성 미생물들이 분비하는 체외효소에 의해 저분자 유기물질인 단당류, 아미노산, 글리세롤, 고급지방산LCFAs)과 같은 유기단량체로 전화되는 반응이다.

또한 산생성 단계는 가수분해 반응결과 생성된 물질이 이 반응에 관여하는 미생물의 전자공여체와 전자수용체로서 이용되어 저급지방산(SCFAs)으로 전환되는 반응이다. 상기의 저급지방산은 발효가 더 진행되어 최종적으로 메탄생성의 전구물질인 초산, 알콜, 이산화탄소, 및 수소 등을 생산한다. 여기서, 유기산이 아세테이트와 수소로 전환되는 과정을 열역학적으로 고찰하면 소화공정내에서 낮은 수소 분압(H2<10-4)이 요구되며 그렇지 않은 경우에는 다음 단계에서 메탄생성효율이 떨어진다.

CH3CH2OH(ethanol) + H2O → CH3COOH + 2H2

CH3CH2COOH(propionate) + 2H2O → CH3COOH + CO2 + 3H2

CH3CH2CH2COOH(butyrate) + 2H2O → 2CH3COOH + 3H2

그 다음, 혐기성 소화의 최종단계인 메탄생성은 산생성 과정에서 최종적으로 생산된 아세테이트와 수소를 이용하여 메탄과 이산화탄소를 생성하는 반응이다. 메탄생성반응에는 대표적인 두 그룹의 미생물이 관여하는데, 아세테이트를 이용하는 메탄생성균과 수소를 이용하는 수소이용 메탄생성균으로 나뉜다. 메탄생성과정은 유기성폐기물을 혐기소화과정을 통해 바이오가스를 회수하는데 가장 중추적인 역할을 하는 만큼 메탄생성균이 서식할 수 있는 유리한 환경을 조성하는 것이 혐기성소화기술의 핵심이라고 할 수 있다.

또한, 혐기성소화기술은 소화조의 형태에 따라 단상소화와 2상소화로 구분이 가능하고, 소화조 내 폐기물의 고형물함량에 따라 건식소화와 습식소화로 구분할 수 있다. 여기서, 소화조의 형태에 따른 구분을 살펴보면, 국내에 설치된 소화조는 산 발효 및 메탄 발효를 1개의 소화조에서 수행하는 단상소화와 산생성 및 메탄 발효를 별도의 소화조에서 수행하는 2상소화로 구분된다.

이러한 단상소화방식과 2상소화방식을 비교하면 다음의 표와 같다.

상기에서 단상소화방식은 산생성과 메탄발효가 하나의 반응조에서 순차적 또는 동시에 일어나므로 산생성 속도를 제어하기 어려울 뿐만아니라 각 단계를 최적상태로 유지하기가 어렵고, 특히 반응조 내의 VFA(Volatile Fatty Acid : 휘발성 지방산) 축적이 발생할 경우 메탄발효에 저해인자로 작용하게 된다는 단점을 갖고 있다.

결과적으로 소화방식의 결정에 있어 대상물질의 특성이 중요한 인자로 작용한다고 할 수 있다.

한편, 상기와 같은 유기성 폐기물이나 축산 폐수를 처리하는 종래 기술로는, 음식물 쓰레기 등의 유기성 폐기물을 톱밥, 왕겨나 볏짚가루, 차찌꺼기, 커피찌꺼기, 수수류의 짜고 남은 찌꺼기 등의 유기물로 이루어진 마굿간 바닥에 말의 대변이 섞여진 마굿간바닥 폐기물을 혼합하고, 상기 마굿간바닥 폐기물에 생육하는 말의 대변균군에 의해 상기 유기성폐기물을 분해하는 유기성 폐기물처리방법과, 이를 위한 처리설비를 공개하고 있는 공개특허 제 10-2001-0071614호가 있으나 본 발명과는 추구하는 목적 및 이에 따른 구성이 전혀 다른 발명으로 판단된다.

또한 등록특허 제 10-0374515호에서는 축산폐수 처리방법 및 그 장치를 개시하고 있는데, 상기 특허 발명에서는 폐수저장조, 소화조, 가스세정조 및 공급배관 등으로 구성되어 있어서, 상기와 같은 단상소화방식으로써 단상소화방식이 안고 있는 단점을 여전히 갖고 있는 발명으로 판단된다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술에서의 가축분뇨 처리에서 혐기성소화 방법의 문제점을 해결하고 볏짚, 갈대 등 부재료를 가축분뇨와 혼합하여 메탄전구물질인 아세트산 생성을 증대하여 최종 메탄회수율을 증대시킬 수 있는 처리 장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 또한, 부재료와의 혼합소화 시 빠른 산생성속도로 인해 VFAs의 과다 축적으로 인한 메탄발효반응의 저해를 2상소화방식을 적용함으로써 최적의 운전조건을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여;

수거된 가축분뇨를 저장하기 위한 가축분뇨저장조; 볏짚, 갈대, 억새등의 부재료를 저장 및 패쇄나 절단하기 위한 부재료저장조; 상기 가축분뇨저장조로부터 유입되는 가축분뇨와 상기 부재료저장조로부터 유입되는 부재료를 혼합하기 위한 혼합조; 상기 혼합조에서의 혼합된 혼합물을 유입받아 산 생성을 위한 산생성조; 상기 산생성조로부터의 발효물을 유입받아 고액 분리하기 위한 고액분리장치; 상기 고액분리장치로부터 분리액을 상향류방식으로 유입시켜 메탄발효를 통해 메탄가스를 생산하는 메탄발효조; 그리고 상기 메탄발효조에서 배출되는 소화액을 유입받아 액비를 생산하는 액비발효조를 포함하는, 가축분뇨와 부재료의 혼합물을 이용한 고효율 혐기성 소화장치를 제공한다.

상기에서, 상기 가축분뇨저장조에서는 기본적으로 일처리량의 2배를 저장할 수 있는 2일동안 체류시킴이 바람직하고, 부재료 저장조에서는 부재료로 사용되는 볏짚등을 저장하는 역할을 하는 곳으로 약 2개월동안 저장하여 통상적으로 최초부재료가 갖고 있는 함수율 60%이상을 20%이하로 건조되게 한다.

또한 상기 부재료는 산생성반응에 있어서 미생물과의 접촉면적을 증대시키고 교반이 잘 되게 하기 위해서는 가능하면 세절함이 바람직하나 장비 등을 고려해 1cm내외로 절단하여 사용한다.

또한 상기 혼합조에서의 가축분뇨와 부재료의 혼합은 교반효율성과 메탄발생량 증대를 고려해 부재료를 가축분뇨중량의 2~7%, 즉 가축분뇨:부재료의 중량으로 약 50:1~14:1로 혼합함이 바람직한데. 2% 이하에서는 효과가 없고 7%를 넣게 되면 반응조 내에서의 교반이 충분이 이루어지지 않으며 이에 따라 교반에 소요되는 에너지등이 많이 소모되어 비경제적이므로 상기와 같이 혼합한다.

상기 혼합조에서는 충분한 혼합을 위해 약 1일간 체류시키며 상온상태를 유지함이 바람직하다.

또한 상기 산생성조에서는 약 5일간 체류시키며 35℃의 중온에서 소화시킴이 바람직한데, 이는 고온소화보다 메탄가스로의 손실량을 절감하고 미생물 사멸율을 낮추며 낮은 에너지 요구량에 따른 처리비용 등을 고려한 것이다.

또한 상기 고액분리장치는 통상의 스크류프레스타입을 사용해 찌꺼기는 하부에 설치되는 퇴비발효조로 이송시키고 유기산을 다량 포함하고 있는 액은 메탄생성발효조로 이송시킨다.

상기에서의 메탄발효조에서는 UASB형태로 적용되며 고액분리장치로부터 유입된 분리액을 약 15일간 35℃에서 체류시키는데 이는 유입액의 유기산 함유, 고형물 농도 등을 고려한 것이다.

또한, 상기 산생성조에는 교반날개가 바닥과 긴 축은 약 10~15cm 정도로 이격되게 설치하여 교반효율을 증대시키고 하부에는 스크류타입의 배출이 되도록 하는데 상기 스크류는 모터로 작동하게 한다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 첫째, 가축분뇨의 특성상 혐기성소화 시 메탄발생량이 적어 경제성을 확보할 수 없었던 문제점을 볏짚, 갈대, 억새 등과 같이 고질의 탄소원을 가진 부재료와 혼합하여 메탄발효를 시킴으로써 메탄 생성을 용이하게 하고, 둘째, 부재료 혼합소화 시 발생되는 유기산 축적현상으로 인한 메탄발효 효율저하 문제를 2상소화방식을 적용함으로써 산생성 및 메탄발효 효율을 극대화 시킬 수 있으며, 셋째, 소화과정 발생되는 소화액, 부산물 등의 폐기물을 퇴비, 액비로의 전환을 통해 부가적인 유용자원을 획득할 수 있는 효과가 기대되고, 산생성조의 교반을 수평형방식으로 선정하여 특수 설계된 교반날개를 적용하여 교반효율을 증대시킬 수 있으며, 메탄생성조 유입 전 고액분리를 통해 고형물을 걸러줌으로써 메탄발효조에 충격부하 발생을 최소화하여 메탄발효효율을 극대화 시킬 수 있는, 장치 및 방법이 제공되게 된다.

도 1은 본 발명의 장치 및 방법을 설명하기 위하여 도시화한 공정도.
도 2는 본 발명에서 사용되는 산생성조내의 교반장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 볏짚사이즈에 따른 총유기산 누적발생그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 볏짚사이즈에 따른 pH변화 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 볏짚사이즈에 따른 메탄누적발생량 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 볏짚사이즈에 따른 아세트산발생량 그래프.

이하에서는 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 이해와 실시를 돕기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 내에서 다양한 변형 및 변경이 있을 수 있음을 이해할 것이다.

도 1은 본 발명의 장치 및 방법을 설명하기 위한 공정개략도로써, 본 발명의 장치는 수거된 가축분뇨를 저장하기 위한 저장조(10)와, 부재료를 저장 보관하는 부재료저장조(20), 상기 부재료저장조(20) 내의 저장된 부재료를 절단, 파쇄하기 위한 부재료전처리장치(30), 상기 저장조(10) 내의 가축분뇨와 부재료전처리장치(30)에서 절단, 파쇄된 부재료를 혼합하기 위한 혼합조(40), 상기 혼합된 혼합조(40)로부터 혼합물을 이송받아 산생성을 위한 산생성조(50), 상기 산생성조(50)로부터 유입물을 유입받아 고액을 분리하기 위한 고액분리장치(60), 상기 고액분리장치(60)로부터 고형물을 내려받아 최비를 만들기 위한 퇴비발효조(70), 상기 고액분리장치(60)로부터 상등액을 유입받아 메탄 생성을 위한 메탄생성조(80), 상기 메탄생성조(80)로부터 유입물을 액비 생성시키기 위한 액비발효조(90)로 구성된다.

상기와 같은 구성의 유입, 유출은 통상의 방법인 배관 등을 통해 행하게 구성된다.

본 발명에서는 먼저, 수거된 가축분뇨는 가축분뇨저장조(10)에 저장하게 되는데, 가축분뇨저장조(10)에서의 가축분뇨는 일처리량의 2배를 저장할 수 있는 2일간 체류시키는데, 이는 실제 운영 측면에서 이후 공정에서 배관의 막힘이나 모터수리 및 교환 등 하자 발생 시 수리 등에 필요한 기간을 고려하고, 시스템 전체의 원활한 운영을 위한 것이다.

또한 볏짚, 갈대, 억새 등의 부재료는 초기 함수율이 60% 이상을 넘기 때문에 부재료를 부재료저장조(20)에서 2개월 이상 저장하여 함수율이 20% 이하가 되게 하는데, 이는 이들 부재료의 혼합은 최종적으로 메탄생성량을 증가시키는 목적을 갖고 있으나, 부수적으로 가축분뇨의 함수율을 낮추어 이후의 퇴비생산량 증대와 퇴비제조시 사용될 수 있는 수분조절제의 양을 줄이기 위함이다.

또한 상기 부재료저장조(20)에서 저장되어 함수율이 20% 이하가 된 것은 부재료전처리장치(30)로 옮겨 절단이나 파쇄하는 공정을 거쳐, 부재료는 산생성반응에 있어 미생물과의 접촉면적을 증대시키고 교반이 잘 되게 하여 반응속도 및 효율을 증대시키게 한다. 이 경우 절단 및 파쇄의 크기는 작을수록 좋을 수 있으나, 장비적 측면을 고려하고, 이에 소요되는 에너지면을 고려하면 분쇄 및 파쇄의 크기는 약 1cm로 함이 바람직하다.

상기와 같이 부재료전처리장치(30)에서 분쇄나 파쇄된 부재료는 혼합조(40)에서 가축분뇨와 혼합되게 된다. 여기서 혼합조(40)로의 이송은 모터를 이용하여 배관 등을 통해 하면 된다.

상기 혼합조(40)에서의 가축분뇨와 부재료의 혼합은, 다음과 같이 결정하였다.

하기 표 1은 가축분뇨와 볏짚의 혼합 중량비에 따른 메탄가스발생량과 경제적 이익을 나타낸 것이다. 분석결과 가축분뇨만을 혐기 소화했을 때와 볏짚을 추가하여 혐기소화 했을 경우 혼합비에 따라 약 3~7배가량의 메탄발생량이 증가하는 것을 알 수 있다. 이렇게 발생된 메탄으로 발전공정을 통해 전기를 생산해 매전으로 버는 수익과 볏짚을 구매하는데 드는 비용을 차감한 총 경제적이익을 보아도 약 1.5~2배가량의 이익이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이렇듯 혼합비가 낮아질수록, 다시 말해 볏짚을 많이 첨가할수록 경제적 이익은 커지나, 최적 혼합비 범위를 결정하기 위해 한가지 더 고려한 사항은 교반환경이다. 우선적으로 실험실에서 테스트 결과 14:1의 혼합비가 넘어가게 되면 반응조내의 교반이 충분히 이루어지지 않으며, 교반에 소요되는 에너지가 많이 필요하게 됨에 측정되었다. 따라서 현장에서의 교반효율성과 메탄발생량 증대의 두가지 측면을 고려하여 가축분뇨와 볏짚(또는 부재료)의 혼합비를 50:1~14:1(가축분뇨 중량의 2%~7%)로 결정하였다.

- 바이오가스 단가 산출 근거 : 메탄발생량(Nm3) × 9,524kcal/Nm3(메탄 발열량) ÷ 857kW/kcal × 125원/kW

- 볏짚 단가 산출 근거 : 볏짚 한롤당 6만~8만원; 평균 7만원 한롤=400kg

상기와 같은 비율로 혼합조(40)에서 통상의 교반장치 등으로 교반 혼합된 혼합물은 약 1일 정도 상온을 유지하며 체류시키는데, 이는 이후의 산생성조(50)와 메탄발효조(80)의 경우에는 35℃의 중온으로 운전되나 혼합조에서는 반응이 아닌 균일혼합이 목적이므로 불필요한 가온에 에너지를 소모할 필요가 없기 때문이다.

상기와 같이 혼합되어 혼합조(40)에서 체류된 혼합물은 통상의 방법인 배관 등을 통해, 필요시 펌프를 사용해 산생성조(50)로 이송하게 된다.

산생성조(50)에서는 다음과 같이 운영된다.

도 3은 부재료에서 선택한 볏짚의 절단 사이즈에 따른 총유기산 누적발생량 그래프로써 가축분뇨:볏짚을 14:1 중량비로 실시한 경우이다.

도 3에서 5일째까지 총 유기산이 꾸준히 증가하다가 그 이후부터는 미미한 변화를 나타내기 때문에 산생성조의 반응환경 즉 체류시간은 5일로 결정하고, 반응 온도 조건은 35℃의 중온소화로 결정하였는데, 이는 35℃의 중온에서 운전하는 경우 50℃ 이상의 고온 소화보다 메탄가스로의 손실량을 절감하고 미생물의 사멸율이 낮으며, 낮은 에너지 요구량에 따른 처리비용의 장점 때문에 여러모로 유리하기 때문이다. 또한 산 생성단계 분리에 대한 온도의 영향을 실험한 결과 중온이나 고온의 경우가 호냉(Psychrophilic) 조건보다 더 효과적이며, 생산된 산의 조성은 중온 범위에서 더욱 안정적이라고 판단되었다. 따라서 상기와 같이 체류하고 반응시킨다.

상기 산생성조(50)에서는 도 2에서와 같이 내부에 다수의 교반장치(100)가 모터에 의해 회전할 수 있게 설치되고 하부에는 역시 모터에 의해 회전하는 스크류펌프(110)가 설치되어 하부로부터 상부로 이송시켜 다음의 고액분리장치(60)로 산생성조(50)로부터의 유출물을 유입시킨다.

상기에서 산생성조 교반장치(100)는 블레이드터빈 형태의 교반날개로 축이 긴 것의 경우는 혼합과정에서 하단의 침전방지를 위해 바닥과의 격차를 약 10~15cm정도로 좁게 이격시켜 설치하며, 짧은 축의 경우는 긴축의 혼합에서 약한 중심부 교반의 효율을 증대하기 위한 것이다. 이는 교반날개의 크기를 작게 함으로써 교반시 받는 수류의 저항을 줄여 교반시 소요되는 동력을 줄일 수 있는 장점이 있고, 스크류(110)타입의 배출방식은 혼합액의 특성상 부재료와 혼합되어 일반 펌프를 사용시 펌프 및 배관의 폐색으로 인한 잔고장의 우려가 있어 원활한 배출을 위하여 스크류타입의 배출방식을 적용한다.

산생성조(50)로부터의 유입물을 유입받은 고액분리장치(60)에서는 고형물과 액을 분리하고 고형물은 하부의 퇴비발효조(70)로 유출시킨다.

즉 고액분리장치(60)에서는 현장에 많이 적용되는 스크류프레스 타입의 탈수기로 짜고 나온 찌꺼기는 퇴비발효조(70)로 이송 되며, 유기산을 다량 포함하고 있는 액은 다음의 메탄생성조(80)로 유입된다. 여기서 스크류프레스를 쓰는 이유는 현장적용실적이 많으며, 탈수효율 또한 우수하여 적용하게 되었으며, 혼합물을 바로 메탄발효조(80)로 유입시키지 않는 이유는 본 발명에서의 메탄발효조(80)는 UASB형태의 반응조로 고형물이 다량 함유된 유입물이 유입될 경우 입상슬러지의 형성이 어려워 반응조의 정상적 운영이 힘들기 때문에 메탄생성에 필요한 유기산을 부재료에서 충분이 뽑아내어 필요한 액만을 유입시키기 위함이다.

상기와 같이 고액분리장치(60)로부터의 유입된 액은 메탄발효조(80)에서 메탄을 생성하게 된다.

상기와 같이 메탄발효조(80)는 UASB 형태로 적용을 하며, 중온소화방식으로 35℃, 체류시간은 15일이상부터 메탄발생량이 저조하므로 체류시간은 15일 이상으로 한다. 반응조(80)의 형태를 UASB로 하며, 중온소화를 하는 이유는 유입액의 특성이 다량의 유기산을 함유하며, 고형물농도가 극히 적어 UASB로 운전시 메탄생성효율을 극대화 시킬 수 있으며, 교반에 사용되는 에너지가 적게 들고. 중온소화 역시 소요에너지를 최소화 하기 위함이다.

그 다음 메탄발효조(80)로부터 생성된 메탄올 액비발효조(90)로 이송되어 액비를 생산하게 된다.

도 4는 일실시예로 사용한 볏짚 사이즈에 따른 pH변화(가축분뇨:볏짚=14:1중량비) 그래프이고, 도 5는 도 4의 메탄누적발생량 그래프이다.

도 2,3,4에서 확인할 수 있듯이 가축분뇨:볏짚 중량비 14:1의 경우 단일 반응조에서는 유기산 축적에 의해 pH가 떨어져 최종적으로 메탄 발생량이 저해를 받아 메탄 누적발생량이 낮은 것을 관찰할 수 있다. 이로부터 효율적인 메탄생성을 위해서는 단상소화 보다는 이상 소화 방식이 적합하다는 결론이 도출되는데, 그 이유는 이상소화 방식은 각 단계에 따라 적합한 환경조건을 만족시킬 수 있어 메탄 반응조의 부하율을 적절히 조절함으로써 유기산 축적에 의한 pH의 급하강 등을 방지하여 메탄발효의 효율을 극대화할 수 있기 때문이다.

도 6은 볏짚사이즈에 따른 아세트산 발생량(가축분뇨:볏짚=14:1중량비) 그래프로서 도 6에서와 같이 부재료 사이즈가 작을수록 메탄 전구물질인 아세트산이 증가함을 알수 있는데, 이는 한편으로 메탄 발생량의 가늠하는 지표로 부재료 사이즈는 작을수록 적절하지만 기계적인 파쇄와 절단의 어려움을 고려하여 부재료의 사이즈는 1.0cm가 가장 적절할 것으로 판단하여 본 발명에서는 부재료 최적사이즈를 1.0cm로 결정하였다.

또한 표 2은 가축분뇨와 볏짚의 혼합 중량비에 따른 메탄가스발생량과 경제적 이익을 나타낸 것으로 분석결과 가축분뇨만을 혐기소화했을 때와 볏짚을 추가하여 혐기소화 했을 경우 혼합비에 따라 약 3~7배가량의 메탄발생량이 증가하는 것을 알 수 있다. 이렇게 발생된 메탄으로 발전공정을 통해 전기를 생산해 매전으로 버는 수익과 볏짚을 구매하는데 드는 비용을 차감한 총 경제적 이익을 보아도 약 1.5~2배가량의 이익이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이렇듯 혼합비가 낮아질수록, 다시 말해 볏짚을 많이 첨가할수록 경제적이익은 커지나, 최적 혼합비 범위를 결정하기 위해 한가지 더 고려한 사항은 교반환경으로써, 우선적으로 실험실에서 테스트 결과 14:1의 혼합비가 넘어가게 되면 반응조 내의 교반이 충분히 이루어지지 않으며, 교반에 소요되는 동력 또한 많이 소모가 되는 것을 관찰할 수 있으며 현장에서의 교반효율성과 메탄발생량 증대의 두가지 측면을 고려하여 가축분뇨와 볏짚(또는 부재료)의 혼합비를 본 발명에서는 50:1~14:1(가축분뇨 중량의 2%~7%)로 결정하였다.

- 바이오가스 단가 산출 근거 : 메탄발생량(Nm3) × 9,524kcal/Nm3(메탄 발열량) ÷ 857kW/kcal × 125원/kW

- 볏짚 단가 산출 근거 : 볏짚 한롤당 6만~8만원; 평균 7만원 한롤=400kg

10 : 가축분뇨저장조
20 : 부재료저장조 30 : 부재료전처리장치
40 : 혼합조 50 : 산생성조
60 : 고액분리장치 70 : 퇴비발효조
80 : 메탄발효조 90 : 액비발효조
100 : 교반장치 110 : 스크류펌프

Claims (7)

1. 수거된 가축분뇨를 저장하기 위한 가축분뇨저장조; 볏짚, 갈대, 억새등의 부재료를 저장 및 파쇄나 절단하기 위한 부재료저장조; 상기 가축분뇨저장조로부터 유입되는 가축분뇨와 상기 부재료저장조로부터 유입되는 부재료를 혼합하기 위한 혼합조; 상기 혼합조에서의 혼합된 혼합물을 유입받아 산 생성을 위한 산생성조; 상기 산생성조로부터의 발효물을 유입받아 고액 분리하기 위한 고액분리장치; 상기 고액분리장치로부터 분리액을 상향류방식으로 유입시켜 메탄발효를 통해 메탄가스를 생산하는 메탄발효조; 그리고 상기 메탄발효조에서 배출되는 소화액을 유입받아 액비를 생산하는 액비발효조를 포함하는, 가축분뇨와 부재료의 혼합물을 이용한 고효율 혐기성 소화장치로서, 상기 가축분뇨저장조에서는 기본적으로 일처리량의 2배를 저장할 수 있는 2일동안 체류시키고, 부재료 저장조에는 2개월간 저장하며, 상기 부재료는 1cm내외로 절단하여 사용하고, 상기 혼합조에서의 가축분뇨와 부재료의 혼합은 부재료를 가축분뇨중량의 2~7%로 혼합하고, 상기 산생성조에서는 5일간 체류시키며 35℃의 중온에서 소화시키며, 상기 메탄발효조에서는 15일간 35℃에서 체류시키고, 상기 산생성조에는 교반날개가 바닥과 긴 축은 10~15cm 이격됨을 특징으로 하는 가축분뇨와 부재료의 혼합물을 이용한 고효율 혐기성 소화장치
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