KR101419265B1 - 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법 - Google Patents

유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하,폐수처리장에서 발생하는 각종 슬러지, 가축분뇨, 음식물폐액 등 다양한 유기성폐기물을 가용화하여 감량화 및 혐기성소화 효율향상, 바이오가스 증산, 그리고 최종 탈수케익 함수율을 저감 시킬 수 있도록 한 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법에 관한 것이다.
본 발명은 슬러지를 일정한 크기로 분쇄하는 슬러지파쇄기(10); 상기 슬러지파쇄기(10)에서 기계적 가용화된 슬러지를 저장하는 완충저류조(20); 상기 완충저류조(20)에 가압이송펌프(30) 및 순환펌프(40)로 연결되어 유입,순환되는 슬러지를 열교환하는 열교환기(50); 상기 열교환기(50)에 연결되어 유입된 슬러지를 고온,고압으로 가용화하는 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60); 상기 열가용화반응기(60)에 순환펌프(70)로 연결되어 열매체 또는 스팀을 공급하는 보일러(80); 상기 열교환기(50)의 가용화 슬러지배출부에 연결되어 연속운전이 가능하도록 압력을 조절하는 압력조절부재(90)를 포함하여 구성된다.

Description

유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법{continuous operation method and devices for solubilization of organic waste}
본 발명은 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 하,폐수처리장에서 발생하는 각종 슬러지, 가축분뇨, 음식물폐액 등 다양한 유기성폐기물(이하 슬러지라 함)을 기계적 파쇄와 유압식 스크류 교반기가 장착된 열적가용화 반응기를 이용하여 가용화할 수 있도록 한 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법에 관한 것으로 이를 통해 유기성 폐기물의 감량화화 혐기성소화 시 혐기성소화효율 향상 및 바이오가스 증산을 통한 에너지화를 달성하고자 한다.
산업화 및 도시화에 따른 각종 오염물질의 증가는 지구환경적 측면에서 사람들의 건강권과 쾌적한 삶을 영위하기 위한 기본권의 방해라는 측면에서 현재 인류가 처한 가장 큰 문제 중에 하나이다. 특히 하,폐수처리장에서 발생하는 각종 슬러지, 가축분뇨, 음식물폐액 등 다양한 유기성폐기물은 높은 유기물 농도로 인하여 환경에 미치는 영향이 매우 큰데 반해 이를 처리하기 위한 전통적인 방법, 즉 해양투기 및 매립 등은 2차 환경오염이라는 더 큰 문제에 봉착하여 새로운 대안이 긴급히 필요로 하게 되었다.
이와 같은 유기성폐기물의 환경적, 위생적 문제를 해결하기 위해서는 우선 이들의 양을 감량하는 방법과, 오염물질의 농도를 저감하는 방법이 현재로써는 가장 시급히 요구되고 있다.
유기성폐기물의 감량화 기술로는 오존 및 강(산)알카리 등의 약품, 각종 산화제 및 산화를 유도하는 촉매 등의 화학적 방법이 주로 사용되었으나, 막대한 약품비용과 일부 2차 오염의 발생 등으로 문제점이 발생되었다. 한편 혐기성소화 등의 생물학적인 분해공정을 이용하여 유기성폐기물을 감량함과 동시에 메탄가스 등의 유용한 바이오가스 생산도 가능한 기술들이 현재 독일을 비롯한 다양한 나라에서 적용되고 있다.
혐기성소화 공정은 산소가 없는 조건에서 고분자의 유기물을 저분자성 물질로 가수분해하는 단계, 산 생성 단계, 메탄 생성 단계를 거쳐 유기성폐기물을 분해하고, 유용한 바이오가스를 생산하며, 이와 같은 과정을 거쳐 높은 유기물 농도 및 폐기물의 양을 저감시켜준다. 하지만, 유기성폐기물처럼 고형물이 다량 존재하는 경우에는 소화 가능한 물질도 반응조 내에서 충분히 가수분해반응이 일어나지 않기 때문에, 반응조 내에서 장시간 체류를 요하고 반응조 용적도 커야 하는 문제점이 있다. 따라서, 혐기성 소화 단계에서 유기성폐기물의 소화율 및 메탄가스의 생산량을 높이기 위해서는 반응조에 공급되는 유기성폐기물의 가용화(solubilization)의 촉진이 필요하다.
특히 하수 슬러지 중 잉여슬러지(2차 활성슬러지)는 대부분 견고한 세포벽으로 둘러싸여 있는 미생물들로 구성되어 있는데, 이러한 슬러지들은 생분해성(biodegradation)이 낮다. 또한 음식물 쓰레기(폐액) 및 가축분뇨 등은 고분자의 유기성 물질로 구성되어 있어, 고분자성 물질의 저분자화와 슬러지의 가용화를 위한 물리/화학/생물학적 전처리를 가함으로써 세포벽을 파괴하고 구성물질을 용출시켜 가수분해를 촉진할 필요가 있다. 즉, 슬러지에 포함되어 있는 고분자 형태의 고형물을 소화단계에서 이용하기 쉬운 저분자 상태로 전환함으로써 생분해성을 높일 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 국내 등록특허 제10-0785327호에는 2단계 초음파 조사방법을 적용한 것으로서, 제 1 혐기성소화조에 저주파수의 초음파를 조사(照射)하여 슬러지를 더욱더 잘게 파쇄하고 난분해성 고분자 유기물질을 분해가 용이한 저분자 유기물질로 분해하여 소화를 촉진하고, 그 후 고액분리기 일어난 고농도의 침전 소화슬러지나 상징수에 고주파수 초음파를 조사하여 초음파의 화학적 작용으로 한번 더 난분해성 고분자 유기물질을 분해가 용이한 저분자 유기물질로 분해하여 다시 소화가 일어나게 하는 방법으로 슬러지를 처리하는 방법이다.
그러나 상기와 같은 기술은 혐기성소화조액을 순환시키는 내부순환 라인에 초음파를 주사함으로써 유기성폐기물을 분해하는 혐기성소화 미생물의 활성저하 및 사멸까지도 일으킬 수 있으며, 근본적으로 초음파 처리의 경우 장치의 대형화에 한계가 있고 소음이 심할 뿐만 아니라 초음파를 발생시키는 극판(sonotrode)의 잦은 교체가 요구된다는 문제점이 있었다. 또한 무엇보다도 고형물 함량이 높은 유기성폐기물을 가용화하기 위해서는 초음파 발생 극판의 수가 무한정 늘어나고 그만큼 에너지 소모가 커지는 단점이 있다.
한편 국내 등록특허 제10-0413593호에는 반송되는 슬러지의 일부에 오존을 투입함으로써 슬러지 발생을 줄이는 슬러지 감량화 및 재활용 시스템에 대하여 개시되어 있다.
그러나 상기 기술은 지나치게 많은 슬러지를 오존처리하여 반송하는 경우 미생물의 침강성이 저하되어 처리 수질에 중대한 문제가 생기므로 잉여슬러지 전량을 이와 같은 방법으로 처리하는 것은 불가능할 수 있다. 이에 따라 잉여 슬러지의 일부만 오존으로 처리하여 슬러지를 줄이게 되면 일부 잉여 슬러지에 대한 슬러지만 줄어들므로 슬러지 저감율이 미미할 수 있다. 한편 오존처리된 슬러지를 혐기성소화 시 잔류 오존를 처리해야하며, 고농도 유기성폐기물에는 처리 효율이 극격히 떨어지는 단점이 있다.
따라서 단단한 세포벽을 가지고 있는 하,폐수 슬러지를 포함하는 고농도의 유기성폐기물의 감량화 및 혐기성소화 공정의 효율 향상을 위한 새로운 가용화 기술이 필요하다.
특허문헌 1 : 등록특허 제10-0785327호(2007.12.06) 특허문헌 2 : 등록특허 제10-0413593호(2003.12.18)
본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해 발명한 것으로, 하,폐수처리장에서 발생하는 각종 슬러지 및 각종 유기성폐기물을 유압식 스크류 교반기가 장착된 열적가용화 반응기를 이용하여 가용화할 수 있도록 한 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법을 제공하는데 있다.
또한 이를 통해 가용화된 슬러지는 유기성폐기물은 후속 탈수공정 및 혐기성소화 등 에너지화 공정 효율을 향상시켜 슬러지 감량 및 바이오 가스와 같은 에너지 생산량을 증대시킬 수 있도록 한 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법을 제공하는데 있다.
또한 각종 슬러지의 감량화 및 에너지화를 위한 탈수 또는 혐기성소화 공정의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치는 가용화가 용이하도록 슬러지파쇄기로 슬러지를 일정한 크기로 분쇄하고, 상기 슬러지파쇄기에서 기계적 가용화된 슬러지를 완충저류조에 저장하며, 상기 완충저류조에 열교환기를 가압이송펌프 및 순환펌프로 연결하여 유입,순환되는 슬러지를 열교환하고, 상기 열교환기에 유입된 슬러지를 고온,고압으로 가용화하는 유압식 스크류교반형 열가용화반응기를 열결하며, 상기 유압식 스크류교반형 열가용화반응기에 열매체 또는 스팀을 공급하는 보일러를 연결하고, 상기 열교환기의 가용화 슬러지배출부에 연속운전이 가능하도록 압력을 조절하는 압력조절부재를 연결한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 유기성폐기물의 연속운전형 가용화방법은 슬러지파쇄기로 슬러지를 유입시켜 가용화가 용이하도록 0.1~1.0mm로 균일하게 분쇄 및 균질화하고, 상기 슬러지파쇄기에서 기계적 가용화된 슬러지를 완충저류조에 저장하며, 상기 완충저류조에 저장된 슬러지를 가압이송펌프 및 순환펌프로 열교환기에 유입,순환시켜 열교환 및 예비 열교환하고, 상기 열교환기를 통해 열교환된 슬러지를 보일러와 연결된 유압식 스크류교반형 열가용화반응기에 유입,순환시켜 130~200℃의 고온,고압으로 가용화하며, 상기 열가용화반응기를 통해 가용화되어 열교환기로 순환되는 슬러지를 압력조절부재로 유입시켜 연속운전이 가능하도록 압력을 조절하는 것이다.
본 발명 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법에 따르면, 슬러지를 미세 크기로 분쇄한 상태에서 열교환시킨 후 고온,고압으로 가용화하기 때문에, 구조적으로 하,폐수처리장에서 발생하는 각종 슬러지를 용이하게 가용화할 수 있는 효과가 있다. 즉 본 발명의 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치 및 가용화방법에 따르면, 하수처리장에서 발생하는 잉여슬러지(TS 4~7%) 내 휘발성부유물질(Volatile Suspended Solids, VSS)의 양을 60% 이상 가용화하여 저감시켜 준다.
또한 이를 통해 가용화된 유기성폐기물은 후속 탈수공정 및 혐기성소화 등 에너지화 공정의 효율을 50~60%(하수 슬러지 기준) 향상시켜 슬러지 감량율 50~70%(하수 슬러지 기준) 및 바이오 가스와 같은 에너지 생산량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 각종 슬러지의 감량화 및 에너지화를 위한 탈수 또는 혐기성소화 공정의 효율을 향상시킬 수 있는 동시에 슬러지의 가온에 필요한 에너지양을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 가용화장치를 보인 개략도.
도 2a,2b는 본 발명에 따른 슬러지믹서를 보인 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 열교환기를 보인 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 열가용화반응기를 보인 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 압력조절부재를 보인 예시도.
도 6은 본 발명의 가용화방법을 통한 슬러지 가용화 및 감량 실시 예.
도 7은 본 발명의 가용화방법을 보인 공정도.
이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치는 도 1 내지 도 5에 도시되는 바와 같이, 슬러지를 일정한 크기로 분쇄하는 슬러지파쇄기(10); 상기 슬러지파쇄기(10)에서 기계적 가용화된 슬러지를 저장하는 완충저류조(20); 상기 완충저류조(20)에 가압이송펌프(30) 및 순환펌프(40)로 연결되어 유입,순환되는 슬러지를 열교환하는 열교환기(50); 상기 열교환기(50)에 연결되어 유입된 슬러지를 고온,고압으로 가용화하는 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60); 상기 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)에 순환펌프(70)로 연결되어 열매체 또는 스팀을 공급하는 보일러(80); 상기 열교환기(50)의 가용화 슬러지배출부에 연결되어 연속운전이 가능하도록 압력을 조절하는 압력조절부재(90)를 포함하여 구성된 것을 그 기술적 구성상의 기본적인 특징으로 한다.
여기서, 본 발명에 따른 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치는 하,폐수처리장에서 발생하는 각종 슬러지, 가축분뇨, 음식물폐액 등 다양한 유기성폐기물의 감량화 및 에너지화를 위한 탈수 또는 혐기성소화 공정의 효율 향상을 위한 전처리 가용화를 위한 것으로, 이러한 본 발명의 연속 운전형 가용화장치는 슬러지파쇄기(10),완충저류조(20),가압이송펌프(30),순환펌프(40),열교환기(50),유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60),순환펌프(70),보일러(80) 및 압력조절부재(90)로 이루어진다.
상기 슬러지파쇄기(10)는 슬러지를 일정한 크기로 분쇄하는 것으로, 이러한 슬러지파쇄기(10)는 슬러지를 가용화가 용이하도록 일정한 미세 크기로 분쇄하는 역할을 수행한다. 또한 고농도의 유기성폐기물의 이송 시 이송펌프의 높은 부하율을 줄여주고, 일정한 크기로 파쇄하여 이송이 원활하게 이루어지도록 하는 역할을 수행한다. 이때, 상기 슬러지파쇄기(10)는 슬러지의 기계적 파쇄를 통해 1차 기계적 가용화를 유도한다.
본 발명에 따르면 도 2a,2b에서와 같이 상기 슬러지파쇄기(10)는 스테이터(11)와 로터(12)로 이루어져 고형물이 다량 포함된 슬러지의 펌프 이송 시 막힘 및 유입 부하를 최소화하기 위하여 슬러지를 0.1~1.0mm로 균일하게 분쇄 및 균질화하도록 구성된다. 이때, 상기 스테이터(11)에는 다수의 배출구(11a)가 형성되고, 상기 로터(12)에는 다수의 분쇄날개(12a)가 형성된다.
또한 슬러지파쇄기는 유기성폐기물의 종류에 따라 일반적인 슬러지 이송 원심볼류트 펌프 등으로 대체 될 수 있으며, 이때에는 슬러지 완충저류조에 10~30Q로 연속순환 과정을 거치게 된다. 처리 대상 유기성폐기물의 농도 및 성상에 따라 슬러지파쇄기는 적용되지 않을 수 있다.
상기 완충저류조(20)는 슬러지믹서(10)에서 기계적 가용화된 슬러지를 저장하는 것으로, 이러한 완충저류조(20)에는 가압이송펌프(30) 및 순환펌프(40)가 연결된다.
상기 가압이송펌프(30)는 완충저류조(20)와 열교환기(50)에 연결되는 것으로, 이러한 가압이송펌프(30)는 완충저류조(20)의 슬러지를 열교환기(50) 및 열가용화반응기(60)에 유입시켜주는 역할을 수행한다.
상기 순환펌프(40)는 완충저류조(20)와 열교환기(50)에 연결되는 것으로, 이러한 순환펌프(40)는 열교환기(50)의 내부로 완충저류조(20)내 슬러지를 순환시켜 예비 열교환이 달성될 수 있도록 공급하여주는 역할을 수행한다.
상기 열교환기(50)는 완충저류조(20)에 가압이송펌프(30) 및 순환펌프(40)로 연결되어 유입,순환되는 슬러지를 열교환하는 것으로, 이러한 열교환기(50)는 1차 기계적 가용화된 슬러지와 열가용화반응기(60)를 통해 열적가용화된 슬러지의 열교환 역할을 수행한다.
본 발명에 따르면 도 1과 도 3에서와 같이, 상기 열교환기(50)는 가압이송펌프(30)와 연결되어 슬러지믹서(10)를 통해 기계적 가용화된 슬러지를 열가용화반응기(60)로 순환시키는 슬러지튜브(51)와, 상기 열가용화반응기(60)에서 고온으로 가용화된 슬러지를 압력조절부재(90)로 순환시키는 가용화액튜브(52)를 가지는 2중 튜브로 이루어지고, 상기 순환펌프(40)는 열교환기(50)의 내부로 완충저류조(20)내 슬러지를 순환시켜 예비 열교환이 이루어지도록 공급한다. 이때, 도 3에서 도면중 미설명부호 511은 원수 슬러지유입부, 512는 원수 슬러지배출부, 513은 가용화 슬러지유입부, 514는 가용화 슬러지배출부, 521은 슬러지 순환유입부, 522는 슬러지 순환배출부를 각각 나타낸 것이다.
따라서 상기 슬러지믹서(10)를 통해 기계적 가용화된 슬러지는 2중 튜브 열교환기(50)의 슬러지튜브(51)를 통하여 열가용화반응기(60)로 유입되고, 상기 열가용화반응기(60)에서 고온으로 가용화된 슬러지는 다시 2중 튜브 열교환기(50)의 가용화액튜브(52)에 유입된다.
또한 본 발명에 따르면 도 3에서와 같이, 상기 열교환기(50)에는 완충저류조(20)의 고농도 슬러지에 의한 막힘 및 편흐름을 방지하기 위해 순환펌프(40)를 통해 유입된 슬러지를 교반하는 교반기(53)가 장착된다. 이때, 도 3에서 도면중 미설명부호 530은 모터를 나타낸 것이다.
따라서 상기 교반기(53)로 순환펌프(40)를 통해 열교환기(50)의 내부로 순환되는 슬러지를 측면으로 교반할 수 있기 때문에, 완충저류조(20)의 고농도 슬러지에 의해 열교환기(50)의 막힘 및 편흐름을 방지할 수 있다.
그리고 상기 열교환기(50)를 통해 유입슬러지의 온도를 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60) 운전 온도의 50~70%까지 열교환하여 주입시켜주므로, 슬러지의 가온에 필요한 에너지양을 최소화 할 수 있다.
상기 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)는 열교환기(50)에 연결되어 유입된 슬러지를 고온,고압으로 가용화하는 것으로, 이러한 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)는 슬러지파쇄기(10)를 통해 균질화되고 1차 기계적 가용화된 슬러지 또는 그 처리를 거치지 않은 미처리 슬러지를 열적으로 가용화시켜주는 역할을 수행한다. 이때, 상기 열가용화반응기(60)는 열교환기(50)를 통해 유입된 슬러지를 130~200℃의 온도에서 열적으로 가용화시킨다.
본 발명에 따르면 도 1과 도 4에서와 같이, 상기 열가용화반응기(60)는 내부 내관(61) 속에 유압식 스크류교반기(62)가 설치되어 고농도 슬러지의 원활한 교반이 이루어진다. 이때, 상기 열가용화반응기(60)는 2중 원통형 구조로 이루어지고, 내부 내관(61) 속에 유압식 스크류교반기(62)가 설치되기 때문에, 고농도의 슬러지를 원활하게 교반하면서 용이하게 열적으로 가용화할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 도 4에서와 같이, 상기 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)는 고온의 열매체 또는 스팀에 의해 내부를 감싼 코일(63)과 외부의 자켓(64)을 통해 2중으로 가온되도록 구성된다. 이때, 도 4에서 도면중 미설명부호 610은 외관, 611은 모터, 612는 보온재, 613은 슬러지유입부, 614는 슬러지배출부, 615는 코일유입부, 616은 코일배출부, 617은 자켓유입부, 618은 자켓배출부를 각각 나타낸 것이다.
상기 순환펌프(70)는 열가용화반응기(60)와 보일러(80)에 연결되는 것으로, 이러한 순환펌프(70)는 설정 온도에 따라 3방향 밸브에 의해 고온의 열매체유 또는 스팀을 차단 또는 순환시켜 일정 온도를 유지하도록 구성된다.
상기 보일러(80)는 열가용화반응기(60)에 순환펌프(70)로 연결되는 것으로, 이러한 보일러(80)는 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)의 코일(63)과 자켓(64)에 열매체 또는 스팀을 공급하는 역할을 수행한다.
상기 압력조절부재(90)는 열교환기(50)의 가용화 슬러지배출부에 연결되어 연속운전이 가능하도록 압력을 조절하는 것으로, 이러한 압력조절부재(90)는 열가용화반응기(60)의 가온을 하여주는 보일러(80), 1차 슬러지파쇄기(10)를 통해 기계적 가용화된 슬러지를 열가용화반응기(60)를 통해 슬러지를 물리적 가용화하고 이를 연속운전이 가능하도록 압력을 조절하여 주는 역할을 수행한다. 이때, 상기 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)를 통해 가용화된 고온,고압 슬러지는 압력조절부재(90)를 통하여 연속으로 운전되도록 한다.
본 발명에 따르면 도 5에서와 같이, 상기 압력조절부재(90)는 압력조절기(91)와 비상시 압력배출을 위한 압력변(92)으로 구성되고, 압력조절은 열가용화반응기(60)의 내부 압력, 유입 및 토출 배관 압력 등을 고려하여 설정 온도의 수증기압의 1.5~2배 이상으로 운전되도록 하며, 압력변(92)은 운전 압력의 1.2~2배에서 작동되도록 한다. 이때, 도 5에서 도면중 미설명부호 910은 압력조절밸브/볼트, 911은 압력조절스프링, 912는 플러그, 913은 압력조절토출배관, 914는 압력조절배관, 915는 압력변토출배관을 각각 나타낸 것이다.
또한 본 발명에 따르면 도 5에서와 같이, 상기 압력조절부재(90)는 수동운전 또는 자동운전되도록 구성하되, 자동운전의 경우 압력조절기(91) 전단의 압력과 후단의 압력을 실시간 측정하여 설정 범위 내의 압력차로 자동으로 조절되도록 프로그램을 구성하여 운전되도록 한다,
본 발명에 따르면 도 6에서와 같이, 상기 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치에 의해 하수처리장에서 발생하는 잉여슬러지의 운전 온도별 휘발성 부유고형물(VSS)의 가용화 정도를 알 수 있다. 휘발성 부유고형물(VSS)은 하수슬러지의 60~75%이상을 차지하며 이의 가용화를 통해 슬러지의 감량화 및 가용화 효율을 알 수 있다.
(실시 예)
하수처리장에서 발생한 잉여 슬러지를 TS 4.0%로 농축하여 이를 슬러지 파쇄기를 통해 전처리 실험을 수행한 후 열적가용화 반응기로 가용화 실험을 수행하였다. 슬러지 파쇄기의 회전 속도를 4,500rpm에서 60분 운전 할 경우 SCODcr은 최대 6배 이상 증대하였으며, 이때 SCOD 가용화율은 15.9%를 보였다.
열적가용화 반응기에 적용하여 130 및 160에서 가용화 실험을 수행한 결과는 표 1와 같다. 슬러지 파쇄기를 사용하지 않은 열가용화 반응 슬러지는 SCODcr 및 VFAs는 각각 약14배에서 10.8배 증가하였다. 슬러지 파쇄기에 의해 1차 전처리 된 슬러지를 130 및 160에서 열적가용화 실험을 수행한 결과 잉여슬러지 원수 대비 17배 및 12배 증가하였다. 하지만 슬러지 파쇄기를 통해 1차 전처리된 슬러지 기준으로는 2.6배 및 6.4배 증가하는데 그쳐, 실질적인 효과는 열적가용화 온도를 10~15정도 낮추는 효과를 나타내었다. pH의 변화는 슬러지 파쇄기 전후 큰 차이를 보이지 않았다.
구 분 TCODcr SCODcr VSS VFAs pH
Non-mix Non-Thermal 37,201 1,052 27,277 13.8 6.60
Thermal-130 38,144 9,179 18,000 40.1 6.53
Thermal-160 38,634 14,614 12,950 149.7 6.25
Mix Non-Thermal 37,668 6,803 25,720 26.4 6.58
Thermal-130 38,645 12,419 16,454 130.7 6.45
Thermal-160 37,643 17,888 11,368 170.0 6.11
한편, 본 발명 유기성폐기물의 가용화방법은 슬러지파쇄기(10)로 슬러지를 유입시켜 0.1~1.0mm로 균일하게 분쇄 및 균질화하는 단계; 상기 슬러지파쇄기(10)에서 기계적 가용화된 슬러지를 완충저류조(20)에 저장하는 단계; 상기 완충저류조(20)에 저장된 슬러지를 가압이송펌프(30) 및 순환펌프(40)로 열교환기(50)에 유입,순환시켜 열교환 및 예비 열교환하는 단계; 상기 열교환기(50)를 통해 열교환된 슬러지를 보일러(80)와 연결된 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)에 유입,순환시켜 130~200℃의 고온,고압으로 가용화하는 단계; 상기 열가용화반응기(60)를 통해 가용화되어 열교환기(50)로 순환되는 슬러지를 압력조절부재(90)로 유입시켜 연속운전이 가능하도록 압력을 조절하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
이하에서는 도 7을 참조하여 본 발명 유기성폐기물의 연속운전형 가용화방법을 공정별로 설명한다.
(유입 및 믹서 공정)
고형물이 다량 포함된 슬러지를 슬러지파쇄기(10)로 유입시켜 가용화가 용이하도록 0.1~1.0mm 미세 크기로 균일하게 분쇄 및 균질화한다. 이때, 슬러지파쇄기(10)는 슬러지의 기계적 파쇄를 통해 1차 기계적 가용화를 유도하고, 또한 슬러지파쇄기(10)는 고형물이 다량 포함된 슬러지의 펌프 이송 시 막힘 및 유입 부하를 최소화한다.
(저장 공정)
슬러지믹서(10)에서 1차 기계적 가용화된 슬러지를 완충저류조(20)에 저장한다.
(열교환 공정)
완충저류조(20)에 저장된 슬러지를 가압이송펌프(30) 및 순환펌프(40)로 열교환기(50)에 유입,순환시켜 열교환 및 예비 열교환한다. 이때, 가압이송펌프(30)는 완충저류조(20)의 슬러지를 열교환기(50)에 유입시키고, 순환펌프(40)는 열교환기(50)의 내부로 완충저류조(20)내 슬러지를 순환시켜 예비 열교환이 달성되도록 공급하며, 열교환기(50)는 1차 기계적 가용화된 슬러지와 열가용화반응기(60)를 통해 열적가용화된 슬러지를 열교환한다.
(가용화 공정)
열교환기(50)를 통해 열교환된 슬러지를 보일러(80)와 연결된 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)에 유입,순환시켜 130~200℃의 고온,고압으로 가용화한다. 이때, 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)는 슬러지파쇄기(10)를 통해 균질화되고 1차 기계적 가용화된 슬러지를 열적으로 가용화시켜주고, 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)를 통해 열적가용화된 슬러지는 열교환기(50)로 순환된다.
(압력조절 공정)
유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)를 통해 가용화되어 열교환기(50)로 순환되는 슬러지를 압력조절부재(90)로 유입시켜 연속운전이 가능하도록 압력을 조절한다. 이때, 압력조절부재(90)는 열가용화반응기(60)의 가온을 하여주는 보일러(80), 1차 슬러지파쇄기(10)를 통해 기계적 가용화된 슬러지를 열가용화반응기(60)를 통해 슬러지를 물리적 가용화하고 이를 연속운전이 가능하도록 압력을 조절하여 준다.
따라서 이와 같이 구성된 본 발명은 슬러지파쇄기(10)로 슬러지를 미세 크기로 분쇄한 상태에서 열교환기(50)로 이송하여 열교환시킨 후, 열교환된 슬러지를 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)로 순환시켜 고온,고압으로 연속운전이 가능하도록 가용화하기 때문에, 구조적으로 하,폐수처리장에서 발생하는 각종 슬러지를 한층 더 용이하게 가용화할 수 있는 장점이 있다.
또한 이러한 본 발명은 상술한 바와 같이 슬러지의 가용화가 용이하고 연속운전이 가능하기 때문에, 이를 통해 가용화된 슬러지는 유기성폐기물은 후속 탈수공정 및 혐기성소화 등 에너지화 공정 효율을 향상시켜 슬러지 감량 및 바이오 가스와 같은 에너지 생산량을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 이러한 본 발명은 상술한 바와 같이 슬러지의 가용화가 용이하고 연속운전이 가능하기 때문에, 이를 통해 각종 슬러지의 감량화 및 에너지화를 위한 탈수 또는 혐기성소화 공정의 효율을 향상시킬 수 있는 동시에 슬러지의 가온에 필요한 에너지양을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
10 : 슬러지믹서 11 : 스테이터
12 : 로터 20 : 완충저류조
30 : 가압이송펌프 40 : 순환펌프
50 : 열교환기 51 : 슬러지튜브
52 : 가용화액튜브 53 : 교반기
60 : 유압식 스크류교반형 열가용화반응기 61 : 내관
62 : 스크류교반기 63 : 코일
64 : 자켓 70 : 순환펌프
80 : 보일러 90 : 압력조절부재
91 : 압력조절기 92 : 압력변

Claims (12)

  1. 슬러지를 일정한 크기로 분쇄하는 슬러지파쇄기(10); 상기 슬러지파쇄기(10)에서 기계적 가용화된 슬러지를 저장하는 완충저류조(20); 상기 완충저류조(20)에 가압이송펌프(30) 및 순환펌프(40)로 연결되어 유입,순환되는 슬러지를 열교환하는 열교환기(50); 상기 열교환기(50)에 연결되어 유입된 슬러지를 고온,고압으로 가용화하는 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60); 상기 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)에 순환펌프(70)로 연결되어 열매체 또는 스팀을 공급하는 보일러(80); 상기 열교환기(50)의 가용화 슬러지배출부에 연결되어 연속운전이 가능하도록 압력을 조절하는 압력조절부재(90)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬러지파쇄기(10)는 스테이터(11)와 로터(12)로 이루어져 슬러지를 0.1~1.0mm로 균일하게 분쇄 및 균질화하는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 슬러지파쇄기(10)는 슬러지 순환 원심 볼류트펌프로 대체하여 완충저류조에 10~30Q로 연속 순환시키는 것을 포함 또는 유입 유기성폐기물의 농도 및 성상에 따라 제외 될 수 있는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기(50)는 가압이송펌프(30)와 연결되어 슬러지믹서(10)를 통해 기계적 가용화된 슬러지를 열가용화반응기(60)로 순환시키는 슬러지튜브(51)와, 상기 열가용화반응기(60)에서 고온으로 가용화된 슬러지를 압력조절부재(90)로 순환시키는 가용화액튜브(52)를 가지는 2중 튜브로 이루어지고, 상기 순환펌프(40)는 열교환기(50)의 내부로 완충저류조(20)내 슬러지를 순환시켜 예비 열교환이 이루어지도록 공급하는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 열교환기(50)를 통하여 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60) 운전온도의 50~70% 이상 열교환이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 열교환기(50)에는 완충저류조(20)의 고농도 슬러지에 의한 막힘 및 편흐름을 방지하기 위해 순환펌프(40)를 통해 유입된 슬러지를 교반하는 교반기(53)가 장착된 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)는 열교환기(50)를 통해 유입된 슬러지를 130~200℃의 온도에서 열적으로 가용화시켜주는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)는 내부 내관(61) 속에 유압식 스크류교반기(62)가 설치되어 고농도 슬러지의 원활한 교반이 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  9. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)는 고온의 열매체 또는 스팀에 의해 내부를 감싼 코일(63)과 외부의 자켓(64)을 통해 2중으로 가온되도록 구성되고, 상기 순환펌프(70)는 설정 온도에 따라 3방향 밸브에 의해 고온의 열매체유 또는 스팀을 차단 또는 순환시켜 일정 온도를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 압력조절부재(90)는 압력조절기(91)와 비상시 압력배출을 위한 압력변(92)으로 구성되고, 압력조절은 열가용화반응기(60)의 내부 압력, 유입 및 토출 배관 압력을 고려하여 설정 온도의 수증기압의 1.5~2배 이상으로 운전되도록 하며, 압력변(92)은 운전 압력의 1.2~2배에서 작동되도록 하는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  11. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 압력조절부재(90)는 수동운전 또는 자동운전되도록 구성하되, 자동운전의 경우 압력조절기(91) 전단의 압력과 후단의 압력을 실시간 측정하여 설정 범위 내의 압력차로 자동으로 조절되도록 프로그램을 구성하여 운전되도록 하는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화장치.
  12. 슬러지파쇄기(10)로 슬러지를 유입시켜 0.1~1.0mm로 균일하게 분쇄 및 균질화하는 단계; 상기 슬러지파쇄기(10)에서 기계적 가용화된 슬러지를 완충저류조(20)에 저장하는 단계; 상기 완충저류조(20)에 저장된 슬러지를 가압이송펌프(30) 및 순환펌프(40)로 열교환기(50)에 유입,순환시켜 열교환 및 예비 열교환하는 단계; 상기 열교환기(50)를 통해 열교환된 슬러지를 보일러(80)와 연결된 유압식 스크류교반형 열가용화반응기(60)에 유입,순환시켜 130~200℃의 고온,고압으로 가용화하는 단계; 상기 열가용화반응기(60)를 통해 가용화되어 열교환기(50)로 순환되는 슬러지를 압력조절부재(90)로 유입시켜 연속운전이 가능하도록 압력을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 연속운전형 가용화방법.
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