KR102000586B1 - 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템 - Google Patents
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Abstract
매립지 내부 넓은 범위에 공기를 확산 주입함과 아울러 생물학적 메탄 산화 공정을 이용하여 메탄가스를 저감할 수 있도록 된 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템이 개시되어 있다.
이 개시된 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템은 폐기물에서 발생한 침출수를 집수 및 배수하는 침출수 집배수관을 구비하는 폐기물 매립지 내부로 공기를 주입하는 폐기물 매립지의 공기 공급장치와; 폐기물 매립층의 폐기물 분해 과정에서 발생된 메탄가스를 저감하는 폐기물 매립지의 메탄가스 저감장치를 포함한다.
따라서 매립층의 전역에 걸쳐 시공되는 공기 확산관을 통하여 공기가 매립지 내부의 넓은 범위에 빠른 속도로 확산되도록 함으로써, 유기성 폐기물에 대한 호기성 반응을 촉진하여 분해 효율을 높여 매립지를 조기에 안정화 시킬 수 있다. 또한 준호기성 매립지 및/또는 매립가스 자원화가 중지된 매립지에 대해 메탄가스 저감장치를 적용함으로써, 생물학적 메탄 산화 공정으로 메탄가스 발생을 저감할 수 있다. 특히 바이오챔버는 공기주입부와 환기팬에 의하여 음압이 일정하게 유지되므로, 주입 공기량과 매립가스의 유량을 일정하게 제어할 수 있다.
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Description
본 발명은 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 매립지 내부의 넓은 범위에 공기를 확산 주입하여 메탄가스를 감축시킨 후 잔여 메탄은 생물학적 메탄 산화 공정을 이용하여 메탄가스 저감효율을 증가시키는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 매립을 이용한 폐기물의 처리 방법은 쓰레기 등의 폐기물을 소정 높이로 적층하고, 적층된 폐기물을 흙 등의 차폐물로 덮는 과정을 반복한다. 매립된 폐기물 중의 유기성 폐기물은 외부와 차단된 상태에서 자연 분해되면서 메탄, 이산화탄소 등의 매립가스를 발생한다. 발생된 매립가스는 포집 및 외부로 배출되어 연료로 사용되거나 소각된다.
매립지 내부에 공기 공급이 차단되면 유기성 폐기물의 분해가 지연되어, 매립지 안정화 기간이 길어져 사후 관리 비용이 증가하는 문제가 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 폐기물 매립지 내부의 유기성 폐기물의 분해 조건을 조절함으로써 매립 가스의 발생 속도를 조절하거나, 매립 가스 회수의 경제성이 없는 경우 매립지에 산소나 공기를 공급하여 유기성 폐기물을 호기성 반응을 이용하여 분해시켜 매립지를 조기에 안정화 시키는 방법이 사용된다. 여기서 공기 공급방식에 따라 폐기물 매립지는 준호기성 매립지와 호기성 매립지로 구분된다.
준호기성 매립지는 매립지 내부와 외부의 온도차를 이용하여 외부 공기가 자연스럽게 매립지 내부로 유입이 되도록 한다. 일반적으로 준호기성 매립지는 침출수 집배수관을 통하여 공기를 주입하는 방식을 적용한다. 이 준호기성 매립지는 공기량 조절이 안되면 침출수 집배수관 주변은 공기 유입을 통해 호기성 조건을 유지하지만 침출수 집배수관에서 멀리 있는 곳은 공기 유입이 안되어 혐기성 상태를 유지한다. 즉 준호기성 매립지는 자연적으로 공기가 유입되도록 된 구조로서 공기주입량 조절이 불가능하고, 매립지 설계시 준호기성 매립구조로 설치되어야 운영 가능하다.
호기성 매립지는 공기를 인공적으로 강제 주입하여, 혐기성에서 호기성으로 전환시키는 방식을 적용한 매립지로서, 매립지 운영 중 적용 가능하다.
상기한 산소나 공기를 공급하는 방법이 일본등록특허 제4091511호에 개시되어 있다. 이 개시된 방법은 공기를 물과 함께 공급하며, 침출수를 정화한 후 다시 투입하는 등 공기를 공급하기 위한 과정이 증가함에 따라 처리비용 및 시간이 증가하는 문제점이 있다.
도 1은 일반적인 매립가스 배제 시설을 구비한 폐기물 매립지를 보인 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 폐기물 매립지(10)는 내부에 폐기물(11)를 수용하는 구조물로서, 폐기물(11)에서 발생한 침출수를 집수 및 배수하는 침출수 집배수관(12)과, 폐기물(11)에서 발생된 매립가스를 배출하는 가스배제관(13)을 포함한다. 가스배제관(13)은 매립지 전역에 걸쳐 수직방향으로 설치되는 것으로, 매립된 폐기물(11)에서 발생한 가스를 수집한다. 이와 같이 수집된 가스는 가스 이송관(15)를 통하여 가스처리시설(17)로 이송되어 발전 등에 활용된다. 한편, 상기한 폐기물 매립지는 폐기물 매립이 종료 된 후 일정 시간이 경과하면 매립가스 회수의 경제성이 없어지게 된다.
이와 같이 매립 종료 후 가스 발생량이 감소되어 자원화가 중지된 매립지와 매립가스 자원화가 불가능한 중소형 매립지는 별다른 대책없이 메탄가스가 대기로 유출되고 있는 실정이다.
도 2는 폐기물 매립지의 매립연한에 따른 메탄가스 발생량 변화 및 매립지 발생가스의 회수율을 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 폐기물 매립지의 매립이 종료된 후에는 최종복토 및 도 1에 도시된 바와 같은 가스회수 및 발전설비를 마련한다. 따라서 매립 종료 후 유출되는 메탄가스의 량이 2 ~ 3 Nm3 이상인 경우 가스회수 및 발전설비를 통하여 매립지 발생가스(LFG)의 80~90% 회수하고, 그 중 50~60%가 발전에 활용한다. 한편, 유출되는 메탄가스의 량이 2 ~ 3 Nm3 미만으로 떨어지면 발전설비를 중단하고, 플레어 스택(Flare stack)을 활용하여 회수된 매립가스(80~90%) 를 소각한다. 한편 메탄가스의 량이 0.2 ~ 0.3 Nm3 아래로 떨어지면, 플레어 스택 중단 및 매립지 발생가스 회수를 중단한다. 따라서 매립지 발생가스 전량이 무방비로 대기로 유출되는 실정으로, 환경 파괴 등의 문제가 있다.
이와 같은 점을 감안하여 유럽 등에서는 중소형 매립지에서의 탄소중립을 위하여 생물학적 메탄산화가 대안으로 제시되고 있다. 종래의 매립지의 생물학적 메탄산화 기술은 바이오 필터, 바이오 윈도우, 바이오 커버 기술로 분류할 수 있다.
바이오 필터 기술은 에너지 회수 시설이 설치되어 있으나, 매립경과 시간이 오래되어 메탄가스 농도 및 발생량이 낮아진 매립지에 적용한다. 이 기술은 이미 설치된 가스 수집설비와 연계하여 사용되며, 능동적인 가스제어를 통해 메탄 저감 효율이 좋으나 설치 및 운용비용이 과다하게 발생되는 문제점이 있다.
바이오 윈도우 기술은 차단층 및 가스배제층은 설치되어 있으나 면으로 메탄가스 유출이 많은 핫 영역(hot area)가 존재하는 경우에 적용하는 기술로, 차단층을 대신하여 가스투과가 용이한 메탄산화층을 핫 영역에 설치한다. 이 기술은 비용이 저렴하다는 이점은 있으나, 능동적인 매립지 발생가스(LFG) 제어가 불가능하여 메탄산화 효율이 저하된다.
바이오 커버 기술은 차단층 및 가스배제층이 설치되지 않은 비위생매립지에 적용되며, 매립지 최종복토층 전부를 메탄산화층으로 활성화하는 기술이다. 이 경우 메탄산화 최적 조건을 유지하기 어려우며, 매립지 발생가스가 균일하게 배출되지 않는 경우 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 공기가 매립지 내부의 넓은 범위에 빠른 속도로 확산되도록 하여 조기에 안정화 시킬 수 있도록 함과 아울러, 자연적인 대류현상을 이용하는 준호기성 매립지 및/또는 매립가스 자원화가 중지된 매립지를 대상으로 주입 공기량과 매립가스의 유량을 일정하게 제어함으로써 메탄가스 발생을 저감할 수 있도록 된 구조의 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템은, 폐기물에서 발생한 침출수를 집수 및 배수하는 침출수 집배수관을 구비하는 폐기물 매립지 내부로 공기를 주입하는 폐기물 매립지의 공기 공급장치와; 폐기물 매립층의 폐기물 분해 과정에서 발생된 메탄가스를 저감하는 폐기물 매립지의 메탄가스 저감장치를 포함한다.
여기서 상기 공기 공급장치는, 외부 공기를 상기 매립지 내부로 공급하는 것으로, 상기 침출수 집배수관과 일체로 형성되거나 상기 침출수 집배수관의 내부 및/또는 외부에 형성되는 메인 공기공급관과; 상기 메인 공기공급관의 적어도 둘 이상의 위치에서 분기되며, 상기 매립지의 매립층 내부에 형성되는 복수의 분기 공기공급관과; 상기 복수의 분기 공기공급관 각각의 적어도 둘 이상의 위치에서 분기되고 상기 매립지의 매립층 내부에 형성되며, 일단은 상기 분기 공기공급관과 연통되고 하단은 개방된 복수의 공기 확산관을 포함하여, 매립지 외부에서 주입된 공기를 상기 매립층의 내부에 분산 공급한다. 또한 상기 메탄가스 저감장치는, 상기 폐기물 매립층 상의 일부 영역에 설치되어, 상기 폐기물 매립층에서 회수된 매립가스를 소정 영역으로 분산시키며, 상기 매립가스에 포함된 수분을 배제하는 가스분산층과; 상기 매립가스에 포함된 이산화탄소 및 황화수소 중 적어도 어느 하나를 중화시키는 가스중화층과; 상기 가스중화층 상에 설치되며, 상기 매립가스에 포함된 메탄가스를 이산화탄소로 산화시키는 메탄산화미생물을 포함하는 메탄산화층과; 상기 가스분산층, 상기 가스중화층 및 상기 메탄산화층이 폐쇄된 상태를 유지하도록 하는 바이오챔버를 포함한다.
상기 침출수 집배수관은 내부 공간이 분리판에 의하여 침출수가 이동하는 제1공간과, 공기가 이동하는 제2공간으로 분리되며, 상기 메인 공기공급관은 상기 제1공간과 일체로 형성되며, 상기 제1공간이 만관되지 않은 경우 상기 분기 공기공급관으로 공기를 공급하는 제1메인 공기공급경로와; 상기 제2공간과 일체로 형성되며, 상기 제1공간의 만관여부와 관계없이 상기 분기 공기공급관으로 공기를 공급하는 제2메인 공기공급경로를 포함할 수 있다.
상기 제1메인 공기공급경로는 상기 침출수 집배수관과 일체로 형성되며, 상기 분기 공기공급관은 상기 제1메인 공기공급경로와 연통되는 제1분기 공기공급경로와, 상기 제2메인 공기공급경로와 연통되는 제2분기 공기공급경로를 포함하여, 상기 제1메인 공기공급경로가 침출수에 의하여 만관시 상기 제2분기 공기공급경로를 통하여 공기를 주입하고, 상기 제1메인 공기공급경로 중 적어도 일부가 개방시 상기 제1 및 제2분기 공기공급경로를 통하여 공기를 주입할 수 있다.
상기 분기 공기공급관은, 상기 메인 공기공급관에서 분기되며, 폐기물 매립지의 하부에 공기를 분배하는 복수의 제1분기 공기공급관과; 상기 폐기물의 적층 방향으로 상기 복수의 제1분기 공기공급관 각각의 적어도 둘 이상의 위치에서 분기되는 복수의 제2분기 공기공급관을 포함할 수 있다.
상기 공기 확산관은 상기 분기 공기공급관에 대해 신축이음으로 연결되어, 폐기물 매립지 환경 및 매립되는 폐기물의 높낮이 변화시, 상기 공기 확산관이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한 본 발명은 외부 공기를 상기 메인 공기공급관 내부로 송풍하는 블로어를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 폐기물 매립층과 상기 가스분산층 사이에 설치되어, 상기 폐기물 매립층의 폐기물 분해과정에서 발생된 가스를 회수하는 가스회수층을 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 가스분산층 내부에 연결되어, 메탄산화에 필요한 공기를 주입하는 공기주입부를 더 포함할 수 있다.
상기 공기주입부는 일단이 폐기물 매립지 외부와 연결되고, 타단이 상기 가스분산층 내부에 위치되어, 외부 공기를 폐기물 매립지 내부로 유입하는 공기유입관과; 상기 가스분산층 내부에 형성되며, 상기 공기유입관과 연통되어, 상기 공기유입관을 통하여 유입된 공기를 상기 가스분산층 내부로 분산 주입하는 공기배출관과; 상기 공기유입관에 설치되어, 상기 가스분산층 내부로 주입되는 공기량을 조절하는 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 가스중화층은, 건설폐토석, 석탄재, 고화슬러지 및 슬래그 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 알칼리성 재질로 구성되어, 상기 매립가스에 포함된 이산화탄소 및 황화수소 중 적어도 어느 하나에 의한 수소 이온 농도(pH)의 저감을 억제할 수 있다.
상기 메탄산화층은, 퇴비(compost), 펄라이트, 분말활성탄(Powdered Activated Carbon, PAC), 우드칩(woodchip), 모래 및 인공담채 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 다공질 매질로 구성 될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 바이오챔버 상에 설치되며, 상기 바이오챔버 내부의 음압을 유지하고, 메탄 산화 과정에서 생성된 이산화탄소를 외부로 배출하는 환기팬을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템은 매립층의 전역에 걸쳐 시공되는 공기 확산관을 통하여 공기가 매립지 내부의 넓은 범위에 빠른 속도로 확산되도록 할 수 있다. 따라서 유기성 폐기물에 대한 호기성 반응을 촉진하여 분해 효율을 높임으로써, 매립지를 조기에 안정화 시킬 수 있다.
또한 메인 공기공급관을 침출수 집배수관과 일체 또는 그 내부에 삽관하는 구조로 형성함으로써, 매립지 조성 과정에서 추가 비용이나 공정을 최소화 할 수 있다. 또한 분기 공기공급관과 공기 확산관 사이에 신축이음 결합함으로써, 매립지의 환경변화에 따라 매립층의 높이 가변시에도 공기 확산관이 파손되는 것을 억제할 수 있다. 또한 분기 공기공급관을 다단 구조로 형성하여, 매립량에 따라 분기 공기공급관 확장 및 공기 확산관을 추가할 수 있다. 폐기물 매립 작업 방해를 최소화하면서도, 매립층의 높이 방향 전역에 걸쳐 공기 확산관을 효율적으로 설치할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 공기 공급장치는 블로어를 통하여 공기를 강제 주입함으로써, 공기를 보다 효율적으로 매립지 전역에 걸쳐 공급할 수 있다.
또한 메탄가스 저감장치는 준호기성 매립지 및/또는 매립가스 자원화가 중지된 매립지에 대해 메탄가스 저감장치를 적용함으로써, 생물학적 메탄 산화 공정으로 메탄가스 발생을 저감할 수 있다. 즉, 본 발명은 알칼리성 물질로 구성된 가스중화층을 설치함으로써, 이산화탄소 및 황화수소에 의한 pH 저감을 억제하여 메탄산화 조건에 최적화 할 수 있다. 또한 바이오챔버는 폐쇄된 상태로 운영되므로, 강우나 온도 조건 등의 외부 환경으로부터의 영향을 최소화 할 수 있다. 이 바이오챔버는 공기주입부와 환기팬에 의하여 음압이 일정하게 유지되므로, 주입 공기량과 매립가스의 유량을 일정하게 제어할 수 있다.
도 1은 일반적인 매립가스 배제 시설을 구비한 폐기물 매립지를 보인 개략적인 도면.
도 2는 폐기물 매립지의 매립연한에 따른 메탄가스 발생량 변화 및 매립지 발생가스의 회수율을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템을 적용한 폐기물 매립지를 보인 개략적인 도면.
도 4는 도 3의 개략적인 단면도.
도 5 및 도 6 각각은 메인 공기공급관과 분기 공기공급관의 배관 구조를 보인 개략적인 도면.
도 7는 다른 실시예에 따른 메인 공기공급관과 분기 공기공급관의 배관 구조를 보인 개략적인 부분 단면도.
도 8 및 도 9 각각은 분기 공기공급관과 공기 확산관 사이의 신축이음 구조를 보인 개략적인 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템의 메탄가스 저감장치를 보인 개략적인 단면도.
도 11은 비교예와 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템의 메탄가스 저감장치를 적용한 폐기물 매립지의 매립가스 발생량 및 유출량 변화를 비교하여 나타낸 그래프.
도 12는 비교예와 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지 각각의 메탄가스 저감장치의 적용한 폐기물 매립지의 메탄 발생량 대비 메탄 유출량의 관계를 나타낸 그래프.
도 2는 폐기물 매립지의 매립연한에 따른 메탄가스 발생량 변화 및 매립지 발생가스의 회수율을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템을 적용한 폐기물 매립지를 보인 개략적인 도면.
도 4는 도 3의 개략적인 단면도.
도 5 및 도 6 각각은 메인 공기공급관과 분기 공기공급관의 배관 구조를 보인 개략적인 도면.
도 7는 다른 실시예에 따른 메인 공기공급관과 분기 공기공급관의 배관 구조를 보인 개략적인 부분 단면도.
도 8 및 도 9 각각은 분기 공기공급관과 공기 확산관 사이의 신축이음 구조를 보인 개략적인 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템의 메탄가스 저감장치를 보인 개략적인 단면도.
도 11은 비교예와 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템의 메탄가스 저감장치를 적용한 폐기물 매립지의 매립가스 발생량 및 유출량 변화를 비교하여 나타낸 그래프.
도 12는 비교예와 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지 각각의 메탄가스 저감장치의 적용한 폐기물 매립지의 메탄 발생량 대비 메탄 유출량의 관계를 나타낸 그래프.
이하, 첨부한 도면들을 참고하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템을 적용한 폐기물 매립지를 보인 개략적인 도면이고, 도 4는 도 3의 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템은 폐기물에서 발생한 침출수를 집수 및 배수하는 침출수 집배수관을 구비하는 폐기물 매립지 내부로 공기를 주입하는 공기 공급장치(100)와, 폐기물 매립층(221)의 폐기물 분해 과정에서 발생된 메탄가스를 저감하는 메탄가스 저감장치(200)를 포함한다.
상기 공기 공급장치(100)는 메인 공기공급관(120)과, 복수의 분기 공기공급관(130) 및 복수의 공기 확산관(140)을 포함하여, 매립지 외부에서 주입된 공기를 폐기물 매립층(221) 내부에 분산 공급한다. 메인 공기공급관(120)은 일단이 매립지 외부와 연결되어 외부 공기를 매립지 내부로 공급한다. 메인 공기공급관(120)은 상기 침출수 침배수관(111)과 일체로 형성되거나, 상기 침출수 집배수관(111)의 내부와 외부 중 적어도 어느 하나에 형성에 형성될 수 있다.
분기 공기공급관(130)은 상기 메인 공기공급관(120)의 적어도 둘 이상의 위치에서 분기되며, 매립지의 매립층 내부에 형성된다. 이 분기 공기공급관(130)은 복수의 제1 및 제2분기 공기공급관(131)(135)을 포함할 수 있다. 제1분기 공기공급관(131)은 메인 공기공급관(120)에서 분기되며, 폐기물 매립지의 하부에 공기를 분배한다. 즉 제1분기 공기공급관(131)은 메인 침출수 집배수관과 헤링본(1Herring bone) 형상으로 연결되는 서브 침출수 집배수관의 내부 및/또는 외부에 설치되는 것으로, 폐기물 매립지의 하부에 수평방향으로 배치된다.
제2분기 공기공급관(135)은 폐기물의 적층 방향 즉 매립지의 높이 방향으로 상기 복수의 제1분기 공기공급관(131) 각각의 적어도 둘 이상의 위치에서 분기된다. 여기서, 제2분기 공기공급관(135)은 폐기물 매립 높이에 따라 길이가 연장 가능한 다단 구조로 형성될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
공기 확산관(140)은 매립지의 매립층 내부에 형성되며, 복수의 분기 공기공급관(130) 각각의 적어도 둘 이상의 위치에서 분기된다. 예를 들어 공기 확산관(140)은 상기 제2분기 공기공급관(135)의 각 단부에서 연장 형성될 수 있다. 이 공기 확산관(140)의 일단은 분기 공기공급관(130)과 연통되고 타단은 개방되어 있다. 따라서 이 공기 확산관(140)을 통하여, 매립지 내부에 공기가 잘 통하지 않은 영역까지 공기를 확산 주입할 수 있다.
도 5 및 도 6 각각은 공기 공급장치(100)의 메인 공기공급관과 분기 공기공급관의 배관 구조를 보인 개략적인 도면이다.
도 5 및 도 6를 참조하면, 침출수 집배수관(111)은 내부 공간이 분리판(112)에 의하여 침출수가 이동하는 제1공간(111a)과, 공기가 이동하는 제2공간(111b)으로 분리된다. 제1공간(111a)은 침출수가 만관시에는 침출수(1W)만 이동하는 경로로 사용되며, 연통된 일부 빈 공간이 존재하는 경우는 침출수(1W)는 배출되고 공기는 주입되는 경로로 이용될 수 있다.
여기서, 메인 공기공급관(120)은 제1 및 제2메인 공기공급경로(121)(125)를 포함한다. 제1메인 공기공급경로(121)는 침출수 집배수관(111)의 제1공간(111a)과 일체로 형성되며, 제1공간(111a)이 만관되지 않는 경우 분기 공기공급관(130)으로 공기를 공급한다. 즉 침출수 배수량이 적어 제1공간(111a) 중 적어도 일부가 비어 있는 경우 이 빈 공간을 통하여 공기를 주입할 수 있다. 제1메인 공기공급경로(121)에는 매립지 내부로 직접 공기를 주입하는 복수의 공기 주입홀(121a)이 형성될 수 있다. 이 공기 주입홀(121a)을 통하여 주입되는 공기는 매립지의 최하층 주변 폐기물의 호기성 분해를 촉진한다.
제2메인 공기공급경로(125)는 제2공간(111b)과 일체로 형성되며 제1공간(111a)의 만관여부와 관계없이 분기 공기공급관(130)으로 공기를 공급한다.
여기서 폐기물 매립지는 준호기성 매립지로 설계될 수 있다. 즉, 공기 공급은 매립지 내부와 외부의 온도차를 이용하여 외부 공기가 자연스럽게 매립지 내부로 유입이 되도록 구성 가능하다.
본 발명은 외부 공기를 상기 메인 공기공급관(120) 내부로 송풍하는 블로어(150)를 더 포함함으로써 호기성 매립지로 구성할 수 있다. 예를 들어, 상기 블로어(150)는 제2메인 공기공급경로(125)와 연결되어, 외부로부터 공기를 강제로 주입할 수 있다.
상기 분기 공기공급관(130)은 상기 제1메인 공기공급경로(121)와 연통되는 제1분기 공기공급경로와, 상기 제2메인 공기공급경로(125)와 연통되는 제2분기 공기공급경로를 포함할 수 있다. 도 5는 제1분기 공기공급관 개재없이 침출수 집배수관(111)에 대해 제2분기 공기공급관(135)이 직결된 것을 예로 들어 나타낸 것이다. 이 경우 제2분기 공기공급관(135)이 제1분기 공기공급경로이며, 이 제2분기 공기공급관(135)에 제3분기 공기공급관(137)이 제2분기 공기공급경로가 된다. 한편 침출수 집배수관(111)과 제2분기 공기공급관(135) 사이에 제1분기 공기공급관이 설치된 경우, 제1분기 공기공급관은 상기 제1 및 제2메인 공기공급경로(121)(125)와 실질상 동일한 구조의 경로를 포함할 수 있다. 이 경우 제1 및 제2분기 공기공급경로는 간접적으로 상기 제1 및 제2메인 공기공급경로(121)(125)와 연통된다.
도 5에 도시된 바와 같이 제1메인 공기공급경로(121) 중 적어도 일부가 개방시 상기 제1 및 제2분기 공기공급경로 모두를 통하여 공기를 주입할 수 있다. 한편 도 6에 도시된 바와 같이 제1메인 공기공급경로(121)가 침출수에 의하여 만관시 상기 제2분기 공기공급경로 즉 제3분기 공기공급관(137)을 통하여 공기를 주입할 수 있다. 여기서 제3분기 공기공급관(137)에는 다수의 공기배출공(137a)이 형성되어, 주입된 공기가 제1분기 공기공급경로 즉 제2분기 공기공급관(135) 내부로 배출되도록 한다. 따라서 제1 및 제2분기 공기공급경로를 통하여 공급되는 공기는 합쳐진 상태로 상기 공기 확산관(140)으로 주입된다.
여기서 다수의 공기배출공(137a)은 소정 높이 예를 들어 분리판(112)으로부터 5m 이상 높이에 설치될 수 있다. 이는 폐기물관리법에 명시된 바와 같이 법적 침출수 저류 수위는 5m를 초과하지 않아야 하는 점을 고려한 것이다. 이와 같이 공기배출공(137a)을 형성함으로써, 공기배출공(137a)을 통하여 침출수가 제2분기 공기공급경로로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
도 7는 본 발명의 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐기물 매립지의 공기 공급장치의 메인 공기공급관과 분기 공기공급관의 배관 구조를 보인 개략적인 부분 단면도이다.
도 7을 참조하면, 메인 공기공급관(120)은 침출수 집배수관(111)의 내부에 삽관 될 수 있다. 이 경우 분기 공기공급관(130)의 제1분기 공기공급경로를 구성하는 제2분기 공기공급관(125)은 침출수 집배수관(111)과 연통되고, 제2분기 공기공급경로를 구성하는 제3분기 공기공급관(137)은 메인 공기공급관(120)에 직접 연결되거나 제1분기 공기공급관(131)을 통하여 연결될 수 있다. 도 5 내지 도 7은 메인 공기공급관(120)이 침출수 집배수관(111)에 대해 일체로 형성된 경우와 침출수 집배수관(111)에 삽관된 경우를 예를 들어 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니며 메인 공기공급관(120)은 침출수 집배수관(111)의 외부에 별도로 시공될 수 있다.
이하, 도 8 및 도 9를 참조하면서 분기 공기공급관의 다단 구조 및 분기 공기공급관과 공기 확산관 사이의 신축 이음 구조를 설명하기로 한다.
도 8 및 도 9 각각은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지의 공기공급장치의 분기 공기공급관과 공기 확산관 사이의 신축이음 구조를 보인 개략적인 도면이다.
도 8을 참조하면, 제2분기 공기공급관(135)은 상호 체결 가능한 구조의 다단 구조로 구성될 수 있다. 즉 매립지의 폐기물 매립량에 따라 분기 공기공급관(130)의 길이를 높일 수 있도록, 제2분기 공기공급관(135)은 복수의 관(135a)(135b)으로 구성될 수 있다. 따라서 매립지 사용 중에는 폐기물이 일정 높이로 매립되면, 제2분기 공기공급관(135)에 대해 연장하고, 연장된 제2분기 공기공급관(135)에 대해 공기 확산관(140)을 결합할 수 있다. 제2분기 공기공급관(135)을 다단 연결함에 있어서, 도 6에는 나사 체결구조가 예시적으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 용접 등의 다양한 결합 구조로 변형 가능하다.
여기서 제2분기 공기공급관(135)의 개방된 최단부는 마개(139)에 의하여 폐쇄될 수 있다. 이를 통하여 분기 공기공급관(130)을 통하여 주입되는 공기가 바로 유출되지 않고 공기 확산관(140)을 통하여 매립지 내부로 확산되도록 할 수 있다.
공기 확산관(140)은 분기 공기공급관(130)에 대해 신축이음(1expansion joint)으로 연결될 수 있다. 여기서 신축이음은 공기 확산관(140)에 외력이 가해질 때, 공기 확산관(140)과 분기 공기공급관(130) 사이의 연결 구조가 파손되는 것을 방지한다. 신축이음의 일 예로서 도 8에 도시된 바와 같이 공기 확산관(140)의 연결부분을 주름구조(1bellows; 41)로 형성할 수 있다. 따라서 매립지 환경 변화 및 폐기물의 분해 과정에서 매립되는 폐기물의 높낮이 변화시, 공기 확산관(140)이 변형되도록 함으로써 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한 신축이음의 다른 예로서 도 9 도시된 바와 같이 공기 확산관(140)이 분기 공기공급관(130)에 대해 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다. 따라서 공기 확산관(140) 외력이 작용시 위치 가변되도록 함으로써 공기 확산관(140)의 파손을 완화할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템의 메탄가스 저감장치를 보인 개략적인 단면도이다.
도 10을 참조하면, 메탄가스 저감장치(200)는 폐기물 매립층(221)의 폐기물 분해 과정에서 발생된 메탄가스를 저감하는 것으로, 폐기물 매립층(221) 상의 일부 영역에 설치되는 바이오챔버(237), 가스분산층(231), 가스중화층(233), 메탄산화층(235) 및 공기주입부(240)를 포함한다. 또한 폐기물 매립층(221)과 가스분산층(231) 사이에 설치되어, 상기 폐기물 매립층(221)의 폐기물 분해과정에서 발생된 가스를 회수하는 가스회수층(223)을 더 포함할 수 있다.
여기서 폐기물 매립층(221)은 중소형 매립지 및 매립가스 자원화가 중지된 폐기매립지이다. 이 폐기물 매립지는 상기 가스회수층(223) 상에 순차로 형성된 차단층(225), 우수배제층(227) 및 식생대층(229)을 포함한다. 차단층(225)은 가스회수층(223) 상에 설치되어, 상기 가스회수층(223)에서 회수된 가스가 외부로 직접 배출되지 않도록 차단한다. 우수배제층(227)은 상기 차단층(225) 상에 설치되어, 매립지 외부로부터 유입되는 우수(2雨水)가 폐기물 매립층(221)으로 유입되지 않도록 한다. 식생대층(229)은 폐기물 매립지에 최종적으로 복토되는 층으로, 우수배제층 상에 외부로 노출 가능하게 설치된다.
상기 바이오챔버(237)는 가스회수층(223) 상의 일부 영역에 설치된다. 즉 차단층(225), 우수배제층(227) 및 식생대층(229)의 일부가 제거된 상태로 설치된다. 이 바이오챔버(237)는 상기 가스분산층(231), 상기 가스중화층(233) 및 상기 메탄산화층(235)이 폐쇄된 상태를 유지하도록 한다.
가스분산층(231)은 바이오챔버(237)의 최하부에 설치되며, 상기 폐기물 매립층에서 회수된 매립가스를 소정 영역으로 분산시킨다. 즉 매립가스 및 주입공기가 메탄산화층(235)에 균일하게 주입될 수 있도록 한다. 또한 이 가스분산층(231)은 매립가스에 포함된 수분이 응축되는 경우 수분을 배제하는 기능을 한다.
공기주입부(240)는 가스분산층(231) 내부에 연결되어, 메탄산화에 필요한 공기를 주입한다. 이 공기주입부(240)는 공기유입관(241) 및 공기배출관(243)을 포함한다. 공기유입관(241)은 일단이 폐기물 매립지 외부와 연결되고, 타단이 상기 가스분산층 내부에 위치된다. 이 공기유입관(241)을 통하여 외부 공기가 폐기물 매립지 내부로 유입된다. 공기배출관(243)은 상기 공기유입관(241)과 연통되며, 상기 가스분산층(231) 내부에 형성된다. 이 공기배출관(243)의 외주에는 다수의 배출공이 형성도어, 상기 공기유입관(241)을 통하여 유입된 공기를 상기 가스분산층(231) 내부로 분산 주입한다.
상기 공기주입부(240)는 상기 공기유입관(241)에 설치되어, 상기 가스분산층 내부로 주입되는 공기량을 조절하는 밸브(245)를 더 포함할 수 있다. 따라서 후술하는 환기팬(239) 및 밸브(245) 제어를 통하여, 바이오챔버(237) 내부의 음압유지 및 메탄가스가 외부로 유출되는 것을 억제한다.
가스중화층(233)은 가스분산층(231) 상에 설치되며, 매립가스에 포함된 이산화탄소 및/또는 황화수소를 중화시킨다. 이를 위하여, 가스중화층(233)은 건설폐토석, 석탄재, 고화슬러지, 슬래그 등의 알칼리성 재질로 구성된다. 이 가스중화층(233)은 매립가스에 포함된 이산화탄소 및/또는 황화수소에 의한 수소 이온 농도(pH)의 저감을 억제한다. 이에 따라 메탄산화 조건에 최적화할 수 있다.
메탄산화층(235)은 가스중화층(233) 상에 설치되며, 매립가스에 포함된 메탄가스를 이산화탄소로 산화시키는 메탄산화미생물을 포함한다. 이 메탄산화층(235)은 활성화된 메탄산화미생물이 메탄을 이산화탄소로 산화시킨다(CH4 + 2O2 ? CO2 + 2H2O).
메탄산화층(235)은 매립가스의 유동이 원활하고, 수분유지 및 미생물이 활성화된 다공질 매질로 구성될 수 있다. 메탄산화층(235)의 다공질 매질은 0.5 내지 2mm의 입경을 가질 수 있다. 이 메탄산화층(235)은 퇴비(compost), 펄라이트, 분말활성탄(Powdered Activated Carbon, PAC), 우드칩(woodchip), 모래, 인공담채 등의 재질로 구성될 수 있다. 따라서 메탄산화층(235)은 유입된 가스의 유동 원활화, 수분유지 및 상기 메탄산화미생물을 활성화할 수 있다.
또한 메탄가스 저감장치(200)는 바이오챔버(237) 상에 설치되는 환기팬(239)을 더 포함할 수 있다. 이 환기팬(239)은 바이오챔버(237) 내부의 음압을 유지하고, 메탄 산화 과정에서 생성된 이산화탄소를 외부로 배출한다. 즉, 환기팬(239)은 공기주입부(240)의 밸브와 함께 조절되어, 메탄가스가 폐기물 매립지 표면으로 유출되지 않고, 챔버로 포집되도록 음압을 유지하도록한다.
도 11은 비교예와 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지의 메탄가스 저감장치의 적용한 폐기물 매립지의 매립가스 발생량 및 유출량 변화를 비교하여 나타낸 그래프이며, 도 12는 비교예와 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립지 각각의 메탄가스 저감장치의 적용한 폐기물 매립지의 메탄 발생량 대비 메탄 유출량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 플레어 스택(Flare stack) 중단 및 매립지 발생가스 회수를 중단한 이후 매립가스 유출량을 살펴보면, 일반매립지 및 준호기성 전환된 매립지 대비 매립가스 유출량이 감소됨을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 메탄가스 저감장치를 적용한 경우, 일반매립지(혐기성 매립지)의 메탄유출량 대비 크게 감축할 수 이다(대략 90% 감축).
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 메탄가스 저감장치는 바이오챔버(237)가 폐쇄된 상태로 운전되므로, 외부 환경의 영향을 최소화 할 수 있다. 또한 환기팬(239)과 공기주입부(240)의 밸브(245) 제어를 통하여 미세한 유량 조절 및 바이오챔버(237) 내 음압 유지가 가능하므로, 일정한 메탄산화 속도가 일정하도록 할 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
100: 공기 공급장치 111: 침출수 집배수관
111a: 제1공간 111b: 제2공간
112: 분리판 120: 메인 공기공급관
121: 제1메인 공기공급경로 121a: 공기주입홀
125: 제2메인 공기공급경로 130: 분기 공기공급관
131: 제1분기 공기공급관 135: 제2분기 공기공급관
137: 제3분기 공기공급관 137a: 공기배출공
139: 마개 140: 공기 확산관
150: 블로어
200: 메탄가스 저감장치 221: 폐기물 매립층
223: 가스회수층 225: 차단층
227: 우수배제층 229: 식생대층
230: 메탄가스 저감장치 231: 가스분산층
233: 가스중화층 235: 메탄산화층
237: 바이오챔버 239: 환기팬
240: 공기주입부 241: 공기유입관
243: 공기배출관 245: 밸브
111a: 제1공간 111b: 제2공간
112: 분리판 120: 메인 공기공급관
121: 제1메인 공기공급경로 121a: 공기주입홀
125: 제2메인 공기공급경로 130: 분기 공기공급관
131: 제1분기 공기공급관 135: 제2분기 공기공급관
137: 제3분기 공기공급관 137a: 공기배출공
139: 마개 140: 공기 확산관
150: 블로어
200: 메탄가스 저감장치 221: 폐기물 매립층
223: 가스회수층 225: 차단층
227: 우수배제층 229: 식생대층
230: 메탄가스 저감장치 231: 가스분산층
233: 가스중화층 235: 메탄산화층
237: 바이오챔버 239: 환기팬
240: 공기주입부 241: 공기유입관
243: 공기배출관 245: 밸브
Claims (12)
- 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템에 있어서,
폐기물에서 발생한 침출수를 집수 및 배수하는 침출수 집배수관을 구비하는 폐기물 매립지 내부로 공기를 주입하는 폐기물 매립지의 공기 공급장치와;
폐기물 매립층의 폐기물 분해 과정에서 발생된 메탄가스를 저감하는 폐기물 매립지의 메탄가스 저감장치를 포함하며,
상기 폐기물 매립지는 폐기물 매립층과; 상기 폐기물 매립층 상에 설치되어, 상기 폐기물 매립층에서 배출된 가스가 외부로 직접 배출되지 않도록 차단하는 차단층과; 상기 차단층 상에 설치되어, 매립지 외부로부터 유입되는 우수(雨水)가 상기 폐기물 매립층으로 유입되지 않도록 하는 우수배제층 및 폐기물 매립지에 최종적으로 복토되는 식생대층을 포함하고,
상기 공기 공급장치는,
외부 공기를 상기 폐기물 매립지 내부로 공급하는 것으로, 상기 침출수 집배수관과 일체로 형성되거나 상기 침출수 집배수관의 내부 및/또는 외부에 형성되는 메인 공기공급관과; 상기 메인 공기공급관의 적어도 둘 이상의 위치에서 분기되며, 상기 매립지의 매립층 내부에 형성되는 복수의 분기 공기공급관과; 상기 복수의 분기 공기공급관 각각의 적어도 둘 이상의 위치에서 분기되고 상기 매립지의 매립층 내부에 형성되며, 일단은 상기 분기 공기공급관과 연통되고 타단은 개방된 복수의 공기 확산관을 포함하여, 매립지 외부에서 주입된 공기를 상기 매립층의 내부에 분산 공급하며,
상기 메탄가스 저감장치는,
상기 차단층, 상기 우수배제층 및 상기 식생대층의 일부가 제거된 상태로, 상기 폐기물매립층 상의 일부 영역에 설치되는 바이오챔버와; 상기 바이오챔버의 최하부에 설치되며, 상기 폐기물 매립층에서 회수된 매립가스를 소정 영역으로 분산시키며, 상기 매립가스에 포함된 수분을 배제하는 가스분산층과; 상기 가스분산층 상에 설치되며, 상기 매립가스에 포함된 이산화탄소 및 황화수소 중 적어도 어느 하나를 중화시키는 가스중화층과; 상기 가스중화층 상에 설치되며, 상기 매립가스에 포함된 메탄가스를 이산화탄소로 산화시키는 메탄산화미생물을 포함하는 메탄산화층을 포함하며,
상기 바이오챔버는 상기 가스분산층, 상기 가스중화층 및 상기 메탄산화층이 폐쇄된 상태를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 침출수 집배수관은 내부 공간이 분리판에 의하여 침출수가 이동하는 제1공간과, 공기가 이동하는 제2공간으로 분리되며,
상기 메인 공기공급관은
상기 제1공간과 일체로 형성되며, 상기 제1공간이 만관되지 않은 경우 상기 분기 공기공급관으로 공기를 공급하는 제1메인 공기공급경로와;
상기 제2공간과 일체로 형성되며, 상기 제1공간의 만관여부와 관계없이 상기 분기 공기공급관으로 공기를 공급하는 제2메인 공기공급경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 제1메인 공기공급경로는 상기 침출수 집배수관과 일체로 형성되며,
상기 분기 공기공급관은
상기 제1메인 공기공급경로와 연통되는 제1분기 공기공급경로와, 상기 제2메인 공기공급경로와 연통되는 제2분기 공기공급경로를 포함하여,
상기 제1메인 공기공급경로가 침출수에 의하여 만관시 상기 제2분기 공기공급경로를 통하여 공기를 주입하고, 상기 제1메인 공기공급경로 중 적어도 일부가 개방시 상기 제1 및 제2분기 공기공급경로를 통하여 공기를 주입할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 분기 공기공급관은
상기 메인 공기공급관에서 분기되며, 폐기물 매립지의 하부에 공기를 분배하는 복수의 제1분기 공기공급관과;
상기 폐기물의 적층 방향으로 상기 복수의 제1분기 공기공급관 각각의 적어도 둘 이상의 위치에서 분기되는 복수의 제2분기 공기공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 공기 확산관은 상기 분기 공기공급관에 대해 신축이음으로 연결되어,
폐기물 매립지 환경 및 매립되는 폐기물의 높낮이 변화시, 상기 공기 확산관이 파손되는 것을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제1항에 있어서,
외부 공기를 상기 메인 공기공급관 내부로 송풍하는 블로어를 더 포함하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폐기물 매립층과 상기 가스분산층 사이에 설치되어, 상기 폐기물 매립층의 폐기물 분해과정에서 발생된 가스를 회수하는 가스회수층을 더 포함하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스분산층 내부에 연결되어, 메탄산화에 필요한 공기를 주입하는 공기주입부를 더 포함하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 공기주입부는
일단이 폐기물 매립지 외부와 연결되고, 타단이 상기 가스분산층 내부에 위치되어, 외부 공기를 폐기물 매립지 내부로 유입하는 공기유입관과;
상기 가스분산층 내부에 형성되며, 상기 공기유입관과 연통되어, 상기 공기유입관을 통하여 유입된 공기를 상기 가스분산층 내부로 분산 주입하는 공기배출관과;
상기 공기유입관에 설치되어, 상기 가스분산층 내부로 주입되는 공기량을 조절하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스중화층은,
건설폐토석, 석탄재, 고화슬러지 및 슬래그 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 알칼리성 재질로 구성되어,
상기 매립가스에 포함된 이산화탄소 및 황화수소 중 적어도 어느 하나에 의한 수소 이온 농도(pH)의 저감을 억제하는 것을 특징으로 하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메탄산화층은,
퇴비(compost), 펄라이트, 분말활성탄(Powdered Activated Carbon, PAC), 우드칩(woodchip), 모래 및 인공담채 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 다공질 매질로 구성 된 것을 특징으로 하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오챔버 상에 설치되며, 상기 바이오챔버 내부의 음압을 유지하고, 메탄 산화 과정에서 생성된 이산화탄소를 외부로 배출하는 환기팬을 더 포함하는 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020170127973A KR102000586B1 (ko) | 2017-09-29 | 2017-09-29 | 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020170127973A KR102000586B1 (ko) | 2017-09-29 | 2017-09-29 | 폐기물 매립지에서의 하이브리드 메탄 산화 시스템 |
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ID=66164236
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