KR101647115B1 - 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조 - Google Patents

바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혐기성소화조를 공정의 연속성을 갖는 2개의 공간(제 1 반응조와 제 2 반응조)로 구분하고, 혐기성소화조에서 생성되는 바이오가스 내 메탄농도를 측정하여 측정된 메탄농도가 설정된 기준 농도를 만족시키는지 여부에 따라 슬러지 내부반송 방식 및 각 반응조의 온도를 선택적으로 제어함으로써 혐기성소화조에서 생성되는 바이오가스에서의 메탄농도를 증대시킴과 함께 제 2 반응조로부터 배출되는 바이오가스의 메탄농도를 일정하게 유지시킬 수 있는 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조는 격벽에 의해 제 1 반응조와 제 2 반응조로 구분되며, 유기성폐기물을 혐기성소화시켜 바이오가스를 생성하는 반응챔버; 제 2 반응조의 일단에서 제 1 반응조의 내부로 연장되어, 제 2 반응조의 슬러지를 제 1 반응조로 내부반송하는 제 1 내부반송 배관; 제 2 반응조의 일단에서 제 2 반응조의 내부로 연장되어, 제 2 반응조의 슬러지를 제 2 반응조로 내부반송하는 제 2 내부반송 배관; 상기 제 1 내부반송 배관 일측에 구비되어 제 1 내부반송 배관을 개방, 차단하는 제 1 반송밸브와, 상기 제 2 내부반송 배관 일측에 구비되어 제 2 내부반송 배관을 개방, 차단하는 제 2 반송밸브; 제 1 반응조에서 생성된 제 1 바이오가스를 배출하는 제 1 바이오가스 이송배관과, 제 2 반응조에서 생성된 제 2 바이오가스를 배출하는 제 2 바이오가스 이송배관; 상기 제 1 바이오가스 이송배관 및 제 2 바이오가스 이송배관과 연결되어, 제 1 바이오가스와 제 2 바이오가스가 합류된 바이오가스를 바이오가스 포집장치로 이송하는 바이오가스 공통배관; 상기 바이오가스 공통배관의 일측에 구비되어 바이오가스 공통배관을 개방, 차단하는 바이오가스 밸브; 상기 바이오가스 공통배관의 바이오가스에 포함되어 있는 메탄농도를 측정하는 메탄농도 측정장치; 및 상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도를 미리 설정된 기준값과 비교하고, 측정된 메탄농도가 기준값을 초과하는지 여부에 따라 상기 바이오가스 밸브의 동작, 상기 제 1 반송밸브 및 제 2 반송밸브의 동작을 제어하는 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조{Horizontal type anaerobic digesting device for controlling methane concentration of biogas}
본 발명은 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 혐기성소화조를 공정의 연속성을 갖는 2개의 공간(제 1 반응조와 제 2 반응조)로 구분하고, 혐기성소화조에서 생성되는 바이오가스 내 메탄농도를 측정하여 측정된 메탄농도가 설정된 기준 농도를 만족시키는지 여부에 따라 슬러지 내부반송 방식 및 각 반응조의 온도를 선택적으로 제어함으로써 혐기성소화조에서 생성되는 바이오가스에서의 메탄농도를 증대시킴과 함께 제 2 반응조로부터 배출되는 바이오가스의 메탄농도를 일정하게 유지시킬 수 있는 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조에 관한 것이다.
최근, 음식물 쓰레기, 축산폐수, 하수 슬러지와 같은 유기성폐기물을 혐기성소화시켜 메탄 등의 바이오가스를 생산하고 이를 열병합 발전 등에 이용하는 기술이 개발되고 있다(한국등록특허 10-0851529호 참조). 이와 같이 유기성 폐기물로부터 바이오가스를 생산, 이용하는 방법은 바이오가스를 에너지원으로 사용할 수 있다는 점 이외에 환경오염 부하를 감소시킬 수 있다는 점에서 각광을 받고 있다.
유기성폐기물의 혐기성소화에 의해 생성되는 바이오가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 등으로 이루어지는데, 열병합 발전 등에 바이오가스를 이용하기 위해서는 바이오가스 내 메탄(CH4) 함량이 일정 수준 이상(예를 들어, 60% 이상)이어야 하며, 바이오가스 내 메탄(CH4) 함량이 요구되는 조건을 만족시키지 못하는 경우에는 메탄 정제과정이 추가적으로 필요하다.
한편, 유기성폐기물의 혐기성소화는 세부적으로 산 발효 과정과 메탄 발효 과정으로 구분되고, 산 발효 과정에서는 주로 이산화탄소가 발생되며 메탄 발효 과정에서는 주로 메탄이 생성된다. 이와 같은 산 발효 과정과 메탄 발효 과정은 연속적으로 일어나며 이에 따라, 혐기성소화조 내에는 산 발효에 의해 생성된 이산화탄소와 메탄 발효에 의해 생성된 메탄이 혼재된다. 이산화탄소와 메탄이 혼재되어 바이오가스를 이룸에 따라, 높은 메탄농도를 갖는 바이오가스를 얻는데 어려움이 있다.
종래의 다른 기술로, 혐기성소화조를 산 발효조와 메탄 발효조의 2상 반응조로 구성하여 산 발효 과정과 메탄 발효 과정이 독립적으로 진행되도록 하는 기술이 제시된 바 있다.
한국등록특허 10-0851529호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 혐기성소화조를 공정의 연속성을 갖는 2개의 공간(제 1 반응조와 제 2 반응조)로 구분하고, 혐기성소화조에서 생성되는 바이오가스 내 메탄농도를 측정하여 측정된 메탄농도가 설정된 기준 농도를 만족시키는지 여부에 따라 슬러지 내부반송 방식 및 각 반응조의 온도를 선택적으로 제어함으로써 혐기성소화조에서 생성되는 바이오가스에서의 메탄농도를 증대시킴과 함께 제 2 반응조로부터 배출되는 바이오가스의 메탄농도를 일정하게 유지시킬 수 있는 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조는 격벽에 의해 제 1 반응조와 제 2 반응조로 구분되며, 유기성폐기물을 혐기성소화시켜 바이오가스를 생성하는 반응챔버; 제 2 반응조의 일단에서 제 1 반응조의 내부로 연장되어, 제 2 반응조의 슬러지를 제 1 반응조로 내부반송하는 제 1 내부반송 배관; 제 2 반응조의 일단에서 제 2 반응조의 내부로 연장되어, 제 2 반응조의 슬러지를 제 2 반응조로 내부반송하는 제 2 내부반송 배관; 상기 제 1 내부반송 배관 일측에 구비되어 제 1 내부반송 배관을 개방, 차단하는 제 1 반송밸브와, 상기 제 2 내부반송 배관 일측에 구비되어 제 2 내부반송 배관을 개방, 차단하는 제 2 반송밸브; 제 1 반응조에서 생성된 제 1 바이오가스를 배출하는 제 1 바이오가스 이송배관과, 제 2 반응조에서 생성된 제 2 바이오가스를 배출하는 제 2 바이오가스 이송배관; 상기 제 1 바이오가스 이송배관 및 제 2 바이오가스 이송배관과 연결되어, 제 1 바이오가스와 제 2 바이오가스가 합류된 바이오가스를 바이오가스 포집장치로 이송하는 바이오가스 공통배관; 상기 바이오가스 공통배관의 일측에 구비되어 바이오가스 공통배관을 개방, 차단하는 바이오가스 밸브; 상기 바이오가스 공통배관의 바이오가스에 포함되어 있는 메탄농도를 측정하는 메탄농도 측정장치; 및 상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도를 미리 설정된 기준값과 비교하고, 측정된 메탄농도가 기준값을 초과하는지 여부에 따라 상기 바이오가스 밸브의 동작, 상기 제 1 반송밸브 및 제 2 반송밸브의 동작을 제어하는 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 반응조 및 제 2 반응조의 내벽 상에 유기성폐기물을 가열하는 온수배관과, 상기 온수배관 내의 온수 온도를 조절하는 온수 온도 조절장치가 더 구비되며, 상기 제어장치는, 상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도를 미리 설정된 기준값과 비교하고, 측정된 메탄농도가 기준값을 초과하는지 여부에 따라 상기 온수 온도 조절장치의 동작을 제어한다.
상기 제어장치는, 상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도가 미리 설정된 기준값보다 높으면, 상기 바이오가스 밸브를 개방함과 함께 제 2 반송밸브는 차단하고 제 1 반송밸브는 개방하여 제 2 반응조의 슬러지가 제 1 내부반송 배관을 통해 제 1 반응조로 내부반송되도록 유도한다.
상기 제어장치는, 상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도가 미리 설정된 기준값보다 낮으면, 상기 바이오가스 밸브를 차단함과 함께 제 1 반송밸브는 차단하고 제 2 반송밸브는 개방하여 제 2 반응조의 슬러지가 제 2 내부반송 배관을 통해 제 2 반응조로 내부반송되도록 유도한다.
상기 제어장치는, 상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도가 미리 설정된 기준값보다 높으면, 제 1 반응조의 온도가 제 2 반응조와 동일한 수준으로 유지되도록 상기 온수 온도 조절장치를 제어한다.
상기 제어장치는, 상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도가 미리 설정된 기준값보다 낮으면, 제 1 반응조의 온도가 제 2 반응조보다 높게 유지되도록 상기 온수 온도 조절장치를 제어한다.
본 발명에 따른 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조는 다음과 같은 효과가 있다.
수평형 혐기성소화조에서 생성되는 바이오가스가 설정된 기준값 이상의 메탄 농도를 유지할 수 있어, 열병합 발전 등의 용도로 바이오가스를 이용함에 있어서 별도의 정제 과정이 요구되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조의 구성도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스의 메탄농도에 따른 수평형 혐기성소화조의 운전방법을 설명하기 위한 모식도.
본 발명은 유기성폐기물을 수평형 혐기성소화조를 통해 혐기성소화시켜 바이오가스를 생성함에 있어서, 바이오가스 내의 메탄농도를 증대시킴과 함께 수평형 혐기성소화조로부터 배출되는 바이오가스 내의 메탄농도를 일정 수준 이상으로 유지시킬 수 있는 기술을 제시한다.
이를 위해, 본 발명은 수평형 혐기성소화조를 격벽을 기준으로 제 1 반응조와 제 2 반응조로 구분시키고, 제 1 반응조와 제 2 반응조를 통해 산 발효 과정 및 메탄 발효 과정이 연속적으로 진행되도록 하며, 제 1 반응조 및 제 2 반응조에서 생성되는 바이오가스를 추출하고 해당 바이오가스 내의 메탄농도를 측정하여 해당 바이오가스 내의 메탄농도에 따라 슬러지를 선택적으로 내부반송함과 함께 각 반응조의 온도를 제어함으로써 수평형 혐기성소화조에서 생성되는 바이오가스의 메탄농도를 일정 수준 이상으로 유지시키는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조는 반응챔버(10)를 구비한다.
상기 반응챔버(10)는 유기성폐기물의 교반 공간 및 교반기의 장착 공간을 제공하며, 수평 방향으로 연장된 형태를 이룬다. 또한, 상기 반응챔버(10)는 격벽(11)을 기준으로 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13)로 구분된다. 상기 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13)는 유기성폐기물을 혐기성소화시키는 공간으로, 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13)를 통해 유기성폐기물의 산 발효 및 메탄 발효가 진행된다.
상기 격벽(11)은 반응챔버(10)의 상면에서 수직방향으로 연장된 형태로 구비되며, 상기 격벽(11)의 일단은 반응챔버(10)의 하면과 이격되며 이에 따라, 격벽(11) 하부를 통해 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13)가 공간적으로 연결된다. 격벽(11) 하부의 공간을 통해 제 1 반응조(12)의 혐기성소화액이 제 2 반응조(13)로 이동되는 것이 가능하다.
상기 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13) 중 적어도 어느 한 반응조 내에는 하나 또는 복수의 스크린(14)이 구비된다. 상기 스크린(14)은 혐기성미생물의 부착, 생장 공간을 제공함과 함께 pH가 낮은 유기성폐기물(또는 혐기성소화액)이 유입되는 경우 해당 유기성폐기물의 이동속도를 늦추는 역할을 한다. 또한, 상기 스크린(14)은 반응챔버(10) 단면의 중앙부에 설치되는 것이 바람직하며, 이에 따라 유기성폐기물 또는 혐기성소화액이 이동함에 있어서 반응챔버(10)의 상단부, 하단부 및 측부에서는 스크린(14)의 영향을 받지 않게 되며, 이를 통해 혐기성미생물 간의 상보작용이 가능하게 된다.
상기 반응챔버(10) 내에는 유기성폐기물을 교반하는 교반기가 구비된다. 상기 교반기는 교반축과 임펠러(25)를 포함하여 구성되며, 상기 교반축은 반응챔버(10) 내에서 반응 챔버의 수평 길이 방향을 따라 배치된다. 상기 교반축은 제 1 교반축(21)과 제 2 교반축(22)으로 구성된다. 제 1 교반축(21)과 제 2 교반축(22)은 이웃하여 직렬 배치되는 형태로 구비되며, 제 1 교반축(21)과 제 2 교반축(22)은 각각에 구비된 구동수단에 의해 독립 구동된다. 즉, 제 1 교반축(21)의 일측에 제 1 구동수단(23)이 구비되고, 제 2 교반축(22)의 일측에 제 2 구동수단(24)이 되며, 제 1 교반축(21)과 제 2 교반축(22)은 동일 방향으로 회전하거나 서로 다른 방향으로 회전할 수 있다.
상기 제 1 교반축(21)은 제 1 반응조(12) 내에 구비되며, 상기 제 2 교반축(22)은 제 2 반응조(13) 내에 구비된다. 유기성폐기물의 성상 및 교반 특성에 따라 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13) 각각에서의 유기성폐기물의 교반 방향을 선택적으로 제어할 수 있다. 상기 제 1 교반축(21) 및 제 2 교반축(22)이 회전하면 교반축의 일측에 구비된 임펠러(25)에 의해 유기성폐기물의 교반이 진행된다.
한편, 상기 제 1 반응조(12) 및 제 2 반응조(13)에는 제 2 반응조(13)에서 발생되는 슬러지를 내부반송하기 위한 슬러지 내부반송 배관이 각각 구비됨과 함께 제 1 반응조(12) 및 제 2 반응조(13)에서 생성된 바이오가스를 이송하기 위한 바이오가스 이송배관이 구비된다.
구체적으로, 상기 제 1 반응조(12)에는 제 1 내부반송 배관(41)과 제 1 바이오가스 이송배관(31)이 배치되며, 상기 제 2 반응조(13)에는 제 2 내부반송 배관(42)과 제 2 바이오가스 이송배관(32)이 배치된다. 제 2 반응조(13)의 슬러지는 제 1 내부반송 배관(41)과 제 2 내부반송 배관(42)을 통해 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13)에 선택적으로 내부반송될 수 있으며, 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13)에서 각각 생성된 제 1 바이오가스, 제 2 바이오가스는 각각 제 1 바이오가스 이송배관(31), 제 2 바이오가스 이송배관(32)을 통해 배출된다.
제 1 바이오가스 이송배관(31)과 제 2 바이오가스 이송배관(32)은 바이오가스 공통배관(33)과 연결되며, 제 1 바이오가스 이송배관(31)과 제 2 바이오가스 이송배관(32)을 통해 배출되는 제 1 바이오가스와 제 2 바이오가스는 상기 바이오가스 공통배관(33)에서 합류되며, 상기 바이오가스 공통배관(33)의 바이오가스는 바이오가스 포집장치(도시하지 않음) 등으로 공급된다.
상기 제 1 내부반송 배관(41)과 제 2 내부반송 배관(42) 각각에는 슬러지를 선택적으로 공급, 차단하는 제 1 반송밸브(41a), 제 2 반송밸브(42a)가 구비되며, 상기 바이오가스 공통배관(33)에도 배관을 선택적으로 개방, 차단하는 바이오가스 밸브(33a)가 구비된다. 또한, 상기 바이오가스 공통배관(33)의 일측에 제 1 바이오가스가 제 2 바이오가스와 합류되는 것을 선택적으로 제어하는 보조 바이오가스 밸브(33b)가 더 구비될 수 있으며, 상기 보조 바이오가스 밸브(33b)를 차단한 상태에서, 산 발효에 의해 발생되는 악취를 외부로 배기할 수 있다. 상기 제 1 반송밸브(41a), 제 2 반송밸브(42a) 및 바이오가스 밸브(33a)의 개방, 차단 동작은 후술하는 제어장치(51)에 의해 제어된다.
이와 함께, 상기 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13) 각각의 내벽 상에는 온수배관(15)이 구비되며, 상기 온수배관(15)은 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13) 내의 유기성폐기물을 가열하는 역할을 하며, 상기 온수배관(15)에 공급되는 온수의 온도를 조절함으로써 유기성폐기물의 온도를 제어할 수 있다. 상기 온수배관(15) 내의 온수의 온도는 후술하는 온수 온도 조절장치(53)에 의해 조절되며, 상기 온수 온도 조절장치(53)는 제어장치(51)에 의해 제어된다. 상기 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13) 내부의 일측에는 유기성폐기물 또는 혐기성소화액의 pH를 측정하기 위한 pH 센서가 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조는 상술한 구성 이외에 메탄농도 측정장치(52), 온수 온도 조절장치(53) 및 제어장치(51)가 더 구비된다.
상기 메탄농도 측정장치(52)는 바이오가스 공통배관(33)을 통해 이송되는 바이오가스(제 1 바이오가스와 제 2 바이오가스가 합류된 것)에 포함되어 있는 메탄의 농도를 측정하는 역할을 하며, 상기 온수 온도 조절장치(53)는 상기 제 1 반응조(12) 및 제 2 반응조(13)의 온수배관(15)에 공급되는 온수의 온도를 조절하는 역할을 한다.
상기 제어장치(51)는 상기 메탄농도 측정장치(52)에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도 정보를 기반으로 상기 바이오가스 공통배관(33)에 구비된 바이오가스 밸브(33a)의 동작, 상기 제 1 내부반송 배관(41)과 제 2 내부반송 배관(42)에 각각에 각각 구비된 제 1 반송밸브(41a), 제 2 반송밸브(42a)의 동작 및 상기 온수 온도 조절장치(53)의 동작을 제어한다.
구체적으로, 상기 메탄농도 측정장치(52)에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도가 미리 설정된 기준값보다 높으면, 상기 제어장치(51)는 상기 바이오가스 밸브(33a)를 개방하여 바이오가스가 바이오가스 포집장치 등으로 공급되도록 함과 함께 제 1 반송밸브(41a)를 개방하여 제 2 반응조(13)의 슬러지가 제 1 내부반송 배관(41)을 통해 제 1 반응조(12)로 내부반송되도록 하며, 더불어 상기 제 1 반응조(12) 및 제 2 반응조(13)의 온도가 35∼38℃가 유지되도록 상기 온수 온도 조절장치(53)를 제어한다. 이 때, 제 2 반송밸브(42a)는 차단된 상태를 이루며, 이에 따라 제 2 반응조(13)로의 슬러지 내부반송은 진행되지 않으며, 제 1 반응조(12) 및 제 2 반응조(13)의 온도는 서로 동일한 온도로 유지되도록 할 수 있다.
반면, 상기 메탄농도 측정장치(52)에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도가 미리 설정된 기준값보다 작으면, 상기 제어장치(51)는 상기 바이오가스 밸브(33a)를 차단하여 바이오가스 공통배관(33)으로부터 바이오가스 포집장치로의 바이오가스 공급을 차단하며, 제 1 반송밸브(41a)는 차단하고 제 2 반송밸브(42a)는 개방하여 제 2 반응조(13)의 슬러지가 제 2 내부반송 배관(42)을 통해 제 2 반응조(13)로 내부반송되도록 한다. 또한, 상기 제어장치(51)는 제 1 반응조(12)의 온도가 제 2 반응조(13)의 온도보다 높도록 상기 온수 온도 조절장치(53)를 제어할 수 있으며, 이 때 제 1 반응조(12)의 온도는 40∼45℃, 제 2 반응조(13)의 온도는 35∼38℃로 제어될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조의 구성에 대해 설명하였다. 이하에서는, 상술한 수평형 혐기성소화조의 기반 하에 진행되는 바이오가스의 메탄농도에 따른 수평형 혐기성소화조의 운전방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 유기성폐기물이 수평형 혐기성소화조의 반응챔버(10)로 공급된다. 전술한 바와 같이, 상기 반응챔버(10)는 격벽(11)을 기준으로 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13)로 구분되며, 유기성폐기물은 상기 제 1 반응조(12)로 공급된다.
기본적으로 상기 제 1 반응조(12) 내에서는 유기성폐기물의 산 발효 과정이 진행되고, 제 2 반응조(13) 내에서는 메탄 발효 과정이 진행되는데, 제 1 반응조(12)에 공급되는 유기성폐기물의 성상에 따라 제 1 반응조(12) 내에서도 메탄 발효 과정이 진행될 수 있다. 예를 들어, 하절기의 유기성폐기물은 높은 대기온도로 인해 가수분해 및 산 발효가 일정 부분이 진행된 상태에서 제 1 반응조(12)로 공급되는데, 이 경우 제 1 반응조(12)에서는 산 발효 뿐만 아니라 메탄 발효 과정도 함께 진행된다. 반면, 하절기에 대비하여 낮은 대기온도에 노출된 유기성폐기물은 산 발효가 거의 이루어지지 않은 상태로 제 1 반응조(12)로 공급된다. 통상, 하절기의 유기성폐기물은 pH 4 이하이고, 동절기의 유기성폐기물은 7이상이며, 환절기의 유기성폐기물은 4∼7의 pH 값을 갖는다.
제 1 반응조(12)로 공급된 유기성폐기물은 제 1 반응조(12)와 제 2 반응조(13)를 거치면서 산 발효 및 메탄 발효가 진행되며, 산 발효 및 메탄 발효에 의해 혐기성소화됨과 함께 산 발효에 의한 이산화탄소, 메탄 발효에 의한 메탄이 생성된다. 이 때, 유기성폐기물의 혐기성소화 및 이산화탄소, 메탄 등의 바이오가스 생성을 위해, 상기 제 1 반응조(12) 및 제 2 반응조(13)는 혐기조건으로 운전되며, 제 1 반응조(12)는 제 2 반응조(13)의 온도와 동일하거나 제 2 반응조(13)보다 높은 온도로 설정된다.
제 1 반응조(12)에 유기성폐기물이 공급되면, 제 1 반응조(12) 내에 구비된 제 1 교반축(21)의 구동에 의해 유기성폐기물의 교반 및 혐기성소화가 진행된다. 세부적으로, 제 1 교반축(21) 상에 이격되어 배치된 복수의 임펠러(25)에 의해 유기성폐기물이 교반됨과 교반되는 과정에서 유기성폐기물의 혐기성소화가 진행되며, 임펠러(25)는 유기성폐기물을 교반함과 함께 제 1 반응조(12)에서 혐기성소화된 유기성폐기물 및 혐기성소화액을 제 2 반응조(13)로 전진 이동시키는 역할을 한다. 상술한 바와 같이, 제 1 반응조(12) 내에서 산 발효 또는 산 발효와 메탄 발효가 함께 진행되며, 이와 동시에 바이오가스(제 1 바이오가스)가 생성된다. 제 1 반응조(12)의 혐기성소화는 산 발효가 지배적임에 따라, 제 1 반응조(12)에서 생성되는 제 1 바이오가스는 제 2 반응조(13)의 제 2 바이오가스에 대비하여 이산화탄소 함량이 많다.
제 2 반응조(13)에 제 1 반응조(12)에서 혐기성소화된 유기성폐기물 및 혐기성소화액이 공급되면, 제 1 반응조(12)에서와 마찬가지로 교반 및 그에 따른 혐기성소화 과정이 진행된다. 구체적으로, 제 2 교반축(22) 상에 이격되어 배치된 복수의 임펠러(25)에 의해 유기성폐기물이 교반됨과 교반되는 과정에서 혐기성소화가 진행되며, 혐기성소화에 따른 바이오가스(제 2 바이오가스) 생성도 함께 이루어진다. 제 2 반응조(13)의 혐기성소화는 메탄 발효가 지배적임에 따라, 제 2 반응조(13)에서 생성되는 제 2 바이오가스는 제 1 반응조(12)의 제 1 바이오가스에 대비하여 메탄 함량이 많다.
이상 설명한 바와 같은, 제 1 반응조(12) 및 제 2 반응조(13)에서의 혐기성소화가 진행되는 과정에서, 제 1 반응조(12)에서는 제 1 바이오가스가 생성되고 제 2 반응조(13)에서는 제 2 바이오가스가 생성되며, 제 1 바이오가스와 제 2 바이오가스는 각각 제 1 바이오가스 이송배관(31), 제 2 바이오가스 이송배관(32)을 통해 배출되어 바이오가스 공통배관(33)에서 합류된다.
이와 같은 상태에서, 상기 제어장치(51)의 제어 하에 메탄농도 측정장치(52)에 의한 바이오가스의 메탄농도 측정이 진행된다. 구체적으로, 상기 메탄농도 측정장치(52)는 바이오가스 공통배관(33) 내의 바이오가스에 대해 메탄농도를 측정하며, 측정된 메탄농도 정보는 상기 제어장치(51)로 전달된다.
상기 제어장치(51)는 상기 메탄농도 측정장치(52)에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도를 미리 설정된 기준값과 비교하고, 측정된 메탄농도가 기준값을 초과하는지 여부에 따라 상기 바이오가스 공통배관(33)에 구비된 바이오가스 밸브(33a)의 동작, 상기 제 1 내부반송 배관(41)과 제 2 내부반송 배관(42)에 각각에 각각 구비된 제 1 반송밸브(41a), 제 2 반송밸브(42a)의 동작 및 상기 온수 온도 조절장치(53)의 동작을 제어한다. 이 때, 상기 기준값은 열병합 발전 등에 사용 가능한 메탄농도값 등으로 설정할 수 있으며, 일 실시예로 바이오가스 내의 메탄농도가 60wt%인 것으로 기준값으로 설정할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어장치(51)는 측정된 메탄농도가 기준값보다 높으면, 제 1 동작으로 상기 바이오가스 밸브(33a)를 개방하여 바이오가스가 바이오가스 포집장치 등으로 공급 가능하도록 한다. 제 2 동작으로, 상기 제어장치(51)는 제 2 반송밸브(42a)는 차단하고 제 1 반송밸브(41a)는 개방하여 제 2 반응조(13)의 슬러지가 제 1 내부반송 배관(41)을 통해 제 1 반응조(12)로 내부반송되도록 한다. 측정된 메탄농도가 기준값보다 높음은 제 2 반응조(13) 뿐만 아니라 제 1 반응조(12)에서도 일정 부분 메탄 발효가 진행되어 메탄을 생성함을 의미하며, 이에 따라 제 2 반응조(13)의 슬러지를 제 1 반응조(12)로 공급하여 추가적인 메탄 발효를 유도할 수 있다(도 2a 참조). 제 3 동작으로, 상기 제어장치(51)는 제 1 반응조(12)의 온도를 제 2 반응조(13)와 동일한 수준으로 유지되도록 상기 온수 온도 조절장치(53)를 제어한다. 상술한 제 1 동작 내지 제 3 동작은 동시에 진행되거나 시계열적으로 진행될 수도 있다.
다음으로, 측정된 메탄농도가 기준값보다 낮으면, 상기 제어장치(51)는 제 1 동작으로 상기 바이오가스 밸브(33a)를 차단하며, 제 2 동작으로 제 1 반송밸브(41a)는 차단하고 제 2 반송밸브(42a)는 개방하여 제 2 반응조(13)의 슬러지가 제 2 내부반송 배관(42)을 통해 제 2 반응조(13)로 내부반송되도록 한다. 측정된 메탄농도가 기준값보다 낮음은 제 1 반응조(12)에서의 메탄 발효가 미미함을 의미하며, 이에 2 반응조의 슬러지는 제 2 반응조(13)로 공급하여 제 2 반응조(13)에서의 추가적인 메탄 발효를 유도한다(도 2b 참조). 제 3 동작으로, 상기 제어장치(51)는 제 1 반응조(12)의 온도가 제 2 반응조(13)보다 높게 유지되도록 상기 온수 온도 조절장치(53)를 제어하여 제 1 반응조(12)에서의 산 발효 및 메탄 발효를 촉진시킨다. 상술한 제 1 동작 내지 제 3 동작은 동시에 진행되거나 시계열적으로 진행될 수도 있다.
10 : 반응챔버 11 : 격벽
12 : 제 1 반응조 13 : 제 2 반응조
14 : 스크린 15 : 온수배관
21 : 제 1 교반축 22 : 제 2 교반축
23 : 제 1 구동수단 24 : 제 2 구동수단
25 : 임펠러 31 : 제 1 바이오가스 이송배관
32 : 제 2 바이오가스 이송배관 33 : 바이오가스 공통배관
33a : 바이오가스 밸브 33b : 보조 바이오가스 밸브
41 : 제 1 내부반송 배관 42 : 제 2 내부반송 배관
41a : 제 1 반송밸브 42a : 제 2 반송밸브
51 : 제어장치 52 : 메탄농도 측정장치
53 : 온수 온도 조절장치

Claims (6)

  1. 격벽에 의해 제 1 반응조와 제 2 반응조로 구분되며, 유기성폐기물을 혐기성소화시켜 바이오가스를 생성하는 반응챔버;
    제 2 반응조의 일단에서 제 1 반응조의 내부로 연장되어, 제 2 반응조의 슬러지를 제 1 반응조로 내부반송하는 제 1 내부반송 배관;
    제 2 반응조의 일단에서 제 2 반응조의 내부로 연장되어, 제 2 반응조의 슬러지를 제 2 반응조로 내부반송하는 제 2 내부반송 배관;
    상기 제 1 내부반송 배관 일측에 구비되어 제 1 내부반송 배관을 개방, 차단하는 제 1 반송밸브와, 상기 제 2 내부반송 배관 일측에 구비되어 제 2 내부반송 배관을 개방, 차단하는 제 2 반송밸브;
    제 1 반응조에서 생성된 제 1 바이오가스를 배출하는 제 1 바이오가스 이송배관과, 제 2 반응조에서 생성된 제 2 바이오가스를 배출하는 제 2 바이오가스 이송배관;
    상기 제 1 바이오가스 이송배관 및 제 2 바이오가스 이송배관과 연결되어, 제 1 바이오가스와 제 2 바이오가스가 합류된 바이오가스를 바이오가스 포집장치로 이송하는 바이오가스 공통배관;
    상기 바이오가스 공통배관의 일측에 구비되어 바이오가스 공통배관을 개방, 차단하는 바이오가스 밸브;
    상기 바이오가스 공통배관의 바이오가스에 포함되어 있는 메탄농도를 측정하는 메탄농도 측정장치; 및
    상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도를 미리 설정된 기준값과 비교하고, 측정된 메탄농도가 기준값을 초과하는지 여부에 따라 상기 바이오가스 밸브의 동작, 상기 제 1 반송밸브 및 제 2 반송밸브의 동작을 제어하는 제어장치를 포함하여 이루어지며,
    상기 제어장치는,
    상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도가 미리 설정된 기준값보다 높으면, 상기 바이오가스 밸브를 개방함과 함께 제 2 반송밸브는 차단하고 제 1 반송밸브는 개방하여 제 2 반응조의 슬러지가 제 1 내부반송 배관을 통해 제 1 반응조로 내부반송되도록 유도하며,
    상기 제어장치는,
    상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도가 미리 설정된 기준값보다 낮으면, 상기 바이오가스 밸브를 차단함과 함께 제 1 반송밸브는 차단하고 제 2 반송밸브는 개방하여 제 2 반응조의 슬러지가 제 2 내부반송 배관을 통해 제 2 반응조로 내부반송되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 반응조 및 제 2 반응조의 내벽 상에 유기성폐기물을 가열하는 온수배관과,
    상기 온수배관 내의 온수 온도를 조절하는 온수 온도 조절장치가 더 구비되며,
    상기 제어장치는,
    상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도를 미리 설정된 기준값과 비교하고, 측정된 메탄농도가 기준값을 초과하는지 여부에 따라 상기 온수 온도 조절장치의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제어장치는,
    상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도가 미리 설정된 기준값보다 높으면, 제 1 반응조의 온도가 제 2 반응조와 동일한 수준으로 유지되도록 상기 온수 온도 조절장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 제어장치는,
    상기 메탄농도 측정장치에 의해 측정된 바이오가스의 메탄농도가 미리 설정된 기준값보다 낮으면, 제 1 반응조의 온도가 제 2 반응조보다 높게 유지되도록 상기 온수 온도 조절장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 메탄농도 제어가 가능한 수평형 혐기성소화조.
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