KR101378871B1 - 액상 유기성 폐수의 고효율 혐기소화 반응기 - Google Patents

액상 유기성 폐수의 고효율 혐기소화 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액상 유기성 폐수의 고효율 혐기소화 반응기에 관한 것으로, 유기성 폐수가 공급되는 폐수공급부(110)와, 혐기소화된 폐수가 배출되는 폐수배출부(120)와, 혐기소화를 통해 생산된 바이오가스가 배출되는 바이오가스배출부(130)를 갖추며, 내부에 공간이 형성되는 반응기본체(100);
관 형상을 이루며 반응기본체(100)의 내부에 설치되는 미생물부착기구본체(210)와, 미생물부착기구본체(210)의 상하부에 각각 설치되는 스트레이너(220)와, 미생물부착기구본체(210)의 내부에 배치되며 여재 기능을 하여 미생물이 부착되는 메디아(230)를 구비한 미생물부착기구(200);
를 포함하는 것을 특징으로 하여, 혐기 미생물의 외부 유출을 방지함으로써, 고농도의 미생물을 통한 유기물 제거 및 바이오가스 생산 효율을 극대화시킬 수 있다.

Description

액상 유기성 폐수의 고효율 혐기소화 반응기{High efficiency anaerobic digestion reactor of liquid fraction of organic wastewater}
본 발명은 고농도의 용해성 유기물과 암모니아를 포함하는 액상의 유기성 폐수로부터 바이오가스를 생산하는 혐기성 소화 반응기에 관한 것으로, 액상의 유기성 폐수를 혐기성 미생물에 의해 효율적으로 분해시킴으로써 바이오가스 생산효율을 증진시키고 혐기소화조내 충분한 미생물 보유율을 유지시킬 수 있는 혐기소화 반응기에 관한 것이다.
최근 세계적인 부존자원의 고갈과 환경오염에 의한 기후변화에 대응하기 위해 재생에너지 생산기술의 중요성이 부각되고 있다.
재생에너지중 하나인 Biogas는 혐기소화 공정을 통하여 생산할 수 있으며, 이러한 생물학적 혐기소화 공정은 잉여슬러지 발생량이 적고, 화석연료를 직접 대체할 수 있는 메탄(CH4)가스를 생산할 수 있다는 장점으로 고농도 유기성폐수 처리에 적용하는 사례가 세계적으로 증가하고 있다.
상기 혐기발효에 의한 메탄가스 생산기술은 이미 유럽 등지에서는 정착 보급된 기술로서, 고농도 유기성 폐기물의 처리라는 환경적 기능뿐만 아니라 바이오가스 등의 대체 에너지 생산 기능 및 발효된 유기성 폐기물의 농지환원을 통한 자연 순환적 기능을 동시에 달성할 수 있는 기술이다.
또한 상기 바이오가스는 메탄 함유량이 높아 화석연료를 직접 대체 할 수 있는 훌륭한 에너지원이 될 수 있다. 따라서 적정한 수준의 개질 과정만 거치면 바이오가스는 천연가스를 사용하고 있는 모든 수요처에서 사용이 가능하다. 예를 들어 바이오가스는 가온 및 난방, 발전의 연료로 사용하거나 정제를 통해 도시가스, 차량용 연료로 사용이 가능하다.
그러나 기존의 유기성폐기물을 이용하여 바이오가스를 생산하는 혐기소화조는 유입원수의 고형물함량의 높고, 혐기소화공정의 안전성에 문제가 빈번히 발생하였다. 또한, 운영상의 문제점으로 인해 공정이 중단되는 일이 발생하고 있으며 유기성폐기물을 기존 혐기소화공정에 적용시킬 경우 20~30일의 긴 체류시간으로 인해 공정의 규모가 대형화 되는 문제점이 있다.
기존의 유기성폐기물을 이용한 혐기소화조는 회분식반응조(Batch reactor), 완전혼합형반응기(CSTR; Completely stirred tank reactor), 혐기성 접촉 반응기(Anaerobic contact reator), 유동층 반응조(Fluidized bed reactor) 등이 있다.
표 1은 기존의 유기성폐기물을 이용한 혐기소화조에 대한 특성을 나타낸 것이다. 기존의 혐기성 반응기는 대부분 공정 규모의 대형화, 막대한 시설비, 안정성의 문제 등으로 인해 유지관리 비용의 과다, 폐수처리 효율이 만족스럽지 않다는 문제점이 있다.
최근에는 상기 기존의 혐기성 소화장치를 개선한 고효율의 혐기성 처리공법이 개발되어 재래식 소화장치와 같이 대용량의 반응장치가 필요 없이 초기 투자비 및 운영비를 절감시킬 수 있게 되었는데, 주로 2상혐기소화 반응기, 상향류식 혐기성 슬러지 블랭키트 반응기(UASB; Upflow anaerobic sludge blanket reactor), 접촉 여재를 충진한 반응기 등이 주로 설계, 시공되어 사용되고 있다.
상기 2상 혐기소화 반응기는 단상반응조의 안정성 및 효율을 증대시키기 위해 개발된 공정으로 가수분해 및 산 생성단계와 메탄생성단계를 분리하였다. 따라서 체류시간을 짧게 운영할 수 있고, 반응기의 크기를 감소시켜 공정의 대형화를 방지하고, 설치부지의 거대화를 방지할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 각 반응기에 존재하는 혐기미생물의 증식조건이 매우 상이하여 반응기 제어가 어렵고, 메탄발효조가 정상적으로 조절되지 않으면 발효조 수소분압이 증가하고 이로 인해 혐기성 공생세균의 반응이 저해를 받아 유기산, 특히 프로피온산이 축적되어 반응에 저해가 일어나게 된다. 또한, 유기산이 축적되어 pH가 급속하게 떨어지게 되면 해리되지 않은 유기물이 uncoupler로 작용하여, 미생물의 성장을 억제하므로 결과적으로 안정적인 공정운영에 실패하여 혐기소화조의 효율을 크게 저하시킨다.
상기 UASB는 고농도의 유기성폐수를 처리할 때에 많은 장점이 있으나, 치명적 결함인 충격부하에 입상의 슬러지부가 무너지는 문제가 있으며, 고농도의 유기물폐수가 부분적으로 노즐에 의해 공급됨으로써, 수직방향으로 유로현상이 발생되어 본연의 소화조 역할을 하지 못하게 되며, 또한 유입수의 농도가 낮을 경우의 유기물 부화에 맞출 때에 아주 높은 수리학적 부하를 받으므로 심한 슬러지 유실을 초래하게 된다. 또한, 생산공장의 트러블 발생시나 폐수의 수질의 농도변화에 취약하여 입상이 파괴되어 유실됨으로써 정상적인 복구 및 처리에 상당한 시일이 소요되고, 입상슬러지의 재투입이 요구되어 혐기소화효율의 저하 및 오랜 시운전 기간소요 등 안정적 운전에 문제점이 있고, 독성물질의 유입을 방지해야 하는 문제점이 있다.
여재를 충진한 반응기는 슬러지에 의한 폐색현상이 쉽게 발생되면서 파손되기 쉽고, 상기 여재에 부착된 슬러지에 의한 폐색현상이 일어났을 경우에 적절한 탈리장치가 없어서 하부의 압밀된 슬러지부에서 폐수가 확산되지 않고 수직의 한방향으로만 흐르는 현상인 유로현상과 폐색되지 않은 여재부의 일부분으로만 폐수가 통과하는 터널현상이 발생됨에 따라, 소화조의 유기물과 미생물의 접촉이 원활하지 못하게 되고 따라서, 혐기소화효율의 저하가 일어나게 되는 문제점이 있다.
Figure 112012072954857-pat00001
종래, 혐기성 생물반응기내에 여재를 충진하고 혐기성 미생물의 분해작용에 의해 각종 폐수나 하수 등과 같은 유기폐수를 처리하는 방식은 잘 알려져 있으며, 그 중 대표적인 예로는 여상조법[참조 : J. C. Young and P.L.McCarty : ann. arbour MI(1967) P559/574]과 유동상법[참조 : 유럽특허 제 80200764호(J.J. Heijnen)(9180)]이 있다.
여상조법은 장치의 운전비가 적게 들고 처리효율은 뛰어나나, 반응기내에 심한 농도 구배가 생겨 유입구 부위에서 유기물 부하량이 높아질 수 있으며, 또한 반응기내의 유속이 단지 유입수량에 의해 결정되므로 유속이 낮아 여재 사이의 고형물질과 기포가 집적되어 유로의 단락현상이 심하게 나타나는 단점이 있다고 알려져 있다.
유동상법은 모래와 같은 작은 입자를 반응기에 담체로 사용하고, 순환펌프로 기질을 순환시킴에 따라 반응기내에서 담체가 부유하여 유동상을 형성하는 것으로, 담체를 부유상태로 하기 위해 높은 유속을 필요로 한다. 따라서 장치의 가동비가 많이 소요되고, 유입수의 농도가 높을 경우 유입구 부위의 미생물을 과부화로 부터 보호하기 위하여 순환량을 높이게 되면 유속이 높아 담체가 반응기의 외부로 유출될 수 있다. 또한, 유동상 반응에 사용되는 반응기는 유체의 흐름을 예측할 수 없다는 단점으로 지적되고 있다. 따라서 유동상 방법이 폐수정화에 이용될 경우에는 주로 낮은 농도의 폐수처리에만 제한적으로 채용되고 있는 실정이다.
한편 혐기소화공정의 저해물질은 휘발성 유기물의 축적, 암모니아, 황화수소, 중금속류, 항생물질 등이 알려져 있다. 그 중 암모니아는 단백질이나 요소의 분해시 생성되는 물질로서 암모늄 이온(NH4 +) 혹은 용해성 암모니아 가스(NH3) 상태로 존재한다. 암모니아는 pH에 따라 암모니아 가스 혹은 암모늄이온으로 존재하는데, 이들 간의 평행은 pH의 함수로서 pH가 9.3 이하이면 주로 암모늄 이온 형태로, 그 이상이면 주로 용해성 암모니아 가스 상태로 존재한다. 일반적으로 혐기성 반응기에서 암모니아 독성은 암모늄 이온의 독성을 일컫는다. 암모니아 독성은 유입수의 암모니아 농도가 높거나 단백질과 같이 암모니아 전구체가 높은 폐수에서 일반적으로 발생하고 암모늄 이온에 비해 유리 암모니아의 독성이 매우 강하다.
따라서 고농도의 용해성 유기물과 암모니아를 포함한 유기물을 이용하여 혐기소화 할 경우 메탄 발생의 효율을 증진시키고, 반응기내 혐기미생물의 보유량을 극대화하며, 유입수에 포함된 독성을 완화시킬 수 있는 안정적이고 고효율의 반응기 개발이 요망되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 유입원수와 미생물 간의 접촉을 극대화시켜, 반응시간이 짧고 메탄회수율이 높으며 안정적 운영이 가능한 액상 유기성 폐수의 고효율 혐기소화 반응기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 유기성 폐수가 공급되는 폐수공급부와, 혐기소화된 폐수가 배출되는 폐수배출부와, 혐기소화를 통해 생산된 바이오가스가 배출되는 바이오가스배출부를 갖추며, 내부에 공간이 형성되는 반응기본체; 관 형상을 이루며 반응기본체의 내부에 설치되는 미생물부착기구본체와, 미생물부착기구본체의 상하부에 각각 설치되는 스트레이너와, 미생물부착기구본체의 내부에 배치되며 여재 기능을 하여 미생물이 부착되는 메디아를 구비한 미생물부착기구; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 반응기본체에 내설되되 미생물부착기구의 상부에 배치되며 관 형상을 이루는 잉여슬러지침전기구본체; 관 형상을 이루어 잉여슬러지침전기구본체에 내설되되 폐수이동로가 형성되도록 외면이 잉여슬러지침전기구본체의 내면과 이격되게 배치되며 일단에 폐수배출부가 구비되는 폐수배출기구; 폐수배출기구에 내설되며 폐수배출기구의 폐수배출부 보다 하부에 배치되는 스트레이너; 잉여슬러지침전기구본체의 하부에 구비되며 미생물이 반송되는 미생물반송부;를 갖춘 잉여슬러지침전기구를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 폐수배출부는 반응기본체의 하부에 구비되며 반응기본체의 하부에 침전된 슬러지를 배출하거나 반응기본체의 하부로 반송되도록 하는 슬러지반송배출부와, 미생물부착기구 보다 하부에 위치되게 형성되며 반응기본체에 수용된 폐수가 배출되어 반응기본체의 하부로 반송되도록 하는 제1폐수반송배출부와, 미생물부착기구 보다 상부에 위치되게 형성되며 반응기본체에 수용된 폐수가 배출되어 반응기본체의 하부로 반송되도록 하는 제2폐수반송배출부를 갖추는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 반응기본체의 바이오가스배출부로부터 배출된 바이오가스 중 일부는 반응기본체의 하부로 반송되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 반응기본체로부터 배출되는 폐수를 분석하여, 반응기본체 내부의 혐기소화 반응을 모니터링함으로써, 슬러지 또는 폐수 또는 바이오가스의 공급 또는 반송을 작동제어하는 제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 혐기소화 반응의 모니터링 상태를 나타내기 위한 디스플레이장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 혐기 미생물의 외부 유출을 방지함으로써, 고농도의 미생물을 통한 유기물 제거 및 바이오가스 생산 효율을 극대화시킬 수 있으며, 유기성 폐수의 유출입, 슬러지의 순환 및, 바이오가스의 순환을 통합적으로 제어함으로써, 보다 효율적이며 안정적인 혐기소화가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 혐기소화 반응기를 개략적으로 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 혐기소화 반응기의 전기적 구성 간의 연결관계를 나타낸 구성도이고,
도 3은 본 발명에 따른 미생물부착기구를 나타낸 사시도이고,
도 4는 도 3의 단면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 잉여슬러지침전기구를 나타낸 사시도이고,
도 6은 도 5의 단면도이고,
도 7 및 도 8은 본 발명의 사용상태를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 혐기소화 반응기를 개략적으로 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 혐기소화 반응기의 전기적 구성 간의 연결관계를 나타낸 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 미생물부착기구를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 잉여슬러지침전기구를 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5의 단면도로서, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 구조적 특징을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명은 반응기본체(100)와, 반응기본체(100)에 내설되는 미생물부착기구(200)와, 반응기본체(100)에 내설되되 미생물부착기구(200) 보다 상부에 배치되는 잉여슬러지침전기구(300)를 포함한다.
상기 반응기본체(100)는 유기성 폐수가 공급되는 폐수공급부(110)와, 혐기소화된 폐수가 배출되는 폐수배출부(120)와, 혐기소화를 통해 생산된 바이오가스가 배출되는 바이오가스배출부(130)를 갖추며, 내부에 공간이 형성된다. 이때 반응기본체(100)는 전체적으로 원통형을 이룬다.
상기 폐수배출부(120)는 반응기본체(100)의 하부에 구비되며 반응기본체(100)의 하부에 침전된 슬러지를 배출하는 슬러지반송배출부(121)와, 미생물부착기구(200) 보다 하부에 위치되게 형성되며 반응기본체(100)에 수용된 폐수가 배출되는 제1폐수반송배출부(122)와, 미생물부착기구(200) 보다 상부에 위치되게 형성되며 반응기본체(100)에 수용된 폐수가 배출되는 제2폐수반송배출부(123)를 갖춘다.
상기 반응기본체(100)의 폐수공급부(110)는 제1연결라인(L1)을 통해 교반펌프(MP)와 연결되며, 교반펌프(MP)는 유기성 폐수를 교반하여 반응기본체(100) 내부로 공급한다. 이때 제1연결라인(L1)은 제1밸브(V1)가 설치된다.
상기 교반펌프(MP)는 일단이 바이오가스배출부(130)와 연결되어 바이오가스가 순환되는 제2연결라인(L2)과 연결된다. 이때 제2연결라인(L2)에는 유기성 폐수가 공급되는 제3연결라인(L3)이 연결되고, 제3연결라인(L3)에는 유기성 폐수를 공급하는 공급펌프(GP)가 연결되며, 제2,3연결라인(L2,L3)에는 제2,3밸브(V2,V3)가 설치된다. 여기서 제2연결라인(L2)에는 제10밸브(10V)가 설치되며, 제2밸브(L2) 및 제10밸브(V10) 사이에 제3연결라인(L3)이 연결된다.
상기 제2연결라인(L2)은 반응기본체(100)의 제1폐수반송배출부(122)와 연결되어 유기성 폐수가 순환되는 제4연결라인(L4) 및 반응기본체(100)의 제2폐수반송배출부(123)와 연결되어 유기성 폐수가 순환되는 제5연결라인(L5)과 연결된다. 이때 제4,5연결라인(L4,L5)은 제3연결라인(L3) 및 제2연결라인(L2)의 연결점과 제2밸브(V2) 사이의 제2연결라인(L2) 상에 연결된다. 그리고 제4,5연결라인(L4,L5)에는 제4,5밸브(V4,V5)가 설치된다.
상기 반응기본체(100)의 슬러지반송배출부(121)는 슬러지가 배출되는 제6연결라인(L6)을 통해 슬러지반송펌프(AP)와 연결된다. 이때 슬러지반송펌프(AP)는 제1연결라인(L1)과 연결되어 슬러지가 순환되는 제7연결라인(L7)을 통해 배출된 슬러지를 반송할 수 있다. 이때 제6,7연결라인(L6,L7)에는 제6,7밸브(V6,V7)가 설치된다.
또한 본 실시예에서 제2연결라인(L2)에는 바이오가스가 배출되는 제8연결라인(L8)이 연결되어, 바이오가스가 별도의 수집장치(미도시)에 수집된다. 이때 제2연결라인(L2)에는 제8밸브(V8)가 설치되며 제8연결라인(L8)은 제2밸브(V2) 및 제8밸브(V8) 사이에서 인출된다.
상기 미생물부착기구(200)는 관 형상을 이루며 반응기본체(100)의 내부에 설치되는 미생물부착기구본체(210)와, 미생물부착기구본체(210)의 상하부에 각각 설치되는 스트레이너(220)와, 미생물부착기구본체(210)의 내부에 배치되며 미생물이 부착되는 메디아(230)를 갖춘다.
상기 스트레이너(220)는 환 형상을 이뤄 미생물부착기구본체(210)의 내면에 설치되는 스트레이너본체(221)와, 스트레이너본체(221)에 내설되는 그물망 형상의 여과부(222)를 갖춘다.
상기 메디아(230)는 미생물부착기구의 스트레이너(220)에 의해 미생물부착기구본체(210)의 내부에 가둬지며, 통과하는 유기성 폐수에 포함된 미생물이 부착된된다. 본 실시예에서 메디아(230)는 여재로서, 알갱이 형상 또는 튜브 형상 등 그 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
상기 잉여슬러지침전기구(300)는 반응기본체(100)에 내설되되 미생물부착기구(200)의 상부에 배치되며 관 형상을 이루는 잉여슬러지침전기구본체(310)와, 관 형상을 이루어 잉여슬러지침전기구본체(310)에 내설되되 폐수이동로(R)가 형성되도록 외면이 잉여슬러지침전기구본체(310)의 내면과 이격되게 배치되며 잉여슬러지침전기구본체(310)로부터 노출된 상단에 관 형상의 폐수배출부(321)가 구비되는 폐수배출기구(320)와, 폐수배출기구(320)에 내설되며 폐수배출기구(320)의 폐수배출부(321) 보다 하부에 배치되는 스트레이너(330)와, 잉여슬러지침전기구본체(310)의 하부에 구비되며 미생물이 반송되는 관 형상의 미생물반송부(340)를 갖춘다. 이때 잉여슬러지침전기구본체(310) 및 폐수배출기구(320)는 하단이 깔때기 형상을 이룬다.
상기 폐수배출기구(320)의 폐수배출부(321)는 반응기본체(100)를 관통하여 외부로 노출되며 반응기본체(100)에 설치되는 제9연결라인(L9)과 연결되며, 제9연결라인(L9)은 폐수배출펌프(WP)와 연결된다. 이때 제9연결라인(L9)에는 제9밸브(V9)가 설치된다.
상기 미생물반송부(340)에는 반응기본체(100)를 관통하여 외부로 노출되며 반응기본체(100)에 설치되는 제10연결라인(L10)과 연결되며, 제10연결라인(L10)은 슬러지배출펌프(SP)와 연결된다. 이때 제10연결라인(L10)에 연결되는 제11연결라인(L11)이 슬러지반송펌프(AP)와 연결되어, 미생물이 슬러지반송펌프(AP)로 이동할 수 있다.
한편 본 실시예에서는 잉여슬러지침전기구(300)가 제9,10연결라인(L9,L10)을 통해 반응기본체(100)에 설치되도록 하였지만, 잉여슬러지침전기구본체(310) 및 폐수배출기구(320)가 별도의 브라켓을 통해 일체형으로 제조되어, 반응기본체(100)에 직접 설치될 수도 있다.
또한 본 실시예에서는 제어유닛(C) 및 디스플레이장치(D)가 더 구비될 수 있다.
상기 제어유닛(C)은 공급펌프(GP), 교반펌프(MP), 슬러지배출펌프(SP), 폐수유출펌프(WP), 슬러지반송펌프(AP), 제1~9밸브(V1~V9)를 작동제어한다. 즉 제어유닛(C)은 폐수유출펌프(WP)로부터 배출된 폐수(유출수)의 유기물 함유량을 분석하여, 교반펌프(MP), 공급펌프(GP), 슬러지배출펌프(SP), 폐수유출펌프(WP), 슬러지반송펌프(AP), 제1~9밸브(V1~V9)를 작동제어한다. 이때 슬러지 또는 폐수의 유입량이 조절됨으로써, 반응기본체(100) 내에서의 교반력이 조절될 수도 있다.
상기 디스플레이장치(D)는 제어유닛(C)에 의해 작동제어되며, 제어유닛(C)에 의해 작동제어되는 구성요소의 작동상태를 나타내고, 폐수유출펌프(WP)로부터 배출된 폐수의 분석 데이터를 나타낸다.
또한 본 실시예에서는 상기 제어유닛(C)에 제어신호를 입력하는 입력장치(I)가 더 구비되어, 입력장치(I)의 입력신호에 따라 교반펌프(MP), 공급펌프(GP), 슬러지배출펌프(SP), 폐수유출펌프(WP), 슬러지반송펌프(AP), 제1~9밸브(V1~V9)를 작동제어될 수 있다. 따라서 작업자가 모니터링을 통해 본 발명의 혐기소화 반응기를 작동제어할 수 있다.
한편 본 실시예에서는 상기 제어유닛(C)이 전기적 구성요소를 통합적으로 제어하도록 하였지만, 필요에 따라서는 각각의 전기적 구성요소는 개별 제어될 수도 있다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 사용상태를 설명하기 위한 것으로, 도 7 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 사용상태를 설명하면 다음과 같다.
우선 상기 공급펌프(GP)는 유기성 폐수를 반응기본체(100)로 공급한다. 이때 제1연결라인(L1)의 일단은 반응기본체(100) 내부 하부에 인입되고, 교반펌프(MP)는 유기성 폐수를 교반하면서 반응기본체(100)로 공급하며, 제1연결라인(L1)으로부터 배출되는 유기성 폐수는 교반펌프(MP)의 공급압에 의해 반응기본체(100) 내부에서 계속적으로 교반된다.
이때 상기 유기성 폐수는 잉여슬러지침전기구본체(300)의 폐수배출부(321)의 상단 하부와 잉여슬러지침전기구본체(310)의 상부 사이까지 채워진다.
그리고 상기 반응기본체(100)로 유입된 유기성 폐수는 유기물이 제거되면서 바이오가스가 생산된다.
이때 본 발명의 혐기소화 반응기는 SCOD(Soluble Chemical Oxygen Demand)/ TCOD(Total Chemical Oxygen Demand)의 비율이 90%이상인 고농도 액상의 유기성 폐수를 소화 과정을 통해 바이오가스를 생산한다.
상기 혐기소화 반응기에서 일어나는 반응들은 다음 화학식 1과 같다.
[화학식 1]
Substrate -> CO2 + H2 + CH3COOH
Substrate -> CH3CH2COOH + CH3CH2CH2COOH + CH3CH2OH
CH3CH2COOH -> 3H2O -> CH3COOH + HCO3- + H+ + 3H2
CH3CH2CH2COOH -> 2H2O -> 2CH3COOH + 2H2
CH3CH2OH + H2O -> CH3COOH + 2H2
CH3COO- + H2O -> CH4 + HCO3-
4H2 + CO2- -> CH4 + 2H2O
4H2 + HCO3- + H+ -> CH4 +3H2O
한편 상기 반응기본체(100)로 유입된 폐수 안에 포함되어 반응기본체(100)의 상방으로 부유하는 슬러지는 도 7과 같이 미생물부착기구(200)의 스트레이너(200)에 걸러지고, 반응기본체(100)의 상방으로 부유하거나 슬러지에 함유된 미생물은 메디아(230)에 부착된다.
이때 상기 미생물부착기구(200)의 메디아(230)에는 고농도의 미생물이 부착되고, 미생물이 미생물부착기구(200)와 반응기본체(100)의 저면 사이에 가둬짐으로써, 미생물과 미생물부착기구(200)와 반응기본체(100) 사이에서 미생물과 유기물의 접촉이 극대화되고 미생물의 유출이 최소화되어 혐기소화 반응이 더욱 활발히 이루어져, 혐기소화 반응기의 효율이 증진된다.
또한 상기 미생물부착기구(200)는 미생물부착기구(200)를 기준으로 상부와 하부에 수용된 유기성 폐수의 교반속도를 구분한다. 즉 미생물부착기구(200)는 교반펌프(MP)에 의해 가해지는 교반압을 1차적으로 저지해 약화시킴으로써, 미생물이 미생물부착기구(200)의 상부로 유출되지 않도록 한다.
한편 상기 혐기소화 반응에서 슬러지와 함께 반응기본체(100)의 하부에 침전된 미생물은 슬러지반송펌프(AP)를 통해 배출되고 제7연결라인(L7)를 통해 반응기본체(100)으로 다시 투입된다. 따라서 미생물은 반응기본체(100)의 하부에 적체되지 않아 혐기소화 반응기의 효율이 증진된다. 이때 슬러지반송펌프(AP)는 필요에 따라서는 슬러지를 반응기본체(100)로 반송하지 않고 별도의 수거장치로 배출할 수도 있다.
또한 상기 잉여슬러지침전기구(300)의 폐수이동로(R)로 유기성 폐수가 유입되면, 미생물을 포함한 슬러지는 침전되어 도 8과 같이 제10연결라인(L10)을 통해 슬러지반송펌프(AP)로 이송된다. 따라서 반응기본체(100) 내부의 미생물 보유율이 극대화된다. 이때 상기 슬러지는 슬러지배출펌프(SP)를 통해 별도의 수거장치로 이송될 수도 있다.
한편 상기 잉여슬러지침전기구(300)의 폐수이동로(R)로 유입된 유기성 폐수는 도 8과 같이 폐수유출펌프(WP)를 통해 별도의 수거장치로 배출되며, 유기성 폐수에 포함된 슬러지는 잉여슬러지침전기구(300)의 스트레이너(330)에 의해 걸러진다.
한편 상기 제어유닛(C)은 폐수유출펌프(WP)로부터 유출된 폐수의 유기물 함유량을 분석한다.
이때 상기 제어유닛(C)은 분석된 데이터에 따라 각각의 펌프 및 밸브를 제어하여, 배출된 폐수의 유기물이 기준치에 적합하도록 한다.
즉 상기 제어유닛(C)은 공급펌프(GP)를 통한 유기성 폐수의 유입량 제어, 교반펌프(MP)를 통한 교반력 제어, 반응기본체(100)의 제1,2폐수반송배출부(122,123)을 통한 유기성 폐수의 순환 제어, 슬러지반송펌프(AP)를 통한 슬러지 순환 제어 및, 폐수유출펌프(WP)를 통한 유기성 폐수 배출 제어를 통해, 반응기본체(100) 내부의 혐기소화를 제어하여, 유기물 제거 및 바이오가스 생산이 최적효율을 이루도록 한다.
또한 상기 제어유닛(C)은 상기와 같은 제어를 통해 반응기본체(100) 내부의 미생물 침전을 최소화하고, 미생물이 고루 분포되게 하며, 유기성 폐수의 성상변화 또는 독성물질로 인한 혐기소화 반응기의 효율저하를 억제하고, 미생물부착기구(200)의 메디아(230) 공극의 폐색과 단락을 방지하여, 혐기소화 반응기가 장기적, 안정적 운영이 가능하도록 한다.
한편 상기 제어유닛(C)은 반응기본체(100)로 순환되는 바이오가스 량을 조절하여, 바이오가스가 유기성 폐수와 혼합되게 함으로써, 유기성 폐수가 미생물부착기구(200)의 메디아(230)를 통과할 시 메디아(230) 공극의 폐색과 단락을 방지하여, 미생물부착기구(200)의 장기적, 안정적 운영이 가능하도록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 혐기 미생물의 외부 유출을 방지함으로써, 고농도의 미생물을 통한 유기물 제거 및 바이오가스 생산 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한 유기성 폐수의 유출입, 슬러지의 순환 및, 바이오가스의 순환을 통합적으로 제어함으로써, 보다 효율적이며 안정적인 혐기소화가 가능하다.
100; 반응기본체 110; 폐수공급부
120; 폐수배출부 130; 바이오가스배출부
200; 미생물부착기구 210; 미생물부착기구본체
220; 스트레이너 230; 메디아
300; 잉여슬러지침전기구 310; 잉여슬러지침전기구본체
320; 폐수배출기구 330; 스트레이너
340; 미생물반송부 C; 제어유닛
D; 디스플레이장치

Claims (6)

  1. 유기성 폐수가 공급되는 폐수공급부(110)와, 혐기소화된 폐수가 배출되는 폐수배출부(120)와, 혐기소화를 통해 생산된 바이오가스가 배출되는 바이오가스배출부(130)를 갖추며, 내부에 공간이 형성되는 반응기본체(100);
    관 형상을 이루며 반응기본체(100)의 내부에 설치되는 미생물부착기구본체(210)와, 미생물부착기구본체(210)의 상하부에 각각 설치되는 스트레이너(220)와, 미생물부착기구본체(210)의 내부에 배치되며 여재 기능을 하여 미생물이 부착되는 메디아(230)를 구비한 미생물부착기구(200);
    반응기본체(100)에 내설되되 미생물부착기구(200)의 상부에 배치되며 관 형상을 이루는 잉여슬러지침전기구본체(310)와, 관 형상을 이루어 잉여슬러지침전기구본체(310)에 내설되되 폐수이동로(R)가 형성되도록 외면이 잉여슬러지침전기구본체(310)의 내면과 이격되게 배치되며 일단에 폐수배출부(321)가 구비되는 폐수배출기구(320)와, 폐수배출기구(320)에 내설되며 폐수배출기구(320)의 폐수배출부(321) 보다 하부에 배치되는 스트레이너(330)와, 잉여슬러지침전기구본체(310)의 하부에 구비되며 미생물이 반송되는 미생물반송부(340)를 갖춘 잉여슬러지침전기구(300);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 유기성 폐수의 고효율 혐기소화 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폐수배출부(120)는 반응기본체(100)의 하부에 구비되며 반응기본체(100)의 하부에 침전된 슬러지를 배출하거나 반응기본체(100)의 하부로 반송되도록 하는 슬러지반송배출부(121)와, 미생물부착기구(200) 보다 하부에 위치되게 형성되며 반응기본체(100)에 수용된 폐수가 배출되어 반응기본체(100)의 하부로 반송되도록 하는 제1폐수반송배출부(122)와, 미생물부착기구(200) 보다 상부에 위치되게 형성되며 반응기본체(100)에 수용된 폐수가 배출되어 반응기본체(100)의 하부로 반송되도록 하는 제2폐수반송배출부(123)를 갖추는 것을 특징으로 하는 액상 유기성 폐수의 고효율 혐기소화 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응기본체(100)의 바이오가스배출부(130)로부터 배출된 바이오가스 중 일부는 반응기본체(100)의 하부로 반송되는 것을 특징으로 하는 액상 유기성 폐수의 고효율 혐기소화 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반응기본체(100)로부터 배출되는 폐수를 분석하여, 반응기본체(100) 내부의 혐기소화 반응을 모니터링함으로써, 슬러지 또는 폐수 또는 바이오가스의 공급 또는 반송을 작동제어하는 제어유닛(C)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 유기성 폐수의 고효율 혐기소화 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 혐기소화 반응의 모니터링 상태를 나타내기 위한 디스플레이장치(D)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 유기성 폐수의 고효율 혐기소화 반응기.
  6. 삭제
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