KR102275726B1 - 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치에 관한 것으로, 산발효조에서 산 발효 또는 메탄 발효가 필요에 따라 선택적으로 변환 운영되어 음폐수의 처리량이 증가되고, 그로 인한 바이오가스 생산량이 증대되는 발명이다.

Description

메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치{ANAEROBIC DIGESTION APPARATUS FOR TREATING FOOD WASTEWATER INCLUDING ACID FERMENTATION TANK CAPABLE OF SELECTIVELY FERMENTING METHANE}

본 발명은 하절기(6~10월) 음식물류 폐기물에서 발생되는 폐수(이하, ‘음폐수’)의 반입량 증가로 인해 소화조 부하 발생에 의해 음폐수 처리 용량을 증대시키기 위해, 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치에 관한 것이다.

해양투기 금지에 따른 대안으로 음식물류 폐기물(음폐수 포함), 가축분뇨, 하수슬러지 등의 유기성 폐기물을 이용하여 바이오가스를 생산하는 바이오가스화 시설이 이용되고 있다.

바이오가스화 시설은 반입 저장 및 전처리 설비, 혐기성 소화 설비, 바이오가스 전처리 설비, 질소 저감 및 탈수 설비 및 악취제거 설비로 구분된다.

그 중에서도 혐기성 소화 설비는 유기물을 분해하여 유기산을 만드는 산 발효와 산 발효를 통해 만들어진 유기산을 이용하여 메탄을 생성하는 메탄생성이 하나의 반응조에서 소화되는 단상소화와, 각 단계별로 나눠 소화시키는 이상소화(two phase)로 구분된다.

이상소화로 구분된 혐기성 소화 설비는 음폐수를 저장하는 저장시설, 유기물을 산 발효시키는 산발효시설, 메탄을 생산하는 메탄생산시설, 소화액 및 가스를 저장하는 안정화시설 등으로 구성된다.

그러나 하절기에는 음폐수의 반입량이 급증하여 메탄생산시설에 높은 부하가 발생되는 문제가 있다. 또한, 앞서 설명된 문제들로 인해, 처리 수질 불안정성, 냄새발생 과다, 시설노후 가속화 등의 문제가 추가적으로 발생됨에 따라, 음폐수를 이용한 바이오가스화 시설을 안정적으로 운영되기 어려운 실정이다.

다음은 이러한 문제를 해결하기 위한 혐기성 소화 설비에 관한 배경기술로 등록특허공보 제10-1812448호(이하, 문헌 1), 등록특허공보 제10-0949314호(이하, 문헌 2), 등록특허공보 제10-1425795호(이하, 문헌 3) 및 등록특허공보 제10-0948287호(이하, 문헌 4)가 있다.

문헌 1 발명은 산발효조에서 처리된 음폐수를 메탄발효조와 안정화조로 각각 투입하여 음폐수의 처리용량이 증가되는 음폐수의 혐기성 소화 장치에 관한 것이다.

문헌 1 발명 장치는 산발효조와 안정화조 사이에 별도의 이송관이 배치되어 산발효조에서 처리된 음폐수를 안정화조로 이송시켜 메탄 발효가 이루어지나, 하절기 반입되는 음폐수를 처리하기 위한 안정화조 용량에 한계가 있다.

문헌 2 발명은 산발효조, 메탄발효조, 조류생성배양기 및 호기성 반응조를 포함하는 유기성폐기물의 혐기성 소화액을 이용한 조류생산 장치에 관한 것이다.

문헌 2 발명에서는 산발효조를 통해 메탄이 포함되는 바이오가스가 생성된다고 도시되어 있지만, 산발효조를 이용하여 메탄이 포함된 바이오가스 생성되는 구체적인 방식을 알 수 없다.

문헌 3 발명은 연속적으로 설치된 각 소화조에서 유출되는 슬러지의 열을 혐기 소화 처리가 요구되는 외부 유입 슬러지에 공급하여 소화 효율이 향상되는 소화 공정을 이용한 슬러지 처리 장치에 관한 것이다.

문헌 3 발명 장치는 가수 분해조, 산-메탄 발효조 및 메탄발효조로 구성되어 슬러지를 혐기 소화가 이루어지고 있으나, 산-메탄 발효조를 이용하여 산 발효와 메탄 발효에 따라 온도를 조절해야하는 번거로움이 있다.

문헌 4 발명은 바이오가스 획득량 증가 및 설치 부지를 줄이기 위한 일체형 2상 혐기소화조 및 이를 구비하는 혐기 소화 장치에 관한 것이다.

문헌 4 발명의 일체형 2상 혐기소화조는 직립 원통형으로 형성되어 산발효조가 내통부에 위치하고, 메탄발효조가 외통부에 위치하여 일체형으로 형성되어 있으나, 외통부에 교반수단이 없어 메탄 발효에 따른 바이오가스 생산 효율이 저하될 수 있다.

<배경기술문헌>

(문헌 1) 등록특허공보 제10-1812448호

(문헌 2) 등록특허공보 제10-0949314호

(문헌 3) 등록특허공보 제10-1425795호

(문헌 4) 등록특허공보 제10-0948287호

본 발명 목적은 상기 배경기술의 문제점을 해결하고, 음폐수 반입량이 증가로 인한 메탄발효조에 발생되는 과부하를 해결할 수 있는 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치를 제공함에 있다.

특히, 본 발명은 산발효조와 안정화조 사이에 이송배관을 추가하여 필요에 따라 산 발효와 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조를 통해 음폐수의 처리량이 증대되는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 하절기에 높은 기온으로 인해 음폐수가 과도하게 산 발효되는 것을 방지하고자 한다.

나아가, 본 발명은 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함됨에 따라 처리수질의 불안정성과, 과다하게 발생되는 냄새, 시설노후 가속화 등으로 인한 문제가 개선되어 안정적으로 하절기 음폐수를 안정적으로 처리할 수 있는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치는 음폐수가 저장되는 저장조(100), 제1-1이송배관(P11)을 통해 상기 음폐수가 반입되되, 음폐수의 산 발효 또는 메탄 발효가 선택적으로 가능하며, 산 발효된 음폐수 또는 소화액이 생성되는 산발효조(200), 제1-2이송배관(P12)을 통해 반입되는 상기 산 발효된 음폐수를 메탄 발효시켜 소화액 및 바이오가스가 생성되는 메탄발효조(300) 및 제1-3이송배관(P13) 또는 제1-4이송배관(P14)을 통해 산발효조(200) 또는 메탄발효조(300)에서 생성된 소화액이 반입되되, 가스배관(G)을 통해 바이오가스를 저장하고, 잔여 유기물을 분해시키는 안정화조(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1-4이송배관(P14)은 산발효조(200)에서 음폐수의 메탄 발효 시에 생성되는 소화액이 안정화조(400)로 이송되기 위해 산발효조(200)와 안정화조(400) 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 가스배관(G)은 산발효조(200)에서 음폐수의 메탄 발효 시에 생성되는 바이오가스와 메탄발효조(300)에서 생성되는 바이오가스가 안정화조(400)로 이송되기 위해 산발효조(200), 메탄발효조(300)와 안정화조(400) 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치는 저장조(100)에 저장된 음폐수를 메탄발효조(300) 또는 안정화조(400)로 반입시키기 위해 제1-5이송배관(P15)이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치를 활용함으로써, 음폐수 반입량 증가로 인한 메탄발효조에 발생되는 과부하 문제가 개선될 수 있다.

특히, 본 발명은 필요에 따라 메탄 발효가 가능한 산발효조를 통해 음폐수 처리량을 증가시키고, 그로 인한 바이오가스 생산량이 증대되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 음폐수의 혐기 소화를 통해 바이오가스가 생산됨에 따라, 에너지효율화 및 온실가스 저감 효과를 도모할 수 있다.

나아가, 본 발명은 음폐수를 안정적으로 처리할 수 있는 기반을 확보함으로써, 경제적으로 부가가치가 창출될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 또 다른 형태의 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치를 이용한 음폐수의 혐기 소화 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치를 이용한 바이오가스가 생산되는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 산발효조와 안정화조 사이에 형성되는 이송배관을 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저장조와 메탄발효조, 안정화조 사이에 배치되는 이송배관을 나타내는 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조를 이용하여 메탄 발효가 운영되었을 때, 바이오가스 생산 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조를 이용하여 메탄 발효가 운영되었을 때, 처리수질 결과를 나타낸 그래프이다.
<부호의 설명>
100: 저장조, 110: 제1저장조,
120: 제2저장조
200: 산발효조, 210: 제1산발효조,
220: 제2산발효조
300: 메탄발효조, 310: 제1메탄발효조,
320: 제2메탄발효조, 330: 제3메탄발효조
400: 안정화조, 410: 제1안정화조,
420: 제2안정화조, 430: 제3안정화조
G: 가스배관, G1: 제1가스배관,
G2: 제2가스배관, G3: 제3가스배관
P1: 제1이송배관, P2: 제2이송배관,
P3: 제3이송배관, P4: 제4이송배관,
P5: 제5이송배관, P6: 제6이송배관,
P7: 제7이송배관,
P11: 제1-1이송배관,
P12: 제1-2이송배관, P13: 제1-3이송배관,
P14: 제1-4이송배관, P15: 제1-5이송배관
V: 밸브

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다.

본 발명은 여기에서 개시되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기에서 개시되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 기술적 사상 및 기술적 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

따라서 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 되며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술적 범위에 포함되는 모든 변환이 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

본 발명은 다양한 변환이 가해질 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명한다. 도면들에서 요소의 크기 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있다.

따라서 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 양상들, 특징들, 실시예들 또는 구현예들은 단독으로 또는 다양한 조합들로 사용될 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 청구범위에 의해서 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 하고, 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한 통상의 기술을 가진 사람에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

<실시예 1>

메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치(이하, ‘음폐수의 혐기성 소화 장치’라고 함)는 도 1에 도시된 바와 같이, 저장조(100), 산발효조(200), 메탄발효조(300) 및 안정화조(400)가 포함될 수 있다.

여기서, 음폐수라는 용어는 음식물류 폐기물을 처리하는 과정 중에 발생되는 폐수를 의미하며, 실제 상황에 따라서 기타 물질을 더 포함할 수 있으며, 본 명세서에서 사용되는 의미는 가장 넓은 범위를 말한다.

상기 저장조(100)는 외부에서 유입되는 음폐수가 저장될 수 있다.

이때, 저장조(100)의 용량은 530~570㎥로 구성될 수 있고, 재질은 철근콘크리트(RC, Reinforced Concrete) 및 내산에폭시로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 저장조(100)에 유입된 음폐수는 1~3일 체류될 수 있으나, 유입되는 음폐수의 양이나 계절 변화에 따라 체류 기간이 변동될 수 있기에 이에 한정되지 않는다.

또한, 저장조(100)는 상류에 드럼스크린과 같은 여과 수단이 포함되어 있어, 음폐수에 포함된 이물질이나 협잡물 등이 상기 여과 수단에 의해 1차적으로 필터링 된 후에 저장될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 산발효조(200)는 저장조(100) 다음에 배치되어, 제1-1이송배관(P11)을 통해 저장조(100)에 저장된 음폐수가 반입될 수 있다.

또한, 산발효조(200)는 반입된 음폐수의 가수분해 및 산 발효, 또는 메탄 발효가 선택적으로 수행되어 산 발효 시에 산 발효된 음폐수가 생성되거나, 메탄 발효 시에 소화액과 바이오가스가 생성될 수 있다.

예컨대, 산발효조(200)에서 산 발효가 선택될 경우에는 가수분해 및 산 발효미생물이 음폐수에 용존 된 유기물을 분해하여 아세트산(acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 부티르산(butyric acid) 등이 포함된 휘발성지방산(VFA, Volatile Fatty Acid)이 생성됨으로써, 유기물이 가수분해 되어 유기산이 생성될 수 있다.

이때, 음폐수의 가수분해를 위해 관여되는 미생물은 클로스트리듐 속 세균(Clostridium), 박테로이드 속 세균(Bacteroides) 또는 비브리오 속 세균(Vibrio) 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, 음폐수의 산 발효를 위해 관여되는 산 발효미생물은 락토바실러스 속 세균(Lactobacillus), 코리네박테리움 속 세균(Corynebacterium), 악티노미세스 속 세균(Actinomyces), 클로스트리듐 속 세균(Clostridium), 박테로이드 속 세균(Bacteroides) 또는 램비박테리움 속 세균(Rambibacterium) 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, 산 발효가 이루어지는 산발효조(200)는 내부의 pH는 3.5~4.5, 최적 pH는 5~6이나 경제성의 이유로 별도의 약품이 주입되지 않을 수 있다.

상기 산발효조(200 내부의 온도는 35~38℃의 중온소화온도 또는 50~58℃의 고온소화온도로 유지되는 것이 바람직하다.

만일, 위의 pH와 온도 범위를 벗어나게 될 경우에는 산발효조(200)를 통해 산 발효가 수행되지 못하거나, 과도한 산 발효로 인해 음폐수 처리 효율이 저하될 수 있다.

예컨대, 산발효조(200)에 메탄 발효가 선택될 경우에는 메탄발효조(300)와 동일하게 밀폐되어 메탄 발효가 가능한 구조로, 메탄 발효미생물이 유기산을 이용하여 메탄, 황화수소, 이산화탄소 등이 포함된 바이오가스가 생성됨과 동시에 소화액이 생성될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하자면, 하절기 높은 기온으로 인해 음폐수가 저장조(100)로 반입되기 위해 운반되는 동안 운반 장치에서 가수분해와 산 발효가 이루어질 수 있다.

즉, 하절기에 운송되는 음폐수는 앞서 설명된 여름철 높은 기온으로 인해 가수분해와 산 발효가 이루어져 유기산이 생성된다. 따라서 하절기에 운송되는 음폐수를 산 발효를 위한 산발효조(200)로 유입될 경우에는 과도한 산 발효로 인해 음폐수의 처리 효율이 저하되거나, 비효율적인 문제가 있다.

또한, 과도하게 산 발효가 진행된 음폐수의 경우에는 휘발성지방산 중 아세트산보다 프로피온산 농도가 증가하게 된다. 그러나 프로피온산은 열역학적으로 메탄 발효미생물이 분해하기 어렵기에, 음폐수가 과도하게 산 발효되면, 음폐수의 처리량과 바이오가스 생산량이 저하될 수 있다.

따라서 위와 같은 문제들과, 불필요한 산 발효에 소요되는 시간과 공간 낭비를 개선하기 위해, 산발효조(200)에서 메탄 발효가 가능함에 따라 소화조 부하를 조절하여 효율적인 음폐수 처리가 가능하다.

이때, 산발효조(200)에서 메탄 발효가 가능하기 위해서는 메탄발효조(300)에서 사용되는 메탄 발효미생물이나, 메탄발효조(300) 또는 안정화조(400)에서 배출되는 소화액이 산발효조(200)로 유입되어, 산발효조(200)에서 메탄 발효가 가능할 수 있다.

상기 메탄발효조(300) 또는 안정화조(400)에서 배출되는 소화액에 메탄 발효미생물이 포함될 수 있다.

또한, 메탄 발효가 이루어지는 산발효조(200)는 내부의 pH가 7~8.5이며, 온도가 35~38℃의 중온소화온도 또는 50~58℃의 고온소화온도로 유지되는 것이 바람직하다.

만일, 위의 pH와 온도 범위를 벗어나게 될 경우에는 산발효조(200)를 통해 메탄 발효가 수행되지 못해 후단에 설명할 하절기 음폐수 반입량의 급증으로 인해 메탄발효조(300)의 부하 문제가 해결되기 어려울 수 있다.

즉, 상기 산발효조(200)를 산 발효 또는 메탄 발효를 선택함으로써 음폐수의 반입량이 급증함에 따라 발생되는 메탄발효조(300)의 부하 문제를 해결함으로써, 음폐수를 안정적으로 처리할 수 있다.

이때, 산발효조(200)의 용량은 800~815㎥로 구성될 수 있고, 재질은 강재 및 내산에폭시로 구성될 수 있고, 바람직하게 압연 강재 및 내산에폭시로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

산발효조(200)에 유입된 음폐수는 산 발효 시에 1~5일 체류될 수 있고, 메탄 발효 시에 20~32일 체류될 수 있으나, 유입되는 음폐수의 양이나 계절 변화에 따라 체류 기간이 변동될 수 있기에 이에 한정되지 않는다.

또한, 산발효조(200)는 산 발효 또는 메탄 발효가 진행되기 위한 발효 적합 온도까지 승온시키기 위해 별도의 가온수단이 더 포함될 수 있다.

상기 제1-1이송배관(P11)은 저장조(100)와 산발효조(200) 사이에 위치되어 저장조(100)에 저장된 음폐수를 산발효조(200)로 이송시키기 위해 형성될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 메탄발효조(300)는 산발효조(200) 다음에 배치되어, 제1-2이송배관(P12)을 통해 산발효조(200)에서 산 발효된 음폐수가 반입될 수 있다.

또한, 메탄발효조(300)는 메탄 발효미생물을 이용하여 상기 산 발효된 음폐수의 유기산을 이용하여 앞서 설명된 바이오가스가 생성됨과 동시에 소화액이 생성될 수 있다.

이때, 산 발효된 음폐수의 메탄 발효를 위해 관여되는 메탄 발효미생물은 메타노박테리움 속 세균(Methanobacterium), 메타노쿨루스 속 세균(Methanoculleus), 메타노스피릴룸 속 세균(Methanospirillum) 또는 메타노시타 속 세균(Methanosaeta) 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

메탄발효조(300)는 내부의 pH가 7~8.5이며, 온도가 35~38℃의 중온소화온도 또는 50~58℃의 고온소화온도로 유지되는 것이 바람직하다.

만일, 위의 pH와 온도 범위를 벗어나게 될 경우에는 메탄 발효가 원활하게 수행되지 못해 음폐수의 처리 효율이 떨어질 수 있다.

이때, 메탄발효조(300)의 용량은 3,500~4,500㎥로 구성될 수 있고, 재질은 강재 및 내산에폭시로 구성될 수 있고, 바람직하게 압연 강재 및 내산에폭시로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

메탄발효조(300)에 유입된 산 발효된 음폐수는 메탄발효조(300)에서 21~28일 체류될 수 있고, 바람직하게 22~26일 체류될 수 있으나, 유입되는 산 발효된 음폐수의 양이나 계절 변화에 따라 체류 기간이 변동될 수 있기에 이에 한정되지 않는다.

상기 제1-2이송배관(P12)은 산발효조(200)와 메탄발효조(300) 사이에 위치되어, 산발효조(200)에서 산 발효 시에 발생되는 산 발효된 음폐수를 메탄발효조(300)로 이송시키기 위해 형성될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 안정화조(400)는 메탄발효조(300) 다음에 배치되어, 제1-3이송배관(P13)을 통해 메탄발효조(300)에서 생성된 소화액과 바이오가스 또는 제1-4이송배관(P14)을 통해 산발효조(200)에서 생성된 소화액과 바이오가스가 반입되어 저장될 수 있다.

이때, 안정화조(400)는 하부에 상기 소화액을 저장할 수 있는 소화액 저장조와, 소화액 저장조 상부에 바이오가스를 포집할 수 있는 가스저장조가 형성될 수 있다.

상기 소화액 저장조는 내부 온도가 35~38℃의 중온소화온도 또는 50~58℃의 고온소화온도로 유지됨에 따라, 저장된 소화액의 잔여 유기물을 분해하여 바이오가스가 추가로 생성될 수 있다.

이때, 소화액 저장조의 용량은 1,000~2,000㎥로 구성될 수 있고, 재질은 철근콘크리트(RC) 및 내산에폭시로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, 소화액 저장조 내부에는 소화액을 교반시키기 위한 교반기가 더 포함될 수 있다.

상기 소화액 저장조에 유입된 소화액은 7~12일 체류될 수 있고, 바람직하게 8~10일 체류될 수 있으나, 유입되는 소화액의 양이나 계절 변화에 따라 체류 기간이 변동될 수 있기에 이에 한정되지 않는다.

상기 가스저장조는 바이오가스를 저장하기 위해 내부막과 외부막으로 구성되며, 1~5mbar의 압력으로 유지되는 것이 좋다.

이때, 가스저장조의 용량은 1,200~1,500㎥로 구성될 수 있고, 재질은 폴리에틸렌(PE) 및 특수코팅(M/B)으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 제1-3이송배관(P13)은 메탄발효조(300)와 안정화조(400) 사이에 위치되어, 메탄발효조(300)에서 메탄 발효 시에 발생되는 소화액을 안정화조(400)로 이송시키기 위해 형성될 수 있다.

상기 제1-4이송배관(P14)은 산발효조(200)와 안정화조(400) 사이에 위치되어, 산발효조(200)에서 메탄 발효 시에 발생되는 소화액을 안정화조(400)로 이송시키기 위해 형성될 수 있다.

이때, 산발효조(200)와 메탄발효조(300)에서 생성되는 바이오가스는 산발효조(200), 메탄발효조(300) 및 안정화조(400)를 연결하는 가스배관(G)을 통해 안정화조(400)로 포집되어 저장될 수 있다.

이로써, 본 발명 음폐수의 혐기성 소화 장치는 설계 변경이나 메탄발효조를 추가 설계하지 않고, 산발효조(200)를 이용하여 필요에 따라 산 발효와 메탄 발효를 선택적으로 수행함으로써 음폐수의 처리 용량이 증대되는 이점이 있다.

<실시예 2>

상기 실시예 1의 음폐수의 혐기성 소화 장치에 제1-5이송배관(P15)이 더 포함될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1-5이송배관(P15)을 제외한 음폐수의 혐기성 소화 장치는 실시예 1과 동일하게 배치될 수 있다.

상기 제1-5이송배관(P15)은 도 2에 도시된 바와 같이, 저장조(100)에 저장된 음폐수를 메탄발효조(300) 또는 안정화조(400)로 반입시키기 위해 저장조(100), 메탄발효조(300) 및 안정화조(400)가 연결될 수 있다.

제1-5이송배관(P15)이 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치는 여름철 높은 온도로 인해 음폐수가 운반되는 동안 운반 장치에서 가수분해와 산 발효가 이루어짐에 따라, 음폐수의 산 발효가 불필요할 수 있다.

따라서 운반 과정 중에 산 발효가 끝난 음폐수가 저장조(100)에 반입된 후, 상기 제1-5이송배관(P15)을 통해 메탄발효조(300)나 안정화조(400)로 직투입시켜 산 발효된 음폐수를 메탄 발효시켜 음폐수의 처리량과 바이오가스 생산량이 향상되는 이점이 있다.

상기 안정화조(400)는 메탄발효조(300) 소화액의 잔여유기물을 분해할 수 있도록 설계되어, 메탄발효조(300)와 동일하게 메탄 발효가 가능한 구조이다.

<실시예 3>

상기 실시예 1의 음폐수의 혐기성 소화 장치를 도 3과 같이 배치시킬 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 저장조(100)는 제1저장조(110)와 제2저장조(120)로 구분될 뿐, 앞서 설명된 실시예 1과 같은 구성으로 형성될 수 있다.

상기 제1저장조(110)와 제2저장조(120)는 앞서 설명된 실시예 1에서와 같이 외부에서 유입되는 음폐수가 저장될 수 있다.

다음으로, 산발효조(200)는 제1산발효조(210)와 제2산발효조(220)로 구분될 수 있다.

이때, 제1저장조(110)와 제2저장조(120) 사이에 형성된 제1이송배관(P1)은 제1산발효조(210)와 제2산발효조(220)에 연결되어, 제1저장조(110)와 제2저장조(120)에 저장된 음폐수가 제1산발효조(210)와 제2산발효조(220)로 각각 분배되어 이송될 수 있다.

상기 제1산발효조(210)는 제1이송배관(P1)을 통해 제1저장조(110)와 제2저장조(120)에 저장된 음폐수가 반입될 수 있다.

이때, 제1산발효조(210)에서 산 발효미생물에 의해 반입된 음폐수에 포함된 유기물을 가수분해 시켜 유기산이 생성될 수 있다.

제1산발효조(210)에서 산 발효가 이루어지기 위해 내부의 pH가 3~6이며, 최적 pH가 5~6이 될 수 있으나, 경제성의 이유로 별도의 약품을 주입하지 않을 수 있다.

이때, 산 발효가 이루어지는 제1산발효조(210) 내부의 온도가 35~38℃의 중온소화온도 또는 50~58℃의 고온소화온도로 유지되는 것이 바람직하다.

상기 제2산발효조(220)는 제1이송배관(P1)을 통해 제1저장조(110)와 제2저장조(120)에 저장된 음폐수가 반입될 수 있다.

이때, 제2산발효조(220)는 음폐수의 반입량에 따라 산 발효 또는 메탄 발효가 선택적으로 가능할 수 있다.

예컨대, 제2산발효조(220)에서 산 발효가 선택될 경우에는 앞서 설명된 제1산발효조(210)와 같은 구성으로 형성될 수 있다.

예컨대, 제2산발효조(220)는 여름철 높은 온도에 따라 음폐수의 산 발효가 불필요하거나, 하절기 음폐수의 반입량이 증가될 경우 메탄 발효가 선택될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하자면, 하절기 높은 기온으로 인해 음폐수가 제1저장조(110)와 제2저장조(120)로 반입되기 위해 운반되는 동안 운반 장치에서 가수분해와 산 발효가 이루어질 수 있다.

즉, 하절기에 운송되는 음폐수는 앞서 설명된 여름철 높은 기온으로 인해 가수분해와 산 발효가 이루어져 유기산이 생성된다. 따라서 하절기에 운송되는 음폐수를 산 발효를 위한 제1산발효조(210) 또는 제2산발효조(220)로 유입될 경우에는 과도한 산 발효로 인해 음폐수의 처리 효율이 저하되거나, 비효율적인 문제가 있다.

또한, 과도하게 산 발효가 진행된 음폐수의 경우에는 휘발성지방산 중 아세트산보다 프로피온산 농도가 증가하게 된다. 그러나 프로피온산은 열역학적으로 메탄 발효미생물이 분해하기 어렵기에, 음폐수가 과도하게 산 발효되면, 음폐수의 처리량과 바이오가스 생산량이 저하될 수 있다.

따라서 위와 같은 문제들과, 불필요한 산 발효에 소요되는 시간과 공간 낭비를 개선하기 위해, 제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 가능함에 따라 메탄 발효미생물이 분해하기 쉬운 아세트산을 이용하는 것이 좋다.

이때, 제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 가능하기 위해서는 제1~3메탄발효조(310, 320, 330)에서 사용되는 메탄 발효미생물이나, 제1~3메탄발효조(310, 320, 330) 또는 제1~3안정화조(410, 420, 430)에서 배출되는 소화액이 제2산발효조(220)로 유입되어, 제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 가능할 수 있다.

제2산발효조(220)에서 메탄 발효미생물에 의해 반입된 음폐수의 유기산을 이용하여 메탄, 황화수소, 이산화탄소 등이 포함된 바이오가스가 생성됨과 동시에 소화액이 생성될 수 있다.

제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 이루어지기 위해 내부의 pH가 7~8.5이며, 온도가 35~38℃의 중온소화온도 또는 50~58℃의 고온소화온도로 유지되는 것이 바람직하다.

상기 제1산발효조(210)와 제2산발효조(220)의 용량, 재질 및 체류 기간이 앞서 설명된 실시예 1의 산발효조(200)와 같은 구성으로 형성될 수 있다.

또한, 제1산발효조(210)는 산 발효가 진행되기 위해 발효 적합 온도까지 승온시키기 위해 별도의 가온 수단이 더 포함될 수 있다.

또한, 제2산발효조(220)는 산 발효 또는 메탄 발효가 진행되기 위해 발효 적합 온도까지 승온시키기 위해 별도의 가온 수단이 더 포함될 수 있다.

상기 제2산발효조(220)는 산 발효 또는 메탄 발효가 선택이 가능함에 따라, 음폐수의 반입량 급증으로 인해 발생되는 메탄발효조(300)의 부하 문제를 해결하여 음폐수를 안정적으로 처리할 수 있다.

또한, 여름철 높은 온도에 의해 산발효조(200)가 불필요함에 따라, 제2산발효조(220)를 메탄 발효로 변환하여 운영함에 따라, 하절기 급증되는 음폐수를 메탄발효조(300)를 추가 설계하지 않고, 음폐수의 처리 용량이 증대되는 이점이 있다.

다음으로, 메탄발효조(300)는 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320) 및 제3메탄발효조(330)로 구분될 뿐, 앞서 설명된 실시예 1과 같은 구성으로 형성될 수 있다.

이때, 도 3에 도시된 바와 같이 제1산발효조(210) 및 제2산발효조(220)와, 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320) 및 제3메탄발효조(330) 사이에 연결 형성된 제2이송배관(P2)은 제1산발효조(210)와 제2산발효조(220)의 산 발효된 음폐수가 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320) 및 제3메탄발효조(330)로 각각 분배되어 이송될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 제2이송배관(P2)은 제1산발효조(210)와 제1메탄발효조(310)를 연결하는 수평 배관, 제2산발효조(220)와 제2메탄발효조(320)를 연결하는 수평 배관과, 수평 배관들 사이를 연결하되, 제3메탄발효조(330)가 연결되는 수직 배관으로 구성될 수 있다.

예컨대, 제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 수행될 경우에는 제2산발효조(220)에 위치된 제2이송배관(P2)에 제4이송배관(P4)이 연장되어 제3이송배관(P3)과 연결되어 밸브(V)를 이용하여 이송 방향이 제어될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 제4이송배관(P4)은 수평 배관들과 제3메탄발효조(330)가 연결되는 수직 배관 앞에 형성되되, 제2산발효조(220)와 제2메탄발효조(320)를 연결하는 수평 배관과 제3이송배관(P3)이 연결되도록 형성될 수 있다.

여기서, 밸브(V)의 열림은 제4이송배관(P4)이 막힘을 의미하며, 제2산발효조(220)에서 산 발효가 수행되었음을 의미할 수 있다. 따라서 밸브(V)가 열림일 경우에는 상기 제2이송배관(P2)을 통해 제1산발효조(210) 및 제2산발효조(220)의 산 발효된 음폐수가 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320) 및 제3메탄발효조(330)로 각각 분배되어 이송될 수 있다.

또한, 밸브(V)의 닫힘은 제2이송배관(P2) 중 제2산발효조(220)와 제2메탄발효조(320)를 연결하는 수평 배관이 막힘을 의미하며, 제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 수행되었음을 의미할 수 있다. 따라서 밸브(V)가 닫힘일 경우에는 상기 제2이송배관(P2)을 통해 제1산발효조(210)의 산 발효된 음폐수가 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320) 및 제3메탄발효조(330)로 각각 분배되어 이송되고, 제2산발효조(220)의 소화액이 제4이송배관(P4)을 따라 제3이송배관(P3)을 거쳐 후단에 설명할 제1안정화조(410), 제2안정화조(420) 및 제3안정화조(430)로 각각 분배되어 이송될 수 있다.

상기 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320)와 제3메탄발효조(330)는 앞서 설명된 실시예 1에서와 같이 제1산발효조(210) 또는 제1산발효조(210)와 제2산발효조(220)에서 산 발효 된 음폐수가 반입되어 메탄 발효가 이루어질 수 있다.

이때, 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320)와 제3메탄발효조(330)에 반입된 산 발효 된 음폐수의 유기산을 이용하여 메탄 발효를 통해 소화액과 바이오가스가 생성될 수 있다.

다음으로, 안정화조(400)는 제1안정화조(410), 제2안정화조(420), 제3안정화조(430)로 구분될 뿐, 앞서 설명된 실시예 1과 같은 구성으로 형성될 수 있다.

이때, 도 3에 도시된 바와 같이 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320) 및 제3메탄발효조(330)와, 제1안정화조(410), 제2안정화조(420) 및 제3안정화조(430) 사이에 연결 형성된 제3이송배관(P3)은 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320) 및 제3메탄발효조(330)의 메탄 발효된 소화액이 제1안정화조(410), 제2안정화조(420) 및 제3안정화조(430)로 각각 분배되어 이송될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 제3이송배관(P3)은 제1메탄발효조(310)와 제1안정화조(410)를 연결하는 수평 배관, 제2메탄발효조(320)와 제2안정화조(420)를 연결하는 수평 배관, 제3메탄발효조(330)와 제3안정화조(430)를 연결하는 수평 배관과, 수평 배관들 사이를 연결하는 수직 배관으로 구성될 수 있다.

또한, 앞서 설명된 제4이송배관(P4)은 제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 수행될 경우 생성된 소화액을 제1안정화조(410), 제2안정화조(420) 및 제3안정화조(430)로 각각 분배시켜 이송되기 위해, 메탄발효조(310, 320, 330)와 안정화조(410, 420, 430) 사이에 위치한 수직 배관에 연장되되, 앞서 설명된 제2산발효조(220)와 제2메탄발효조(320)를 연결하는 수평 배관과 연결될 수 있다.

따라서 제2산발효조(220)에서 음폐수의 산 발효 또는 메탄 발효가 선택적으로 수행됨에 따라, 하절기 급증되는 음폐수를 안정적으로 처리하여 메탄발효조의 과부하가 최소화되는 이점이 있다.

특히, 본 발명 음폐수의 혐기성 소화 장치는 메탄 발효가 선택적으로 가능한 제2산발효조(220)에 의해 기존의 메탄발효조의 과부하로 인한 처리 수질의 불안정성, 불쾌한 냄새 발생이 빈번하거나, 시설의 노후가 가속화되는 등의 문제가 개선되는 장점이 있다.

상기 제1안정화조(410), 제2안정화조(420)와 제3안정화조(430)는 앞서 설명된 실시예 1에서와 같이 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320)와 제3메탄발효조(330) 또는 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320), 제3메탄발효조(330) 및 제2산발효조(220)에서 생성된 소화액이 반입되어 저장되며, 바이오가스가 포집될 수 있다.

또한, 제1안정화조(410), 제2안정화조(420)와 제3안정화조(430)는 반입된 소화액의 잔여 유기물을 분해하여 바이오가스를 추가로 생성할 수 있다.

상기 바이오가스는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320) 및 제3메탄발효조(330)와, 제1안정화조(410), 제2안정화조(420) 및 제3안정화조(430) 사이를 연결할 수 있는 제1가스배관(G1)이 형성될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 제1가스배관(G1)은 제1메탄발효조(310)와 제1안정화조(410)를 연결하는 수평 배관, 제2메탄발효조(320)와 제2안정화조(420)를 연결하는 수평 배관, 제3메탄발효조(330)와 제3안정화조(430)를 연결하는 수평 배관과, 수평 배관들 사이를 연결하는 수직 배관으로 구성될 수 있다.

이때, 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320) 및 제3메탄발효조(330)에서 생성된 바이오가스는 상기 제1가스배관(G1)을 통해 제1안정화조(410), 제2안정화조(420) 및 제3안정화조(430)로 각각 분배되어 이송될 수 있다.

제1안정화조(410), 제2안정화조(420) 및 제3안정화조(430)에 포집된 바이오가스는 후단에 배치되는 가스 전처리 시설 또는 가스 활용 시설에 이송되기 위해 제1안정화조(410), 제2안정화조(420) 및 제3안정화조(430)와, 가스 전처리 시설 또는 가스 활용 시설 사이에 제2가스배관(G2)이 형성될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제2산발효조(220)에서 메탄 발효 시에 발생되는 바이오가스를 이송시키기 위해 제2산발효조(220)와 제2가스배관(G2)을 연결하는 제3가스배관(G3)이 형성될 수 있다.

따라서 제2산발효조(220)에서 생성된 바이오가스는 제3가스배관(G3)을 거쳐 제2가스배관(G2)을 따라 제2가스배관(G2)에 연결되는 가스 전처리 시설 또는 가스 활용 시설에 이송될 수 있다.

바람직하게 제2가스배관(G2)을 통해 이송되는 바이오가스는 가스 전처리 시설을 거쳐 메탄농도가 높은 정제 바이오가스를 안정화시킨 후에 가스 활용 시설에서 사용되는 것이 좋다.

상기 가스 전처리 시설은 바이오가스에 포함되어 있는 황 성분이나 오염물질, 악취, 수분 등이 제거되기 위해 바이오가스를 정제할 수 있는 정제 설비인 생물탈황시설이 포함될 수 있다.

생물탈황시설은 습식탈황기, 수분제거기, 가스정제기 등으로 구성될 수 있다.

예컨대, 습식탈황기는 음폐수를 혐기 소화함에 따라 생성되는 바이오가스에 함유된 황화수소를 세정수로 세정하여 흡수 처리하여 바이오가스에 함유된 황화수소가 제거될 수 있다.

예컨대, 수분제거기는 상기 습식탈황기를 통해 황화수소가 제거된 바이오가스를 격벽에 충돌시켜 수분을 응결하여 바이오가스 내의 수분이 분리 제거되거나, 상기 황화수소가 제거된 바이오가스를 열교환방식으로 냉각시켜 바이오가스에 함유된 수분을 응결시켜 수분이 분리 제거될 수 있다.

예컨대, 가스정제기는 상기 수분제거기를 통해 수분이 제거된 바이오가스를 압력변동흡수(PSA, Pressure Swing Adsorption)를 통해 이산화탄소를 제거하여 메탄농도가 높은 정제 바이오가스가 생성될 수 있다.

상기 가스 활용 시설은 바이오가스를 사용할 수 있는 발전 설비, 보일러 등이 포함되거나, 사용하고 남은 잉여 바이오가스를 처리할 수 있는 잉여가스 연소기가 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

따라서 위와 같은 방식으로 생성된 바이오가스를 전력 생산에 사용하거나, 연료로 사용될 경우에 온실가스 저감 및 대기질이 개선될 수 있다.

<실시예 4>

상기 실시예 3의 음폐수의 혐기성 소화 장치에 제5이송배관(P5)이 포함될 수 있다.

상기 음폐수의 혐기성 소화 장치는 제5이송배관(P5)을 제외하고 실시예 3과 동일하게 구성될 수 있다.

상기 제5이송배관(P5)은 하절기 급증되는 음폐수의 처리량을 증가시키기 위해 제1산발효조(210)와 제1안정화조(410), 제2안정화조(420) 및 제3안정화조(430) 사이에 연결되어 음폐수가 제1~3안정화조(410, 420, 430)로 직투입 될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이 제5이송배관(P5)은 제1산발효조(210)와 제1안정화조(410) 사이에 수평 배관이 연결되고, 제1산발효조(210)로부터 음폐수가 제2안정화조(420)와 제3안정화조(430)로 각각 분배되어 이송되기 위해 상기 수평 배관에 제2안정화조(420)와 제3안정화조(430)가 연결된 수직 배관이 연결될 수 있다.

이때, 제5이송배관(P5)을 통해 유입되는 음폐수는 제1~3안정화조(410, 420, 430)에 각각 분배되어 상기 제1~3안정화조(410, 420, 430)에서 메탄 발효가 진행되기 위해 산 발효된 음폐수가 될 수 있다.

이어서, 상기 제1~3안정화조(410, 420, 430)에 유입된 산 발효된 음폐수를 이용하여 메탄 발효가 진행됨에 따라 소화액과 바이오가스가 생성될 수 있다.

상기 제1산발효조(210)는 제1산발효조(210)를 통해 산 발효된 음폐수 또는 여름철 높은 온도로 인해 음폐수가 운반되는 동안 운반 장치에서 가수분해와 산 발효가 이루어져 제1저장조(110)와 제2저장조(120)로 반입된 산 발효가 끝난 음폐수가 포함될 수 있다.

예컨대, 제1산발효조(210)에 포함된 음폐수가 운반 과정 중에 산 발효가 끝난 음폐수일 경우에 제1산발효조(210)에서 산 발효가 더 이상 진행되지 않고, 제5이송배관(P5)을 통해 제1~3안정화조(410, 420, 430)로 직투입되어 메탄 발효가 진행될 수 있다.

따라서 음폐수의 혐기성 소화 장치에 제5이송배관(P5)이 포함됨에 따라, 하절기 급증되는 음폐수를 처리할 수 있고 그에 따른 바이오가스 생산량이 증대되는 이점이 있다.

<실시예 5>

상기 실시예 3 또는 실시예 4의 음폐수의 혐기성 소화 장치에 제6이송배관(P6)과 제7이송배관(P7)이 포함될 수 있다.

상기 음폐수의 혐기성 소화 장치는 후단에 설명할 제6이송배관(P6)과 제7이송배관(P7)을 제외하고, 실시예 3 또는 실시예 4와 동일하게 구성될 수 있다.

상기 제6이송배관(P6)은 하절기 급증되는 음폐수의 처리량을 증가시키기 위해 제1이송배관(P1)과 제2이송배관(P2) 사이에 연결되어 형성될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이 제6이송배관(P6)은 제1저장조(110) 및 제2저장조(120)와, 제1산발효조(210) 및 제2산발효조(220) 사이에 형성된 제1이송배관(P1)에 제6이송배관(P6) 일단이 연결되고, 제6이송배관(P6) 타단이 제2이송배관(P2) 중 수직 배관에 연결되어 제1저장조(110) 및 제2저장조(120)에 저장된 음폐수를 제1~3메탄발효조(310, 320, 330)로 각각 분배되어 직투입 될 수 있다.

따라서 제6이송배관(P6)을 통해 유입되는 음폐수는 제1~3메탄발효조(310, 320, 330)에 각각 분배되고, 메탄 발효를 통해 소화액과 바이오가스가 생성될 수 있다.

상기 제7이송배관(P7)은 상기 제6이송배관(P6)이 수평방향으로 연장되어 제3이송배관(P3)에 연결될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이 제7이송배관(P7)은 제6이송배관(P6)이 수평방향으로 연장되어 제3이송배관(P3) 중 수직 배관에 연결되어 제1저장조(110) 및 제2저장조(120)에 저장된 음폐수를 제1~3안정화조(410, 420, 430)로 각각 분배되어 직투입 될 수 있다.

따라서 제7이송배관(P7)을 통해 유입되는 음폐수는 제1~3안정화조(410, 420, 430)에 각각 분배되고, 메탄 발효를 통해 소화액과 바이오가스가 생성될 수 있다.

이때, 제1저장조(110)와 제2저장조(120)에 저장된 음폐수는 여름철 높은 온도로 인해 음폐수가 운반되는 동안 운반 장치에서 가수분해와 산 발효가 이루어짐에 따라, 음폐수의 산 발효가 불필요할 수 있다.

즉, 운반 과정 중에서 산 발효가 끝난 음폐수가 제1저장조(110)와 제2저장조(120)에 반입된 후, 상기 제6이송배관(P7) 또는 제7이송배관(P7)을 통해 제1~3메탄발효조(310, 320, 330) 또는 제1~3안정화조(410, 420, 430)로 직투입시켜 산 발효된 음폐수를 메탄 발효시켜 음폐수의 처리량과 바이오가스 생산량이 증대되는 이점이 있다.

<실시예 6>

상기 실시예 1, 2, 3, 4 또는 5의 음폐수의 혐기성 소화 장치를 이용한 혐기 소화가 수행되기 전에 전처리가 수행될 수 있다.

상기 전처리는 드럼 스크린을 이용하여 반입된 음폐수 원수에 포함된 협잡물이 분리될 수 있다.

협잡물이 분리된 음폐수는 저장조(100) 또는 제1저장조(110) 및 제2저장조(120)로 이송되어 저장될 수 있다.

따라서 드럼 스크린을 통해 전처리가 수행될 경우에 음폐수에 협잡물이 분리됨으로써, 협잡물에 의한 혐기 소화 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

<실시예 7>

상기 실시예 1, 2, 3, 4, 5 또는 6의 음폐수의 혐기성 소화 장치를 이용한 혐기 소화가 수행된 후에 질소 저감 및 탈수 처리가 수행될 수 있다.

상기 질소 저감 및 탈수 처리는 앞서 설명된 안정화조(400) 또는 제1~3안정화조(410, 420, 430)에서 생성된 소화액의 질소성분을 암모니아 형태로 탈기와 함께 미처리된 유기물질을 이용하여 호기성 조건에서 미생물 세포합성으로 소화액의 질소를 제거하기 위해 호기성 반응조에서 질소 저감 처리가 수행될 수 있다.

다음으로, 원심탈수기를 이용하여 질소 저감된 소화액을 잉여오니와 여액으로 분리 탈수되는 탈수 처리가 수행될 수 있다.

이때, 상기 잉여오니는 매립될 수 있고, 상기 여액은 침출수처리장으로 연계되어 처리될 수 있다.

<시험예 1>

상기 실시예 3과 같이 배치된 실험군과, 실시예 3에서 제4이송배관(P4)과 제3가스배관(G3) 및 제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 선택되지 않는 경우를 제외하고 실시예 3과 동일하게 배치된 비교군을 이용하여 음폐수 처리 효율과 바이오가스 생산량을 비교하였다.

실험군과 비교군에서 사용된 제1저장조(110)와 제2저장조(120)의 용량은 각각 500㎥으로 형성되고, 제1산발효조(210)와 제2산발효조(220)의 용량은 각각 800㎥으로 형성된다.

또한, 실험군과 비교군에서 사용된 제1메탄발효조(310), 제2메탄발효조(320)와 제3메탄발효조(330)의 용량은 각각 4,000㎥으로 형성된다.

상기 실험군과 비교군에서 사용된 제1안정화조(410), 제2안정화조(420)와 제3안정화조(430)의 소화액 저장조의 용량은 각각 1,500㎥으로 형성되고, 가스저장조의 용량은 각각 1,200㎥으로 형성된다.

다음은 [표 1]은 실험군과 비교군을 통해 음폐수 처리 효율과 바이오가스 생산량을 비교한 결과이다.

구분		비교군(설계기준)	실험군
음폐수 처리량(톤/일)		500	600
바이오가스 생산량(N㎥/일)		25,737	52,590
수익창출 (억 원/년)	LNG 대체	39	81
	온실가스 저감	5	11
	계	44	92

위의 [표 1]을 살펴보면, 실험군은 제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 선택적으로 수행됨에 따라, 음폐수 처리량이 비교군 보다 20% 향상됨을 알 수 있다.

또한, 실험군은 음폐수 처리량이 비교군과 대비하여 20% 향상됨에 따라 발생되는 바이오가스 생산량이 비교군보다 104% 증대되었음을 알 수 있다.

이를 통해, 실험군과 같이 LNG(액화천연가스)를 대체하여 제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 선택적으로 수행됨은 발생되는 바이오가스를 활용함에 따라 발생되는 수익이 81억 원/년으로, 비교군과 대비하여 107% 향상된 수익이 창출됨을 알 수 있다.

또한, 앞서 설명된 바이오가스를 활용함에 따라 온실가스 저감에 따른 수익이 11억 원/년으로, 비교군과 대비하여 120% 향상된 수익이 창출됨을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 음폐수의 혐기성 소화 장치는 제2산발효조(220)에서 메탄 발효가 선택적으로 수행됨에 따라, 음폐수 처리량과 바이오가스 생산량이 증대되고, 그로 인한 에너지 효율화 및 온실가스 저감 효과를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 음폐수를 안정적으로 처리할 수 있는 기반을 확보하여 경제적 부가가치를 창출할 수 있는 이점이 있다.

<시험예 2>

앞서 설명된 실시예의 산발효조를 이용하여 메탄 발효조로 전환시켜 운행이 가능한 여부를 확인하였다.

여기서, 산발효조는 앞서 설명된 실시예 3의 산 발효와 메탄 발효가 선택적으로 가능한 제2산발효조(220)를 활용하였다.

이때, 상기 제2산발효조(220)에서는 반입된 음폐수를 이용하여 메탄 발효가 수행되고, 2020년 8월 14일부터 2020년 10월 23일 동안 제2산발효조(220)에서 생성된 바이오가스 상태를 확인하였다.

제2산발효조(220)의 메탄 발효를 통해 생성된 바이오가스는 도 8에 도시된 바와 같이, 제2산발효조(220)의 메탄 발효 전환이 시작된 8월 14일부터 8월 21일 전까지 메탄(CH₄), 이산화탄소(CO₂), 황화수소(H₂S)의 농도가 상승함을 확인하였다.

보다 구체적으로 살펴보면, 메탄의 농도는 초기 1,000ppm에서 4,500ppm까지 상승하였고, 이산화탄소의 농도는 초기 20%에서 50%까지 상승하였으며, 황화수소의 농도는 초기 3,400ppm에서 5,000ppm까지 상승하였다가 1,500ppm으로 하강하였다.

이후, 8월 21일부터 시험이 종료되는 10월 23일까지 메탄 농도가 3,500~5,000ppm으로 유지되었음을 알 수 있다. 또한, 이산화탄소 농도가 20~50%로 유지되고, 황화수소 농도가 800~2,200ppm으로 유지되었음을 알 수 있다.

따라서 위의 실험 결과를 통해 메탄 발효로 전환된 제2산발효조(220)는 안정적인 메탄농도를 유지하고, 바이오가스가 생산되는 것을 통해, 산발효조에서 메탄 발효로 전환시켜 메탄발효조로 활용이 가능함을 확인하였다.

또한, 본 발명은 산발효조를 메탄 발효로 전환시켜 바이오가스 생산함에 따라 가스 안전변 등 바이오가스 이송, 저장 등 기능상 문제가 없음을 함께 확인하였다.

<시험예 3>

앞서 설명된 실시예의 산발효조를 이용하여 메탄 발효조로 전환시켜 운행이 가능한 여부를 확인하였다.

여기서, 산발효조는 앞서 설명된 실시예 3의 산 발효와 메탄 발효가 선택적으로 가능한 제2산발효조(220)를 활용하였다.

이때, 상기 제2산발효조(220)에서는 반입된 음폐수를 이용하여 메탄 발효가 수행되고, 2020년 8월 18일부터 2020년 10월 20일 동안 제2산발효조(220)에서 처리된 소화처리수의 수질 상태를 확인하였다.

여기서, 소화처리수의 수질 상태를 확인하기 위해 혐기성 소화 인자인 유기산/알칼리도 비율을 확인하였다.

이때, 소화처리수의 수질 상태는 기존의 메탄발효조에서 처리된 소화처리수의 유기산/알칼리도 비율을 기준으로 하여, 제2산발효조(220)에서 메탄 발효 처리된 소화처리수의 유기산/알칼리도 비율을 비교하여, 그 결과를 도 9에 도시하였다.

도 9에 표시된 산발효조B는 상기 메탄 발효로 전환되어 운전된 제2산발효조(220)를 의미한다.

도 9를 살펴보면, 기존의 메탄발효조에서 처리된 소화처리수의 유기산/알칼리도 비율은 0.3~0.5로 유지됨을 알 수 있다.

상기 메탄 발효로 전환되어 운전된 제2산발효조(220)에서 처리된 소화처리수의 유기산/알칼리도 비율은 제2산발효조(220)의 메탄 발효 전환이 시작된 8월 18일부터 8월 25일 직후까지 1에서 0.5로 감소함을 확인하였다.

이후, 8월 25일 이후부터 시험이 종료되는 10월 20일까지 제2산발효조(220)에서 처리된 소화처리수의 유기산/알칼리도 비율은 0.3~0.5로, 기존의 메탄발효조와 비슷한 비율이 유지됨을 확인하였다.

즉, 위의 실험 결과를 통해 메탄 발효로 전환된 제2산발효조(220)는 소화처리수가 기존의 메탄발효조와 비슷한 유기산/알칼리도 비율(0.3~0.5)이 유지됨을 통해, 산발효조에서 메탄 발효로 전환시켜 메탄발효조로 활용이 가능함을 알 수 있다.

또한, 본 발명은 위의 실험 기간 중 기타 처리수질 및 공정 운영상 이상이 없음을 확인하였다.

따라서 시험예 2, 3을 통해 본 발명의 메탄 발효로 전환된 산발효조는 처리 수질 및 바이오가스 성상에 영향을 주지 않고, 안정적인 음폐수 처리 공정 운영이 가능하여 메탄발효조로 활용이 가능함을 확인하였다.

특히, 본 발명은 위의 시험예 2, 3을 통해 기타 공정운영에 영향을 미치지 않으면서, 음폐수 처리량 증대가 가능함을 알 수 있고, 그로 인해 안정적 처리기반 확립에 따른 경제적 부가가치 창출을 기대할 수 있다.

본 발명은 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치에 관한 것으로 산발효조에서 산 발효와 메탄 발효가 선택적으로 가능하여 음폐수의 처리 용량과 바이오가스 생산량이 증대되는 산업상 이용가능한 발명이다.

Claims (4)

1. 음폐수가 저장되는 저장조(100);
   제1-1이송배관(P11)을 통해 상기 음폐수가 반입되되, 음폐수의 산 발효 또는 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조(200);
   제1-2이송배관(P12)을 통해 반입되는 상기 산 발효된 음폐수를 메탄 발효시켜 소화액 및 바이오가스가 생성되는 메탄발효조(300); 및
   제1-3이송배관(P13) 또는 제1-4이송배관(P14)을 통해 산발효조(200) 또는 메탄발효조(300)에서 생성된 소화액이 반입되되, 가스배관(G)을 통해 바이오가스를 저장하고, 잔여 유기물을 분해시키는 안정화조(400);로 구성되며,
   제1-3이송배관(P13)은 메탄발효조(300)와 안정화조(400) 사이에 위치되어 메탄발효조(300)에서 생성되는 소화액이 안정화조(400)로 이송되고,
   제1-4이송배관(P14)은 산발효조(200)에서 음폐수의 메탄 발효 시에 생성되는 소화액이 안정화조(400)로 이송되기 위해 산발효조(200)와 안정화조(400) 사이에 형성되며,
   가스배관(G)은 산발효조(200)에서 음폐수의 메탄 발효 시에 생성되는 바이오가스와 메탄발효조(300)에서 생성되는 바이오가스가 안정화조(400)로 이송되기 위해 산발효조(200), 메탄발효조(300)와 안정화조(400) 사이에 형성되고,
   산발효조(200)에서 산 발효가 선택될 경우에는 산 발효된 음폐수가 생성되며;
   산발효조(200)에서 메탄 발효가 선택될 경우에는 하절기 음폐수의 과도한 산 발효에 의한 프로피온산 농도 증가를 방지하기 위해 메탄발효조(300)에서 사용되는 메탄 발효미생물이나, 메탄발효조(300) 또는 안정화조(400)에서 배출되는 소화액이 산발효조(200)로 유입되고, 내부의 pH가 7 내지 8.5이며, 음폐수가 20 내지 32일 체류되어 소화액과 바이오가스가 생성되고,
   산발효조(200)에서 메탄 발효된 소화처리수의 유기산/알칼리도 비율이 0.3 내지 0.5인 것을 특징으로 하는, 메탄 발효가 선택적으로 가능한 산발효조가 포함된 음폐수의 혐기성 소화 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

Images