KR101363477B1 - 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치 - Google Patents

재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치는 연속 방식의 산발효조와, 회분식 방식의 메탄발효조로 이루어진 2상 혐기성 소화장치에 관한 것으로, 연속 방식의 산발효조 내부에서 발생한 가스를 배관을 통해 회분식 방식의 메탄발효조로 공급하고, 상기 회분식 방식의 메탄발효조는 회전을 통해 스컴을 회분식 방식의 메탄발효조 외측으로 밀어내며 상기 배관과 연결되어 연속 방식의 산발효조 내부의 가스를 공급받아 스컴에 분사하는 가스분사 스컴 제거수단을 포함하고, 상기 회분식 방식의 메탄발효조의 내부와 연결되어 가스분사 스컴 제거수단에 의해 밀려난 스컴이 유입되어 저장되는 스컴 박스를 포함하는 것을 기술적 특징으로 하여, 연속 방식의 산발효조에서 생성된 가스를 이용하여 스컴을 파괴시켜 스컴을 보다 효과적으로 제거하고 별도의 가스 처리 수단을 요하지 않으며, 회분식 방식의 메탄발효조 내부의 메탄균 농도를 고농도로 유지함으로써 유기물 분해를 촉진하고 HRT를 단축하여 소화조 전체 용적을 감소시키는 효과가 있다. 또한, 연속 방식의 산발효조에서 발생한 가스를 회분식 방식의 메탄발효조 내부로 주입함으로써 바이오가스 생산의 양과 질을 증대시키는 효과가 있다.

Description

재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치{Innovation Anaerobic Sequencing batch reactor developed the conventional anaerobic digestion technology}
본 발명은 유기성 폐기물 처리를 위한 혐기성 소화장치 개발에 관한 것으로, 산발효 미생물을 배양하여 유기성 폐기물을 산발효시키는 연속 방식의 산발효조와, 메탄발효 미생물을 배양하여 상기 연속 방식의 산발효조에서 산발효된 유기성 폐기물을 메탄발효시키는 회분식 방식의 메탄발효조로 이루어진 2상 중온 혐기성 소화장치에 관한 것이다.
일반적으로 가정이나 축산농가에서 발생하는 하수, 오수, 분뇨 및 음식물 쓰레기의 경우 많은 양의 유기물을 포함하고 있고, 이처럼 많은 유기물이 포함된 폐수/폐기물을 적절한 방법으로 처리를 하지 않고 배출하는 경우 토양이나 수질의 심각한 오염을 초래한다.
폐수/폐기물 내에 포함된 고농도의 유기물의 경우 물리적 처리시 처리 수준에 한계가 있고, 화학적 처리시 약품 사용으로 인한 2차 오염이 우려되고 많은 처리 비용이 소모되고 있다.
이러한 이유로 최근에는 미생물을 이용한 생물학적 처리 방법이 주로 이용되고 있다.
다양한 생물학적 처리 방법 중에서 혐기성 소화 공정은 혐기성 미생물에 의하여 유기물을 분해하고 최종적으로 바이오가스(메탄가스), 수증기, 이산화탄소 등으로 전환되는 공정이다.
즉, 혐기성 소화 공정은 고농도의 유기성 폐기물의 처리와 동시에 에너지원으로 사용이 가능한 메탄을 회수할 수 있는 기술이다.
그러나, 종래 혐기성 소화 공정은 유기성 폐기물(폐수)을 처리함에 있어서 HRT(Hydraulic Retention Time, 수리학적 체류 시간)가 매우 길고, 스컴이 제거되지 않는 단점이 있다.
또한, 기계식 교반이 필요함에 따라 기계식 교반으로 인한 운전상의 문제가 야기되고, 고농도의 메탄을 생산하는데 한계가 있는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 종래 다양한 혐기성 소화조가 개발되었다.
도 1 종래 2상 혐기성 소화장치를 개념적으로 보인 도면에 도시한 바와 같이 산발효 미생물이 배양되는 산발효조와 메탄발효 미생물이 배양되는 메탄발효조로 구성되어 2상으로 유기성 폐기물을 처리하는 혐기성 소화조가 개발되었다.
상기 2상으로 유기성 폐기물을 처리하는 혐기성 소화조는 원수(유기성 폐기물)를 1차로 산발효시킨 후 산발효된 유기성 폐기물을 혐기 소화시키는 것을 기본 처리 방법으로 하여 산발효 과정(산발효조)에서 발생하는 가스(H2, CO2)와 혐기 소화 과정(메탄발효조)에서 발생한 바이오가스(메탄)는 소정의 가스 정제 설비를 통해 에너지화한다.
이와 같은 종래 2상 혐기성 소화조에 관한 종래기술로 '이상 고효율 상하류식 혐기성 폐수 처리 장치 및 이를 이용한 폐수 처리 방법'(출원번호 10-2004-0011693호)이 개시되었다.
상기 종래기술은 혐기성 폐수 처리 장치에 있어서, 처리 대상 폐수가 유입되고, 상기 폐수내의 고농도 유기물의 산생성 반응이 수행되고, 고농도의 황산염 유입시에 후단에서의 메탄형성을 저해하지 않도록 폐수내의 황산염의 환원에 의해 생성되는 황화물을 외부로 가스(H2S) 배출하는 수단을 구비하는 상향류식 혐기성 산생성 반응조 및 상기 산생성 반응조에서 처리된 황산염 농도가 저하되고 유기산이 생성된 폐수가 유입되고, 상기 폐수의 메탄 생성 반응이 수행되는 상향류식 혐기성 메탄 생성 반응조를 포함하는 것을 특징으로 하여 고농도 난분해성, 특히 황산염을 포함하는 난분해성 폐수를 효율적으로 처리하여, 황산물에 의한 메탄 생성균의 활성 저하를 방지하며, 양질의 메탄 가스(80% 이상) 및 고농도 유기물질을 효과적으로 처리할 수 있는 효과를 달성한다.
그러나, 상기 종래기술은 상대적으로 HRT가 짧고 고농도의 메탄을 생산할 수 있는 장점이 있으나, 스컴이 제거되지 않아 유기물의 TS(Total Solids, 총고형물)에 따른 처리의 한계가 있다.
또한, '유기성 폐기물 처리를 위한 원통형 혐기성 소화장치'(출원번호 10-2012-0115499호)는 유기성 폐기물 처리를 위한 원통형 혐기성 소화장치에 관한 것으로서, 특히 유기성 폐기물의 혐기성 소화 과정이 진행되는 공간부를 제공하도록 원통형으로 형성되고, 중앙부에 수직 방향으로 제 1교반기가 설치되며, 유기성 폐기물중 슬러지 또는 침전물이 퇴적되도록 바닥면에 길이 방향으로 슬러지 수집통이 외부로 돌출 형성되는 혐기성 소화조와 상기 혐기성 소화조의 슬러지 수집통에 설치되어 슬러지 또는 침전물을 외부로 배출시키는 스크류와 내부에 제 2교반기를 구비하고, 상기 혐기성 소화조의 측면 상단에 설치되어 일정 수위 이상의 스컴을 배출시키는 스컴 배출 탱크 및 내부에 제 3교반기를 구비하고, 상기 스컴 배출 탱크로부터 배출되는 스컴을 저장하는 스컴 수집 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하여 소화조의 바닥면 하부에 길이 방향으로 슬러지 수집통을 형성하고, 슬러지 수집통을 기준으로 양측에 테이퍼 형상을 갖는 경사벽을 설치하여 슬러지가 슬러지 수집통으로 용이하게 모이도록 하며, 슬러지 수집통에 스크류를 설치하여 스크류를 이용하여 슬러지를 용이하게 배출할 수 있다.
그러나, 상기 종래기술은 스컴을 제거할 수는 있으나 효과적으로 스컴을 제거하지 못하는 문제가 있고, 특히 혐기성 소화조 내부의 메탄균을 고농도로 유지하기 어려운 문제점이 있고, 이로 인해 HRT가 상대적으로 길고 양질의 메탄을 생성하기에는 부족한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 보다 효과적으로 유기물을 제거하여 HRT를 줄이고, 동시에 양질의 바이오가스를 생산하며 스컴을 효과적으로 제거하는 혐기성 소화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위하여, 원수를 연속 방식의 산발효조에 투입하는 산발효조 투입 펌프와, 수중 교반 수단이 내장되고 산발효 미생물을 배양하여 유기성 폐기물을 산발효시키는 연속 방식의 산발효조와, 상기 연속 방식의 산발효조에서 산발효된 유기성 폐기물을 회분식 방식의 메탄발효조에 투입하는 메탄발효조 투입펌프와, 수중 교반 수단이 내장되고 메탄발효 미생물을 배양하여 상기 연속 방식의 산발효조에서 산발효된 유기성 폐기물을 메탄발효시키는 회분식 방식의 메탄발효조를 포함하는 혐기성 소화장치에 있어서, 상기 연속 방식의 산발효조는 연속 방식의 산발효조 내부에서 발생한 가스를 배관을 통해 상기 회분식 방식의 메탄발효조로 공급하고, 상기 회분식 방식의 메탄발효조는 수직 원통형상으로 내부의 상부 중앙에 수직방향으로 수위에 맞추어 설치되어 회전을 통해 스컴을 회분식 방식의 메탄발효조 외측으로 밀어내며 상기 배관과 연결되어 연속 방식의 산발효조 내부의 가스를 공급받아 스컴에 분사하는 가스분사 스컴 제거수단;을 포함하고, 상기 회분식 방식의 메탄발효조의 내부와 연결되며, 상기 가스분사 스컴 제거수단에 의해 밀려난 스컴이 유입되어 저장되는 스컴 박스;를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 상기 메탄발효조 투입펌프의 전단에 위치하여, 상기 연속 방식의 산발효조에서 배출되는 산발효된 유기성 폐기물과 상기 스컴 박스에서 배출되는 스컴을 혼합하는 혼합기;를 더 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합기는 황화수소제거제를 공급받아 산발효된 유기성 폐기물 및 스컴과 혼합하는 것;을 기술적 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합기는 혼합기 내로 유입된 산발효된 유기성 폐기물과 상기 스컴 박스에서 유입된 스컴을 가열하는 혼합기 가열 수단;을 더 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 상기 산발효조 투입 펌프의 전단 또는 후단에 위치하여 연속 방식의 산발효조에 투입하는 원수를 가열하는 산발효조 가열 수단;을 더 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 상기 연속 방식의 산발효조와 상기 회분식 방식의 메탄발효조의 하부는 상광하협의 콘 형상을 하고 말단부위에 배출 수단을 구비하여 침전된 폐기물을 배출하는 것;을 기술적 특징으로 한다.
또한, 상기 회분식 방식의 메탄발효조는 내부의 수위를 측정하는 수위 측정부;와 상기 메탄발효조 투입펌프와 상기 회분식 방식의 메탄발효조 사이에 설치되어 상기 수위 측정부에서 측정된 값에 따라 개폐되는 자동 개폐밸브;를 더 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 상기 회분식 방식의 메탄발효조의 수중 교반 수단은 회분식 방식의 메탄발효조의 내부 측면 4곳에 설치되는 것;을 기술적 특징으로 한다.
또한, 상기 회분식 방식의 메탄발효조는 내부의 저장물이 고액 분리가 되도록 소정의 시간 동안 수중 교반 수단의 가동을 중지하고, 중력에 의한 고액 분리가 이루어진 후에 상등수만을 배출하는 것;을 기술적 특징으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제의 해결 수단을 통해, 회분식 방식의 메탄발효조 상부에 설치된 가스분사 스컴 제거수단을 통하여 연속 방식의 산발효조에서 생성된 H2, CO2 가스를 스컴에 생성되는 면에 분사함으로써 분사된 가스의 압력으로 인해 발생된 스컴을 효과적으로 파괴시켜 이로 인해 단순 스컴 제거수단에 비해 스컴을 보다 효율적으로 제거하는 효과가 있다.
또한, 연속 방식의 산발효조에서 발생한 가스를 회분식 방식의 메탄발효조 내부로 주입함으로써 바이오가스 생산의 양과 질을 증대시키는 효과 및 연속 방식의 산발효조에서 발생한 가스를 처리하기 위한 별도의 가스 처리 수단을 요하지 않는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 회분식 방식의 메탄발효조 내부의 저장물이 고액 분리가 되도록 소정의 시간 동안 수중 교반 수단의 가동을 중지하고, 중력에 의한 고액 분리가 이루어진 후에 상등수만을 배출하여 내부의 메탄균 농도를 고농도로 유지할 수 있는 효과가 있고, 고농도의 메탄균을 유지함으로써 유기물 분해를 촉진하고 HRT를 단축하여 유기성 폐기물의 처리를 위한 소화조 전체 용적을 감소시키는 효과가 있다.
도 1은 종래 2상 혐기성 소화장치를 개념적으로 보인 도면,
도 2는 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치를 개념적으로 보인 도면,
도 3은 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치에 따른 회분식 방식의 메탄발효조의 예를 보인 도면,
도 4는 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치에 따른 가스분사 스컴 제거수단의 예를 보인 도면,
도 5는 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치에 회분식 방식의 메탄발효조의 예를 보인 도면,
도 6은 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치의 메탄균을 농축하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치의 처리수의 배출과 유기성 폐기물의 충진 과정을 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다.　이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.　본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.　예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다.　또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.　따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.　도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도 2는 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치를 개념적으로 보인 도면으로 상기 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 혐기성 소화장치는 원수를 연속 방식의 산발효조에 투입하는 산발효조 투입 펌프(P1)와, 수중 교반 수단(11)과 스컴 제거 수단(12)이 내장되고 산발효 미생물을 배양하여 유기성 폐기물을 산발효시키는 연속 방식의 산발효조(10)와, 상기 연속 방식의 산발효조(10)에서 산발효된 유기성 폐기물을 회분식 방식의 메탄발효조(20)에 투입하는 메탄발효조 투입펌프(P2)와, 수중 교반 수단(21)이 내장되고 메탄발효 미생물을 배양하여 상기 연속 방식의 산발효조(10)에서 산발효된 유기성 폐기물을 메탄발효시키는 회분식 방식의 메탄발효조(20)를 포함한다.
본 발명은 상기 도 2에 도시한 바와 같이 연속 방식의 산발효조(10)에서 유기성 폐기물의 산발효를 통해 발생한 수소가스와 이산화탄소 가스를 활용하여 회분식 방식의 메탄발효조(20)에서 스컴의 제거 효율을 높이고 상대적으로 질이 높은 많은 양의 메탄 가스를 수득하는 것을 기술적 특징으로 한다.
즉, 종래기술은 상기 도 1에 도시한 바와 같이 연속 방식의 산발효조에서 발생한 가스를 악취 제거 수단을 통해 악취를 제거한 후 대기로 방출하는데 반해, 본 발명은 연속 방식의 산발효조(10) 내부의 가스를 배관(30)을 통해 상기 회분식 방식의 메탄발효조(20)로 공급하여 스컴을 파괴하는데 이용하여 스컴을 효과적으로 제거함과 동시에 양질의 메탄 가스 생산에 이용한다.
본 발명을 이루는 각 구성을 구체적으로 설명하면, 상기 도 2에 도시한 바와 같이 산발효조 투입 펌프(P1), 연속 방식의 산발효조(10), 메탄발효조 투입 펌프(P2), 회분식 방식의 메탄발효조(20), 배관(30), 가스분사 스컴 제거수단(40), 스컴 박스(50)를 포함하여 이루어진다.
상기 산발효조 투입 펌프(P1)는 원수(유기성 폐기물)가 저장되어 있는 원수조와 같은 원수 저장 수단과 연속 방식의 산발효조(10) 사이에 위치하여 원수 저장 수단에 저장되어 있는 원수를 파이프라인을 통해 연속 방식의 산발효조(10)에 투입하는 수단이다.
상기 연속 방식의 산발효조(10)는 산발효 미생물을 배양하는 통상의 연속 방식의 산발효조로 유기성 폐기물을 상기 산발효조 투입 펌프(P1)를 통해 입력받아 유기성 폐기물을 산발효시킨다.
이와 같은 연속 방식의 산발효조(10)는 회전축이 수직방향으로 설치된 수중 교반 수단(11)과 스컴 제거 수단(12)을 갖는 것이 바람직하다.
상기 수중 교반 수단(11)은 산발효조(10) 내부를 교반시키는 수단으로 임페라 형상으로 구현될 수 있고, 상기 스컴 제거 수단(12)은 산발효조(10) 내부에서 발생한 스컴을 제거하는 역할을 한다.
이때, 상기 스컴 제거 수단(12)에 의해 제거된 스컴은 포집되어 다시 연속 방식의 산발효조(10)로 재투입이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도 2에 도시한 바와 같이 연속 방식의 산발효조(10)는 가스의 공급을 위해 상부에 상기 배관(3)의 일단이 연결된다.
상기 메탄발효조 투입 펌프(P2)는 연속 방식의 산발효조(10)와 회분식 방식의 메탄발효조(20) 사이에 위치하여 파이프라인을 통해 연속 방식의 산발효조(10)에서 산발효가 이루어진 유기성 폐기물을 회분식 방식의 메탄발효조(20)에 투입하는 수단이다.
상기 회분식 방식의 메탄발효조(20)는 메탄발효 미생물을 배양하는 통상의 회분식 방식의 메탄발효조로 상기 연속 방식의 산발효조(10)에서 산발효된 유기성 폐기물을 상기 메탄발효조 투입 펌프(P2)를 통해 입력받아 유기성 폐기물을 메탄발효시킨다.
이와 같은 회분식 방식의 메탄발효조(20)는 내부 교반을 위해 수중 교반 수단(21)을 포함하고, 상기 수중 교반 수단(21)은 회분식 방식의 메탄발효조(20)의 내부 측면 4곳 이상 설치되는 것이 바람직하다.
상기 배관(30)은 상기 연속 방식의 산발효조(10)와 상기 가스분사 스컴 제거수단(40)을 연결하여 상기 연속 방식의 산발효조(10) 내부의 가스가 상기 가스분사 스컴 제거수단(40)으로 이송이 될 수 있도록 하기 위한 수단이다.
이와 같은 배관(30)은 가스의 이동통로를 제공할 수 있는 다양한 소재의 관으로 될 수 있고, 연속 방식의 산발효조(10) 측과 가스분사 스컴 제거수단(40) 측에 밸브를 설치하여 연속 방식의 산발효조(10)에서 가스분사 스컴 제거수단(40)으로 가스가 이동하는 것을 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 가스분사 스컴 제거수단(40)은 상기 도 2에 도시한 바와 같이, 회분식 방식의 메탄발효조(20)의 내측 상부에 설치되어 수직 중심축을 회전축으로 하여 회전하는 구성으로 상기 배관(30)과 연결이 되어 연속 방식의 산발효조(10)로부터 가스를 공급받아 회분식 방식의 메탄발효조(20) 내부로 분사를 할 수 있는 구조를 갖는다.
이와 같은 가스분사 스컴 제거수단(40)은 도 3 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치에 따른 회분식 방식의 메탄발효조의 예를 보인 도면에 도시한 바와 같이, 수직 원통형상으로 내부의 상부 중앙에 수직방향으로 수위에 맞추어 설치되어 회전을 통해 스컴을 회분식 방식의 메탄발효조(20) 외측으로 밀어내며 상기 연속 방식의 산발효조(10)의 내부 가스가 유입되는 배관(30)과 연결되어 연속 방식의 산발효조(10) 내부의 가스를 공급받아 스컴에 분사한다.
이와 같은 가스분사 스컴 제거수단(40)은 회전축을 중심으로 회전을 하면서 스컴을 걷어낼 수 있는 다양한 형태와 구조를 가질 수 있고, 상기 배관(30)과 연결이 되어 연속 방식의 산발효조(10)로부터 가스를 공급받아 스컴을 파괴하기 위해 스컴에 분사할 수 있는 다양한 형태와 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 4 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치에 따른 가스분사 스컴 제거수단의 예를 보인 도면에 도시한 바와 같이, 가스분사 스컴 제거수단(40)은 회전축을 중심으로 회전을 하면서 스컴을 회분식 방식의 메탄발효조(20)의 외측으로 밀어내어 스컴 박스 연결공(52)을 통해 스컴이 스컴 박스(50)로 유입될 수 있도록 다수의 제거판(42)을 갖는다.
이때, 상기 도 4에 도시한 바와 같이 회전축(44)은 가스가 유입될 수 있는 파이프 형태로 하고, 상기 제거판(42)은 파이프 형태의 회전축(44)과 연결이 되어 가스가 분출되는 다수의 가스 분출관(421)을 갖는다.
상기 스컴 박스(50)는 스컴을 저장할 수 있는 소정의 공간이 형성된 스컴 저장 수단으로 상기 가스분사 스컴 제거수단(40)에 의해 외측으로 밀려나서 스컴 박스 연결공(52)을 통해 유입되는 스컴을 저장한다.
또한, 상기 회분식 방식의 메탄발효조(20)의 내부와 연결되며, 상기 가스분사 스컴 제거수단(40)에 의해 밀려난 스컴이 유입되어 저장되는 스컴 박스(50)를 포함한다.
이처럼, 본 발명은 2상 혐기성 소화장치를 구성함에 있어, 상기와 같이 연속 방식의 산발효조(10)에서 발생한 가스(H2, CO2)를 회분식 방식의 메탄발효조(20)에 투입시킴으로써 스컴 제거와 메탄 가스 생산에 이용하는 기술적 특징을 갖는다.
특히, 상기 회분식 방식의 메탄발효조(20)는 내부의 저장물이 고액 분리가 되도록 소정의 시간 동안 수중 교반 수단의 가동을 중지하고, 중력에 의한 고액 분리를 통해 메탄균을 침전시키고 메탄균이 침전된 상등수만을 배출하여, 회분식 방식의 메탄발효조(20) 내부의 메탄균 농도를 고농도로 유지하여 유기물 분해를 촉진하고 HRT를 단축하여 유기성 폐기물의 처리를 위한 소화조 전체 용적을 감소시키는 기술적 특징을 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치의 다양한 실시 예를 설명한다.
본 발명은 상기 스컴 박스(50)에 저장되어 있는 스컴을 회분식 방식의 메탄발효조(20)로 재투입하기 위한 혼합기(60)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 혼합기(60)는 상기 도 2에 도시한 바와 같이, 메탄발효조 투입펌프(P2)의 전단에 위치하여, 연속 방식의 산발효조(10)에서 배출되는 산발효된 유기성 폐기물과 상기 스컴 박스(50)에서 배출되는 스컴을 혼합한다.
따라서, 회분식 방식의 메탄발효조(20)에서 발생한 스컴은 가스분사 스컴 제거수단(40)에 의해 스컴 박스(50)에 모여지고, 이렇게 모여진 스컴은 혼합기(60)에서 산발효된 유기성 폐기물과 혼합되어, 메탄발효조 투입펌프(P2)에 의해 회분식 방식의 메탄발효조(20)로 재투입된다.
이와 같은 혼합기(60)는 FeCl2, FeSO4와 같은 황화수소제거제를 공급받아 산발효된 유기성 폐기물 및 스컴과 혼합시키는 것이 바람직하다.
상기 황화수소제거제는 상기 혼합기(60)에서 산발효된 유기성 폐기물과 혼합되어 회분식 방식의 메탄발효조(20)에 투입됨으로써 회분식 방식의 메탄발효조(20)에서 유기성 폐기물의 메탄발효 과정에서 발생하는 황화수소를 제거한다.
또한, 상기 혼합기(60)는 혼합기(60) 내로 유입된 산발효된 유기성 폐기물과 상기 스컴 박스(50)에서 유입된 스컴 혼합물을 가열하는 혼합기 가열 수단(62)을 더 포함한다.
상기 혼합기 가열 수단(62)은 회분식 방식의 메탄발효조(20)의 내부온도가 35℃ ~ 38℃가 되도록 하기 위하여 회분식 방식의 메탄발효조(20)에 투입되는 산발효된 유기성 폐기물과 스컴 혼합물을 가열한다.
이와 같은 혼합기 가열 수단(62)은 온수와 같은 열매체가 흐르는 열교환부를 혼합기(60) 내부에 구비하여 혼합기(60) 내에서 혼합되는 산발효된 유기성 폐기물과 스컴을 상기 열교환부와의 열교환을 통해 가열한다.
또한, 본 발명은 상기 도 2에 도시한 바와 같이 산발효조 투입 펌프(P1)의 전단 또는 후단에 위치하여 연속 방식의 산발효조(10)에 투입하는 원수를 가열하는 산발효조 가열 수단(70)을 더 포함한다.
상기 산발효조 가열 수단(70)은 온수와 같은 열매체가 흐르는 열교환부를 구비하여 원수가 상기 열교환부를 지나면서 열교환을 통해 가열되도록 한다.
상기 산발효조 가열 수단(70)은 연속 방식의 산발효조(10)의 내부온도가 35℃ ~ 38℃가 되도록 원수를 가열한다.
또한, 본 발명의 연속 방식의 산발효조(10)와 회분식 방식의 메탄발효조(20)는 상기 도 2 내지 3에 도시한 바와 같이, 하부를 상광하협의 콘 형상을 하고 말단부위에 배출 수단을 구비하여 침전된 폐기물을 배출하는 것이 바람직하다.
즉, 연속 방식의 산발효조(10)와 회분식 방식의 메탄발효조(20)의 하부를 상광하협의 콘 형상으로 하여 내부에 설치된 수중 교반 수단에 의해 교반이 이루어지는 과정에서 협잡물과 같은 자중에 의해 침전되는 폐기물이 집중되어 배출될 수 있도록 한다.
또한, 도 5 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치에 회분식 방식의 메탄발효조의 예를 보인 도면에 도시한 바와 같이, 상기 회분식 방식의 메탄발효조(20)는 내부의 수위를 측정하는 수위 측정부(22)와 상기 메탄발효조 투입펌프(P2)와 상기 회분식 방식의 메탄발효조(20) 사이에 설치되어 상기 수위 측정부(22)에서 측정된 값에 따라 개폐되는 자동 개폐밸브(23)를 더 포함한다.
상기 수위 측정부(22)는 회분식 방식의 메탄발효조(20)에 저장된 유기성 폐기물의 수위를 측정하는 수단으로 기계식 센서 또는 전자식 센서 등 수위를 측정할 수 있는 다양한 측정 수단이 될 수 있다.
이와 같은 수위 측정부(22)는 실시간으로 회분식 방식의 메탄발효조(20) 내부의 수위를 측정하고, 측정된 값은 상기 자동 개폐밸브(23)로 전달한다.
상기 자동 개폐밸브(23)는 상기 수위 측정부(22)로부터 입력받은 측정값에 따라 밸브를 자동으로 개폐하여 산발효된 유기성 폐기물이 회분식 방식의 메탄발효조(20)로 투입되는 것을 제어한다.
이와 같은 자동 개폐밸브(23)는 전기적 신호에 의해 구동되는 솔레노이드 밸브와 같은 다양한 종류의 자동 개폐밸브가 될 수 있고, 어떤 특정된 자동 개폐밸브에 국한되지 않는다.
이때, 상기 수위 측정부(22)의 측정값에 따라 자동 개폐밸브(23)를 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부는 상기 수위 측정부(22)에 포함되어 자동 개폐밸브(23)를 제어하거나, 상기 자동 개폐밸브(23)에 포함될 수 있고, 또는 제어부 자체가 별도로 설치될 수 있다.
또한, 상기 회분식 방식의 메탄발효조(20)는 내부의 저장물이 고액 분리가 되도록 소정의 시간 동안 수중 교반 수단(21)의 가동을 중지하고, 중력에 의한 고액 분리가 이루어진 후에 상등수만을 배출하는 것을 특징으로 한다.
이는 회분식 방식의 메탄발효조(20)에서 메탄발효가 이루어진 것을 유출시에 메탄균의 유출을 줄이고 회분식 방식의 메탄발효조(20) 내부의 메탄균 농도를 높혀 메탄발효가 더욱 빨리 일어나도록 하기 위한 것이다.
즉, 회분식 방식의 메탄발효조(20) 내부의 메탄균을 침전시켜 메탄균의 배출을 방지하여 회분식 방식의 메탄발효조(20) 내부의 메탄균 농도를 상대적으로 고농도로 유지한다.
이하, 본 발명에 따른 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치의 운전 과정을 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
도 6 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치의 메탄균을 농축하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면 (a)에 도시한 바와 같이, 연속 방식의 산발효조(10)는 유기성 폐기물이 운전 수위까지 투입된다.
이때, 연속 방식의 산발효조(10)에 투입되는 유기성 폐기물은 산발효조 가열 수단(70)에 의해 가열된 상태로 투입이 되어 연속 방식의 산발효조(10) 내부의 온도가 35℃ ~ 38℃를 유지할 수 있도록 하고, 연속 방식의 산발효조(10) 내로 유입된 유기성 폐기물은 내부에 설치된 수중 교반 수단(11)에 의해 산발효균이 균질하게 혼합되어 산발효가 되고, 수소가스와 이산화탄소 가스를 발생한다.
상기 연속 방식의 산발효조(10)에서의 체류시간은 유기성 폐기물의 종류와 농도에 따라 약 2일 이내로 운전된다.
상기 회분식 방식의 메탄발효조(20)는 연속 방식의 산발효조(10)에서 산발효된 유기성 폐기물과 스컴과 황화수소제거제가 혼합기(60)를 통해 혼합되어 투입되고, 혼합기 가열 수단(62)을 통해 회분식 방식의 메탄발효조(20) 내부의 온도가 35℃ ~ 38℃를 유지할 수 있도록 가열되어 운전 수위까지 투입되며, 수중 교반 수단(21)을 통해 메탄균과 균질하게 섞이도록 한다.
이때, 회분식 방식의 메탄발효조(20)는 배관(30)을 통해 연속 방식의 산발효조(10)에서 발생한 가스를 공급받아 가스분사 스컴 제거수단(40)을 통해 회분식 방식의 메탄발효조(20) 내부로 분사를 하여, 가스분사 스컴 제거수단(40)의 기계적인 스컴 제거와 함께 분사되는 가스의 압으로 스컴을 제거한다.
또한, 상기 가스는 미생물에 의해 메탄 가스로 전환되어 양질의 바이오가스가 생산된다.
상기 회분식 방식의 메탄발효조(20)에서의 체류시간은 유기성 폐기물의 종류와 농도에 따라 약 20일 전후로 운전된다.
상기 도 6(a)와 같은 가동 상태에서 도 6(b)에 도시한 바와 같이 가스분사 스컴 제거수단(40)과 수중 교반 수단(21)의 가동을 멈춰 회분식 방식의 메탄발효조(20) 내부 저장물을 고액 분리시킨다.
약 1시간에서 3시간 가량 교반을 멈추면, 농축슬러지와 상등액으로 고액 분리가 이루어지며 이때 농축된 슬러지는 중력에 의해 침전된 메탄균이다.
즉, 메탄균의 침전으로 고액 분리된 상태에서 상등수를 배출시 메탄균의 농도가 증가한다.
이후, 도 7 본 발명 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치의 처리수의 배출과 유기성 폐기물의 충진 과정을 설명하기 위한 도면 (a)에 도시한 바와 같이, 회분식 방식의 메탄발효조(20)에서 수중 교반 장치(21)의 가동 중지로 메탄균과 아직 혐기성 소화가 완전히 이루어지지 못한 슬러지는 밑으로 가라앉아 고액 분리가 이루어지면, 유기성 폐기물에 대한 혐기성 소화가 이루어진 처리수(상등수)를 배출한다.
이처럼 고액 분리된 상태에서 상등수를 배출하면, 상기 도 7(a)에 도시한 바와 같이 회분식 방식의 메탄발효조(20)의 수위는 낮아지게 된다.
이후, 상기 도 7(b)에 도시한 바와 같이 수위 측정부(22)에서 이를 측정하여 자동 개폐밸브(23)를 개방시켜 연속 방식의 산발효조(10)의 유출물과 스컴 박스에 저장되어 있는 스컴과 황화수소제거제를 혼합하여 회분식 방식의 메탄발효조(20)로 투입을 시작하고, 회분식 방식의 메탄발효조(20)의 운전 수위에 이르면 상기 수위 측정부(22)는 상기 자동 개폐밸브(23)를 폐쇄하여 투입을 중지시킨다.
이렇게 자동으로 회분식 방식의 메탄발효조(20) 내부가 충진되면, 가스분사 스컴 제거수단(40)과 수중 교반 수단(21)이 가동을 시작하여 스컴 제거와 교반을 한다.
이와 동시에 상기 도 7(c)에 도시한 바와 같이 연속 방식의 산발효조(10)에는 산발효된 유기성 폐기물이 유출된 만큼 원수가 투입되어 가동된다.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시 예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.
10 : 연속 방식의 산발효조
11 : 수중 교반 수단
12 : 스컴 제거 수단
20 : 회분식 방식의 메탄발효조
21 : 수중 교반 수단
22 : 수위측정부
23 : 자동 개폐밸브
30 : 배관
40 : 가스분사 스컴 제거수단
42 : 제거판
44 : 회전축
50 : 스컴 박스
52 : 스컴 박스 연결공
60 : 혼합기
62 : 혼합기 가열 수단
70 : 산발효조 가열 수단
421 : 분출관

Claims (9)

  1. 원수를 연속 방식의 산발효조에 투입하는 산발효조 투입 펌프와, 수중 교반 수단이 내장되고 산발효 미생물을 배양하여 유기성 폐기물을 산발효시키는 연속 방식의 산발효조와, 상기 연속 방식의 산발효조에서 산발효된 유기성 폐기물을 회분식 방식의 메탄발효조에 투입하는 메탄발효조 투입펌프와, 수중 교반 수단이 내장되고 메탄발효 미생물을 배양하여 상기 연속 방식의 산발효조에서 산발효된 유기성 폐기물을 메탄발효시키는 회분식 방식의 메탄발효조를 포함하는 혐기성 소화장치에 있어서,
    상기 연속 방식의 산발효조는 연속 방식의 산발효조 내부에서 발생한 가스를 배관을 통해 상기 회분식 방식의 메탄발효조로 공급하고,
    상기 회분식 방식의 메탄발효조는 수직 원통형상으로 내부의 상부 중앙에 수직방향으로 수위에 맞추어 설치되어 회전을 통해 스컴을 회분식 방식의 메탄발효조 외측으로 밀어내며 상기 배관과 연결되어 연속 방식의 산발효조 내부의 가스를 공급받아 스컴에 분사하는 가스분사 스컴 제거수단;을 포함하고,
    상기 회분식 방식의 메탄발효조의 내부와 연결되며, 상기 가스분사 스컴 제거수단에 의해 밀려난 스컴이 유입되어 저장되는 스컴 박스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메탄발효조 투입펌프의 전단에 위치하여, 상기 연속 방식의 산발효조에서 배출되는 산발효된 유기성 폐기물과 상기 스컴 박스에서 배출되는 스컴을 혼합하는 혼합기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 혼합기는
    황화수소제거제를 공급받아 산발효된 유기성 폐기물 및 스컴과 혼합하는 것;을 특징으로 하는 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 혼합기는
    혼합기 내로 유입된 산발효된 유기성 폐기물과 상기 스컴 박스에서 유입된 스컴을 가열하는 혼합기 가열 수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산발효조 투입 펌프의 전단 또는 후단에 위치하여 연속 방식의 산발효조에 투입하는 원수를 가열하는 산발효조 가열 수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연속 방식의 산발효조와 상기 회분식 방식의 메탄발효조의 하부는 상광하협의 콘 형상을 하고 말단부위에 배출 수단을 구비하여 침전된 폐기물을 배출하는 것;을 특징으로 하는 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 회분식 방식의 메탄발효조는
    내부의 수위를 측정하는 수위 측정부;와
    상기 메탄발효조 투입펌프와 상기 회분식 방식의 메탄발효조 사이에 설치되어 상기 수위 측정부에서 측정된 값에 따라 개폐되는 자동 개폐밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 회분식 방식의 메탄발효조의 수중 교반 수단은
    회분식 방식의 메탄발효조의 내부 측면 4곳에 설치되는 것;을 특징으로 하는 특징으로 하는 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 회분식 방식의 메탄발효조는
    내부의 저장물이 고액 분리가 되도록 소정의 시간 동안 수중 교반 수단의 가동을 중지하고, 중력에 의한 고액 분리가 이루어진 후에 상등수만을 배출하는 것;을 특징으로 하는 재래식 혐기성 소화기술을 개선한 고율 연속 회분식 소화장치.
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