KR102240131B1 - 고효율 혐기성 소화조 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축, 상기 회전축에 설치된 복수의 임펠러, 상기 회전축을 회전시키는 구동부를 포함하는 혐기성 소화조, 상기 혐기성 소화조에 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 유기물을 분쇄한 후 혐기성 소화조에 재투입하는 슬러지균질화장치 및 상기 혐기성 소화조 내부에서 미생물에 의해 분해되고 있는 유기물을 여과하기 위한 슬러지여과장치를 포함하는 고효율 혐기성 소화조 시스템을 제공한다. 본 발명인 고효율 혐기성 소화조 시스템은 소화조 내 유기물 농도 및 SRT를 증가시킬 수 있는 것은 물론, 유기물 균질화 및 스컴 생성을 방지하여 소화효율 향상을 통해 슬러지 감량 및 바이오가스 생산량을 극대화할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

고효율 혐기성 소화조 시스템{High-efficiency Anaerobic Digestion System}

본 발명은 고효율 혐기성 소화조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 교반기를 포함하는 혐기성 소화조, 슬러지균질화장치 및 슬러지여과장치를 포함하는 고효율 혐기성 소화조 시스템에 관한 것이다.

현대사회는 고도의 산업 발달과 더불어 발생하는 많은 양의 쓰레기 처리문제에 직면하고 있다. 그 중에서 음식물 쓰레기, 가축 분뇨, 하수 슬러지와 같은 유기성 폐기물은 2012년부터 해양 투기가 금지됨에 따라, 현재는 육상 처리만 하고 있는 실정이다.

이러한 유기성 폐기물의 처리를 위한 방식 중 생물학적인 처리방법인 혐기성 소화법이 있다. 혐기성 소화법은 호기성 소화법에 비해 우수한 점이 많아 현재 유기성 폐기물의 처리를 위해 널리 사용되고 있다. 특히, 혐기성 소화법은 단순한 유기성 폐기물의 분해, 처리 기능 외에도 유기성 폐기물을 통한 연료 및 퇴비를 생산하는 친환경 자원재생산 처리기법으로 발전하고 있어, 국내 유기성 폐기물 자원화시설의 대부분을 차지하고 있던 퇴비화 시설 및 사료화 시설이 혐기성 소화법을 적용한 바이오가스화 시설로 전환되고 있는 실정이다.

혐기성 소화조의 역할은 앞서 언급한 바와 같이 혐기성 상태에서 미생물이 유기물을 분해하여 부하를 감소시키는 것이며, 충분한 교반을 통하여 유기물과 활성화된 미생물과의 접촉성을 증대시키는 것이 분해효율을 증대시키는 중요한 방법 중 하나이다. 혐기성 소화조 교반방식은 생성된 바이오가스를 이용한 가스 교반, 기계식 교반, 펌프 순환에 의한 교반 등 다양한 방법이 있다.

혐기성 소화조의 교반에는 소화가스를 이용하는 방법과 펌프를 이용하는 방법과 기계식 교반기를 이용하는 방법이 있는데 구조가 간단한 소화가스를 이용하는 방법이 많이 사용되고 있다. 소화가스를 이용하는 방법은 고압 송풍기를 이용하여 바이오가스를 혐기성 소화조 내로 공급하여 바이오가스가 혐기성 소화조 내의 슬러지 층을 부상시키면서 발생하는 교란현상을 이용하여 유기물을 혼합한다.

하지만, 본 방법은 혐기성 소화조 내의 유기물 혼합이 불완전하고, 혐기성 소화조 내의 60% 이상이 교반이 안 되는 정체 구역(dead zone)이 있어 효율이 저하되어 이를 기계식 교반 등으로 개선하는 공사가 진행 중이다.

최근에는 소화가스를 이용하는 방법에서 기계식 교반장치를 이용하는 방법으로 대부분 전환되고 있다. 국내 하,폐수처리장(10,000톤/일 규모)의 혐기성 소화조 1지당 용량이 1,500 ~ 3,000 ㎥이며, 총고형물 함량(Total Solids) 최소 2%, 최대 5%로 운영되고 있다. 혐기성 소화조 용량이 3,000㎥일 경우 통상 직경이 약 20M이며, 혐기성 소화조 높이가 약 18M 이상의 구조물로 구성되기 때문에 높은 효율의 바이오가스를 생산을 위해서는 혐기성 소화조 내부에 저장하는 슬러지 상태 및 슬러지 분해 조건을 일정하게 유지할 필요가 있다.

상술한 문제를 해결하기 위해 KR 특허출원번호 제10-2016-0120024호(발명의 명칭 : 고효율 혐기성 소화조를 이용한 유기성 폐기물 처리장치)에서는 혐기성 소화조 내에서 유기성 폐기물이 반응→침전→배출 순의 과정이 수회 반복되면서, 혐기성 미생물에 의한 소화 작용으로 바이오가스가 고효율로 생성되는 유기성 폐기물 처리장치가 개시되어 있다.

그러나 상술한 유기성 폐기물 처리장치의 경우 유기성 폐기물 중에 침전된 고형물과 스컴(scum)이 포함된 상등수를 고액으로 각각 분리하여 개별적으로 배출하기 때문에 유기성 폐기물 처리장치의 구조가 복잡하고 바이오가스 생산 효율이 떨어지는 문제가 존재한다.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.

본 발명의 발명자들은 기존의 혐기성 소화조 시스템에 비해 시스템 시공비용이 저렴한 것은 물론, 바이오가스 생산 효율이 높은 고효율 혐기성 소화조 시스템을 개발하기 위해 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 혐기성 소화조 시스템이 슬러지균질화장치 및 슬러지여과장치를 포함할 경우 혐기성 소화조 내 유기물 농도 및 SRT를 증가시킬 수 있는 것은 물론, 유기물 균질화 및 스컴 생성을 방지하여 소화효율 향상을 통해 슬러지 감량 및 바이오가스 생산량을 극대화할 수 있다는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 고효율 혐기성 소화조 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.

본 발명은 혐기성 소화조 시스템을 제공한다.

본 발명의 발명자들은 기존의 혐기성 소화조 시스템에 비해 시스템 시공비용이 저렴한 것은 물론, 바이오가스 생산 효율이 높은 고효율 혐기성 소화조 시스템을 개발하기 위해 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 혐기성 소화조 시스템이 슬러지균질화장치 및 슬러지여과장치를 포함할 경우 혐기성 소화조 내 유기물 농도 및 SRT를 증가시킬 수 있는 것은 물론, 유기물 균질화 및 스컴 생성을 방지하여 소화효율 향상을 통해 슬러지 감량 및 바이오가스 생산량을 극대화할 수 있다는 사실을 확인하였다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 혐기성 소화조 중심부에 설치되어 회전하는 회전축, 상기 회전축에 설치된 복수의 임펠러, 상기 회전축을 회전시키는 구동부를 포함하는 혐기성 소화조, 상기 혐기성 소화조에 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 유기물을 분쇄한 후 혐기성 소화조에 재투입하는 슬러지균질화장치 및 상기 혐기성 소화조 내부에서 미생물에 의해 분해되고 있는 유기물을 여과하기 위한 슬러지여과장치를 포함하는 고효율 혐기성 소화조 시스템을 제공한다.

본 명세서에서 사용하는 용어‘슬러지’는 하폐수처리 또는 정수과정에서 생긴 침전물을 의미할 수 있다.

본 명세서에서 사용하는 용어‘소화조’는 오폐수 처리와 동시에 연료용 가스 등을 얻기 위해 밀폐식으로 만든 탱크 구조물 내부에 교반기, 슬러지 주입기, 가스배출관 등이 설치되어 있는 구조물을 의미할 수 있다.

본 명세서에서 사용하는 용어‘바이오가스’는 유기물을 포함하는 매질의 발효 또는 부패에 의해 생성되는 일체의 가스를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 사용하는 용어‘혐기성 세균’은 공기 중의 산소를 필요로 하지 않는 세균을 의미할 수 있다.

본 명세서에서 사용하는 용어‘SRT’는 유입슬러지의 혐기성 소화조 내부 체류시간을 의미할 수 있다.

본 명세서에서 사용하는 용어‘스컴’은 끓이거나 발효시에 발생하는 일체의 부유성 찌꺼기를 의미할 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 슬러지균질화장치는 바람직하게는 파쇄펌프, 투입밸브 1, 투입밸브 2, 투입밸브 3, 상기 투입밸브 1에 결합된 노즐 1 및 상기 투입밸브 2에 결합된 노즐 2를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 슬러지균질화장치는 바람직하게는 상기 혐기성 소화조에 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 상기 파쇄펌프를 통해 분쇄한 다음, 상기 투입밸브 1 및 상기 노즐 1에 의해 상기 혐기성 소화조로 재투입하는 것일 수 있다.

본 발명에서 상기 혐기성 소화조에 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 상기 파쇄펌프를 통해 분쇄한 다음, 상기 투입밸브 1 및 상기 노즐 1에 의해 상기 혐기성 소화조로 재투입하는 것은 매우 중요한 구성이다. 왜냐하면, 상기 재투입으로 인해 혐기성 소화조 내부의 유기성 슬러지를 균질화하고 회전운동을 통해 혐기성 소화조 탱크 바닥에 정착하는 것을 방지할 수 있기 때문이다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 투입밸브 2 및 투입밸브 3은 바람직하게는 분쇄된 슬러지와 바이오가스를 혼합하여 상기 노즐 2를 통해 상기 혐기성 소화조로 재투입하는 것일 수 있다.

본 발명에서 상기 투입밸브 2 및 투입밸브 3으로 분쇄된 슬러지와 바이오가스를 혼합하여 상기 노즐 2를 통해 상기 혐기성 소화조로 재투입하는 것은 매우 중요한 구성이다. 왜냐하면, 슬러지와 생성된 바이오가스를 혼합하여 가압 상태로 노즐 2를 통해 혐기성 소화조로 재투입함으로써 수평 혼합력과 함께 수직 혼합력을 생성함으로써 혐기성 소화조 내부 수면부에 생성되는 스컴을 방지할 수 있기 때문이다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 슬러지여과장치는 바람직하게는 공급펌프, 슬러지여과기, 공기압축기, 세척용 탱크 및 세척수펌프를 포함할 수 있다.

본 발명에서 공급펌프, 슬러지여과기, 공기압축기, 세척용 탱크 및 세척수펌프를 포함하는 슬러지여과장치를 구비하는 것은 매우 중요한 구성이다. 왜냐하면, 슬러지여과장치를 구비할 경우 혐기성 소화조 내부의 유기물의 농도와 유입슬러지의 혐기성 소화조 체류시간(SRT)을 증가시킴으로 인해 소화효율 및 바이오가스 생산을 증대할 수 있기 때문이다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 슬러지여과기는 바람직하게는 회전 분리막을 이용하여 슬러지를 여과하는 것일 수 있다.

본 발명에서 회전 분리막을 이용한 슬러지여과기를 구비하는 것은 매우 중요한 구성이다. 왜냐하면, 미세 크기의 멤브레인 막을 회전시킴으로 인해 발생하는 원심력을 이용하여 멤브레인 막에 침적되는 슬러지를 분리할 경우 슬러지 여과 효율을 높일 수 있는 것은 물론, 멤브레인 막의 세척이 용이하기 때문이다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 슬러지여과장치는 바람직하게는 상기 혐기성 소화조 내부의 슬러지를 흡입하여 공급펌프를 이용하여 슬러지를 여과기로 공급하고, 공급된 슬러지를 상기 슬러지여과기의 상기 회전 분리막을 이용하여 여과한 다음, 여과된 슬러지를 상기 혐기성 소화조로 재순환시키는 것일 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 회전 분리막에 부착된 오염물질은 바람직하게는 공기압축기, 세척용 탱크 및 세척수펌프를 이용하여 제거하는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 혐기성 소화조 중심부에 설치되어 회전하는 회전축, 상기 회전축에 설치된 복수의 임펠러, 상기 회전축을 회전시키는 구동부를 포함하는 혐기성 소화조 및 상기 혐기성 소화조에 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 유기물을 분쇄한 후 혐기성 소화조에 재투입하는 슬러지균질화장치를 포함하고, 상기 슬러지균질화장치는 파쇄펌프, 투입밸브 1, 투입밸브 2, 투입밸브 3, 상기 투입밸브 1에 결합된 노즐 1 및 상기 투입밸브 2에 결합된 노즐 2를 포함하며, 상기 슬러지균질화장치는 상기 혐기성 소화조에 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 상기 파쇄펌프를 통해 분쇄한 다음, 상기 투입밸브 1 및 상기 노즐 1에 의해 상기 혐기성 소화조로 재투입하고, 상기 투입밸브 2 및 투입밸브 3은 분쇄된 슬러지와 바이오가스를 혼합하여 상기 노즐 2를 통해 상기 혐기성 소화조로 재투입하는 고효율 혐기성 소화조 시스템을 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 혐기성 소화조 중심부에 설치되어 회전하는 회전축, 상기 회전축에 설치된 복수의 임펠러, 상기 회전축을 회전시키는 구동부를 포함하는 혐기성 소화조 및 상기 혐기성 소화조 내부에서 미생물에 의해 분해되고 있는 유기물을 여과하기 위한 슬러지여과장치를 포함하고, 상기 슬러지여과장치는 공급펌프, 슬러지여과기, 공기압축기, 세척용 탱크 및 세척수펌프를 포함하며, 상기 슬러지여과기는 회전 분리막을 이용하여 슬러지를 여과하고, 상기 슬러지여과장치는 상기 혐기성 소화조 내부의 슬러지를 흡입하여 공급펌프를 이용하여 슬러지를 여과기로 공급하고, 공급된 슬러지를 상기 슬러지여과기의 상기 회전 분리막을 이용하여 여과한 다음, 여과된 슬러지를 상기 혐기성 소화조로 재순환시키며, 상기 회전 분리막에 부착된 오염물질은 공기압축기, 세척용 탱크 및 세척수펌프를 이용하여 제거하는 고효율 혐기성 소화조 시스템을 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 혐기성 소화조에 설치되는 혐기성 소화조 작동보조장치에 있어서, 파쇄펌프, 투입밸브 1, 투입밸브 2, 투입밸브 3, 상기 투입밸브 1에 결합된 노즐 1 및 상기 투입밸브 2에 결합된 노즐 2를 포함하고, 상기 혐기성 소화조에 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 유기물을 분쇄한 후 혐기성 소화조에 재투입하는 슬러지균질화장치 및 공급펌프, 슬러지여과기, 공기압축기, 세척용 탱크 및 세척수펌프를 포함하고, 회전 분리막을 이용하여 슬러지를 여과하며, 혐기성 소화조 내부에서 미생물에 의해 분해되고 있는 유기물을 여과하기 위한 슬러지여과장치를 포함하는 혐기성 소화조 작동보조장치를 제공한다.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:

(a) 본 발명은 혐기성 소화조 중심부에 설치되어 회전하는 회전축, 상기 회전축에 설치된 복수의 임펠러, 상기 회전축을 회전시키는 구동부를 포함하는 혐기성 소화조, 상기 혐기성 소화조에 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 유기물을 분쇄한 후 혐기성 소화조에 재투입하는 슬러지균질화장치 및 상기 혐기성 소화조 내부에서 미생물에 의해 분해되고 있는 유기물을 여과하기 위한 슬러지여과장치를 포함하는 고효율 혐기성 소화조 시스템을 제공한다.

(b) 본 발명인 고효율 혐기성 소화조 시스템은 혐기성 소화조 내 유기물 농도 및 SRT를 증가시킬 수 있는 것은 물론, 유기물 균질화 및 스컴 생성을 방지하여 소화효율 향상을 통해 슬러지 감량 및 바이오가스 생산량을 극대화할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명인 고효율 혐기성 소화조 시스템의 개념도를 나타낸다.
도 2는 본 발명인 고효율 혐기성 소화조 시스템에 포함된 슬러지균질화장치의 개념도를 나타낸다.
도 3은 고효율 혐기성 소화조 시스템에 포함된 주요 펌프 및 밸브의 위치를 나타낸다.
도 4는 본 발명인 고효율 혐기성 소화조 시스템의 유기물 투입당 가스발생량의 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명인 고효율 혐기성 소화조 시스템의 유기물 투입당 가스발생량의 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명인 고효율 혐기성 소화조 시스템에 포함된 슬러지여과장치의 개념도를 나타낸다.
도 7은 본 발명인 고효율 혐기성 소화조 시스템에 포함된 슬러지여과장치의 계통도를 나타낸다.
도 8은 슬러지여과장치에 포함된 슬러지여과기의 일부 상세 단면 구성도를 나타낸다.
도 9는 슬러지여과장치에 포함된 슬러지여과기에 적용되는 분리막의 단면 구성도를 나타낸다.
도 10은 슬러지여과장치에 포함된 슬러지여과기 디스필터의 배치형태를 나타낸다.
도 11은 혐기성 소화조의 단면을 나타낸다.
도 12는 혐기성 소화조 설비와 슬러지 균질화 설비 조합의 실시 예를 나타낸다.
도 13은 혐기성 소화조와 슬러지여과장치 조합의 실시 예를 나타낸다.
도 14는 슬러지 균질화설비와 슬러지여과장치 조합의 실시 예를 나타낸다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 10에는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 혐기성 소화조 시스템의 개념도, 슬러지균질화장치의 개념도, 슬러지여과장치의 개념도, 슬러지여과장치의 계통도 및 혐기성 소화조의 단면도와 실시 예가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 혐기성 소화조 시스템은 혐기성 소화조, 슬러지균질화장치 및 슬러지여과장치를 포함한다.

상기 혐기성 소화조는 내부에 슬러지를 저장하며 저장된 슬러지를 미생물과 복수의 임펠러가 부착된 회전축을 이용하여 교반함으로써 미생물과 슬러지와의 접촉효율을 높여 유기물의 분해 능력을 증대시킨다.

상기 슬러지균질화장치는 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 유기물을 분쇄한 후 소화조에 재투입한다.

상기 슬러지여과장치는 소화조 내부에서 미생물에 의해 분해되고 있는 유기물을 여과하여 소화조 내 미생물과 유기물의 농도를 증가시키고 고형물이 제거된 반류수를 수처리계통으로 반송하여 반류수의 부하를 경감한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 혐기성 소화조 시스템에 포함된 슬러지균질화장치는 파쇄펌프, 투입밸브 1, 투입밸브 2, 투입밸브 3, 상기 투입밸브 1에 결합된 노즐 1 및 상기 투입밸브 2에 결합된 노즐 2를 포함한다.

혐기성 소화조에 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 파쇄펌프를 통해 조대입자 유기물을 작은 입자로 분쇄한 후 혐기성 소화조에 투입밸브 1 및 노즐 1에 의해 재순환시킴으로 인해 혐기성 소화조 내부의 유기성 슬러지를 균질화하고 슬러지 순환을 통해 혐기성 소화조 탱크 바닥에 정착하는 것을 방지한다.

또한, 투입밸브 2 및 투입밸브 3은 순환슬러지와 생성된 바이오가스를 혼합하여 가압 상태로 노즐 2를 통해 혐기성 소화조로 재투입함으로써 수평 혼합력과 함께 수직 혼합력을 생성함으로써 혐기성 소화조 내부 수면부에 생성되는 스컴 생성을 방지한다.

상기 투입밸브 1, 투입밸브 2 및 투입밸브 3은 유입되는 유기성 슬러지의 종류에 따라 작동시간이 가변적으로 조정되며, 혐기성 소화조 내부의 슬러지를 균질화하고 스컴 생성을 방지하기 위해 미세 조정될 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 혐기성 소화조 시스템에 포함된 슬러지여과장치는 공급펌프, 슬러지여과기, 공기압축기, 세척용 탱크 및 세척수펌프를 포함한다.

도 3을 참조하면, 혐기성 소화조 내부에서 분해되고 있는 슬러지(1)를 흡입하여 공급펌프로 고압의 슬러지(2)로 슬러지여과기의 회전 분리막을 통과시킴으로 인해 반류수는 하수처리장 또는 폐수처리장에 연계처리하고 여과슬러지(3)는 혐기성 소화조로 재순환시킴으로 인해 혐기성 소화조 내부의 유기물과 미생물 농도를 증가시킨다.

상기 회전 분리막은 미세 크기의 멤브레인 막을 회전시킴으로 인해 발생하는 원심력을 이용하여 멤브레인 막에 침적되는 슬러지을 분리하고 여과된 물은 배출하는 장치이다.

상기 공기압축기, 세척용 탱크 및 세척수펌프는 회전분리막에 부착된 오염물질을 제거하기 위한 세척 장치이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 혐기성 소화조 시스템에 포함된 슬러지여과장치는 혐기성 소화조에 포함된 슬러지를 압송하는 공급펌프(100), 압송된 슬러지를 공급관(110)을 통해 공급받아 슬러지를 여과하되, 모터(220)에 의해 회전하는 다수의 분리막(210)을 사용하여 여과하는 슬러지여과기(200), 상기 슬러지여과기(200)에 압축공기를 공급하여 상기 슬러지여과기(200) 내부의 반류수를 배출시키는 공기압축기(300), 상기 슬러지여과기(200)에서 여과된 반류수를 공급받아 저장하는 반류수 저장부(400), 상기 반류수 저장부(400)의 반류수 또는 시수를 공급받아 저장하는 세척수 저장부(500), 상기 공급관(110)에서 분기되어 상기 세척수 저장부(500)의 세척수를 상기 슬러지여과기(200)의 분리막(210)측으로 공급 및 분사하는 세척라인(510) 및 노즐(511)로 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 자기 세척기능을 가지는 슬러지여과장치의 바람직한 실시예의 구성과 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 슬러지를 여과시키기 위하여 공급펌프(100)를 통해 압송된 슬러지가 밸브(V1), 공급관(110을 통해 슬러지여과기(200)로 공급된다.

여과기(200)는 모터(220)에 의해 중공축(230)이 회전하며, 그 중공축(230)에 중앙부가 삽입된 분리막(210)들이 회전한다.

도 6은 상기 분리막(210)의 단면 구성도이다.

도 6을 참조하면 상기 분리막(210)은 중공축(230)의 측면에 결합되는 지지대(211)와, 상기 지지대(211)와는 일부에 공간이 마련되도록 결합되는 유로막(213)과, 상기 유로막(213)의 상부에 위치하는 필터(212)를 포함하여 구성된다.

상기 지지대(211)와 유로막(213)의 사이에 마련되는 공간의 측면측인 중공축(230)에는 반류수가 유입될 수 있는 공급구(231)가 마련되어 있다.

이와 같은 구성에서 상기 공급된 슬러지는 상기 필터(212)에서 여과되어 슬러지의 이물질은 필터(212)의 상부에 잔류하고, 수분만이 반류수로서 상기 필터(212)를 투과하고, 유로막(213)을 지나 그 유로막(213)과 지지대(211)가 이루는 공간으로 유입되며, 그 유입된 반류수는 공급구(231)를 통해 중공축(230)의 내부를 지나 상기 반류수 저장부(400)에 저장된다.

이와 같이 반류수와 분리된 이물질은 이물질배출구(250)를 통해 외부로 배출되며, 배수를 할 경우에는 드레인라인(240)을 통해 혐기성 소화조로 재투입되거나, 여과기(200)의 상부에 별도의 배출구를 마련하여 이 배출구를 통해 배출되도록 할 수 있다.

이때 여과의 효율을 높이기 위하여 공기압축기(300)에서는 압축공기를 여과기(200)의 내부로 공급하여, 그 압력의 증가에 의해 이물질과 수분의 분리를 더욱 촉진시킬 수 있다. 이 경우 상기 중공축(230)의 끝단에 펌프(221)를 연결시키고, 그 펌프(221)를 구동시켜 중공축(230) 내부의 압력을 감압시키면 필터(212)에서의 여과효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 공기압축기(300)에 의해 공급되는 압축공기는 상기 중공축(230)의 내부 감압에 따라 필터(212)가 손상되는 것을 방지하며, 반류수의 배출이 용이하도록 하는 역할을 한다.

이와 같은 여과과정을 반복할수록 상기 필터(212)의 상부에는 슬러리가 고착된다. 물론 분리막(210)의 회전과, 이웃한 분리막(210)와의 중첩 배치에 의한 난류의 형성으로 그 분리막(210)의 표면에 슬러리가 고착되는 것을 줄일 수는 있지만, 완전하게 슬러리의 고착을 방지하는 것은 불가능하다.

상기 슬러리의 고착에 의하여 여과효율이 저하되면, 여과처리를 중단하고, 그 분리막(210)로부터 슬러리를 세척하는 세척처리를 한다.

이를 위해 밸브(V1)가 닫힌 상태에서, 밸브(V2)가 열려 세척수 저장부(500)의 세척수가 세척수펌프(120)와, 공급관(110)을 통해 공급되며, 밸브(V6)가 닫힌 상태에서 열린 밸브(V7)를 통해 세척라인(510)에 공급되어, 그 세척라인(510)에 결합된 다수의 노즐(511)을 통해 각 분리막(210)의 표면에 분사된다.

이때 노즐(511)의 직경 및 펌프(120)의 압력에 의해 세척수가 적당한 압력으로 분사되어 슬러리를 제거할 수 있다. 상기 세척수는 순수한 물일 수도 있으며, 세척의 용이를 위하여 세척제가 포함된 것일 수 있다.

이때 각 분리막(210)을 모터(220)를 이용해 회전시키면, 그 분리막(210)의 회전에 의하여 그 세척라인(510)에 결합된 노즐(511)들이 고정된 상태에서도 분리막(210)의 전체를 세척할 수 있다.

상기 노즐(511)은 인접한 분리막(210)의 상면과 하면을 동시에 세척할 수 있도록 양측에 배출구가 마련된 것이 바람직하다.

도 7은 상기 분리막(210)의 배치에 따라 배치될 수 있는 노즐(511)의 배치형태를 보인 실시예의 구성도이다.

도 7을 참조하면 여과기(200)는 두 개의 서로 다른 중공축(230)에 결합된 다수의 팔각형 분리막(210)들이 상호 중첩되어 배치되도록 구성할 수 있으며, 그 분리막(210)의 형상은 원형, 8각형, 16각형 등 그 형상에 의해 본 발명이 제한되지 않는다.

이와 같은 배치에서 세척수를 공급하는 세척수 공급관(510)에 결합된 다수의 노즐(511)들은 그 다수의 분리막(210)의 사이 사이에 중첩되도록 위치여, 최선단과 최후단을 제외한 노즐(511)들은 각각 인접한 분리막(210)의 상면과 하면을 동시에 세척한다.

상기 노즐(511)은 앞서 설명한 바와 같이 분리막(210)들과 중첩되게 위치할 수 있으며, 또한 중첩되지 않고 거리를 두고 위치할 수 있다.

이때 상기 분리막(210)들은 회전하도록 구성될 수 있다. 따라서 상기 노즐(511)에서 분사된 세척수에 의해 각 분리막(210)의 전체가 고르게 세정될 수 있다.

특히 노즐(511)은 분리막(210)의 면에 대하여 예각의 분사각도를 가지도록 경사져 고착된 슬러리를 외측으로 밀어 내는 형태가 바람직하다.

또한 상기 분리막(210)의 세척에 사용된 세척수는 여과시 반류수와 같이 중공축(230)을 통해 배출되어 여과수 저장부(400)에 저장된다. 이 경우 그 반류수 저장부(400)에 저장된 반류수는 펌프(410)와 밸브(V3)를 통해 다시 세척수 저장부(500)에 저장되는 것으로 구성할 수 있다.

이는 세척수뿐만 아니라 반류수를 순환시켜 세척수로 사용할 수 있기 때문에 세척에 사용되는 세척수를 절약할 수 있게 된다.

또한 상기 노즐(511)은 각 분리막(210)의 사이에 위치하고 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 노즐(511)과 분리막(210)은 소정의 길이만큼 중첩되도록 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 구조에 의하면, 여과시에 분리막(210)이 회전하면서 그 노즐(511)과의 유체 간섭이 발생하여 난류가 발생하며, 이 난류의 형성은 분리막(210)에 이물이 부착되는 것을 방지하여, 여과 효율을 높일 수 있게 한다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 혐기성 소화조 시스템에 포함된 혐기성 소화조는 회전파이프(20), 임펠러(30), 지지판(40) 및 구동부(50)를 포함한다.

상기 회전파이프(20)는 회전파이프(20))에 결합된 후술하는 임펠러(30)를 회전시키는 역할을 수행한다.

상기 회전파이프(20)에 설치되어 혐기성 소화조 내부의 슬러지를 교반하여 효율적으로 소화하기 위하여 설치되는 임펠라(30)는 하나 이상 설치하되, 혐기성 소화조의 크기, 모터의 회전력 및 효율적인 교반을 위하여 임펠라(30)에 설치된 교반 날개의 방향, 크기 및 각도를 다양하게 설치할 수 있다.

상기 임펠러(30)는 소화물의 소화효율을 높이기 위하여 회전축 상에 상하 3개의 임펠라를 설치하되, 회전축의 상부에 설치되는 임펠라는 스컴 등과 같은 부유물을 수면 하부로 빨아들일 수 있는 축류(Axial Flow) 임펠라를 구비하고, 회전축 중간부에 설치되는 임펠러는 혐기성 소화조 내부의 충분한 유동을 통해 슬러지를 균질하게 유지할 수 있도록 하이드로포일(Hydrofoil)형 임펠러를 구비하며, 회전축의 하부에 설치되는 임펠라는 혐기성 소화조 하부의 침전물을 부양시킬 수 있는 방사류(Radial Flow) 임펠라로 구성할 수 있다.

상기 지지판(40)은 원판 형상의 뚜껑으로, 후술하는 구동부(50)를 결합하여 지지하고, 혐기성 소화조에 형성된 개구를 밀폐하는 역할을 수행한다.

여기서, 밀폐부재가 상기 지지판(40)과 상기 개구 사이에 위치하여 상기 지지판(40)과 상기 개구를 씰링하는 역할을 수행한다.

상기 구동부(50)는 모터, 감속기어 및 구동기어를 포함한다.

상기 모터는 회전하여 상기 임펠러(30)가 결합된 상기 회전파이프(20)를 회전시키는 역할을 수행한다.

상기 모터와 체결되어 혐기성 소화조 내부에 설치된 임펠라(30)를 회전시키는 감속기어는 혐기성 소화조 내부의 슬러지를 교반하기 위하여 임펠라(30)를 회전시킬 때 적정속도로 소화물을 효율적으로 교반할 수 있는 높은 회전력을 얻기 위하여 모터의 회전축에 설치된 기어의 직경보다 큰 직경을 가진 기어를 맞물려 회전하도록 구성될 수 있다.

상기 감속기어는 상기 모터에서 나온 높은 회전수를 직경이 작은 구동 기어와 직경이 큰 회전파이프 기어를 서로 맞물려 회전시켜 혐기성 소화조 내부에 설치된 임펠라(30)를 회전시키는 회전파이프(20)의 분당 회전수를 감소시키면서 높은 회전력을 가지도록 구성하므로 보다 높은 회전력을 임펠라(30)의 회전파이프(20)에 전달하여 작은 용량의 모터로 임펠라(30)를 회전시킬 수 있으므로 혐기성 소화조의 유지 및 관리 시에 소요되는 전기에너지를 절약할 수 있다.

상기 구동 기어는 상기 구동부(50)에 설치되어 상기 모터 및 감속기어에서 생성된 구동력을 회전파이프 기어에 전달하는 역할을 수행한다.

상기 회전파이프 기어는 상기 회전파이프 일 단부에 고정되어 상기 구동 기어에서 발생한 구동력을 회전파이프(20)의 회전운동으로 전환하는 역할을 수행한다.

기어 고정부는 상기 지지판에 고정되어 상기 회전파이프 기어 및 상기 회전파이프(20)를 고정하는 역할을 수행하는 것은 물론, 상기 회전파이프 기어와 접촉하는 부분에는 베어링이 설치되어 상기 회전파이프 기어의 원활한 회전을 보조하는 역할을 수행한다.

상기 혐기성 소화조 내부의 슬러지를 교반하는데 필요한 임펠라(30)의 분당 회전수와 임펠라를 회전시키는 회전파이프(20)의 회전력을 고려하여 모터에서 발생하는 회전수를 직경이 작은 기어와 직경이 큰 기어를 서로 맞물려 두 번의 감속 단계를 거쳐서 임펠라(30)에 높은 회전력을 전달할 수 있도록 구성되어 있으며, 필요에 따라 한번 또는 그 이상으로 감속하여 적정회전 수와 회전력을 얻을 수 있도록 설계 제작할 수 있다.

고효율 혐기성 소화조 시스템의 운전방법

슬러지 균질화장치의 경우 다음과 같은 순서로 작동한다(도2 참조).

구분		P1 (펌프)	V1 (밸브#1)	V2 (밸브#1)	V3 (밸브#1)	운전시간
1	균질화	운전	Open	Close	Close	10~15min
2	스컴파쇄	운전	Close	Open	Open	10~15min
3	휴지	중지	Close	Close	Close	30~40min
균질화 → 스컴파쇄 → 휴지 → 균질화 → ..... 순환반복

슬러지여과장치의 경우 다음과 같은 순서로 작동한다(도2 참조).

구분		P2	V4	V5	V6	V7	V8	V9	V10	운전시간
1	Air 투입(Drain)	중지	Close	Close	Open	Open	Close	Close	Close	0.5hr
2	원수투입 1	운전	Open	Open	Close	Close	Open	Close	Close	0.5hr
3	원수투입 2	운전	Open	Close	Open	Close	Open	Close	Close	19.5hr
4	Air 투입(Drain)	중지	Close	Close	Open	Open	Close	Close	Close	0.5hr
5	청수충진	중지	Close	Close	Close	Close	Close	Open	Close	0.5hr
6	수세정	중지	Close	Close	Close	Close	Close	Open	Open	1hr
7	청수충진	중지	Close	Close	Close	Close	Close	Open	Open	0.5hr
8	휴지		Close	Close	Close	Close	Close	Close	Close	1hr
9	CIP	처리수 처리유량 70% 수준 시 CIP 적용 (24hr/회)
연속 운전 : 1~7 순환 반복

시험예 : 유기물 투입당 가스발생량 측정

슬러지 균질화장치 및 슬러지여과장치의 설치 시 처리효율은 혐기성 소화조 투입 유기물당 가스발생량을 기준으로 효과를 검증하였다. 실험결과, 슬러지 균질화장치 및 슬러지여과장치를 설치할 경우 이를 설치하지 않은 경우 또는 둘 중 하나만 설치한 경우와 비교하여 유기물 투입당 가스발생량이 유의적으로 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다.

슬러지 균질화장치의 설치 여부에 따른 가스발생량 측정(도 3 참조)

구분	유기물 투입당 가스발생량(㎥gas/kgVSin)		증가율
	슬러지 균질화 설치전	슬러지 균질화 설치 후
평균	411	484	17.9%

슬러지여과장치의 설치 여부에 따른 가스발생량 측정(도 4 참조)

구분	유기물 투입당 가스발생량(㎥gas/kgVSin)		증가율
	여과장치 설치 전	여과장치 설치 후
평균	484	575	18.8%

회전파이프 20 임펠러 30
지지판 40 구동부 50
투입부 100 공급관 110
세척수펌프 120 슬러지여과기 200
분리막 210 모터 220
공기압축기 300 반류수 저장부 400
세척수 저장부 500 세척라인 510
노즐 511

Claims (10)

1. 회전축, 상기 회전축에 설치된 복수의 임펠러, 상기 회전축을 회전시키는 구동부를 포함하는 혐기성 소화조; 및
   상기 혐기성 소화조에 투입된 유기성 슬러지를 흡입하여 유기물을 분쇄한 후 상기 혐기성 소화조에 재투입하는 슬러지균질화장치;를 포함하고,
   상기 슬러지균질화장치는
   상기 혐기성 소화조의 내부에 침적된 슬러지를 흡입하여 파쇄하는 파쇄펌프;
   상기 혐기성 소화조에 연결되어, 상기 파쇄펌프에 의해 파쇄된 유기성 슬러지를 상기 혐기성 소화조 내부로 재투입하는 노즐 1;
   상기 노즐 1과 상기 파쇄펌프를 잇는 관을 선택적으로 개폐하는 투입밸브 1;
   상기 혐기성 소화조의 상층부 슬러지와 바이오가스를 흡입하는 관을 선택적으로 개폐하는 투입밸브 3;
   상기 혐기성 소화조에 연결되되 상기 혐기성 소화조의 상층부 슬러지와 바이오가스를 흡입하는 관 보다 낮은 위치에 구비되며, 상기 혐기성 소화조의 상층부 슬러지와 바이오가스를 상기 혐기성 소화조 내부로 재투입하는 노즐 2;
   상기 투입밸브 3과 상기 노즐 2를 잇는 관을 선택적으로 개폐하는 투입밸브 2;를 포함하고,
   상기 슬러지균질화장치는 균질화 단계, 스컴파쇄 단계 및 휴지 단계 순서로 교번적으로 가동되며,
   상기 균질화 단계에서는 상기 파쇄펌프가 작동하고 상기 투입밸브 1은 개방되며, 상기 투입밸브 2 및 상기 투입밸브 3은 폐쇄되고,
   상기 스컴파쇄 단계에서는 상기 투입밸브 2 및 상기 투입밸브 3는 개방되며, 상기 파쇄펌프의 작동은 중단되며 상기 투입밸브 1은 폐쇄되고,
   상기 휴지 단계에서는 상기 투입밸브 1과 상기 투입밸브 2 및 상기 투입밸브 3이 폐쇄되고,
   상기 균질화 단계는 1 내지 1.5 기준시간 동안 진행되고, 상기 스컴파쇄 단계는 1 내지 1.5 기준시간 동안 진행되며, 상기 휴지 단계는 3 내지 4 기준시간 동안 진행되고,
   여과된 슬러지를 상기 소화조로 재순환시키는 슬러지여과장치를 더 포함하고,
   상기 슬러지여과장치는
   상기 소화조 내부에서 미생물에 의해 분해되고 있는 슬러지를 여과하는 회전 분리막;
   회전 분리막을 이용하여 슬러지를 여과하는 슬러지여과기;
   상기 소화조 내부의 슬러지를 흡입하여 상기 슬러지 여과기로 이송하는 공급펌프;
   상기 회전 분리막에 압축공기를 분사하여 슬러지를 상기 회전 분리막에서 탈거시키는 공기압축기;를 포함하고,
   상기 회전 분리막은
   슬러지를 여과하는 필터;
   상기 필터의 중심부에 연결되어 상기 필터를 고정하고, 내부 공간을 통해 상기 필터에 의해 슬러지로부터 분리된 반류수를 상기 슬러지여과장치의 외부로 유출하며, 모터에 의해 회전되는 중공축;
   중앙부가 상기 중공축과 수직하게 연결되며, 상기 필터를 고정하는 지지대; 및
   상기 필터를 통과한 반류수를 상기 중공축 내부로 안내하도록 상기 지지대와 함께 유로를 형성하는 유로막;을 포함하고,
   상기 중공축의 일단에는 상기 중공축 내부를 감압시켜 상기 공기압축기에 의해 유입된 공기가 상기 중공축을 통해 외부로 배출되도록 하여 필터링 효율을 증대시키는 펌프가 구비되는
   것을 특징으로 하는 고효율 혐기성 소화조 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 혐기성 소화조 내부에서 미생물에 의해 분해되고 있는 유기물을 여과하여 상기 혐기성 소화조로 재순환시키는 슬러지여과장치를 더 포함하고,
   상기 슬러지여과장치는
   상기 회전 분리막에 세척수를 분사하는 세척수펌프;를 더 포함하고,
   상기 슬러지여과장치는 상기 공기압축기가 작동하는 제1 에어 투입 단계, 상기 공급펌프가 작동하는 원수 투입 단계, 상기 공기압축기가 작동하는 제2 에어 투입 단계, 상기 세척수펌프가 작동하는 수세정 단계 순서로 가동되는
   것을 특징으로 하는 고효율 혐기성 소화조 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 에어 투입 단계, 상기 원수 투입 단계, 상기 제2 에어 투입 단계 및 상기 수세정 단계 중 상기 원수 투입 단계에 소요되는 시간이 가장 긴
   것을 특징으로 하는 고효율 혐기성 소화조 시스템.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 혐기성 소화조 내부에서 미생물에 의해 분해되고 있는 슬러지를 여과하여 상기 혐기성 소화조로 재순환시키는 슬러지여과장치를 더 포함하고,
   상기 슬러지여과장치는
   회전 분리막을 이용하여 슬러지를 여과하는 슬러지여과기;
   상기 회전 분리막에 세척수를 분사하는 세척수펌프; 및
   상기 세척수펌프에 연결되며, 상기 슬러지여과기의 회전 분리막에 세척수를 분사하는 세척라인;을 포함하고,
   상기 세척라인은
   그 위치가 고정되며, 상기 회전 분리막의 중심을 기준으로 반경방향 외측 중앙부에 세척수를 분사하는
   것을 특징으로 하는 고효율 혐기성 소화조 시스템.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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