KR101712166B1 - 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치 및 방법 - Google Patents

유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치는, 제1 열교환기(20), 증발농축기(30), 제2 열교환기(40), 벤츄리관(60)을 포함하며, 상기 제1 열교환기(20)는 유입되는 슬러지액을 상기 증발농축기(30)로부터 공급되는 증기를 이용하여 예열하여 상기 증발농축기(30)로 공급하고, 상기 증발농축기(30)는 상기 제1 열교환기(20)로부터 공급되는 예열된 슬러지액과 상기 제2 열교환기(40)에서 가열되어 상기 벤츄리관(60)을 통과한 슬러지액을 증발농축시켜, 농축된 슬러지액의 일부는 상기 제2 열교환기(40)로 공급하고 나머지 일부는 혐기성 소화조로 배출하며, 증발농축 과정에서 발생한 증기를 상기 제1 열교환기(20)로 공급하고, 상기 제2 열교환기(40)는 상기 증발농축기(30)로부터 공급되는 상기 농축된 슬러지액의 일부를 보일러(50)로부터 공급되는 증기를 이용하여 가열하여 상기 벤츄리관(60)으로 공급하고, 상기 벤츄리관(60)은 상기 제2 열교환기(40)로부터 공급되는 가열된 슬러지액을 캐비테이션 처리하여 상기 증발농축기(30)로 공급하고, 상기 증발농축기(30)로부터의 농축된 슬러지액의 일부를 상기 제2 열교환기(40)로 공급하기 위한 순환펌프(70) 및 상기 농축된 슬러지액의 나머지 일부를 상기 혐기성 소화조로 배출하기 위한 슬러지 배출펌프(75)를 더 포함하고, 상기 제1 열교환기(20)의 예열된 슬러지액 출구(22)는 상기 증발농축기(30)의 예열된 슬러지액 입구(31)와 연결되고, 상기 증발농축기(30)의 증기 출구(34)는 제1 증기 이송관(35)을 통하여 상기 제1 열교환기(20)의 증기 입구(23)와 연결되고, 상기 증발농축기(30)의 농축된 슬러지액 출구(33)는 상기 순환펌프(70)를 통하여 상기 제2 열교환기(40)의 농축된 슬러지액 입구(41)와 연결되고, 상기 증발농축기(30)의 농축된 슬러지액 출구(33)는 상기 슬러지 배출펌프(75)를 통하여 상기 혐기성 소화조와 연결되고, 상기 제2 열교환기(40)의 가열된 슬러지액 출구(42)는 상기 벤츄리관(60)의 가열된 슬러지액 입구(61)와 연결되고, 상기 벤츄리관(60)의 캐비테이션 처리된 슬러지액 출구(62)는 상기 증발농축기(30)의 가열되어 캐비테이션 처리된 슬러지액 입구(32)와 연결되며, 상기 벤츄리관(60)을 통하여 물리적 가용화가 수행되고, 상기 증발농축기(30)로부터의 농축된 슬러지액은 상기 순환펌프(70)를 통과하면서 상기 순환펌프(70)에 구비되는 임펠러에 의하여 캐비테이션 처리가 일어나 물리적 가용화가 수행되며, 상기 제2 열교환기(40)를 통하여 열적 가용화가 수행되고, 상기 벤츄리관(60)은 일정 단면적을 가지는 유입부(64) 및 상기 유입부(64)보다 단면적이 감소하였다가 단면적이 점차 커지는 유출부(65)를 포함하고, 상기 증발농축기(30)의 상기 증기 출구(34)는 제2 증기 이송관(67)을 통하여 상기 벤츄리관(60)의 상기 유입부(64)의 증기 입구(66)와 연결되어, 상기 증발농축기(30)의 증발농축 과정에서 발생한 증기의 일부가 상기 제2 증기 이송관(67)을 통해 상기 벤츄리관(60)의 상기 유입부(64)로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치 및 방법{Apparatus and method for organic waste solubilization and reduction}
본 발명은 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캐비테이션 가용화와 열적 가용화를 동시에 수행하면서 슬러지의 농축 처리를 수행할 수 있는 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치 및 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 유기성 폐기물 등을 포함하는 슬러지의 경우 발생량이 지속적으로 증가하고 있으며 이의 처리가 큰 환경문제로 대두되고 있는데, 대표적인 처리방법인 매립과 해양투기는 각종 규제를 통해 차단되고 있는 실정이다.
이에 따라 소각과 열분해 및 기타 재활용 방법도 있지만, 각각의 방법을 적용하기 위한 적정함수율이 존재하여 고에너지를 소비하는 건조과정이 전처리 기술로 꼭 필요하다. 따라서 친환경적이면서 대규모처리가 가능한 새로운 처리방법의 개발이 시급한 실정이다.
혐기성 소화 공정은 슬러지의 안정화를 위한 공정으로 산소가 존재하지 않는 상태에서 혐기성 미생물에 의해 유기물질이 분해되면서 메탄가스를 생성시켜 에너지의 회수가 가능하며, 슬러지의 탈수효율을 향상시켜 최종 슬러지의 발생량을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 유용한 혐기성 소화공정은 장시간을 요하는 소화 공법으로 20일 이상의 체류시간이 소요되는 바, 반응조의 용량이 커야 하며, 혐기성 소화의 효율이 약 30% 내외에 불과하고, 운전조건이 호기성 조건의 미생물 공정보다 까다롭다는 문제점을 가지고 있다.
이에 따라 혐기성 소화공정의 효율 증대와 최종 배출슬러지의 감량을 동시에 달성하기 위해서는 전처리 과정이 필요하다.
혐기성 소화공정은 고형상의 유기물을 액상화(가용화)하는 가수분해 단계와 미생물이 액상화된 유기물을 이용하여 메탄을 생산하는 단계로 구분된다. 전체 혐기성 소화공정의 율속단계는 고형상의 유기물을 액상화하는 반응으로 알려져 있다.
따라서 여러 가지 전처리 방법으로 세포벽을 파괴하여 가용한 유기물을 방출시켜 인위적으로 가수분해 단계를 축소시켜 전체 반응시간을 줄이고 소화효율을 극대화하는 방법의 연구가 활발히 진행되어지고 있다.
이러한 전처리 방법에 있어 초음파에 의한 슬러지 가용화 방법은 슬러지를 초음파와 알카리 처리를 하는 방법으로 가용화시킨 후 생물학적 반응조로 보내 탄산가스와 물로 분해하는 원리로서, 슬러지의 파괴 에너지를 초음파에서 얻기 때문에, 다른 종류의 기술에 비하여 설비가 간단하고, 초기투자비가 저렴한 장점은 있으나, 장치를 대형화시키는데 한계가 있고, 초음파 차체로는 비교적 낮은 가용화율과 알카리를 넣었을 때 높은 처리비용 및 pH를 다시 조절해야 하는 등의 단점이 지적되고 있다.
그리고 가압파쇄시스템에 의한 슬러지 가용화 방법은 슬러지에 포함되는 미분화된 유기물을 인출한 후 압력을 가하여 파쇄(가용화)하고, 이것을 원래의 처리조에 반송하여 재차 분해 처리하는 것으로, 종래의 처리 방법으로 분해할 수 없었던 잉여 슬러지까지도 분해하는 방법이며, 특수한 미생물이나 약제, 오존 발생기 등이 필요 없고, 시스템이 컴팩트하여 현장의 설비작업이 용이하지만 단일 공정으로는 낮은 가용화율이 문제가 되고 있다.
또한 오존에 의한 슬러지 가용화 방법은 최종 침전지로부터 인출된 잉여 슬러지를 오존처리 설비로 오존과 접촉시킨 후 포기조로 순환 반송하여 미생물에 의하여 계속 분해되도록 함으로써 슬러지를 가용화하는 원리로 잉여 슬러지를 오존의 강력한 산화작용에 의하여 미생물이 먹기 쉬운 형태, 이른바 생물 분해 가능한 유기물로 변화시키는 것이다.
그리고 가용화 미생물을 이용한 슬러지 가용화 방법은 호열균으로 활성화되어 있는 반응조에 최종침전지에서 인출된 잉여슬러지를 보내 처리한 후에 다시 생물학적 처리 반응조로 순환 반송하여 유기물을 분해한 후 슬러지의 탈수 등으로 감량화 하는 방법으로 호열균 처리된 잉여 슬러지는 폐수처리 반응조에서 미생물에 의해 탄산가스, 물로 분해되고 소멸화되어 용적이 축소되는 특징이 있다.
이처럼 다양한 방법의 슬러지 가용화 기술들이 개발되어 사용화 되고 있으나, 현재 가장 효과적인 방법으로 분류되고 있는 기술중 하나가 열가수분해(Thermal hydrolysis) 방식이며, 이러한 열가수분해 방식은 고온 및 고압의 반응에서 슬러지를 가수분해시키는 방법으로 가수분해 과정에서 유기물의 일부는 산화되어 저감되고, 단백질, 지방, 셀룰로오스 등의 유기화합물은 소화되기 용이한 단순한 물질로 분해된다. 그러나 열가수분해 방식의 경우 높고, 안정된 가용화 효율 및 슬러지의 탈수성 향상 등 많은 장점에도 불구하고 장치가 고가이며, 에너지 손실이 많은 것이 단점으로 지적되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 캐비테이션 가용화와 열적 가용화를 동시에 수행하면서 슬러지의 농축 처리를 수행할 수 있는 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치는, 제1 열교환기(20), 증발농축기(30), 제2 열교환기(40), 벤츄리관(60)을 포함하며, 상기 제1 열교환기(20)는 유입되는 슬러지액을 상기 증발농축기(30)로부터 공급되는 증기를 이용하여 예열하여 상기 증발농축기(30)로 공급하고, 상기 증발농축기(30)는 상기 제1 열교환기(20)로부터 공급되는 예열된 슬러지액과 상기 제2 열교환기(40)에서 가열되어 상기 벤츄리관(60)을 통과한 슬러지액을 증발농축시켜, 농축된 슬러지액의 일부는 상기 제2 열교환기(40)로 공급하고 나머지 일부는 혐기성 소화조로 배출하며, 증발농축 과정에서 발생한 증기를 상기 제1 열교환기(20)로 공급하고, 상기 제2 열교환기(40)는 상기 증발농축기(30)로부터 공급되는 상기 농축된 슬러지액의 일부를 보일러(50)로부터 공급되는 증기를 이용하여 가열하여 상기 벤츄리관(60)으로 공급하고, 상기 벤츄리관(60)은 상기 제2 열교환기(40)로부터 공급되는 가열된 슬러지액을 캐비테이션 처리하여 상기 증발농축기(30)로 공급하고, 상기 증발농축기(30)로부터의 농축된 슬러지액의 일부를 상기 제2 열교환기(40)로 공급하기 위한 순환펌프(70) 및 상기 농축된 슬러지액의 나머지 일부를 상기 혐기성 소화조로 배출하기 위한 슬러지 배출펌프(75)를 더 포함하고, 상기 제1 열교환기(20)의 예열된 슬러지액 출구(22)는 상기 증발농축기(30)의 예열된 슬러지액 입구(31)와 연결되고, 상기 증발농축기(30)의 증기 출구(34)는 제1 증기 이송관(35)을 통하여 상기 제1 열교환기(20)의 증기 입구(23)와 연결되고, 상기 증발농축기(30)의 농축된 슬러지액 출구(33)는 상기 순환펌프(70)를 통하여 상기 제2 열교환기(40)의 농축된 슬러지액 입구(41)와 연결되고, 상기 증발농축기(30)의 농축된 슬러지액 출구(33)는 상기 슬러지 배출펌프(75)를 통하여 상기 혐기성 소화조와 연결되고, 상기 제2 열교환기(40)의 가열된 슬러지액 출구(42)는 상기 벤츄리관(60)의 가열된 슬러지액 입구(61)와 연결되고, 상기 벤츄리관(60)의 캐비테이션 처리된 슬러지액 출구(62)는 상기 증발농축기(30)의 가열되어 캐비테이션 처리된 슬러지액 입구(32)와 연결되며, 상기 벤츄리관(60)을 통하여 물리적 가용화가 수행되고, 상기 증발농축기(30)로부터의 농축된 슬러지액은 상기 순환펌프(70)를 통과하면서 상기 순환펌프(70)에 구비되는 임펠러에 의하여 캐비테이션 처리가 일어나 물리적 가용화가 수행되며, 상기 제2 열교환기(40)를 통하여 열적 가용화가 수행되고, 상기 벤츄리관(60)은 일정 단면적을 가지는 유입부(64) 및 상기 유입부(64)보다 단면적이 감소하였다가 단면적이 점차 커지는 유출부(65)를 포함하고, 상기 증발농축기(30)의 상기 증기 출구(34)는 제2 증기 이송관(67)을 통하여 상기 벤츄리관(60)의 상기 유입부(64)의 증기 입구(66)와 연결되어, 상기 증발농축기(30)의 증발농축 과정에서 발생한 증기의 일부가 상기 제2 증기 이송관(67)을 통해 상기 벤츄리관(60)의 상기 유입부(64)로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 열교환기(20)로 유입되는 슬러지액의 고형분 농도는 3% 내지 4%이고, 상기 증발농축기(30)로부터 배출되는 슬러지액의 고형분 농도는 10% 이상일 수 있다.
상기 제2 열교환기(40)로 입력되는 슬러지액의 온도와 상기 제2 열교환기(40)로부터 출력되는 슬러지액의 온도의 차이는 3℃ 내지 5℃일 수 있다.
상기 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치는, 상기 제1 열교환기(20) 내부의 공기를 흡입하여 상기 제1 열교환기(20), 상기 증발농축기(30), 상기 벤츄리관(60), 상기 제2 열교환기(40)의 내부를 감압 상태로 만드는 진공펌프(80)를 더 포함할 수 있다.
상기 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치는, 상기 제1 열교환기(20)로부터 응축수를 빼내기 위한 응축수 펌프(90)를 더 포함할 수 있다.
상기된 본 발명에 의하면, 캐비테이션 가용화와 열적 가용화를 동시에 수행하면서 슬러지의 농축 처리를 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치의 구성을 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치의 구성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치는, 슬러지 공급펌프(10), 제1 열교환기(20), 증발농축기(30), 제2 열교환기(40), 보일러(50), 벤츄리관(60), 순환펌프(70), 슬러지 배출펌프(75)를 포함한다.
제1 열교환기(20)는 슬러지액 입구(21), 예열된 슬러지액 출구(22), 증기 입구(23), 응축수 출구(24)를 구비한다.
증발농축기(30)는 예열된 슬러지액 입구(31), 가열되어 캐비테이션 처리된 슬러지액 입구(32), 농축된 슬러지액 출구(33), 증발농축 과정에서 발생한 증기 출구(34)를 구비한다.
제2 열교환기(40)는 농축된 슬러지액 입구(41), 가열된 슬러지액 출구(42), 증기 입구(43), 응축수 출구(44)를 구비한다.
벤츄리관(60)은, 유체가 유입되며 일정 단면적을 가지는 유입부(64)와, 유체가 유출되며 상기 유입부(64)보다 단면적이 감소하였다가 단면적이 점차 커지는 유출부(65)를 포함한다. 상기 유입부(64)는 가열된 슬러지액 입구(61)와 증기 입구(66)를 구비하고, 상기 유출부(65)는 캐비테이션 처리된 슬러지액 출구(62)를 구비한다.
제1 열교환기(20)에 있어서, 슬러지액 입구(21)는 슬러지액 공급관(12)을 통하여 슬러지 공급펌프(10)의 출구측과 연결되고, 예열된 슬러지액 출구(22)는 예열된 슬러지액 이송관(25)을 통하여 증발농축기(30)의 예열된 슬러지액 입구(31)와 연결되며, 증기 입구(23)는 제1 증기 이송관(35)을 통하여 증발농축기(30)의 증기 출구(34)와 연결되고, 응축수 출구(24)는 응축수 이송관(27)과 연결된다.
증발농축기(30)에 있어서, 예열된 슬러지액 입구(31)는 예열된 슬러지액 이송관(25)을 통하여 제1 열교환기(20)의 예열된 슬러지액 출구(22)와 연결되고, 가열되어 캐비테이션 처리된 슬러지액 입구(32)는 캐비테이션 처리된 슬러지액 이송관(63)을 통하여 벤츄리관(60)의 캐비테이션된 슬러지액 출구(62)와 연결되고, 농축된 슬러지액 출구(33)는 농축된 슬러지액 순환관(36)을 통하여 순환펌프(70)의 입구측과 연결되고 농축된 슬러지액 배출관(37)을 통하여 슬러지 배출펌프(75)의 입구측과 연결되며, 증기 출구(34)는 제1 증기 이송관(35)을 통하여 제1 열교환기(20)의 증기 입구(23)와 연결된다. 또한, 증기 출구(34)는 제2 증기 이송관(67)을 통하여 벤츄리관(60)의 유입부(64)의 증기 입구(66)와 연결된다.
제2 열교환기(40)에 있어서, 농축된 슬러지액 입구(41)는 농축된 슬러지액 순환관(72)을 통하여 순환펌프(70)의 출구측과 연결되고, 가열된 슬러지액 출구(42)는 가열된 슬러지액 이송관(45)을 통하여 벤츄리관(60)의 가열된 슬러지액 입구(61)와 연결되며, 증기 입구(43)는 증기 이송관(52)을 통하여 보일러(50)의 증기 공급부와 연결되고, 응축수 출구(44)는 응축수 이송관(46)을 통하여 보일러(50)의 응축수 입력부와 연결된다.
벤츄리관(60)에 있어서, 가열된 슬러지액 입구(61)는 가열된 슬러지액 이송관(45)을 통하여 제2 열교환기(40)의 가열된 슬러지액 출구(42)와 연결되고, 캐비테이션 처리된 슬러지액 출구(62)는 캐비테이션 처리된 슬러지액 이송관(63)을 통하여 증발농축기(30)의 가열되어 캐비테이션 처리된 슬러지액 입구(32)와 연결된다. 또한, 유입부(64)의 증기 입구(66)는 제2 증기 이송관(67)을 통하여 증발농축기(30)의 증기 출구(34)와 연결된다.
이하에서는 상기된 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치에서의 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 과정에 관하여 상세히 설명한다.
슬러지 공급펌프(10)는 슬러지액을 슬러지액 공급관(12) 통하여 제1 열교환기(20)로 공급한다. 여기서 공급되는 슬러지액은 유기성 폐기물을 포함하는 슬러지액으로서, 음식물 폐기물, 축산 폐기물 등을 포함할 수 있다. 공급되는 슬러지액의 고형분 농도는 전형적으로 3% 내지 4%일 수 있다.
제1 열교환기(20)는 유입되는 슬러지액을 증발농축기(30)로부터 공급되는 증기를 이용하여 열교환 방식에 의하여 예열하고, 예열된 슬러지액을 예열된 슬러지액 이송관(25)을 통하여 증발농축기(30)로 공급한다. 열교환 과정에서 증기의 냉각으로 발생하는 응축수는 응축수 이송관(27)을 통하여 배출된다. 증발농축기(30)로부터 공급되는 증기의 온도는 약 100℃로서, 슬러지액은 제1 열교환기(20)에서 약 80~90℃의 온도로 예열될 수 있다. 이처럼 증발농축기(30)의 증발농축 과정에서 발생하는 증기가 슬러지액의 예열을 위해 사용되므로 에너지 효율이 증대될 수 있다.
증발농축기(30)는 벤츄리관(60)으로부터 공급되는 슬러지액을 내부에서 분사하여 증발시킴으로써, 제1 열교환기(20)로부터 공급되는 슬러지액과 제2 열교환기(40)에서 가열되어 벤츄리관(60)을 통과한 슬러지액을 증발농축시킨다. 그리고 증발농축기(30)는 농축된 슬러지액의 일부는 농축된 슬러지액 순환관(36, 72)을 통하여 제2 열교환기(40)로 공급하고, 농축된 슬러지액의 나머지 일부는 농축된 슬러지액 배출관(37)을 통하여 배출한다. 농축된 슬러지액은 배출관(37)을 통하여 혐기성 소화자로 배출될 수 있다. 한편, 증발농축 과정에서 발생한 증기는 제1 증기 이송관(35)을 통하여 제1 열교환기(20)로 공급된다.
제2 열교환기(40)는 증발농축기(30)로부터 공급되는 농축된 슬러지액의 일부를 보일러(50)로부터 공급되는 증기를 이용하여 열교환 방식에 의하여 가열한다. 여기서 보일러(50)는 혐기성 소화조에서 생성되는 바이오 가스를 이용하는 바이오 가스 보일러일 수 있다. 제2 열교환기(40)는 가열된 농축 슬러지액을 가열된 슬러지액 이송관(45)을 통하여 벤츄리관(60)으로 공급하고, 열교환 과정에서 발생하는 응축수는 응축수 이송관(46)을 통하여 보일러(50)로 배출한다.
49여기서, 보일러(50)가 공급하는 증기의 온도는 약 180℃ 내외이고 압력은 약 3~4bar일 수 있다. 농축된 슬러지액은 제2 열교환기(40)에서 약 100℃로 가열될 수 있다. 다만 제2 열교환기(40)에서 슬러지액이 고온의 증기와 접촉하는 부분의 온도는 180℃에 가까운 고온(예컨대, 약 165℃ 내외)이어서, 미생물의 세포벽이 파괴되고 세포물질이 가수분해되는 등 열적 가용화가 일어난다.
한편, 증발농축기(30)로부터 제2 열교환기(40)로 공급되는 농축된 슬러지액의 온도는 예컨대 약 95℃ 내지 97℃로, 즉 제2 열교환기(40)로 입력되는 슬러지액의 온도와 제2 열교환기(40)로부터 출력되는 슬러지액의 온도의 차이는 약 3℃ 내지 5℃로 설계될 수 있다.
벤츄리관(60)은 제2 열교환기(40)로부터 공급되는 가열된 농축 슬러지액을 캐비테이션 처리하고, 캐비테이션 처리된 가열된 농축 슬러지액을 슬러지액 이송관(63)을 통하여 다시 증발농축기(30)로 공급한다.
캐비테이션은 액체내의 압력이 증기압 이하로 저하함에 따라 생성되는 공동현상(cavitation)에 의해 슬러지를 처리하는 기술이다. 단면적이 급격하게 감소하는 벤츄리관(60)의 축소부를 슬러지액이 통과할 때, 속도는 급격히 증가하며 그에 따라 슬러지액의 압력은 크게 감소한다. 이때 유체 속의 용존 상태의 기체가 유체로부터 이탈하거나 물의 상변화가 일어나 캐비테이션 기포(cavitation bubble)가 생성된다. 이와 같은 캐비테이션 기포는 순차적으로 수축, 재팽창(rebound), 붕괴의 과정을 거치면서 수 GPa에 이르는 충격압과 약 5,000℃에 이르는 고온 환경을 기포 근방에 형성하는 동시에 붕괴되는 기포 내에는 마이크로 제트를 발생시키고, 붕괴되는 기포 주위에는 기포 및 계면 구성 물질로부터 유리된 라디칼(하이드록실기 및 과산화수소 등)을 생성시킨다. 이때, 기포 주위에 생성된 라디칼과 충격파, 초고압 마이크로 제트 등과 함께 5,000℃, 수 GPa의 압력으로 주위의 물체를 산화, 분해, 침식, 절삭시키게 된다. 또한, 캐비테이션 기포는 벤츄리관(60)의 확장부를 지나며 격렬하게 파괴되는데, 이 과정에서 발생하는 충격파에 의해 슬러지의 가용화가 이루어진다. 일반적으로 슬러지는 대부분 미생물로 구성되는데, 이러한 미생물은 견고한 세포벽으로 둘러싸여 있어 생분해성(biodegradation)이 낮다. 따라서, 슬러지의 가용화를 위해서는 미생물에 물리/화학/생물학적 처리를 가함으로써 세포벽을 파괴하고 구성물질을 용출시켜 가수분해를 촉진할 필요가 있다. 즉, 슬러지에 포함되어 있는 고분자 형태의 고형물을 소화과정에서 이용하기 쉬운 저분자 상태로 전환함으로써 생분해성을 높일 수 있다. 다시 말해, 벤츄리관(60)은 전후의 압력차에 의해 수증기 버블 형태의 캐비테이션이 발생, 확장 및 붕괴됨으로써 발생되는 작용력을 슬러지에 제공하여 슬러지의 가수분해를 촉진시킨다.
특히 본 발명의 실시예에 의하면, 증발농축기(30)의 증기 출구(34)가 제2 증기 이송관(67)을 통하여 벤츄리관(60)의 유입부(64)의 증기 입구(66)와 연결됨으로써, 증발농축기(30)의 증발농축 과정에서 발생한 증기의 일부가 제2 증기 이송관(67)을 통해 벤츄리관(60)의 유입부(64)로 공급된다. 다시 말하면, 벤츄리관(60)의 단면적이 급격하게 감소하는 부분에 의해 유입부(64)에 음압이 형성되므로, 증발농축기(30)로부터의 증기의 일부가 제2 증기 이송관(67)과 증기 입구(66)를 통해 유입부(64)로 흡입되는 것이다.
위와 같이 증발농축기(30)에서 나온 증기는 벤츄리관(60) 내부의 온도를 더욱 상승시킬 뿐만 아니라, 증기가 공급됨에 따라 유체 속의 용존 상태의 기체가 증가하게 되어 결국 상변화에 따른 캐비테이션 기포(cavitation bubble)가 더욱 많이 생성되고, 캐비테이션 기포로 인한 충격압, 고온 환경, 마이크로 제트, 충격파 등 역시 더욱 강렬해진다. 따라서 벤츄리관(60)에서의 캐비테이션 가용화의 성능이 현저하게 향상된다.
순환펌프(70)와 슬러지 배출펌프(75)는 증발농축기(30)에서 농축된 슬러지액의 일부는 제2 열교환기(40)로 순환시키고, 농출된 슬러지액의 나머지 일부는 배출하는 역할을 한다. 즉, 순환펌프(70)는 농축된 슬러지액 순환관(36, 72)을 통하여 증발농축기(30)에서 나오는 농축된 슬러지액의 일부를 제2 열교환기(40)로 공급하고, 슬러지 배출펌프(75)는 증발농축기(30)에서 나오는 농축된 슬러지액의 나머지 일부를 농축된 슬러지액 배출관(37)을 통하여 혐기성 소화조 측으로 배출한다. 여기서, 순환펌프(70)와 슬러지 배출펌프(75)의 펌핑량에 따라서 농축된 슬러지액의 순환량과 배출량이 조절될 수 있다. 실시예에 따라서, 농축된 슬러지액의 순환과 배출의 조절을 위하여 농축된 슬러지액 순환관(36, 72) 및/또는 농축된 슬러지액 배출관(37)에는 개폐밸브가 설치될 수도 있다.
증발농축기(30)에서 배출되는 농축된 슬러지액의 고형분 농도는 슬러지 공급펌프(10), 순환펌프(70), 슬러지 배출펌프(75)의 펌핑량을 가지고 조절할 수 있다. 예컨대 증발농축기(30)에서 배출되는 농축된 슬러지액의 고형분 농도는 10% 이상의 일정 농도로 조절될 수 있다.
또한, 농축된 슬러지액은 순환펌프(70)를 통과하면서, 순환펌프(70)에 구비되는 임펠러(impeller)에 의하여 캐비테이션 처리가 일어난다. 즉, 본 발명의 실시예에 의하면, 벤츄리관(60)에 의하여 물리적 가용화가 수행될 뿐만 아니라 순환펌프(70)에 의하여 물리적 가용화가 수행된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 순환펌프(70) 및 벤츄리관(60)을 통하여 물리적 가용화가 일어나고, 제2 열교환기(40)를 통하여 열적 가용화가 일어나며, 증발농축기(30)를 통하여 슬러지액의 농축처리가 수행된다. 또한 증발농축기(30), 순환펌프(70), 제2 열교환기(40), 벤츄리관(60), 그리고 다시 증발농축기(30)로 이어지는 순환 구조를 가진다. 따라서 물리적 가용화와 열적 가용화를 함께 수행할 수 있고, 동시에 슬러지액의 농축 처리, 즉 감량화까지 함께 달성할 수 있다. 게다가 이러한 순환구조 및 증발농축기(30)에서 발생하는 증기를 이용한 슬러지액의 예열을 통해 에너지 효율이 증대되는 장점이 있다. 게다가, 증발농축기(30)의 증발농축 과정에서 발생한 증기를 벤츄리관(60)으로 공급함으로써, 벤츄리관(60)에서의 캐비테이션 가용화의 성능이 현저하게 향상되는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치의 구성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치는 도 1의 실시예에 따른 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치에, 진공펌프(80), 공기흡입관(28), 응축수 펌프(90)가 추가된 것이다.
제1 열교환기(20)는 추가적으로 공기흡입구(26)를 구비하며, 공기흡입구(26)는 공기흡입관(28)을 통하여 진공펌프(80)와 연결된다.
제1 열교환기(20)의 응축수 출구(24)는 응축수 이송관(27)을 통하여 응축수 펌프(90)와 연결된다.
진공펌프(80)는 공기흡입관(28)을 통하여 제1 열교환기(20) 내부의 공기를 흡입함으로써, 제1 열교환기(20), 증발농축기(30), 제2 열교환기(40)의 내부를 감압 상태로 만든다. 그로 인하여 진공펌프(80)로부터 불응축 가스가 배출된다.
제1 열교환기(20) 내부가 감압 상태이므로, 열교환 과정에서 증기의 냉각으로 발생하는 응축수가 자연적으로 배출될 수 없기 때문에, 응축수 펌프(90)를 이용하여 응축수 출구(24)로부터 응축수를 강제적으로 빼낸다.
본 발명의 실시예에서는 증발농축기(30)의 내부를 감압 상태로 만듦으로써, 압력이 낮아지면 포화증기온도가 낮아지는 원리를 이용하여, 증발농축기(30)에서의 농츨된 슬러지액의 증발 온도를 낮출 수 있다. 즉, 진공펌프(80)로 진공도를 조절함으로써 증발농축기(30)에서의 증발 온도를 조절할 수 있다. 예컨대 진공도를 355토르(torr)로 하면 증발 온도를 80℃로 낮출 수 있고, 진공도를 450토르로 하면 증발 온도를 60℃로 낮출 수 있다.
따라서 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치의 저온 운전(예컨대, 약 60℃~100℃), 즉 제2 열교환기(40)와 증발농축기(30)의 저온 운전이 가능하게 되어 운전비용이 절감되며, 증발농축기(30)가 고온, 고압을 견디지 않아도 되므로 내구성이 향상된다.
또한, 기존에는 열적 가용화 처리된 고온의 슬러지액을 혐기성 소화조에 투입하기 위해서는 별도의 열교환 설비를 이용하여 고온의 슬러지액을 냉각시키는 처리를 수행하여야 했으나, 본 발명의 실시예에 의하면 배출되는 슬러지의 온도를 낮춤으로써, 배출되는 슬러지액을 냉각 처리 없이 바로 혐기성 소화조에 투입할 수 있는 장점이 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 혐기성 소화공정의 전처리를 위한 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치로서, 상기 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치는 혐기성 소화조와 연결되고,
    제1 열교환기(20), 증발농축기(30), 제2 열교환기(40), 벤츄리관(60)을 포함하며,
    상기 제1 열교환기(20)는 유입되는 슬러지액을 상기 증발농축기(30)로부터 공급되는 증기를 이용하여 예열하여 상기 증발농축기(30)로 공급하고,
    상기 증발농축기(30)는 상기 제1 열교환기(20)로부터 공급되는 예열된 슬러지액과 상기 제2 열교환기(40)에서 가열되어 상기 벤츄리관(60)을 통과한 슬러지액을 증발농축시켜, 농축된 슬러지액의 일부는 상기 제2 열교환기(40)로 공급하고 나머지 일부는 상기 혐기성 소화조로 배출하며, 증발농축 과정에서 발생한 증기를 상기 제1 열교환기(20)로 공급하고,
    상기 제2 열교환기(40)는 상기 증발농축기(30)로부터 공급되는 상기 농축된 슬러지액의 일부를 상기 혐기성 소화조에서 생성되는 바이오 가스를 이용하는 바이오 가스 보일러(50)로부터 공급되는 증기를 이용하여 가열하여 상기 벤츄리관(60)으로 공급하고,
    상기 벤츄리관(60)은 상기 제2 열교환기(40)로부터 공급되는 가열된 슬러지액을 캐비테이션 처리하여 상기 증발농축기(30)로 공급하고,
    상기 증발농축기(30)로부터의 농축된 슬러지액의 일부를 상기 제2 열교환기(40)로 공급하기 위한 순환펌프(70) 및
    상기 농축된 슬러지액의 나머지 일부를 상기 혐기성 소화조로 배출하기 위한 슬러지 배출펌프(75)를 더 포함하고,
    상기 제1 열교환기(20)의 예열된 슬러지액 출구(22)는 상기 증발농축기(30)의 예열된 슬러지액 입구(31)와 연결되고,
    상기 증발농축기(30)의 증기 출구(34)는 제1 증기 이송관(35)을 통하여 상기 제1 열교환기(20)의 증기 입구(23)와 연결되고,
    상기 증발농축기(30)의 농축된 슬러지액 출구(33)는 상기 순환펌프(70)를 통하여 상기 제2 열교환기(40)의 농축된 슬러지액 입구(41)와 연결되고,
    상기 증발농축기(30)의 농축된 슬러지액 출구(33)는 상기 슬러지 배출펌프(75)를 통하여 상기 혐기성 소화조와 연결되고,
    상기 제2 열교환기(40)의 가열된 슬러지액 출구(42)는 상기 벤츄리관(60)의 가열된 슬러지액 입구(61)와 연결되고,
    상기 벤츄리관(60)의 캐비테이션 처리된 슬러지액 출구(62)는 상기 증발농축기(30)의 가열되어 캐비테이션 처리된 슬러지액 입구(32)와 연결되며,
    상기 벤츄리관(60)을 통하여 캐비테이션 가용화가 수행되고, 상기 증발농축기(30)로부터의 농축된 슬러지액은 상기 순환펌프(70)를 통과하면서 상기 순환펌프(70)에 구비되는 임펠러에 의하여 캐비테이션 처리가 일어나 물리적 가용화가 수행되며, 상기 제2 열교환기(40)를 통하여 열적 가용화가 수행되고,
    상기 벤츄리관(60)은 일정 단면적을 가지는 유입부(64) 및 상기 유입부(64)보다 단면적이 감소하였다가 단면적이 점차 커지는 유출부(65)를 포함하고,
    상기 증발농축기(30)의 상기 증기 출구(34)는 제2 증기 이송관(67)을 통하여 상기 벤츄리관(60)의 상기 유입부(64)의 증기 입구(66)와 연결되어, 상기 증발농축기(30)의 증발농축 과정에서 발생한 증기의 일부가 상기 유입부(64)에 형성되는 음압으로 인해 상기 제2 증기 이송관(67)을 통해 상기 벤츄리관(60)의 상기 유입부(64)로 공급됨으로써 상기 벤츄리관(60)에서의 캐비테이션 가용화 성능이 향상되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기(20)로 유입되는 슬러지액의 고형분 농도는 3% 내지 4%이고, 상기 증발농축기(30)로부터 배출되는 슬러지액의 고형분 농도는 10% 이상인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열교환기(40)로 입력되는 슬러지액의 온도와 상기 제2 열교환기(40)로부터 출력되는 슬러지액의 온도의 차이는 3℃ 내지 5℃인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기(20) 내부의 공기를 흡입하여 상기 제1 열교환기(20), 상기 증발농축기(30), 상기 벤츄리관(60), 상기 제2 열교환기(40)의 내부를 감압 상태로 만드는 진공펌프(80)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 열교환기(20)로부터 응축수를 빼내기 위한 응축수 펌프(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 가용화 및 감량화 장치.
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