KR101342982B1 - 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템 - Google Patents

가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알카리성인 가축분뇨와 산성인 음식물쓰레기 또는 도축부산물을 이용하여 퇴비와 바이오가스를 생산하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템에 관한 것이며, 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)가 구비되어 알카리성인 가축분뇨와 산성인 혈액 또는 음식물 오니를 혼합하여 PH를 맞추어 공급하도록 구성되고, 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)의 원재료를 섞어 원심고액분리기(10)로 보내 고형물은 퇴비로 만들고 액은 PH조정부(40)로 보내 중화시켜 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)에 각각 연결되되 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)도 서로 연결되어 독립적 또는 함께 구동이 가능하며, 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)는 하부를 통해 소화액1차저장조(100)를 거쳐 소화액저장조(110)에 연결되고, 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)의 상부를 통해 가스저장조(90)와 연결되되 교반에 의해 발생된 바이오가스는 냉각기와 열교환기를 통해 감온된 후 건식탈황되어 가스저장조(90)에 공급되며, 가스저장조(90)는 하나 이상의 보일러(120)와 하나 이상의 발전기(130)에 연결되어 바이오 가스가 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템 { A bio gas manufacturing system using livestock excretions and food waste }
본 발명은 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알카리성인 가축분뇨와 산성인 음식물쓰레기 또는 도축부산물을 이용하여 퇴비와 바이오가스를 생산하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템에 관한 것이다.
종래에도 축산농가에서 발생되는 분뇨폐기물을 처리하기 위해 유기질 액비장치 또는 메탄가스를 이용한 전기 발생장치가 있었으나 상기의 이러한 설비들은 모두 설치장치가 방대하고 전기 생산량을 증가시키기 위해서는 설비를 분해하여 증설시키는 작업을 하게 됨으로써, 작업시간이 오래 걸리고 설비가 설치되는 면적 또한 많이 차지하는 문제점이 있었다.
현재 국내외에 설치된 분뇨 폐기물을 이용한 발전장치는 화력발전 또 는 수력발전과 같이 대용량의 발전시설이 아니라 20∼50㎾h의 소형급으로써, 외국의 예를 살펴보면 축산농장 일측 또는 마을에 설치되어 생산되는 전기를 가정이나 마을공동체로 사용하고 남는 전기는 회사에서 매입하여 상업용 전기로 사용하고 있다. 따라서 유럽에서 사용하고 있는 발전설비 형태를 보면 작은 단위로 발전장치를 집집 마다 설치하거나 마을에 공동체로 사용할 경우에는 가구수에 따라서 다수 개를 설치하여 사용할 뿐만 아니라 노지에 탱크 배관 등이 무질서하게 설치되어 주변 환경에 다를 외관이 무질서한 문제점이 있었다.
또한, 음식쓰레기나 분뇨폐기물 등을 이용하여 가스를 생산하는 선행기술을 살펴보면 특허등록 제0356966호 "음식물쓰레기와 축산분뇨의 통합 소화처리장치 및 방법"은『고상 폐기물을 저장하기 위한 고상 폐기물 저장조와, 액상의 축산분뇨를 저장하기 위해 상기 고상 폐기물 저장조와 별도로 설치된 액상 축산분뇨 저장조와;상기 고상 폐기물 저장조로부터 고상 폐기물을 파봉 및 조대 파쇄하기 위한 1차 파쇄기와; 상기 1차 파쇄기로부터의 폐기물을 미세파쇄 및 선별분리하기 위한 2차 선별파쇄기와; 상기 2차 선별파쇄기로부터의 고상 폐기물과 액상축산 분뇨 저장조로부터의 액상 폐기물을 혼합하여 균질화 하기 위한 혼화조와; 상기 2차 선별파쇄기 또는 혼화조에 공정수를 공급하기 위한 공정수 저장탱크와; 상기 혼화조로부터의 균질화된 폐기물을 비중분리시키기 위한 종합 협잡물 비중선별기와; 상기 비중분리가 완료된 폐기물을 중온 2상 혐기소화시키기 위해 직렬로 배치된 산발효조 및 메탄발효조와; 상기 산발효조 및 메탄발효조로부터의 발생되는 바이오가스를 포집하기 위한 가스저장조와; 상기 산발효조 및 메탄발효조로부터의 슬러지가 유하되어 저장되는 슬러지 저장조』로 구성된 것으로서, 특허등록 제0356966호 역시 음 식물 쓰레기와 분뇨에서 가스를 생산한 후 슬러지를 소각하기 위한 시설이 방대하고 노지에 설치함으로서 각각의 시스템을 설치하기 위한 면적이 필요하며 외부로 노출되도록설치 됨으로서 설비가 설치된 주변환경이 미려하지 못한 문제점이 있다.
또한 특허등록 제0302110호 "매립장 발생가스의 가스연료화 방법 및 그 시스템"은 수분과 유해물질을 포함하고 있는 LFG를 가스공급관을 통해 저부에 배수구가 설치된 탈수기로 유입시켜 수분을 제거하고 배관을 통해 가스공급탱크로 유입시킨 다음 콤푸레서에 의해 압축하여 배관을 통해 저부에 배수구가 있는 가스저장기로 유입하고, 유입된 압축가스를 배관을 통해 Molecular Sieve 흡착탑과 또 다른 배관을 통해 활성탄 흡착탑을 통과시켜 유해물질을 제거함을 특징으로 하는 LFG 가스연료화 시스템으로 이루어진 것으로서, 가스를 생산하기 위한 설비가 나열되도록 설치되어 일정한 시설면적 소요되는 문제점 있으며, 특히, 특허등록 제0302110호의 경우 매립지에서 발생되는 침출수를 이용하여 메탄가스를 생산해야 함으로써 시설투자에 비하여 생산량이 떨어지는 문제점이 있었다.
2010년 기준으로 전국의 도축 및 도계장의 폐기물은 혈액 54,915톤, 폐내장류 169,167톤에 달하고, 1차 침전슬러지는 연간 480,503톤에 달한다. 이러한 도축 폐기물은 토양을 오염시키고, 악취를 발생시켜 환경을 오염시킨다. 하지만 도축 두수는 계속 증가하여 이를 위한 처리 방안이 시급하다.
도축을 하였을 경우 현재 폐기물 처리 공정에서 도축폐수 슬러지는 도축폐수 슬러지 저장소에 저장하는데(20톤/일), 이단계에서 악취가 많이 발생한다. 그리고 고분자응집제(4Kg/일)를 투여한 후에 벨트프레스를 가동한다. 이러한 고분자응집제의 비용이 연간 1000만원이 넘게 들고, 벨트프레스에서도 악취가 진동한다.
벨트프레스에서 발생하는 고형분은 탈수케이크로 만들어 위탁처리시키는데, 그 비용이 연간 1억원이 소요되고, 벨트프레스에서 발생된 여액은 폐수처리하게 된다.
또한 도축시 발생하는 혈액의 경우 혈액처리장치로 보내지거나 폐수처리장으로 보내진다. 폐수처리장에서는 약품비, 전력비, 폐기물처리비가 증가하게 되고, 혈액처리장치에서는 보일러에서 스팀을 보내 처리하게 되는데 혈액처리장치에서 악취가 발생한다. 혈액처리장치에서 발생한 고형분은 에어컨베이어에 의해 돈모저장조로 보내지고, 퇴비화 및 위탁처리장치에서 최종처리하는데 여기서도 악취가 발생한다.
도축부산물(내장), 돈모는 위탁처리되는데, 20톤/일 처리기준으로 연간 7200만원이 소요된다. 이때 위탁처리되는 곳에서 제대로 처리하지 않아 토양오염이나 기타 오염이 발생되므로 문제가 있다.
한편, 도축부산물과 같은 유기성 폐기물의 발생은 유독성 냄새의 발생, 해충의 이상 발생, 침출수 및 오·폐수 등으로 인한 상수원의 오염 등 인간생활에 직접적인 폐해를 유발시키고 있음은 주지의 사실이다. 이에 따라, 환경 및 수질오염이 사회적인 큰 문제로 대두되면서 쾌적한 환경에 대한 욕구는 날이 갈수록 증가되어 폐기물의 처리 및 활용에 대한 노력이 다각적으로 진행되고 있다.
유기성 폐기물의 처리 및 활용에 대한 노력의 일환으로 정부에서도 유기성 폐기물의 재활용제품이 상품으로써 유통과 사용이 활성화되도록 하기 위하여 현재 유기성 폐기물 사료제조업 등록기준을 마련하여 제조·판매가 가능하도록 하고, 전문 사료·비료생산·판매업체를 통한 재활용제품의 유통체계를 갖추어 생산 및 판매를 활성화하고 있으며, 제품의 생산자·소비자 연계를 위하여 폐기물 유통정보시스템을 연계·알선 및 정보제공을 실시하고 있다.
아울러, 유기성 폐기물을 바이오 가스인 메탄가스를 생산하는데 활용하기 위한 기술도 개발되고 있다. 다음은 유기성 폐기물의 처리에 대한 종래의 기술로는 유기성 폐기물을 매립하는 것으로써 이러한 유기성 폐기물의 매립은 주지하는 바와 같이 갈수록 줄어드는 매립지난과 수송비 및 막대한 매립비용으로 인하여 많은 문제점이 수반된다. 또한, 침출수 및 악취 등의 문제로 인한 수질 및 환경오염이 우려되는 문제가 있다.
또한, 자본시장의 개방, 지구의 온난화 및 엘리뇨 현상 등으로 인한 농작물 작황의 우려와 이에 따른 사료 값의 폭등으로 축산농가의 어려움이 예상되고 있는 시점에서 대안으로 대두되고 있는 유기성 폐기물의 사료화를 들 수 있는데, 종래의 유기성 폐기물 사료화 방법으로는 건조 발효 사료화 방법 및 습식 사료화 방법 등이 있다. 그리고, 유기성 폐기물을 바이오 가스인 메탄가스를 생산하는데 활용하기 위한 기술로는 유기성 폐기물을 이용한 바이오 가스 발생처리시스템이 개발되었다. 이러한 시스템은 1990년 대체에너지 개발로부터 시작되었으며, 그 후 산업공정으로부터 발생되는 식품 산업폐수 등을 에너지로 전환하기 위한 고율 혐기성 처리공정이 개발되기 시작하여 현재 실용화가 완료된 상태이다.
그러나, 전술한 바와 같은 고율 혐기성 처리공정의 기술 대부분은 고형물의 함량이 낮은 용존성 폐수들로 고율 혐기성 처리공정에 잘 적용되는 폐수들이다. 이 후 고형물의 함량이 높은 하수 슬러지, 축산분뇨, 음식물 쓰레기 등을 혐기성 공정에 의해 처리하기 위한 현대식 고율 혐기성 처리공정의 개발이 본격화 되었으며, 축산분뇨 등 일부 유기성 폐기물의 혐기성 처리에 성공적으로 응용되어 현장에 실규모 처리시스템이 운전되고 있다.
한편, 전술한 축산분뇨, 하수 슬러지 및 음식물 쓰레기 등과 같은 유기성 폐기물은 기본적으로 고형물 함량이 높은 유기성 폐기물로 구성되어 있어 기 개발되어 이용되고 있는 현대식 고율 혐기성 처리공정(UASB 공정)에 적용하기 위해서는 고액분리를 위한 전처리시스템 도입, 분리된 액체의 용해화를 위한 가수분해조 설치 등 고효율의 메탄가스 생산을 위해 전처리시설 등이 필요한 실정이다.
전술한 바와 같은 혐기성 소화처리 방법은 유기성 폐수 및 폐기물에서 에너지회수의 적합한 기술로, 소화 처리 기술의 진보 및 전처리방법의 도입에 등에 따라 처리속도가 향상되고 있고, 바이오 가스의 회수율도 증가하고 있으나 기대에는 미치지 못하는 실정이다.
따라서, 전술한 바와 같은 문제를 해결하고자 대한민국 등록특허 제311987호(음식물 쓰레기와 하수슬러지의 병합처리 시스템)에서 음식물 쓰레기와 하수 슬러지를 혐기 소화하여 병합 처리하는 시스템을 제시한 바 있다.
그러나, 전술한 바와 같은 기술은 음식물 쓰레기와 하수 슬러지를 혐기 소화하여 병합 처리하는 시스템은 산발효균과 유기산이 서로 혼합되어 있어 이를 고액분리하기 어렵다는 문제점과 고형물 함유량이 높은 폐기물을 처리하기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 전술한 바와 같은 대한민국 등록특허 제311987호의 기술은 유기성 폐기물이 분해가 용이한 용존성 물질화로 되어 있지 않고 고형화되어 있어 혐기 소화법으로 처리하는데 통상 10일 이상의 매우긴 체류시간이 필요하다는 문제점이 있다.
한편, 전술한 바와 같은 대한민국 등록특허 제311987호의 기술의 문제를 극복하고자 대한민국 등록특허 제521866호(미립자 생분해성 유기 폐기물의 처리방법 및 장치)에서는 미립자 생분해성 유기 폐기물을 처리하여 바이오 가스를 회수하기 위한 장치가 제시된 바 있다. 그러나, 전술한 바와 같은 유기 폐기물의 처리방법 및 장치는 고온 고압 조건에서 유기성 폐기물을 가용화하여 처리하는 방법으로 혐기성 소화조의 운영은 수분함량이 높은 습식 처리시스템으로 구성되어 있어 전처리과정에 많은 에너지가 소요되며, 혐기성 소화시 발생되는 폐수를 처리하기 위한 별도의 시설을 필요로 하는 문제점을 가지고 있다.
이와 같이 축산 농가에서 발생하는 도축 페기물, 축산 분뇨, 음식물 쓰레기 등을 처리하기 위한 많은 방법들이 개발되고 있으나, 종합적으로 지속적인 처리가 가능한 시스템은 개발되고 있지 않다.
즉 부분적으로는 처리가능한 시스템이 있었으나, 효율적으로 가축분뇨, 음식물 쓰레기, 도축 폐기물, 축산분뇨 등을 계속적으로 순환시켜 재활용할 수 있는 바이오가스 및 퇴비로 재생 가능하게 처리할 수 있도록 하는 처리 시스템은 없었다.
축산농가에서 발생 되는 축산 분뇨, 양돈분뇨, 양계분뇨, 인분 (이하"분뇨 폐기물"이라한다) 등을 발효시켜 바이오 가스(BIOGAS)를 생산하여 전기발전 연료로 사용토록 함으로서 분뇨 폐기물을 재활용하는 동시에 폐기되는 분뇨를 이용하여 가정용 생활 전기 및 산업용 전기를 공급할 수 있도록 한 환경친화적인 분뇨폐기물의 바이오가스를 이용한 발전연료 제조방법이 필요하다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로서, 종합적으로 도축에서 나오는 부산물과 축산농가에서 발생되는 가축 분뇨 및 음식물 쓰레기를 악취를 최대한 줄이면서 고형물은 퇴비로 만들고, 악취가스는 재생 에너지인 바이오가스로 생산할 뿐만 아니라 생산된 바이오 가스는 다시 시스템을 구동하도록 지속적으로 순환 처리되는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템을 제공하고자 하는 목적이 있다.
또한 알카리성의 가축분뇨와 산성의 도축혈액, 음식물쓰레기 등을 서로 혼합하여 미리 PH를 중화하여 과도한 약품 투입없이 중화시킬 수 있게 구성하고자 한다.
그리고 미생물이 죽어서 발효가 되지 않을 경우, 제1혐기성발효조와 제2혐기성발효조를 선택적으로 구동하여 연속적으로 발효가 되도록 구성하고자 한다.
가축분뇨, 도축 폐기물, 음식물쓰레기 등을 한번에 복합 처리할 수 있게 구성하고자 한다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)가 구비되어 알카리성인 가축분뇨와 산성인 혈액 또는 음식물 오니를 혼합하여 PH를 맞추어 공급하도록 구성되고, 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)의 원재료를 섞어 원심고액분리기(10)로 보내 고형물은 퇴비로 만들고 액은 PH조정부(40)로 보내 중화시켜 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)에 각각 연결되되 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)도 서로 연결되어 독립적 또는 함께 구동이 가능하며, 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)는 하부를 통해 소화액1차저장조(100)를 거쳐 소화액저장조(110)에 연결되고, 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)의 상부를 통해 가스저장조(90)와 연결되되 교반에 의해 발생된 바이오가스는 냉각기와 열교환기를 통해 감온된 후 건식탈황되어 가스저장조(90)에 공급되며, 가스저장조(90)는 하나 이상의 보일러(120)와 하나 이상의 발전기(130)에 연결되어 바이오 가스가 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하며, 가스저장조(90)는 제1발효조(70)와 제2발효조(80)와 일체로 형성되고, 발생된 가스를 순환시켜 교반되도록 하기 위해 가스저장조(90)의 상부와 소화조(95)의 하부를 연결하는 순환배관(91)이 설치되며, 순환배관(91)의 일측에 펌프(92)가 설치되고, 순환배관(91)은 소화조(95)의 하부에서 분사관(97)을 통해 들어가 소화가스가 순화되도록 설치되고, PH조정부(40)는 PH조정조(41)와 유량조정조(42)로 이루어지고, PH조정조(41)에 PH조정액조(43)에 구비된 산, 알카리의 약품이 측정된 PH에 따라 투입되어 중화시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템을 제공한다.
또한 가스저장조(90)의 바이오 가스는 보일러(120)를 구동시켜 제1혐기성발효조(70), 제2혐기성발효조(80), 가축분뇨집수조(1), 음식물집수조(2)의 벽체 및 바닥에 설치된 온수배관으로 온수가 공급되어 온도 유지 가능하게 하는 것을 특징으로 하며, 원심고액분리기(10)로 부터 분리된 고형물은 혼합조(20), 1차발효조(30), 2차발효조(50), 후숙식발효조(60)를 거쳐 퇴비로 생산되고, 1차발효조(30)는 하부에서 송풍기로 바람을 불어 발효하는 통풍식 발효조이고, 2차발효조(50)는 발효교반기(55)에 의해 교반되는 교반발효이며, 1차발효조(30)와 2차발효조(50)의 하부에 각각 여액집수맨홀(31)(51)이 연결되어 여액이 집수되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템을 제공한다.
그리고 원수가 유입되어 고형물과 여액으로 분리되는 원심고액분리기(10)의 전단계에 전처리조(100)를 두어 무기물을 제거하도록 구성되고, 전처리조(100)는 하부에 슬러지침전부(104)가 형성되고, 상부에 교반기(101)가 설치된 교반부(103)가 형성되며, 펌프(102)에 의해 슬러지침전부(104)의 슬러지가 원심고액분리기(10)로 유입되어 고형분은 혼합조(20)로 보내지고, 여액은 다시 전처리조(100)의 원수유입부(105)로 보내져 배출부(106)를 통해 소화조(95)로 보내지도록 구성된 것을 특징으로 하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템을 제공한다.
본 발명은 종합적으로 도축에서 나오는 부산물과 축산농가에서 발생되는 가축 분뇨 및 음식물 쓰레기를 악취를 최대한 줄이면서 고형물은 퇴비로 만들고, 악취가스는 재생 에너지인 바이오가스로 생산하여 별도의 에너지 비용없이 폐기물을 처리할 수 있는 효과가 있다.
그리고 제1혐기성발효조와 제2혐기성발효조를 두어 연속으로 원액을 처리할 수 있어 메탄을 대량생산할 수 있다.
또한 알카리성의 가축분뇨와 산성의 도축혈액, 음식물쓰레기 등을 서로 혼합하여 미리 PH를 중화하여 과도한 약품 투입없이 중화시킬 수 있으므로 경제적이다.
가축분뇨, 도축 폐기물, 음식물쓰레기 등을 한번에 복합 처리할 수 있어 효율적인 처리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템을 도시한 연결도.
도 2는 본 발명의 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템에 사용하는 소화조의 형태를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템에 사용되는 보온설비를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명의 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템의 가스저장조와 소화조를 도시한 개략도.
도 5는 본 발명의 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템의 소화조의 하부를 도시한 개략도.
도 6은 본 발명의 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템의 전처리조를 도시한 개략도.
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)가 구비되어 알카리성인 가축분뇨와 산성인 혈액 또는 음식물 오니를 혼합하여 PH를 맞추어 공급하도록 구성되고, 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)의 원재료를 섞어 원심고액분리기(10)로 보내 고형물은 퇴비로 만들고 액은 PH조정부(40)로 보내 중화시켜 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)에 각각 연결되되 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)도 서로 연결되어 독립적 또는 함께 구동이 가능하다.
제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)를 통칭하여 본 발명에서 소화조(95)로 지칭하기도 한다.
그리고 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)는 하부를 통해 소화액1차저장조(100)를 거쳐 소화액저장조(110)에 연결되고, 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)의 상부를 통해 가스저장조(90)와 연결되되 교반에 의해 발생된 바이오가스는 냉각기와 열교환기를 통해 감온된 후 건식탈황되어 가스저장조(90)에 공급되며, 가스저장조(90)는 하나 이상의 보일러(120)와 하나 이상의 발전기(130)에 연결되어 바이오 가스가 공급되도록 구성된다.
소화조(95)는 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)와 같이 두개 이상이 설치되어 만약 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)중 한 곳의 미생물이 죽어 개체수가 감소하면 제1혐기성발효조(70) 또는 제2혐기성발효조(80)중 정상적인 곳만 가동하고, 미생물의 개체수가 적은 곳에 다시 미생물을 넣어 복원시킬 수 있게 되므로 연속적인 가동이 가능하게 된다.
그리고 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)에서 각각 1차발효, 2차발효 단계를 거칠 수 있고, 음식물 성상에 따라 각각 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)를 선택하여 구동할 수 있으므로 연속적인 가동이 가능하다.
이때 가스저장조(90)와 소화조(95)는 도 1에는 떨어져 있는 것으로 도시되어 있으나 개념상 도시이고, 실제로는 일체로 형성하여 운송이 용이하도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 4에 도시된 바와 같이 소화조(95)가 하부에 위치하고, 가스저장조(90)는 상부에 위치하도록 구성한다.
가축분뇨를 원료로 혐기성 소화를 할 경우 가축 분뇨 속에 함유된 무기물(즉, 침전물)로 인하여 장기간 운전을 할 경우 혐기성 소화조에 쌓여 효율이 떨어지는 것을 우려하여 가축분뇨를 고액분리 후 여액만 가지고 소화하기 때문에 고액분리 시 유기물에 제거되어 소화 효율이 현저히 떨어진다.
이를 방지하기 위하여 본 발명은 소화조에 들어가기 전에 전처리조(100)를 두어 유기물은 여액에 포함 시키고, 무기물만 제거하는 1차 전처리 시스템을 제공한다.
이러한 전처리조(100)는 도 6에 도시되어 있듯이, 원수가 유입되어 고형물과 여액으로 분리되는 원심고액분리기(10)의 전단계에 전처리조(100)를 두어 무기물을 제거하도록 구성된다.
전처리조(100)는 하부에 슬러지침전부(104)가 형성되고, 상부에 교반기(101)가 설치된 교반부(103)가 형성되어 이루어지며, 하부의 슬러지침전부(104)에 쌓인 슬러지를 펌프(102)로 뽑아내어 슬러지침전부(104)의 슬러지가 원심고액분리기(10)로 유입되게 한다.
전처리조(100)의 일측에 원수유입부(105)가 형성되고, 타측에 배출부(106)가 형성된다.
원심고액분리기(10)에서 고형분은 혼합조(20)로 보내지고, 여액은 다시 전처리조(100)의 원수유입부(105)로 보내져 배출부(106)를 통해 소화조(95)로 보내지도록 구성된다.
따라서 무기물이 제거되어 소화조에서 침전물 발생이 현저하게 억제된다.
그리고 소화조(95)에서 교반기가 가동하지만 장시간 운전하다보면 하부에 슬러지가 쌓이게 된다. 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 반송시키는 펌프(92)를 설치하여 이젝터(96)에 의한 소화조 상부의 가스저장조(90)의 가스를 흡입하여 소화조(95)의 하부에 주기적으로 내부 반송을 시켜 슬러지가 쌓이는 것을 방지하여 준다.
가스저장조(90)와 소화조인 제1혐기성발효조(70), 제2혐기성발효조(80)를 일체로 형성하고, 발생된 가스를 순환시켜 교반되도록 하기 위해 가스저장조(90) 상부와 소화조(95)의 하부를 연결하는 순환배관(91)이 설치되며, 순환배관(91)의 일측에 펌프(92)가 설치된다. 펌프(92)와 가스를 뽑아내도록 설치된 이젝터(96)에 의해 가스는 다시 소화조(95) 하부로 들어가 순환되어 소화작용을 더욱 돕게 된다.
PH조정부(40)는 PH조정조(41)와 유량조정조(42)로 이루어지고, PH조정조(41)에 PH조정액조(43)에 구비된 산, 알카리의 약품이 측정된 PH에 따라 투입되어 중화시키도록 구성되므로 소량의 약품으로 조절이 가능하다. PH조정조(41)에 산도를 측정하는 센서가 구비되어 약품 투입이 자동으로 이루어지게 한다.
가스저장조(90)의 바이오 가스는 보일러(120)를 구동시켜 제1혐기성발효조(70), 제2혐기성발효조(80), 가축분뇨집수조(1), 음식물집수조(2)의 벽체 및 바닥에 설치된 온수배관으로 온수가 공급되어 온도 유지 가능하게 한다.
원심고액분리기(10)로 부터 분리된 고형물은 혼합조(20), 1차발효조(30), 2차발효조(50), 후숙식발효조(60)를 거쳐 퇴비로 생산되고, 1차발효조(30)는 하부에서 송풍기로 바람을 불어 발효하는 통풍식 발효조이고, 2차발효조(50)는 발효교반기(55)에 의해 교반되는 교반발효이며, 1차발효조(30)와 2차발효조(50)의 하부에 각각 여액집수맨홀(31)(51)이 연결되어 여액이 집수되도록 구성된다.
아래에서 더욱 상세하게 설명하면,
차량진입실에 유압집게 시스템이 설비되고, 차량의 진입을 감지하는 센싱부가 설치된다. 이는 악취확산을 조기에 차단하도록 차량의 진출입을 통제하기 위한 것이다.
원료는 각각 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)로 분리되어 저장된다. 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)는 1차 조목스크린, 2차 세목스크린을 거쳐 고형물을 선별한다. 즉 쇠, 비닐, 나무, 자갈, 껍질류는 선별하여 제거한다.
가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)는 밀폐형 슬라브 구조로 만들어 악취가 외부로 누출되는 것을 방지하며, 일측에 온도 유지를 위한 온수배관이 설치된다.
이와 같은 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)를 원수집수조라 이하에서 정의한다. 원수집수조로 들어가는 차량진입실의 출입구에는 에어커튼을 설치하여 악취확산을 방지한다.
원수집수조에서는 5일의 저장일수가 바람직하고, 내부에 교반장치가 설치된다.
가축분뇨집수조(1)에 집수되는 분뇨는 알카리성을 띄고, 음식물집수조(2)에 집수되는 원수는 산성을 띄게 된다. 이러한 알카리성과 산성의 원수를 합하여 공급하게 되므로 중화에 많은 약품이 소모되지 않아 경제적이고, 축산폐수, 음식물, 도축 부산물을 종합적으로 처리할 수 있게 된다.
원수집수조는 원심고액분리기(10)에 연결되고, 원심고액분리기(10)에서 고형물과 액체로 분리되어 고형물은 혼합조(20)로 보내져 교반되고, 혼잡조(20)를 거쳐 1차발효조(30)로 보내진다. 1차발효조(30)는 통풍발효조로 바람을 아래에서 불어넣어 혼합된 고형물을 발효시킨다. 이때 1차발효조(30)의 하부 일측과 여액집수맨홀(31)이 연결되어 고형물에 잔존해 있는 여액이 빠져나와 모여진다.
1차발효조(30)를 지난 고형물은 2차발효조(50)에서 발효교반기(55)에 의해 교반되어 발효된다. 2차발효조(50)의 하부도 여액집수맨홀(51)과 연결되어 남은 수분이 빠져나가게 되고, 아래에서 바람을 불어넣어 발효를 원활하게 한다.
1차발효조(30)의 후방으로 후숙실발효조(60)가 설치되는데, 후숙실발효조(60)는 발효 마무리 단계로서 자연상태로 발효되도록 적치하는 단계이다. 이때에도 발효를 위해 공기를 불어넣어 주는 것이 바람직하다.
원심고액분리기(10)는 드럼스크린을 이용한 것으로, 저속회전으로 철망 또는 타공판 스크린을 이용하여 협작물을 제거한다. 따라서 유기물 손실을 최소화하고, 협작물 막힘현상이 예방된다.
원심고액분리기(10)에서 분리된 액체는 PH조정부(40)로 보내지는데, PH조정부(40)는 PH조정조(41)와 유량조정조(42)로 나뉜다. PH조정조(41)는 PH조정액조(43)와 연결되어 PH조정액조(43)에서 공급되는 산, 알카리 약품으로 중화시키게 된다.
PH조정조(41)는 산성과 알카리성의 원료를 합하여 대략적으로 중화된 원료가 원심고액분리기(10)를 거쳐 액체만 분리되어 완전히 중화된다.
유량조정조(42)에서 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)로 보내지는 원수액을 저장하여 공급하게 된다.
소화조인 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)는 수직교반방식으로 유기물 손실을 최소화하고, 보온설비를 구비한다. 보온설비는 생산되는 바이오가스에 의해 가동되는 보일러(120)에 의해 온수가 공급되어 온도를 올려준다. 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)의 바닥층과 외벽에 배관을 설치하여 온수가 주입되거나 공기를 예열하여 주입하는 방식을 선택한다.
소화조의 교반날개는 수직으로 설치될 수 있고, 양측에서 상하 이동하도록 경사지게 설치할 수 있다. 교반날개의 승강에 의하여 내부는 잘 교반될 수 있게 된다.
메탄생성온도는 고온 55℃, 중온 35℃에서 대량 생성될 수 있게 한다.
가스저정조(90)는 이중 멤브레인으로 형성하여 내구성을 크게 하고, 대량의 가스를 저장할 수 있게 한다. 또한 소화조와 저장조가 일체형으로 형성되어 가스가 유실되지 않고 근접 이송 저장이 가능하게 하며, 소화가스가 순환이 잘되도록 순환교반 장치를 설치한다.
이러한 순환 교반장치는 가스저장조(90)의 하부와 상부를 연결하는 순환배관(91)을 설치하고, 순환배관(91)의 일측에 펌프(92)를 설치하여 강제 이송시킨다. 또한 가스저장조(90)의 가스는 보일러(120), 발전기(130)로 보내져 보일러(120)와 발전기(130)를 바이오 가스로 구동시킨다.
보일러(120)와 발전기(130)에서 생산되는 온수와 전기는 전체 시스템을 구동시키도록 공급되고, 특히 온수는 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80), 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)로 보내져 온도를 유지하도록 한다.
1 : 가축분뇨집수조 2 : 음식물 집수조
10 : 원심고액분리기 20 : 혼합조
30 : 1차발효조 31 : 여액집수맨홀
40 : PH조정부 41 : PH조정조
42 : 유량조정조 43 : PH조정액조
50 : 2차발효조 51 : 여액집수맨홀
55 : 발효교반기 60 : 후숙식발효조
70 : 제1혐기성발효조 80 : 제2혐기성발효조
90 : 가스저장조 91 : 순환배관
92 : 펌프 95 : 소화조(혐기성발효조)
96 : 이젝터 97 : 분사관
97-1 : 배출구 100 : 전처리조
101 : 교반기 102 : 펌프
103 : 교반부 104 : 슬러지침전부
105 : 원수유입부 106 : 배출부

Claims (6)

  1. 가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)가 구비되어 알카리성인 가축분뇨와 산성인 혈액 또는 음식물 오니를 혼합하여 PH를 맞추어 공급하도록 구성되고,
    가축분뇨집수조(1)와 음식물집수조(2)의 원재료를 섞어 원심고액분리기(10)로 보내 고형물은 퇴비로 만들고 액은 PH조정부(40)로 보내 중화시켜 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)에 각각 연결되되 제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)도 서로 연결되어 독립적 또는 함께 구동이 가능하며,
    제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)는 하부를 통해 소화액1차저장조(100)를 거쳐 소화액저장조(110)에 연결되고,
    제1혐기성발효조(70)와 제2혐기성발효조(80)의 상부를 통해 가스저장조(90)와 연결되되 교반에 의해 발생된 바이오가스는 냉각기와 열교환기를 통해 감온된 후 건식탈황되어 가스저장조(90)에 공급되며,
    가스저장조(90)는 하나 이상의 보일러(120)와 하나 이상의 발전기(130)에 연결되어 바이오 가스가 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    가스저장조(90)는 제1발효조(70)와 제2발효조(80)와 일체로 형성되고, 발생된 가스를 순환시켜 교반되도록 하기 위해 가스저장조(90)의 상부와 소화조(95)의 하부를 연결하는 순환배관(91)이 설치되며, 순환배관(91)의 일측에 펌프(92)가 설치되고, 순환배관(91)은 소화조(95)의 하부에서 분사관(97)을 통해 들어가 소화가스가 순화되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    PH조정부(40)는 PH조정조(41)와 유량조정조(42)로 이루어지고, PH조정조(41)에 PH조정액조(43)에 구비된 산, 알카리의 약품이 측정된 PH에 따라 투입되어 중화시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    가스저장조(90)의 바이오 가스는 보일러(120)를 구동시켜 제1혐기성발효조(70), 제2혐기성발효조(80), 가축분뇨집수조(1), 음식물집수조(2)의 벽체 및 바닥에 설치된 온수배관으로 온수가 공급되어 온도 유지 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    원심고액분리기(10)로 부터 분리된 고형물은 혼합조(20), 1차발효조(30), 2차발효조(50), 후숙식발효조(60)를 거쳐 퇴비로 생산되고,
    1차발효조(30)는 하부에서 송풍기로 바람을 불어 발효하는 통풍식 발효조이고, 2차발효조(50)는 발효교반기(55)에 의해 교반되는 교반발효이며, 1차발효조(30)와 2차발효조(50)의 하부에 각각 여액집수맨홀(31)(51)이 연결되어 여액이 집수되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템.
  6. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원수가 유입되어 고형물과 여액으로 분리되는 원심고액분리기(10)의 전단계에 전처리조(100)를 두어 무기물을 제거하도록 구성되고,
    전처리조(100)는 하부에 슬러지침전부(104)가 형성되고, 상부에 교반기(101)가 설치된 교반부(103)가 형성되며, 펌프(102)에 의해 슬러지침전부(104)의 슬러지가 원심고액분리기(10)로 유입되어 고형분은 혼합조(20)로 보내지고, 여액은 다시 전처리조(100)의 원수유입부(105)로 보내져 배출부(106)를 통해 소화조(95)로 보내지도록 구성된 것을 특징으로 하는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 이용한 바이오 가스 제조시스템.
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