KR101880233B1 - 혐기소화조의 초기 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기성 폐기물의 바이오가스화 설비에서 혐기소화조를 초기에 안정화 운전하는 혐기소화조의 초기 운전방법에 관한 것으로서, 혐기소화조의 수밀 및 기밀을 시험하는 시험단계와, 혐기소화조의 내부에서 산소를 제거하는 산소제거단계와, 혐기소화조의 내부에 식종하는 식종단계와, 기질을 투입하여 점증적으로 부하운전하는 점증부하 운전단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 혐기소화시설의 초기 운전시 메탄생성균이 안정적으로 성장할 수 있는 환경 조성과 아울러 기질의 점증부하 운전을 통해 빠른 시간내에 정상적인 혐기소화 시스템을 유지함으로써, 혐기소화 시스템 시운전 단계의 초기 안정화 기간을 2개월 이내로 단축함으로써 기존 시운전 안정화 기간 대비 1.5∼2배의 기간 단축으로 운영비를 절감할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

혐기소화조의 초기 운전방법{INITIAL OPERATING METHOD OF ANAEROBIC DIGESTER}
본 발명은 혐기소화조의 초기 운전방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유기성 폐기물의 바이오가스화 설비에서의 초기운전시 또는 재가동시 혐기성 미생물의 성장환경을 안정화시키는 혐기소화조의 초기 운전방법에 관한 것이다.
하수처리과정에서 발생하는 하수슬러지와, 축산분뇨, 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물의 경우, 혐기소화 공정을 통한 바이오가스 생성이 가능한 것으로 알려져 있다. 이때 생성된 바이오가스는 보통 주성분이 이산화탄소와 메탄이며, 분리 이후 메탄은 보일러 등의 에너지원으로 재사용되며, 이산화탄소는 압축 저장하고 있다.
종래의 혐기소화조의 초기 운전방법은 하수처리장 소화조나 음식물 소화조와 같이 소화조가 운영되고 있는 시설에서 소화슬러지를 운반하여 소화조에 식종한 후 부하 운전을 시작한다. 외부로부터 반입되는 식종미생물에 대한 분석은 TS(Total Solid), VS(Volatile Solid), VFA(VolatileFat Acd) 등에 대해 분석하거나 또는 별도 분석없이 식종미생물로 활용하고 있는 실정이다.
특히, 혐기소화조의 활성도와 직접적으로 관련 있는 미생물 개체수 확인을 위한 Real time QPCR(quantitative polymerase chain reaction)과 같은 미생물 정량분석을 통한 우점 미생물의 종류와 개체수를 전혀 확인하지 않은 상태로 운전하고 있는 실정이다.
또한, 소화조 식종량은 50% 이하가 대부분으로 특히 운전 초기단계에 소화조내산소를 제거하지 않은 상태에서 미생물(혐기성 미생물)을 식종함으로써, 바이오가스와 산소와의 공존에 따른 폭발 위험성이 상존하는 상태로 시운전을 하고 있으며, 소화조내 산소가 존재함에 따라 미생물의 혐기 상태의 서식 환경 유지가 어려운 실정으로 이에 따른미생물의 증식 및 활성도가 저하되거나 사멸됨으로써 부하 운전시 소화조의 유기물 제거율(VSR, Volatile Solid Reduction)도 현저하게 낮아진다.
따라서 소화조식종 후 정상운전까지의 시운전 기간이 4개월 이상 소요되는 문제가 발생한다. 아울러 식종 후 점증부하(Ramp-up) 운전 단계에서도 pH, VFA 항목 정도만 모니터링 함으로써 소화조내 미생물 거동상태 분석 없이 운전에 따른 소화조 운전 실패가 빈번하게 발생하고 있는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0112812호 (2014년 09월 24일) 대한민국 공개특허 제10-2015-0005825호 (2015년 01월 15일) 대한민국 등록특허 제10-1634296호 (2016년 06월 30일)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명은 혐기소화시설의 초기 운전시 메탄생성균이 안정적으로 성장할 수 있는 환경 조성과 아울러 기질의 점증부하 운전을 통해 빠른 시간내에 정상적인 혐기소화 시스템을 유지함으로써, 혐기소화 시스템 시운전 단계의 초기 안정화 기간을 2개월 이내로 단축함으로써 기존 시운전 안정화 기간 대비 1.5∼2배의 기간 단축으로 운영비를 절감할 수 있는 혐기소화조의 초기 운전방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 초기 운전시 유기물 과다 투입, VFA 소화조 축적 등으로 인해 혐기소화조의 정상상태 유지에 많은 어려움이 있으나 이러한 실패 요인을 사전에 제거함으로써, 혐기소화조의 안정적인 운전을 통해 유기물 분해율과 바이오가스 발생량을 최대화 할 수 있는 혐기소화조의 초기 운전방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 시운전 초기에 혐기소화조의 내부에 산소가 존재할 경우에 바이오가스와의 혼합에 따른 폭발 위험성을 사전에 제거할 수 있는 혐기소화조의 초기 운전방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 시운전 단계 뿐만 아니라 소화조 이상 상황 발생 후 기질 재투입을 통한 소화조 복원 단계에서도 적용할 수 있는 혐기소화조의 초기 운전방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유기성 폐기물의 바이오가스화 설비에서 혐기소화조를 초기에 안정화 운전하는 혐기소화조의 초기 운전방법으로서, 상기 혐기소화조의 수밀 및 기밀을 시험하는 시험단계; 상기 혐기소화조의 내부에서 산소를 제거하는 산소제거단계; 상기 혐기소화조의 내부에 식종하는 식종단계; 및 상기 혐기소화조의 내부에 기질을 투입하여 점증적으로 부하운전하는 점증부하 운전단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 시험단계에서는, 상기 혐기소화조의 내부에 충수하여 수밀시험하고, 배수한 후에 압축기에 의해 가압하여 기밀시험하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 상기 산소제거단계에서는, 상기 혐기소화조의 내부에 드라이아이스를 투입하고 온수를 주입하여 산소를 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 식종단계에서는, 상기 혐기소화조의 내부에 하수 소화슬러지 40∼60 중량부, 음식물 소화슬러지 20∼30 중량부 및 우분 10∼20 중량부로 이루어진 식종슬러지를 투입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 점증부하 운전단계에서는, 상기 혐기소화조의 내부에서 pH 농도, 휘발성 지방산(VFA; Volatile Fatty Acid)과 알칼리도, 암모니아성 질소(NH4 +-N), 바이오가스 발생량 및 메탄함량, 메탄생성균 개체수를 모니터링하여 점증부하 운전하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 혐기소화시설의 초기 운전시 메탄생성균이 안정적으로 성장할 수 있는 환경 조성과 아울러 기질의 점증부하 운전을 통해 빠른 시간내에 정상적인 혐기소화 시스템을 유지함으로써, 혐기소화 시스템 시운전 단계의 초기 안정화 기간을 2개월 이내로 단축함으로써 기존 시운전 안정화 기간 대비 1.5∼2배의 기간 단축으로 운영비를 절감할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 초기 운전시 유기물 과다 투입, VFA 소화조 축적 등으로 인해 혐기소화조의 정상상태 유지에 많은 어려움이 있으나 이러한 실패 요인을 사전에 제거함으로써, 혐기소화조의 안정적인 운전을 통해 유기물 분해율과 바이오가스 발생량을 최대화 할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 시운전 초기에 혐기소화조의 내부에 산소가 존재할 경우에 바이오가스와의 혼합에 따른 폭발 위험성을 사전에 제거할 수 있는 효과를 제공한다. 또한, 시운전 단계 뿐만 아니라 소화조 이상 상황 발생 후 기질 재투입을 통한 소화조 복원 단계에서도 적용할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 혐기소화조의 초기 운전방법이 적용되는 유기성 폐기물의 바이오가스화 설비를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 혐기소화조의 초기 운전방법을 나타내는 구성도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 혐기소화조의 초기 운전방법이 적용되는 유기성 폐기물의 바이오가스화 설비를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 혐기소화조의 초기 운전방법을 나타내는 구성도이다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 혐기소화조의 초기 운전방법은, 충수단계(S10), 시험단계(S20), 리크판단단계(S30), 시설보완단계(S40), 배수단계(S50), 산소제거단계(S60), 식종단계(S70), 모니터링단계(S80), 점증부하 운전단계(S90)를 포함하여 이루어져, 유기성 폐기물의 바이오가스화 설비에서 혐기소화조를 초기에 안정화 운전하는 혐기소화조의 초기 운전방법이다.
이러한 유기성 폐기물의 바이오가스화 설비는, 폐기물 저류조(10), 전처리시설(20), 중간저장조(30), 탈수기(40), 가용화시설(50), 혐기소화조(60), 정제설비(70), 활용설비(80), 소화액 저류조(90), 원심탈수기(100), 폐수처리시설(110) 및 슬러지 건조기(120)를 포함하여 이루어져 있다.
충수단계(S10)는, 혐기소화조(60)의 정상운전 이전에 혐기소화조(60)의 수밀상태와 기밀상태를 시험하기 위해 혐기소화조(60)에 시험수 및 가스를 충진하는 단계로서, 수밀상태의 시험을 위해 혐기소화조(60)의 만수위를 기준해서 90% 정도로 충수하는 것이 바람직하다.
시험단계(S20)는, 혐기소화조(60)의 수밀상태를 시험하는 수밀시험과 혐기소화조(60)의 기밀상태를 시험하는 기밀시험을 하는 단계로서, 혐기소화조(60)에 충수 완료 후 혐기소화조(60)의 상부 개방 부위를 밀폐한 상태에서 24 시간 동안 수위 변화를 확인하여 수밀상태를 시험하여, 리크판단단계(S30)에서 수밀 불량으로 판정한 경우에는 시설보완단계(S40)에서 보완하게 된다.
이러한 시험단계(S20)에서는, 혐기소화조(60)의 내부에 충수하여 수밀시험하고, 충수한 후에 압축기에 의해 300㎜Aq로 가압하여, 혐기소화조(60) 내압의 안정을 위해 15분 경과후 10분간 압력변화를 측정함과 동시에 혐기소화조(60)의 리크 및 누기 여부를 점검하기 위해 비눗물을 도포하여 확인하여 리크판단단계(S30)에서 누기부로 판정한 경우에는 시설보완단계(S40)에서 보완하게 된다.
배수단계(S50)에서는, 시험단계(S20) 내지 시설보완단계(S40)에서 혐기소화조(60)의 수밀시험과 기밀시험을 완료하고 판정작업 및 보완작업을 완료한 후에 혐기소화조(60)의 내부에 충수된 시험수를 배수하고, 혐기소화조(60)의 내부에 충진된 공기를 외부로 배출시키게 된다.
산소제거단계(S60)는, 혐기소화조(60)의 내부에서 잔류하는 산소를 제거하는 단계로서, 혐기소화조(60)의 내부에 드라이아이스를 투입하고 온수를 주입하여 산소를 제거하게 된다.
산소제거단계(S60)에서는, 식종단계(S70) 이전에 혐기소화조(60)의 내부를 혐기상태로 유지하기 위해 혐기소화조(60)에 드라이아이스를 투입하고 온수배관에서 온수를 드라이아이스가 잠길 정도까지 주입하게 되며, 드라이아이스가 기화되면서 이산화탄소가 혐기소화조(60)의 내부에 충진된다.
이때, 드라이아이스 투입량은 혐기소화조(60)의 내부에 100㎥당 10kg을 투입하며, 드라이아이스 투입 후 혐기소화조(60)는 개구부 없이 완전 밀폐상태를 유지하게 된다.
또한, 드라이아이스가 기화하면서 혐기소화조(60)의 내부의 공기는 소화조 상부 바이오가스 이송 배관을 통해 바이오가스 정제설비(70)를 거쳐 바이오가스 저장조로 이송된 후 외부로 배출된다.
식종단계(S70)는, 혐기소화조(60)의 내부가 산소제거단계(S60)에 의해 혐기상태로 유지된 후 혐기소화조(60)에 식종슬러지를 식종하는 단계로서, 혐기소화조(60)의 내부에 하수 소화슬러지 40∼60 중량부, 음식물 소화슬러지 20∼30 중량부 및 우분 10∼20 중량부로 이루어진 식종슬러지를 투입하는 것이 바람직하다.
특히, 최적의 식종을 위해서는 하수 소화슬러지 50 중량부, 음식물 소화슬러지 30 중량부 및 우분 20 중량부와 같이 5:3:2의 비율로 이루어진 식종슬러지를 투입하는 것이 더욱 바람직하다.
이러한 식종단계(S70)에서는 혐기소화조(60)의 상부 점검창을 이용하여 산소가 유입되지 않는 상태로 식종슬러지를 투입하며, 투입량은 혐기소화조 설계 유효 용량의 100%를 식종하는 것이 바람직하다.
만일, 식종대상 슬러지 확보량이 작거나 식종기간이 촉박할 경우에는 최소 75% 이상으로 식종을 우선 실시하고, 나머지 25%는 기질을 투입하여 유기물 분해를 확인한 후 기질을 증량하는 방법으로 혐기소화조(60)의 유효 용량의 100%를 유지하는 것도 가능함은 물론이다.
이와 같이 혐기소화조(60)의 상부 점검창을 통해 식종을 실시하므로 드라이아이스의 투입 전에 혐기소화조(60)의 점검창을 잠시 개방한 후 고압호스를 미리 설치하며, 점검창의 고압호스 주변을 비닐 및 테이프 등을 이용하여 산소가 유입되지 않도록 밀폐시키고 고압호스 말단부에는 퀵커플링(Quick-coupling)장치를 설치하여 식종 운반차량과 연결이 용이하도록 미리 준비작업을 하는 것도 가능함은 물론이다.
모니터링단계(S80)는, 식종단계(S70)에서 식종의 완료후 최소 3일 이상 기질을 투입하지 않고 혐기소화조의 상태를 모니터링하는 단계로서, 식종 미생물내 유기물 및 유기산 등의 분포를 확인하기 위해 pH, TS(Total Solid), VS(Volatile Solid), VFA(Volatile Fatty Acid) 및 바이오가스 발생량 등에 대한 모니터링을 실시하고, 유기물이 분해되어 바이오가스의 발생이 거의 없는 상태인지를 확인하게 된다.
점증부하 운전단계(S90)는, 혐기소화조(60)의 내부에 기질을 투입하여 점증적으로 부하운전하는 단계로서, 혐기소화조(60)의 내부에서 pH 농도, 휘발성 지방산(VFA; Volatile Fatty Acid) 및 알칼리도, 암모니아성 질소(NH4 +-N), 바이오가스 발생량 및 메탄함량, 메탄생성균 개체수 등을 모니터링 하면서 점증적으로 부하 운전을 진행하게 된다.
특히, 식종 후 기질 투입 유기물 부하율(OLR, Organic Loading Rate)의 경우 0.5kg VS/㎥ㆍd 부하 조건으로 초기 운전을 개시하게 되며, 이후 6일 간격으로 부하를 순차적으로 증량하고 유기물의 투입을 24시간 균등 분할하여 투입하게 되며, 증량폭은 이전 부하량의 10∼15%를 증가시켜 운전하는 것이 바람직하다.
또한, 혐기소화조(60)의 상태를 매일 모니터링하는 모니터링 항목으로는 pH, VFA/알칼리도, 바이오가스 발생량 및 메탄함량, NH4 +-N, 실시간 QPCR(Real Time Quantitative Polymerase Chain Reaction) 항목이며, 각각의 혐기소화조의 부하 증량 조건은 pH 7.5±0.2, VFA/알카리도 0.2 이하, VFA 4g/L 이하, 바이오가스 발생량 및 메탄함량이 5% 이상으로 변화가 없고, NH4 +-N 3,000mg/L 이하를 유지하며, Real Time QPCR 분석결과 메탄생성균 개체수가 108 copies/㎖ 이상일 경우에만 증량운전을 실시하는 것이 바람직하다.
특히, 혐기소화조(60)의 상태를 확인할 수 있는 메탄생성균의 종류로는, MBT(Methanobacteriales), MCC(Methanococcales), MMB(Methanomicrobiales), MSL(Methanosarcinales) 등이 있으며, 이와 같은 메탄생성균의 개체수가 많을수록 혐기소화조(60)의 유기물질 분해능력이 우수한 것으로 판단된다.
또한, 혐기소화조(60)의 상태를 모니터링한 결과, 소화액의 내부에 VFA가 급속 하게 증가하여 pH가 모니터링 범위를 벗어나거나, VFA/알카리도가 0.2 초과인 상태를 3일 지속하거나, 바이오가스 발생량 및 메탄함량이 5%이상 감소하거나, NH4 +-N의 농도가 3,000mg/L 초과를 유지하거나, 메탄생성균 개체수가 108 copies/㎖미만일 경우에는 혐기소화조 내에 기질의 투입량을 감량하여 운전하는 것이 바람직하다.
아울러 이와 같은 혐기소화조(60)에 이상 상황이 발생하는 경우에는, 혐기소화조의 회복방안으로 기질의 투입량을 이전 단계로 조정한 후 3일간 모니터링을 실시하여 상기의 기질의 증량 조건을 만족하는지 확인하는 것이 바람직하다.
만약에 이러한 비상 조치에도 불구하고 문제상황이 해결되지 않을 경우에는 기질의 투입량을 이전 단계의 1/2 수준으로 조정 후 3일간 모니터링을 실시하며, 상기 조치에도 문제상황 미해결시에는 기질 투입을 중단하고 모니터링을 실시하여 상기에서 제시한 기질 증량조건인 pH, VFA/알칼리도, NH4 +-N, 바이오가스 발생량 및 메탄함량, 메탄생성균 개체수의 5가지의 조건을 만족하는 경우에만 다시 기질을 투입한게 된다.
이때의 기질 투입은, 혐기소화조의 이상상황 발생 이전 단계의 유기물 부하율에서 다시 시작하여 소화조 모니터링을 실시하면서 설계 부하까지 증량 운전을 실시하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 혐기소화시설의 초기 운전시 메탄생성균이 안정적으로 성장할 수 있는 환경 조성과 아울러 기질의 점증부하 운전을 통해 빠른 시간내에 정상적인 혐기소화 시스템을 유지함으로써, 혐기소화 시스템 시운전 단계의 초기 안정화 기간을 2개월 이내로 단축함으로써 기존 시운전 안정화 기간 대비 1.5∼2배의 기간 단축으로 운영비를 절감할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 초기 운전시 유기물 과다 투입, VFA 소화조 축적 등으로 인해 혐기소화조의 정상상태 유지에 많은 어려움이 있으나 이러한 실패 요인을 사전에 제거함으로써, 혐기소화조의 안정적인 운전을 통해 유기물 분해율과 바이오가스 발생량을 최대화 할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 시운전 초기에 혐기소화조의 내부에 산소가 존재할 경우에 바이오가스와의 혼합에 따른 폭발 위험성을 사전에 제거할 수 있는 효과를 제공한다. 또한, 시운전 단계 뿐만 아니라 소화조 이상 상황 발생 후 기질 재투입을 통한 소화조 복원 단계에서도 적용할 수 있는 효과를 제공한다.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
10: 폐기물 저류조 20: 전처리시설
30: 중간저장조 40: 탈수기
50: 가용화시설 60: 혐기소화조
70: 정제설비 80: 활용설비
90: 소화액 저류조 100: 원심탈수기
110: 폐수처리시설 120: 슬러지 건조기

Claims (5)

  1. 유기성 폐기물의 바이오가스화 설비에서 혐기소화조를 초기에 안정화 운전하는 혐기소화조의 초기 운전방법으로서,
    상기 혐기소화조의 수밀 및 기밀을 시험하는 시험단계;
    상기 혐기소화조의 내부에서 산소를 제거하는 산소제거단계;
    상기 혐기소화조의 내부에 식종하는 식종단계; 및
    상기 혐기소화조의 내부에 기질을 투입하여 점증적으로 부하운전하는 점증부하 운전단계;를 포함하고,
    상기 시험단계에서는, 상기 혐기소화조의 내부에 충수하여 수밀시험하고, 충수한 후에 압축기에 의해 가압하여 기밀시험하며,
    상기 시험단계에서는 혐기소화조에 충수 완료 후 혐기소화조의 상부 개방 부위를 밀폐한 상태에서 24시간 동안 수위 변화를 확인하여 수밀상태를 시험하고, 리크판단단계에서 수밀 불량으로 판정한 경우에 시설보완단계에서 보완하고,
    상기 시험단계에서는, 혐기소화조의 수밀시험하고 충수한 후에, 압축기에 의해 300㎜Aq로 가압하여, 15분 경과후 10분간 압력변화를 측정함과 동시에 혐기소화조의 리크 및 누기 여부를 점검하기 위해 비눗물을 도포하여 확인하여 리크판단단계에서 누기부로 판정한 경우에 시설보완단계에서 보완하는 것을 특징으로 하는 혐기소화조의 초기 운전방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소제거단계에서는, 상기 혐기소화조의 내부에 드라이아이스를 투입하고 온수를 주입하여 산소를 제거하는 것을 특징으로 하는 혐기소화조의 초기 운전방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 식종단계에서는, 상기 혐기소화조의 내부에 하수 소화슬러지 40∼60 중량부, 음식물 소화슬러지 20∼30 중량부 및 우분 10∼20 중량부로 이루어진 식종슬러지를 투입하는 것을 특징으로 하는 혐기소화조의 초기 운전방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 점증부하 운전단계에서는, 상기 혐기소화조의 내부에서 pH 농도, VFA 및 알칼리도, 암모니아성 질소(NH4 +-N), 바이오가스 발생량 및 메탄함량, 메탄생성균 개체수를 모니터링하여 점증부하 운전하는 것을 특징으로 하는 혐기소화조의 초기 운전방법.
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