KR102211747B1

KR102211747B1 - 유효자원 회수 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102211747B1
Application number: KR1020180144450A
Authority: KR
Inventors: 최재민; 유대환; 정민기; 김세영; 황호재
Original assignee: 주식회사 부강테크
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2021-02-03
Also published as: KR20200059567A

Abstract

유효자원 회수 장치 및 방법을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 약품의 사용을 최소화하면서도 메탄가스, 질소 및 인 등의 자원을 효율적으로 회수하는 유효자원 회수장치 및 방법을 제공한다.

Description

유효자원 회수 장치 및 방법{Apparatus and Method for Recovering Available Resources}

본 발명은 유기성 폐기물 내에서 유기성 폐기물 내 포함된 유효 자원을 회수하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

혐기성 소화 기술은 가축분뇨, 음식물류 폐기물 또는 하수찌꺼기와 같은 유기성 폐기물을 감량화하는 대표적인 기술로, 가축분뇨 공공처리시설, 음식물 자원화 시설 또는 하수처리시설 등에 적용되고 있다. 혐기성 소화 기술은 유기성 폐기물의 감량화뿐만 아니라 부산물로 메탄 함량 60%, 이산화탄소 40%의 바이오가스를 회수할 수 있다. 혐기성 소화를 거쳐 발생하는 소화폐액에는 대부분 하수처리시설로 이송되어 연계처리되고 있으나, 고농도의 질소와 인을 함유하고 있어 수처리 공정에 부담을 가중시키고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 정화처리를 통하여 질소 및 인을 제거하여 수처리 공정의 부담을 일부 해소하고 있으나, 시설의 건설 및 유지관리 비용을 위해 많은 자금이 소요되고 있다.

예를 들어, 가축분뇨에 존재하는 인은 유기물과 결합되어 있거나 다양한 이온과 화학적 결합되어 있다. 인을 회수하기 위해, 종래에는 유기물과 결합되어 있는 인을 용출시킨 후, 마그네슘, 암모니아와 함께 결합된 스트루바이트(Struvite)로 석출시켜 회수하는 방법이 이용된다. 그러나 유기물과 다른 이온과의 결합된 인을 용출시키기 위해 낮은 pH가 형성되어야 한다. 낮은 pH를 형성하기 위해, 황산 또는 염산 등의 강산 용액이 주입되어야 한다. 그러나 가축분뇨 소화폐액의 높은 알칼리도로 인해, 많은 양의 강산 용액이 소모되어야 하므로, 인의 용출에 있어 많은 비용이 소모되고 있다.

대한민국 공개특허 제2010-0012887호

본 발명의 일 실시예는, 약품의 사용을 최소화하면서도 고농도 메탄가스, 질소 및 인 등의 자원을 효율적으로 회수하는 유효자원 회수장치 및 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물에 포함된 자원을 회수하는 장치에 있어서, 상기 유기성 폐기물에 혐기성 소화를 수행하여 소화폐액과 가스를 생성하는 혐기성 소화조와 상기 소화폐액을 고체성분과 액체성분으로 분리하는 고액분리조와 상기 고액분리조에서 분리된 액체성분에 기 설정된 양의 공기를 주입하여 암모늄 이온 일부를 탈기(脫氣)시키는 암모니아 탈기조와 상기 가스와 상기 암모니아를 유입받아 용해수와 혼합하여, 상기 용해수에 용해도가 높은 기체를 용해시키며, 상기 용해수에 용해도가 낮은 기체를 외부로 배출하는 기액용해기와 기 설정된 환경을 제공하여, 상기 용해수에 용해된 성분으로 고상(固相)의 조성물을 생산하는 조성물 생산부와 상기 암모니아 탈기조를 거친 액체성분 및 외부로부터 이온결합 물질을 유입받아, 고상의 인산화합물을 생산하는 이온반응조 및 상기 조성물 생산부 및 상기 이온 반응조에서 각각 생산된 고상의 조성물 및 고상의 인산화합물을 회수하는 회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유효자원 회수장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 암모니아 탈기조는 상기 기 설정된 양의 공기를 주입해 pH 상승을 도모하여 암모니아의 탈기효율을 증가시킴으로서, 암모니아를 탈기시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 가스는 메탄(CH4) 가스 및 이산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 용해수에 용해도가 낮은 기체는 메탄 가스인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 유효자원 회수장치는 상기 기액용해기에서 배출되는 메탄 가스를 포집하여 저장하기 위한 가스 저장조를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 조성물 생산부는 상기 용해수에 용해된 암모니아와 이산화탄소를 이용하여 중탄산암모늄을 생산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 회수부는 상기 조성물 생산부 및 상기 이온 반응조 모두와 연결되어 상기 고상의 조성물 및 상기 고상의 인산화합물을 한번에 회수하거나, 상기 조성물 생산부 및 상기 이온 반응조에 각각 연결되어 상기 고상의 조성물 및 상기 고상의 인산화합물을 따로 회수하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물에 포함된 자원을 회수하는 방법에 있어서, 상기 유기성 폐기물에 혐기성 소화를 수행하여 소화폐액과 가스를 생성하는 혐기성 소화과정과 상기 소화폐액을 고체성분과 액체성분으로 분리하는 고액 분리과정과 상기 고액 분리과정에서 분리된 액체성분에 기 설정된 양의 공기를 주입하여 암모늄 이온 일부를 탈기(脫氣)시키는 암모니아 탈기과정과 상기 가스와 상기 암모니아를 유입받아 용해수와 혼합하여, 상기 용해수에 용해도가 높은 기체를 용해시키며, 상기 용해수에 용해도가 낮은 기체를 외부로 배출하는 기액 용해과정과 기 설정된 환경 내에서, 상기 용해수에 용해된 성분으로 조성물을 생산하는 조성물 생산과정과 상기 암모니아 탈기과정을 거친 액체성분 및 외부로부터 이온결합 물질을 유입받아, 고상의 인산화합물을 생산하는 이온 반응과정과 상기 조성물 생산과정 및 상기 이온 반응과정에서 각각 생산된 고상의 조성물 및 고상의 인산화합물을 회수하는 회수과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유효자원 회수방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 가스는 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물에 포함된 자원을 회수하는 장치에 있어서, 혐기성 소화를 수행하여 상기 유기성 폐기물을 소화폐액과 가스로 분해하는 혐기성 소화조와 상기 소화폐액을 고체성분과 액체성분으로 분리하는 고액분리조와 상기 고액분리조에서 분리된 액체성분에 기 설정된 양의 공기를 주입하여 암모늄 이온 일부를 암모니아로 탈기(脫氣)시키는 암모니아 탈기조와 상기 가스를 받아 용해수와 혼합하여, 상기 가스내 포함된 기체 중 상기 용해수에 용해도가 상대적으로 높은 기체를 용해시키며, 상기 용해수에 용해도가 상대적으로 낮은 기체를 외부로 배출하는 기액용해기와 기 설정된 환경을 제공하여, 상기 용해수에 용해된 성분 및 상기 암모니아로 액상(液狀)의 조성물을 생산하는 조성물 생산부와 상기 암모니아 탈기조를 거친 액체성분 및 외부로부터 이온결합 물질을 받아, 고상의 인산화합물을 생산하는 이온반응조 및 상기 이온 반응조에서 생산된 고상의 인산화합물을 회수하는 회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유효자원 회수장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물에 포함된 자원을 회수하는 방법에 있어서, 혐기성 소화를 수행하여 상기 유기성 폐기물을 소화폐액과 가스로 분해하는 혐기성 소화과정과 상기 소화폐액을 고체성분과 액체성분으로 분리하는 고액 분리과정과 상기 고액 분리과정에서 분리된 액체성분에 기 설정된 양의 공기를 주입하여 암모늄 이온 일부를 암모니아로 탈기(脫氣)시키는 암모니아 탈기과정과 상기 가스를 받아 용해수와 혼합하여, 상기 가스내 포함된 기체 중 상기 용해수에 용해도가 상대적으로 높은 기체를 용해시키며, 상기 용해수에 용해도가 상대적으로 낮은 기체를 외부로 배출하는 기액 용해과정과 기 설정된 환경 내에서, 상기 용해수에 용해된 성분과 상기 암모니아로 액상(液狀)의 조성물을 생산하는 조성물 생산과정과 상기 암모니아 탈기과정을 거친 액체성분 및 외부로부터 이온결합 물질을 받아, 고상의 인산화합물을 생산하는 이온 반응과정과 상기 이온 반응과정에서 생산된 고상의 인산화합물을 회수하는 회수과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유효자원 회수방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 약품의 사용을 최소화하면서도 메탄가스, 질소 및 인 등의 다양한 자원을 효율적으로 회수할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유효자원 회수장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유효자원 회수장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유효자원 회수장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 유효자원 회수장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 암모니아의 pH 및 온도에 따른 암모니아 성상의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 물에 대한 메탄과 이산화탄소의 용해도를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유효자원 회수 방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유효자원 회수 방법을 도시한 순서도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유효자원 회수장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유효자원 회수장치(100)는 혐기성 소화조(110), 고액분리조(120), 암모니아 탈기조(130), 기액용해기(140), 가스저장조(150), 조성물 생산부(160), 이온 반응조(170) 및 회수부(180)를 포함한다.

혐기성 소화조(110)는 혐기성 소화를 수행하여 유기성 폐기물을 소화폐액과 바이오 가스로 분해한다. 혐기성 소화조(110)는 가축분뇨, 음식물류 폐기물 또는 하수찌꺼기 등의 유기성 폐기물을 유입받아 혐기성 소화를 수행한다. 혐기성 소화조(110)는 산소가 존재하지 않는, 혐기 조건하에서 혐기성 미생물을 이용하여 유기성 폐기물을 소화폐액과 바이오 가스로 분해한다. 바이오 가스에는 메탄(CH₄)이 약 60~70%, 이산화탄소(CO₂)가 약 30~40% 정도 포함되어 있으며, 기타 황화수소 등의 물질들이 미량 포함되어 있다.

혐기성 소화조(110)의 혐기성 소화에 의해 발생한 소화폐액은 고액 분리조(120)로 전달되고, 바이오 가스는 기액 용해기(140)로 전달된다.

고액분리조(120)는 혐기성 소화조(110)에 의해 분해된 유기성 폐기물의 소화폐액을 받아 고체성분과 액체성분으로 분리한다. 고액분리조(120)는 필터 프레스, 원심 탈수기 등 다양한 방법을 이용하여 소화폐액을 고체성분과 액체성분으로 분리한다.

고액분리조(120)는 고체성분과 액체성분을 분리하여, 액체성분은 암모니아 탈기조(130)로, 고체성분 중 일부는 이온 반응조(170)로, 고체성분 중 나머지는 슬러지 처리시설(미도시)로 전달한다. 고액분리조(120)는 액체성분 내 포함된 암모늄이온을 처리하기 위해 액체성분 전부를 암모니아 탈기조(130)로 전송한다. 한편, 고액분리조(120)는 고체 성분 대부분(약 90%)을 외부의 슬러지 처리시설(미도시)로 전달한다. 고체 성분 내 포함된 인을 추출하기 위해서는 종래의 기술과 같이, 대량의 약품(강산)이 사용되어야 한다. 이러한 문제를 방지하고자, 고액분리조(120)는 분리한 고체성분 중 대부분을 외부의 슬러지 처리시설(미도시)로 전달한다. 한편, 고액분리조(120)는 분리한 고체성분 중 일부(약 10%)만을 이온 반응조(170)로 전달한다. 이온 반응조(170)로 전달되는 고체성분은, 추후, 이온 반응조(170)에서 이온반응이 발생하여 고상의 화합물이 발생함에 있어, 고체성분을 기반으로 뭉치도록 하여 화합물의 발생 효율을 증가시킨다.

암모니아 탈기조(130)는 고액분리조(120)에서 분리된 액체성분 내 암모늄 이온 일부를 암모니아 기체로 탈기(脫氣)시킨다. 암모늄 이온은 온도와 pH의 변화에 따라 도 5에 도시된 그래프와 같이 성상을 달리한다.

도 5는 암모니아의 pH 및 온도에 따른 암모니아 성상의 변화를 도시한 그래프이다.

암모늄 이온은 pH가 높아질수록, 온도가 높아질수록 탈기되는 비율이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 암모늄 이온을 포함한 액체의 pH가 높아지거나, 온도가 높아질수록 더 많은 양의 암모늄 이온이 암모니아 기체로 탈기된다.

다시 도 1을 참조하면, 암모니아 탈기조(130)로 기 설정된 양의 공기가 주입(폭기)된다. 주입되는 공기는 암모니아 탈기조(130) 내 액체성분의 pH를 상승시킨다. 액체성분의 pH가 상승함에 따라, 액체성분 내 포함된 암모늄 이온의 암모니아 기체로의 탈기가 활발해진다. 통상적으로, 액체성분은 혐기성 소화조(110)의 상태와 동일한 상태를 유지하며, 예로서, 온도는 약 35℃, pH는 7.5 정도를 가질 수 있다. 이러한 상태에서 공기가 주입되어 pH가 9까지 상승할 경우, 암모늄 이온의 48.4%가 암모니아 기체로 탈기될 수 있다. 생성되는 암모니아 기체의 양은 주입되는 공기량으로 조절될 수 있으며, 암모니아 탈기조(130)에서 탈기된 암모니아 기체는 기액 용해기(140)로 주입된다.

기액 용해기(140)는 혐기성 소화조에서 생성된 바이오 가스와 암모니아 탈기조(130)에서 탈기된 암모니아 기체를 용해수와 혼합하여, 용해수에 대한 용해도 차이를 이용해 특정 기체를 분리하여 배출한다.

기액 용해기(140)는 내부에 용해수(예를 들어, 물)를 포함하며, 혐기성 소화조에서 생성된 바이오 가스와 암모니아 탈기조(130)에서 탈기된 암모니아 기체를 주입받아 용해수와 해당 가스나 기체를 혼합한다. 전술한 대로, 바이오 가스 내에는 주로 메탄과 이산화탄소가 포함되어 있다. 바이오 가스가 기액 용해기(140)로 주입되면서, 용해수에 대해 용해도가 상대적으로 높은 성분만이 용해수에 용해된다. 용해수에 대한 용해도는 도 6에 도시되어 있다.

도 6은 물에 대한 메탄과 이산화탄소의 용해도를 도시한 그래프이다.

도 6은 용해수가 물인 경우에 메탄과 이산화탄소의 용해도를 도시하였다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 이산화탄소의 용해도가 동일한 온도에서 메탄의 용해도보다 약 85배 가량 높다. 즉, 메탄과 이산화탄소가 주 성분을 구성하는 바이오 가스가 기액 용해기(140) 내로 주입될 경우, 이산화탄소의 대부분은 용해수에 용해되며, 메탄의 대부분은 용해수에 용해되지 않고 기체상태를 유지한다.

다시 도 1을 참조하면, 기액 용해기(140)는 이러한 용해수에 대한 기체의 용해도 차이를 이용하여 바이오 가스 내 메탄을 분리해낸다. 기액 용해기(140)는 별도의 약품이나 공정을 거치지 않고 단지 주입된 바이오 가스를 용해수와 혼합하는 것 만으로도 특정 기체(메탄)를 바이오 가스 내에서 분리할 수 있는 장점을 갖는다. 기액 용해기(140)는 메탄을 분리하여 가스 저장조(150)로 배출한다.

메탄과는 달리, 대부분의 이산화탄소는 용해수에 용해된다. 이산화 탄소가 용해수 내에서 수소이온(H⁺)과 중탄산이온(HCO₃ ^-)으로 용해되며, 이에 따라 용해수의 pH가 낮아진다. 용해수의 pH 하락은 기액 용해기로 주입된 암모니아 기체를 다시 암모늄 이온으로 변화시킨다. 이산화탄소는 수소이온과 중탄산이온으로 용해된 후, pH가 점점 낮아질 경우, 다시 중탄산이온이 탄산이온(CO₃ ^2-)과 수소이온으로 용해된다. 그러나 기액 용해기(140)에 이산화탄소와 함께 암모니아 기체가 주입됨으로써, 이산화탄소가 수소이온과 중탄산이온으로 용해되었을 때, 생성된 수소이온과 암모니아 기체가 반응하며 암모늄이온이 생성된다. 이에 따라, 중탄산이온을 다시 용해할만큼 pH가 낮아지지 않아, 기액 용해기(140) 내에는 암모늄이온과 중탄산이온이 존재하게 된다. 이와 같이, 기액 용해기(140)는 암모니아 기체와 용해수에 용해도가 높은 이산화 탄소를 용해시킴으로써, 별도의 용액 주입없이 암모니아 기체를 암모늄 이온으로 변화시키기 위한 환경을 만들 수 있는 장점이 있다.

기액 용해기(140)는 이온화된 암모늄이온과 중탄산이온을 조성물 생산부(160)로 전달한다.

기액 용해기(140)는 혐기성 소화조에서 생성된 바이오 가스와 암모니아 탈기조(130)에서 탈기된 암모니아 기체에 추가적으로 외부로부터 이산화탄소를 포함한 폐가스가 유입될 수 있다. 기액 용해기(140)로 발전소 등에서 배출되며 이산화탄소를 포함한 폐가스가 유입되어, 기액 용해기(140) 내 용해수로 이산화탄소가 추가적으로 용해될 수 있다. 기액 용해기(140)는 추가적으로 유입되는 (이산화탄소를 포함한) 폐가스의 유입을 이용하여, 용해되는 이산화탄소의 양을 조절할 수 있다.

가스 저장조(150)는 기액 용해기(140)에서 배출되는 가스를 포집하여 저장한다.

전술한 대로, 기액 용해기(140)에서는 용해수에 용해도가 낮은 가스, 즉, 메탄가스가 배출된다. 가스 저장조(150)는 기액 용해기(140)에서 배출되는 가스를 포집하여 저장한다. 가스 저장조(150)에 메탄가스가 포집되어 저장되기 때문에, 유효자원 회수장치(100)는 간편하게 유기성 폐기물 처리과정에서 발생하는 메탄가스를 포집하여 저장할 수 있다.

조성물 생산부(160)는 기 설정된 환경을 제공하여 용해수 내 용해되어 있는 이온들로 고상(固相)의 조성물을 생산한다.

전술한 대로, 용해수 내에는 중탄산이온과 암모늄이온이 존재한다. 조성물 생산부(160)는 온도를 30℃이하, pH를 중성 이상으로 유지하여, 각 이온들이 결합할 수 있도록 한다. 중탄산 이온과 암모늄 이온은 1:1의 몰(Mole)비로 반응하며, 반응 결과 중탄산암모늄 형태의 고상의 조성물로 결합된다. 중탄산 암모늄은 온도가 36℃이상이거나 pH가 낮을 경우 해리되는 특성을 갖기 때문에, 조성물 생산부(160)는 전술한 환경을 제공하여, 조성물이 결합되어 생산될 수 있도록 한다. 이처럼 생산된 조성물(중탄산암모늄)으로부터, 질소가 추출된다.

이온 반응조(170)는 암모니아 탈기조를 거친 액체성분, 고액분리조(120)에서 분리된 고체성분 중 일부 및 이온 결합 물질을 받아 이온 반응을 일으켜, 고상의 인산화합물을 생산한다.

암모니아 탈기조를 거친 액체성분 내에는 암모늄 이온 일부, 인산 이온 형태의 인 및 기타 수산화 이온 등 다양한 이온이 포함되어 있다. 또한, 이온 반응조(170)는 외부로부터 전술한 액체성분과 이온 반응을 일으킬 이온 결합 물질을 주입받는다. 여기서, 이온 결합 물질은 액체성분 내 포함된 인산이온 및 다른 이온과 결합되어 이온반응을 일으켜, 고상(앙금 형태)의 인산화합물을 생산할 수 있도록 하는 물질로서, 예를 들어, 산화마그네슘(MgO)이나 산화칼슘(CaO)이 이에 해당한다. 암모니아 탈기조를 거친 액체성분과 이온 결합 물질이 이온 반응조(170) 내에서 이온 반응을 일으켜, 고상의 인산화합물로 생산된다. 이온 결합 물질이 산화마그네슘인 것을 가정하면, 이온 반응조(170) 내에서 암모늄 이온, 인산 이온 및 마그네슘 이온이 1:1:1의 몰비로 반응하여 고상의 인산화합물인 스트루바이트(Struvite)를 형성한다. 이온 결합 물질이 산화칼슘인 것을 가정하면, 칼슘이온, 인산이온 및 수산화 이온이 5:3:1의 몰비로 반응하여 고상의 인산화합물인 수산화 인회석(Hydroxyapatite)을 형성한다. 이온 결합 물질의 일 예로 산화마그네슘(MgO)이나 산화칼슘(CaO)을 언급하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 액체성분 내 포함된 인산과 결합되어 고상의 인산화합물로 생산될 수 있는 물질이면 어떠한 것으로 대체되어도 무방하다.

이온 반응조(170) 내 암모늄 이온이 고상의 인산화합물의 생산에 사용되는 경우, 암모늄 이온의 양은 암모니아 탈기조(130)에서 탈기되는 암모니아 기체의 양으로 조절될 수 있다. 전술한 예와 같이, 고상의 인산화합물로 스트루바이트가 생산되는 경우, 암모늄 이온은 인산 이온과 1:1의 몰비로 결합되는데, 암모늄 이온의 양이 부족하거나 많을 수 있다. 이러한 경우, 암모니아 탈기조(130)로 주입되는 공기량이 조절됨으로서, 암모니아 탈기조(130)를 거치고 잔존하는 암모늄 이온의 양이 조절될 수 있다.

나아가, 이온 반응조(170)로는 고액분리조(120)에서 분리된 고체성분 중 슬러지 처리시설(미도시)로 전달되지 않은 일부의 고체성분이 이온 반응조(170)로 함께 전달된다. 이온 반응조(170)로 전달된 고체성분은 시드(Seed) 역할을 하여, 고상의 인산화합물 생산효율을 증가시킨다. 고상의 인산화합물이 생성됨에 있어, 전달된 고체성분을 중심으로 형성되기 때문에, 보다 효율적으로 고상의 인산화합물이 생산된다. 이처럼 생산된 고상의 인산화합물은 회수부(180)로 전달된다.

이온 반응조(170)에서 이온 반응에 의해 생산되는 고상의 인산화합물로부터 인이 추출될 수 있다.

회수부(180)는 조성물 생산부(160)로부터 전달된 고상의 조성물과 이온 반응조(170)로부터 전달된 고상의 인산화합물을 회수한다. 회수부(180)는 고상의 조성물(중탄산 암모늄)과 고상의 인산화합물을 회수함으로써, 질소와 인을 회수할 수 있다. 이처럼, 유효자원 회수장치에 의해 유기성 폐기물로부터 회수된 질소와 인 성분은 비료 등 다양한 제품에 포함되어 재 이용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유효자원 회수장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유효자원 회수장치(200)는 유효자원 회수장치(100)의 구성에서 회수부(210, 215)를 복수 개 포함한다.

회수부(210, 215)는 조성물 생산부(160)와 이온 반응조(170)에 각각 연결되어, 조성물 생산부(160)에서 생산되는 조성물(중탄산암모늄)과 이온 반응조(170)에서 생산되는 인산화합물을 각각 회수한다. 조성물 내 포함된 질소 성분과 인산화합물에 포함된 인 성분은 비료 등에 혼합되어 동시에 사용될 수도 있으나, 질소 성분과 인 성분이 비료 등에 각각 사용될 수도 있다. 질소 성분과 인 성분이 각각 사용될 필요가 있는 경우, 하나의 회수부에서 모두 회수할 경우, 다시 조성물과 인산화합물을 분리해야 하는 불편이 발생한다. 이러한 불편을 해소하고자, 유효자원 회수장치(200)는 조성물 생산부(160)와 이온 반응조(170)에 각각 회수부(210, 215)를 연결하여, 질소 성분과 인 성분을 각각 회수할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유효자원 회수장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 유효자원 회수장치(300)는 유효자원 회수장치(100)의 구성에서 상이한 역할을 하는 암모니아 탈기조(310), 기액 용해기(320), 조성물 생산부(330) 및 회수부(340)를 포함한다.

암모니아 탈기조(310)는 고액분리조(120)로부터 분리된 액체성분 내 암모늄 이온 일부를 암모니아 기체로 탈기시킨다. 다만, 암모니아 탈기조(130)와의 차이점이 있다면, 암모니아 탈기조(130)는 암모니아 기체를 기액 용해기(120)로 주입하는 반면, 암모니아 탈기조(310)는 탈기된 암모니아 기체를 조성물 생산부(330)로 바로 주입한다.

기액 용해기(320)는 혐기성 소화조(110)에서 생성된 바이오가스만을 용해수와 혼합한다. 전술한 대로, 바이오 가스 내 메탄과 이산화탄소의 용해수에 대한 용해도 차이로 인해, 고농도의 메탄은 가스 저장조(150)로 분리되어 배출되며 이산화탄소만이 용해수에 용해된다. 용해수에 용해되는 이산화탄소는 기액 용해기(320) 내에서 먼저 수소이온과 중탄산이온으로 용해되며, 추가적으로 수소이온과 탄산이온으로 용해된다.

도 1에 도시된 기액 용해기(140)로는 바이오가스와 함께 암모니아가 주입되기 때문에, 이산화탄소가 최초 용해될 경우, 수소이온과 암모니아 기체가 반응하여 암모늄이온이 만들어졌다. 이 때문에, 중탄산이온이 추가적으로 수소이온과 탄산이온으로 용해될 만큼 충분한 pH가 형성되지 않아, 이산화탄소는 중탄산이온까지만 기액 용해기(140) 내에서 용해되었다.

그러나 기액 용해기(320)로 바이오가스만이 주입되며 암모니아 기체는 주입되지 않기 때문에, 이산화탄소만이 온전히 용해수에 용해된다. 먼저, 이산화탄소는 수소이온과 중탄산이온으로 용해되는데, 전술한 대로, 암모니아 기체가 주입되지 않아, 이산화탄소가 용해되면 될수록 용해수의 pH는 점점 낮아진다. 이에 따라, 중탄산이온이 추가적으로 수소이온과 탄산이온으로 용해된다. 바이오가스(이산화탄소)는 용해수에 온전히 용해될 때까지 기액 용해기(320) 내 존재하고, 이에 따라, 최종적으로 탄산이온과 수소이온으로 용해된다.

기액 용해기(320)는 탄산이온과 수소이온을 조성물 생산부(330)로 전달한다.

조성물 생산부(330)는 기 설정된 환경을 제공하여, 암모니아 탈기조(310)로부터 암모니아 기체와 용해수 내 용해되어 있는 이온들로 액상(液狀)의 조성물을 생산한다.

암모니아 기체는 조성물 생산부(330)로 주입되는 용해수 내 용해되어 있는 수소이온에 의해 암모늄 이온으로 만들어진다. 다만, 기액 용해기(320)에서 이산화탄소는 중탄산이온이 아닌 탄산이온까지 용해되기 때문에, 조성물 생산부(330)에서는 탄산이온과 암모늄이온이 각각 이온상태로 존재하게 되어, 액상의 조성물이 생산된다. 이처럼 생산된 액상의 조성물은 암모늄 이온을 이용하는 다양한 용처, 예를 들어, 비료(액비) 등에 사용될 수 있다.

한편, 회수부(340)는 이온 반응조(170)에서 생산된 고상의 인산화합물만을 회수한다. 전술한 대로, 조성물 생산부(330)에서는 액상의 조성물이 생산되기 때문에, 회수부(340)는 이온 반응조(170)로부터 고상의 인산화합물만을 회수한다.

도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 유효자원 회수장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 유효자원 회수장치(400)는 유효자원 회수장치(100)의 구성에 부분 질산화조(410) 및 혐기성 암모늄산화조(420)를 더 포함한다.

고액분리조(120)에서 분리된 액체성분 내 질소(암모니아 기체 또는 암모늄이온)성분은 암모니아 기체로 탈기되어 고상의 조성물로 형성되거나, 이온 반응조에서 인산화합물 생산에 사용되며 대부분 제거된다. 그러나 각 구성을 거치더라도, 반응하지 않고 액체성분 내 잔류하는 질소성분이 존재할 수 있다. 액체성분들은 회수부(180)에서 조성물이나 인산화합물의 회수 시 여액으로 배출되는데, 여액으로 배출되는 액체성분 내에 질소성분이 잔류하고 있을 수 있다.

부분 질산화조(410)는 액체성분 내 존재하는 암모늄이온의 일부를 아질산성 이온으로 전환한다. 부분 질산화조(410)는 암모늄 산화 미생물 및 아질산화 미생물을 포함하여, 암모늄이온의 일부를 아질산 이온으로 전환하거나, 아질산 이온을 질산 이온으로 전환한다.

혐기성 암모늄산화조(420)는 암모늄이온과 아질산성 이온을 질소가스로 전환하여 액체성분 내 질소성분을 제거한다. 혐기성 암모늄산화조(420)는 혐기환경에서 성장하는 미생물을 포함하여, 암모늄이온과 아질산성 이온을 질소가스로 전환함으로서 액체성분 내 잔류하는 질소성분을 제거한다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유효자원 회수 방법을 도시한 순서도이다.

혐기성 소화조(110)는 혐기성 소화를 수행하여 유기성 폐기물을 소화폐액과 바이오 가스로 분해한다(S710). 바이오 가스는 기액 용해기(140)로 전달되고, 소화폐액은 고액분리조(120)로 전달된다.

고액분리조(120)는 소화폐액을 고체성분과 액체성분으로 분리한다(S720). 고액분리조(120)는 고체성분과 액체성분을 분리하고, 고체성분의 대부분은 슬러지 처리시설(미도시)로 전달하고, 일부만을 이온 반응조(170)로 전달하며, 액체성분은 암모니아 탈기조(130)로 전달한다.

암모니아 탈기조(130)는 액체성분에 기 설정된 양의 공기를 주입하여 암모니아를 탈기시킨다(S730). 암모니아 탈기조(130)로 공기가 주입되어 pH가 높아짐으로써, 액체성분 내 포함된 암모늄 이온 중 일부가 암모니아 기체로 탈기된다.

기액 용해기(140) 및 조성물 생산부(160)는 유기성 폐기물에서 분리된 바이오 가스와 탈기된 암모니아를 혼합하여, 메탄과 중탄산암모늄으로 분리한다(S740). 기액 용해기로 유입된 바이오 가스와 암모니아는 기액 용해기(140) 내 포함된 용해수와 혼합되며, 용해수에 대한 용해도 차이에 의해 분리된다. 용해수에 용해도가 낮은 메탄가스는 용해수에 용해되지 않고 그대로 기체상태를 유지하며 가스 저장조(150)로 배출된다. 반면, 용해수에 용해도가 높은 이산화탄소는 용해수에 수소이온과 중탄산이온으로 용해되며, 이산화탄소에 의해 pH가 낮아진 용해수와 혼합되며 암모니아 기체도 암모늄 이온으로 변한다. 조성물 생산부(160)의 환경 하에서, 중탄산이온과 암모늄이온이 결합하여 고상의 조성물인 중탄산암모늄으로 생산된다.

이온 반응조(170)는 암모니아를 탈기시킨 액체성분에 고체성분 일부와 이온결합 물질을 투입하여 인산화합물을 생산한다(S750). 액체성분 내 포함된 인산 이온을 포함한 이온들과 이온 결합 물질이 이온반응을 일으켜, 고상의 인산화합물로 생산된다. 여기서, 이온 결합 물질은 액체성분 내 포함된 인산 이온 등과 이온 반응을 일으켜 고상의 인산화합물로 생산되는 물질이다. 이때, 고액분리조(120)에서 분리된 고체성분 중 일부가 함께 투입되는 경우, 고상의 인산화합물이 보다 효율적으로 생산된다.

회수부(180)는 중탄산 암모늄 및 인산 화합물을 각각 또는 함께 회수한다(S760).

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유효자원 회수 방법을 도시한 순서도이다.

혐기성 소화조(110)는 혐기성 소화를 수행하여 유기성 폐기물을 소화폐액과 바이오 가스로 분해한다(S810).

고액분리조(120)는 소화폐액을 고체성분과 액체성분으로 분리한다(S820).

암모니아 탈기조(310)는 액체성분에 기 설정된 양의 공기를 주입하여 암모니아를 탈기시킨다(S830).

기액 용해기(320)는 유기성 폐기물에서 분리된 바이오 가스를 용해시켜 메탄을 분리한다(S840).

조성물 생산부(330)는 충분히 용해된 바이오가스와 암모니아를 혼합하여 액상 조성물을 회수한다(S850). S830과정에서 탈기된 암모니아 기체와 S840과정에서 용해된 이산화탄소는 조성물 생산부(330)로 주입된다. 조성물 생산부(330)는 암모니아 기체와 충분히 용해된 이산화탄소를 혼합하여 액상 조성물을 회수한다.

이온 반응조(170)는 암모니아를 탈기시킨 액체성분에 고체성분 일부와 이온결합 물질을 투입하여 인산화합물을 생산한다(S860).

회수조(340)는 인산 화합물을 회수한다(S870).

도 7 및 8에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 7 및 8에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 7 및 8은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 7 및 8에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 200, 300, 400: 유효자원 회수장치
110: 혐기성 소화조
120: 고액분리조
130, 310: 암모니아 탈기조
140, 320: 기액용해기
150: 가스저장조
160, 330: 조성물 생산부
170: 이온 반응조
180, 210, 215, 340: 회수부
410: 부분 질산화조
420: 혐기성 암모늄산화조

Claims

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유기성 폐기물에 포함된 자원을 회수하는 장치에 있어서,
혐기성 소화를 수행하여 상기 유기성 폐기물을 소화폐액과 가스로 분해하는 혐기성 소화조;
상기 소화폐액을 고체성분과 액체성분으로 분리하는 고액분리조;
상기 고액분리조에서 분리된 액체성분에 기 설정된 양의 공기를 주입하여, 액체성분의 pH를 상승시킴으로써 암모늄 이온 일부를 암모니아로 탈기(脫氣)시키는 암모니아 탈기조;
상기 가스와 상기 암모니아를 받아 용해수와 혼합하고 이산화탄소를 포함한 폐가스를 외부로부터 추가적으로 유입받아 용해수와 혼합하여, 상기 가스 내 포함된 기체 중 상기 용해수에 용해도가 상대적으로 높은 기체를 용해시키며, 상기 용해수에 용해도가 상대적으로 낮은 기체를 외부로 배출하는 기액용해기;
기 설정된 환경을 제공하여, 상기 용해수에 용해된 성분 및 상기 암모니아로 탄산이온과 암모늄 이온이 이온상태로 존재하는 액상(液狀)의 조성물을 생산하는 조성물 생산부;
상기 암모니아 탈기조를 거치며 암모늄 이온 일부와 인산 이온을 포함하는 액체성분 및 외부로부터 이온결합 물질을 받아, 고상의 인산화합물을 생산하는 이온반응조;
상기 이온 반응조에서 생산된 고상의 인산화합물을 회수하는 회수부; 및
상기 회수부에서 회수되지 않고 배출되는 여액 내 잔류하는 질소 성분을 제거하는 산화조를 포함하며,
상기 고액분리조로부터 분리된 고체성분 중 일부가 상기 이온 반응조로 전달되며 고상의 인산화합물 생산효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유효자원 회수장치.
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제12항에 있어서,
상기 조성물 생산부는,
생산한 액상의 조성물을 이용하여 액비(液肥)를 생산하는 것을 특징으로 하는 유효자원 회수장치.
유기성 폐기물에 포함된 자원을 회수하는 방법에 있어서,
혐기성 소화를 수행하여 상기 유기성 폐기물을 소화폐액과 가스로 분해하는 혐기성 소화과정;
상기 소화폐액을 고체성분과 액체성분으로 분리하는 고액 분리과정;
상기 고액 분리과정에서 분리된 액체성분에 기 설정된 양의 공기를 주입하여 암모늄 이온 일부를 암모니아로 탈기(脫氣)시키는 암모니아 탈기과정;
상기 가스와 상기 암모니아를 받아 용해수와 혼합하고 이산화탄소를 포함한 폐가스를 외부로부터 추가적으로 유입받아 용해수와 혼합하여, 상기 가스내 포함된 기체 중 상기 용해수에 용해도가 상대적으로 높은 기체를 용해시키며, 상기 용해수에 용해도가 상대적으로 낮은 기체를 외부로 배출하는 기액 용해과정;
기 설정된 환경 내에서, 상기 용해수에 용해된 성분과 상기 암모니아로 액상(液狀)의 조성물을 생산하는 조성물 생산과정;
상기 암모니아 탈기과정을 거치며 암모늄 이온 일부와 인산 이온을 포함하는 액체성분 및 외부로부터 이온결합 물질을 받아, 고상의 인산화합물을 생산하는 이온 반응과정;
상기 이온 반응과정에서 생산된 고상의 인산화합물을 회수하는 회수과정; 및
상기 회수과정에서 회수되지 않고 배출되는 여액 내 잔류하는 질소 성분을 제거하는 제거과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 유효자원 회수방법.
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