KR102407813B1 - 이온교환막 및 생물학적처리 기반의 가축분뇨 통합처리 시스템 - Google Patents

이온교환막 및 생물학적처리 기반의 가축분뇨 통합처리 시스템 Download PDF

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이지원
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Abstract

본 발명은 생물학적 하수 고도처리(질산화-탈질)에 자원회수를 위한 물리·화학적 처리를 통합하여 가축분뇨 내에 포함된 자원은 회수하고 오염물질은 제거할 수 있는 이온교환막 및 생물학적처리 기반의 가축분뇨 통합처리 시스템에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 이온교환막 및 생물학적처리 기반의 가축분뇨 통합처리 시스템은,
이온교환막을 이용하여 가축분뇨 내에 함유된 암모니아성 질소 이온과 인산염 이온을 회수하는 이온교환 반응조; 상기 이온교환막을 통해 회수된 암모니아성 질소 이온과 인산염 이온에 마그네슘 이온을 주입하여 스트루바이트 결정화를 유도하는 자원회수 반응조; 상기 이온교환 반응조에서 회수되지 않은 잔여 암모니아성 질소 이온과, 상기 자원회수 반응조에서 결정화되지 않은 잔여 암모니아성 질소 이온을 공급 받아서, 질산화-탈질반응을 수행하여 질소를 제거하는 질산화-탈질 반응조;를 포함한다.

Description

이온교환막 및 생물학적처리 기반의 가축분뇨 통합처리 시스템{Livestock manure treatment system based ion exchange and biological treatment}
본 발명은 가축분뇨 통합처리 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 생물학적 하수 고도처리(질산화-탈질)에 자원회수를 위한 물리·화학적 처리를 통합하여 가축분뇨 내에 포함된 자원은 회수하고 오염물질은 제거할 수 있는 이온교환막 및 생물학적처리 기반의 가축분뇨 통합처리 시스템에 관한 것이다.
최근 부족자원을 최대한 활용하는 방법으로 폐자원을 자원화 사업으로 전환하여 에너지 자립율을 향상시키는 방법에 관한 연구가 되고 있다.
국내에서 시행하고 있는 대표적인 에너지 자립율 향상 대책은 가축분뇨로부터 에너지 및 자원을 회수하는 것이다. 가축분뇨로부터의 에너지 및 자원 회수가 주목받는 이유는 생활 수준의 향상으로 인해 국내 사육 가축 두 수가 지속적으로 증가하고 있으며, 가축 사육시 필연적으로 발생하는 가축분뇨 발생량도 증가하고 있기 때문이다.
한편, 농촌진흥청 및 환경부와 같은 중앙정부 및 여러 전문가들이 제시하고 있는 국내 가축분뇨 처리의 주요 문제점은 다음과 같다.
- 자원화 처리 시설에 비해 초기 투자비가 높음
- 약품비와 전력비등 유지 관리비가 높음
- 슬러지 발생량이 많음
- 처리 시설의 부식 등의 문제가 발생
- 처리 효율이 일정하지 않음
- 처리 시설의 운전조작이 복잡하며 전문 운영요원이 필요
- 고농도의 혼합 분뇨 유입 및 시설의 조기 부식에 따른 노후화 등으로 처리 효율 저하
- 소규모 농가에서 발생하는 분뇨의 수거체계 미흡
- 혐오시설 입지에 대한 주민반대, 지자체의 소극적인 업무추진 등으로 설치사업 지연
이와 같은, 주요 문제점들을 해결하기 위해서 가축분뇨 내에 포함된 자원은 회수하고 오염물질은 고효율로 제거할 수 있는 가축분뇨 처리 기술이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-0976144호 (가축 분뇨 처리장치 및 가축 분뇨 처리방법)
본 발명은 생물학적 하수 고도처리(질산화-탈질)에 자원회수를 위한 물리·화학적 처리를 통합하여 가축분뇨 내에 포함된 자원은 회수하고 오염물질은 제거할 수 있는 이온교환막 및 생물학적처리 기반의 가축분뇨 통합처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 이온교환막 및 생물학적처리 기반의 가축분뇨 통합처리 시스템(이하, '가축분뇨 통합처리 시스템'이라 함)은,
이온교환막을 이용하여 가축분뇨 내에 함유된 암모니아성 질소 이온과 인산염 이온을 회수하는 이온교환 반응조; 상기 이온교환막을 통해 회수된 암모니아성 질소 이온과 인산염 이온에 마그네슘 이온을 주입하여 스트루바이트 결정화를 유도하는 자원회수 반응조; 상기 이온교환 반응조에서 회수되지 않은 잔여 암모니아성 질소 이온과, 상기 자원회수 반응조에서 결정화되지 않은 잔여 암모니아성 질소 이온을 공급 받아서, 질산화-탈질반응을 수행하여 질소를 제거하는 질산화-탈질 반응조;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템에 있어서, 상기 이온교환 반응조는, 가축분뇨를 공급 받아서 일시 저장하는 반응조 하우징과, 상기 반응조 하우징의 내벽에 설치되는 이온교환막을 포함한다. 상기 반응조 하우징의 바닥면으로부터 상부면까지의 높이를 100으로 할 때, 상기 이온교환막은 바닥면으로부터 70 이상의 높이에 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템에 있어서, 상기 이온교환 반응조는, 상기 반응조 하우징 내부의 부유 물질이 상기 이온교환막에 부착되는 것을 방지하는 막힘 방지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템에 있어서, 상기 막힘 방지부는, 상기 이온교환막 주변에 와류를 생성하는 팬일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템에 있어서, 상기 막힘 방지부는, 상기 이온교환막 주변에 기포를 공급하여 상기 이온교환막 쪽으로 이동하는 부유 물질이 기포에 부착되도록 하는 기포 발생기일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템에 있어서, 상기 막힘 방지부는, 상기 이온교환막에 진동을 가하는 진동 발생기일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템에 있어서, 상기 자원회수 반응조는, 내부의 pH가 8.0 이상이고, 내부의 수온이 20 ~ 25℃ 범위가 되도록 운전되는 것이 바람직하다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템에 의하면,
생물학적 하수 고도처리(질산화-탈질)에 자원회수를 위한 물리·화학적 처리를 통합하여 가축분뇨 내에 포함된 자원은 회수하고 오염물질은 제거할 수 있다.
또한, 이온교환 반응조에 막힘 방지부를 설치하여 부유 물질이 이온교환막에 부착되는 것을 방지함으로써 이온 회수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템이 도시된 도면이다.
도 2는 이온교환 반응조의 제1 실시예가 도시된 도면이다.
도 3은 이온교환 반응조의 제2 실시예가 도시된 도면이다.
도 4는 이온교환 반응조의 제3 실시예가 도시된 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 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 발명에서 사용한 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 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 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.
본 발명은 에너지 및 자원 회수형 가축분뇨 통합처리 시스템으로 물리·화학적 및 생물학적 처리가 융합된 기술이다.
본 발명의 가축분뇨 통합처리 시스템을 통해 제거하고자 하는 주요 오염 물질은 가축분뇨 내에 포함된 유기물, 질소 및 인으로 각 오염 물질은 자원·에너지 회수 및 저에너지형 친환경 처리 공법과 같은 미래지향적 기술 바탕으로 처리가 이루어진다.
본 발명의 가축분뇨 통합처리 시스템에서는 이온교환막-스트루바이트(struvite)를 이용한 질소 및 인의 회수, 저에너지형 질소 제거 순으로 처리가 수행된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템이 도시된 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템은, 이온교환 반응조(100), 자원회수 반응조(200), 질산화-탈질 반응조(300)를 포함한다.
이온교환 반응조(100)는 가축분뇨를 공급 받아서, 이온교환막을 이용하여 가축분뇨 내에 함유된 암모니아성 질소 이온(NH4 +)과 인산염 이온(PO4 3-)을 회수한다.
이온교환 반응조(100)는 반응조 하우징(110)과 반응조 하우징(110) 내에 설치되는 이온교환막(120)을 포함한다.
반응조 하우징(110)은 소정 체적을 갖도록 형성되어, 가축분뇨를 공급 받아서 일시 저장한다.
이온교환막(120)은 반응조 하우징(110)의 내벽 소정 위치에 설치된다. 이온교환막(120)은 양이온과 음이온 중 한쪽만을 통과시키는 특성을 가지는 합성수지막이다. 양이온 교환막은 -SO3 -, -COO-, -PO3H-, -C6H4O- 등 음전하를 띠는 이온 그룹을 가지고 있어서 양이온은 통과시키고, 음이온은 전하 반발로 인해 통과할 수 없는 막이다. 음이온 교환막은 -NH3 +, -NRH2 +, NR2H+, NR3 +, -PR3 + 등 양전하를 띠는 이온 그룹을 가지고 있어서 음이온은 통과시키고, 양이온은 전하 반발로 인해 통과할 수 없는 막이다.
반응조 하우징(110)에 설치되는 이온교환막(120) 중 하나는 양이온 교환막으로서, 암모니아성 질소 이온(NH4 +)을 통과시켜서 회수하고, 나머지 하나는 음이온 교환막으로서, 인산염 이온(PO4 3-)을 통과시켜서 회수한다. 또는 개질분리막을 통해 양이온과 음이온을 동시에 통과시켜 회수한다.
가축분뇨는 고농도 슬러지로 부유 물질(Suspended Solid)을 포함하는데, 이 부유 물질이 이온교환막(120)에 부착되면 이온교환막(120)이 막히게 되어 이온 회수율이 급격히 감소하게 된다.
부유 물질은 액상 물질 보다 무거우므로 주로 반응조 하우징(110) 하부에 모여서 침전된다. 본 발명의 발명자들은 수차례 반복 실험을 통해 부유 물질이, 반응조 하우징(110)의 바닥면으로부터 상부면까지의 높이를 100으로 할 때, 반응조 하우징(110) 높이의 70 미만의 위치에서 밀집되어 분포하고 70 이상의 높이에는 밀집도가 낮음을 확인하였다.
따라서, 부유 물질에 의해 이온교환막(120)이 막히는 것을 방지하기 위해, 이온교환막(120)은 반응조 하우징(110)의 상부 내벽, 특히 바닥면으로부터 70 이상의 높이(상부면 높이 100)에 설치되는 것이 바람직하다.
추가적으로, 이온교환 반응조(100)는 이온교환막(120)의 막힘 방지를 위한 막힘 방지부(130 : 131 ~ 133)를 더 구비할 수 있다. 이에 대해, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
도 2는 이온교환 반응조의 제1 실시예가 도시된 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 실시예의 이온교환 반응조(100_1)는 이온교환막(120) 주변(상하좌우)에 설치되는 팬(131, pan)을 더 포함한다. 팬(131)은 구동모터(미도시)에 의해 회전되면서 이온교환막(120) 주변에 와류를 생성한다. 팬(131)에 의해 생성된 와류는 부유 물질에 운동 에너지를 가하게 되어, 부유 물질이 이온교환막(120)에 부착되는 것을 줄일 수 있게 된다.
도 3은 이온교환 반응조의 제2 실시예가 도시된 도면이다.
도 3을 참조하면, 제2 실시예의 이온교환 반응조(100_2)는 이온교환막(120) 주변(상하좌우)에 설치되는 기포 발생기(132, bubble generator)를 더 포함한다. 기포는 상방향으로 이동하므로, 기포 발생기(132)는 이온교환막(120) 하부에 설치되는 것이 바람직하다. 기포 발생기(132)는 이온교환막(120) 주변에 기포를 공급하여 이온교환막(120) 쪽으로 이동하는 부유 물질이 기포에 부착되도록 함으로써, 부유 물질이 이온교환막(120)에 부착되는 것을 줄일 수 있게 된다.
도 4는 이온교환 반응조의 제3 실시예가 도시된 도면이다.
도 4를 참조하면, 제3 실시예의 이온교환 반응조(100_3)는 이온교환막(120)에 진동을 가하는 진동 발생기(133, vibration generator)를 더 포함한다.
이온교환막(120)은 막 프레임(121)에 고정되고, 진동 발생기(133)는 막 프레임(121)에 주기적으로 또는 비주기적으로 진동을 발생시킨다. 막 프레임(121)에 가해진 진동은 이온교환막(120)으로 전달되고, 이온교환막(120)에 부착된 또는 부착 진행중인 부유 물질은 이온교환막(120)의 진동에 의해 이온교환막(120)으로부터 분리될 수 있게 된다.
이러한 막힘 방지부(130 : 131 ~ 133)에 의해 부유 물질이 이온교환막(120)에 부착되는 것을 방지하여 이온 회수율을 향상시킬 수 있다.
이온교환 반응조(100)에서 회수된 이온들은 고액 분리된 액상 형태로 자원회수 반응조(200)로 이송된다. 자원회수 반응조(200)에서 암모니아성 질소 이온과 인산염 이온에 마그네슘 이온(Mg2+)을 주입하여 스트루바이트 결정화를 유도한다.
스트루바이트는 Mg2+, NH4 +, PO4 3-가 1:1:1의 몰비로 결합한 결정체로서 자원회수 반응조(200)는 가축분뇨 내의 질소와 인을 스트루바이트 형태로 결정화한다.
스트루바이트 결정화를 위해, 자원회수 반응조(200) 내에 암모니아성 질소 이온(NH4 +), 인산염 이온(PO4 3-) 및 마그네슘 이온(Mg2+)이 존재해야 하며 온도, pH, 혼합 시간 및 혼합 강도 등이 고려되어야 한다.
본 발명의 발명자들은 높은 pH에서 스트루바이트의 용해도가 낮아지게 되어, 스트루바이트 결정화에 효과적임을 발견하였다. 특히, 반복 실험에 의해 자원회수 반응조(200) 내부의 pH가 8.0 이상일 때, 스트루바이트가 효과적으로 결정화되었음을 발견하였다.
또한, 본 발명의 발명자들은 스트루바이트 결정화와 관련하여, 자원회수 반응조(200) 내부의 수온이 20 ~ 25℃ 일 때, 스트루바이트가 효과적으로 결정화되었음을 발견하였다.
그 외, 교반 시간과 교반 강도도 함께 고려되어야 하며, 세부적인 운전 조건은 현장 환경에 따라 유동적으로 조절해야 할 필요가 있지만, 어떤 운전 조건이든 기본적으로 pH와 온도는 전술한 조건으로 운전하는 것이 바람직하다.
자원회수 반응조(200)에서 결정화된 스트루바이트 결정체는 고품질 비료로 사용될 수 있으며, 스트루바이트 결정체를 판매하여 pH 조절에 필요한 약품 비용을 회수할 수 있다.
한편, 스트루바이트는 가축분뇨 처리 과정에서 스케일 형성 및 침전 등으로 후속 혐기 소화 공정에 영향을 주는 문제의 원인으로 규명되었다. 그러나, 본 발명의 가축분뇨 통합처리 시스템에서는 전처리의 개념으로 스트루바이트를 생산하고 회수하여, i) 자원 회수, ii) 질소와 인의 처리, iii) 후속 혐기 소화 공정에서의 스트루바이트로 인한 문제 발생 예방 효과를 기대할 수 있다.
질산화-탈질 반응조(300)는 이온교환 반응조(100)에서 회수되지 않은 잔여 암모니아성 질소 이온과, 자원회수 반응조(200)에서 결정화되지 않은 잔여 암모니아성 질소 이온을 공급 받아서, 이를 산화시킨 후, 무산소 반응조에서 탈질화시켜 질소를 제거한다.
선택적으로, 이온교환 반응조(100 : 100_1, 100_3, 100_3)의 전후에는 부유 물질을 제거하는 침전지(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적으로, 질산화-탈질 반응조(300)는 부유 물질을 제거하는 침전지(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적으로, 이온교환 반응조(100), 자원회수 반응조(200), 질산화-탈질 반응조(300)로 이르는 각각의 라인에는 펌프와 자동으로 유량 조절이 가능한 PLC(Programmable logic controller)를 설치되어, 이들 반응조들로 이송되는 가축분뇨의 유량을 조절할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 가축분뇨 통합처리 시스템에 의하면, 생물학적 하수 고도처리(질산화-탈질)에 자원회수를 위한 물리·화학적 처리를 통합하여 가축분뇨 내에 포함된 자원은 회수하고 오염물질은 제거할 수 있다. 또한, 이온교환 반응조에 막힘 방지부를 설치하여 부유 물질이 이온교환막에 부착되는 것을 방지함으로써 이온 회수율을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 이온교환 반응조
110 : 반응조 하우징 120 : 이온교환막
130 : 막힘 방지부 131 : 팬
132 : 기포 발생기 133 : 진동 발생기
200 : 자원회수 반응조
300 : 질산화-탈질 반응조

Claims (7)

  1. 이온교환막을 이용하여 가축분뇨 내에 함유된 암모니아성 질소 이온과 인산염 이온을 회수하는 이온교환 반응조;
    상기 이온교환막을 통해 회수되어 고액 분리된 액상 형태로 이송된 암모니아성 질소 이온과 인산염 이온에 마그네슘 이온을 주입하여, 암모니아성 질소 이온과 인산염 이온과 마그네슘 이온이 1 : 1: 1의 몰비로 결합된 스트루바이트 결정화를 유도하며, 내부의 pH가 8.0 이상이고 내부의 수온이 20 ~ 25℃ 범위가 되도록 운전되는 자원회수 반응조;
    상기 이온교환 반응조에서 회수되지 않은 잔여 암모니아성 질소 이온과, 상기 자원회수 반응조에서 결정화되지 않은 잔여 암모니아성 질소 이온을 공급 받아서, 질산화-탈질반응을 수행하여 질소를 제거하는 질산화-탈질 반응조;를 포함하며,
    상기 이온교환 반응조는,
    가축분뇨를 공급 받아서 일시 저장하는 반응조 하우징;
    상기 반응조 하우징의 바닥면으로부터 상부면까지의 높이를 100으로 할 때, 상기 바닥면으로부터 70 이상의 높이의 상기 반응조 하우징의 내벽에, 막 프레임에 의해 고정되는 이온교환막;
    상기 막 프레임에 진동을 가하여 상기 반응조 하우징 내부의 부유 물질이 상기 이온교환막에 부착되는 것을 방지하는 진동 발생기;를 포함하는, 가축분뇨 통합처리 시스템.
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