KR102122734B1

KR102122734B1 - 유기 고형물로부터 바이오가스를 생산하는 혐기 소화 장치

Info

Publication number: KR102122734B1
Application number: KR1020190158204A
Authority: KR
Inventors: 김수명; 베언하르트-마티아스 모라베
Original assignee: 김수명
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2020-06-17
Also published as: DE112020005266T5; WO2021112440A1

Abstract

본 발명은 혐기 미생물을 이용하여 유기 고형물로부터 바이오가스를 생산하는 혐기 소화 장치에 관한 것으로, 외부로부터 밀폐된 용기인 외통과, 상기 외통 안에 수직으로 설치되어 상기 외통을 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부로 구분하는 내통을 포함하는, 혐기 소화 반응기; 상기 내부 혐기 반응부 안에서 상기 내통의 높이보다 낮게 수직으로 설치되어 상기 내부 혐기 반응부의 액체를 상기 외부 혐기 반응부로 안내하는 액체 역류관과, 상기 액체 역류관의 개폐를 조절하는 액체 역류 밸브; 및 상기 외부 혐기 반응부로부터 내부 혐기 반응부로 액체를 이송하기 위한 임펄스 혼합기;를 포함하며, 상기 액체 역류 밸브가 잠긴 상태에서 상기 임펄스 혼합기의 작동에 의해 상기 외부 혐기 반응부에서 내부 혐기 반응부로 액체를 이송하고, 이에 의해 발생하는 상기 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부 사이의 수위차에 의해 상기 액체 역류 밸브가 개방되면 액체가 상기 액체 역류관을 통해 상기 내부 혐기 반응부에서 외부 혐기 반응부로 이송되면서 상기 혐기 소화 반응기 내의 액체가 혼합되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 혐기 소화 장치에서는 유기 고형물과 혐기 미생물의 체류 시간이 연장되고 균일한 혼합이 가능하여 유기 고형물의 소화 효율이 향상되고 바이오가스의 생산량이 증가될 수 있다.

Description

유기 고형물로부터 바이오가스를 생산하는 혐기 소화 장치{ANAEROBIC DIGESTION APPARATUS FOR PRODUCING BIOGAS FROM ORGANIC WASTES}

본 발명은 유기 고형물로부터 바이오가스를 생산하는 혐기 소화 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 폐수나 유기성 폐기물에 함유된 유기 고형물로부터 산소 없이 유기물을 분해하는 혐기 미생물을 이용하여 에너지로 이용할 수 있는 메탄(CH₄)이 함유된 바이오가스를 생산하는 혐기 소화 장치에 관한 것이다.

유기 고형물을 고농도로 함유하고 있는 축산분뇨, 음식물쓰레기, 하수슬러지 또는 식품공장 및 도축장에서 발생하는 유기성 폐기물로부터 재생 가능한 에너지인 메탄가스를 함유한 바이오가스를 회수할 수 있는 혐기 소화 장치에 대한 관심이 증대되고 있으며, 더 경제적이고 시공 및 운전이 용이한 콤팩트한 혐기 소화 장치가 요구되고 있다.

일반적으로, 바이오가스를 생산하는 혐기 소화 장치는 유기 고형물을 밀폐된 용기에 담아서 혐기 미생물이 메탄 및 이산화탄소가 대부분인 바이오가스로 소화시키도록 하는 장치이다. 이와 같이 산소가 존재하지 않는 환경에서 성장하는 혐기성 미생물이 유기 고형물을 바이오 가스로 전환하는 생화학적 반응 중 가장 중요한 단계는, 혐기성 미생물이 유기 고형물로부터 초산(CH₃COOH)과 같은 여러 종류의 유기산들인 중간생성물을 만드는 산 생성 단계와, 산 생성 단계에서 생성된 유기산을 메탄 박테리아가 메탄(CH₄)으로 전환하는 메탄 생성 단계이다. 이들의 각 반응 단계에서 작용하는 미생물의 종과 성장조건은 서로 다르다.

효과적인 생화학 반응을 위하여 혐기 소화 장치는 혐기 미생물들이 빠른 속도로 증식하여 유기 고형물을 최대한 소화하여 바이오가스로 전환 할 수 있도록 최적의 물리적 및 생물학적 환경을 제공하고 유지할 수 있도록 구성되어야 하는데, 특히 혐기 소화 장치의 용기 내에서 증식한 혐기성 미생물과 먹이인 유기 고형물이 체류하는 시간을 길게 확보하고 서로 혼합이 잘 이루어질 수 있게 하는 공정이 필수적으로 요구된다.

종래의 혐기 소화 장치의 경우, 폭과 높이의 비율이 1:1 이하로서 수심이 낮고 폭이 넓은 형태의 용기에 유기 고형물이 연속적으로 투입되며, 미생물과 유기 고형물의 혼합은 프로펠러 형태나 페들형의 교반기를 이용해 기계적으로 교반하거나 또는 생산된 바이오가스를 이용한 압력차나 산기식 교반 방식으로 이루어졌다. 이러한 종래의 혐기 소화 장치에서는 혐기 미생물과 유기 고형물이 충분한 체류 시간을 갖지 못하고 용기 밖으로 배출되며, 프로펠러 형태나 페들형의 교반기를 이용한 혼합은 균일하지 못하고 혼합 효율이 떨어지며 넓은 단면적을 가진 용적에 혼합을 위한 기계적 교반기를 여러 대 설치해야 하여 구동에 많은 동력이 소모될 뿐 아니라, 하나의 용적에서 혐기 소화의 모든 단계가 수행되기 때문에 산 생성 단계와 메탄 생성 단계 등 작용하는 미생물의 종과 성장조건이 서로 다른 단계들이 동일한 환경 조건에서 수행되어 유기 고형물의 혐기 분해율이 낮고 바이오가스 생산량도 떨어지는 문제점들이 있었다.

또한, 단일 용기를 2단 직렬로 배열한 다단의 혐기 소화 장치가 사용되었으나, 이러한 장치도 유기 고형물의 체류시간이 짧을 뿐 아니라 기계적 교반 장치의 불균일한 혼합에 의해 사구역(dead zone)이 형성되어 비중이 큰 고형물 및 미세 협잡물들이 배출되지 못하고 용기 하부에 침적되어 시간이 지나면서 용기의 유효용량이 감소한다. 이로 인하여 혐기 반응 용기의 유효용적 m³당 처리할 수 있는 유기 고형물(kgVS)을 나타내는 지표인 유기 고형물 부하율(kgVS/m³×d)이 낮아지고 혐기 소화 반응기의 단위 용적당 유기 고형물의 소화율이 떨어질 뿐 아니라, 여러 용기들이 분리되어 다단으로 구성되기 때문에 용기들을 시공하고 운영하는 비용이 많이 소요되며 그에 상응하는 설치 면적이 많이 요구되는 문제점들이 있었다.

본 발명은 이상과 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 혐기 미생물과 유기 고형물의 혼합 효율을 향상시키고 용기내 체류시간을 최대한 증가시켜 유기 고형물의 소화율을 높이고 바이오가스의 생산량을 극대화하면서도, 설비 시공과 운전 비용이 낮고 설치 면적이 크지 않은 혐기 소화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 혐기 미생물을 이용하여 유기 고형물로부터 바이오가스를 생산하는 혐기 소화 장치는, 외부로부터 밀폐된 용기인 외통과, 상기 외통 안에 수직으로 설치되어 상기 외통을 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부로 구분하는 내통을 포함하는, 혐기 소화 반응기; 상기 내부 혐기 반응부 안에서 상기 내통의 높이보다 낮게 수직으로 설치되어 상기 내부 혐기 반응부의 액체를 상기 외부 혐기 반응부로 안내하는 액체 역류관과, 상기 액체 역류관의 개폐를 조절하는 액체 역류 밸브; 및, 상기 외부 혐기 반응부로부터 내부 혐기 반응부로 액체를 이송하기 위한 임펄스 혼합기;를 포함하며, 상기 액체 역류 밸브가 잠긴 상태에서 상기 임펄스 혼합기의 작동에 의해 상기 외부 혐기 반응부에서 내부 혐기 반응부로 액체를 이송하고, 이에 의해 발생하는 상기 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부 사이의 수위차에 의해 상기 액체 역류 밸브가 개방되면 액체가 상기 액체 역류관을 통해 상기 내부 혐기 반응부에서 외부 혐기 반응부로 자연 유하로 이송되면서 상기 혐기 소화 반응기 내의 액체가 혼합된다.

바람직하게는, 상기 임펄스 혼합기의 작동에 의해 이송되는 액체의 양은 상기 외부 혐기 반응부의 유효 용적의 5% 이하이다.

또한, 바람직하게는, 상기 내부 혐기 반응부 내에서 상기 액체 역류관의 높이는 상기 내부 혐기 반응부의 바닥으로부터 상기 내통의 높이의 3/4 이상이고, 상기 외부 혐기 반응부 내에서 상기 액체 역류관의 높이는 상기 외부 혐기 반응부의 바닥으로부터 0.8 내지 1.5 m이다.

이와 같은 구성되는 본 발명에 따른 혐기 소화 장치에서는 유기 고형물과 혐기 미생물이 반응기 내의 서로 분할된 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부를 모두 거치는 동시에 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부 사이의 추가적인 액체의 이송 과정들을 거치기 때문에 반응기 내 유기 고형물과 혐기 미생물의 체류 시간이 충분히 연장되고 혼합될 수 있다.

바람직한 일 실시형태에 따르면, 혐기 소화 반응기의 외부 혐기 반응부와 내부 혐기 반응부에는 다수의 천공을 가진 하나 이상의 임펄스 혼합 유도판이 수평으로 가로질러 설치된다. 이 경우 상기 임펄스 혼합기의 작동에 의해 외부 혐기 반응부에서 내부 혐기 반응부로 액체를 이송하면, 상기 외부 혐기 반응부 내에는 액체의 하향류가 발생하고 상기 내부 혐기 반응부 내에는 액체의 상향류가 발생하여 상기 임펄스 혼합 유도판의 다수의 천공을 빠른 유속으로 통과하면서 액체 제트 전단력에 의해 유기 고형물과 혐기 미생물이 균일하게 혼합된다. 또한, 이 경우 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부 사이에는 수위차가 발생하게 되며, 따라서 액체 역류 밸브가 개방되면, 이러한 수위차에 의해 상기 액체 역류관을 통해 내부 혐기 반응부에서 외부 혐기 반응부로 액체가 자연 유하로 이송되면서 외부 혐기 반응부 내에 액체의 상향류가 발생하고 상기 임펄스 혼합 유도판의 다수의 천공을 빠른 유속으로 통과하면서 액체의 유기 고형물과 혐기 미생물이 다시 균일하게 혼합된다.

바람직하게는, 상기 임펄스 혼합 유도판은 혐기 소화 반응기의 높이를 따라 소정 간격으로 3단 이상 설치되며, 다수의 천공은 임펄스 혼합 유도판 상에 균일하게 배치되고, 바람직하게는 임펄스 혼합 유도판 면적의 40% 이내이며, 각각의 천공은 원형 또는 사각형 형상을 가질 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 혐기 소화 장치에서는 용기 내 별도의 교반장치가 없이 혐기 미생물과 유기 고형물을 포함하는 액체가 임펄스 혼합 유도판의 다수의 천공을 빠른 유속으로 통과하는 것만으로 액체 제트 전단력에 의해 사각지대 없이 균일하고 완전한 혼합이 이루어지게 된다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 내부 혐기 반응부에는 유기 고형물을 유입하기 위한 유기물 유입관이 제공되고, 상기 외부 혐기 반응부에는 소화된 액체를 배출하기 위한 소화물 배출관이 연결될 수 있다.

또 다른 실시형태에서, 상기 외통 내에서 상기 내통은 상부가 개방되도록 수직으로 설치되며, 상기 외통과 내통이 개방된 혐기 소화 반응기의 상단에는 유기 고형물의 혐기 소화로 생성된 바이오가스를 포집하는 가스 포집부와 상기 가스 포집부에서 포집된 바이오가스를 혐기 소화 반응기 밖으로 배출하는 가스 배출구가 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 액체 역류 밸브가 잠긴 상태에서 상기 임펄스 혼합기의 작동에 의한 소정량의 액체의 이송과 그 후 다시 액체 역류 밸브의 개방에 의한 액체 역류관을 통한 액체의 이송은 교대로 복수회 반복될 수 있다.

이때, 바람직하게는, 상기 내부 혐기 반응부에서는 유기 고형물의 혐기 소화 중 산 생성 단계가 수행되고, 상기 외부 혐기 반응부에서는 유기 고형물의 혐기 소화 중 메탄 생성 단계가 수행되도록 구성될 수 있다. 즉, 내부 혐기 반응부에는 산 생성 단계가 수행될 수 있는 최적의 상태를 조성하고, 외부 혐기 반응부에는 메탄 생성 단계가 수행될 수 있는 최적의 상태를 조성하는 것이다.

일 실시형태에서, 상기 내부 혐기 반응부 및 외부 혐기 반응부의 유효 용적의 비율은 1:1 일 수 있다. 그러나, 유기 고형물이 혐기 미생물에 의해 분해되는 특성에 따라, 더 구체적으로 유기 고형물이 중간생성물인 유기산으로 분해되는 속도가 빠른 경우, 산 생성 단계가 수행되는 내부 혐기 반응부의 유효 용적을 줄일 수 있으며, 바람직하게는 내부 혐기 반응부 및 외부 혐기 반응부의 유효 용적의 비율이 0.2:1 까지 감소될 수 있다.

다른 실시형태에서, 상기 내부 혐기 반응부 바닥에는 침전콘이 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 유기물 유입관은 내부 혐기 반응부의 하단에서 상기 침전콘의 가장자리 안쪽까지 연장되도록 형성되며, 이에 따라 상기 유기물 유입관을 통해 유입되는 미세 협잡물들이나 비중이 큰 고형물들이 침전콘에서 침전되어 바로 배출될 수 있다.

본 발명에 따른 혐기 소화 장치는, 하나의 타워형 밀폐 용기로 구성되는 혐기 소화 반응기의 내부에 내통을 설치하여 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부로 분할하고 내부 혐기 반응부로 유입된 유기 고형물이 액체의 관류형 흐름을 따라 이동하도록 구성함으로써, 반응기 내에서 유기 고형물과 혐기 미생물의 체류 시간을 연장하여 유기 고형물의 소화 효율을 향상시키고 바이오가스의 생산량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 임펄스 혼합기에 의해 외부 혐기 반응부의 액체를 소정량 내부 혐기 반응부로 이송하고, 이에 따른 수위차에 의해 내부 혐기 반응부의 액체를 액체 역류관을 통해 외부 혐기 반응부로 이송하여 반응기 내에서 유기 고형물과 혐기 미생물의 체류 시간을 추가로 연장함은 물론, 이에 의해 내부 혐기 반응부 및 외부 혐기 반응부에서 생성되는 액체의 상향류 또는 하향류가 임펄스 혼합 유도판의 다수의 천공을 빠른 유속으로 통과하면서 액체 제트 전단력을 생성하도록 함으로써 유기 고형물과 혐기 미생물이 반응기 전체에서 사구역(dead zone)없이 완전히 혼합될 수 있도록 하여 유기 고형물의 소화 효율을 더 향상시키고 바이오가스의 생산량을 증대시킬 수 있다.

또한, 혐기 소화 반응기의 분리된 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부에서 미생물의 성장 조건을 달리하는 혐기 소화의 산 생성 단계와 매탄 생성 단계가 각각 분리되어 수행될 수 있어 혐기 소화의 각 반응단계의 효율을 향상시켜 유기 고형물의 소화 효율을 더 향상시키고 바이오가스의 생산량을 증대시킬 수 있다.

더불어, 본 발명의 혐기 소화 장치의 혐기 소화 반응기는 하나의 일체형 밀폐 용기로 구성되고 별도의 교반 장치가 필요하지 않으므로 시공 및 운전 비용을 절감할 수 있고 설치 면적도 감소되며 유지 관리도 용이한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기 소화 장치의 단면도,
도 2는 도 1의 실시예에 따른 혐기 소화 장치에서 유기 고형물을 함유한 액체의 관류형 흐름에 따른 혼합 및 이송 경로를 표시한 도면이다.

이하에서는 본 발명을 첨부된 도면을 참조한 실시예를 통하여 더 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기 소화 장치의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 혐기 소화 장치는 하나의 타워형 밀폐 용기 형태의 혐기 소화 반응기(100)로 구성된다. 이 혐기 소화 반응기(100)는 직경과 높이의 비율이 1:2 또는 그 이하로 수직방향 길이가 더 긴 용기이고, 미생물의 혐기 소화를 위하여 외부로부터의 공기가 유입되지 않도록 기밀된 상태를 유지할 수 있다. 혐기 소화 반응기(100)에는 유기 고형물과 혐기 미생물을 포함한 액체가 채워져 산생성 단계 및 메탄 생성 단계를 포함하는 혐기 소화가 일어난다.

상기 혐기 소화 반응기(100)는 용기의 외형을 구성하는 외통(2)과, 그 내부에 수직으로 설치되어 용기의 내부 공간을 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2')로 분할하는 내통(1)을 포함한다.

상기 내부 혐기 반응부(1')에는 유기 고형물을 유입하기 위한 유기물 유입관(7)이 제공되고, 외부 혐기 반응부(2')에는 소화된 액체를 배출하기 위한 소화물 배출관(8)이 연결된다. 도시된 실시예에서, 상기 유기물 유입관(7)은 내부 혐기 반응부(1')의 하단에 제공되고, 소화물 배출관(8)은 외부 혐기 반응부(2')의 수면 위치에 연결된다.

상기 외통(2) 내에서 내통(1)은 상부가 개방되도록 수직으로 설치되며, 이에 따라 외통(2)과 내통(1)이 서로 개방된 부분에는 외통(2)과 내통(1)에서 유기 고형물의 혐기 소화로 생성된 바이오가스를 포집하기 위한 가스 포집부(11)와 가스 배출구(12)가 형성된다.

상기 내부 혐기 반응부(1') 안에는 상기 내통(1)의 높이보다 낮은 액체 역류관(6)이 수직으로 설치되며, 액체 역류관(6)은 외부 혐기 반응부(2')로 이어져 내부 혐기 반응부(1')의 액체를 외부 혐기 반응부(2')로 안내한다. 또한, 액체 역류관(6)에는 그 개폐를 조절하는 액체 역류 밸브(4)가 제공된다.

도시된 실시예에서, 상기 내부 혐기 반응부(1') 내에서 액체 역류관(6)의 높이는 내부 혐기 반응부(1')의 바닥으로부터 내통(1)의 높이의 3/4의 위치에 있으며, 이러한 액체 역류관(6)의 높이는 내통(1)의 높이의 3/4과 수면 사이에서 조정될 수 있다. 또한, 외부 혐기 반응부(2') 내에서 액체 역류관(6)의 높이는 외부 혐기 반응부의 바닥으로부터 0.8 내지 1.5 m인 것이 바람직하다.

상기 외부 혐기 반응부(2')에는 외부 혐기 반응부(2')의 액체를 내부 혐기 반응부(1')로 이송하기 위한 임펄스 혼합기(3)가 제공된다. 임펄스 혼합기(3)는 유압 펌프로 구성될 수 있다.

상기 혐기 소화 반응기(100)의 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2') 내부에는 다수의 천공을 가진 임펄스 혼합 유도판(5)이 수평으로 가로질러 설치되는데, 반응기의 높이에 따라 소정 간격으로 3단 이상으로 설치될 수 있다. 임펄스 혼합 유도판(5)의 간격은 최대 4 m 이내가 바람직하다. 임펄스 혼합 유도판(5)에는 다수의 천공이 균일하게 배치되는데, 천공의 크기는 액체의 상향류 또는 하향류가 빠른 유속으로 통과하면서 액체 제트를 형성할 수 있어야 하며, 전체 천공의 면적은 임펄스 혼합 유도판 면적의 40% 이내가 바람직하다. 각 천공의 형상은 원형 또는 사각형으로 형성될 수 있다.

즉, 상기 혐기 소화 반응기(100)는 외통(2)과 내통(1)을 포함하여 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2')로 분할된 일체형 용기로 구성되며, 유기물 유입관(7)을 통하여 내통(1)에 유기 고형물과 혐기 미생물을 포함한 액체가 채워지면 액체 역류관(6)을 통하여 내부 혐기 반응부(1')의 액체가 외부 혐기 반응부(2')로 안내된다. 이후, 액체 역류 밸브(4)가 잠긴 상태에서 임펄스 혼합기(3)를 작동시켜 외부 혐기 반응부(2')의 소정량의 액체를 내부 혐기 반응부(1')로 이송하면 외부 혐기 반응부(2') 내에는 액체의 하향류가 발생하고 내부 혐기 반응부(1') 내에는 액체의 상향류가 발생하여 액체가 임펄스 혼합 유도판(5)의 다수의 천공을 빠른 유속으로 통과하면서 액체 제트 전단력에 의하여 액체의 유기 고형물과 혐기 미생물이 균일하게 혼합되며, 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2') 사이에는 수위차가 발생한다. 이후, 액체 역류 밸브(4)를 다시 개방하면, 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2') 사이의 수위차에 의해 액체 역류관(6)을 통해 내부 혐기 반응부(1')에서 외부 혐기 반응부(2')로 액체가 자연 유하로 이송되면서 외부 혐기 반응부(2') 내에 액체의 상향류가 발생하여 액체가 임펄스 혼합 유도판(5)의 다수의 천공을 빠른 유속으로 통과하면서 다시 혼합된다. 이때, 상기 임펄스 혼합기(3)의 작동에 의해 이송되는 액체의 양은 바람직하게는 외부 혐기 반응부(2')의 유효 용적의 5% 이하이다.

이와 같이, 반응기(100)가 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2')로 분할되어 액체가 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2')를 모두 거칠 뿐 아니라 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2') 사이의 추가적인 액체의 이송 과정들을 거치면서 반응기(100) 내 유기 고형물과 혐기 미생물의 체류 시간이 충분히 연장될 수 있고, 그 과정에서 임펄스 혼합 유도판(5)을 이용한 균일한 혼합을 달성할 수 있다.

상기한 임펄스 혼합기(3)의 작동에 의한 외부 혐기 반응부(2')에서 내부 혐기 반응부(1')로의 액체의 이송과 액체 역류관(6)을 통한 내부 혐기 반응부(1')에서 외부 혐기 반응부(2')로의 액체의 이송은, 유기 고형물의 완전 소화를 위하여 필요한 체류 시간과 혼합 효율을 위하여 복수회 반복될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2')는 각각 미생물의 성장 조건을 달리하여, 내부 혐기 반응부(1')에서는 혐기 소화 중 산 생성 단계가 수행되고, 외부 혐기 반응부(2')에서는 혐기 소화 중 메탄 생성 단계가 수행되도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 내부 혐기 반응부(1')에는 산 생성 단계가 수행될 수 있는 최적의 상태를 조성하고, 외부 혐기 반응부(2')에는 메탄 생성 단계가 수행될 수 있는 최적의 상태를 조성하는 것이다.

일 실시예에서, 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2')의 유효 용적의 비율은 1:1로 형성될 수 있다. 여기서, 유효 용적이란 소화 반응이 일어나는 액체가 차지하는 용적이다.

그러나, 반응기(100)가 내부 혐기 반응부(1')에서 산 생성 단계가 수행되고 외부 혐기 반응부(2')에서 메탄 생성 단계가 수행되도록 형성되고, 투입하는 유기 고형물이 유기산으로 쉽게 혐기 분해되는 특성을 가지는 경우에는 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2')의 유효 용적의 비율이 0.2:1까지 감소될 수 있다.

또한, 도시된 실시예에서는, 내부 혐기 반응부(1')의 바닥에 침전콘(10)이 형성되고 유기물 유입관(7)이 침전콘(9)의 가장자리 안쪽까지 연장되도록 형성된다. 이에 따라, 유기물 유입관을 통해 유입되는 미세 협잡물이나 비중이 큰 고형물들이 침전콘(9)에서 바로 침전되어 침전물 배출구(10)를 통해 배출될 수 있다. 따라서, 불필요한 불순물이 용기 안에 쌓여 반응부의 유효 용적이 줄어드는 것을 방지할 수 있다.

도 2에는 본 실시예의 혐기 소화 장치에서 유기 고형물을 함유한 액체의 관류형 흐름에 따른 혼합 및 이송 경로가 표시되어 있다.

도시된 바와 같이, 유기물 유입관(7)을 통하여 내통(1)의 하단에 유기 고형물과 혐기 미생물을 포함한 액체가 공급되면 먼저 침전콘(9)에서 미세 협잡물들이나 비중이 큰 고형물들이 침전되어 침전물 배출구(10)를 통해 배출되고, 내부 혐기 반응부(1')에 액체가 채워지면서 먼저 혐기 소화의 산 생성 단계가 수행되며 유기고형물로부터 생성된 유기산과 미분해 된 유기고형물들 함유한 액체는 액체 역류관(6)을 통하여 외부 혐기 반응부(2')로 안내되어 외부 혐기 반응부(2')에서 혐기 소화의 메탄 생성 단계가 수행된다.

이때, 액체 역류 밸브(4)가 잠긴 상태에서 임펄스 혼합기(3)를 작동시켜 외부 혐기 반응부(2')의 소정량의 액체를 내부 혐기 반응부(1')로 이송하게 되며, 이에 의해 외부 혐기 반응부(2') 내에는 액체의 하향류가 발생하고 내부 혐기 반응부(1') 내에는 액체의 상향류가 발생하여 액체가 임펄스 혼합 유도판(5)의 다수의 천공을 빠른 유속으로 통과하면서 액체 제트 전단력에 의하여 액체의 유기 고형물과 혐기 미생물이 균일하게 혼합되며, 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2') 사이에는 수위차가 발생한다.

이후, 액체 역류 밸브(4)를 다시 개방하면, 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2') 사이의 수위차에 의해 액체 역류관(6)을 통해 내부 혐기 반응부(1')에서 외부 혐기 반응부(2')로 액체가 자연 유하로 이송되면서 외부 혐기 반응부(2') 내에 액체의 상향류가 발생하며 이에 따라 액체가 임펄스 혼합 유도판(5)의 다수의 천공을 빠른 유속으로 통과하면서 다시 혼합된다.

이와 같이 액체 역류 밸브(4)가 잠긴 상태에서 임펄스 혼합기(3)의 작동에 의한 액체의 이송과 이후 액체 역류 밸브(4)가 개방된 상태에서 액체 역류관(6)을 통한 액체의 이송은 교대로 복수회 반복되면서 반응기 내 유기 고형물과 혐기 미생물의 체류 시간은 충분히 연장될 수 있고, 이러한 과정에서 액체는 임펄스 혼합 유도판(5)의 다수의 천공을 빠른 유속으로 통과하면서 액체 제트 전단력에 의해 사구역(dead zone)없이 충분히 균일하게 혼합될 수 있다.

외부 혐기 반응부(2')에서 충분히 소화된 액체는 소화물 배출관(8)을 통해 배출되며, 상기 혐기 소화 과정에서 생성된 바이오가스는 가스 포집수(11)에 포집되어 가스 배출구(12)를 통하여 배출된다.

이와 같이, 본 발명의 혐기 소화 장치에서는 일체형 혐기 소화 반응기(100) 내에서 유기 고형물과 혐기 미생물을 포함하는 액체가 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2')를 따라 관류형 흐름으로 이동하면서 반응기 내 유기 고형물과 혐기 미생물의 체류 시간이 충분히 연장될 수 있고, 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2') 사이의 액체의 역류 이송과 임펄스 혼합 유도판(5)에 의해 유기 고형물과 혐기 미생물의 완전한 혼합이 실행될 수 있으며, 내부 혐기 반응부(1')와 외부 혐기 반응부(2')에서 각각 혐기 소화의 산 생성 단계와 메탄 생성 단계가 최적의 조건에서 실행될 수 있어, 유기 고형물의 혐기 분해율이 극대화되고 바이오가스 생산량이 증대될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 구성을 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변형 실시들은 청구범위의 기재 범위 내에 있게 된다.

100: 혐기 소화 반응기
1: 내통 1': 내부 혐기 반응부
2: 외통 2': 외부 혐기 반응부
3: 임펄스 혼합기 4: 액체 역류 밸브
5: 임펄스 혼합 유도판 6: 액체 역류관
7: 유기물 유입관 8: 소화물 배출관
9: 침전콘 10: 침전물 배출구
11: 가스 포집부 12: 가스 배출구

Claims

혐기 미생물을 이용하여 유기 고형물로부터 바이오가스를 생산하는 혐기 소화 장치로서,
외부로부터 밀폐된 용기인 외통과, 상기 외통 안에 수직으로 설치되어 상기 외통을 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부로 구분하는 내통을 포함하는, 혐기 소화 반응기;
상기 내부 혐기 반응부 안에서 상기 내통의 높이보다 낮게 내통의 지름에 대해 수직으로 설치되어 상기 내부 혐기 반응부의 액체를 상기 외부 혐기 반응부로 안내하는 액체 역류관과, 상기 액체 역류관의 개폐를 조절하는 액체 역류 밸브; 및
상기 외부 혐기 반응부로부터 내부 혐기 반응부로 액체를 이송하기 위한 임펄스 혼합기;를 포함하며,
상기 액체 역류 밸브가 잠긴 상태에서 상기 임펄스 혼합기의 작동에 의해 상기 외부 혐기 반응부에서 내부 혐기 반응부로 액체를 이송하고, 이에 의해 발생하는 상기 내부 혐기 반응부와 외부 혐기 반응부 사이의 수위차에 의해 상기 액체 역류 밸브가 개방되면 액체가 상기 액체 역류관을 통해 상기 내부 혐기 반응부에서 외부 혐기 반응부로 이송되면서 상기 혐기 소화 반응기 내의 액체가 혼합되는 것을 특징으로 하는, 혐기 소화 장치.
제1항에 있어서,
상기 혐기 소화 반응기의 외부 혐기 반응부와 내부 혐기 반응부에는 다수의 천공을 가진 하나 이상의 임펄스 혼합 유도판이 수평으로 가로질러 설치되고,
상기 임펄스 혼합기의 작동에 의해 외부 혐기 반응부에서 내부 혐기 반응부로 액체를 이송하면, 상기 외부 혐기 반응부 내에는 액체의 하향류가 발생하고 상기 내부 혐기 반응부 내에는 액체의 상향류가 발생하여 상기 임펄스 혼합 유도판의 다수의 천공을 통과하면서 액체의 유기 고형물과 혐기 미생물이 혼합되고,
상기 액체 역류 밸브의 개방에 의해 상기 액체 역류관을 통해 내부 혐기 반응부에서 외부 혐기 반응부로 액체가 이송되면, 상기 외부 혐기 반응부 내에 액체의 상향류가 발생하여 상기 임펄스 혼합 유도판의 다수의 천공을 통과하면서 액체의 유기 고형물과 혐기 미생물이 혼합되는 것을 특징으로 하는, 혐기 소화 장치.
제2항에 있어서,
상기 임펄스 혼합 유도판은 상기 혐기 소화 반응기의 높이를 따라 소정 간격으로 3단 이상 설치되며,
상기 다수의 천공은 상기 임펄스 혼합 유도판 상에 균일하게 배치되고, 상기 다수의 천공의 총면적은 상기 임펄스 혼합 유도판 면적의 40% 이내이며, 각각의 천공은 원형 또는 사각형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 혐기 소화 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 혐기 반응부에는 유기 고형물을 유입하기 위한 유기물 유입관이 제공되고, 상기 외부 혐기 반응부에는 소화된 액체를 배출하기 위한 소화물 배출관이 연결되는 것을 특징으로 하는 혐기 소화 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외통 내에서 상기 내통은 상부가 개방되도록 수직으로 설치되며, 상기 외통과 내통이 개방된 혐기 소화 반응기의 상단에는 유기 고형물의 혐기 소화로 생성된 바이오가스를 포집하는 가스 포집부와 상기 가스 포집부에서 포집된 바이오가스를 혐기 소화 반응기 밖으로 배출하는 가스 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는, 혐기 소화 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 임펄스 혼합기의 작동에 의해 이송되는 액체의 양은 상기 외부 혐기 반응부의 유효 용적의 5% 이하인 것을 특징으로 하는, 혐기 소화 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 혐기 반응부 내에서 상기 액체 역류관의 높이는 상기 내부 혐기 반응부의 바닥으로부터 상기 내통의 높이의 3/4 이상이고,
상기 외부 혐기 반응부 내에서 상기 액체 역류관의 높이는 상기 외부 혐기 반응부의 바닥으로부터 0.8 내지 1.5 m인 것을 특징으로 하는, 혐기 소화 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 임펄스 혼합기의 작동에 의한 액체의 이송과 상기 액체 역류관을 통한 액체의 이송이 교대로 복수회 반복되는 것을 특징으로 하는, 혐기 소화 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 혐기 반응부에서는 유기 고형물의 혐기 소화 중 산 생성 단계가 수행되고, 상기 외부 혐기 반응부에서는 유기 고형물의 혐기 소화 중 메탄 생성 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는, 혐기 소화 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 혐기 반응부 및 외부 혐기 반응부의 유효 용적의 비율은 1:1 내지 0.2:1 인, 혐기 소화 장치.
제4항에 있어서,
상기 내부 혐기 반응부 바닥에는 침전콘이 형성되고,
상기 유기물 유입관은 상기 내부 혐기 반응부의 하단에서 상기 침전콘의 가장자리 안쪽까지 연장되어, 상기 유기물 유입관을 통해 유입되는 협잡물들이 상기 침전콘에서 침전되어 배출되는, 혐기 소화 장치.