KR101324494B1 - 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치 및 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법 - Google Patents

유기 폐기물의 혐기성 소화 장치 및 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산발효조에서 처리된 결과물에 탈기 가온수를 공급하거나 산발효조에 유입될 때 희석수를 공급하는 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치 및 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법에 관한 것으로서, 이에 따르면 유기성 폐기물을 짧은 시간 내에 보다 효율적으로 처리할 수 있으면서도, 바이오 가스의 생산량을 극대화할 수 있고 처리수의 악취 발생을 최소화 할 수 있다.

Description

유기 폐기물의 혐기성 소화 장치 및 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법{ANAERPBIC DIGESTION APPARATUS FOR ORGANIC WASTE AND ANAERPBIC DIGESTION METHOD FOR ORGANIC WASTE}
본 발명은 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치 및 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유기성 폐기물을 짧은 시간 내에 보다 효율적으로 처리할 수 있으면서도, 바이오 가스의 생산량을 극대화할 수 있고 처리수의 악취 발생을 최소화 할 수 있는 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치 및 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법에 관한 것이다.
종래의 바이오가스 생산을 위한 혐기성처리 공정의 경우 유기성 폐기물을 저장조에서 펌프 후 다시 산발효조 및 혐기조로 혐기성처리 하여 바이오가스를 추출하고 정제 및 분리 저장하여 에너지화하고, 안전화를 거친 액비자원은 퇴비로 이용하는 시스템이다.
상기와 같은 공정의 경우 추가로 투입되는 희석수가 적은 관계로 유기물의 농도가 높고 처리기간이 길어질뿐더러 처리효율이 낮아 바이오가스 생산량이 낮으며 배출되는 최종유출수는 악취를 심하게 유발하는 문제점들이 있었다. 이러한 악취로 인해 혐오시설로 인식되어 일반적으로 처리장은 도시의 외곽지역 혹은 인적이 드문 지역에 설치되어 과다한 운송비용이 발생하는 2차적인 문제점을 야기하였다.
바이오가스 생산량에 있어서도 일반적으로 국내의 경우 유입되는 유기성 폐기물(음식물, 축산분뇨) 당 바이오가스 발생량이 100 내지 120배 범위에서 보고되고 있지만, 실제 운영과정에서 바이오가스 생산량이 현저히 떨어지는 사례도 많이 있어 운영조차 어려운 경우가 종종 발생한다.
따라서, 유기성 폐기물의 효율적인 관리 및 재이용을 위해 악취를 제거하고 현장에서의 실제 바이오가스 생산효율을 증가시킬 필요가 크게 대두되고 있다.
본 발명은 유기성 폐기물을 짧은 시간 내에 보다 효율적으로 처리할 수 있으면서도, 바이오 가스의 생산량을 극대화할 수 있고 처리수의 악취 발생을 최소화 할 수 있는 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 유기성 폐기물을 짧은 시간 내에 보다 효율적으로 처리할 수 있으면서도, 바이오 가스의 생산량을 극대화할 수 있고 처리수의 재활용 및 악취 발생을 최소화 할 수 있는 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 유기성 폐기물을 산발효하는 산발효조; 상기 산발효조에서 처리된 결과물에 탈기 가온수를 공급하는 탈기 가온수 탱크; 및 상기 산발효조에서 처리된 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물을 혐기성 발효하는 혐기발효조;를 포함하는 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 유기성 폐기물을 산발효하는 단계; 상기 산발효 단계의 결과물에 탈기 가온수를 첨가하여 SCOD를 4,000mg/L이하로 유지하는 단계; 및 상기 산발효 단계의 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물을 혐기성 발효하는 단계;를 포함하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법을 제공한다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치 및 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 유기성 폐기물을 산발효하는 산발효조; 상기 산발효조에서 처리된 결과물에 탈기 가온수를 공급하는 탈기 가온수 탱크; 및 상기 산발효조에서 처리된 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물을 혐기성 발효하는 혐기발효조;를 포함하는 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치가 제공될 수 있다.
본 발명자들은, 산발효조에 직접 탈기 가온수를 공급하거나 또는 산발효조에서 처리된 결과물에 탈기 가온수를 공급할 수 있는 탈기 가온수 탱크를 구비한 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치를 설계 및 개발하였으며, 이러한 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치를 이용하면 유기성 폐기물을 짧은 시간 내에 보다 효율적으로 처리할 수 있으면서도, 바이오 가스의 생산량을 극대화할 수 있고 처리수의 악취 발생을 최소화 할 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.
그리고, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치를 이용하면, 유출되는 처리수의 수질이 개선되어 악취가 제거되어 도심에서도 유기 폐기물의 처리 장치를 설치할 수 있으며, 도시 분산형으로 바이오가스를 생산할 수 있는 시스템을 구성할 수 있다.
또한, 현재 통상적으로 사용되고 있는 혐기성 소화 공정 또는 장치의 경우, 바이오가스 발생량이 음식폐기물 1kg당 약 100 내지 120L 정도인데 반하여, 상기 산발효조에서 처리된 결과물에 탈기 가온수를 공급하거나 상기 산발효조에 직접 탈기 가온수를 공급하는 경우, 혐기조로 투입되는 물질의 SCOD 가 4,000mg/L 이하가 되면, 보다 많은 양의 바이오 가스 예를 들어 음식폐기물 1kg당 150L 이상의 바이오 가스를 생산할 수 있다.
이전에 알려진 혐기성 소화 공정을 이용하는 장치들에서는, 유기 폐기물이 고농도(SCOD 4,000mg/L 이상)로 혐기조에 유입되면서 효율적으로 유기 폐기물을 처리하지 못하여 처리수의 악취를 유발하고 가스발생량이 적을 수 밖에 없는 한계가 있었다.
예를 들어, 유기 폐기물이 고농도(SCOD 4,000mg/L 이상)로 혐기조에 유입되면 혐기조에서 처리된 유츌수의 농도가 1,400mg/L 이상이 되어(유입 SCOD 65,000mg/L 내외) 통상적인 배출 기준에 적합하지 않으며, 이에 따라 배출 기준에 맞추기 위해 후단에 막분리조 혹은 생물학적 처리조를 두어 500mg/L(40% 처리효율 가정) 이하로 낮출 수 있는 추가 설비들을 필요로 하였다.
또한, 혐기조에 유입되는 물질의 SCOD 농도가 높으면 처리수에서 악취가 발생되고, 이는 유입수의 농도가 높아질수록 심각해진다. 일반적인 중온 소화 공정에서 발생하는 악취의 원인은 다량의 유기물질과 암모니아성 물질인데, 일반적인 중온소화에서 유입되는 SCOD 및 암모니아 성분은 각각 65,000mg/L와 4,000mg/L이기 때문에, 효율이 우수한 장치나 방법을 사용하였서도 유출되는 물질의 SCOD 및 암모니아 성분이 1,400mg/L와 700mg/L 정도가 되어 상당히 높은 악취성분을 배출하게 되는 문제점이 있었다.
그러나, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치는 탈기 가온수 탱크에서 공급되는 탈기 가온수를 이용하여 혐기발효조로 유입되는 물질의 SCOD를 4,000mg/L이하로 유지함으로서, 최종 유출되는 처리물의 SCOD도 약 200mg/L 정도로 줄일 수 있다. 이에 따라, 후단에 막분리조 혹은 생물학적 처리조 등의 추가적인 장치을 생략할 수 있으며, 일반적인 혐기성 소화공정에 비해 발생하는 유기물 농도가 15% 수준에 불과하여 악취발생을 크게 줄일 수 있으며, 보다 많은 양의 바이오 가스를 생산할 수 있다.
뿐만 아니라, 상대적으로 고농도 유입되는 유기성 폐기물을 안정화시키기 위해서는 최소한 25일 이상의 체류기간이 필요한데 반하여, 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치에서는 상기 산발효조에서 처리된 결과물에 탈기 가온수를 공급하거나 상기 산발효조에 직접 탈기 가온수를 공급함으로서 저농도의 처리물을 혐기발효조로 공급하게 되며, 이에 따라 안정화되는 처리기간이 상당히 줄어들어 최소한 10일 이상을 단축시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치에서는 상기 산발효조에서 처리된 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물의 SCOD를 4,000mg/L이하로 유지할 수 있다.
상기 탈기 가온수는 물리적 또는 화학적인 방법으로 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 탈기 가온수는 1 내지 10 기압에서 100℃에서 가열하여 용존 산소를 제거한 물이거나, 10-3 ㎜Hg이하로 감압 조건 하에서 30 내지 40℃의 온도로 가열하여 용존 산소를 제거한 물이거나, 또는 하이드라진 또는 이황산나트륨을 첨가하여 용존 산소를 제거한 물 일 수 있다. 상기 방법을 통하여 얻어지는 탈기 가온수 중 용존 산소의 함량은 1mg/L 이하일 수 있다.
탈기 가온수를 화학적으로 제조할 경우 하이드라진(N2H4,50%수용액)이나 이황산나트륨(Na2SO3)을 대기압 및 20℃ 조건에서 주입하여 용존산소농도를 제거할 수 있다. 이때 하이드라진의 주입량은 18.165mg/L이다.(용존산소9.07mg/L일 때)
[반응식]
N2H4 + O2 -> N2 +2H2O
2 Na2SO3 + O2 -> 2Na2SO4
상기 탈기 가온수는 상기 조건에서 산소가 낮게 유지되어 희석 후 혐기성 반응조 투입시 용존산소 농도가 상승하는 현상을 방지할 수 있다.
상기 산발효조에서는 유기성 폐기물의 가수 분해 반응(고분자 유기물질의 저분자화) 및 산생성 반응(저분자 물질의 유기산변환)이 일어날 수 있다.
이러한 산발효조에서는 포름산, 초산, 프로피온산, 부틸산 등에 의하여 유기성 폐기물이 처리될 수 있다.
또한, 이러한 산발효조에서는 아세토박터 스피시스(acetobacter species), 락토바실러스 스피시스(lactobacillus species), 스트렙토코커스 스피시스(streptococcus speices), 페디오코커스 스피시스(pediococcus species), 프로피오니박테리움 스피시스(propionibacterium species) 등의 미생물 중에서 선택된 어느 하나이거나 또는 둘 이상의 산발효 미생물을 사용하여 유기성 폐기물의 처리가 이루어질 수 있다.
상기 산발효조의 pH는 4 내지 6.5의 범위일 수 있다.
상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치는 상기 산발효조에서 처리된 결과물을 상기 혐기발효조로 이송하는 제1파이프를 더 포함할 수 있으며, 상기 탈기 가온수 탱크는 상기 제1파이프에 탈기 가온수를 공급하도록 연결될 수 있다.
상기 제1파이프는 상기 산발효조에서 처리된 결과물을 상기 혐기발효조로 이송하는 구성으로서, 유기 폐기물 처리 장치에 통상적으로 사용될 수 있는 것으로 알려진 연결 장치, 연결관, 또는 유동부를 포함하여 그 구체적인 구성에 제한이 있는 것은 아니다.
상기 탈기 가온수 탱크는 상기 제1파이프로 공급되는 탈기 가온수의 양을 조절할 수 있는 가온수 조절밸브(320)를 포함할 수 있다.
상기 탈기 가온수 탱크와 제1파이프는 이를 연결하는 제2파이프를 매개로 연결될 수 있으며, 상기 가온수 조절밸브는 제2파이프에 설치될 수 있다. 상기 제2파이프로 사용될 수 있는 구성은 상기 제1파이프에 관하여 상술한 바와 같다.
또한, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치는 상기 산발효조에서 처리된 결과물을 상기 혐기발효조로 이송하는 제1파이프를 더 포함할 수 있으며, 상기 탈기 가온수 탱크는 상기 제1파이프 및 상기 산발효조에 탈기 가온수를 공급하도록 연결될 수 있다. 즉, 상기 탈기 가온수 탱크는 상기 산발효조에서 처리된 결과물 및 상기 산발효조에 직접 탈기 가온수를 공급할 수 있다. 상기 탈기 가온수 탱크와 상기 산발효조는 이들 연결하는 제3파이프를 매개로 연결될 수 있으며, 이러한 제3파이프에는 가온수 조절밸브가 설치될 수 있다. 상기 제3파이프로 사용될 수 있는 구성은 상기 제1파이프에 관하여 상술한 바와 같다.
또한, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치에서, 상기 탈기 가온수 탱크는 상기 산발효조에 탈기 가온수를 공급하도록 연결될 수 있다. 상기 탈기 가온수 탱크와 상기 산발효조는 이들 연결하는 제3파이프를 매개로 연결될 수 있으며, 이러한 제3파이프에는 가온수 조절밸브가 설치될 수 있다.
한편, 상기 혐기발효조에서는, 상기 산발효조에서 처리된 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물을 혐기성 발효가 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 산발효조에서 처리된 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물의 SCOD를 4,000mg/L이하로 유지되어 상기 혐기발효조로 유입될 수 있다.
상기 혐기성 발효는 혐기성 미생물 또는 혐기성 미생물을 포함한 용액을 이용할 수 있다.
상기 혐기성 미생물은 혐기성 조건에서 대사 과정을 원활히 수행할 수 있는 미생물인 경우에 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 상기 혐기성 미생물은 클로스트리디움 부틸리쿰(Clostridium butylicum), 클로스트리디움 파스튜리아눔(Clostridium pasteurianum), 클로스트리디움 클루이베리(Clostridium kluyveri), 디플로코커스 글리시노필러스(Diplococcus glycinophilus), 에스케리키아 콜라이(Escherichia coli), 바실러스 폴리믹사(Bacillus polymyxa), 애로모나스 하이드로필라(Aeromonas hydrophila), 바실러스 마세란스(Bacillus macerans), 데술포비브리오(Desulfovibrio), 데술푸리칸스(Desulfuricans), 논술푸 퍼플 박테리아(Nonsulfur purple bacteria), 메틸로트로프스(Methylotrophs), 메타노제닉 박테리아(Methanogenic bacteria), 루멘 박테리아(Rumen bacteria), 알캐아(Archaea) 및 엔테로박터(Enterobacter)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 미생물일 수 있다.
상기 혐기성 미생물은 일 예로 하수의 활성오니(activated sludge)를 1℃ 내지 10℃ 및 500 내지 5,000rpm의 조건에서 1 내지 10분 동안 원심 분리한 후, 상기 원심분리를 수행한 하수의 활성오니의 상등액을 분리하여 수득한 것일 수 있다. 상기 하수의 활성오니는 혐기성 하수처리 공정 중 획득한 활성 오니를 포함할 수 있다.
상기 혐기성 미생물을 포함하는 반응액은 상기 혐기성 미생물을 배양한 배양물일 수 있고, 상기 원심분리를 수행한 활성오니의 상층액을 분리하여 수득한 혐기성 미생물을 배양배지에 첨가하여 배양한 것을 포함한다.
상기 혐기성 발효는 10 내지 50℃에서, 바람직하게는 25 내지 40℃에서, 10 내지 100시간 동안, 바람직하게는 60 내지 80시간 동안 이루어질 수 있다. 혐기성 발효의 온도가 10℃ 미만이거나 50℃ 초과인 경우 혐기성 미생물에 의한 발효가 저하될 수 있다.
상기 혐기발효조에서는 상기 혐기성 발효에 따라서 메탄가스, 이산화탄소, H2S, 수소 가스, 질소 등이 생성될 수 있다.
상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치는 상기 혐기발효조에서는 생성되는 메탄가스, 이산화탄소, H2S, 수소 가스, 질소 등의 바이오 가스를 포집하는 바이오 가스 포집부를 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치는, 상기 산발효조에 유입되는 유기성 폐기물에 희석수를 공급하는 희석수탱크를 1 이상; 또는 상기 혐기성 발효조에서 처리된 결과물을 고액 분리하고 슬러지를 침전시키는 침전조를 적어도 하나 이상 더 포함할 수 있다.
상기 희석수탱크는 소정의 이송관 또는 파이프를 통하여 상기 산발효조에 유입되는 유기성 폐기물에 희석수를 공급함으로서, 상기 산발효조에서 산발효되는 유기성 폐기물의 농도를 조절할 수 있다.
상기 침전조의 구체적인 구성은 크게 한정되는 것은 아니고, 유기물 처리 장치 또는 하수 처리 시스템 등에 사용될 수 있는 것으로 알려진 침전조를 사용할 수 있다. 이러한 침전조에서는 상기 고액 분리 또는 슬러리 침전 결과물을 하수로 방류하거나 또는 하수연계처리시스템과 연결시켜 처리할 수 있다.
또한, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치는, 상기 산발효조에 유입되기 전에 유기성 폐기물이 체류하는 유기성 폐기물 저장조; 및 상기 유기성 폐기물 저장조와 산발효조를 연결하는 제4파이프를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 희석수탱크는 상기 유기성 폐기물 저장조 또는 제4파이프에 희석수를 공급하도록 연결될 수 있다.
또한, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치는, 상기 침전조에서 유출되는 처리수의 일부를 상기 유기성 폐기물 저장조 및 희석수탱크 중 적어도 한쪽에 이송하는 이송 배관을 더 포함할 수 있다. 상기 이송 배관은 상기 침전조로부터 유출되는 처리수의 일부를 희석수 탱크나 유기성 폐기물 저장조로 반송하여 재활용할 수 있도록 한다. 이와 같이, 상기 처리수를 반송하여 재활용함으로서 투입되는 희석수의 양을 줄일 수 있으며, 처리수의 온도가 반응조의 온도인 38℃ 내지 42℃를 유지하기 때문에 전체 시스템의 가온비용이 적게 소비되므로 비용절감(에너지사용절감)의 효과가 있다.
상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치는 상기 산발효조에 주입되는 유기성 폐기물을 분쇄, 파쇄, 교반 또는 고액 분리하는 전처리장치를 더 포함할 수 있다. 이러한 전처리 장치에서는 후속 공정인 산발효조에서의 산발효 단계와 혐기성발효조에서의 혐기성 발효 단계가 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.
상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치는 1조의 산발효조를 포함할 수 도 있으며, 직렬로 연결된 2조 이상의 산발효조들을 포함할 수도 있다. 이와 같이, 2조 이상의 산발효조를 포함함에 따라서, 상기 유기성 폐기물의 가수 분해 반응 및 산생성 반응이 보다 효과적으로 이루질 수 있다.
한편, 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 유기성 폐기물을 산발효하는 단계; 상기 산발효 단계의 결과물에 탈기 가온수를 첨가하여 SCOD를 4,000mg/L이하로 유지하는 단계; 및 상기 산발효 단계의 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물을 혐기성 발효하는 단계;를 포함하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법이 제공될 수 있다.
이러한 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법의 구체적인 작용 및 효과는 상술한 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치의 작용 및 효과를 포함한다.
상술한 바와 같이, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법에서는 상기 산발효 단계에서 처리된 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물의 SCOD를 4,000mg/L이하로 유지할 수 있다.
상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법은 탈기 가온수를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법은, 1 내지 10 기압에서 100℃에서 물을 가열하여 용존 산소를 제거하여 탈기 가온수를 제조하는 단계; 10-3 ㎜Hg이하로 감압 조건 하에서 30 내지 40℃의 온도로 물을 가열하여 용존 산소를 제거하여 탈기 가온수를 제조하는 단계; 또는 물에 하이드라진 또는 이황산나트륨을 첨가하여 용존 산소를 제거하여 탈기 가온수를 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 유기성 폐기물을 산발효하는 단계에 관한 구체적인 내용은 상술한 유기성 폐기물을 산발효하는 산발효조에 관한 내용을 포함할 수 있다.
상기 산발효 단계의 반응물 또는 결과물에 탈기 가온수를 첨가하여 SCOD를 4,000mg/L이하로 유지하는 단계는, 상기 가온수 탱크에 관한 내용 및 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치에서 가온수를 적용하는 방법에 관한 내용 등을 포함할 수 있다.
상기 산발효 단계의 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물을 혐기성 발효하는 단계는 상기 혐기발효조에 관한 내용을 모두 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 혐기성 발효는 활성오니(activated sludge)를 1℃ 내지 10℃ 및 500 내지 5,000rpm의 조건에서 1 내지 10분 동안 원심 분리하여 얻어지는 상등액을 사용할 수 있다.
상기 혐기성 발효하는 단계에서는, 메탄가스, 이산화탄소, H2S, 수소 가스, 질소 등의 바이오 가스가 생성될 수 있다. 이에 따라, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법은 상기 혐기성 발효하는 단계에서 생성되는 메탄가스, 이산화탄소, H2S, 수소 가스, 질소 등을 포함하는 바이오 가스를 포집하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법은 상기 유기성 폐기물를 산발효하는 단계를 1회 이상 반복할 수 있다.
한편, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법은, 상기 산발효조에 유입되는 유기성 폐기물에 희석수를 공급하는 희석 단계; 또는 상기 혐기성 발효 단계의 결과물을 고액 분리하고 슬러지를 침전시키는 침전 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 산발효조에 유입되는 유기성 폐기물에 희석수를 공급하는 희석 단계에 관한 내용은 상술한 희석수탱크에 관한 내용을 모두 포함할 수 있다. 또한, 상기 혐기성 발효 단계의 결과물을 고액 분리하고 슬러지를 침전시키는 단계에 관한 내용은 상술한 침전조에 관한 내용을 모두 포함할 수 있다.
그리고, 상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법은, 상기 침전 단계에서 유출되는 처리수의 일부를 상기 희석 단계 또는 상기 산발효 단계 이전의 유기성 폐기물로 공급하는 이송 단계를 더 포함할 수 있다. 와 같이, 상기 처리수를 반송하여 재활용함으로서 투입되는 희석수의 양을 줄일 수 있으며, 처리수의 온도가 반응조의 온도인 38℃ 내지 42℃를 유지하기 때문에 전체 시스템의 가온비용이 적게 소비되므로 비용절감(에너지사용절감)의 효과가 있다.
상기 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법은 상기 산발효조에 주입되는 유기성 폐기물을 분쇄, 파쇄, 교반 또는 고액 분리하는 전처리 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 전처리 단계에 관한 내용은 상술한 전처리장치에 관한 내용을 모두 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유기성 폐기물을 짧은 시간 내에 보다 효율적으로 처리할 수 있으면서도, 바이오 가스의 생산량을 극대화할 수 있고 처리수의 악취 발생을 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유출되는 처리수의 수질이 개선되어 악취가 제거되어 도심에서도 유기 폐기물의 처리 장치를 설치할 수 있으며, 도시 분산형으로 바이오가스를 생산할 수 있는 시스템을 구성할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치의 일 예를 나타낸 것이다.
도2은 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치의 일 예를 나타낸 것이다.
도3은 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치의 일 예를 나타낸 것이다.
도4은 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치의 일 예를 나타낸 것이다.
도5은 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치의 일 예를 나타낸 것이다.
도6은 실시예 및 비교예에서 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치를 사용하여 가스 발생 결과를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 1 내지 7 및 참고예 1 내지 2: 유기 폐기물의 처리]
SCOD 농도가 30,000ppm인 음식 폐기물에 희석수를 투입하여 7.5배정도 희석하여 산발효조에서 농도를 조절하였다. 산발효된 결과물에 탈기 가온수를 첨가하여 혐기발효조에 투입될 때의 농도를 도 6에 나타난 바와 같이 조절하였다.
상기 혐기 발효조에서는 활성오니(activated sludge)를 5℃ 및 1,000rpm의 조건에서 5분 동안 원심 분리하여 얻어지는 상등액에 포함되는 미생물을 이용하여 혐기성 발효를 진행하였다. 그리고, 상기 탈기 가온수로는 1 기압에서 100℃에서 가열하여 용존 산소를 제거한 물을 사용하였다.
혐기발효조에 투입되는 산발효조 처리수 농도를 4,000 mg/L 정도로 조절한 실시예1의 경우, 혐기발효조 유출수 SCOD 농도가 400 mg/L이하였고 최종유출수의 SCOD 농도는 200 mg/L정도였으며, 가스발생량은 유기성폐기물 1ton당 157m3(=157L/kg)이 측정되었다. 이때 메탄은 평균 63%를 차지하였다.
실시예 1 내지 7 및 참고예 1 내지 2에서, 혐기발효조에 투입되는 산발효조 처리수 농도를 조절함에 따라 달라지는 가스 발생량 측정 결과를 도6에 나타내었다. 실시예 및 참고예에서는 도2에 나타난 장치를 사용하였다.
실험에 사용된 측정방법은 다음과 같다. 바이오가스는 습식가스메타기로 측정하고, 가스크로마토그래피로 메탄 질소 이산화탄소 H2S등의 농도를 측정하였다. 또한 유입수와 유출수 산발효액은 수질공정시험법에 따라 SCOD, SS, T-N, T-P, 대장균, pH, Turbidity, HPLC로 측정 하였다.
도6에 나타난 바와 같이, 혐기조 유입농도를SCOD 4,000mg/L 이하로 낮춘 실시예 1 내지 7의 경우, 음식 폐기물 당 바이오가스 발생량이 150L/kg 이상으로 비교예에 비하여 높게 나타났으며, 유입농도가 낮아질수록 바이오가스 발생량은 증가하였다는 점이 확인되었다. 그리고, 상기 실시예에서는 최종 처리된 유출수의 악취가 제거되는 것을 확인되어, 악취로 유발되는 문제도 해결할 수 있다.
100 : 산발효조 100a : 산발효조
200 : 혐기조 200a : 혐기조
300 : 탈기가온수 탱크 320: 가온수 조절밸브
400 : 침전조 500 : 희석수탱크
600: 유기성 폐기물 저장조

Claims (17)

  1. 유기성 폐기물을 산발효하는 산발효조;
    상기 산발효조에서 처리된 결과물에 탈기 가온수를 공급하는 탈기 가온수 탱크; 및
    상기 산발효조에서 처리된 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물을 혐기성 발효하는 혐기발효조;를 포함하며,
    상기 산발효조에서 처리된 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물의 SCOD를 800mg/L이하로 유지하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탈기 가온수는, 1 내지 10 기압에서 100℃에서 가열하여 용존 산소를 제거한 물,
    10-3 ㎜Hg이하로 감압 조건 하에서 30 내지 40℃의 온도로 가열하여 용존 산소를 제거한 물, 또는
    하이드라진 또는 이황산나트륨을 첨가하여 용존 산소를 제거한 물을 포함하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산발효조에서 처리된 결과물을 상기 혐기발효조로 이송하는 제1파이프를 더 포함하고,
    상기 탈기 가온수 탱크는 상기 제1파이프에 탈기 가온수를 공급하도록 연결되는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산발효조에 유입되는 유기성 폐기물에 희석수를 공급하는 희석수탱크 또는 상기 혐기성 발효조에서 처리된 결과물을 고액 분리하고 슬러지를 침전시키는 침전조를 적어도 하나 이상 더 포함하는, 포함하는 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산발효조에 유입되기 전에 유기성 폐기물이 체류하는 유기성 폐기물 저장조; 및 상기 유기성 폐기물 저장조와 산발효조를 연결하는 제4파이프를 더 포함하고,
    상기 희석수탱크는 상기 유기성 폐기물 저장조 또는 제4파이프에 희석수를 공급하도록 연결되는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 침전조에서 유출되는 처리수의 일부를 상기 유기성 폐기물 저장조 및 희석수탱크 중 적어도 한쪽에 이송하는 이송 배관;을 더 포함하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 산발효조에 주입되는 유기성 폐기물을 분쇄, 파쇄, 교반 또는 고액 분리하는 전처리장치를 더 포함하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산발효조는 직렬로 연결된 2이상의 산발효조들을 포함하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 혐기성 발효는, 활성오니(activated sludge)를 1℃ 내지 10℃ 및 500 내지 5,000rpm의 조건에서 1 내지 10분 동안 원심 분리하여 얻어지는 상등액을 사용하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 장치.
  11. 유기성 폐기물을 산발효하는 단계;
    상기 산발효 단계의 결과물에 탈기 가온수를 첨가하여 SCOD를 800mg/L이하로 유지하는 단계; 및
    상기 산발효 단계의 결과물 및 탈기 가온수 간의 혼합물을 혐기성 발효하는 단계;를 포함하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    1 내지 10 기압에서 100℃에서 물을 가열하여 용존 산소를 제거하여 탈기 가온수를 제조하는 단계;
    10-3 ㎜Hg이하로 감압 조건 하에서 30 내지 40℃의 온도로 물을 가열하여 용존 산소를 제거하여 탈기 가온수를 제조하는 단계; 또는
    물에 하이드라진 또는 이황산나트륨을 첨가하여 용존 산소를 제거하여 탈기 가온수를 제조하는 단계;를 더 포함하는 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 산발효 단계에 유입되는 유기성 폐기물에 희석수를 공급하는 희석 단계; 또는 상기 혐기성 발효 단계의 결과물을 고액 분리하고 슬러지를 침전시키는 침전 단계;를 더 포함하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 침전 단계에서 유출되는 처리수의 일부를 상기 희석 단계 또는 상기 산발효 단계 이전의 유기성 폐기물로 공급하는 이송 단계를 더 포함하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 유기성 폐기물를 산발효하는 단계를 1회 이상 반복하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 산발효 단계에 주입되는 유기성 폐기물을 분쇄, 파쇄, 교반 또는 고액 분리하는 전처리 단계를 더 포함하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 혐기성 발효는 활성오니(activated sludge)를 1℃ 내지 10℃ 및 500 내지 5,000rpm의 조건에서 1 내지 10분 동안 원심 분리하여 얻어지는 상등액을 사용하는, 유기 폐기물의 혐기성 소화 방법.
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