KR101625621B1 - 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템과 그 방법 - Google Patents

폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템과 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐수처리를 위해 일반적으로 사용되는 침전조또는 화학첨가물의 사용없이 폐음식물 또는 축산분뇨 등의 폐기물 처리가 가능하며, 상기 폐기물로부터 폐수와 고형유기물을 분리하여 처리한 후 재활용이 각각 가능하도록 하는 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템은, 고형 유기물과 폐수가 포함된 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물이 투입되는 투입호퍼; 상기 투입호퍼의 하단에 구비되며, 상기 투입호퍼를 통해 투입되는 폐기물로부터 비가연성물질 및 비유기성물질을 선별 제거하는 선별기; 비가연성물질 및 비유기성물질이 제거된 폐기물을 일정 크기 이하로 분쇄하는 분쇄기; 분쇄된 폐기물을 회전속도 및 분쇄된 폐기물 중 고형 유기물의 크기를 각각 달리하여 단계별로 단계별로 폐수와 분리하여 걸러내는 다단 원심분리기; 폐기물 중 상기 다단 원심분리기를 통해 분리된 고형 유기물이 이송되어 집하되는 유기물저장소; 상기 유기물저장소에 저장되는 유기물과 톱밥공급기로부터 공급되는 톱밥을 골고루 혼합하여 일정 온도로 가열하며 유기혼합물을 제조하는 혼합가열기; 상기 혼합가열기를 통해 제조된 유기혼합물을 성형하여 고형연료로 제조하는 성형기; 상기 원심분리기를 통해 분리된 폐수로부터 불순물을 1차 제거하기 위한 제1필터; 상기 제1필터를 통과한 폐수를 전기분해하여 가스 및 기포를 생성하는 기포발생기; 상기 기포발생기의 남은 폐수에서 고형 유기물 및 불순물을 2차 제거하는 제2필터; 및 상기 기포발생기로부터 생성된 가스 및 기포와, 상기 제2필터로부터 고형 유기물 및 불순물이 2차 제거된 물을 공급받은 상태에서, 상기 가스 및 기포를 연소시킴과 함께, 불순물이 제거된 물을 가열하여 증기를 발생시키는 연소로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템과 그 방법 {System and method for treating supernatant of waste including food waste or livestock manure}
본 발명은 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템과 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐수처리를 위해 일반적으로 사용되는 침전조 또는 화학첨가물의 사용없이 폐음식물 또는 축산분뇨 등의 폐기물 처리가 가능하며, 상기 폐기물로부터 폐수와 고형유기물을 분리하여 처리한 후 재활용이 각각 가능하도록 하는 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물의 처리시 발생되는 고형 유기물은 건조 후 사료, 연료 또는 퇴비 등으로 재활용되고 있으나, 퇴비발효과정에서 악취가 발생하여 민원을 야기하는 문제가 있고, 또한 고농도 폐수는 화학약품을 첨가하여 부유물질을 침전시키는 방법으로 처리됨으로 인해 친환경적이지 못한 문제가 있다. 즉, 화학약품을 첨가하여 폐수를 처리하는 경우, 염분, 질소, 인 등을 환경에 유해한 약품으로 중화처리하는 특성상 친환경적이지 못하며, 일부 유기성 슬러리를 발효시키는 발효소화공법이 있으나, 바이오가스 생산 후 발생되는 폐수와 슬러지가 제2의 환경오염을 유발할 수 있고, 발효소화과정에서 발생되는 악취로 인해 민원이 발생되며, 가스연료는 생산성 대비 투입비용이 더 크게 되는 문제가 있어 상용화에 어려움이 있으며, 처리기간 또한 10 ~ 31일 소요되는 문제가 있다.
국내공개특허 제10-2011-55442호 (공개일자: 2011. 05. 25.) 는 유기성폐기물 자원화 처리시스템을 제공하기 위한 것으로서, 상기 기술은 유기성폐기물을 고상 및 액상으로 분리하여 고상 폐기물을 퇴비화하고 액상 폐수를 액비화하되, 액비화 과정에서 논슬러지 공법으로 유기성 물질을 처리하고, 유기성폐기물로 메탄가스를 생성하고 폐유로 에멀젼 연료를 생성하는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 상기 기술은 화학약품의 사용을 지양하는 대신, 자원화 과정에서 혐기성 및 호기성 미생물을 혼합하여 자원을 처리하는 특성으로, 미생물을 배양 및 투입해야 하는 별도의 과정이 필요하고, 중유, 경유, 등유 또는 폐유 등의 연료에 물을 혼합하여 에멀젼 연료를 생성하는 별도의 에멀젼장치를 통해, 화석연료를 사용해야 하는 특성으로 친환경적이지 못한 문제가 있고, 처리기간이 길며 염분제거가 이루어지지 못하는 단점이 있다.
본 출원인에 의해 출원 후 등록된 국내등록특허 제10-1168691호 (등록일자: 2012. 07. 19.) 의 경우, 폐음식물 탈리액 처리방법 및 처리시스템에 관한 것으로서, 폐음식물로부터 탈리된 폐수를 처리하기 위한 것이나, 고형유기물을 처리하기에는 한계가 있는 문제가 있다.
KR 10-2011-55442 A 2011. 05. 25. KR 10-1168691 B1 2012. 07. 19.
본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제를 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명에 의하면, 폐수처리를 위해 일반적으로 사용되는 침전조 또는 화학첨가물의 사용없이 폐음식물 또는 축산분뇨 등의 폐기물 처리가 가능하고, 상기 폐기물로부터 폐수와 고형유기물을 분리하여 처리한 후 재활용이 각각 가능하도록 하되, 고형유기물로부터 제조된 고형연료를 이용하여 폐수로부터 생성된 가스 및 기포의 연소와 물의 증발을 유도하며, 또한 연소로의 열을 고형연료에 재활용할 수 있는 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템은, 고형 유기물과 폐수가 포함된 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물이 투입되는 투입호퍼; 상기 투입호퍼의 하단에 구비되며, 상기 투입호퍼를 통해 투입되는 폐기물로부터 비가연성물질 및 비유기성물질을 선별 제거하는 선별기; 비가연성물질 및 비유기성물질이 제거된 폐기물을 일정 크기 이하로 분쇄하는 분쇄기; 분쇄된 폐기물을 회전속도 및 분쇄된 폐기물 중 고형 유기물의 크기를 각각 달리하여 단계별로 폐수와 분리하여 걸러내는 다단 원심분리기; 폐기물 중 상기 다단 원심분리기를 통해 분리된 고형 유기물이 이송되어 집하되는 유기물저장소; 상기 유기물저장소에 저장되는 유기물과 톱밥공급기로부터 공급되는 톱밥을 골고루 혼합하여 일정 온도로 가열하며 유기혼합물을 제조하는 혼합가열기; 상기 혼합가열기를 통해 제조된 유기혼합물을 성형하여 고형연료로 제조하는 성형기; 상기 원심분리기를 통해 분리된 폐수로부터 불순물을 1차 제거하기 위한 제1필터; 상기 제1필터를 통과한 폐수를 전기분해하여 가스 및 기포를 생성하는 기포발생기; 상기 기포발생기의 남은 폐수에서 고형 유기물 및 불순물을 2차 제거하는 제2필터; 및 상기 기포발생기로부터 생성된 가스 및 기포와, 상기 제2필터로부터 고형 유기물 및 불순물이 2차 제거된 물을 공급받은 상태에서, 상기 가스 및 기포를 연소시킴과 함께, 불순물이 제거된 물을 가열하여 증기를 발생시키는 연소로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 연소로는, 성형기를 통해 제조된 고형연료를 상기 기포발생기로부터 생성된 가스 및 기포와 함께 연소시켜 증기를 발생시키며, 상기 연소로를 통해 생성되는 열은 상기 혼합가열기로 이송되어 유기혼합물 제조에 이용되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 폐기물 처리 및 에너지 생산 방법은, 고형 유기물과 폐수가 포함된 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물을 투입호퍼에 투입하는 단계(S10); 상기 투입호퍼의 하단에 구비되는 선별기를 통해, 투입된 폐기물로부터 비가연성물질 및 비유기성물질을 선별 제거하는 단계(S20); 비가연성물질 및 비유기성물질이 제거된 폐기물을 분쇄기를 이용하여 일정 크기 이하로 분쇄하는 단계(S30); 회전속도를 달리함과 함께, 분쇄된 폐기물 중 크기를 각각 달리하여 걸러내는 다단 원심분리기를 통해 분쇄된 폐기물을 폐수와 분리하는 단계(S40); 폐기물 중 폐수와 분리된 고형 유기물을 유기물저장소로 집하하는 단계(S61); 집하된 유기물과 톱밥을 혼합가열기를 통해 골고루 혼합하여 일정 온도로 가열하며 유기혼합물을 제조하는 단계(S62); 및 제조된 유기혼합물을 성형기를 통해 성형하여 고형연료로 제조하는 단계(S63)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 폐기물 처리 및 에너지 생산 방법은, 고형 유기물과 폐수가 포함된 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물을 투입호퍼에 투입하는 단계(S10); 상기 투입호퍼의 하단에 구비되는 선별기를 통해, 투입된 폐기물로부터 비가연성물질 및 비유기성물질을 선별 제거하는 단계(S20); 비가연성물질 및 비유기성물질이 제거된 폐기물을 분쇄기를 이용하여 일정 크기 이하로 분쇄하는 단계(S30); 회전속도를 달리함과 함께, 분쇄된 폐기물 중 크기를 각각 달리하여 걸러내는 다단 원심분리기를 통해 분쇄된 폐기물을 폐수와 분리하는 단계(S40); 분리된 폐수로부터 제1필터를 이용하여 고형 유기물 및 불순물을 1차 제거하는 단계(S51); 고형 유기물 및 불순물이 1차 제거된 폐수를 기포발생기를 이용하여 전기분해하여 가스 및 기포를 생성하는 단계(S52); 가스 및 기포가 생성되고 남은 폐수로부터 제2필터를 이용하여 고형 유기물 및 불순물을 2차 제거하는 단계(S53); 및 상기 S52 단계를 통해 생성된 가스 및 기포와, 상기 S53 단계를 통해 고형 유기물 및 불순물이 2차 제거된 물을 공급받은 상태에서, 연소로에서 상기 가스 및 기포를 연소시킴과 함께, 고형 유기물 및 불순물이 제거된 물을 가열하여 증기를 발생시키는 단계(S70)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 폐기물 처리 및 에너지 생산 방법은, 상기 S63 단계를 통해 성형기에서 제조된 고형연료가 연소로에 공급될 수 있으며, 상기 S70 단계를 통해 연소로에서 발생된 열이 유기혼합물 제조를 위해 혼합가열기에 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 화학약품 또는 미생물을 사용하지 않고 물리적으로 연속된 구성만으로 폐기물에 함유된 폐수와 고형유기물을 각각 처리함으로써, 환경오염을 발생시킬 우려가 없으며, 폐수로부터 불순물이 제거된 물을 연소로에서 증발시킬 때 고형유기물로부터 제조된 고형연료를 사용하게 되고, 또한 고형연료의 제조시에는 연소로에서 발생되는 열을 활용함으로써 폐기물 처리를 위한 외부 에너지의 사용비용이 절감되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폐기물의 처리 및 에너지 생산 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 폐기물의 처리 및 에너지 생산 방법을 나타내는 순서도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 폐기물의 처리 및 에너지 생산 시스템을 나타내는 도면으로서, 본 발명은 투입호퍼(110)로부터 성형기(180) 및 연소로(300) 까지 모든 구성이 하나의 건물 내에 일체로 형성되도록 하며, 다만, 구성에 따라 층을 나누어 형성될 수 있다. 예를 들면, 지상 1층에는 폐기물을 운반하여 처리하기 위해 투입호퍼(110)가 형성될 수 있고, 지하1층에는 비가연성물질 및 비유기성물질을 선별하기 위한 선별기(120), 분쇄기(130), 다단 원심분리기(140), 유기물저장소(150), 톱밥공급기(160), 혼합가열기(170), 성형기(180), 제1필터(210), 기포발생기(220), 제2필터(230) 및 연소로(300)가 폐기물을 처리하는 과정의 순서로 형성될 수 있으며, 지하 2층에는 상기 다단 원심분리기를 통해 고형 유기물로부터 분리된 폐수가 일시 저장될 수 있는 계류조가 구비될 수 있다. 투입호퍼가 형성되는 지상 1층에는 시스템 운전을 위한 운전실 및 사무실이 구비될 수 있으며, 지하 1층으로부터 지상 1층에 걸쳐 연소로에서 처리된 최종 배가스가 배출되기 위한 배기구가 구비될 수 있다. 또한 건물 전체에 악취포집이 가능하도록 하고, 건물 외부로 악취가 배출되지 않도록 시설을 구비할 수 있다.
투입호퍼(110)는 상단에 구비되는 투입구를 통해 폐음식물과 축산분뇨를 포함하는 폐기물을 본 발명 시스템의 내부로 유입하기 위한 것으로서, 상기 투입호퍼는 상광하협의 형태로 이루어지며, 상기 투입호퍼의 상단에는 외부공기를 유입할 수 있는 유입수단과 상기 투입호퍼로부터 배출되는 악취를 배출할 수 있는 배출수단이 구비될 수 있다. 외부공기의 강제유입이 투입호퍼의 상단 어느 일측에서 이루어지는 경우, 악취의 배출은 반대쪽 다른 일측에서 이루어질 수 있어 악취의 흐름이 일방향으로 유지된 상태에서 효과적으로 포집될 수 있도록 한다. 외부공기의 유입수단으로는 송풍팬과 공기의 통로가 되는 배관이 될 수 있고, 배출수단 또한 배출팬과 배관이 될 수 있으며, 배관이 투입호퍼의 상부뚜껑에 연결된 상태로 구성이 이루어질 수 있다.
선별기(120)는 투입호퍼의 하단에 형성되며, 상기 투입호퍼의 하단에 형성된 배출구를 통해 일정량씩 배출되는 폐기물로부터 비가연성물질 또는 비유기물질을 제거하게 된다. 상기 선별기는 폐기물에 포함되어 있는 유기물로부터 불순물 또는 비가연성물질을 제거하기 위한 것으로서, 일반적으로 이송 컨베이어, 디스크 판, 구동축 등을 구비한 통상의 선별기를 이용할 수 있으며, 예를 들면, 부력침강식 방법을 통해 강제주입되는 공기를 이용하여 폐기물로부터 비가연성물질을 분리하거나 및/또는 폐비닐 등의 제거를 위해 풍력선별기를 통해 무게의 차이에 따라 비유기물질을 분리해 낼 수 있다.
분쇄기(130)는 선별기를 통해 비가연성물질 및 비유기성물질이 제거된 폐기물을 일정 크기 이하로 분쇄한다. 폐기물에 포함된 고형 유기물 중 수박 등 비교적 크기가 큰 폐기물이 덩어리 채 버려진 상태로 처리되는 경우, 고형 유기물에 농축함유된 폐수의 배출이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 폐기물 처리에 따른 과부하로 인해 기기 고장의 원인이 될 수 있다. 본 발명에서는 폐기물에 포함된 고형 유기물의 크기를 직경 5cm 이하로 유지되도록 함으로써, 폐기물 중 고형 유기물에 함유된 폐수가 원활하게 배출되도록 함과 함께, 후속처리를 위한 장치들의 고장을 방지할 수 있도록 한다.
다단 원심분리기(140)는 분쇄된 폐기물을 회전속도 및 분쇄된 폐기물 중 고형 유기물을 크기를 각각 달리하여 단계별로 폐수와 분리하기 위한 것으로서, 크게 저속원심분리기(141), 중속원심분리기(142) 및 고속원심분리기(143)로 이루어질 수 있다. 그러나 원심분리기의 수는 필요에 따라 가감이 가능할 수 있으며, 회전속도에 따라, 그리고 걸러지는 고형 유기물의 크기별로 각 원심분리기를 통해 걸러지도록 하며, 폐수는 따로 분리된 상태에서 후술하는 제1필터(210) 및 제2필터(230)를 통해 여과될 수 있도록 한다.
상기 저속, 중속 및 고속 원심분리기는 상대적인 속도의 차이와 분리되는 유기물의 크기에 따라 구별될 수 있는 것으로서, 각 구성은 유기물의 크기, 형태 또는 무게 등 분리기별로 분리될 수 있는 유기물의 특성을 고려하여 구성될 수 있다. 본 발명에서는 단일의 원심분리기를 이용하여 고형 유기물과 폐수를 분리하기보다는, 다단 원심분리기를 이용함으로써 원심분리기의 부하를 단계별로 경량화하여 고장을 방지함과 함께 고형 유기물과 폐수의 분리능력이 향상될 수 있다.
예를 들면, 본 발명에 적용되는 다단 원심분리기가 다이캔형 고액 원심분리기일 경우, 구동축을 중심으로 일정 반경을 갖는 캔이 타공구멍을 갖는 형태로 형성되며, 상기 다이캔이 상기 구동축을 중심으로 회전하면서 고액 분리가 이루어지게 된다. 저속원심분리기(141)의 경우, 상기 타공구멍을 10 ~ 20 mm의 범위로 함과 함께 800 ~ 1,200 rpm의 속도로 회전하도록 함으로써, 10 ~ 20 mm 를 초과하는 직경을 갖는 고형 유기물이 걸러진 상태에서 나머지 고형 유기물과 폐수가 타공구멍을 통해 분리되도록 한다.
중속 원심분리기(142)의 경우, 상기 타공구멍을 0.1 ~ 0.2 mm의 범위로 함과 함께 2,500 ~ 3,500 rpm의 속도로 회전하도록 하되, 특별히 직경이 서로 다른 이중망 형태로 이루어지도록 하고, 상기 속도의 범위 내에서 서로 다른 회전 속도를 갖도록 함으로써, 무게 및 분자 특성이 상이한 유지방 성분, 유기물 및 폐수가 각각 분리될 수 있도록 한다. 상기 중속 원심분리기에 의하면 0.1 ~ 0.2 mm를 초과하는 직경을 갖는 고형 유기물이 걸러지도록 하며, 고속 원심분리기(143)의 경우, 상기 타공구멍을 0.001 ~ 0.002 mm의 범위로 함과 함께 5,000 ~ 6,000 rpm의 속도로 회전하도록 하여 0.001 ~ 0.002 mm를 초과하는 직경을 갖는 고형 유기물이 걸러지도록 한다.
상기 다단 원심분리기(140)로부터 걸러진 고형 유기물은 후술하는 유기물저장소(150)로 이송되어 일시 저장되게 되며, 폐수 및 상기 폐수에 포함된 0.001 ~ 0.002 mm 이하의 고형 유기물과 불순물이 제1필터를 통해 다시 한번 여과되게 된다.
유기물저장소(150)는 폐기물 중 상기 다단 원심분리기를 통해 폐수와 분리된 고형 유기물이 이송되어 집하되는 곳으로서, 본 발명에서는 상기 저속원심분리기(141), 중속원심분리기(142) 및 고속원심분리기(143) 각각을 통해 걸러진 고형 유기물들이 차례로 상기 유기물저장소에 이송되어 저장되게 되며, 후술하는 혼합가열기(170) 및 성형기(180)를 통과하면서 고형연료로 제조되게 된다.
혼합가열기(170)는 상기 유기물저장소에 저장되는 고형 유기물과 톱밥공급기(160)로부터 공급되는 톱밥을 골고루 혼합하여 일정 온도로 가열하면서 유기혼합물을 제조한다. 상기 톱밥공급기를 통해 공급되는 톱밥은 가연성 재질로서 유기물저장소에 저장된 고형 유기물에 포함되어 있는 수분을 흡수하여 분산시킴과 함께, 유기물을 고형연료로 제조시 열효율을 높이기 위해 이용되게 되며, 고형 유기물과 톱밥의 혼합비율은 0.25 ~ 1 : 1의 비율로 이루어지도록 함으로써, 혼합되는 톱밥의 양이 고형 유기물보다는 많도록 하여 연소시 대기환경 오염을 최소화할 수 있도록 한다.
상기 혼합가열기를 통한 가열은 80 ~ 90 ℃의 온도에서 5 ~ 10분 동안 이루어질 수 있으며, 고형 유기물과 톱밥의 유기혼합물에 함유된 수분이 10 ~ 25%의 범위에서 유지될 수 있을 정도면 된다. 수분이 10% 미만으로 함유되는 경우 후술하는 성형기(180)를 통한 성형이 원활하게 이루어지지 못할 우려가 있고, 수분이 25%를 초과하여 함유되는 경우 수분량이 많아 후술하는 연소로(300)에서의 연소과정이 원활하게 이루어지지 못할 우려가 있다.
성형기(180)는 상기 혼합가열기로부터 가열되며 수분이 감소된 유기혼합물을 일정 형태를 갖는 고형연료로 제조하기 위해 사용된다. 고형연료는 일반적으로 사용되는 펠릿형태 또는 브리켓 형태 등 필요에 따라 다양한 형태와 크기로 제조될 수 있다. 상기 성형기를 통해 제조된 고형연료는 연소로의 가열시 연료로 사용될 수 있으며, 또한 외부로 송출되어 판매될 수도 있다.
제1필터(210)는 다단 원심분리기(140)를 통해 분리된 폐수에 남아있는 고형 유기물 및 기타 불순물을 1차 제거하기 위해 사용된다. 상기 제1필터와 함께, 후술하는 기포발생기(220) 및 제2필터(230)는 투입된 폐기물로부터 고형 유기물이 걸러진 상태에서, 남아있는 폐수를 정화하기 위해 필요한 것으로서, 각 장치를 통과하면서, 폐수는 정화된 물로 여과되게 된다.
상기 제1필터(210)는 다양한 형태의 필터를 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 예를 들면, 효소를 이용하는 바이오필터, 활성탄이 포함된 활성탄필터 또는 나무껍질이 갖는 흡착 및 필터링 성향을 이용한 목질필터를 이용할 수 있다. 상기 바이오필터, 활성탄필터 또는 목질필터를 제1필터로 이용하는 경우, 상기 제1필터는 최소 3단 형태로 조를 이루어 형성되도록 한다. 다단 원심분리기(140) 중 고속원심분리기(143)를 통과한 폐수 내에는 0.001 ~ 0.002 mm 이하의 고형 유기물과 불순물이 포함되어 있으며, 상기 고형 유기물과 불순물을 제거하기 위해서는 필터를 다단구조를 갖는 형태로 구성할 필요가 있다.
본 발명에서는 상기 제1필터가 3단조 ~ 5단조 형태로 다단화되도록 형성함으로써 폐수에 남아있는 미세 크기의 고형 유기물과 불순물이 효과적으로 제거될 수 있도록 한다. 상기 제1필터가 3단조로 이루어지는 경우를 예로 들면, 제1단을 통과한 폐수가 다시 제2단을 통과하고, 제2단을 통과한 폐수가 제3단을 통과하면서 점차 고형 유기물과 불순물의 농도가 희석된 폐수가 될 수 있다.
기포발생기(220)는 상기 제1필터를 통과한 폐수를 전기분해하여 가스 및 기포를 생성하며, 생성된 가스 및 기포는 연소로(300)로 이동되어 연소되면서 후술하는 제2필터(230)를 통해 정화된 물을 가열하여 증기화시킬 수 있는 연료로 작용하게 된다. 물을 전기분해하는 경우, (+) 전극에서는 산소(O2)가 발생하게 되고, (-) 전극에서는 수소(H2)가 발생하게 되는데, 예를 들면 (-) 전극판을 티타늄합금으로 하고, (+) 전극판을 알루미늄으로 하는 경우, 상기 (+) 전극판의 알루미늄이 용해되면서 다량의 미세기포가 발생하게 된다.
따라서, 전기분해에 의해 발생되는 수소 및 산소가 알루미늄이 용해되면서 발생되는 미세기포에 포집되면서 상부로 상승하게 되며, 발생된 가스 중 미세기포에 포집되지 않은 일부 가스와 상기 미세기포가 이동통로를 따라 연소로(300)로 이동된 후 연소되게 된다. 연소시에는 에너지원으로 작용하여 열을 발생하게 되며, 발생된 열을 통해 제2필터를 통과한 물이 가열되게 되고, 또한 상기 발생된 열이 혼합가열기에 제공되면서, 에너지 소모가 최소화될 수 있게 된다.
상기 기포발생기(220)에 의하면, 제1필터를 통과한 미세 크기의 일부 고형 유기물과 불순물이 발생된 기포를 따라 상부로 부상하게 되며, 가스 및 기포와 함께 연소로로 이동되어 연소되게 된다.
제2필터(230)는 상기 기포발생기의 남은 폐수에서 불순물을 2차 제거하게 되며, 상기 제1필터(210)와 마찬가지로 효소를 이용하는 바이오필터, 활성탄이 포함된 활성탄필터 또는 나무껍질이 갖는 흡착 및 필터링 성향을 이용한 목질필터를 이용할 수 있으며, 또한 다단으로 이루어질 수 있다. 다만, 제1필터보다는 적은 수의 단으로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 2단조 ~ 3단조의 형태로 이루어질 수 있다.
제1필터를 통과하여 농도가 낮아진 폐수가, 기포발생기를 통과하며 농도가 더욱 낮아지게 되면서, 제2필터는 제1필터보다는 적은 수의 단으로 이루어진 상태에서 폐수를 최종 여과할 수 있다. 상기 제2필터를 통과한 폐수는 대부분의 고형 유기물과 불순물이 제거된 상태로서 그대로 방류해도 무방하나, 본 발명에서는 제2필터를 통과하여 여과된 물을 연소로로 이동시켜 증기화 함으로써, 증발되는 과정에서 발생되는 증기로 증기발전이 이루어지도록 하거나, 고형연료를 태워 연소로를 가열하는 과정에서 발생될 수 있는 유해 배기가스는 상기 증기를 이용하여 여과되어 다이옥신 등 유해성분이 공기 중에 비산되지 않도록 할 수 있다.
연소로(300)는 기포발생기로부터 생성된 가스 및 기포와, 상기 제2필터로부터 고형 유기물과 불순물이 2차 제거된 물을 공급받은 상태에서, 상기 가스 및 기포를 연소시킴과 함께, 불순물이 제거된 물을 가열하여 열과 증기를 발생시키게 되는데, 특히 상기 연소로는 성형기(180)를 통해 제조된 고형연료를 상기 기포발생기로부터 생성된 가스 및 기포와 함께 연소시켜 증기를 발생시킴과 함께, 상기 연소로를 통해 생성되는 열의 경우, 혼합가열기(170)로 이송되어 유기혼합물 제조에 이용되도록 하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 폐기물의 처리 및 에너지 생산 방법을 나타내는 순서도로서, 도 1의 구성을 통해 폐기물이 처리되면서 고형연료가 생성됨과 함께 폐수의 처리가 이루어질 수 있음을 보여주고 있다.
본 발명은 먼저, 고형 유기물과 폐수가 포함된 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물을 투입호퍼(110)에 투입하도록 한다(S10). 상기 투입호퍼(110)는 상단에 구비되는 투입구를 통해 음식물과 축산분뇨를 포함하는 폐기물을 본 발명 시스템의 내부로 유입하기 위한 것으로서, 상광하협의 형태로 이루어지며 필요에 따라 하단의 배출구에 배출량 조절수단을 구비하여 선별기로의 배출량이 조절될 수 있도록 한다.
폐기물을 투입호퍼에 투입한 후에는, 상기 투입호퍼의 하단에 구비되는 선별기를 통해, 투입된 폐기물로부터 비가연성물질 및 비유기성물질을 선별 제거하도록 한다(S20). 철 또는 비철 금속, 폐비닐 등의 비가연성물질 및 비유기성물질을 선별하여 제거함으로써, 분쇄과정에서 분쇄장치의 고장을 방지하고, 고형연료 제조시 불순물이 포함되지 않도록 한다.
비가연성물질 및 비유기성물질을 제거한 후에는, 남은 폐기물을 분쇄기를 이용하여 일정 크기 이하로 분쇄하도록 한다(S30). 분쇄기(130)는 선별기를 통해 비가연성물질 및 비유기성물질이 제거된 폐기물을 일정 크기 이하로 분쇄하게 되며, 폐기물에 포함된 고형 유기물을 일정 크기 이하로 분쇄함으로써, 상기 고형 유기물 내에 남아있는 폐수가 원심분리과정에서 원활하게 배출되도록 함과 함께, 또한 후속처리를 위한 과정이 원활하게 진행될 수 있도록 한다.
폐기물을 일정 크기 이하로 분쇄한 이후에는, 분쇄된 폐기물을 회전속도를 달리하여 분리함과 함께, 폐기물에 포함된 고형 유기물의 크기를 각각 달리하여 단계별로 폐수와 분리하여 걸러내는 다단 원심분리기를 통해 폐수와 분리하도록 한다(S40). 본 발명에서는 원심분리기를 저속, 중속 및 고속으로 3단계 구분하여 각각 순서대로 폐기물이 통과되도록 하며, 회전속도와 함께 타공구멍을 다르게 하거나, 예를 들면 중속 원심분리기 등 동일 원심분리기에서 서로 다른 회전속도를 갖는 이중망 형태의 구성을 통해 폐기물을 이루는 각 구성성분들의 분리가 좀 더 용이하게 이루어지도록 하고, 점차 회전속도를 상승시킴과 함께 타공구멍의 크기를 작게 하는 등으로 하여 작은 크기의 고형 유기물까지 다단 원심분리과정을 통해 걸러질 수 있도록 한다.
다단 원심분리과정을 거친 후에는 폐기물이 고형 유기물과 폐수로 나뉘어 처리되게 된다.
고형 유기물로부터 고형연료가 제조되는 과정을 살펴보면, 먼저 상기 다단 원심분리과정을 통해 폐수로부터 분리된 고형 유기물이 유기물저장소(150)로 이송 집하되어 일시 저장되게 된다(S61). 다단 원심분리과정에 의하면, 저속 원심분리과정(S41), 중속 원심분리과정(S42) 및 고속 원심분리과정(S43) 각각 크기를 달리하여 고형 유기물이 걸러지게 되며, 걸러진 상기 고형 유기물이 각 원심분리과정마다 유기물저장소에 집하되게 된다.
이후 유기물저장소(150)에 집하된 고형 유기물에 톱밥을 골고루 혼합하여 일정 온도로 가열하며 유기혼합물을 제조하도록 한다(S62). 혼합가열기(170)는 상기 유기물저장소에 저장되는 고형 유기물과 톱밥공급기(160)로부터 공급되는 톱밥을 골고루 혼합하여 일정 온도로 가열하면서 유기혼합물을 제조하게 되며, 톱밥공급기를 통해 공급되는 톱밥은 가연성 재질로서 유기물저장소에 저장된 고형 유기물에 포함되어 있는 수분을 흡수하여 분산시킴과 함께, 유기물을 고형연료로 제조시 열효율을 높이기 위해 혼합되게 된다.
상기 혼합가열기를 통한 가열은 과도한 가열로 인해 유기혼합물의 발화가 이루어지지 않도록 80 ~ 90 ℃의 온도에서 이루어지도록 하며, 이를 통해 유기혼합물에 함유된 수분이 10 ~ 25%의 범위에서 유지되도록 하여 수분조절이 용이하게 이루어지도록 하고, 성형과정에서 성형이 용이하게 이루어지도록 함과 함께 연소과정에서의 연소 또한 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.
유기혼합물이 제조된 후에는, 제조된 상기 유기혼합물을 성형기(180)를 통해 성형하여 고형연료로 제조하도록 한다(S63). 성형기(180)는 유기혼합물을 일정 형태를 갖는 고형연료로 제조하기 위해 사용되며, 고형연료는 일반적으로 사용되는 펠릿형태 또는 브리켓 형태 등 필요에 따라 다양한 형태와 크기로 제조될 수 있으며, 또한 상기 고형연료는 연소로에서의 연소과정시 연료로 사용될 수 있으며, 또한 외부로 송출되어 판매될 수도 있다.
다단 원심분리과정을 거친 후 폐수가 정화되어 연소되는 과정을 살펴보면, 먼저 분리된 폐수로부터 제1필터를 이용하여 남아있는 0.001 ~ 0.002mm 이하의 고형 유기물 및 불순물을 1차 제거한다(S51). 제1필터(210)는 다단 원심분리기(140)를 통해 분리된 폐액으로부터 남아있는 고형 유기물 및 기타 불순물을 1차 제거하기 위해 사용되는데, 전술한 바와 같이 효소를 이용하는 바이오필터, 활성탄이 포함된 활성탄필터 또는 나무껍질이 갖는 흡착 및 필터링 성향을 이용한 목질필터를 이용할 수 있고, 고형 유기물과 불순물을 효과적으로 제거하기 위해 다단구조를 갖는 형태로 이루어지도록 한다.
고형 유기물과 불순물이 1차 제거된 후에는, 폐수를 기포발생기(220)를 이용하여 전기분해함으로써 가스 및 기포를 생성한다(S52). 상기 기포발생기(220)는 제1필터(210)를 통과한 폐수를 전기분해하여 가스 및 기포를 생성하기 위한 것으로서, 전기분해를 위한 (-) 전극판을 티타늄합금으로 하고, (+) 전극판을 알루미늄으로 하여, 상기 (+) 전극판의 알루미늄이 용해되면서 다량의 미세기포가 발생하도록 한다. 상기 미세기포가 전기분해에 의해 생성된 수소가스 및 산소가스와 함께, 또는 상기 수소와 산소를 기포 내에 포집한 상태에서 상부로 부상하게 되며, 상부 부상시 일부 남아있는 미세 크기의 고형 유기물과 불순물을 함께 부상시켜 연소로로 점차 이송되도록 한다.
이후, 가스 및 기포가 생성되고 남은 폐수로부터 제2필터(230)를 이용하여 고형 유기물 및 불순물을 2차 제거하게 된다(S53). 상기 제2필터 또한 제1필터와 마찬가지 형태의 필터를 이용할 수 있으며, 다만, 제1필터 및 기포발생기를 통해 고형 유기물과 불순물이 제거된 상태에서 폐수를 최종 여과하는 특성상, 상기 제1필터보다는 적은 수의 단으로 이루어지는 형태로 이루어질 수 있다. 상기 제2필터를 통과하여 나머지 고형 유기물 및 불순물이 제거된 상태의 물이 연소로로 이송되어 증기로 증발되게 된다.
이후, 상기 S52 단계를 통해 생성된 가스 및 기포와, S53 단계를 통해 고형 유기물 및 불순물이 2차 제거된 물을 공급받은 상태에서, 연소로(300)에서 상기 가스 및 기포를 연소시킴과 함께, 고형 유기물 및 불순물이 제거된 물을 가열하여 증기를 발생시키게 된다(S70). 상기 연소로에는 필요에 따라 외부로부터 연료를 공급받아 물을 증기화할 수 있으나, 성형과정을 통해 제조된 고형연료를 사용함으로써 외부로부터의 연료공급이 최소화된 상태에서 가동될 수 있다.
즉, S63 단계를 통해 성형기에서 제조된 고형연료가 연소로에 공급된 상태에서 연소가 이루어질 수 있고, 또한 상기 S70 단계를 통해 연소로에서 발생된 열이 유기혼합물 제조를 위해 S62 단계로 제공될 수 있어, 본 발명은 투입된 폐기물을 에너지화하여 재활용이 가능하게 된다.
S53 단계를 통해 고형 유기물 및 불순물이 최종 여과된 물이 연소과정에서 열을 통해 가열되면서 증기화되게 되는데, 발생된 증기는 증기발전에 이용되거나, 배기구를 통해 최종 배출되는 배가스에 포함된 다이옥신 등 유해물질을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 연소과정에서 생성되는 증기를 배기구의 상단에서 하부방향으로 투입되도록 하는 경우, 수분을 머금은 투입 증기가 배가스를 필터링하게 되어 유해물질이 대기 중으로 비산되는 것을 차단할 수 있다.
본 발명에 의하면, 화학약품 또는 미생물을 사용하지 않고 물리적으로 연속된 구성만으로 폐기물에 함유된 폐수와 고형유기물을 각각 처리함으로써, 환경오염을 발생시킬 우려가 없으며, 폐수로부터 불순물이 제거된 물을 연소로에서 증발시킬 때 고형유기물로부터 제조된 고형연료를 사용하게 되고, 또한 고형연료의 제조시에는 연소로에서 발생되는 열을 활용함으로써 폐기물 처리를 위한 외부 에너지의 사용비용이 절감되는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
110: 투입호퍼 120: 선별기
130: 분쇄기
140: 원심분리기
141: 저속원심분리기, 142: 중속원심분리기,
143: 고속원심분리기
150: 유기물저장소 160: 톱밥공급기
170: 혼합가열기 180: 성형기
210: 제1필터 220: 기포발생기
230: 제2필터
300: 연소장치

Claims (7)

  1. 고형 유기물과 폐수가 포함된 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물이 투입되는 투입호퍼(110);
    상기 투입호퍼(110)의 하단에 구비되며, 상기 투입호퍼를 통해 투입되는 폐기물로부터 비가연성물질 및 비유기성물질을 선별 제거하는 선별기(120);
    비가연성물질 및 비유기성물질이 제거된 폐기물을 일정 크기 이하로 분쇄하는 분쇄기(130);
    분쇄된 폐기물을 회전속도 및 분쇄된 폐기물 중 고형 유기물의 크기를 각각 달리하여 단계별로 폐수와 분리하여 걸러내는 다단 원심분리기(140);
    폐기물 중 상기 다단 원심분리기를 통해 분리된 고형 유기물이 이송되어 집하되는 유기물저장소(150);
    상기 유기물저장소에 저장되는 고형 유기물과 톱밥공급기(160)로부터 공급되는 톱밥을 골고루 혼합하여 일정 온도로 가열하며 유기혼합물을 제조하는 혼합가열기(170);
    상기 혼합가열기를 통해 제조된 유기혼합물을 성형하여 고형연료로 제조하는 성형기(180);
    상기 다단 원심분리기를 통해 분리된 폐수로부터 고형 유기물 및 불순물을 1차 제거하기 위한 제1필터(210);
    상기 제1필터를 통과한 폐수를 전기분해하여 가스 및 기포를 생성하는 기포발생기(220);
    상기 기포발생기의 남은 폐수에서 고형 유기물 및 불순물을 2차 제거하는 제2필터(230); 및
    상기 기포발생기로부터 생성된 가스 및 기포와, 상기 제2필터로부터 불순물이 2차 제거된 물을 공급받은 상태에서, 상기 가스 및 기포를 연소시킴과 함께, 불순물이 제거된 물을 가열하여 증기를 발생시키는 연소로(300);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소로(300)는,
    상기 성형기(180)를 통해 제조된 고형연료를 상기 기포발생기로부터 생성된 가스 및 기포와 함께 연소시켜 증기를 발생시키며,
    상기 연소로를 통해 생성되는 열은, 상기 혼합가열기로 이송되어 유기혼합물 제조에 이용되는 것을 특징으로 하는 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 시스템.
  3. 삭제
  4. 고형 유기물과 폐수가 포함된 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물을 투입호퍼에 투입하는 단계(S10);
    상기 투입호퍼의 하단에 구비되는 선별기를 통해, 투입된 폐기물로부터 비가연성물질 및 비유기성물질을 선별 제거하는 단계(S20);
    비가연성물질 및 비유기성물질이 제거된 폐기물을 분쇄기를 이용하여 일정 크기 이하로 분쇄하는 단계(S30);
    회전속도를 달리함과 함께, 분쇄된 폐기물 중 크기를 각각 달리하여 걸러내는 다단 원심분리기를 통해 분쇄된 폐기물을 폐수와 분리하는 단계(S40);
    분리된 폐수로부터 제1필터를 이용하여 남아있는 고형 유기물 및 불순물을 1차 제거하는 단계(S51);
    고형 유기물 및 불순물이 1차 제거된 폐수를 기포발생기를 이용하여 전기분해하여 가스 및 기포를 생성하는 단계(S52);
    가스 및 기포가 생성되고 남은 폐수로부터 제2필터를 이용하여 고형 유기물 및 불순물을 2차 제거하는 단계(S53); 및
    상기 S52 단계를 통해 생성된 가스 및 기포와, 상기 S53 단계를 통해 고형 유기물 및 불순물이 2차 제거된 물을 공급받은 상태에서, 연소로에서 상기 가스 및 기포를 연소시킴과 함께, 고형 유기물 및 불순물이 제거된 물을 가열하여 증기를 발생시키는 단계(S70);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 S70 단계를 통해 연소로에서 발생된 열이 유기혼합물 제조를 위해 혼합가열기에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 폐음식물 또는 축산분뇨를 포함하는 폐기물 처리 및 에너지 생산 방법.
  7. 삭제
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