KR102153490B1 - 소화가스를 활용한 소화액 폐수의 탈질처리 및 소화슬러지의 차(char) 제조를 통한 고효율 유기성폐기물의 바이오가스화 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 공정에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물을 반입 및 전처리 공정, 혐기성 소화공정, 소화슬러지공정 및 폐수처리공정을 차례로 거쳐 하수처리장 등으로 배출되게 되고, 이 과정에서 발생되는 소화슬러지는 탄화과정을 거쳐 바이오차로 전환되어 혐기성 소화공정 및 소화가스 이용공정에 재이용할 수 있는 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 공정에 관한 발명으로, 소화슬러지공정의 퇴비화탈수기에서 배출되는 소화슬러지가 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 전환되는 바이오차(biochar)를 혐기성소화공정의 혐기성소화조에 투입하여 소화효율을 향상시키고, 소화가스이용공정의 정제설비에 투입하여 활성탄흡착탑을 대체할 수 있으며, 폐수처리공정의 포기조 내부에 메탄산화반응조를 추가로 설치하여 고농도 암모니아를 제거할 수 있다.

Description

소화가스를 활용한 소화액 폐수의 탈질처리 및 소화슬러지의 차(CHAR) 제조를 통한 고효율 유기성폐기물의 바이오가스화 공정{High-efficiency biogasfication　Process　through denitrification of digested waste leachate using digestion gas　and CHAR production using　digested sludge}

본 발명은 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 공정에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물을 반입 및 전처리 공정, 혐기성 소화공정, 소화액 폐수처리공정을 차례로 거쳐 하수처리장 등으로 배출되게 되고, 이 과정에서 발생되는 소화가스는 고농도 폐수처리공정에 재이용되며, 최종적으로 발생되는 소화슬러지는 탄화과정을 거쳐 바이오차로 전환되어 혐기성 소화공정 및 소화가스 처리 공정에 재이용할 수 있는 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 공정에 관한 발명이다.

일반적으로 가정, 축산농가, 산업현장 등에서 발생하는 하수, 오수, 음식물쓰레기 및 분뇨와 같은 폐수는 많은 양의 유기물을 함유하게 된다. 따라서, 유기물이 포함된 폐수를 생물학적 및 화학적 산소요구량, 부유물질함량 등이 환경기준치에 도달하지 않은 상태에서 배출하게 되면 토양이나 수질이 오염되게 된다. 이에 따라 폐수 내의 유기물을 생물학적, 물리적, 화학적 처리를 통해 정화된 상태로 하천 등으로 방류함으로써 환경오염을 줄일 필요가 있다.

그러나, 폐수 내 유기물을 물리적인 방법에 의해 처리시 그 처리효과가 미비하며, 화학적 처리는 수질오염과 더불어 처리비용이 많이 소요되므로, 최근에는 미생물을 이용하는 생물학적 방법이 주로 사용되고 있다. 이러한 생물학적 방법 중 하나인 혐기성소화공정은 혐기성 미생물이 유기물을 섭취하여 분해하고 무기화합물과 소화가스(바이오가스)를 방출하는 반응이다.

그러나, 혐기성 생물처리에 따른 다양한 성분의 소화가스와 소화조에서 발생되는 소화슬러지 및 고농도 배출수가 필수적으로 발생되고, 이를 위한 탈황장치, 암모니아제거습식세정법, 활성탄 흡착탑 등의 공정이 필요하게 된다.

또한, 혐기성소화조의 효율은 유입성상에 따른 효율 저하는 물론 혐기성소화과정에서 발생되는 유기산이나 기타 유해물질 등에 의하여 영향을 받지만, 운전조건 변화 외에는 특별한 대응책이 없는 문제가 있다.

나아가, 음식물쓰레기의 경우 전처리 공정에서 협잡물을 제거한 후 가능한 유기물은 모두 가용화조를 거쳐 소화조로 유입시키는 방식을 적용하고 있어 계절에 따라 다양한 성상이 소화조로 유입되어 안정화되어 있는 소화조 효율을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.

현재 국내에서 운영되고 있는 혐기성 바이오가스화를 이용한 에너지시설은 전처리공정의 복잡화에 따른 운영관리 어려움, 소화효율의 저하, 바이오가스 정제비용, 고농도폐수처리 문제, 소화슬러지 처리문제 등 고농도 유기성폐기물의 처리의 어려움은 물론 낮은 경제성으로 인해 에너지자원화시설로서 역할을 수행하지 못하고 있는 문제가 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 유기성 폐기물이 투입호퍼, 파봉파쇄선별기, 음식물종합처리기를 거쳐 처리조로 투입되는 반입 및 전처리 공정; 상기 처리조에서 배출된 유기성 폐기물이 가용화조, 혐기성 소화조로 투입되는 혐기성소화공정, 상기 소화조에서 배출되는 소화액은 저류조를 거쳐 메탄활용 생성균을 활용한 생물학적 처리를 위한 생물반응조, 연계처리수조를 거쳐 폐수가 처리되는 폐수처리공정; 상기 소화조에서 배출되는 소화슬러지는 저류조, 탈수처리공정을 거쳐 건조, 탄화, 세척공정을 거치는 소화슬러지 처리공정;을 포함하는 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 공정을 제공한다.

또한 본 발명에서 상기 혐기성소화공정의 소화조는 바이오차(biochar)를 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 탈수기에서 배출되는 소화슬러지가 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 바이오차로 전환될 수 있다.

또한 본 발명은 상기 혐기성 소화조에서 배출되는 가스가 저장조 및 정제설비를 거쳐 에너지로 이용되는 소화가스이용공정을 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 정제설비는 탈수기에서 배출되는 소화슬러지가 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 전환되는 바이오차를 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 포기조 내부에 메탄산화반응조를 더 포함할 수 있다.

소화슬러지공정의 탈수기에서 배출되는 소화슬러지가 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 전환되는 바이오차(biochar)를 혐기성소화공정의 혐기성소화조에 투입하여 소화효율을 향상시키고, 소화가스이용공정의 정제설비에 투입하여 활성탄흡착탑을 대체할 수 있으며, 폐수처리공정의 포기조 내부에 메탄산화반응조를 추가로 설치하여 고농도 암모니아를 제거할 수 있다.

도 1은 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 전체공정을 모식도로 나타낸 것이다.
도 2는 탈수기에서 배출되는 소화슬러지가 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 바이오차로 전환되는 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 포기조 내부에 메탄산화반응조를 추가로 설치한 폐수처리공정을 모식도로 나타낸 것이다.

본 발명에 의한 일실시예로서, 유기성 폐기물이 투입호퍼, 파봉파쇄선별기, 음식물종합처리기, 분리기를 차례로 거쳐 처리조로 투입되는 반입 및 전처리 공정; 상기 처리조에서 배출된 유기성 폐기물이 가용화조, 혐기성 소화조로 차례로 투입되는 혐기성 소화공정; 상기 소화조에서 배출되는 소화액이 소화액 저류조 및 침전지를 거치는 소화액저장공정; 상기 침전지에서 배출된 소화액 폐수가 포기조, 침전조, 응집침전조 및 연계처리수조를 거쳐 폐수가 처리되는 폐수처리공정; 상기 소화조에서 배출된 소화슬러지가 탈수기를 거쳐 처리되는 소화슬러지 처리공정;을 포함하는 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 공정을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에서 상기 혐기성소화공정의 혐기성소화조는 바이오차(biochar)를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 바이오차는 탈수기에서 배출되는 소화슬러지가 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 전환되는 바이오차일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 소화슬러지공정은 소화슬러지저류조에서 배출되는 소화슬러지가 마이크로 버블부상조, 스컴저류조, 탈수기, 가압부상저류조 및 침전지를 차례로 거칠 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 혐기성 소화조에서 배출되는 가스가 저장조 및 정제설비(바이오차 탈취 흡착탑)를 거쳐 에너지로 이용되는 소화가스이용공정을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 정제설비는 탈수기에서 배출되는 소화슬러지가 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 전환되는 바이오차를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 포기조 내부에 메탄산화반응조를 더 포함할 수 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

본 발명은 유기성 폐기물이 반입 및 전처리 공정, 혐기성 소화공정, 소화슬러지공정 및 폐수처리공정을 차례로 거쳐 하수처리장 등으로 배출되게 되고, 이 과정에서 발생되는 소화슬러지는 탄화과정을 거쳐 바이오차로 전환되어 혐기성 소화공정 및 소화가스 이용공정에 재이용할 수 있는 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 공정에 관한 발명으로 전체 공정을 도 1에 나타내었다.

본 발명에서 반입 및 전처리 공정은 먼저 유기성 폐기물이 투입호퍼에 투입되며 개시되고 이후 파봉파쇄선별기, 음식물종합처리기, 분리기를 차례로 거쳐 처리조로 투입되게 된다. 이 중 협잡물은 음식물종합처리기에서 유기물과 분리된 후 탈수기를 차례로 거친 후 매립하여 처리된다. 상기 투입호퍼(injection　hopper)는 운송수단에 의하여 운반된 음식물쓰레기의 저장 및 투입 기능을 가진 장치로서, 관련업계에서 통상적으로 사용되는 호퍼는 모두 사용가능하다. 상기 파봉파쇄선별기(tear & crush & screen　of waste　bag, 破封破碎選別器)는 종량제 봉투에 담겨온 음식물쓰레기를 처리하기 위하여 종량제 봉투를 파봉하고 잘게 파쇄한 후 금속성분 등을 분리, 선별하는 장치이며, 상기 음식물종합처리기(Sorting Reactor)는 음식물쓰레기에 물을 투입한 후, 혼합, 분쇄 및 파쇄 과정을 거쳐 음식물, 비중물, 협잡물 등으로 자동 분류하는 장치이고, 상기 분리기(sorting separator)는 음식물종합처리기에 의하여 분류된 음식물, 비중물, 협잡물 등을 각각 별도의 통로로 배출하는 장치로서, 당업계에서 통상적으로 사용되고 있는 파봉파쇄선별기, 음식물종합처리기, 분리기는 모두 사용가능하다.

상기 처리조에서 배출된 유기성 폐기물이 가용화조, 혐기성 소화조를 차례로 거치는 혐기성소화공정으로 진행된다. 상기 혐기성 소화조는 바이오차를 포함할 수 있고, 상기 바이오차는 소화슬러지공정의 탈수기에서 배출되는 소화슬러지를 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 전환되는 바이오차 일 수 있다.

혐기성소화조에 바이오차를 혐기성소화조부피의 약0.1%(V/V) 투입시 미생물의 활성도를 증가시키고, 혐기성소화를 저해하는 미량유해물질을 흡착하는 기능을 한다. 그 결과 혐기성소화조 내의 메탄가스 발생이 10% 이상 증가하였고, 소화조 상등액의 COD 농도가 감소하였으며, 소화슬러지 발생량이 10% 이상 저감되는 효과를 나타내었다.

상기 혐기성소화조에서 배출되는 가스는 저장조 및 정제설비를 거쳐 에너지로 이용되는 소화가스이용공정을 통하여 재활용 될 수 있다. 상기 정제설비에는 바이오차를 포함할 수 있고, 상기 바이오차는 소화슬러지공정의 탈수기에서 배출되는 소화슬러지를 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 전환되는 바이오차 일 수 있다. 상기 바이오차는 활성화를 통해 공극의 크기를 세밀하게 조정한 것으로서 소화가스 정제용 활성탄 흡착탑을 대체할 수 있고, 특히 암모니아, 황화수소 및 실록산 등을 동시에 제거할 수 있는 통합 흡착탑을 적용할 수 있다.

또한, 상기 탈수기에서 배출되는 소화슬러지는 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 바이오차로 전환될 수 있으며, 소화슬러지의 탄화공정은 도 2에 나타내었다. 먼저, 소화슬러지를 건조시킨 슬러지 탈수케익을 산화가 일어나지 않는 환경에서 300 내지 500℃의 열로 열분해한 후, 농축된 염분의 제거를 위하여 탈염 과정을 거쳐 양이온 교환 능력이 우수하고 알칼리 토금속 등의 영양 물질을 일부 함유한 바이오차를 생산한다. 이 과정에서 발생하는 바이오가스는 연소하여 건조과정의 열에너지로 재활용이 가능하고, 생산된 바이오차는 혐기성 소화공정 및 소화가스이용공정에서 재활용이 가능하다.

상기 침전지에서 배출된 소화슬러지가 포기조, 침전조, 응집침전조 및 연계처리수조를 거쳐 폐수가 처리되는 폐수처리공정을 거치게 된다. 본 발명은 상기 포기조 내부에 메탄산화반응조를 추가로 설치할 수 있다(도 3). 메탄산화반응조에 바이오가스를 공급하여 탈질 탄소원으로서 메탄올을 30-50mg/L 수준으로 생산함으로써 제1포기조에 별도의 탄소원 투입이 필요없게 된다. 또한, 메탄산화반응조에서 질산화가 진행되지 않은 잔여 암모니아의 80%와 질산성질소 50%를 제거할 수 있다. 이에 따라, 포기량의 1/2 축소에 의한 전력비용 감축, 추가 탈질 탄소원 비용 절감, 추가 생물반응조와 재포기조의 생략에 따른 유지관리비 감축 및 방류수 수질개선 등의 효과를 나타낸다.

Claims (6)

1. 유기성 폐기물이 투입호퍼, 파봉파쇄선별기, 음식물종합처리기, 분리기를 차례로 거쳐 처리조로 투입되는 반입 및 전처리 공정;
   상기 처리조에서 배출된 유기성 폐기물이 가용화조, 혐기성 소화조로 차례로 투입되는 혐기성 소화공정;
   상기 소화조에서 배출된 소화액이 포기조, 침전조, 응집침전조 및 연계처리수조를 거쳐 폐수가 처리되는 폐수처리공정;
   상기 소화조에서 배출된 소화슬러지가 탈수기를 거쳐 처리되는 소화슬러지 처리공정;
   을 포함하는 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 방법으로,
   상기 혐기성 소화조에서 배출되는 가스가 저장조 및 정제설비를 거쳐 에너지로 이용되는 소화가스이용공정을 더 포함하고,
   상기 정제설비는 탈수기에서 배출되는 소화슬러지가 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 전환되는 바이오차를 흡착제로 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 혐기성 소화공정의 혐기성 소화조에 바이오차(biochar)를 투입하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 방법.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 바이오차는 탈수기에서 배출되는 소화슬러지가 건조공정, 탄화공정 및 탈염공정을 거쳐 전환되는 바이오차인 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 방법.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 포기조 내부에 메탄산화반응조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 바이오가스화 방법.
   
   
   
   

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