KR101626752B1 - 자연순환형 혐기소화액 자원화 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혐기소화액 자원화 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 혐기소화액의 액상분뇨를 호기성미생물에 의해 액비화하여 자원화가 이루어지도록 하되 미생물에 의한 분해반응이 이루어지기 이전에 액상분뇨의 용존산소농도를 높여 호기성미생물의 생장을 촉진시킬 수 있는 환경을 조성하고, 분해가 완료된 고온의 액비 일부는 열교환에 의해 미생물생장에 적합한 온도로 낮춰 순환시킴으로써 액비화를 촉진시킬 수 있는 자원화 시스템에 관한 것이다.

Description

자연순환형 혐기소화액 자원화 시스템{Recycling System for anaerobic digestive fluid}

본 발명은 혐기소화액 자원화 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 혐기소화액의 액상분뇨를 호기성미생물에 의해 액비화하여 자원화가 이루어지도록 하되 미생물에 의한 분해반응이 이루어지기 이전에 액상분뇨의 용존산소농도를 높여 호기성미생물의 생장을 촉진시킬 수 있는 환경을 조성하고, 분해가 완료된 고온의 액비 일부는 열교환에 의해 미생물생장에 적합한 온도로 낮춰 순환시킴으로써 액비화를 촉진시킬 수 있는 자원화 시스템에 관한 것이다.

현재 인구 증가 및 식생활 수준의 다양화 및 고급화에 따라 음식물류폐기물과 축산분뇨 등의 유기성폐기물이 증가하고 있다. 특히 축산물의 수요가 증가함에 따라 수요를 충족시키기 위해 축산업이 대형화하는 추세이며, 국내의 가축사육현황을 살펴보아도 한 호당 사육하는 가축의 평균 개체수가 수십에서 수백 마리 이상이 되고 있어, 축산업의 대형화가 충분히 진행되어 있음을 잘 알 수 있다.

이와 같이 축산업 형태가 대형화되었기 때문에, 축산업에서 불가피하게 발생되는 축산분뇨의 양 역시 엄청난 대량이 될 수밖에 없다. 전통적인 소형 축산업의 경우 발생된 축산 분뇨를 개인적으로 적절히 처리하여 퇴비 등으로 활용함으로써 소진하는 방법을 사용하였으나, 현대에는 상술한 바와 같은 축산업의 규모 자체가 달라진 점이나 생활 환경의 변화 등의 여러 요인으로 인하여 이러한 전통적인 방식을 사용할 수 없음은 당연하다. 전통적인 방식의 경우, 축산 분뇨 내에 섞여 있는 여러 이물질, 기생충, 세균 등을 분리할 방법이 없었으며, 이를 퇴비로 활용하였을 때 작물에 이러한 이물질, 기생충, 세균 등이 옮겨지게 되어 비위생적이라는 큰 문제가 있었다. 더불어 현대의 생활 환경에서는 퇴비로 활용하기 전 축산 분뇨가 저장된 장소에서 발생되는 악취 또한 커다란 문제가 된다.

따라서, 근래에는 다량의 축산분뇨를 직접 퇴비화하지 않고 음식물류폐기물과 같이 바이오에너지, 퇴비, 사료 등의 유용한 산물로 전환시켜 자원화하는 방안이 대두되고 있다. 이 중 바이오에너지는 여타의 신재생에너지와 비교하여 환경성과 경제성에서 탁월한 우위에 있음이 밝혀진바 있으며, 선진 독일에서는 2006년도 전체 신재생에너지 중에서 음식물류폐기물과 가축분뇨 등의 유기성폐기물에서 생성된 바이오에너지가 차지하는 비율이 60%를 상회하고 있을 정도로 선진국의 바이오에너지에 대한 의존도는 매우 높은 것으로 나타나고 있다. 또한, 우리나라도 런던협약에 따라 국내에서 발생되는 축산분뇨와 음식물류폐기물의 해양투기행위가 2013년 이후 전면 금지되고 있으므로 축산분뇨를 바이오에너지로의 전환하여 자원을 순환시키는 것이 적합하다.

하지만 축산분뇨와 음식물류폐기물을 포함하는 유기성폐기물의 바이오에너지 전환에 대한 이 같은 국내ㅇ외적 필요성과 타당성에도 불구하고 혐기소화과정을 통하여 발생된 혐기소화액에 대해서는 적정하게 처리하는 방안에 대한 연구가 미비한 실정이다.

현재 혐기소화액을 처리하는 방안으로는 하수처리와 병행처리하는 수처리방법과, 비료로 활용하는 방안이 제시되고 있다. 상기 수처리방법은 다량의 수자원과 처리비용이 소모되는 단점이 있으므로, 비료로 활용하는 것이 바람직하다.

한국특허공개 제2011-0007551호(2011.01.24.공개, "고효율 액비 생산 장치", 이하 '선행기술1'이라 함)는 가축 분뇨의 액체 비료 생성시 소요되는 수개월간의 기간을 1차 및 2차 공기 공급을 통해 며칠 내로 효과적으로 단축시킬 수 있도록 하며, 자동으로 액체 비료화 작업을 수행할 수 있도록 하는 고효율 액비 생산 장치를 개시하고 있다. 선행기술1에서는 1차 공기 공급을 통해 산화시킨 후 분뇨 2차 처리수단을 통해 가축 분뇨의 극성을 분리하여 비산 효과를 높이며 동시에 2차 공기를 신속하게 유입시킴으로써 가축 분뇨의 발효 효율을 극대화하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

상기 선행기술1은 가축분뇨(축산분뇨)로부터 직접 호기성반응에 의해 액비를 생산함으로 가축분뇨 내에 어느정도의 용존산소가 포함되어 있어 별도로 용존산소농도를 조절할 필요가 없다. 하지만, 혐기소화과정을 수행한 혐기소화액의 경우 용존산소농도가 낮기 때문에 호기성미생물의 성장 및 분해조건이 적합하지 않아 선행기술1에 혐기소화액을 투입하여 액비화하기에는 바람직하지 않다. 액비화과정을 수행한다 하여도 많은 에너지가 소요되며, 외기기온이 높은 하절기에는 공기중의 산소를 물중에 용해하기란 거의 불가능하기 때문에 충분한 분해에 의한 액비화가 이루어지기는 어렵다.

한국등록특허 제10-0997769호(2010.11.25.등록,"혐기성 소화액을 이용하여 퇴비를 생산하는 방법",이하 '선행기술2'이라 함)는 가축분뇨와 음식물류 폐기물을 혼합하여 혐기소화시키는 혐기소화 단계; 상기 혐기소화액에 생석회와 코코피트를 혼합하는 제1혼합 단계; 제1혼합물을 건조하여 그 혼합물의 함수율을 70% 내지 80%로 건조시키는 제1건조 단계; 건조된 제1혼합물에 코코피트와 바실러스 종(Bacillus sp.)과 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)와 함께 생장촉진물질인 부식산으로 조성한 복합미생물제제를 첨가하여 혼합하는 제2혼합 단계; 상기 제2혼합물을 함수율 65% 내지 70%로 건조시키는 제2건조 단계; 건조된 제2혼합물을 밀폐형 발효조 내에 투입하여 발효시키는 발효 단계; 및 상기 발효 단계를 거쳐 발효된 혼합물을 2차적으로 발효시키는 후숙발효 단계;를 포함하여 이루어진다. 이러한 선행기술2는 가축분뇨와 음식물쓰레기를 혼합하여 혐기성 미생물에 의한 발효가 이루어지고, 처리과정에서 건조에 의한 수분함량을 줄여 혐기성발효를 추가실시해 퇴비를 생산하는 방안이다.

하지만 선행기술2는 고형물과 액상을 혼합하여 발효 및 퇴비화를 시행함으로써 퇴비화의 시간이 오래 소요되고 발효미생물의 생육조건을 만족하기에는 많은 수분조절제가 포함되고 건조에 소요되는 에너지비용이 많이 소요되는 단점이 있으므로, 이를 보완하여 혐기소화액의 신속한 퇴비화가 가능한 새로운 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.

이에 본 발명의 혐기소화액 자원화 시스템은,

혐기소화액으로 액비화과정을 수행하기 이전에 충분한 산소를 공급하여 용존산소농도를 높임으로써 호기성미생물 생장에 적합한 환경을 제공하여 액비화를 촉진시킬 수 있는 시스템의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 액비화조 후단의 액비 일부를 순환시켜 반응초기로 재공급되도록 하되 분해반응과정에서 상승된 온도를 외부 열교환에 의해 낮춰 공급하게 함으로써 배양된 미생물의 지속적인 공급없이 자체적인 순환에 의한 액비화 분해반응이 이루어지도록 하는 시스템의 제공을 다른 목적으로 한다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 혐기소화액 자원화 시스템은,

바이오가스 생산공정을 수행한 혐기소화액을 이용하여 자원화하는 시스템에 있어서, 협기소화액을 포집하는 집수조와; 상기 집수조로부터 혐기소화액을 전달받아 고형물과 액상분뇨를 분리하는 고액분리기와; 상기 고액분리기에서 분리된 액상분뇨를 포집하고 액상분뇨에 산소를 공급하여 액상분뇨의 유기물을 산화시키는 산화조와; 상기 산화조에 저장된 액상분뇨를 일부 유입하여 순산소에 의해 용존산소농도를 증가시킨 후 산화조로 재공급하는 용존산소시스템과; 상기 산화조로부터 액상분뇨를 공급받아 다단으로 형성된 수용부를 순차적으로 통과하면서 호기성미생물에 의해 발효되어 액비화가 이루어지는 액비화조와; 상기 액비화조에서 발효가 완료된 액비를 공급받아 저장하는 액비저장조와; 상기 액비저장조의 액비를 공급받아 잔량의 고형이물질과 가스를 제거하여 정제된 액비를 포집하는 정제조와; 상기 산화조와 액비화조 전단 수용부에 미생물공급라인을 이용하여 미생물을 공급하는 미생물배양기와; 상기 산화조와 액비화조 액비저장조에 폭기라인을 이용하여 산소를 공급해 폭기가 이루어지도록 하는 블로워와; 상기 액비화조 후단 수용부의 액비 일부를 산화조 또는 액비화조 전단수용부로 재공급하는 제1반송라인과; 상기 액비저장조의 액비 일부를 산화조 또는 액비화조 전단수용부로 재공급하는 제2반송라인; 및 상기 액비화조의 액상분뇨를 펌핑 또는 외부 상수를 공급받아 액비화조 상부에서 살수하여 거품을 제거하는 살수라인;을 포함하여 구성된다.

상기 산화조는, 내부에 수직격벽을 형성하여 제1산화부와 제2산화부로 분리구성해 액상분뇨가 제1산화부로부터 제2산화부로 월류하여 이동되도록 하고, 제1산화부와 제2산화부의 하부에는 각각 폭기라인과 연결된 폭기구가 설치되어 폭기가 이루어지도록 하고, 상기 용존산소시스템은 제1산화부의 액상분뇨를 유입하여 용존산소농도를 증가시킨 후 제2산화부로 공급시키도록 연결할 수 있다.

또한, 상기 산화조는, 내부에 수직격벽을 형성하여 제1산화부와 제2산화부로 분리구성하되 상기 제1산화부의 액상분뇨는 용존산소시스템을 통해 용존산소농도를 증가시킨 다음 제2산화부로 공급되도록 하고, 제1산화부와 제2산화부의 하부에는 각각 폭기라인과 연결된 폭기구가 설치되어 폭기가 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 상기 제1반송라인에는 열교환기가 설치되어 반송되는 액비의 온도를 낮춰 공급되도록 할 수 있고, 상기 열교환기는 상수를 이용한 수냉식 열교환기 또는 공랭식 열교환기일 수 있다.

또한 상기 열교환기는 지중에 천공되는 시추공과; 상기 시추공 내부로 배관되어 순환수가 시추공 하부에서 지열과 열교환되도록 하는 순환관과; 상기 순환관의 라인상에 설치되어 순환수를 펌핑하여 순환시키는 순환펌프; 및 상기 지열과 열교환된 순환수가 통과되면서 액비와 열교환이 이루어지는 열교환부;를 포함하는 지열시스템 일 수 있다.

상기 해결수단에 의한 본 발명의 혐기소화액 자원화 시스템은,

바이오에너지 생산공정을 수행한 혐기소화액을 호기성미생물에 의해 액비화시키는 과정에서 용존산소농도를 증가시켜 액비화시간을 단축시키고 에너지비용을 줄일수 있다.

또한, 액비화조 후단의 액비를 반송시키는 라인상에 설치된 열교환기에 의해 발효과정에서 온도가 상승한 액비를 미생물이 생장하는데 적합한 온도까지 낮추게 함으로써 미생물배양기의 미생물공급없이 반송된 액비의 미생물로 액비화가 가능하도록 하는 등 미생물배양기의 배양부담을 축소시키는 효과를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혐기소화액의 자원화시스템 구성도.
도 2와 도 3은 격벽에 의해 구획된 산화조와 용존산소시스템과의 결합상태를 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기가 설치된 자원화시스템 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 열교환기로 지열시스템을 적용한 자원화시스템 구성도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인의미로 해석되지 않는다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 축산분뇨를 일예로 하여 고형물과 액상분뇨로 설명하였으나, 상기 고형물과 액상분뇨는 단순히 축산분뇨 뿐만 아니라 음식물쓰레기를 포함하는 유기성폐기물의 고형물과 액상물과 대응될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혐기소화액의 자원화시스템 구성도이다.

도시된 바와같이 본 발명에 따른 자원화시스템(10)은 바이오가스 생산공정을 수행한 혐기소화액을 이용하여 자원화하는 것으로, 집수조(20), 고액분리기(30), 산화조(40), 용존산소시스템(41), 액비화조(50), 액비저장조(60), 정제조(70), 미생물배양기(80), 블로워(90), 제1반송라인(53),. 제2반송라인(61) 및 살수라인(52)을 포함하여 구성된다.

먼저 상기 집수조(20)는 혐기소화액을 포집하고 교반기를 이용하여 교반함으로써 혐기소화액의 최대한 균일하게 하며, 내부의 기포를 배출하도록 한다.

다음으로 고액분리기(30)는 집수조의 혐기소화액을 이송받아 고형물과 액상분뇨로 분리한다. 고형물과 액상분뇨는 원심탈수기 또는 스크린 등 다양한 방법에 의해 분리될 수 있고, 분리된 고형물은 살균처리 후 퇴비화 또는 연료화할 수 있다.

고액분리기에서 분리된 액상분뇨는 산화조(40)로 공급된다. 상기 산화조는 호기성미생물을 공급받아 혐기소화액과 혼합되도록 하고, 추가적으로 혐기소화액에 산소를 공급하여 혐기소화액 내의 유기물을 산화시켜 호기성미생물의 최적 생장환경을 조성시키고, 후속공정인 액비화조(50)로 공급되는 액상분뇨의 유량을 조절한다. 이러한 산화조(40)의 산소공급은 폭기방식으로 공급하여 산화조 상하층간 액상분뇨의 혼합이 이루어질 수 있도록 한다. 또한, 액비화조로의 이송은 공급펌프를 사용하여 이송량을 조절하게 하거나, 월류방식을 통해 액상분뇨의 공급이 이루어지도록 할 수 있다.

상기 산화조(40)는 액상분뇨의 용존산소의 농도를 증가시키기 위해 용존산소시스템(41)이 더 설치될 수 있다. 상기 용존산소시스템(DOS;Dissolved Oxygen-system)은 밀폐된 챔버에 산소공급원으로부터 순산소를 공급하고, 챔버 내부에는 액상분뇨를 고이게 하는 트레이를 다수 설치하거나, 격벽을 다수 설치하여 이동유로를 길게 형성해 액상분뇨의 표면적을 증가시킴으로써 순산소와 접하는 면적이 증가되어 용존산소 농도를 증가시킬 수 있다. 이외에 스크류고압펌프를 이용하여 순산소와 액상분뇨를 함께 압력탱크에서 가압시킬 수 있다. 압력탱크 내부를 약7bar의 압력을 형성하면 순산소가 액상분뇨에 미세기포로 침투되도록 혼합시켜 용존산소농도를 증가시키게 할 수 있다. 이때 스크류압력펌프의 고속회전에 의해 유기물덩어리를 작은 싸이즈로 절단시켜 미생물의 먹이흡수를 용이하게 할 수 있고, 고형물내의 수분을 배출되게 할 수 있다.

이러한 용존산소시스템(41)은 액상분뇨의 유량을 조절해 용존산소 농도를 조절할 수 있으며, 용존산소시스템에서 배출되는 액상분뇨의 용존산소 농도를 20ppm 이상으로 형성하고, 바람직하게는 30~70ppm으로 형성하는 것이다. 액상분뇨 전량을 용존산소시스템으로 통과시킬 경우 20ppm으로 설정하여도 호기성미생물의 생상을 촉진시킬 수 있으나, 액상분뇨의 일부만을 용존산소시스템을 통과시킬 경우에는 희석에 의해 농도가 낮아질 수 있으므로 최소한 30ppm이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 30ppm 이하일 경우에는 용존산소시스템을 통과하지 않은 액상분뇨와 혼합시 용존산소 농도가 낮아져 유기물 산화정도가 낮아 호기성미생물의 생장속도가 늦어지고, 70ppm 이상의 용존산소농도를 형성하기 위해서는 시간이 오래 소요되는 단점이 있으므로 상기 범위로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 액상분뇨의 일부만 용존산소시스템을 통과시킬 경우에는 최소한 고액분리기로부터 투입되는 액상분뇨 전체량의 30중량%를 용존산소시스템에 통과되도록 하여 희석후에도 액상분뇨의 용존산소 농도를 20ppm이상으로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 산화조(40)와 용존산소시스템(41)은 도 1을 참조한 바와같이 하나의 산화조를 구비하고, 산화조 내부의 액상분뇨를 용존산소시스템으로 순환시켜 용존산소의 농도를 증가시키는 방법으로 구성하거나, 도 2 및 도 3과 같이 산화조(40)를 제1산화부(42)와 제2산화부(43)로 구획하도록 구성할 수 있다.

도 2를 참조한 바와같이 산화조(40)는 수직격벽(44)에 의해 제1산화부(42)와 제2산화부(43)로 구획하여 분리구성하고, 액상분뇨는 제1산화부(42)로 공급하고, 제1산화부의 액상분뇨는 수직격벽(44)을 월류하여 제2산화부(43)로 이동되도록 구성한다. 이 때 상기 제1산화부와 제2산화부의 하부에는 각각 폭기라인(91)과 연결된 폭기구가 설치되어 각 산화부에 저장된 액상분뇨를 교반하면서 유기물산화가 이루어지도록 하고, 용존산소시스템(41)은 제1산화부(42)의 액상분뇨를 일부 유입해 용존산소 농도를 높인 다음 제2산화부(43)로 투입하여 제2산화부에 저장된 액상분뇨의 용존산소 농도를 높이도록 한다.

또한, 도 3을 참조한 바와같이 산화조(40)는 수직격벽(44)에 의해 내부를 제1산화부(42)와 제2산화부(43)로 완전분리시키고, 제1산화부와 제2산화부의 하부에는 각각 폭기라인(91)과 연결된 폭기구가 설치되어 각 산화부에 저장된 액상분뇨를 교반하면서 유기물산화가 이루어지도록 한다. 여기서 상기 제1산화부(42)의 액상분뇨는 용존산소시스템(41)을 통해서만 제2산화조(43)로 공급되게 함으로써 제2산화조에 저장되는 액상분뇨의 용존산소 농도를 고농도로 유지되게 할 수 있다.

상기 산화조(40)에서 용존산소의 농도를 높인 액상분뇨는 액비화조(50)로 공급된다. 상기 액비화조(50)는 액상분뇨가 미생물에 의해 발효되어 액비화가 이루어지도록 한다. 상기 액비화조는 도 1에 도시된 바와같이 하나 이상의 수용부(51)로 분리구획하여 각 수용부가 다단으로 병렬구성하여 순차적으로 통과하면서 액비화가 이루어지도록 한다. 이때 상기 액비화조는 하나의 수용조를 다수로 구획하여 다수의 수용부를 형성하도록 하거나, 각각 개별적인 수용부를 병렬로 배치하여 형성되도록 할 수 있다.

또한, 상기 액비화조(50)의 각 수용부에는 폭기라인(91)과 연결된 폭기구가 설치되어 액상분뇨가 각 수용부를 통과하면서 폭기되어 충분한 산소공급으로 유기물을 산화시키고 호기성미생물에 의한 분해되어 발효가 이루어지도록 한다. 또한, 상기 각 수용부에는 교반기를 더 설치하여 수용부에 저장된 액상분뇨에 대류현상이 이루어지도록 해 균일하게 발효되도록 할 수 있다.

상기 다수의 수용부를 갖는 액비화조(50)는 전단 수용부(511)에 미생물을 투입하여 공급된 액상분뇨와 혼합되면서 다음 수용부로 순차적인 이동이 이루어지면서 액상분뇨의 액비화가 이루어지도록 할 수 있고, 다수의 수용부에 선택적으로 미생물을 공급하여 각 수용부에서의 미생물생장이 촉진되도록 할 수 있으며, 이 때 공급되는 미생물은 전단에 위치하는 수용부로의 공급량을 크게 하고 후단으로 갈수록 공급량을 적게하여 액상분뇨의 발효가 이루어지도록 할 수 있다.

상기 액비화조(50)에는 살수라인(52)을 더 구비할 수 있다. 상기 살수라인(52)은 액비화조의 액상분뇨가 발효되는 과정에서 발생되는 다량의 거품을 제거하기 위해 살수가 이루어지는 것으로, 외부로부터 물을 공급받아 분사하거나 액비화조 후단 수용부(512)의 액비를 펌핑하여 각 수용부에 분사할 수 있다. 상기 각 수용부의 상부로 배관된 살수라인의 단부에는 살수분사구를 형성하여 펌핑된 물 또는 액비를 작은 크기로 분사하여 거품제거가 이루어지도록 하며, 액비를 사용하여 살수가 이루어질 경우 물이 혼합되지 않은 고농도의 액비 생산이 가능하고 미생물을 혼합율을 높여 발효를 극대화시킬 수 있으므로 액비품질과 생산성을 향상시킬 수 있다.

상기 액비화조(50)에는 제1반송라인(53)이 더 구비될 수 있다. 상기 제1반송라인(53)은 액비화조의 수용부 중 후단 수용부(512)의 액비를 펌핑하여 액비화조 전단수용부(511) 또는 산화조(40)로 공급한다. 상기 제1반송라인(53)은 후단수용부(512)의 미생물을 산화조(40) 또는 전단수용부(511)로 공급하기 때문에 미생물배양기(80)에서의 미생물공급 없이도 자체적인 순환에 의해 미생물을 공급하여 발효가 이루어지도록 할 수 있다. 상기 제1반송라인(53)을 통해 반송되는 액비의 량은 산화조(40) 또는 액비화조 전단수용부(511)로 유입되는 액상분뇨의 량 대비 20~40 중량% 비율로 혼합하여 미생물의 혼합비율을 적절하게 유지하면서 액비생산효율을 증대시킬 수 있고, 액비화조 내에서의 액상분뇨 또는 액비의 흐름을 일정하게 유지시킬 수 있다.

아울러 상기 제1반송라인(53)에는 열교환기(54)가 더 설치될 수 있다. 상기 액비화조(50)의 후단수용부(512)는 앞선 전단측 수용부의 액상분뇨가 순차적으로 이동하면서 장시간 미생물에 의한 발효가 이루어짐으로 발효과정에서 발생된 열에 의해 액상분뇨 또는 액비의 온도가 40~50℃까지 상승한다. 이와같이 고온상태에서는 미생물의 생장속도가 늦어짐으로 발효속도도 늦어지게 된다. 따라서, 제1반송라인(53)을 통해 반송되는 과정에서 열교환기(54)를 통한 열교환이 이루어져 제1반송라인(53)으로 반송되어 공급되는 액비의 온도를 미생물 생장이 활발하게 이루어지는 15~25℃의 온도로 낮추도록 하고, 최적의 온도로 설정되어 반송되는 액비는 산화조(40) 또는 액비화조의 전단 수용부(511)에 투입됨으로써 유기물 분해반응을 활발하게 이루어지도록 하는 것이다.

상기 열교환기(54)로는 수냉식 열교환기를 사용하여 외부 상수와 열교환이 이루어지도록 하고, 열교환된 상수는 온수 또는 난방수로 사용할 수 있다.

또한, 상기 열교환기(54)로는 공랭식 열교환기를 사용할 수 있다. 이때 열교환기는 외부와의 접촉면적을 넓히기 위해 관을 다수로 분기한 다관으로 형성하여 다관 사이로 공기를 유통시켜 냉각이 이루어지도록 하며, 다관 사이에는 다수의 방열핀을 설치하여 열교환면적을 더 증가시킬 수 있고 팬을 더 장착하여 공기를 강제송풍시켜 냉각효율을 더 증가시킬 수 있다.

아울러 상기 열교환기(54)는 일정한 온도에 의한 열교환이 이루어지도록 하기 위해서 지열시스템(540)을 적용할 수 있다. 상기 지열시스템(540)은 지중에 천공되는 시추공(541)과, 상기 시추공 내부로 배관되어 순환수가 시추공 하부에서 지열과 열교환되도록 하는 순환관(542)과, 상기 순환관의 라인상에 설치되어 순환수를 펌핑하여 순환시키는 순환펌프(543) 및 상기 지열과 열교환된 순환수가 통과되면서 액비와 열교환이 이루어지는 열교환부(544);를 포함하여 구성된다.

지열은 여름이나 겨울에도 온도차이가 크게 발생되지 않으므로 항상 일정한 온도를 제공할 수 있으므로, 지열을 이용하면 계절에 관계없이 일정한 온도로 열교환이 이루어지게 할 수 있다. 또한, 지열시스템(540)의 시추공(541)은 하나 이상 천공하여 구성할 수 있고, 상기 순환관(542)은 시추공 하부를 다관으로 형성하여 지중과의 열교환이 용이하게 이루어지도록 할 수 있고, 상기 열교환부(544)는 히트펌프로 사용할 수 있다.

또한, 상기 지열시스템(540)의 열교환부(544)를 통해 순환관(542)과 제1반송라인(53)이 직접 열교환이 이루어지도록 하거나, 냉각수를 저장하는 냉각수저장조를 더 구비하여 히트펌프를 이용하여 냉각수저장조의 냉각수와 순환관을 열교환시켜 냉각수저장조에 저장된 냉각수의 온도를 낮추고 제1반송라인과 냉각수저장조를 열교환시켜 제1반송라인으로 반송되는 액비의 온도를 낮출 수 있다.

또한, 상기 제1반송라인(53)에는 열교환기(54)의 배출측에 온도센서를 더 설치하여 온도센서의 센싱값에 의해 설정된 온도범위를 벗어날 경우 열교환기로 공급되는 순환수 또는 냉각수의 유입량을 조절해 열교환온도를 조절하게 하거나, 열교환기로 공급되는 순환수 또는 냉각수의 유량을 고정시키고 제1반송라인을 통과하는 액비의 유량을 증감시켜 온도조절이 이루어지게 할 수 있다.

한편, 액비화조(50)의 후단 수용부(512)에서 발효가 완료된 액비는 펌핑 또는 월류방식에 의해 액비저장조(60)로 공급되어 액비를 안정화시키면서 제조된 액비를 저장한다.

상기 액비저장조(60)에도 하단에 폭기라인(91)과 연결된 폭기구를 설치하여 폭기가 이루어지도록 함으로써 상층과 하층의 액비를 교반시켜 성분이 일정하게 이루어지도록 한다. 또한, 성분분석기를 추가적으로 설치하여 액비의 성분을 분석하거나, 액비에서 발생되는 악취의 성분분석 및 미생물의 상태를 점검하는 등 각종 분석을 위한 샘플링이 이루어지도록 한다.

상기 액비저장조(60)는 제2반송라인()이 배관되어 액비저장조에 저장된 액비 일부를 산화조(40) 또는 액비화조 전단수용부(511)로 공급하게 할 수 있다. 이는 액비저장조(60)의 성분이 원하는 기준 이하 일 경우 반송하여 액비화가 더 이루어지게 함으로써 액비의 품질을 향상시키도록 하며, 액비를 산화조 또는 액비화조의 전단 수용부로 공급함으로써 산화조 또는 액비화조 전단 수용부에 별도로 미생물을 공급하지 않아도 반송된 액비만으로 발효에 필요한 미생물공급이 이루어지도록 할 수 있다.

또한 상기 액비화조(50)와 액비저장조(60)에 배관된 제1반송라인(53)과 제2반송라인(61)은 라인상에 단속밸브를 설치하여 반송되는 액비 또는 액상분뇨가 산화조 또는 액비화조 전단 수용부 중 어느 하나에 공급되거나 모두에 공급되도록 할 수 있다.

상기 액비저장조(60)에 저장된 액비는 정제조(70)로 공급된다. 상기 정제조(70)에서는 액비화과정에서 분해되지 않은 고형물을 분리하여 액비의 순도를 향상시킨다. 상기 고형물을 분리하는 방법으로는 스크린 또는 멤브레인을 통해 불순물의 분리가 이루어지도록 할 수 있다. 상기 정제가 완료된 액비는 일정단위로 포장하여 판매할 수 있고, 직접 살포에 사용할 수 있다.

본 발명은 산화조(40), 액비화조(50), 액비저장조(60) 및 정제조(70)를 밀폐된 구조로 형성하여 이송과정 또는 발효과정에서 발생되는 악취가 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다.

상기 각 조에서 발생된 가스는 정제조(70)로 송풍시키고 정제조에서 탈취기로 송풍시켜 악취제거가 이루어지도록 하거나, 각 조에서 직접 탈취기로 송풍시켜 탈취가 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 상기 탈취기는 일반적으로 가축분뇨에서 발생되는 악취의 주요성분인 암모니아나 황화수소를 제거할 수 있도록 하며, 1차적으로 수세에 의해 제거하고, 추가적으로 흡착필터를 통과시켜 배출가스 내의 악취성분을 제거해 시설 인근의 환경오염을 방지할 수 있다. 또한 상기 방식 이외에 황산과 가성소다를 이용하여 암모니아와 황화수소를 제거하는 방식을 병행하여 악취성분을 제거할 수 있다.

또한, 산화조(40)와 액비화조(50) 및 액비저장조(60)에는 폭기라인(91)이 연결되어 블로워(90)로부터 공기를 공급하게 할 수 있으며, 각 조에 배관되는 분기된 폭기라인(91)에는 단속밸브를 설치하여 본 발명의 시스템을 제어하는 제어장치에 의해 필요시 단속밸브를 차단하거나 공급량을 조절하여 폭기 정도를 조절하게 할 수 있다.

또한 본 발명의 자원화시스템(10)에는 미생물배양기(80)가 설치되어 미생물배양기에서 배양된 미생물을 미생물공급라인(81)을 통해 산화조(40) 또는 액비화조 전단 수용부(511)로 공급하여 공급받은 액상분뇨를 발효시키도록 한다. 상기 미생물공급라인(81)에는 단속밸브를 설치하여 산화조 또는 액비화조로 공급되는 미생물의 공급량을 조절하게 할 수 있다. 즉, 초기에는 발효에 필요한 충분한 미생물을 공급하고, 제1반송라인과 제2반송라인을 통해 액비가 반송되어 공급될 때에는 미생물공급라인을 통해 공급되는 미생물의 량을 줄이거나 차단시켜 미생물배양기에서의 대량 미생물을 지속적으로 배양하는 부담을 줄일 수 있다.

본 발명의 작동상태를 도 4를 참조하여 간단하게 설명하면,

먼저 바이오가스 생성반응을 완료한 혐기소화액을 집수조(20)에 투입하여 포집한다.

집수조에 포집된 혐기소화액은 고액분리기(30)으로 공급되어 원심분리에 의해 고형물과 액상분뇨로 분리되고, 분리된 고형물은 퇴비화 또는 연료화하고, 분리된 액상분뇨는 산화조(40)로 공급된다.

상기 산화조(40)에서는 공급받은 액상분뇨를 폭기시켜 상층과 하층을 교반시키면서 유기물이 산화되도록 한다.

또한, 산화조는 용존산소시스템(41)을 연결하여 산화조에 저장된 일부 액상분뇨를 용존산소시스템으로 유입하여 산소공급원으로부터 공급받은 순산소와 액상분뇨의 접촉면적을 증가시켜 산소가 액상분뇨에 신속하게 용해되도록 함으로써 혐기소화액으로부터 분리한 액상분뇨의 용존산소농도를 증가시켜 호기성미생물의 생장환경을 조정한다.

또한 상기 산화조에는 미생물배양기(80)으로부터 호기성미생물을 투입받아 블로워(90)에서 공급된 공기의 폭기과정에서 미생물과 액상분뇨가 혼합되도록 한다.

미생물이 혼합되고 용존산소농도를 증가시킨 산화조의 액상분뇨는 액비화조(50)의 전단 수용부(511)에 공급되고, 액비화조 수용부에는 추가적으로 미생물배양기로부터 미생물을 공급받아 액상분뇨가 후단수용부로 순차적으로 통과하면서 유기물을 분해하는 발효작용으로 액비화가 이루어지도록 한다.

이때 액비화조(50)는 다수의 수용부(51)에서 폭기가 이루어지도록해 지속적인 공기의 공급이 이루어지도록 하고, 발효과정에서 발생되는 거품을 제거하기 위해 살수라인을 이용하여 후단 수용부(512)의 액비를 펌핑해 각수용부로 살수가 이루어지도록 한다.

상기 액비화조(50)의 후단 수용부(512)로 이동된 액비는 일부를 제1반송라인(53)을 통해 액비화조 전단 수용부(511) 및/또는 산화조(40)로 공급하여 액상분뇨과 혼합되어 미생물생장에 의한 액비화가 진행되도록 한다.

이때 상기 제1반송라인(53)에는 열교환기(54)를 설치하여 발효과정으로 고온으로 상승된 액비의 온도를 미생물 생장에 적합한 온도로 낮추도록 한다.

한편, 액비화조의 후단 수용부(512)로 이동된 액비는 액비저장조(60)로 공급되어 저장하고, 저장된 액비 일부는 제2반송라인(61)을 통해 산화조(40) 및/또는 액비화조 전단 수용부(511)로 공급하여 미생물이 발효에 참여하도록 한다.

액비저장조에 저장된 액비는 정제조(70)로 이동되고, 정제조에서 최종적으로 잔량의 고형이물질을 필터링하여 액비를 생산하며, 자원화시스템에서 생성된 악취가스는 탈취기를 통해 악취성분을 제거한 다음 배출시켜 인근 환경오염을 방지한다.

10 : 자원화시스템
20 : 집수조
30 : 고액분리기
40 : 산화조
41 : 용존산소시스템 42 : 제1산화조
43 : 제2산화조 44 : 수직격벽
50 : 액비화조
51 : 수용부 52 : 살수라인
53 : 제1반송라인 54 : 열교환기
511 : 전단수용부 512 : 후단수용부
540 : 지열시스템 541 : 시추공
542 : 순환관 543 : 순환펌프
544 : 열교환부
60 : 액비저장조
61 : 제2반송라인
70 : 정제조
80 : 미생물배양기
81 : 미생물공급라인
90 : 블로워
91 : 폭기라인

Claims (7)

1. 바이오가스 생산공정을 수행한 혐기소화액을 이용하여 자원화하는 시스템에 있어서,
   협기소화액을 포집하는 집수조와; 상기 집수조로부터 혐기소화액을 전달받아 고형물과 액상분뇨를 분리하는 고액분리기와; 상기 고액분리기에서 분리된 액상분뇨를 포집하고 액상분뇨에 산소를 공급하여 액상분뇨의 유기물을 산화시키는 산화조와; 상기 산화조에 저장된 액상분뇨를 일부 유입하여 순산소에 의해 용존산소농도를 증가시킨 후 산화조로 재공급하는 용존산소시스템과; 상기 산화조로부터 액상분뇨를 공급받아 다단으로 형성된 수용부를 순차적으로 통과하면서 호기성미생물에 의해 발효되어 액비화가 이루어지는 액비화조와; 상기 액비화조에서 발효가 완료된 액비를 공급받아 저장하는 액비저장조와; 상기 액비저장조의 액비를 공급받아 잔량의 고형이물질과 가스를 제거하여 정제된 액비를 포집하는 정제조와; 상기 산화조와 액비화조 전단 수용부에 미생물공급라인을 이용하여 미생물을 공급하는 미생물배양기와; 상기 산화조와 액비화조 액비저장조에 폭기라인을 이용하여 산소를 공급해 폭기가 이루어지도록 하는 블로워와; 상기 액비화조 후단 수용부의 액비 일부를 산화조 또는 액비화조 전단수용부로 재공급하는 제1반송라인과; 상기 액비저장조의 액비 일부를 산화조 또는 액비화조 전단수용부로 재공급하는 제2반송라인; 및 상기 액비화조의 액상분뇨를 펌핑 또는 외부 상수를 공급받아 액비화조 상부에서 살수하여 거품을 제거하는 살수라인;을 포함하여 구성되되,
   상기 산화조는
   내부에 수직격벽을 형성하여 제1산화부와 제2산화부로 분리구성해 액상분뇨가 제1산화부로부터 제2산화부로 월류하여 이동되도록 하고,
   제1산화부와 제2산화부의 하부에는 각각 폭기라인과 연결된 폭기구가 설치되어 폭기가 이루어지도록 하고,
   상기 용존산소시스템은 제1산화부의 액상분뇨를 유입하여 용존산소농도를 증가시킨 후 제2산화부로 공급시키도록 연결되는 것을 특징으로 하는 혐기소화액 자원화 시스템.
2. 삭제
3. 바이오가스 생산공정을 수행한 혐기소화액을 이용하여 자원화하는 시스템에 있어서,
   협기소화액을 포집하는 집수조와; 상기 집수조로부터 혐기소화액을 전달받아 고형물과 액상분뇨를 분리하는 고액분리기와; 상기 고액분리기에서 분리된 액상분뇨를 포집하고 액상분뇨에 산소를 공급하여 액상분뇨의 유기물을 산화시키는 산화조와; 상기 산화조에 저장된 액상분뇨를 일부 유입하여 순산소에 의해 용존산소농도를 증가시킨 후 산화조로 재공급하는 용존산소시스템과; 상기 산화조로부터 액상분뇨를 공급받아 다단으로 형성된 수용부를 순차적으로 통과하면서 호기성미생물에 의해 발효되어 액비화가 이루어지는 액비화조와; 상기 액비화조에서 발효가 완료된 액비를 공급받아 저장하는 액비저장조와; 상기 액비저장조의 액비를 공급받아 잔량의 고형이물질과 가스를 제거하여 정제된 액비를 포집하는 정제조와; 상기 산화조와 액비화조 전단 수용부에 미생물공급라인을 이용하여 미생물을 공급하는 미생물배양기와; 상기 산화조와 액비화조 액비저장조에 폭기라인을 이용하여 산소를 공급해 폭기가 이루어지도록 하는 블로워와; 상기 액비화조 후단 수용부의 액비 일부를 산화조 또는 액비화조 전단수용부로 재공급하는 제1반송라인과; 상기 액비저장조의 액비 일부를 산화조 또는 액비화조 전단수용부로 재공급하는 제2반송라인; 및 상기 액비화조의 액상분뇨를 펌핑 또는 외부 상수를 공급받아 액비화조 상부에서 살수하여 거품을 제거하는 살수라인;을 포함하여 구성되되,
   상기 산화조는
   내부에 수직격벽을 형성하여 제1산화부와 제2산화부로 분리구성하되 상기 제1산화부의 액상분뇨는 용존산소시스템을 통해 용존산소농도를 증가시킨 다음 제2산화부로 공급되도록 하고,
   제1산화부와 제2산화부의 하부에는 각각 폭기라인과 연결된 폭기구가 설치되어 폭기가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 혐기소화액 자원화 시스템.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 제1반송라인에는 열교환기가 설치되어 반송되는 액비의 온도를 낮춰 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 혐기소화액 자원화 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 열교환기는 상수를 이용한 수냉식 열교환기 또는 공랭식 열교환기인 것을 특징으로 하는 혐기소화액 자원화 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 열교환기는
   지중에 천공되는 시추공과;
   상기 시추공 내부로 배관되어 순환수가 시추공 하부에서 지열과 열교환되도록 하는 순환관과;
   상기 순환관의 라인상에 설치되어 순환수를 펌핑하여 순환시키는 순환펌프; 및
   상기 지열과 열교환된 순환수가 통과되면서 액비와 열교환이 이루어지는 열교환부;를 포함하는 지열시스템인 것을 특징으로 하는 혐기소화액 자원화 시스템.
7. 제4항에 있어서,
   상기 열교환기를 통과한 액비는 18~25℃의 온도를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 혐기소화액 자원화 시스템.

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