KR102252690B1 - 바이오 솔리드 회수 및 비료화가 가능한 하·폐수처리시설 및 하·폐수처리방법 - Google Patents

바이오 솔리드 회수 및 비료화가 가능한 하·폐수처리시설 및 하·폐수처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설에 관한 것이다.
본 발명에서는 혐기성 소화조로부터 유입되는 혐기성 소화액으로부터 인 결정체를 회수하는 인 결정화 장치 및 인 결정화 장치에 저장된 인 결정체를 포함한 내용물을 유입받은 후 인 결정체만을 분리한 후 인 결정화 장치로 다시 유입시키는 액체 사이클론을 포함하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설이 개시된다.
본 발명에서는 인 결정화 장치를 액체 사이클론과 결합하여 사용함으로써 수십 마이크로미터 직경의 인 결정체는 회수하지 않고 액체 사이클론을 통해서 수백 마이크로미터에서 수 미리미터 직경까지 성장시킨 후 회수할 수 있게 되었다.

Description

바이오 솔리드 회수 및 비료화가 가능한 하·폐수처리시설 및 하·폐수처리방법{SYSTEM AND METHOD TREATING SEWAGE AND WASTEWATER TO RECOVER BIOSOLIDS AND PHOSPHORUS}
본 발명은 바이오 솔리드(Biosolids) 회수가 가능한 하·폐수처리시설 및 하·폐수처리방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 하·폐수처리 과정 중에 발생되는 슬러지로부터 바이오 솔리드을 획득하고 하·폐수처리 과정 중에 용출되는 인산염을 일정한 크기 이상의 인 결정체로 회수하여 비료 원료로 재사용할 수 있는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설 및 하·폐수처리방법에 관한 것이다.
식물이 생장하는데 필요한 원소들은 토양에서 무기염류의 형태로 흡수되는데 해마다 농작물을 수확하는 토양의 경우 해가 거듭될수록 무기염류를 포함한 영양분이 부족하게 되어 인위적으로 공급하고 있다. 이중에서도 질소, 인, 칼륨이 식물 생장에 가장 많이 필요하여 부족해지기 쉽기 때문에 이들 물질을 비료의 형태로 만들어 공급하고 있다. 이들 무기염류를 비료의 3요소라고 한다. 이러한 비료는 대부분 화학 비료 형태로 공장에서 제조된 후 사용되고 있다. 대부분의 비료는 수용성 화합물로 구성되어서 시비 후 사용되지 못하고 남아 있는 무기염류는 빗물에 녹아 유출되기 쉬워 수변에 여러 가지 환경문제를 유발하기도 한다. 또한, 화학 비료를 오랫동안 사용하면 토양이 시간이 지나면서 굳어지는 경향이 있다. 토양이 굳어지면 식물이 무기염류와 물을 흡수하는 능력을 감소시키면서 뿌리의 성장을 방해하게 된다. 이러한 부작용을 없애려면 토양의 양이온 교환능력을 크게 개선시킬 수 있는 흙과 함께 공급하면 좋으나 비용이 많이 소요되어 적용하지 못하고 있는 실정이다.
한편, 2017년 기준 국내 하수 발생량은 년간 1,400 만톤으로 약 93%가 공공하수처리장에 유입되어 처리되고, 이 과정에서 년간 1 만톤의 하수 슬러지가 발생한다. 하수 슬러지는 크게 두 종류로 나눠지는데 1차 침전지에서 생성되는 생 슬러지는 하수에 포함된 고형물이 대부분이고, 2차 침전지에서 생성되는 잉여 슬러지는 하수에 포함된 오염물질을 생물학적 방법으로 처리하는 과정에서 발생하는 바이오 메스로 구성된다. 이들 슬러지는 최종적으로 감량화 과정을 거쳐 대부분이 매립 처리되며, 일부 하수 처리장에서는 건조시킨 후 화력발전소의 재생 에너지원으로 사용한다.
먼저, 하·폐수 처리시 발생되는 슬러지를 매립 처리하는 현황에 대해 설명한다. 현재 대부분의 하수처리장에서는 혐기성 소화과정을 통해 슬러지 량을 줄인 후 탈수하여 매립한다. 혐기성 소화 슬러지의 탈수과정에 발생하는 탈리여액에는 고농도의 인산염을 포함하게 된다. 이때 발생한 탈리여액은 수처리 공정으로 보내져 처리되는데 고농도의 인산염이 총인 부하율을 높여 총인 처리효율을 떨어뜨린다. 따라서 많은 하수처리장에서는 혐기성 소화 슬러지의 탈수과정에서 폴리머와 함께 금속이온을 사용하여 인산염을 제거한다. 이때 금속이온과 반응하여 형성된 인산염은 불활성화되기 때문에 비료로 사용할 수 없게 된다. 슬러지를 매립하여 처분하는 방식은 국내 토지 이용 여건 상 슬러지 매립장 조성에 필요한 부지확보가 쉽지 않고, 사업비도 많이 소요되는 어려움이 있다.
다음으로 슬러지를 연료로 사용하는 경우에 대해 설명한다. 일부 하수처리장에서는 혐기성 소화과정과 건조과정을 거쳐 슬러지를 감량화한 후, 화력발전소의 재생 에너지원으로 사용한다. 그러나 발열량이 높지 않고, 건조하는데 많은 열량을 사용하고, 운송비용도 높아 경제성이 낮다.
따라서 처리공정 개선을 통해 슬러지가 가지고 있는 에너지나 자원으로서의 잠재력을 극대화하여 적극적으로 슬러지 발생량을 최소화할 필요성이 있다. 이를 위해서는 지금까지 하수처리장의 역할인 오염물질을 처리하여 배제시키는 직선형 시스템에서 벗어나 에너지와 자원을 회수하여 재활용할 수 있는 순환형 시스템으로의 전환이 필요한 실정이다.
이러한 실정에 부합하고자 본원 발명자는 열가수분해장치를 이용하여 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기로부터 인을 회수하는 두 건의 특허를 획득한 바 있다(한국등록특허 제10-1261232호 및 제10-1861072호). 두 건의 특허에서는 수 처리과정에서 슬러지 내에 흡수된 총인(전체 인의 량)을 열가수분해와 혐기성 소화과정을 적용하여 인산염 형태로 용출시킨 후, 인산염이 용출된 상등액을 이용하여 인을 회수하는 방식을 제안하였다. 그런데, 제안된 기술에서는 혐기성 소화 슬러지를 탈수하는 과정에서 인산염은 탈리여액에 녹아 배출되어 회수되므로 탈수 슬러지에는 인이 거의 포함되지 않아 인 함량이 낮게 되므로 활용처가 없게 된다. 따라서 두 건의 특허에서 제안된 기술에서 발생된 슬러지는 종래 대부분의 하수처리장에서 처리하는 방식과 유사하게 매립하여 폐기 처리할 수 밖에 없는 문제점을 그대로 지니고 있었다.
본원 발명자가 두 건의 특허에서 제안한 기술의 또 다른 문제점은 수십 마이크로미터 직경(이하 '미소 크기 인 결정체'라 함)을 갖는 인 결정체가 회수된다는 것이다. 제안된 기술에서 비료 원료로 사용되기 위해 회수되는 인 결정체는 세정 및 건조 과정을 거쳐야 한다. 세정과정은 인 결정체외 불순물을 제거하는데 이 과정에서 직경이 작은 미소 크기 인 결정체의 일부가 소실될 수 있고, 또한 건조 과정에서 날려서 유실될 수 있는 문제점을 지니고 있었다.
한국등록특허 제10-1261232호 (2013.04.30. 등록) 한국등록특허 제10-1861072호 (2018.07.05. 등록)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 매립이나 경제성이 낮은 연료로 사용하지 않고 비료를 제조하는 바이오 솔리드로 활용할 수 있도록 해주는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설 및 하·폐수처리방법에 의해서 달성 가능하다.
본 발명의 목적은 지금까지 폐기물로 인식되어 왔던 하수 슬러지(폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 슬러지도 포함)를 열가수분해장치와 혐기성 소화 장치를 이용하여 미국 EPA의 40 CFR(Code of Federal Regulation) Part 503이 규정한 Class A ZQ 수준을 만족하는 바이오 솔리드로 변환하고, 이를 회수된 인 결정체와 혼합하여 고품질의 비료로 생산할 수 있는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설 및 하·폐수처리방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 인 결정체의 직경을 수백 마이크로미터 이상으로 성장시킨 후 회수하여 인 회수율을 향상시킨 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설 및 하·폐수처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적은 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 비료 원료로 전환시키는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설로서, 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 가열하여 미생물의 세포벽을 파괴시키고, 세포 내에 존재하는 폴리인산을 방출시켜 이를 가수분해하여 인산염으로 전환하는 열가수분해장치와, 열가수분해장치에 의해 가수분해된 슬러지에 포함된 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시키는 혐기성 소화조와, 혐기성 소화조로부터 유입되는 혐기성 소화액으로부터 인 결정체를 회수하는 인 결정화 장치와, 인 결정화 장치로부터 배출되는 상기 슬러지를 탈수하는 슬러지 탈수기와, 슬러지 탈수기에서 탈수된 슬러지를 건조하는 슬러지 건조기 및 슬러지 건조기에 의해 건조된 슬러지, 상기 인 결정화 장치에서 회수된 인 결정체 및 다른 비료 원료를 투입하여 비료를 생산하는 비료 생산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설에 의해서 달성 가능하다.
바람직하게는 인 결정화 장치에서 형성된 인 결정체를 포함한 내용물을 유입받은 후 상기 인 결정체만을 분리한 후 인 결정화 장치로 다시 유입시키는 액체 사이클론을 더 포함하고, 슬러지 탈수기는 액체 사이클론으로부터 배출되는 슬러지를 탈수하는 것이 좋다.
또한, 액체 사이클론으로부터 나오는 슬러지를 탈수하는 슬러지 탈수기와, 슬러지 탈수기에서 탈수된 슬러지를 건조하는 슬러지 건조기와, 인 결정화 장치에서 회수된 인 결정체를 세정하는 세정장치와, 세정된 인 결정체를 건조하는 결정체 건조기를 더 포함하는 것이 좋다.
슬러지 건조기에 의해 건조된 슬러지, 결정체 건조기에 의해 건조된 인 결정체 및 다른 비료 원료를 투입하여 비료를 생산하는 비료 생산기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
혐기성 소화조에서 발생되는 바이오 가스를 열가수분해장치, 슬러지 건조기 및 결정체 건조기에서 선택된 적어도 어느 하나의 연료로 사용하는 것이 좋다. 또한, 여분의 바이오 가스는 개질기를 통해 수소로 전환하여 자동차 등의 연료로 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 또 다른 목적은 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기를 처리하는 과정에서 발생되는 슬러지에 포함된 인을 회수하는 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설에 있어서, 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기에서 발생되는 슬러지를 가열하여 미생물의 세포벽을 파괴시켜 병원균에 관한 미국 EPA의 40 CRF Part 503.32 규정을 만족시키며 세포 내에 존재하는 폴리인산을 방출시켜 이를 가수분해하여 인산염으로 전환하고 혐기성 소화율을 높이는 열가수분해장치와, 열가수분해장치에 의해 열가수분해된 슬러지에 포함된 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시킴으로써 휘발성 고형물을 38% 이상 감량화하여 Vectror Attraction Reduction(VAR)에 관한 미국 EPA의 40 CRF Part 503.33 규정을 만족시키는 혐기성 소화조와, 혐기성 소화조로부터 유입되는 혐기성 소화액을 탈수하는 슬러지 탈수기와, 슬러지 탈수기에서 탈수된 슬러지를 건조하는 슬러지 건조기를 포함하는 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설에 의해서 달성 가능하다.
비료 생산에 필요한 적어도 하나의 원료를 투입하는 비료 원료 투입기 및 슬러지 건조기에 의해 건조된 슬러지 및 상기 비료 원료 투입기로부터 투입되는 비료 원료를 사용하여 비료를 생산하는 비료 생산기를 더 포함하는 것이 좋다.
본 발명의 또 다른 목적은 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기를 처리하는 과정에서 발생되는 슬러지에 포함된 인을 회수하는 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설에 있어서, 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기에서 발생되는 슬러지를 가열하여 미생물의 세포벽을 파괴시키고, 또한 세포 내에 존재하는 폴리인산을 방출시켜 이를 가수분해하여 인산염으로 전환하는 열가수분해장치와, 열가수분해장치에 의해 열가수분해된 슬러지에 포함된 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시키는 혐기성 소화조와, 혐기성 소화조로부터 유입되는 혐기성 소화액을 탈수하는 슬러지 탈수기와, 슬러지 탈수기로부터 유입되는 탈리여액으로부터 인 결정체를 회수하는 인 결정화 장치 및 인 결정화 장치에 저장된 인 결정체를 포함한 내용물을 유입받은 후 인 결정체만을 분리한 후 인 결정화 장치로 다시 유입시키는 액체 사이클론을 포함하는 것을 특징으로 하는 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설에 의해서 달성 가능하다.
슬러지 탈수기에서 탈수된 슬러지를 건조하는 슬러지 건조기와, 인 결정화 장치에서 회수된 인 결정체를 세정하는 세정장치와, 세정된 인 결정체를 건조하는 결정체 건조기를 더 포함하는 것이 좋다.
슬러지 건조기에 의해 건조된 슬러지, 상기 결정체 건조기에 의해 건조된 인 결정체 및 다른 비료 원료를 투입하여 비료를 생산하는 비료 생산기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
혐기성 소화조에서 발생되는 바이오 가스를 열가수분해장치, 슬러지 건조기 및 결정체 건조기에서 선택된 적어도 어느 하나의 연료로 사용하는 것이 좋다. 또한, 여분의 바이오 가스는 개질기를 통해 수소로 전환하여 자동차 등의 연료로 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 또 다른 목적은 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 비료 원료로 전환시키는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법으로서, 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 5.0 barg 이상의 고압, 150℃ 이상 고온에서 가열하여 미국 EPA의 40 CRF Part 503.32 규정을 만족시키며, 폴리인산을 인산염으로 전환하고 혐기성 소화율을 높이는 열가수분해를 수행하는 제1단계와, 제1단계에서 가수분해된 슬러지의 휘발성 고형물을 38% 이상 감량화하여 미국 EPA의 40 CRF Part 503.33 규정을 만족시키도록 혐기성 소화를 수행하는 제2단계와, 제2단계로부터 입수되는 혐기성 소화액을 탈수하고 건조시켜 바이오 솔리드를 생성하는 제3단계와, 제2단계로부터 입수되는 혐기성 소화액으로부터 수백 마이크로미터에서 수 미리미터의 직경을 갖는 인 결정체를 회수하는 제4단계를 포함하며, 제3단계와 제4단계는 순서에 무관하게 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법에 의해서도 달성 가능하다.
본 발명의 또 다른 목적은 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 비료 원료로 전환시키는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법으로서, 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기에서 발생되는 슬러지를 5.0 barg 이상의 고압, 150℃ 이상 고온에서 가열하여 미국 EPA의 40 CRF Part 503.32 규정을 만족시키며, 폴리인산을 인산염으로 전환하고 혐기성 소화율을 높이는 열가수분해를 수행하는 제1단계와, 제1단계에서 가수분해된 슬러지의 휘발성 고형물을 38% 이상 감량화하여 미국 EPA의 40 CRF Part 503.33 규정을 만족시키도록 혐기성 소화를 수행하는 제2단계와, 제2단계로부터 입수되는 혐기성 소화액을 탈수하고 건조시켜 바이오 솔리드를 생성하는 제3단계와, 제2단계의 혐기성 소화액 탈수 과정에서 입수되는 탈리여액으로부터 수백 마이크로미터에서 수 미리미터의 직경을 갖는 인 결정체를 회수하는 제4단계를 포함하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법에 의해서도 달성 가능하다.
본 발명에서는 열가수분해장치를 이용하여 하수 슬러지를 약 150oC(5.0 barg)이상의 고온 및 고압에서 가수분해하기 때문에 멸균이 가능해 적절한 병원균 관리가 가능하다. 따라서 하수 슬러지를 비료로 사용하기 위해 병원균에 관한 503.32 규정을 만족시킬 수 있다. 더욱이 열가수분해장치로 처리한 잉여 슬러지는 혐기성 소화율이 크게 높아져 휘발성 고형물의 감량화도 크게 증가하기 때문에 병원균 이동의 매개체를 유인하는 휘발성 고형물 함량에 관한 503.33 규정 또한 만족시킬 수 있다.
더욱이 본 발명의 일 실시예에서는 혐기성 소화과정에서 다량으로 방출되는 인산염을 혐기성 소화액에서 직접 인 결정체로 회수함으로써 인 회수를 극대화할 수 있다. 더욱이 혐기성 소화조 후단의 관로와 기계에 생기는 스케일 관련 문제도 함께 해결할 수 있게 되었다.
더욱이 본 발명에서는 인 결정화 장치를 액체 사이클론과 결합하여 사용함으로써 수십 마이크로미터 직경의 인 결정체를 액체 사이클론으로 분리하여 인 결정화 장치에서 수백 마이크로미터에서 수 미리의 직경까지 성장시킨 후 회수할 수 있게 되었다. 수백 마이크로 직경 이상을 갖는 인 결정체로 인해서 짧은 시간 내 배수가 가능해졌으며, 세정 및 건조 과정 중에서 유실되는 인 결정체가 발생하지 않으므로 회수율을 향상시킬 수 있게 되었다.
본 발명에서는 건조된 소화 슬러지를 비료나 비료원료로 사용되는 바이오 솔리드로 사용하기 때문에 부가가치가 상대적으로 높다. 따라서 지금까지 폐기물로 인식된 하수 슬러지를 자원화하고 고갈 자원인 인을 회수하여 재활용하므로 진정한 의미의 제로 에미션(Zero Emission) 실현이 가능하다. 본 발명의 자원 순환형 비료원료 생산공정은 지금까지 폐기 처리분 대상으로 인식된 하수 슬러지에서 비료원료 혹은 비료를 회수하여 재활용하고, 이때 필요한 에너지도 자립할 수 있는 친환경 공정이라 할 수 있다.
본 발명은 혐기성 소화과정에서 발생하는 바이오 가스를 열가수분해장치, 슬러지 건조 장치 및 인 결정체 건조장치에 필요한 에너지원으로 사용할 수 있는 공정으로 구성되어 있고, 사용하고 남는 바이오 가스는 에너지가 필요한 타 공정의 에너지원이나 전기를 생산을 위한 에너지원으로 사용하거나 메탄가스를 정제한 후 개질기를 통해 수소로 전환하여 자동차 등의 연료로 사용할 수 있는 공정으로 구성되어 있어 에너지 자립화가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로서 하·폐수 처리시설의 전체 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 또 다른 일 실시예로서 하·폐수 처리시설의 전체 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예인 인 결정화 장치의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예인 액체 사이클론의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예로서 하·폐수 처리시설의 전체 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예로서 하·폐수 처리시설의 전체 개략도.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "갖다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것인데, 이는 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 즉, 본 명세서에서 지칭하는 "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 경우뿐만 아니라 대상 부분의 앞 또는 뒤에 위치하는 경우도 포함한다.
또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 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.
본 발명에서 사용하는 하·폐수는 생활 및 공장에서 발생되는 하·폐수, 가축 분뇨 처리에서 발생되는 하·폐수 및/또는 음식물류 쓰레기 처리에서 발생하는 하·폐수를 적어도 하나를 처리하면서 발생되는 하·폐수를 통칭하는 용어로 이해되어져야 한다.
하·폐수처리장에서 발생하는 하수 슬러지의 대표적인 자원 순환형 시스템 중의 하나는 적절한 처리를 통해 비료로 사용하는 것이다. 비료로 사용할 수 있는 하수 슬러지의 품질은 미국 EPA의 40 CFR Part 503에서 엄격히 규정하고 있다. 하수 슬러지를 비료로 사용되기 위해서는 슬러지 내 중금속, 병원균, 감염원 매개체에 관한 규정을 만족해야 한다. 하수 슬러지를 비료로 사용되기 위해서는 비소, 카드늄, 구리, 납, 수은, 몰리브덴늄, 니켈, 셀레늄, 아연의 중금속 함량을 만족시켜야 한다.
또한, 살모넬라(Salmonella sp.), 장바이러스(ㄸnterovirus), 기생충(Viable helminth ova)에 관한 규정을 만족시켜야 하는데 적절한 처리를 통해 이들 병원균이 검출되지 않는 수준까지 감소한 슬러지는 Class A로 분류되며, 제한된 사용조건에서 공중보건이나 환경에 위협을 주지 않는 수준까지 감소한 슬러지는 Class B로 분류된다. 비료로 제약 없이 사용되기 위해서는 Class A 수준을 만족시켜야 한다.
더욱이 병원균을 이동시켜 사람을 감염시킬 수 있는 설치류, 파리, 모기 등과 같은 매개체를 유인하는 휘발성 고형물의 함량을 감소시켜 VAR 조건을 만족시켜야 한다. 이와 같이 3가지의 조건 모두를 만족하는 하수 슬러지는 Exceptional quality(EQ)로 분류된다. Class A EQ로 분류된 하수 슬러지는 법률적 제약 없이 상업용 비료로 재포장되어 유통될 수 있고, 작물의 종류나 재배지역의 위치에 관계없이 시비될 수 있다.
한편, 종래 공공 하·폐수 처리장에서 발생하는 슬러지는 비료로 사용하기가 어려웠다. 종래 일부 공공 하수 처리장에서도 열가수분해장치를 도입하고 있으나 주로 슬러지량을 줄이기 위한 용도로 도입되었다. 더욱이 광역시 규모의 하수 처리장을 제외하고는 혐기성 소화처리 시설이 도입된 처리장의 수도 적고, 이미 도입된 곳이라도 생 슬러지만 처리하거나 낮은 혐기성 소화율 등 다양한 이유로 운전되지 않는 곳이 많은 실정이다. 또한, 건조 시설을 도입한 곳도 적은 실정이다. 따라서 하수 슬러지의 병원균 및 VAR 관리가 곤란하고, 낮은 인 함량을 보충할 수 있는 방법이 마땅치 않아 비료원료 혹은 비료로 사용되기 어려웠다. 최근에는 분리식 하수관거의 도입이 활성화 되면서 분뇨가 관로를 통해 하수처리장으로 직접 유입되기 때문에 병원균 관리가 어려워 하수 슬러지의 재활용이 더욱 어렵게 되었다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로서 하·폐수 처리시설의 전체 개략도이다. 도 1 및 향후 도시하는 도 2, 도 5 및 도 6은 하·폐수 처리시설을 도시하고 있으나 시계열적으로 처리되는 처리 공정도 충분히 유추 가능하므로 처리 공정도 함께 설명하는 것으로 이해되어져야 한다. 도 1, 도 2, 도 5 및 도 6에서 실선은 슬러지의 이동, 파선은 인 결정체의 이동, 일점쇄선은 탈리여액의 이동 및 이점쇄선은 기타 비료원료의 이동을 각각 표시하였다.
하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생하는 슬러지는 1차 침전지의 생슬러지 및/또는 생물학적 반응을 거친 2차 침전지의 잉여 슬러지가 열가수분해장치로 유입된다. 열가수분해장치로 유입되는 슬러지는 잉여 슬러지 단독으로 구성될 수도 있으며 잉여 슬러지와 생 슬러지가 함께 혼합되어 유입될 수 있다.
열가수분해장치는 약 150oC (5.0 barg 이상) 이상의 고온 및 고압에서 슬러지를 가수분해하는 장치로서 미생물의 세포벽을 파괴시키고, 또한 세포 내에 존재하는 폴리인산을 방출시켜 이를 가수분해하여 인산염으로 전환하는 방법이다. 열가수분해 방식과 혼동할 수 있는 방식으로는 열 처리 방식이 있을 수 있다. 열처리 방식은 생물학적 고도처리공정에서 인 제거를 담당하는 폴리인산 축적 미생물이 60~70oC에 노출되면 세포 내에 축적된 폴리인산을 인산염으로 전환하여 세포 밖으로 배출하는 생리학적 특징을 이용하는 미생물의 세포벽 파괴가 진행되는 않는 방식이므로 열가수분해 방식과는 전혀 다른 방식이다. 즉, 본 발명에서는 슬러지는 Class A 기준을 충족시키기 위해서 열처리해서는 안되며 반드시 열가수분해를 적용해야 한다.
열가수분해된 슬러지는 혐기성 소화조로 유입된다. 혐기성 소화조는 열가수분해된 슬러지에 포함된 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시키는 시설이다. 혐기성 소화조에서 발생하는 바이오 가스(메탄가스)는 후술하는 열가수분해장치, 슬러지 건조기 및 결정체 건조기의 연료로 사용한다.
혐기성 소화조에서 휘발성 고형물이 제거된 소화 슬러지는 인 결정화 장치로 유입된다. 인 결정화 장치는 혐기성 소화조로부터 유입된 소화액으로부터 인을 회수하는 장치로서, 후술하는 도 3을 이용하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에서는 인 결정화 장치를 이용하여 혐기성 소화액으로부터 직접 인산염을 인 결정체로 회수하기 때문에 인 회수율을 극대화 할 수 있다. 즉, 종래 하수 처리장에서는 혐기성 소화 슬러지의 탈수과정에서 폴리머와 함께 금속이온을 사용하여 인산염을 제거하는데 금속이온과 반응하여 형성된 인산염은 불활성화되기 때문에 비료의 역할을 할 수 없는 문제점이 있는데 본 발명에서는 이러한 문제점을 제거할 수 있다는 것이다.
그런데 본원 발명자에 의해 파악된 바로는 인 결정화 장치만을 거친 소화 슬러지에는 마그네슘, 암모니아 및 인산염이 반응하여 생긴 수십 마이크로미터 직경의 인 결정체(이하, '미소 크기 인 결정체'라 함)가 함께 혼재되어 있어 인 결정체를 분리하여 회수하기 어렵고 미소 크기 인 결정체는 회수되더라도 이후 공정에서 인 결정체의 세정 및 건조과정에서 유실되는 등 여러 가지 문제점을 야기하게 된다.
본 발명에서는 인 결정화 장치와 액체 사이클론을 결합시켜 순환되도록 구성함으로써 인 결정화 장치에서 생성된 미소 크기 인 결정체를 액체 사이클론을 통해서 분리하여 다시 인 결정화 장치로 회수시키도록 구성하였다. 즉, 인 결정화 장치으로부터 물, 소화 슬러지 및 인 결정체가 함께 혼합된 혼합액이 액체 사이클론으로 유입되면 미소 크기 인 결정체를 포함한 인결정체만 분리하여 인 결정화 장치로 다시 유입시키고, 나머지 성분(물과 소화슬러지)은 부상시켜 슬러지 탈수기로 유입되도록 구성하였다. 인 결정화 장치로 다시 리턴된 미소 크기 인 결정체는 크기가 수백 마이크로 직경 이상의 인 결정체로 성장되면서 회수되는 것이다. 더욱이 혐기성 소화과정에서도 소량이나마 인 결정체가 생성된다. 수치적으로 소화 슬러지의 질량을 기준으로 3~5%정도 인 결정체가 차지하는 것으로 파악되었다. 본 발명에서는 혐기성 소화과정에서 생성되는 인 결정체도 회수할 수 있는 이점이 있다. 액체 사이클론의 구성에 대해서는 도 4를 이용하여 간략하게 설명하기로 한다.
인 결정화 장치에서 회수된 인 결정체는 세정장치로 유입되고, 세정장치는 인 결정체에 포함된 소화 슬러지를 제거한다. 다음으로 결정체 건조기를 이용하여 인 결정체의 함수율을 운반이나 비료생산에 필요한 적정 함수율까지 낮쳐 건조된 인 결정체로 만든다. 액체 사이클론에서 부상되어 슬러지 탈수기로 유입되는 나머지 성분(물과 소화슬러지)은 슬러지 탈수기에서 탈수된 후, 탈리여액은 종래 알려진 수처리 공정으로 유입되어 처리되며, 탈수된 슬러지는 슬러지 건조기를 통해 건조 슬러지로 회수된다.
이후, 결정체 건조기로부터 회수되는 건조된 인 결정체와 건조 슬러지를 통해 회수되는 건조 슬러지 및 비료 원료 투입기로부터 투입되는 기타 비료원료를 혼합하여 비료를 생성하게 되는 것이다. 종래 하·폐수 처리시설에서는 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기를 처리하는 과정에서 발생되는 슬러지는 매립되거나 경제성이 낮은 연료로 사용되어야 하였는데 비해, 도 1에 제시된 본 발명에 의하면 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기에서 발생된 슬러지는 전량 비료 재료로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
슬러지 측면에서 살펴보면, 열가수분해장치에서 하·폐수 슬러지를 고온 및 고압에서 가수분해하기 때문에 멸균이 가능해 적절한 병원균 관리가 가능해져 503.32 규정을 만족시킬 수 있게 되었다. 또한, 열가수분해장치로 처리한 슬러지는 혐기성 소화율이 크게 높아져 휘발성 고형물 감량화가 38% 이상 가능하기 때문에 병원균 이동의 매개체를 유인하는 휘발성 고형물 함량에 관한 503.33 규정 조건 또한 만족시킬 수 있게 되어 본 발명에 의해 처리된 슬러지는 비료 원료로 사용할 수 있게 되는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 또 다른 일 실시예로서 하·폐수 처리시설의 전체 개략도이다. 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기에서 발생되는 슬러지를 열가수분해장치 및 혐기성 소화조에서 처리하는 공정까지는 도 1과 동일하므로 해당 시설 및 공정에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 2에서 제시된 하·폐수 처리시설은 혐기성 소화 슬러지를 탈수한 탈리여액으로부터 인 결정체 회수를 수행하는데 도 1에 제시된 바와 같이 혐기성 소화액으로부터 직접 인 결정체를 회수하는 것보다 인 회수율이 낮게 된다. 이는 전술한 바와 같이 혐기성 소화 슬러지를 탈수하는 과정에서 탈수효율을 높이기 위해 첨가되는 응집 보조제(금속 이온)와 반응하여 인산염이 제거되므로 혐기성 소화액에서 직접 인산염을 회수하는 것보다 회수량이 크게 감소한다. 또한, 혐기성 소화 과정에서 생성되는 인 결정체도 회수할 수 없으므로 회수량은 더욱 감소하게 된다. 하지만 국내 하·폐수 처리시설의 여건상 혐기성 소화액을 직접 인 결정화 장치에 유입시킬 수 없는 곳이 있으므로 도 2에서는 혐기성 소화 슬러지의 탈수여액으로부터 인 결정체를 회수하는 방식을 제안하는 것이다.
슬러지 탈수기의 탈리여액은 인 결정화 장치로 유입되며, 인 결정화 장치는 탈리여액에 포함된 인을 회수한다. 도 2에 도시된 바와 같이 인 결정화 장치와 액체 사이클론을 결합시켜 순환되도록 구성함으로써 인 결정화 장치에서 생성된 미소 크기 인 결정체를 액체 사이클론을 통해서 분리하여 다시 인 결정화 장치로 회수시키도록 구성하였다. 즉, 인 결정화 장치으로부터 물 및 인 결정체가 함께 혼합된 혼합액이 액체 사이클론으로 유입되면 미소 크기 인 결정체를 포함한 인 결정체만을 분리되어 인 결정화 장치로 다시 유입되고, 나머지 성분(물)은 부상된 후 수처리 공정으로 유입시킨 후 수처리 후 배출된다. 인 결정화 장치로 다시 리턴된 미소 크기 인 결정체는 크기가 수백 마이크로에서 수 미리미터 직경의 인 결정체로 성장된 후에 회수되는 것이다.
나머지 공정은 도 1에 제시된 공정과 동일하게 진행된다. 인 결정화 장치에서 회수된 인 결정체는 세정장치로 유입되고, 세정장치는 인 결정체에 포함된 소화 슬러지를 제거한다. 다음으로 결정체 건조기를 이용하여 인 결정체의 함수율을 운반이나 비료생산에 필요한 적정 함수율까지 낮쳐 건조된 인 결정체로 만든다. 한편, 슬러지 탈수기를 이용해 탈수된 슬러지는 슬러지 건조기를 통해 건조 슬러지로 회수된다. 이후, 결정체 건조기로부터 회수되는 건조된 인 결정체와 건조 슬러지를 통해 회수되는 건조 슬러지 및 비료 원료 투입기로부터 투입되는 기타 비료원료를 혼합하여 비료를 생성하게 되는 것이다.
도 1 및 도 2에 제시된 장치 중에서 비료 생산기 및 기타 비료 원료 투입기는 하·폐수처리시설에 반드시 구비될 필요는 없다. 하·폐수처리시설은 일정한 지역 또는 인구가 거주하는 지역에서 발생하는 일정량의 하·폐수를 처리하는 지역 단위로 설치되는 시설물이므로 모든 하·폐수처리시설에 비료 생산기와 기타 비료 원료 투입기를 구비할 필요는 없다. 예를 들어, 각 지역의 하·폐수처리시설에서는 건조된 인 결정체와 건조된 슬러지까지만을 생산하도록 처리하고, 별도의 사업자가 기타 비료 원료 투입기 및 비료 생산기를 마련하고 복수 개 하·폐수처리시설에서 생성되는 건조된 인 결정체 및 건조된 슬러지를 회수 및 운반하여 비료를 생산할 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예인 인 결정화 장치의 구성도이다. 인 결정화 장치는 결정화 저류조(110), pH 조절액 투입부(미 도시), 결정화 약품 투입부(미 도시), 결정화 반응조(120) 및 결정체 회수조(160)로 구성된다. 인 결정화 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 혐기성 소화조로부터 인산염이 포함된 혐기성 소화액을 유입받거나 또는 도 2에 도시된 바와 같이 슬러지 탈수기로부터 인산염이 포함된 탈리여액을 유입받는다. 인 결정화 장치는 유입되는 혐기성 소화액/탈리여액을 일시 저류하는 결정화 저류조(110), 결정화 저류조(110)로부터 유입된 혐기성 소화액/탈리여액을 이용하여 인 결정체를 생성하는 결정화 반응조(120)와, pH 조절 약품을 투입하는 pH 조절액 투입부 및 결정화 약품인 칼슘 또는 마그네슘 등의 결정화 약품 투입부 및 결정화 반응조(120)에서 생성된 인 결정체를 인발하여 인을 분리하는 결정체 회수조(160)로 구성하는 것을 특징으로 한다.
결정화 저류조(110)는 유입되는 혐기성 소화액/탈리여액을 일시 저류하기 위한 설비로 결정화 반응조(120)로 유출하기 위한 유출밸브가 구비되고 수위를 파악할 수 있는 수위계(미 도시) 등이 구비된다. 결정화 저류조(110)의 형태는 교반장치가 부착된 사각형 혹은 원형이 바람직하다.
약품공급시설은 결정화 반응조에 최적의 pH 범위를 조절하기 위한 pH 조정액 투입부와 인산염 결정화를 위한 마그네슘 또는 칼슘 등을 공급하는 결정화 약품 투입부로 구비된다. pH 조정액 투입부 및 결정화 약품 투입부는 결정화 저류조 및 결정화 반응조 중에서 선택된 어느 하나에 공급이 가능토록 주입설비를 구비하여 현장 여건에 따라 결정화 저류조를 사용하지 않을 경우에도 운영이 가능하도록 한다. pH 조정액 투입부 및 결정화 약품 투입부에는 약품의 응고나 침전을 방지하기 위하여 교반시설을 갖추는 것이 바람직하며, 약품에 대하여 내알칼리, 내산, 내식 및 내구성이 뛰어난 재질을 사용한다. pH 조정액 투입부 및 결정화 약품 투입부로 구성된 약품의 주입시설은 주입량의 조절이 용이하고 신뢰성이 있으며, 또한 적당한 범위에서 자유롭게 조정할 수 있는 약품정량 주입펌프 등 약품주입시설을 갖춘다.
혐기성 소화액 또는 탈리여액에 포함된 인산염을 결정화하는 방법으로는 인산암모늄마그네슘(Magnesium ammonium phosphate, MAP)이나 하이드록실아파타이트(Hydroxylapatite, HAP)와 같은 결정물질로 만드는 방법 등이 있다. 본 발명에서는 MAP를 위주로 설명할 것이나 HAP에도 적용할 수 있음은 물론이다.
MAP는 스트러바이트(Struvite)로 알려져 있으며, 결정의 화학식은
Figure 112019053305099-pat00001
이다. 물리적 성질은 비중이 1.7로 열을 가하면 분해되고 물에 용해도가 낮지만 산성용액에서는 높은 용해성을 가지며 알칼리성 용액에서는 불용성이다. MAP는 암모니아 1몰과 인산 1몰로 구성되어 있어 인산염과 암모니아성 질소를 동시에 효율적으로 제거할 수 있는 방법이다. MAP법은 인산염과 암모니아 이온을 함유한 처리 대상액에 마그네슘 이온을 첨가하고 소정의 pH영역에서 다음과 같은 결정화 반응을 통해 6수염 결정을 화학식 1과 같이 생성한다.
Figure 112019053305099-pat00002
MAP는 기존 하수처리장의 혐기성 소화조의 라인에 많이 형성되는 것으로 알려져 있는데 이는 혐기성 소화조의 특성상 혐기성 소화액이 고농도의 암모니아성 질소와 인산염을 함유하고 결정화가 일어나기에 적절한 pH를 유지하고 있기 때문이다.
결정화 반응조(120)에서는 인산염의 결정화가 일어나기 위한 최적의 pH와 온도가 유지되며, 생성된 인산염 결정체를 인발하여 인 회수조로 이송하는 유출부가 하부에 구비된다. 또한, 결정화 반응조(120) 하부에는 결정화 반응을 마친 MAP를 포함한 내용물(소화 슬러지/탈리여액)을 액체 사이클론으로 유출하는 유출밸브가 구비된다. 결정화 반응조(120) 상부 또는 측면에는 액체 사이클론에서 분리된 MAP 결정체를 다시 결정화 반응조(120)로 유입하기 위한 유입밸브가 설치된다.
결정화 현상을 위해 인 결정화 반응 약품탱크로부터 약품이 유입되고 유입된 약품을 이용하여 결정화를 위해 일정한 속도로 혐기성 소화액/혹은 탈리여액을 휘저으며 섞어주는 교반기가 결정화 반응조(120) 내부에 장착된다. 또한 수위를 파악할 수 있는 수위계(미 도시) 등이 더 구비할 수 있다.
결정화 반응조(120)의 형태는 사각형 및 원형으로 하는 것이 바람직하며, 산이나 알칼리에 부식되지 않는 내식성 및 내구성의 안정화된 재질이 사용된다. 반응조의 용량은 30분 정도의 체류시간을 확보하면 가능하나 안정성을 고려하여 1시간의 체류시간을 확보할 수 있도록 설치하는 것이 바람직하다.
결정체 회수조(160)는 결정화 반응조(120) 또는 액체 사이클론(150)에서 생성된 인산염 결정체를 간헐적으로 인발하여 세정장치로 이동하기 전 일시적으로 저류하는 장치이다.
결정화 반응조(120)에서는 투입된 약품과 함께 혐기성 소화액/혹은 탈리여액으로부터 인 결정체가 형성된다. 결정화 반응조(120)는 내용물을 액체 사이클론으로 투입한 후, 인 결정체만 다시 포집하여 재 투입받게 되며, 인 결정체의 크기는 수백 마이크로미터에서 수 미리미터 직경까지 성장하게 된다. 충분한 직경으로 인 결정체가 성장하는 조건을 만족한 이후 결정화 반응조(120) 하부에 퇴적되는 인 결정체는 결정체 회수조(160)로 인발하여 회수되는 것이다. 액체 사이클론(150) 하부에 충분한 크기의 인 결정체가 축적되었다고 판단될 경우 액체 사이클론(150)에 쌓여진 인 결정체는 결정체 회수조(160)로 직접 인발될 수 있도록 구현하였다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예인 액체 사이클론의 구성도이다. 액체 사이클론(150)은 곡물을 담는 고체 사이클론의 형상과 유사하게 원통형의 몸체부와 이와 연이어 형성되며 하방으로 갈수록 좁아지는 하부를 갖는다. 상부 측면에는 결정화 반응조(120)로부터 유입되는 인 결정체를 포함한 내용물이 투입되는 유입관이 구비되며, 하부에는 포집된 인 결정체를 다시 결정화 반응조로 재투입하거나 결정체 회수조(160)로 인 결정체를 인발하기 위한 유출관을 구비한다. 상부에는 부상하는 가벼운 물질을 슬러지 탈수기 또는 수처리 장치로 유출하는 유출관이 구비된다.
액체 사이클론(150)의 동작에 대해 설명하기로 한다. 결정화 반응조(120)로부터 인 결정체가 포함된 내용물이 높은 압력으로 액체 사이클론 내부로 공급(파란색 ①번 실선 참조)되면 도면에 표시된 바와 같이 투입된 내용물은 선회하면서 하부 방향으로 이동한다. 이러한 선회 동작에 의해 비중 1.7로 비교적 무거운 인 결정체는 하부로 침전되면서 하부 중앙의 유출관(붉은색 ②번 파선 참조)을 통해 다시 결정화 반응조(120)로 투입되고, 내용물 중 비중이 1에 가까운 가벼운 물질(슬러지, 물)은 상부에 형성된 유출관을 통해 도 1의 경우는 슬러지가 슬러지 탈수기로 이동되고, 도 2의 경우는 인 결정체가 회수된 탈리여액이 수처리 공정으로 이동된다. 액체 사이클론(150) 하부에 충분한 크기의 인 결정체가 축적되었다고 판단될 경우 액체 사이클론(150)에 쌓여진 인 결정체는 결정체 회수조(160)로 유출관(분홍색 ③번 일점 쇄선)을 통해 직접 인발될 수 있도록 구현하였다. 물론 대부분의 인 결정체는 결정화 반응조(120)에서 성장한 후 유출관(오렌지색 ④번 이점쇄선 참조)을 통해 결정화 회수조(160)로 인발된다.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예로서 하·폐수 처리시설의 전체 개략도이다. 각 지역별로 설치되는 하·폐수 처리시설에 비료 원료 투입기와 비료 생산기를 구비하여 비료를 직접 해당 하·폐수 처리시설에서 생산하는 경우는 인 결정화 장치에서 회수되는 인 결정체를 세정하거나 건조시킬 필요없이 바로 이용할 수 있다. 도 5에 제시된 하·폐수 처리시설은 이러한 경우를 대비한 시설로서 도 1에 제시된 하·폐수 처리시설과의 차이점에 대해서만 설명하기로 한다. 슬러지 건조기에서 건조된 슬러지는 함수율을 대략 50% 미만으로 유지한다. 비료는 필렛 등의 형상으로 성형하면서 최종적으로 생산되는데 필요한 함수율이 이보다 높을 경우 수분이 부족하여 비료 제조 공정에서 별도로 수분을 공급하면서 제조하여야 한다. 그런데 인 결정화 장치로부터 회수되는 인 결정체는 적절한 수분을 함유하고 있다. 따라서 도 5에 제시된 바와 같이 슬러지 건조기로부터 나오는 건조된 슬러지를 인 결정화 장치로부터 회수한 인 결정체와 직접 혼합하는 과정에서 수분이 공급되므로 별도로 수분을 공급할 필요없이 비료 제조 공정에서 다른 비료 원료 투입기로부터 부족한 비료 원료만을 추가하면 비료로 생산할 수 있다. 인 결정화 장치로부터 회수되는 인 결정체에 포함된 수분 함량을 줄일 필요가 있을 경우에는 도 5에 도시된 바와 건조장치를 거치게 하여 수분 함량을 조절한 후 이를 비료 생산기에 투입하여도 가능함은 물론이다.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예로서 하·폐수 처리시설의 전체 개략도이다. 각 지역별로 설치되는 하·폐수 처리시설에 비료 원료 투입기와 비료 생산기를 구비하여 비료를 직접 해당 하·폐수 처리시설에서 생산하는 경우는 인 결정화 장치에서 회수되는 인 결정체를 세정하거나 건조시킬 필요없이 바로 이용할 수 있다. 도 6에 제시된 하·폐수 처리시설은 이러한 경우를 대비한 시설로서 도 2에 제시된 하·폐수 처리시설과의 차이점에 대해서만 설명하기로 한다. 슬러지 건조기에서 건조된 슬러지는 함수율을 대략 50% 미만으로 유지한다. 비료는 필렛 등의 형상으로 성형하면서 최종적으로 생산되는데 필요한 함수율이 이보다 높을 경우 수분이 부족하여 비료 제조 공정에서 별도로 수분을 공급하면서 제조하여야 한다. 그런데 인 결정화 장치로부터 회수되는 인 결정체는 적절한 수분을 함유하고 있다. 따라서 도 6에 제시된 바와 같이 슬러지 건조기로부터 나오는 건조된 슬러지를 인 결정화 장치로부터 회수한 인 결정체와 직접 혼합하는 과정에서 수분이 공급되므로 별도로 수분을 공급할 필요없이 비료 제조 공정에서 다른 비료 원료 투입기로부터 부족한 비료 원료만을 추가하면 비료로 생산할 수 있다. 인 결정화 장치로부터 회수되는 인 결정체에 포함된 수분 함량을 줄일 필요가 있을 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이 건조장치를 거치게 하여 수분 함량을 조절한 후 이를 비료 생산기에 투입하여도 가능함은 물론이다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
110: 결정화 저류조
120: 결정화 반응조
150: 액체 사이클론
160: 결정체 회수조

Claims (22)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 비료 원료로 전환시키는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설로서,
    상기 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 가열하여 미생물의 세포벽을 파괴시키고, 세포 내에 존재하는 폴리인산을 방출시켜 이를 가수분해하여 인산염으로 전환하는 열가수분해장치와,
    상기 열가수분해장치에 의해 가수분해된 슬러지에 포함된 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시키는 혐기성 소화조와,
    상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 혐기성 소화액으로부터 인 결정체를 회수하는 인 결정화 장치와,
    상기 인 결정화 장치로부터 배출되는 상기 슬러지를 탈수하는 슬러지 탈수기와,
    상기 슬러지 탈수기에서 탈수된 슬러지를 건조하는 슬러지 건조기 및
    상기 슬러지 건조기에 의해 건조된 슬러지, 상기 인 결정화 장치에서 회수된 인 결정체 및 다른 비료 원료를 투입하여 비료를 생산하는 비료 생산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인 결정화 장치에서 형성된 인 결정체를 포함한 내용물을 유입받은 후 상기 인 결정체만을 분리한 후 상기 인 결정화 장치로 다시 유입시키는 액체 사이클론을 더 포함하고,
    상기 슬러지 탈수기는 상기 액체 사이클론으로부터 배출되는 슬러지를 탈수하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 인 결정화 장치에서 회수된 인 결정체를 세정하는 세정장치 및
    상기 세정된 인 결정체를 건조하는 결정체 건조기를 더 포함하고,
    상기 비료 생산기는 상기 인 결정화 장치로부터 회수된 후 상기 세정장치에서 세정되고 상기 결정체 건조기에 의해 건조된 인 결정체를 이용하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설.
  6. 제3항 내지 제5항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오 가스를 상기 열가수분해장치 및 상기 슬러지 건조기에서 선택된 적어도 어느 하나의 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설.
  7. 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 비료 원료로 전환시키는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설로서,
    상기 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기에서 발생되는 슬러지를 가열하여 미국 EPA의 40 CRF Part 503.32 규정을 만족시키며, 폴리인산을 인산염으로 전환하고 혐기성 소화율을 높이는 열가수분해장치와,
    상기 열가수분해장치에 의해 열가수분해된 슬러지에 포함된 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시켜 미국 EPA의 40 CRF Part 503.33 규정을 만족시키는 혐기성 소화조와,
    상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 혐기성 소화액을 탈수하는 슬러지 탈수기와,
    슬러지 탈수기에서 탈수된 슬러지를 건조하는 슬러지 건조기와,
    비료 생산에 필요한 적어도 하나의 원료를 투입하는 비료 원료 투입기 및
    상기 슬러지 건조기에 의해 건조된 슬러지 및 상기 비료 원료 투입기로부터 투입되는 비료 원료를 사용하여 비료를 생산하는 비료 생산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설.
  8. 삭제
  9. 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 비료 원료로 전환시키는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설로서,
    상기 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 가열하여 미생물의 세포벽을 파괴시켜 세포 내에 존재하는 폴리인산을 방출시키고 이를 가수분해하여 인산염으로 전환하는 열가수분해장치와,
    상기 열가수분해장치에 의해 가수분해된 슬러지에 포함된 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시키는 혐기성 소화조와,
    상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 혐기성 소화액을 탈수하는 슬러지 탈수기와,
    상기 슬러지 탈수기로부터 유입되는 탈리여액으로부터 인 결정체를 회수하는 인 결정화 장치와,
    상기 슬러지 탈수기에서 탈수된 슬러지를 건조하는 슬러지 건조기 및
    상기 슬러지 건조기에 의해 건조된 슬러지, 상기 인 결정화 장치로부터 회수된 인 결정체 및 다른 비료 원료를 투입하여 비료를 생산하는 비료 생산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 인 결정화 장치에서 회수된 인 결정체를 세정하는 세정장치와,
    상기 세정된 인 결정체를 건조하는 결정체 건조기를 더 포함하고,
    상기 인 결정화 장치에서 회수되는 인 결정체는 상기 세정장치를 통해 세정되고 상기 결정체 건조기를 통해 건조된 상태로 상기 비료 생산기에 투입되는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설.
  11. 제9항 또는 10항에 있어서,
    상기 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오 가스를 상기 열가수분해장치 및 상기 슬러지 건조기에서 선택된 적어도 어느 하나의 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 비료 원료로 전환시키는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법으로서,
    상기 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기에서 발생되는 슬러지를 가열하여 미국 EPA의 40 CRF Part 503.32 규정을 만족시키며, 폴리인산을 인산염으로 전환하고 혐기성 소화율을 높이는 열가수분해를 수행하는 제1단계와,
    상기 제1단계에서 가수분해된 슬러지에 포함된 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시켜 미국 EPA의 40 CRF Part 503.33 규정을 만족시키는 혐기성 소화시키는 제2단계와,
    상기 제2단계로부터 입수되는 혐기성 소화액을 탈수하고 건조시켜 바이오 솔리드를 생성하는 제3단계와,
    상기 제2단계의 혐기성 소화액 탈수 과정에서 입수되는 탈리여액으로부터 수백 마이크로미터에서 수 미리미터의 직경을 갖는 인 결정체를 회수하는 제4단계 및
    상기 제3단계에서 획득된 바이오 솔리드 및 상기 제4단계에서 회수된 인 결정체에 다른 비료 원료를 투입하여 비료를 생산하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제4단계는
    상기 탈리여액에 결정화 약품을 투입하여 인 결정체를 형성하는 제4-1단계와,
    상기 제4-1단계로부터 결정화 약품과 인 결정체가 혼합된 혼합액을 투입받은 후 인 결정체만을 분리한 후 분리된 인 결정체를 상기 제4-1단계로 다시 투입하는 제4-2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법.
  18. 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 비료 원료로 전환시키는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법으로서,
    상기 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기에서 발생되는 슬러지를 가열하여 미국 EPA의 40 CRF Part 503.32 규정을 만족시키며, 폴리인산을 인산염으로 전환하고 혐기성 소화율을 높이는 열가수분해를 수행하는 제1단계와,
    상기 제1단계에서 가수분해된 슬러지의 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시켜 미국 EPA의 40 CRF Part 503.33 규정을 만족시키는 혐기성 소화시키는 제2단계와,
    상기 제2단계로부터 입수되는 혐기성 소화액을 탈수하고 건조시켜 바이오 솔리드를 생성하는 제3단계와,
    상기 제2단계로부터 입수되는 혐기성 소화액으로부터 수백 마이크로미터에서 수 미리미터의 직경을 갖는 인 결정체를 회수하는 제4단계 및
    상기 제3단계에서 획득된 바이오 솔리드 및 상기 제4단계에서 회수된 인 결정체에 다른 비료 원료를 투입하여 비료를 생산하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제4단계는
    상기 제2단계로부터 입수되는 혐기성 소화액에 결정화 약품을 투입하여 인 결정체를 형성하는 제4-1단계와,
    상기 제4-1단계로부터 결정화 약품과 인 결정체가 혼합된 혼합액을 투입받은 후 인 결정체만을 분리한 후 분리된 인 결정체를 상기 제4-1단계로 다시 투입하는 제4-2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법.
  20. 제9항에 있어서,
    상기 인 결정화 장치에 저장된 인 결정체를 포함한 내용물을 유입받은 후 상기 인 결정체만을 분리한 후 상기 인 결정화 장치로 다시 유입시키는 액체 사이클론을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설.
  21. 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 비료 원료로 전환시키는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법으로서,
    상기 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기에서 발생되는 슬러지를 가열하여 미국 EPA의 40 CRF Part 503.32 규정을 만족시키며, 폴리인산을 인산염으로 전환하고 혐기성 소화율을 높이는 열가수분해를 수행하고, 열가수분해된 슬러지의 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시켜 미국 EPA의 40 CRF Part 503.33 규정을 만족시키는 혐기성 소화시켜 혐기성 소화액을 생성하고, 상기 혐기성 소화액을 탈수하여 건조된 바이오 솔리드를 준비하는 제1단계와,
    상기 혐기성 소화액으로부터 회수된 수백 마이크로미터에서 수 미리미터의 직경을 갖는 인 결정체를 준비하는 제2단계 및
    상기 제1단계에서 준비된 바이오 솔리드 및 상기 제2단계에서 준비된 인 결정체에 다른 비료 원료를 투입하여 비료를 생산하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리방법.
  22. 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 비료 원료로 전환시키는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설로서,
    비료 원료를 투입하는 비료 원료 투입기 및
    상기 하·폐수, 가축 분뇨 및 음식물류 쓰레기에서 발생되는 슬러지를 가열하여 미국 EPA의 40 CRF Part 503.32 규정을 만족시키며, 폴리인산을 인산염으로 전환하고 혐기성 소화율을 높이는 열가수분해를 수행하고, 열가수분해된 슬러지의 휘발성 고형물을 바이오 가스로 변환시켜 미국 EPA의 40 CRF Part 503.33 규정을 만족시키는 혐기성 소화시켜 혐기성 소화액을 생성하고 상기 혐기성 소화액을 탈수 및 건조하여 생성되는 바이오 솔리드와, 상기 혐기성 소화액으로부터 회수된 인 결정체 및 상기 비료 원료 투입기로부터 투입되는 비료 원료를 이용하여 비료를 생산하는 비료 생산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 솔리드 회수가 가능한 하·폐수처리시설.
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