KR101710416B1 - 혐기형 및 호기형 바이오리액터 - Google Patents
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Abstract
폐기물 매립지 내의 유기물을 혐기적으로 분해시키는 과정과 호기적으로 분해시키는 과정을 효율적으로 전환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유지 및 보수가 용이한 혐기형 및 호기형 바이오리액터 및 그 운전 방법이 개시된다. 상기 바이오리액터는, 폐기물 매립지에 수평으로 설치되며, (a) 수분 또는 공기를 폐기물층으로 분산시켜 공급하는 내측관(32)과, 상기 내측관(32)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(34)으로 이루어지며, (b) 양 말단은 매립지 외부로 노출되고, 한쪽 말단을 통하여, 상기 내측관(32)으로 수분 또는 공기가 공급되고, 다른 한쪽의 말단을 통하여, 상기 외측관(34)에 포집된 매립가스가 배출되며, (c) 상기 내측관(32) 양단에는 내측관(32)으로 공급되는 수분 또는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(42)가 각각 설치되고, 상기 매립가스가 배출되는 말단에는, 배출되는 매립가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(44), 매립가스의 성분 및 수분 함량을 측정하기 위한 성분 및 수분 측정기(46)가 설치되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30); 수분 주입부(60); 공기 주입부(70); 매립가스 배출부(80); 및 운전 제어부(90)를 포함한다.
Description
본 발명은 혐기형 및 호기형 바이오리액터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 폐기물 매립지의 상태에 따라, 폐기물 매립지 내의 유기물을 혐기적으로 분해시키는 과정과 호기적으로 분해시키는 과정을 효율적으로 전환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유지 및 보수가 용이한 혐기형 및 호기형 바이오리액터 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
매립을 이용한 폐기물의 처리 방법은, 쓰레기 등의 폐기물을 소정 높이로 적층하고, 적층된 폐기물을 흙 등의 차폐물(복토층)로 덮는 과정을 반복한 다음, 수년 내지 수십년 동안 안정화시켜, 폐기물을 자연 분해시키는 방법이다. 매립된 폐기물 중의 유기성 폐기물이 외부와 차단된 상태에서 자연 분해되면(혐기적 소화), 메탄, 이산화탄소 등의 매립가스가 발생하고, 발생된 매립 가스는 포집되어 연료로 사용되거나 소각된다. 최근에는, 폐기물 매립 후, 일일 복토, 다짐 등 철저한 위생관리를 수행하므로, 매립지 내부가 건조되면서, 매립가스 발생량이 감소하고, 매립지 안정화 기간이 길어져 사후 관리 비용이 증가하는 문제가 발생하고 있다. 따라서, 폐기물 매립지를 거대한 생물 반응기, 즉, 바이오리액터(bioreactor)로 인식하여, 매립지 내부 유기성 폐기물의 분해조건을 조절함으로써, 매립가스의 발생속도를 조절하거나, 매립가스 회수의 경제성이 없는 경우, 매립지에 산소나 공기를 공급하여, 유기성 폐기물을 호기적으로 분해시켜(호기적 소화), 매립지를 조기에 안정화시키는 방법이 사용되고 있다.
도 1은 통상적인 바이오리액터 매립지의 구조를 보여주는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 바이오리액터 매립지는, 제방(10) 안쪽에 각 단별로 매립된 폐기물 매립층(12), 상기 폐기물 매립층(12) 상부에 각각 포설되는 복토층(14), 및 상기 폐기물 매립층(12)에서 발생하는 침출수를 배제하기 위하여 폐기물 매립층(12) 최하부에 형성되는 침출수 배수층(16)을 포함한다. 상기 침출수 배수층(16)에는 침출수를 외부로 배출하기 위한 배출 배관(20) 및 배출 펌프(22)가 설치된다. 상기 배관(20) 및 펌프(22)에 의하여 배출된 침출수는, 필요에 따라, 혼합조(24)에서 하수슬러지, 음식물 폐수 등의 유기성 폐기물과 혼합된 후, 폐수 주입 배관(26)을 통하여, 폐기물 매립층(12)으로 공급되어(침출수 재순환), 폐기물 매립층(12)의 수분 함량을 증가시키고 폐기물의 분해를 촉진시킨다.
한편, 폐기물 매립층(12)에서 발생하는 매립가스를 배출시키기 위하여, 폐기물 매립층(12)에 별도의 수직 매립가스 포집정을 설치하는 방법이 일반적으로 사용되었으나, 최근 본 출원인 등은 폐수 주입 배관과 매립가스 포집관을 수평형 이중관의 형태로 설치하는 방법을 개발하여 사용하고 있으며(특허공개 10-2010-0022947호 참조), 이를 도 2에 개략적으로 나타내었다. 도 2에 도시된 폐수 주입 및 매립가스 포집 시스템은, 침출수(160) 등의 폐수를 폐기물층(12)으로 공급하는 노즐 설치 내측관(103), 상기 노즐 설치 내측관(103)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 폐기물층(12)에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(102), 폐기물층(12)으로부터 발생하는 침출수(160)를 상기 노즐 설치 내측관(103)으로 주입하는 수분 주입부(200) 및 상기 유공형 외측관(102)에서 포집된 매립가스를 매립장 외부로 배출하는 매립가스 배출부(300)를 포함한다.
그러나, 도 2에 도시된 수분 주입 및 매립가스 포집 시스템은 내측관(103) 및 외측관(102)의 한 쪽 말단(도 2의 우측 말단) 만이 폐기물층(12) 외부에 노출되고, 다른 말단(도 2의 좌측 말단)은 폐기물층(12)에 매립되어 외부와 단절되므로, 외측관(102)으로부터 내측관(103)을 꺼내어 보수한 후 다시 삽입하는 과정이 번거롭고, 이를 위하여, 외측관(102)과 내측관(103)의 사이에 다수의 플랜지 및 롤러(104, flange and roller)가 설치되어야 한다. 또한, 내측관(103) 및 외측관(102)의 노출된 한쪽 말단에 수분 주입부(200)와 매립가스 배출부(300)가 모두 설치되며, 노출된 말단 부분에서만, 침출수의 주입 상태와 매립가스의 배출 상태를 확인할 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 시스템에 있어서는, 폐기물층(12)에서 최종 배출되는 매립가스의 상태는 확인할 수 있으나, 폐기물층(150)의 내부 영역에 있어서, 매립가스의 발생 상태, 수분 공급 상태, 수분 함량 등을 검출할 수 없으며, 따라서, 폐기물층(150)의 각 영역 별로, 폐수 주입 및 매립가스 포집을 관리할 수 없는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 폐기물 매립지의 각 영역에 있어서, 매립가스의 발생 상태, 수분의 공급 상태, 수분 함량 등을 실시간으로 검출할 수 있으므로, 폐기물 매립층 내의 유기물을 혐기적으로 분해시키는 과정과 호기적으로 분해시키는 과정을 효율적으로 전환시킬 수 있는 혐기형 및 호기형 바이오리액터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 수분의 공급 및 매립가스 배출이 용이할 뿐 만 아니라, 플랜지, 롤러 등의 설치 필요성이 적고, 유지 및 보수가 용이한 혐기형 및 호기형 바이오리액터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 폐기물 매립지에 수평으로 설치되며, (a) 수분 또는 공기를 폐기물층으로 분산시켜 공급하는 내측관(32)과, 상기 내측관(32)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(34)으로 이루어지며, (b) 양 말단은 매립지 외부로 노출되고, 한쪽 말단을 통하여, 상기 내측관(32)으로 수분 또는 공기가 공급되고, 다른 한쪽의 말단을 통하여, 상기 외측관(34)에 포집된 매립가스가 배출되며, (c) 상기 내측관(32) 양단에는 내측관(32)으로 공급되는 수분 또는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(42)가 각각 설치되고, 상기 매립가스가 배출되는 말단에는, 배출되는 매립가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(44), 매립가스의 성분 및 수분 함량을 측정하기 위한 성분 및 수분 측정기(46)가 설치되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30); 상기 내측관(32)으로 수분을 공급하는 수분 주입부(60); 상기 내측관(32)으로 공기를 주입하는 공기 주입부(70); 상기 외측관(34)으로부터 매립가스를 포집하여 배출하는 매립가스 배출부(80); 및 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 바이오리액터 운전 정보에 따라, 상기 수분 주입부(60), 공기 주입부(70) 및 매립가스 배출부(80)를 제어하는 운전 제어부(90)를 포함하는 혐기형 및 호기형 바이오리액터를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 바이오리액터의 운전 방법에 있어서, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 운전 정보에 따라, 바이오리액터를 혐기성 또는 호기성 조건으로 운전하며, 상기 혐기성 조건으로 운전하는 경우에는, 상기 수분 주입부(60) 및 내측관(32)을 통하여, 폐기물 매립지에서 발생하는 침출수를 매립지로 재순환시키고, 상기 외측관(34)에서 매립가스를 포집하며 에너지화하며, 상기 호기성 조건으로 운전하는 경우에는, 상기 침출수의 재순환을 중지하고, 상기 공기 주입부(70) 및 내측관(32)을 통하여 공기를 매립지로 주입하고, 상기 외측관(34)에서 매립가스를 포집하여 탈취 후 대기 방출하거나, 상기 공기 주입부(70)를 통하여 매립지로 재순환시키는 것인, 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 운전 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터는, 폐기물 매립지 내의 유기물을 혐기적으로 분해시키는 과정과 호기적으로 분해시키는 과정을 효율적으로 전환시킬 수 있을 뿐 만 아니라, 플랜지, 롤러 등의 설치 필요성이 적고, 유지 및 보수가 용이하다.
도 1은 통상적인 바이오리액터 매립지의 구조를 보여주는 도면.
도 2는 통상적인 수평형 폐수 주입 및 매립가스 포집 시스템의 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 구성을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 바이오리액터에 사용될 수 있는 수분 주입 및 매립가스 포집관의 상세 구조를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 바이오리액터에 사용될 수 있는 수분 주입 및 매립가스 포집관의 유지 보수 과정을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 바이오리액터를 호기적 및 혐기적 분해 과정으로 복합 운전하는 경우, 수분 주입 및 매립가스 포집관을 교차 운전시키는 과정을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 바이오리액터에 있어서, 혐기형 및 호기형 전환 운전 방식을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터에 있어서, 매립지 전 영역의 수분 함량을 검출하는 방식의 일예를 보여주는 도면.
도 2는 통상적인 수평형 폐수 주입 및 매립가스 포집 시스템의 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 구성을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 바이오리액터에 사용될 수 있는 수분 주입 및 매립가스 포집관의 상세 구조를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 바이오리액터에 사용될 수 있는 수분 주입 및 매립가스 포집관의 유지 보수 과정을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 바이오리액터를 호기적 및 혐기적 분해 과정으로 복합 운전하는 경우, 수분 주입 및 매립가스 포집관을 교차 운전시키는 과정을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 바이오리액터에 있어서, 혐기형 및 호기형 전환 운전 방식을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터에 있어서, 매립지 전 영역의 수분 함량을 검출하는 방식의 일예를 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 구성을 보여주는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오리액터는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30), 수분 주입부(60), 공기 주입부(70), 매립가스 배출부(80) 및 운전 제어부(90)를 포함한다.
상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)은, 도 2에 도시된 종래의 폐수 주입 및 매립가스 포집관과 유사하게, 매립지에 수평하게 설치되며, 내측관과 외측관으로 이루어지는 이중관의 구조를 가지지만(특허공개 10-2010-0022947호 참조), 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 양쪽 말단 모두가 폐기물층 외부로 노출된다. 도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 상세 구조를 보여주는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)은 매립지에 수평으로 설치되며, 침출수, 폐수 등의 수분 또는 공기를 폐기물층으로 분산시켜 공급하는 내측관(32)과, 상기 내측관(32)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(34)으로 이루어지는 이중관의 구조를 가진다. 상기 내측관(32)의 측면에는 다수의 노즐이 일정 간격 또는 균일하게 설치되어, 수분 또는 공기를 고르게 이송 및 분산하여 배출하며, 상기 내측관(32) 측면에서 배출된 수분 또는 공기는 유공형 외측관(34)을 통해 매립지로 균일하게 공급된다. 상기 외측관(34)은 매립가스를 포집하는 기능과, 내측관(32) 측면에서 배출된 수분 또는 공기를 매립층으로 균일하게 통과시키는 역할을 한다.
상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 양 말단을 제외한 나머지 부분은 매립지에 수평으로 매설되어, 수분이나 공기를 매립지로 공급하며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집한다. 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 양 말단은 매립지 외부로 노출되며, 예를 들면, 매립지 상부로 노출되거나(도 4의 좌측 말단), 매립지를 굴착하여 형성된 관리용 맨홀(19)로 노출되도록 설치된다(도 4의 우측 말단). 상기 관리용 맨홀(19)의 상부에는 개폐식 맨홀 뚜껑(19a)이 설치될 수 있다. 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 한쪽 말단(좌측 말단)으로는 수분 주입부(60)로부터 수분이 공급되거나, 공기 주입부(70)로부터 공기가 주입되며, 다른 한쪽 말단(우측 말단)으로는 매립가스 배출부(80)를 통해 매립가스가 배출된다. 이와 같이, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 양 말단을 외부로 노출시키고, 수분 또는 공기가 주입되는 말단과 매립가스가 배출되는 말단을 반대로 위치시킴으로써, 수분 또는 공기의 주입과 매립가스의 배출이 보다 원활히 이루어지고, 또한 수분 및 공기가 매립가스와 함께 배출되는 것을 억제할 수 있다. 만일, 도 2에 도시된 바와 같이, 수분 또는 공기 주입부와 매립가스 배출부가 동일한 말단에 위치하면, 배출되는 매립가스와 공급되는 수분 및 공기가 혼합되거나, 유지 관리가 어려운 단점이 있다.
상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 내측관(32) 양단에는 내측관(32)으로 공급되는 수분 또는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(42)가 각각 설치되어, 내측관(32)의 도입부와 말단부의 압력 차이를 모니터링함으로써, 내측관(32)의 막힘 등, 내측관(32)의 상태 및 유지 보수 정보를 얻을 수 있다. 또한, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 매립가스가 배출되는 말단에는, 배출되는 매립가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(44), 매립가스의 성분 및 수분 함량을 측정하기 위한 성분 및 수분 측정기(46), 매립가스 포집량을 측정하는 유량계 등이 설치된다.
도 5는 본 발명에 사용되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 유지 보수 과정을 보여주는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 내측관(32)의 말단에는 케이블(36)이 연결되고, 상기 내측관(32)의 다른 말단을 당겨 외측관(34)으로부터 내측관(32)을 인발한 후, 내측관(32)을 보수한 후, 상기 내측관(32)의 말단에 연결된 케이블(36)을 반대 방향으로 당겨, 내측관(32)을 외측관(34)에 다시 삽입하도록 되어 있다. 구체적으로, 상기 내측관(32)의 점검 또는 유지 보수를 위하여, 외측관(34)으로부터 내측관(32)을 인발하는 경우, 관리용 맨홀(19)로 노출된 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 외측관(34) 말단을 분해한 후, 내측관(32)의 말단에 케이블(36)을 연결하고, 반대쪽에서, 모터(M) 등을 이용하여, 내측관(32)의 다른 말단을 당겨 인발한 후, 내측관(32)을 점검 또는 보수할 수 있다. 그 후, 다시 내측관(32)을 외측관(34)에 삽입할 경우에는, 반대쪽의 모터(M) 등을 이용하여, 내측관(32)의 말단에 연결된 케이블(36)을 반대 방향으로 당겨, 내측관(32)을 외측관(34)에 삽입할 수 있다. 따라서, 본 발명의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 있어서는, 외측관(34) 내에서 내측관(32)을 이동시키기 위한 플랜지 및 롤러(104, flange and roller, 도 2 참조)를 설치가 필요가 없거나, 설치 개수를 감소시킬 수 있고, 보다 용이하게 내측관(32)을 인발 및 삽입할 수 있다. 또한, 상기 케이블(36)을 외측관(34) 내부 관찰용 카메라 유도선으로 사용할 수도 있다. 이와 같이 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)은 양 말단이 모두 외부로 노출되어 있으므로, 유지 보수가 용이한 장점이 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 상기 수분 주입부(60)는 수평형 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 내측관(32)으로 침출수, 폐수 등의 수분을 공급하는 역할을 하며, 매립지의 수분 분포 특성, 매립가스 발생량 등의 상태에 따라, 각각의 수분 주입 지점, 즉, 각각의 수평형 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)으로 공급되는 수분의 주입량을 개별적으로 조절할 수 있다. 폐기물 매립지로 수분이 공급되면, 매립지 유기물의 혐기적 분해(소화)가 촉진되어, 매립지가 안정화되며, 동시에 매립가스 발생량이 증가된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 폐기물 매립지 하부에는 침출수 배수층(16)이 설치되며, 상기 침출수 배수층(16)에는 침출수를 매립지 외부로 배출하기 위한 유공 침출수 배수관(18)이 설치될 수 있다. 상기 침출수 배수관(18)에 의해 배출된 침출수는 저류조(62)에 저장되고, 생물학적 처리조(64)에서 탈질 및 질산화 처리된 후, 수분 주입부(60)를 거쳐 폐기물 매립지로 재순환되거나, 화학적 처리조(66)를 거쳐 매립가스 발전시설 등의 냉각용수, 조경 용수, 비산먼지 억제용 살수, 기타 재이용수 등으로 재이용될 수 있다. 매립 후 시간이 경과하면, 매립지에서 유기질소가 암모니아성 질소로 전환되어, 암모니아성 질소 농도가 높아지는 경향이 있다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 탈질 및 질산화의 생물학적 처리 공정을 통하여 질소가 일정 부분 제거된 처리수를 매립지로 재순환시킴으로써, 매립지에 암모니아성 질소가 축적되어, 혐기성 분해(소화)가 저해되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이 과정에서, 용존 산소가 매립지로 유입되어, 혐기성 분해가 저해되는 것을 방지하기 위하여, 생물학적 처리 후, 별도로 용존 산소를 제거하는 탈기 과정을 수행하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 매립지에서 발생되는 침출수를 생물학적 및 화학적 처리하여 재이용하거나, 재이용이 곤란한 폐수 또는 재이용 후 남은 잔류수를 매립지 내로 재순환시킬 수 있다.
상기 공기 주입부(70)는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 내측관(32)으로 공기, 즉 산소를 주입하여, 폐기물 매립지의 호기성 분해(소화)를 유도하는 역할을 하며, 매립지의 수분 분포 특성, 매립가스 발생량 등의 상태에 따라, 각각의 공기 주입 지점, 즉, 각각의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)으로 공급되는 공기의 주입량을 개별적으로 조절할 수 있다. 즉, 폐기물 매립지의 매립가스 발생량이 감소되어, 혐기성 분해의 필요성이 적은 경우, 상기 공기 주입부(70)를 통해 매립지로 공기를 공급하여, 매립지의 유기물을 호기적으로 분해(소화)시켜, 매립지 분해를 더욱 촉진시킴으로써, 매립지의 사후 관리를 조기에 종료하거나, 매립된 폐기물을 재굴착하여 순환 사용할 수 있다.
상기 매립가스 배출부(80)는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 외측관(34)으로부터 매립가스를 포집하여, 연료로 사용하거나, 자연 방출하거나, 매립지로 재순환시킨다. 구체적으로, 바이오리액터가 혐기형 조건으로 운전될 경우, 포집된 매립가스는 다량의 메탄 성분을 포함하므로 에너지원으로 사용되고, 바이오리액터가 호기형 조건으로 운전될 경우에는, 포집된 매립가스는 산소 성분을 포함하므로, 탈취 후 대기 방출되거나, 상기 공기 주입부(70)에서 공급되는 공기와 혼합되어, 매립지로 재공급될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오리액터에 있어서, 상기 운전 제어부(90)는 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 매립지의 수분 및 공기 공급 상태, 매립가스 온도, 매립가스의 성분 및 수분 함량 등의 바이오리액터 운전 정보에 따라, 바이오리액터 운전 조건을 결정하고, 상기 수분 주입부(60), 공기 주입부(70) 및 매립가스 배출부(80)를 제어한다. 또한, 상기 운전 제어부(90)는 수분 및 공기 공급 상태에 따라 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 유지 보수 여부를 결정할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 바이오리액터를 호기적 및 혐기적 분해 과정으로 복합 운전하는 경우, 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)을 교차 운전시키는 과정을 보여주는 도면이다. 호기적 및 혐기적 복합 운전에는, 도 6의 A에 도시된 바와 같이, 홀수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30a)에는 수분을 공급하고, 매립가스를 포집하며, 짝수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30b)에는 공기를 공급하고, 매립가스를 포집하지 않는다. 그 후, 소정 시간 경과 후, 도 6의 B에 도시된 바와 같이, 짝수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30b)에는 수분을 공급하고, 매립가스를 포집하며, 홀수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30a)에는 공기를 공급하고, 매립가스를 포집하지 않는다. 이와 같이, 상기 운전 제어부(90)는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 내측관(32)으로 수분 또는 공기를 교차 공급시켜, 매립지 내의 유기물을 혐기적으로 분해시키는 과정과 호기적으로 분해시키는 과정을 복합 또는 전환할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 바이오리액터에 있어서, 혐기형 및 호기형 교차 운전 방식을 보여주는 도면이다. 먼저, 도 7의 A에 도시된 바와 같이, 폐기물 매립지를 건설하기 위하여, 폐기물을 매립하는 동안에는, 수분 주입부(60) 및 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 내측관(32)을 통하여, 폐기물 매립지에서 발생하는 침출수를 매립지로 재순환시켜, 침출수 무방류 시스템으로 혐기성 바이오리액터를 운영하되, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 외측관(34)으로 매립가스를 포집하고, 매립가스 배출부(80)를 통해 포집된 매립가스를 별도의 에너지화 시설 등으로 배출하여, 매립가스가 매립지 외부로 발산하는 것을 최소화한다. 만일, 추운 지역 등에서, 폐기물 매립지의 온도가 낮아, 혐기성 분해가 잘 이루어지지 않는 경우에는, 폐기물 매립지에 공기를 주입하여, 호기성 분해로 인한 발생열을 이용하여, 혐기성 분해가 잘 이루어지는 적정 온도까지 폐기물 매립지를 예열할 수도 있다. 또한, 매립이 종료되어 최종 복토가 시행된 후에도, 매립층의 건조화를 방지하기 위하여, 침출수를 매립층으로 재순환시키고, 매립가스 발생량을 증가시키는 혐기성 바이오리액터로 운영하여, 매립지의 조기 안정화를 도모한다.
다음으로, 혐기성 분해가 어느 정도 진행되어, 매립가스의 생산 경제성이 낮아지면, 도 7의 B 및 도 6에 도시된 바와 같이, 혐기성 분해와 호기성 분해가 모두 이루어지도록 복합 운전(혐기 및 호기 전환형 운전)을 수행한다. 구체적으로, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 일부, 예를 들면, 홀수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30a)에는 공기 주입부(70)를 통하여 공기를 공급하고, 매립가스를 포집하지 않으며, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30a)의 나머지, 예를 들면, 짝수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30b)에는 수분 주입부(60)를 통하여 수분을 공급하고, 매립가스를 포집함으로서, 혐기성 분해와 호기성 분해가 모두 이루어지도록 한다. 이 과정에서 포집된 매립가스는 탈취 후 대기 방출된다.
끝으로, 혐기성 분해의 필요성이 없어지면, 도 7의 C에 도시된 바와 같이, 침출수 등의 수분의 재순환을 중지하고, 상기 공기 주입부(70) 및 내측관(32)을 통하여 공기를 매립지로 주입하여, 호기성 조건으로 바이오리액터로 운영함으로써, 매립지의 조기 안정화를 더욱 촉진시키고, 매립지의 악취유발원인 유기물질을 산화시켜, 굴착 중 악취 영향을 최소화한다. 이때, 공기가 주입되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)으로부터 포집된 매립가스는 탈취 후 대기 방출되거나, 상기 공기 주입부(70)를 통하여 매립지로 재순환된다. 한편, 공기가 주입되지 않는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에서도, 매립가스를 포집할 수 있으며, 이와 같이 포집된 매립가스는 탈취 후 대기 방출되거나, 상기 공기 주입부(70)를 통하여 매립지로 재순환된다. 이러한 과정을 통해, 매립지가 안정화되면, 매립된 폐기물을 굴착하여 제거함으로써, 새로운 매립장 부지로 활용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터는, 폐기물 매립지의 수분 함량 및 매립지에서 발생하는 매립가스 및 침출수의 상태에 따라, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 운전 조건을 조절할 수 있다. 도 8은 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터에 있어서, 매립지 전 영역의 수분 함량을 검출하는 방식의 일예를 보여주는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 매립지 상부에 일정 간격의 격자 형태로 고정형 매립식 전기비저항 모니터링 와이어(52, wire)를 설치하여, 매립지 수평 방향의 전기비저항 데이터를 측정하고, 상기 전기비저항 모니터링 와이어(52)의 설치 선상에 수직 방향으로 2개 이상의 수분 함량 및 온도 센서(54)를 설치하여, 해당 위치의 수분 함량과 온도를 측정한다. 상기 수분 함량 및 온도 센서(54)에서 측정된 수분 함량 및 온도와 해당 위치의 전기비저항 값으로부터, 전기비저항 값과 수분 함량의 관계를 얻은 다음, 얻어진 관계와 상기 전기비저항 모니터링 와이어(52)로 얻은 수평 방향의 전기비저항 데이터로부터, 매립지 전체 영역의 수분 함량 측정값을 얻을 수 있다.
이와 같이 얻은 매립지 전체 영역의 수분 함량 측정값은, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 매립지의 수분 및 공기 공급 상태, 매립가스 온도, 매립가스의 성분 및 수분 함량 데이터와 함께, 운전 제어부(90)로 전송되고, 운전 제어부(90)는 각각의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 수분 주입량, 공기 주입량, 매립가스 배출량을 조절하여, 호기형 및/또는 혐기형 운전을 수행한다. 예를 들어, 혐기형 운전 시에는, 매립지로 공급되는 수분 주입량 및 매립가스 포집량을 조절한다. 한편, 호기형 운전 시에는, 블록별 2개 이상 설치된 수분 주입 및 매립가스 포집관(30) 중, 하나의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에는 수분을 주입하고 매립가스를 포집하며, 다른 하나의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에는 매립가스의 포집 없이 공기 만을 주입하며 운전하고, 일정 시간 경과 후, 교번하여 운전함으로써, 수분과 공기를 교차 주입하는 방식으로, 공기 주입량, 매립가스 포집량, 침출수 재순환량 및 외부 공기 유입량 등을 조절할 수 있다. 또한, 호기형 운전 시에는, 포집된 매립가스의 대부분을 매립지 내로 재순환하고, 공기의 유입량을 제어하여, 매립지에 공급되는 공기의 산소 농도를 조절함으로써, 호기형 운전으로의 전환 속도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터는 다수의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)을 각각 제어할 수 있으므로, 각각의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 대하여, ① 수분 주입, ② 휴지, ③ 수분 주입, ④ 점검의 형태로, 주입 기간, 휴지 기간, 점검 기간을 순차적으로 배치함으로써, 바이오리액터의 장기 운영 시, 침출수의 재순환량 과다로 인해, 사면부위 슬라이딩이나 급작스런 시설 이상 등을 예방할 수 있다.
다음으로, 도 3 내지 8을 참조하여, 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 운전 방법을 설명한다. 먼저, 운전 제어부(90)는 매립지 내부에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44), 수분 센서(46, 52, 54), 유량계 등을 통해 매립지의 각 위치에 따른 온도 및 수분 함량, 수분의 공급량, 침출수의 수위 및 성상, 매립가스의 성상 등을 측정하고, 매립 경과기간에 따라, 매립지의 혐기형 및 호기형 운전 조건을 결정한다. 다음으로, 운전 제어부(90)는 수분 주입부(60) 및 공기 주입부(70)를 제어하여, 폐기물 매립지의 영역별로 수분 및 공기 주입량을 제어한다. 구체적으로, 혐기형 운전의 경우, 수분 주입부(60)는 생물학적 처리 후, 매립지로 재순환되는(주입되는) 침출수의 수량과 화학적 처리 후, 재이용되는 침출수의 재이용량을 조절하여, 매립지 내부의 수분 함량을 제어하고, 매립가스 배출부(80)는 매립가스 포집량을 제어한다. 호기형 운전의 경우, 수분 주입부(60) 및 공기 주입부(70)는, 블록별로 2개 이상 설치된 수분 주입 및 매립가스 포집관(30) 중, 일부 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)으로 수분을 주입하고 매립가스를 포집하며, 다른 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에서는 매립가스의 포집없이 공기 만을 주입하며, 공기 주입량 및 매립가스 포집량을 제어하며, 일정시간 경과 후 교번하여 운전함으로써, 수분 주입과 공기 주입의 교차운전을 수행한다. 또한 운전 제어부(90)는 매립가스 배출부(80)를 제어하여, 혐기형 조건에서는 포집된 매립가스를 매립가스 발전시설 등 재이용시설로 이송하며, 호기형 조건에서는, 공기 주입부(70)를 이용하여 포집된 매립가스의 일부를 매립지로 재순환시키며, 이때 매립지로 공급되는 공기의 산소 농도를 제어하여, 혐기형으로부터 호기형으로의 전환속도를 조절할 수 있다.
이와 같이, 혐기형 및 호기형 조건에서, 매립지로 재순환되는 침출수의 수량과 침출수의 재이용량을 조절하여, 침출수의 외부 유출이 발생하지 않는 침출수 무방류 시스템을 구현할 수 있고, 또한, 매립지로 공급되는 산소 농도를 제어하여, 호기성 전환 속도를 제어하고, 매립지의 안정화 기간을 단축할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 매립가스를 최대한 활용할 수 있고, 호기형 및 혐기형 바이오리액터를 하이브리드 형태로 운영하여, 순환형 매립지를 효율적으로 조성할 수 있을 뿐만 아니라, 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 유지 보수가 용이한 장점이 있다.
Claims (6)
- 폐기물 매립지에 수평으로 설치되며, (a) 수분 또는 공기를 폐기물층으로 분산시켜 공급하는 내측관(32)과, 상기 내측관(32)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(34)으로 이루어지며, (b) 양 말단은 매립지 외부로 노출되고, 한쪽 말단을 통하여, 상기 내측관(32)으로 수분 또는 공기가 공급되고, 다른 한쪽의 말단을 통하여, 상기 외측관(34)에 포집된 매립가스가 배출되며, (c) 상기 내측관(32) 양단에는 내측관(32)으로 공급되는 수분 또는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(42)가 각각 설치되고, 상기 매립가스가 배출되는 말단에는, 배출되는 매립가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(44), 매립가스의 성분 및 수분 함량을 측정하기 위한 성분 및 수분 측정기(46)가 설치되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30);
상기 내측관(32)으로 수분을 공급하는 수분 주입부(60);
상기 내측관(32)으로 공기를 주입하는 공기 주입부(70);
상기 외측관(34)으로부터 매립가스를 포집하여 배출하는 매립가스 배출부(80); 및
상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 바이오리액터 운전 정보에 따라, 상기 수분 주입부(60), 공기 주입부(70) 및 매립가스 배출부(80)를 제어하는 운전 제어부(90)를 포함하며,
상기 내측관(32)의 말단에는 케이블(36)이 연결되고, 상기 내측관(32)의 다른 말단을 당겨 외측관(34)으로부터 내측관(32)을 인발한 후, 내측관(32)을 보수한 후, 상기 내측관(32)의 말단에 연결된 케이블(36)을 반대 방향으로 당겨, 내측관(32)을 외측관(34)에 다시 삽입하도록 되어 있는 것인, 혐기형 및 호기형 바이오리액터. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 폐기물 매립지 하부에는 침출수 배수층(16)이 설치되며, 상기 침출수 배수층(16)에서 배출된 침출수는 생물학적 처리조(64)에서 탈질 및 질산화 처리된 후, 용존 산소를 제거하는 탈기 과정을 거쳐, 상기 수분 주입부(60)를 통해 폐기물 매립지로 재순환되는 것인, 혐기형 및 호기형 바이오리액터.
- 제1항에 있어서, 상기 폐기물 매립지 상부에 일정 간격의 격자 형태로 설치되어, 매립지 수평 방향의 전기비저항 데이터를 측정하는 고정형 매립식 전기비저항 모니터링 와이어(52); 및
상기 전기비저항 모니터링 와이어(52)의 설치 선상에 수직 방향으로 2개 이상의 설치되어, 수분 함량과 온도를 측정하는 수분 함량 및 온도 센서(54)를 더욱 포함하며,
상기 수분 함량 및 온도 센서(54)에서 측정된 수분 함량 및 온도와 해당 위치의 전기비저항 값으로부터, 전기비저항 값과 수분 함량의 관계를 얻고, 얻어진 관계와 상기 전기비저항 모니터링 와이어(52)로 얻은 수평 방향의 전기비저항 데이터로부터, 매립지 전체 영역의 수분 함량 측정값이 얻어지며, 얻어진 매립지 전체 영역의 수분 함량 측정값에 따라, 상기 운전 제어부(90)가 호기형 또는 혐기형 운전을 수행하는 것인, 혐기형 및 호기형 바이오리액터. - 폐기물 매립지에 수평으로 설치되며, (a) 수분 또는 공기를 폐기물층으로 분산시켜 공급하는 내측관(32)과, 상기 내측관(32)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(34)으로 이루어지며, (b) 양 말단은 매립지 외부로 노출되고, 한쪽 말단을 통하여, 상기 내측관(32)으로 수분 또는 공기가 공급되고, 다른 한쪽의 말단을 통하여, 상기 외측관(34)에 포집된 매립가스가 배출되며, (c) 상기 내측관(32) 양단에는 내측관(32)으로 공급되는 수분 또는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(42)가 각각 설치되고, 상기 매립가스가 배출되는 말단에는, 배출되는 매립가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(44), 매립가스의 성분 및 수분 함량을 측정하기 위한 성분 및 수분 측정기(46)가 설치되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30); 상기 내측관(32)으로 수분을 공급하는 수분 주입부(60); 상기 내측관(32)으로 공기를 주입하는 공기 주입부(70); 및 상기 외측관(34)으로부터 매립가스를 포집하여 배출하는 매립가스 배출부(80)를 포함하는 바이오리액터의 운전 방법에 있어서,
상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 운전 정보에 따라, 바이오리액터를 혐기성 또는 호기성 조건으로 운전하며,
상기 혐기성 조건으로 운전하는 경우에는, 상기 수분 주입부(60) 및 내측관(32)을 통하여, 폐기물 매립지에서 발생하는 침출수를 매립지로 재순환시키고, 상기 외측관(34)에서 매립가스를 포집하며 에너지화하며,
상기 호기성 조건으로 운전하는 경우에는, 상기 침출수의 재순환을 중지하고, 상기 공기 주입부(70) 및 내측관(32)을 통하여 공기를 매립지로 주입하고, 상기 외측관(34)에서 매립가스를 포집하여 탈취 후 대기 방출하거나, 상기 공기 주입부(70)를 통하여 매립지로 재순환시키며,
상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 일부에는 공기 주입부(70)를 통하여 공기를 공급하고, 매립가스를 포집하지 않으며, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 나머지에는 상기 수분 주입부(60)를 통하여 수분을 공급하고, 매립가스를 포집함으로서, 혐기성 분해와 호기성 분해가 모두 이루어지도록 하는 것인, 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 운전 방법. - 삭제
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