KR101553370B1 - 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축산 분뇨와 음식물 폐수가 혼합된 발효원료가 내부에 저장되며 입구에 고형분 거름수단이 마련되는 발효원료 저장조와, 발효원료 저장조에 연결되는 고액분리기로 이루어지는 전처리부와, 상기 고액 처리기로부터 산발효조, 메탄 발효조, 폐수 처리기가 차례로 연결되어 이루어지는 메탄 발생부와, 상기 메탄 발생부로부터 추출되는 가스의 수분과 황을 제거시키는 수분 제거 및 탈황부와, 상기 수분 제거 및 탈황부로부터 추출되는 메탄가스로 전력을 생산하는 발전부로 이루어지는 메탄 발전 시스템을 이용하는 메탄 발전 방법으로서, 분뇨와 음식물 쓰레기로 이루어지는 발효원료를 상기 고형분 거름수단으로 통과시켜 발효원료 저장조에 저장시키고 고형분 거름수단에 걸러진 협잡물과 고형분은 제거시킨 다음, 발효원료를 고액 처리기로 보내어 발효원료에서 생성되는 고형분과 액상 성분을 분리시키는 전처리 단와, 상기 액상 성분의 발효원료를 산 발효조에서 발효시킨 다음 직접 메탄 발효조로 투입하여 메탄 발효 하면서 생성되는 메탄가스는 상기 수분 제거부로 보내고 잔류 소화액은 상기 폐수처리기로 보내는 메탄 발생 단계, 상기 메탄가스의 황과 수분을 제거하는 수분제거 및 탈황단계와, 수분제거 및 탈황 단계에서 저장된 메탄가스를 연소시켜 발전기를 구동시키는 발전단계를 포함하는 메탄 발전 방법을 제공하고자 한다.

Description

분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 시스템 및 그 방법{System and Method for methane power generation using excrement and waste water}

본 발명은 혐기성 발효로 생성되는 메탄을 연소시켜 전력을 생산하는 메탄 발전 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 축산 분뇨와 음식물 쓰레기가 발효 원료로 이용되는 메탄 발전 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

혐기성 소화처리는 오랜 역사를 갖는 전통적인 기술로 비교적 온난한 지역에서 액상 및 반고상폐기물을 처리하는데 자주 이용되었다. 혐기성 소화공정은 미생물을 이용하여 하수 슬러지, 음식 폐기물, 축산 분뇨 등의 유기성 폐기물을 처리하는 것으로써, 폐기물의 양을 효과적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연료로 사용가능한 바이오가스(이산화탄소 및 메탄)를 부산물로 얻을 수 있다. 특히 최근 들어 소각과정에서 발생하는 다이옥신에 의한 환경피해 사례가 커다란 사회적 이슈가 되고, 이산화탄소 배출 저감에 대한 관심이 높아지면서 EU, 일본, 미국 등 선진산업국들은 유기성 폐기물의 혐기성 소화처리를 통한 바이오가스(biogas) 생성에 큰 관심을 갖게 되었다.

혐기성 소화는 부산물의 주요 구성물인 메탄(methane)을 중시하여 일명 "메탄발효"라고도 한다. 혐기성 소화라는 용어 내에 포함된 것과 같이 산소가 없는 혐기성 상태에서 분해 가능한 유기물을 분해시켜 메탄으로 전환시키는 것이다.

이 방법은 과거에 중국 등에서 분뇨처리 목적으로 사용되었으나, 1900년경부터 하수 처리시 슬러지 감량화 기술로 환경 분야에 적용되었으며, 1950년대 후반에는 효모제조 폐수 등의 공장폐수처리에 응용되었다. 초기에는 1개의 반응기에서 처리하는 단상메탄발효조가 주로 이용되었으나, 1970년대 후반부터 산 분해 과정과 메탄생성단계를 분리한 2상식메탄발효조로 발전하였으며, 그 후 미생물 군을 담체에 고 정화한 고정상식, 유동상식 등 고효율메탄발효조가 개발되었다. 혐기성 소화에 의한 하ㅇ폐수 처리는 활성오니법이 보급되면서 적극적으로 사용되지 않았으나, 1970년대 중반 석유사태 이후 바이오가스 연료화의 가능성과 많은 양의 공기를 통기시켜야하는 활성오니법에 비해 소비전력이 적은 장점으로 분뇨와 하ㅇ폐수 슬러지뿐만 아니라 가축폐수와 도시쓰레기 등의 유기성폐기물로부터 에너지 회수의 목적으로 연구가 진행되어 왔다.

메탄 발효에 의하여 생성되는 메탄은 천연가스와 비교할 때 함유량에서만 차이가 있을 뿐 거의 동일하게 유용한 자원이 되므로 최근에는 석유 대신에 쓰일 수 있는 대체 에너지원으로 적극 개발되고 있다.

종래 메탄 발효에 의한 열병합 발전기술에 관한 일반적인 공정의 흐름은 도 1의 공정도에 도시된 바와 같이 크게 전처리부(1), 메탄발생부(2), 수분 제거 및 탈황부(3), 발전부(4)로 이루어진다.

여기서 전처리부(1)는 발효의 원료가 되는 분뇨나 음식물 폐수 등의 폐기물을 수거받아 저장하며 고체 성분은 제거하고 액체 성분은 메탄 발생부(2)로 공급하는 역할을 맡는다.

그런데 종래에는 축산 분뇨 저장조(1-1)와 음식물 폐수 저장조(1-2)에 저장된 분뇨와 폐수에 포함된 각종 협잡물을 제거하기 위하여 분뇨와 폐수를 공기중에 노출시킬 수밖에 없게 되는데 이때 발생되는 악취가 심하여 인근 주민들에게 심각한 피해가 초래된다. 따라서 이에 대한 대책이 요구되나 현재로서 이 문제가 적극적으로 해결된 사례는 찾아보기 힘들다.

한편 분뇨와 폐수의 액상을 발효시켜 메탄을 생성시키는 메탄발생부(2)는 산발효조(2-1), 고액처리기(2-2), 메탄발효조(2-3), 폐수처리기(2-4)가 차례로 연결되며 이루어진다. 이때 특히 산 발효조(2-1)와 메탄 발효조(2-2)의 온도가 메탄 생산 효율에서 가장 중요한 변수가 된다. 일반적으로 혐기성 소화는 무가온, 35~37℃에 해당되는 중온 소화 영역, 50~60℃에 해당되는 고온 소화 영역의 세 가지 온도 유지 방식이 채택되고 있다.

위 세 가지 온도 범위에서 사용되는 메탄균은 서로 차이가 있어서 균의 교체 없이 곧바로 온도 세팅을 변경시키는 것은 무리이다. 따라서 보통 위 세 가지 온도영역 중 한 가지 영역을 선택하여 발효를 실시하는데 고온 소화 영역의 경우가 중온 소화 영역에 비하여 2배 내지 3배 높은 처리효율을 보여준다.

다만 고온 소화 영역에서는 온도와 유기물부하 즉 투입유기물량의 변동에 대한 안정도와 복원력이 작으므로 허용 오차 범위도 상당히 작을 수밖에 없어 숙련된 운전노하우가 요구된다. 또한 고온 소화 영역을 유지시키려면 에너지가 많이 소모되는 점도 문제이므로 일반적으로는 중온 소화 영역이 선호된다.

따라서 고온 소화 영역보다 낮은 온도로서, 고온 소화 영역에 비하여 에너지 소모가 적으면서도 현재의 중온 소화 영역에서 가능한 메탄 생산 보다 더 큰 효율로 메탄 생산이 가능한 방안을 찾는 것이 중요한 과제가 된다.

그리고 메탄발생부(2)에서 생성되는 메탄은 수분제거 및 탈황부(3)로 들어가게 된다. 탈황과 탈수는 부식작용 경감을 목적으로 하는 중요한 처리이다. 메탄이 함유되는 바이오가스 중에 포함되는 황화수소가스는 메탄발효 원료 중의 단백질과 아미노산을 구성하는 황과 황산염을 환원하는 황환원세균에 의하여 생성되는 유도가스이다.

종래에는 도1에 나타난 바와 같이 메탄발생부(2)에서 배출되는 가스가 곧바로 습식 탈황장치(3-1)를 거친 후 제습기(3-2)로 들어가게 된다.

그런데 습식탈황장치(3-1)의 경우 흡수와 재생반응에서 배출되는 가스의 처리가 곤란한 문제가 있으므로 건식탈황장치를 채택하는 것이 바람직할 수 있는데, 이때 메탄발생부(2)에서 배출되는 메탄가스를 곧바로 건식 탈황장치로 보내면 제거되지 않은 수분에 녹게되는 황의 처리가 되지 않는 문제가 발생되므로 대책이 요구된다.

메탄가스 생산을 위한 혐기성 소화 관련 구체적인 종래기술을 살펴보면, 특허등록공보 제10-1257911호(등록일자:2013. 04. 18)에 개시된 '유기성 폐기물 통합 바이오가스 생산시스템'이 있다.

상기 종래기술은 유기성 폐기물 통합 바이오가스 생산시스템에 관한 것으로, 일정 기준 이상의 수분함량을 갖는 제1유기성 폐기물을 저장하는 제1저장조(10a)와, 일정 기준 미만의 수분함량을 갖는 제2유기성 폐기물을 저장하는 제2저장조(10b)와, 케이스와, 케이스의 내부를 상하로 구획하는 매쉬형상의 배출틀과, 케이스로 유입된 제1,2유기성 폐기물을 흡수해서 가수분해가 진행되면서 배출틀에 지지되는 여과단을 구비한 여과기(30,30'30")와, 여과기에서 가수분해된 용해성 유기물을 고액분리하는 고액분리기(40)와, 고액분리된 가수분해 액을 메탄 발효시켜서 바이오가스(메탄가스)와 혐기소화액으로 분리하고, 혐기소화액이 여과단에 흡수되도록 여과기로 이송하는 고율혐기소화조(50), 및 바이오가스를 저장하는 가스저장조(60)로 이루어져, 한 종류의 여과기로 다양한 농도의 유기성 폐기물의 가수분해가 효과적으로 될 수 있고, 혐기소화액의 순환 공급으로 수분함량이 상대적으로 적은 유기성 폐기물 또한 효과적으로 가수분해 될 수 있는 효과가 있다.

다만 상기 종래기술에서는 전처리 단계에 폐기물 분쇄 공정이 포함되어 있어악취가 심한 전처리 단계의 발효 원료가 공기중에 노출되어 심각한 악취 공해를 유발시키는 문제와, 산발효와 메탄발효가 하나의 발효조 내에서 이루어져 발효균 간의 경쟁으로 효율이 저하되는 문제 및 최적의 발효를 위한 온도 범위의 한정이 없어 종래의 메탄 생성 효율이 유지될 수 밖에 없는 문제점이 있다.

특허등록공보 제10-1257911호(등록일자:2013. 04. 18)

이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 중온 소화 영역의 발효균을 사용하면서도 최대의 효율을 올릴 수 있는 최적 온도 범위를 확립하고, 전처리가 밀폐과정에서 수행되어 악취 유출이 원천적으로 방지되며, 이후 공정에서 유해한 수분과 황 성분이 최대한 제거될 수 있는 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 시스템 및 그 방법은 축산 분뇨와 음식물 폐수가 혼합된 발효원료가 내부에 저장되며 입구에 고형분 거름수단이 마련되는 발효원료 저장조와, 발효원료 저장조에 연결되는 고액분리기로 이루어지는 전처리부와, 상기 고액 처리기로부터 산발효조, 메탄 발효조, 폐수 처리기가 차례로 연결되어 이루어지는 메탄 발생부와, 상기 메탄 발생부로부터 추출되는 가스의 수분과 황을 제거하는 수분 제거 및 탈황부와, 상기 수분 제거 및 탈황부로부터 추출되는 메탄가스로 전력을 생산하는 발전부를 포함하여 이루어진다.

여기서 상기 고형분 거름 수단은 상기 발효원료가 통과되는 메쉬로서 발효원료 저장조 내부에 설치되며, 상기 발효원료 저장조와 고액분리기는 외부로부터 밀폐되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 메탄발생부에서 발효원료는 연료관으로 직접 연결되고, 산발효조 및 메탄발효조에는 각각 발효조 온도 제어용 열교환기가 마련되며, 상기 발전부에는 연소보일러와, 연소보일러로 가열되는 온수가 저장되는 온수통이 마련되어, 산발효조 및 메탄발효조 내부의 발효원료가 상기 열교환기 내부에서 상기 온수통의 온수와 열교환 되어 발효원료의 온도가 제어됨이 바람직하다.

특히 바람직하게는 상기 메탄발효조의 온도는 44도 내지 46도의 범위 내로 유지되게 한다.

상기 수분 제거 및 탈황부는 탈황장치와 제습기 및 가스 저장조가 차례로 연결되어 이루어지며, 상기 탈황장치는 탈황제가 충진되는 건식 탈황장치이며, 메탄 발생부와 상기 건식 탈황장치 사이에 설치되는 워터 트랩을 더 포함한다.

한편 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 방법은 축산 분뇨와 음식물 폐수가 혼합된 발효원료가 내부에 저장되며 입구에 고형분 거름수단이 마련되는 발효원료 저장조와, 발효원료 저장조에 연결되는 고액분리기로 이루어지는 전처리부와, 상기 고액 처리기로부터 산발효조, 메탄 발효조, 폐수 처리기가 차례로 연결되어 이루어지는 메탄 발생부와, 상기 메탄 발생부로부터 추출되는 가스의 수분과 황을 제거시키는 수분 제거 및 탈황부와, 상기 수분 제거 및 탈황부로부터 추출되는 메탄가스로 전력을 생산하는 발전부로 이루어지는 메탄 발전 시스템을 이용하는 메탄 발전 방법으로서, 분뇨와 음식물 쓰레기로 이루어지는 발효원료를 상기 고형분 거름수단으로 통과시켜 발효원료 저장조에 저장시키고 고형분 거름수단에 걸러진 협잡물과 고형분은 제거시킨 다음, 발효원료를 고액 처리기로 보내어 발효원료에서 생성되는 고형분과 액상 성분을 분리시키는 전처리 단계와, 상기 액상 성분의 발효원료를 산 발효조에서 발효시킨 다음 직접 메탄 발효조로 투입하여 메탄 발효 하면서 생성되는 메탄가스는 상기 수분 제거부로 보내고 잔류 소화액은 상기 폐수처리기로 보내는 메탄 발생 단계와, 상기 메탄가스의 황과 수분을 제거하고 저장시키는 수분제거 및 탈황단계와, 상기 수분제거 및 탈황 단계에서 저장된 메탄가스를 연소시켜 발전기를 구동시키는 발전단계를 포함하여 이루어진다.

여기서 상기 고형분 거름 수단은 상기 발효원료가 통과되는 메쉬로서 발효원료 저장조 내부에 설치되며, 상기 발효원료 저장조와 고액분리기는 바람직하게는 외부로부터 밀폐시킨다.

그리고 상기 산발효조 및 메탄발효조에는 각각 발효조 온도 제어용 열교환기가 마련되며, 상기 발전부에는 연소보일러와, 연소보일러로 가열되는 온수가 저장되는 온수통이 마련되어, 산발효조 및 메탄발효조 내부의 발효원료가 상기 열교환기 내부에서 상기 온수통의 온수와 열교환 되어 발효원료의 온도를 제어하는 것이 바람직하다.

특히 바람직하게는 상기 메탄발효조의 온도는 44도 내지 47도의 범위 내로 유지되도록 한다.

한편 상기 수분 제거 및 탈황부는 탈황장치와 제습기 및 가스 저장조가 차례로 연결되어 이루어지며, 이때 바람직하게는 상기 탈황장치는 탈황제가 투입되는 건식 탈황장치를 채택하며, 메탄 발생부와 상기 건식 탈황장치 사이에 워터 트랩을 설치한다.

본 발명에 의한 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 시스템 및 그 방법에는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 혐기반응 과정에서 외기와의 접촉이 최대한 차단되어 메탄 생성 효율이 현저하게 상승한다.

둘째, 메탄 발효조 온도를 종래 예측하기 힘들었던 최적의 반응 온도 수치로 한정시킴으로써 메탄 생성 효율이 극대화된다.

셋째, 전처리 과정에서 협잡물 처리 공정을 배재하고 고형분 거름 수단이 마련됨으로써 전처리 과정에서 발생되던 심각한 악취 문제가 해결된다.

넷째, 건식 탈황방식을 채택하고 탈황 전에 수분 트랩을 배치함으로써 유해한 수분과 황 성분이 최대한 제거된다.

도 1은 종래의 일반적인 혐기성 소화에 의한 메탄 발전 공정을 나타내는 구성도,
도 2는 구체적인 종래기술을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 전체 공정을 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에서 메탄생성부의 온도 제어 원리를 나타내는 구성도,

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

먼저, 도 3을 참조하여 본 발명의 전체 공정을 간략하게 설명한 다음, 각 공정의 세부 특징과 공정간의 작용 관계에 대하여 구체적으로 서술하기로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 시스템에서 전처리부(10)는 축산 분뇨와 음식물 폐수가 혼합된 발효원료가 내부에 저장되며 입구에 고형분 거름수단(11)이 마련되는 발효원료 저장조(12)와, 발효원료 저장조(12)에 연결되는 고액처리기(13)로 이루어지고, 메탄 발생부(20)는 고액 처리기(13)로부터 산발효조(21), 메탄 발효조(22), 폐수 처리기(23)가 차례로 연결되어 이루어지며, 수분제거 및 탈황부(30)는 기본적으로 건식 탈황장치(32)와 제습기(33)로 이루어지고, 수분 제거 및 탈황부(30)로부터 추출되는 메탄가스로 전력을 생산하는 발전부(40)는 발전기(41)로 이루어진다.

이때 전처리부(10)에서 고형분 거름수단(11)은 바람직하게는 발효원료 저장조(12)의 내부에 내장되어 걸러진 고형분도 외부와 차단될 수 있다.

고액분리기(13)는 고형분 거름수단으로 걸러지지 않는 고형분과, 발효원료 저장조(12) 내부에서 생성되는 고형분을 액상과 분리시키는 역할을 한다.

고액분리기(13)를 거친 발효 원료는 메탄 생성부(20)로 흘러들어가서 혐기성 소화 과정을 거친다. 혐기성 소화는 산 발효조(21)와 메탄 발효조(22) 내부에서 이루어지며, 산 발효조(21)와 메탄 발효조(22)는 그 사이에 별도의 장치 없이 직접 연결된다.

발효 원료는 산 발효조(21)와 메탄 발효조(22)를 차례로 거치게 되는데 메탄 발효조(22)에서 발생되는 메탄가스는 수분 제거 및 탈황부(30)로 이송되며, 나머지 액상과 슬러리는 폐수처리기(23)로 이송된다.

메탄 발효조(22)에서 수분 제거 및 탈황부(30)로 이송되는 메탄가스는 수분이 다량 함유되어 있어서 이 수분 제거 수단이 필요하므로 메탄 발효조(22)와 건식 탈황장치(32) 사이에 수분 제거를 위한 워터 트랩(31)이 더 포함될 수 있다.

탈황과 제습 단계를 거친 메탄가스는 가스 저장조(34)에 저장되며, 가스 저장조(34)에 저장된 메탄가스는 발전기의 전력 생산 상황에 맞게 발전기로 투입된다.

상기에서 본 발명의 전체 공정을 간략하게 살펴보았으므로 이하에서는 본 발명의 각 공정의 세부 특징과 각 공정간의 관계에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다. 이때 각 공정의 세부 설명과 함께 본 발명에 의한 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 방법도 함께 살펴보기로 한다.

먼저 전처리부(10)에 대하여 살펴본다.

본 발명에서 전처리부(10)의 특징은 종래에 도 1의 전처리부(1)에 있던 협잡물 제거장치(1-3)가 생략되면서 발효원료 저장조(12)에서 배출되는 발효 원료를 고체와 액체로 분리 처리하는 고액처리기(13)가 배치되며, 발효원료 저장조(12)에는 발효 원료가 되는 축산 분뇨와 음식물 쓰레기 폐수가 분리되지 않고 함께 저장되는 점이다.

종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 발효 원료 저장조는 축산 분뇨용 저장조(1-1)와 음식물 폐수 저장조(1-2)로 나뉘어져 있으며 상기 두 저장조에 저장되는 발효원료가 메탄발생부(2)로 흘러들어가기 전에 협잡물 제거장치(1-3)를 거치게 된다.

이때 협잡물 제거장치(1-3)는 발효원료인 축산분뇨와 음식물 폐수를 외부에 노출시키게 되므로 이때 발생하는 심각한 악취로 인하여 인근 주민들의 생활에 막대한 고통이 초래된다.

따라서 본발명에서는 자세하게 도시되지는 않았지만 발효원료로부터 고체 상태의 협잡물을 제거시키는 과정이 외부로 노출되지 않도록 고형분 거름수단(11)이 바람직하게는 발효원료 저장소(12) 내부에 내장된다.

수집되는 발효원료가 발효원료 저장소(12) 내로 투입될 때 고형분 거름수단(11)을 거치게 되며, 발효원료가 투입될 때만 발효원료 저장소(12)가 개방되므로 발효원료로 인한 악취가 외부로 누출되는 것이 방지된다.

그리고 고형분 거름수단(11)에 고형분이 가득 찰 경우 고형분을 빼내기 위한 별도의 배출구가 발효원료 저장소(12)에 형성될 수 있다.

이렇게 발효원료 저장소(12)에 저장된 발효원료는 메탄발생부(20)에서 요구되는 스케쥴에 따라 메탄발생부(20)로 이송된다. 이때 발효원료는 메탄발생부(20)로 이송되기 전에 고액처리기(13)를 거치게 된다.

고액처리기(13)에서는 앞서 설명된 바처럼 고형분 거름수단(11)에서 미쳐 걸러지지 않은 미세한 고형물과, 발효원료 저장조(12) 내부에서 새롭게 형성되는 고형분이 걸러진다.

고액처리기(13)에서는 완벽한 고형분의 분리 제거 보다는 고형분의 파쇄에 의하여 발효반응에 참여하게 될 유기물이 더욱 풍부해지는 것을 목표로 한다. 따라서 본 발명의 고액처리기(13)에서는 약품의 투입은 최대한 억제된다.

이렇게 전처리부(10)를 거친 발효원료는 메탄발생부(20)로 이송된다.

메탄발생부(20)는 산 발효조(21)와 메탄 발효조(22) 및 폐수처리기(23)가 차례로 연결되어 이루어진다.

메탄발생부(20)에서는 혐기성 소화반응이 일어나게 되며 세부적으로 크게 가수분해 과정과 산 발효 과정 및 메탄 발효 과정으로 나뉘어진다.

산 발효조(21)에서 앞의 가수분해 과정과 산 발효과정이 일어나며 메탄 발효조(22)에서 메탄 발효과정이 일어난다.

발효원료에 포함되는 유기 고형분의 혐기성 소화는 슬러지의 부피감소와 안정화, 병원균 사멸, 에너지 함유 바이오가스 생산 등에 유용한 공정이다. 그러나 유기 고형분에 대한 혐기성 소화공정의 적용은 오랜 체류시간과 유기 건조물 대비 낮은 분해효율에 의해 많은 제한을 받아왔다.

이러한 제한은 발효 원료에서 생성되는 슬러지 구성성분이 미생물 대사 중에 나오는 세포외 고분자 물질과 결합되어 슬러지의 탈수와 분해를 방해하기 때문인 것으로 알려졌다.

이런 이유로 미생물의 세포벽을 파괴시켜 난분해성 유기 고형분을 용해성 저분자로 전환하여 시간을 단축시킬 필요가 있다. 따라서 본 발명의 산 발효조(21)에는 발생되는 슬러지의 세포 파괴를 위하여 초음파 발생 수단이 구비되거나 또는 산발효조(21)와 메탄발효조(22) 사이에 난류 형성을 위하여 펌프와 난류형성용 감압 밸브를 설치될 수 있으며, 펌프로 인하여 압력이 높아진 발효원료가 감압밸브에 의하여 난류로 형성됨으로써 발효원료에 발생되는 교란으로 미생물이 파괴될 수 있다.

이처럼 도시되지는 않았지만 초음파 발생 수단 또는 펌프와 감압밸브의 설치로 인하여 상대적으로 설치비 및 운영비가 많이 드는 교반기 없이도 미생물의 파괴로 발효과정이 촉진될 수 있다.

종래의 메탄 발생부(2)에서는 도 1에 도시된 바와 같이 종종 산 발효조(2-1)와 메탄 발효조(2-3) 사이에 고액처리기(2-2)가 배치되는 경우가 많으나 고액처리기(2-2)가 산 발효조(2-1)와 메탄 발효조(2-3) 사이에 배치되면 발효원료가 고액처리 과정을 거치면서 온도의 손실이 발생됨은 물론 슬러지 형태의 유기물도 함께 손실되므로 메탄 생성 효율이 떨어지게 된다. 따라서 본 발명에서는 고액처리기(13)를 전처리부(10)에 배치시키게 되어 발효원료는 산 발효조(21)에서 메탄 발효조(22)로 직접 이동된다.

한편 발효과정에서는 온도가 중요한 변수가 된다.

배경기술 란에서 설명된 바와 같이 혐기성 소화는 무가온, 35~37℃에 해당되는 중온 소화 영역, 50~60℃에 해당되는 고온 소화 영역의 세 가지 온도 유지 방식이 채택되고 있다.

위의 세 가지 온도 영역으로 구별되는 이유는 각각의 조건에 서식하는 메탄균의 균종이 다르기 때문이다. 각 발효조건의 선택은 공정의 관리 편리성에 따라 정해질 수 있다.

약 25℃인 저온발효에 해당되는 무가온 영역의 경우에는 온도관리는 크게 중요하지 않다. 그러나 35~37℃에 해당되는 중온 소화 영역의 경우 공정중의 발효온도관리는 ㅁ3℃의 범위에서 관리될 때 발효조 내의 메탄가스 농도와 생산량이 유지될 수 있으며, 50~60℃에 해당되는 고온 소화 영역의 경우 온도관리는 ㅁ0.5℃의 범위로 유지되어야 한다.

온도관리가 어려운 중온 및 특히 온도관리가 어려운 고온 소화 영역이 채택되는 이유는 발효기간과 밀접한 관련이 있다. 발효기간은 고온 소화 영역의 경우 15일 내지 20일이고 중온발효는 20일 내지 30일임에 비하여 저온발효는 50일 이상이 소요된다. 발효기간이 짧으면 시설을 축소해서 만들 수 있는 장점이 있으므로 공정편의상 중온 또는 고온 소화 영역의 발효가 채택될 수 있다. 대부분의 바이오가스 플랜트에 중온 소화 영역 또는 고온 소화 영역이 채택되는 이유이다.

그런데 본 발명에서는 메탄 발효조(22)의 온도는 중온 소화 영역의 메탄 균이 선택 된 상태에서 다수의 최적 온도를 찾기 위한 실험 결과, 종래에 중온 소화 영역의 메탄 균의 사용 조건에서는 예상하기 힘들었던 44도 내지 46도의 영역이 최적의 조건임을 발견하였다.

즉 산 발효조(21)는 종래의 중온 소화 영역의 온도를 유지하되, 메탄 발효조(22)는 중온 소화 영역과 고온 소화 영역 사이에서도 특히 44도 내지 46도 사이의 영역으로 유지시킬 경우 메탄 생성 효율이 종래에 메탄 발효조(22)의 온도를 중온 소화 영역으로 유지시키던 경우와 비교하여 현저한 상승이 초래됨을 발견하였다.

다음의 표는 종래에 35~37℃의 온도로 메탄 발효조를 유지할 때의 메탄 가스 생성량과 44~46℃의 온도로 메탄 발효조를 유지할 때의 메탄 가스 생성량의 차이를 투입 원료가 동일하게 100ton일 때의 산출되는 메탄 가스의 노멀 입방미터로 나타낸 것이다.

<메탄 발효조 온도 변화에 따른 메탄 가스 생성량(투입 원료 100ton)>

제1메탄 발효조 온도(℃)	제2메탄 발효조 온도(℃)	메탄가스생성량(Nm3)
32.3	33.0	1,168
33.3	33.7	1,151
38.8	38.6	1.880
44.3	44.3	3,222
44.8	44.8	4,993
45.2	45.2	4,780

위 표에 의하면 중간 온도 영역인 38도 내지 39도 에서는 점진적으로 증가되던 메탄 생산량이 메탄 발효조 온도를 44도 내지 46도 사이로 유지할 경우 현저하게 증가되는 것을 알 수 있다.

이때 산 발효조(21)와 메탄 발효조(22)의 온도 관리는 발전부의 발전기 구동을 위하여 가동되는 연소로 또는 보일러와 연소로 또는 보일러로 데워지는 온수에 의한다.

도 4에는 산 발효조(21)와 메탄 발효조(22)의 온도 제어가 발전부(40)의 연소로 또는 보일러와 연결되는 온수통(42)에 의하여 이루어지는 원리가 구성도로 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바처럼 산 발효조(21)와 메탄 발효조(22)는 각 발효조의 온도 제어가 개별적으로 이루어질 수 있도록 발효조(21)(22) 각각에 별도의 열교환기(24)(25)가 구비된다.

열교환기(24)(25) 내부에서는 각 발효조(21)(22)의 발효원료와 온수통(42)의 온수가 서로 반대 방향으로 들어와서 열을 교환한 다음 다시 열교환기(24)(25)를 빠져나가는 구조를 취한다.

이처럼 본 발명에서는 발효조(21)(22)의 온도 제어가 발전기(41) 구동을 위한 연소에서 남는 열량으로 이루어지므로, 발효조(21)(22) 온도 설정치가 높아지더라도 추가적인 에너지의 낭비가 초래되지는 않게 된다. 발전기(41) 구동을 위한 연소로 또는 보일러에서는 발전기(41)의 구동과 발효조의 온도 제어를 위하여 열을 공급하고도 남는 열량이 발생될 수 있으며 이러한 열은 복수개의 온수통(42)으로 분산시켜 각종 난방이나 농공단지의 각종 건조로 또는 가열로에 필요한 열량을 공급하기 위한 히트펌프의 열원으로 쓰여 질 수 있다.

메탄 생성부(20)에서는 위에서 설명된 메탄 생성 반응에 의하여 생성되는 메탄이 포함된 바이오 가스는 수분 제거 및 탈황부(30)로 이송되며, 메탄 생성 후 남는 폐액과 슬러지는 폐수처리기(23)로 이송된다.

폐수처리기(23)에서는 폐액 중의 고형분과 슬러지의 탈수와 건조가 행해질 수 있으며, 액상의 폐액은 약품 처리를 통하여 폐수로 방류된다.

이때 도시되지는 않았지만 액상의 폐액은 폐수로 방류되기 이전에 함유된 열량이 다시 재활용될 수 있다. 본 발명의 메탄 발전시스템은 계절에 관계없이 가동되므로 특히 겨울철에 액상의 폐액에 함유된 열량은 인근 주거지와 농공단지에 필요한 열을 공급할 수 있는 히트펌프의 열원으로 쓰일 수 있게 되는 것이다.

메탄 생성부(20)에서 생성되는 가스는 도 3에 도시된 바와 같이 수분 제거 및 탈황부(30)로 이송된다.

메탄 생성부(20)에서 생성되는 가스에는 500ppm에서 많게는 4000ppm 정도의 부식성이 아주 높은 황화수소가스(H₂S)가 포함되어 있고 또한 부식을 촉진시키는 수분이 다량 포함되어 있으므로 수분제거 및 탈황과정은 필수적이다. 탈황과정을 거치지 않고 보일러로 황화수소가스가 이송될 경우 황화수소가스가 연소되면 아황산가스 및 황산으로 되어 보일러의 벽면과 엔진의 실린더를 부식시켜 대기오염의 원인이 되기 때문이다.

탈황의 방식에는 습식법과 건식법이 있다.

종래에는 대체로 도 1에 도시된 바와 같이 습식법이 쓰이는데, 대량의 바이오가스 처리에는 습식 탈황이 경제성이 있긴 하지만 습식 탈황에서는 폐수 처리 및 재생시에 가성소다로 인한 수산화나트륨 등이 함유되는 다량의 오프 가스로 인한 대기오염이 발생되며 오프 가스는 연료로서의 가치는 없을뿐더러 독성이 있으므로 오히려 그 정화를 위해서는 고가의 설비가 필요하게 된다.

따라서 본 발명에서는 건식 탈황 장치(32)가 채택된다.

그런데 메탄 생성부(20)에서 배출되는 메탄을 함유한 바이오 가스는 거의 100에 가까운 상대습도를 가지게 되므로 건식 탈황 장치(32)가 채택될 경우 수분에 녹게 되는 황화수소는 건식 탈황 장치(32)에서 제거되지 못하는 상황이 발생될 수 있다.

따라서 본 발명에서는 건식 탈황장치(32)와 메탄 생성부(20) 사이에 수분 트랩(31)이 설치된다. 수분 트랩(31)에 의하여 메탄 생성부(20)에서 배출되는 가스 중의 수분은 응축되어 제거될 수 있다.

수분 트랩(31)을 거친 가스는 건식 탈황장치(32)로 투입된다. 건식 탈황에서는 주로 수산화2철이 탈황제로 이용된다. 탈황제는 펠릿 형태로 탈황장치 내부에 충진되어 사용된다. 이때 탈황제가 알칼리로 유지되도록 공급가스 중에 미량의 암모니아가스가 공급될 수 있다.

건식 탈황장치(32)를 빠져나오는 가스 중에는 탈황과정에서 발생되는 수증기와 잔류 수증기가 있게 되므로 제습기에서 수분이 제거된다. 수분이 계속 가스 중에 잔존되면 보일러를 부식시킬 우려가 있기 때문이다.

건식 탈황장치(32)에서 제거되는 황은 발효액 속에 녹아 흘러 들어가서 비료성분으로 경작지에 환원될 수 있다. 황성분이 포함되는 비료는 특정작물의 성장 및 지력 증진에 효과가 있다.

건식 탈황장치(32)와 제습기(33)를 통과한 가스는 발전부(40)로 투입되어 보일러에서 연소되면서 발전기(41)가 가동되는 데에 쓰이게 되어 전력 생산의 원동력이 된다.

본 발명에 의한 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 방법은 상기에서 설명된 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 시스템의 공정 흐름에 해당되는 내용이므로 중복되어 추가적인 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

1: 전처리부 1-1: 축산 분뇨 저장조
1-2: 음식물 폐수 저장조 1-3: 협잡물 제거장치
2: 메탄발생부 2-1: 산 발효조
2-2: 고액 처리기 2-3: 메탄 발효조
2-4: 페수처리기 3: 수분 제거 및 탈황부
3-1: 습식 탈황장치 3-2: 제습기
3-3: 가스 저장조 4: 발전부
4-1: 발전기 10: 전처리부
11: 고형분 거름수단 12: 발효원료 저장소
13: 고액 처리기 20: 메탄발생부
21: 산 발효조 22: 메탄 발효조
23: 폐수처리기 24: 열교환기
25: 열교환기 30: 수분제거 및 탈황부
31: 워터트랩 32: 건식 탈황장치
33: 제습기 34: 가스 저장조
40: 발전부 41: 발전기
42: 온수통

Claims (12)

1. 축산 분뇨와 음식물 폐수가 혼합된 발효원료가 내부에 저장되며 입구에 고형분 거름수단이 마련되는 발효원료 저장조와, 발효원료 저장조에 연결되는 고액처리기로 이루어지는 전처리부와;
   상기 고액 처리기로부터 산발효조, 메탄 발효조, 폐수 처리기가 차례로 연결되어 이루어지는 메탄 발생부와;
   상기 메탄 발생부로부터 워터 트랩, 건식 탈황장치, 제습기 및 가스 저장조가 차례로 연결되어 추출되는 가스의 수분과 황을 제거하는 수분 제거 및 탈황부와;
   상기 수분 제거 및 탈황부로부터 추출되는 메탄가스로 전력을 생산하는 발전부;를 포함하되,
   상기 산 발효조에는 발생되는 슬러지의 세포 파괴를 위한 초음파 발생 수단이 설치되고, 상기 산발효조와 메탄 발효조 사이에 난류 형성을 위한 펌프와 감압 밸브가 설치되며,
   상기 산발효조 및 메탄발효조에는 각각 발효조 온도 제어용 열교환기가 마련되며, 상기 발전부에는 연소보일러와, 연소보일러로 가열되는 온수가 저장되는 온수통이 마련되어, 산발효조 및 메탄발효조 내부의 발효원료가 상기 열교환기 내부에서 상기 온수통의 온수와 열교환 되어 발효원료의 온도가 제어되고,
   상기 건식 탈황장치에는 탈황제로 수산화2철이 이용되고, 탈황제가 알칼리로 유지되도록 공급가스 중에 미량의 암모니아가스가 공급되며,
   상기 산발효조의 온도는 35도 내지 37도의 범위 내로 유지하고, 상기 메탄발효조의 온도는 44도 내지 46도의 범위 내로 유지되는 것을 특징으로 하는 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고형분 거름 수단은 상기 발효원료가 통과되는 메쉬로서 발효원료 저장조 내부에 설치되며, 상기 발효원료 저장조와 고액처리기는 외부로부터 밀폐되는 것을 특징으로 하는 분뇨와 오폐수를 이용한 메탄 발전 시스템.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

Images