KR102505128B1 - 에너지 소비효율을 향상시킨 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템 - Google Patents
에너지 소비효율을 향상시킨 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
에너지 소비효율을 향상시킨 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물을 유입받아 열가수분해 시키는 열가수분해 장치와, 상기 열가수분해 장치로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 저류하는 제1 저류조, 상기 제1 저류조의 액체 성분을 유입받아 유기물을 소화시키고, 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화조 및 상기 혐기성 소화조에서 배출되는 소화슬러지를 기계적으로 탈수하는 탈수기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물을 유입받아 열가수분해 시키는 열가수분해 장치와, 상기 열가수분해 장치로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 저류하는 제1 저류조, 상기 제1 저류조의 액체 성분을 유입받아 유기물을 소화시키고, 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화조 및 상기 혐기성 소화조에서 배출되는 소화슬러지를 기계적으로 탈수하는 탈수기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 에너지 소비효율을 향상시킨 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
유기성 폐기물의 직매립 금지, 해양투기 금지와 같은 제도 개정으로 인해, 유기성 폐기물의 감량, 재활용 및 유기성 폐기물을 활용한 바이오 가스 생산에 대한 관심이 급증하고 있다.
혐기성 소화는 유기성 폐기물의 감량화, 안정화에 매우 적합한 처리 방법이며, 특히, 혐기성 소화 과정에서 생성되는 메탄(CH4) 가스는 환경 친화적인 연료의 생산에 사용된다.
일반적으로 혐기성 소화에 적용되는 유기성 폐기물은 하·폐수 처리과정에서 배출되는 잉여 슬러지이며, 잉여슬러지는 미생물 세포쇄설물 등 상당량의 난분해성 유기물을 포함하고 있다. 이와 같은 유기성 폐기물들은 복합적이며 단단한 구조로 구성되어 있기 때문에, 생물학적 분해가 느리거나 어렵다. 또한, 이러한 유기성 폐기물들은 세포 내 내부수, 세포 사이의 간극수 등으로 인해 기계적 탈수를 이용한 감량에도 한계를 갖는다. 상기된 문제점을 해결하고자 기존에는 물리학적, 화학적 또는 2개 이상을 결합한 병합 전처리를 적용하였으나, 에너지 소비, 2차 오염 등으로 적용성에 한계가 있었다.
고온과 고압을 이용한 열가수분해는 최근 주목받고 있는 혐기성 소화의 전처리 기술로서, 에너지 소비 문제를 일부 해결하였으며 2차 오염이 발생하지 않아 적용성이 확대되고 있다. 그러나 고온의 열에너지를 사용하기 때문에 에너지를 보존하면서 활용성을 극대화하기 위한 방법과 고압으로 인해 발생할 수 있는 운영 상의 문제를 보완하기 위한 시도들이 진행되고 있다.
본 발명의 일 실시예는, 에너지 소비효율을 향상시킨 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템으로, 열가수분해 장치를 혐기성 소화의 전처리에 연계시킴으로써, 바이오가스 생산량 증대 및 소화일수를 단축시킬 수 있는 유기성 폐기물 혐기성 소화 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 열가수분해 장치의 에너지 소비효율을 향상시킨 유기성 폐기물의 열가수분해 장치가 결합된 혐기성 소화 시스템으로, 시스템 내에서 열에너지를 재사용하여 시스템의 에너지 소비량을 절감한 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물을 유입받아 열가수분해 시키는 열가수분해 장치와, 상기 열가수분해 장치로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 저류하는 제1 저류조, 상기 제1 저류조의 액체 성분을 유입받아 바이오가스를 생성하고, 유기물을 소화시키는 혐기성 소화조 및 상기 혐기성 소화조에서 배출되는 소화슬러지를 기계적으로 탈수하는 탈수기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 열가수분해 장치는 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열조, 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열가수분해하는 복수의 열가수분해 반응기, 각 열가수분해 반응기에서 열가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 배출하는 감압탱크, 어느 하나의 열가수분해 반응기에서 열가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 다른 열가수분해 반응기로, 액체 성분을 상기 감압탱크로 배출하는 스팀 정제조, 상기 감압탱크에서 배출되는 액체 성분을 유입받아 기 설정된 온도로 냉각시킨 후, 제1 저류조로 공급하는 열교환기 및 상기 열가수분해 장치 내의 각 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 각 열가수분해 반응기는 서로 동일한 과정을 거치며 유기성 폐기물을 열가수분해하되, 시간차를 두고 서로 다른 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제어부는 어느 하나의 열가수분해 반응기 내 기체 성분으로 인한 압력이 기 설정된 기준치 이상인 경우, 상기 스팀 정제조로 기체 성분의 일부를 배출하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 환경은 1 내지 23 bar의 압력과 100 내지 220℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 열가수분해 장치는 외부에서 유입되는 스팀과 상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분을 어느 하나의 열가수분해 반응기로 주입시키는 이젝터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 열교환기는 상기 열가수분해된 액체 성분을 냉각시킴에 따라 발생되는 승온된 냉각수를 상기 열가수분해 장치에 스팀을 공급하는 보일러로 합류시키거나, 상기 혐기성 소화조를 가온시키는 보일러의 급수용수에 합류시켜 에너지 소비량을 절감시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템은 소화탈리액 처리장치를 더 포함하여, 상기 탈수기에서 발생되는 소화 탈리액을 유입받아 탈리액에 함유된 질소 성분을 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 소화탈리액 처리장치는 상기 소화 탈리액을 유입받아 부분 아질산화를 수행하는 부분 아질산화 반응조, 부분 아질산화 반응조에 존재하는 침강성이 저하된 슬러지를 유입받아 암모늄 산화 박테리아(AOB) 그래뉼을 생성하는 AOB 그래뉼 생성조, 부분 아질산화 반응조의 처리수를 유입받아 저류하면서, 처리수로부터 고형물을 침전 제거하는 중간저장조 및 상기 중간저장조로부터 처리수를 공급받아 혐기성 암모늄 산화(Anammox) 반응에 의해 질소 성분을 제거하는 아나목스(Anammox) 반응조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 열가수분해 장치로 유입되는 유기성 폐기물은 하·폐수 처리장치로부터 배출되는 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 하·폐수 처리장치는 하·폐수가 유입되어 슬러지를 생성하는 1차 침전조, 상기 1차 침전조의 상등수를 수용하여 생물학적으로 처리하는 생물 반응조, 상기 생물 반응조에서 유출된 처리수를 침전시켜 슬러지를 생성하고 상등수를 배출시키는 2차 침전조 및 상기 2차 침전조에서 배출된 슬러지를 탈수하는 탈수기를 포함하고, 상기 열가수분해 장치로 유입되는 유기성 폐기물은 상기 2차 침전조에서 배출된 슬러지를 탈수한 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 하·폐수 처리장치는 농축기를 더 포함하고, 상기 농축기는 상기 1차 침전조에서 발생된 슬러지를 농축하여 상기 1차 저류조로 배출시킴으로써, 후단의 혐기성 소화에 사용되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 유기성 폐기물을 열가수분해를 통해 가용화 후 혐기성 소화조에서 처리함으로써, 바이오 가스 발생량 및 혐기성 소화조의 소화일수를 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 열가수분해 장치에서 발생되는 열 에너지를 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물 혐기성 소화 시스템 내에서 재이용하여 시스템의 에너지 소비효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 혐기성 소화조에서 발생되는 소화탈리액을 부분 아질산화와 혐기성 암모늄 산화가 결합된 공정을 통해 처리함으로써, 하·폐수 처리장치로 연계되는 반류수의 질소 부하를 경감시키고, 탈리액 처리 비용을 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템의 공정도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템에 연계된 하·폐수 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 열가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 6 내지 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열가수분해 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 소화탈리액 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템에 연계된 하·폐수 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 열가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 6 내지 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열가수분해 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 소화탈리액 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
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 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물 혐기성 소화 시스템(100)(이하에서 ‘시스템(100)’이라 한다)은 하·폐수 처리장치(110), 케익 저장조(120), 열가수분해 장치(130), 제1 저류조(140), 혐기성 소화조(150), 제2 저류조(160), 소화슬러지 탈수기(170) 및 소화탈리액 처리장치(180)를 포함한다.
하·폐수 처리장치(110)는 외부로부터 하·폐수를 유입받아, 고형물이나 유기물 등의 오염물질을 제거하여 외부로 처리수를 방류한다. 하·폐수 처리장치(110)에서 제거된 오염물질은 1차 슬러지(생슬러지), 2차 슬러지(잉여 슬러지) 및 3차 슬러지(총인슬러지)와 같은 유기성 폐기물의 형태로 배출된다.
하·폐수 처리장치(110)는 1차 슬러지를 도 2를 참조하여 후술될 농축기(215)를 거친 농축 슬러지의 형태로서 제1 저류조(140)로, 2차 슬러지와 3차 슬러지를 후술될 탈수기(235)에서 탈수하여 케익 저장조(120)로 각각 배출한다.
또한, 하·폐수 처리장치(110)는 슬러지들의 농축 및 탈수 과정에서 배출되는 농축/탈수 여액의 처리를 통해 슬러지를 더 배출하는데, 여액의 처리에 따라 발생되는 슬러지는 제2 저류조(160)로 배출된다.
하·폐수 처리장치(110)는 하수 또는 폐수 처리장의 수처리 시설일 수 있다. 하·폐수 처리장치(110)에 대한 구체적인 구성은 도 2에서 후술하기로 한다.
케익 저장조(120)는 하·폐수 처리장치(110)의 2차 및 3차 슬러지를 탈수한 유기성 폐기물을 공급받아 열가수분해 장치(130)로 이송하기 전까지 일시적으로 저류한다.
열가수분해 장치(130)는 케익 저장조(120)의 유기성 폐기물을 공급받아, 유기성 폐기물을 열가수분해하여 액상 생성물의 형태로 제1 저류조(140)로 배출한다. 열가수분해 장치(130)는 유기성 폐기물을 기 설정된 온도 및 압력 하에서 가수분해하여, 혐기성 소화조(150)에서의 소화 효율을 더욱 향상시킨다.
열가수분해 장치(130)의 구체적인 구성 및 동작 순서는 도 3 내지 12를 참조하여 후술하기로 한다.
제1 저류조(140)는 열가수분해 장치(130)에서 처리된 열가수분해 반응물과 하·폐수 처리장치(110)에서 배출되는 농축 슬러지를 공급받아, 혐기성 소화조(150)로 투입되기 전까지 저장한다. 하·폐수 처리장치(110)에서 배출되는 농축 슬러지는 후술할 하·폐수 처리장치(110)의 1차 슬러지(생슬러지)를 농축기(215)에서 농축시킨 유기성 폐기물이다. 이러한 농축 슬러지는 2차 슬러지 및 3차 슬러지(후술할 2차 침전지(230) 및 3차 처리조(240)에서 발생되는 슬러지) 대비 상대적으로 분해성이 좋기 때문에, 별도의 가용화 처리를 거치지 않고 바로 혐기성 소화에 사용될 수 있다.
혐기성 소화조(150)는 제1 저류조(140)로부터 열가수분해 반응물인 액상 생성물과 하·폐수 처리장치(110)의 농축 슬러지가 혼합된 유기성 폐기물을 공급받아 소화시켜 유기성 폐기물을 감량 및 안정화시키며, 기체 생성물(바이오가스)과 소화 슬러지를 생성한다.
혐기성 소화조(150)는 혐기성 미생물의 작용에 의해 유기성 폐기물로부터 바이오가스를 생성하고, 유기물을 분해시킨다. 혐기성 소화조(150)에서 발생한 바이오가스는 바이오가스 정제시설을 거쳐 이용설비로 공급되어 전력을 생산하거나, 열 에너지 형태로 재이용된다. 혐기성 소화조(150)에서 생성된 소화 슬러지는 제2 저류조(160)로 배출된다.
제2 저류조(160)는 혐기성 소화조(150)에서 발생된 소화 슬러지를 공급받아 후처리를 위해 일시적으로 저장한다. 또한, 제2 저류조(160)는 하·폐수 처리장치(110) 내에서 발생되는 다른 슬러지들을 더 공급받아 소화 슬러지와 함께 소화슬러지 탈수기(170)에서 고액 분리가 수행되기 전까지 저장할 수 있다.
제2 저류조(160)로 유입되는 소화 슬러지 외의 다른 슬러지는, 소화탈리액 처리장치(180)에서 슬러지의 후처리 과정을 거쳐 배출되는 잉여 슬러지와, 도 2를 통해 후술할 여액 처리장치(250)에서 배출되는 슬러지를 포함한다.
소화슬러지 탈수기(170)는 제2 저류조(160)에서 수집된 슬러지를 공급받아 고액 분리하여 탈수된 케익을 최종 처분을 위해 배출시키고, 소화탈리액은 소화탈리액 처리장치(180)로 배출한다.
소화슬러지 탈수기(170)는 원심 탈수기일 수 있으며, 탈수기(170)에 의해 탈수된 케익은 약 75% 정도의 함수율을 갖는다. 이러한 탈수된 케익은 최종 처분 방식에 따라 건조 후 연료화에 사용되거나, 외부로 반출되어 위탁 처리될 수 있다.
소화탈리액 처리장치(180)는 소화슬러지 탈수기(170)에서 배출되는 탈리액을 유입받아, 탈리액 중의 질소 성분을 제거한다.
소화탈리액 처리장치(180) 전단의 열가수분해 장치(130)는 유기성 폐기물의 생분해도를 향상시키는 과정에서 고농도의 유기성 질소를 생성한다. 또한, 혐기성 소화조(150)는 이러한 유기성 질소를 암모니아성 질소로 전환한다.
이러한 이유로, 혐기성 소화조(150)의 소화슬러지를 탈수한 탈리액은 여전히 고농도의 질소를 함유하고 있으므로, 탈리액이 하·폐수 처리장치(110)로 연계 처리되는 경우 하·폐수 처리장치(110)의 처리수질에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 소화탈리액 처리장치(180)는 탈리액에 대하여 질소의 제거를 수행하고, 그 처리수를 하·폐수 처리장치(110)로 반류시킨다.
또한, 소화탈리액 처리장치(180)는 탈리액의 질소 처리과정에서 잉여 슬러지를 배출하는데, 잉여 슬러지는 제2 저류조(160)로 다시 회수되어 소화슬러지 탈수기(170)에서 재처리 된다. 소화탈리액 처리장치(180)의 구체적인 구성은 도 13에서 후술하기로 한다.
열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템(100)은 유기성 폐기물을 혐기성 소화하기 전에 열가수분해로 전처리하기 때문에, 혐기성 소화만을 단독으로 실시하는 경우 대비 혐기성 소화조(150)의 유기물 분해율을 증가시킬 수 있다.
즉, 열가수분해 장치(130)에서 고분자 유기물질들의 결합 고리가 파괴되면서 저분자 유기물질로 전환됨에 따라, 유기물질들의 생분해도가 향상되고, 그로 인해 혐기성 소화조(150)는 유입되는 유기성 폐기물의 성상에 영향받지 않고, 빠르고 효율 높은 소화를 수행할 수 있다.
그로부터, 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물 혐기성 소화 시스템(100)은 혐기성 소화조(150)의 체류시간을 일반적인 혐기성 소화 대비 30% 이상 단축시킬 수 있다. 또한, 시스템(100)의 바이오가스 발생량도 일반 혐기성 소화 시스템(전처리 미포함) 대비 20~40% 이상 증가할 수 있다.
나아가, 시스템(100)은 소화탈리액 처리장치(180)를 더 포함하여 열가수분해 장치(130) 및 혐기성 소화조(150)를 거치면서 발생된 고농도의 질소 성분을 포함한 탈리액을 처리함으로써, 반류수가 연계되는 하·폐수 처리장치(110)의 처리수질에 대한 탈리액의 영향을 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물 혐기성 소화 시스템에 연계된 하·폐수 처리장치(110)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하·폐수 처리장치(110)는 1차 침전지(210), 농축기(215), 생물 반응조(220a), 2차 침전지(230), 탈수기(235), 3차 처리조(240) 및 여액 처리장치(250)를 포함한다.
1차 침전지(210)는 하·폐수를 유입받아 중력의 작용으로 하·폐수 속의 고형물을 침전 및 농축시킨다. 1차 침전지(210)는 상등수와 1차 슬러지(생 슬러지)로 분리하여 상등수는 생물 반응조(220a)로, 1차 슬러지는 농축기(215)로 배출한다.
농축기(215)는 1차 침전지(210)의 1차 슬러지를 유입받아 기계적으로 농축하여 농축 슬러지와 농축여액을 생성한다. 농축기(215)는 농축 슬러지를 혐기성 소화에 이용되도록 제1 저류조(140)로, 농축여액을 여액 처리장치(250)로 배출한다.
농축기(215)에서 농축된 농축 슬러지는 대략 4~5% 정도의 총 고형물 농도(Total Solid, TS)를 갖는다. 이러한 농축 슬러지는 제1 저류조(140)로 투입되어 열가수분해 장치(130)에서 배출된 열가수분해 반응물과 혼합되어 혐기성 소화조(150)에서 소화된다.
1차 침전지(210)에서 발생된 1차 슬러지(생슬러지)는 2차 및 3차 슬러지(잉여슬러지 및 총인슬러지)보다 상대적으로 분해성이 좋기 때문에, 열가수분해 등의 전처리 없이 바로 혐기성 소화에 적용될 수 있다. 따라서, 1차 슬러지와 2차 및 3차 슬러지가 혼합되어 열가수분해 장치(130)에서 처리되는 것은, 열가수분해 장치(130)의 처리 용량을 불필요하게 증가시키는 결과를 초래할 수 있다.
생물 반응조(220a)는 미생물을 포함하여, 1차 침전지(210)의 상등수를 유입받아 하·폐수 내의 유기물 및 질소, 인 등을 제거하고, 2차 침전지(230)로 처리수를 배출한다.
2차 침전지(230)는 생물 반응조(220a)의 처리수를 유입받아 고형물을 침전 및 농축시킨다. 2차 침전지(230)는 2차 슬러지(잉여슬러지)와 상등수로 분리하여, 상등수는 3차 처리조(240)로, 2차 슬러지는 탈수기(235)로 배출한다.
탈수기(235)는 2차 침전지(230)에서 배출된 2차 슬러지를 공급받는다. 탈수기(235)는 유기성 폐기물의 수분을 제거하여 탈수된 케익과 탈리액으로 분리하고, 케익은 케익 저장조(120)로, 탈리액은 여액 처리장치(250)로 배출한다.
탈수기(235)는 기계적 탈수기이며, 일 예로 원심 탈수기일 수 있다. 탈수기(235)에서 탈수된 유기성 폐기물(슬러지)은 대략 80% 내외의 함수율을 갖는다. 탈수기(235)에서 탈수된 유기성 폐기물은 열가수분해 장치(130)로 공급되어, 가용화(열가수분해)된다.
3차 처리조(240)는 2차 침전지(230)의 상등수를 공급받아 전단(1차 침전지, 생물 반응조 및 2차 침전지)에서 제거되지 않은 나머지 오염물질을 제거하기 위한 후처리를 수행하고, 처리수를 최종 방류한다.
3차 처리조(240)의 후처리는 필요에 따라 총인 처리 등이 적용될 수 있으며, 총인 처리과정에서 발생되는 슬러지는 탈수기(235)로 배출되어 2차 슬러지와 함께 탈수된다.
여액 처리장치(250)는 농축기(215)에서 배출되는 농축여액과, 탈수기(235)에서 배출되는 탈수여액을 공급받아 고형물 제거 등의 후처리를 수행한다.
여액 처리장치(250)는 부상분리 장치(미도시)일 수 있으며, 필요에 따라 농축여액과 탈수여액을 일시적으로 저류하는 저류조(미도시)를 더 포함할 수 있다.
부상분리 장치(미도시)는 여액을 공급받아 여액 내 포함된 입자성 물질들을 제거하여, 처리수를 1차 침전조(210)의 전단으로 반류한다. 또한, 제거된 입자성 물질은 슬러지의 형태로 제2 저류조(160)로 배출되며, 후단에서 소화슬러지와 혼합되어 탈수 처리된다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하·폐수 처리장치(110)를 도시한 도면이다.
도 2b를 참조하면, 하·폐수 처리장치(110)는 생물 반응조(220b) 및 3차 처리조(240)만을 포함할 수 있다.
이 때, 생물 반응조(220b)는 생물학적 처리방식에 따라, 전단의 침전 처리 없이 하·폐수 중의 고형물, 유기물 및 질소, 인 등을 제거할 수 있다. 생물 반응조(220b)는 하·폐수를 처리수와 잉여 슬러지로 분리하여 처리수는 3차 처리조(240)로, 잉여 슬러지는 탈수기(235)로 배출한다.
일 예로, 생물 반응조(220b)가 연속 회분식 반응기(Sequencing Batch Reactor, SBR)이거나 멤브레인 생물 반응기(Membrane Bioreactor, MBR)인 경우, 생물 반응조(220b)는 그 전단 및 후단에 침전조를 포함하지 않을 수 있다. 이 때, 생물 반응조(220b)에서 잉여 슬러지가 발생되어 탈수기(235)로 배출된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치(130)의 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 장치(130)는 예열조(310), 이송 펌프(315), 복수의 열가수분해 반응기(320), 감압탱크(330), 스팀 정제조(340), 열교환기(350) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
예열조(310)는 처리될 유기성 폐기물을 케익 저장조(120)로부터 유입받아 예열시킨다. 후술할 열가수분해 반응기(320)는 상대적으로 고온 및 고압의 조건에서 유기성 폐기물을 가수분해한다. 이에, 상대적으로 많은 열 에너지가 소비되어야 하는데, 이를 방지하기 위해, 처리과정 상에서 열가수분해 반응기(320)의 전단에 예열조(310)가 배치되어, 가수분해될 유기성 폐기물을 예열한다.
예열조(310)는 별도의 열원으로부터 열 에너지(주로, 스팀 형태)를 인가받는 것이 아니라, 후술할 감압탱크(330)에서 분리된 기체 성분들을 유입받는다. 감압탱크(330)에서 분리된 기체 성분들은 일정한 온도를 갖는다. 감압탱크(330)에서 분리된 기체 성분들이 외부로 배출(Vent)되는 것보다는 예열조(310)로 반송되어 예열에 이용되도록 한다. 이에 따라, 예열조(310)는 별도의 열원으로부터 열 에너지를 인가받을 필요없이, 감압탱크(330)에서 분리된 기체 성분에 의해 유입되는 유기성 폐기물을 예열시킬 수 있어 에너지 소비를 최소화할 수 있다.
이송 펌프(315)는 케익 저장조(120)에 저류된 유기성 폐기물을 예열조(310)로 이송한다. 이송 펌프(315)는 케익 저장조(120)로부터 유기성 폐기물을 일정하게 예열조(310)로 이송하기 위해, 제어부(미도시)에 의해 열가수분해 장치(130)의 동작 순서와 연동되어 제어된다.
열가수분해 반응기(320)는 예열조(310)로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 열가수분해한다. 열가수분해 반응기(320)는 유기성 폐기물을 열가수분해함으로써, 후단의 혐기성 소화조(150)에서 메탄생성균을 이용한 유기물 분해율을 증가시킨다.
열가수분해 반응기(320)는 도 4에 도시된 바와 같이 동작한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열가수분해 반응기(320)의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 먼저, 열가수분해 반응기(320)로 예열된 유기성 폐기물이 투입된다. 유기성 폐기물이 투입되면, 열가수분해 반응기(320)에서 열가수분해 반응이 일어날 수 있도록 기 설정된 환경이 조성되어야 한다. 기 설정된 환경은 1 내지 23bar, 보다 구체적으로 5 내지 20 bar 내외의 압력 하에서, 100 내지 220℃, 보다 구체적으로는 유기성 폐기물의 분해능 향상을 위해 160 내지 200℃의 온도를 갖는 환경일 수 있다. 이때, 열가수분해 반응기(320)가 기 설정된 온도 환경을 확보할 수 있도록 외부 열원으로부터 열 에너지(스팀)가 인가된다. 기 설정된 환경, 특히, 충분한 승온이 일어나 온도 조건이 갖추어지면, 열가수분해 반응기(320) 내에서 열가수분해 반응이 일어난다. 열가수분해 반응은 기 설정된 시간(예를 들어, 수십 분)동안 진행되며, 반응이 완료된 후 생성물 중 기체 성분 일부는 스팀 정제조(340)로, 나머지 모든 성분은 감압탱크(330)로 배출된다. 열가수분해 반응기(320)는 이처럼 동작하며 유기성 폐기물을 열가수분해한다.
다시 도 3을 참조하면, 열가수분해 반응기(320)는 복수 개로 구현될 수 있다. 어느 하나의 열가수분해 반응기(320)에서 열가수분해 반응이 완료된 후 생성물 중 기체 성분 일부는 스팀 정제조(340)로 배출된다. 전술한 대로, 감압탱크(330)에서 분리된 기체 성분은 예열조(310)로 유입되는 한편, 후술할 스팀 정제조(340)에서도 감압탱크(330)와 유사하게, 기체 성분(스팀) 내 포함되어 있을 수 있는 액체 성분을 분리한다. 스팀 정제조(340)에서 분리된 기체 성분은 다른 열가수분해 반응기(320)로 유입되어 열가수분해를 위한 온도 조성을 보조한다. 이는 복수의 열가수분해 반응기(320a 내지 320d)들이 각각 도 5에 도시된 바와 같이 동작하기에 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 열가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
각 열가수분해 반응기(320a 내지 320d)는 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 동작하되, 서로 시간 차를 두고 동작을 수행한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 열가수분해 반응기(320a)가 유기성 폐기물을 예열조(310)로부터 유입받아 승온을 하고 있는 과정에 진입하였을 경우, 비로소, 열가수분해 반응기(320b)는 유기성 폐기물을 예열조(310)로부터 유입받기 시작할 수 있다. 열가수분해 반응기(320c)는 열가수분해 반응기(320a)가 유기성 폐기물을 열가수분해하기 시작할 시점에 유기성 폐기물을 예열조(310)로부터 유입받기 시작할 수 있으며, 열가수분해 반응기(320d)는 반응이 완료된 생성물을 외부로 배출하는 시점에 유기성 폐기물을 예열조(310)로부터 유입받기 시작할 수 있다. 이처럼 동작할 경우, 전술한 대로, 어느 하나의 열가수분해 반응기(320)에서 배출되어 정제된 기체 성분(스팀)은 승온 중인 다른 하나의 열가수분해 반응기로 유입됨으로서, 승온을 위해 필요한 열 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 이처럼 열가수분해 반응기(320)는 열가수분해 반응을 위해 필요한 열량 중 일부를 다른 열가수분해 반응기(320)에서 생성된 기체 성분으로부터 확보할 수 있어, 버려지는 에너지를 최소화하고 승온을 위한 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.
열가수분해 반응기(320)는 내부에 압력 센서를 포함하여, 제어부(미도시)의 제어에 따라 열가수분해 반응에 의한 생성물 중 기체 성분 일부를 스팀 정제조(340)로 분리 배출한다. 열가수분해 반응기(320)는 반응기 내부의 압력을 센싱하여, 감압탱크(330)에서 분리되어 예열조(310)로 반송됨으로써 예열조(310)를 예열시키는 데 충분한 양을 제외한 나머지 기체 성분은 모두 스팀 정제조(340)로 분리 배출한다. 열가수분해 반응기(320)는 압력 센싱을 수행함으로써, 정확히 예열에 필요한 양 이외의 나머지는 스팀 정제조(340)로 배출하여 다른 열가수분해 반응기를 승온시킬 수 있도록 한다. 종래에는 전량 감압탱크(330)로 배출되었으며, 기체 성분이 예열조로 모두 반송되어 예열에 사용된다 하더라도 예열에 필요한 양 이상이 반송되었기에 예열에 사용된 나머지 기체 성분은 모두 배출되어 버려졌다.
또는, 열가수분해 반응기(320)는 내부 압력을 센싱하여 반응기 내 비정상적으로 과도하게 기체 성분들이 많아지거나 외부에서 스팀이 과도하게 투입되었는지를 센싱한다. 반응기 내에 기체 성분으로 인한 압력이 기 설정된 기준치 이상인 경우, 열가수분해 반응기(320)는 제어부(미도시)의 제어에 따라, 압력이 기준치 이하가 될 때까지 기체 성분을 모두 스팀 정제조(340)로 배출한다. 열가수분해 반응기(320)는 일정량의 기체 성분을 스팀 정제조(340)로 배출함으로써, 열가수분해 반응기의 폭발 위험을 방지하고, 열을 회수하여 다른 열가수분해 반응기의 가열에도 이용할 수 있다.
감압탱크(330)는 열가수분해 반응기(320) 내에서 열가수분해 반응이 완료되어 생성된 생성물 대부분을 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리시킨다. 열가수분해 반응으로 생성된 생성물 중 액체 성분만이 혐기성 소화가 수행될 성분에 해당하며, 기체 성분은 혐기성 소화와 무관한 성분에 해당한다. 따라서, 해당 성분을 분리하여 예열에 이용할 수 있도록, 감압탱크(330)는 생성물로부터 기체 성분과 액체 성분을 분리한다. 감압탱크(330)는 열가수분해 반응기(320)로부터 상대적으로 낮은 압력을 갖는다. 감압에 의해 생성물들의 온도는 하강하게 되어, 끓는 점이 (감압탱크 내 온도보다) 낮은 성분들은 기체 상태를 유지하되, 끓는 점이 (감압탱크 내 온도보다) 높은 성분들은 액체 성분으로 액화된다. 이처럼, 감압탱크(330)는 열가수분해 반응기(320)와 압력 차이를 발생시켜, 일정한 성분들을 액체 상태로, 나머지 성분들을 기체 상태로 만든다. 감압탱크(330)는 분리된 기체 성분은 예열조(310)로 반송하고, 액체 성분은 후처리를 위하여 열교환기(350)를 거쳐 제1 저류조(140)로 전송한다.
스팀 정제조(340)는 열가수분해 반응기(320)에서 배출되는 기체 성분 중 일부를 유입받아 액체 성분을 정제한다. 열가수분해 반응기(320)는 상대적으로 높은 압력을 갖는 상태이기 때문에, 반응기(320)에서 기체 성분만이 배출된다 하더라도 배출된 후에 액체 성분이 모두 생성되거나, 높은 압력에서 기체 성분이 배출되면서 액체 성분이 동반하여 배출될 수 있다. 이에, 스팀 정제조(340)는 기체 성분과 액체 성분을 각각 분리하여, 액체 성분은 감압탱크(330)로, 기체 성분은 예열된 유기성 폐기물이 유입될 다른 열가수분해 반응기로 전송한다. 스팀 정제조(340)가 생성물로부터 기체 성분과 액체 성분을 분리하는 것은 다음과 같다.
열가수분해 반응기(320)에서 생성된 생성물 중 액체 성분은 이미 열가수분해 반응을 마친 성분에 해당한다. 이와 같은 액체 성분이 다시 열가수분해 반응기로 투입되어 열가수분해 반응을 거치게 될 경우, 비효율에 해당하며 에너지 소비 측면에서도 낭비에 해당한다. 또한, 유기성 폐기물은 예열조(310)로부터 특정 열가수분해 반응기(320)로 투입됨에 있어, 열가수분해 반응기(320)에서 열가수분해 반응이 원활히 이뤄질 수 있도록 하는 적정량이 투입된다. 이때, 다른 열가수분해 반응기에서 생성된 생성물 중 액체 성분이 해당 열가수분해 반응기로 유입될 경우, 적정량 이상이 해당 열가수분해 반응기에 유입되게 된다. 이는 비효율적인 열가수분해 반응을 불러일으키며, 적정량 이상의 열 에너지를 소비하게 하는 원인이 된다. 이러한 문제들을 방지하기 위해, 스팀 정제조(340)는 열가수분해 반응기(320)에서 배출되는 생성물 내에서 액체 성분과 기체 성분을 분리하여 각각을 서로 다른 구성으로 이송한다.
스팀 정제조(340)는 기체 성분과 액체 성분을 분리할 수 있다면, 어떠한 형태나 구조로 구현되어도 무방하다.
열교환기(350)는 감압탱크(330)에서 배출되는 액체 성분의 온도를 낮추어, 후단에 적용되는 혐기성 소화조(150)의 온도를 기 설정된 운전온도까지 조절한다.
열교환기(350)는 냉각수를 순환시켜 고온의 액체 성분과 열교환함으로써, 액체 성분의 온도를 낮춘다. 감압탱크(330)에서 배출되는 액체 성분의 온도는 약 100℃ 수준이므로, 열교환기(350)는 액체 성분의 온도를 혐기성 소화조(150)의 적정 온도범위, 예를 들어, 40℃ 정도까지 낮춘 후, 제1 저류조(140)로 액체 성분을 공급한다.
한편, 고온의 액체 성분과의 열교환 작용에 의해 승온된 냉각수는, 열가수분해 반응기(320)로 열 에너지(스팀)를 공급하기 위한 외부 열원(보일러)으로 회수될 수 있다. 즉, 승온된 냉각수가 스팀 생성용 보일러 용수에 합류됨으로써, 스팀 발생을 위해 소비하는 에너지가 절감된다.
또한, 열교환기(350)에서 배출되는, 승온된 냉각수는 혐기성 소화조(150)의 가온을 위한 보일러(미도시) 급수용수에 합류될 수도 있다. 이 경우, 혐기성 소화조(150)의 가온에 필요한 에너지 소비량이 절감된다. 마찬가지로, 승온된 냉각수는 후술할 아나목스 반응조(1350)의 기 설정된 운전온도의 유지를 위한 열교환수로서 재순환될 수도 있다.
이와 같이, 열가수분해 장치(130)에서 발생하는 열 에너지는, 시스템(100) 내에서 다양한 방식으로 회수될 수 있다. 따라서, 열가수분해 장치(130)에서 발생되는 열 에너지들이 모두 재이용됨으로써, 시스템(100)의 에너지 소비효율이 개선된다.
제어부(미도시)는 열가수분해 장치(130) 내 각 구성의 동작을 제어한다.
제어부(미도시)는 예열조(310)로 처리되어야 할 유기성 폐기물이 유입되도록 이송 펌프(315)를 제어한다. 이를 위하여, 예열조(310)는 수위계를 포함할 수 있고, 제어부(미도시)는 예열조(310)의 수위가 기 설정된 수위 이하이면 케익 저장조(120)의 폐기물을 예열조(310)로 투입하고, 기 설정된 수위 이상이면 폐기물 투입을 중단하도록 제어한다.
제어부(미도시)는 유기성 폐기물을 예열시키기 위해 감압탱크(330)에서 분리된 기체 성분을 예열조(310)로 반송하도록 감압탱크(330)를 제어할 수 있다.
제어부(미도시)는 예열조(310)에서 예열된 유기성 폐기물이 열가수분해 반응기(예를 들어, 320a)로 이송되도록 제어한다. 이송된 후, 제어부(미도시)는 열가수분해 반응기(320a)에서 열가수분해 반응이 일어날 수 있도록, 외부 열원으로부터 스팀과 다른 열가수분해 반응기(예를 들어, 320c)에서의 생성물로부터 분리된 기체 성분(스팀)을 열가수분해 반응기(320a)로 유입시킨다. 이에 따라, 열가수분해 반응기(320a)에서 열가수분해 반응이 일어난다.
이때, 제어부(미도시)는 열가수분해 반응기(320a) 내 압력이 기 설정된 기준치 이하인지 여부를 판단한다. 열가수분해 반응기(320a) 내 압력이 기 설정된 기준치 이하인 경우라면, 열가수분해 반응이 이상없이 진행되고 있는 상황에 해당한다. 반면, 열가수분해 반응기(320a) 내 압력이 기 설정된 기준치를 초과할 경우, 비정상적으로 기체 성분들이 많아지거나 외부에서 스팀이 과도하게 투입되어 반응기(320)에 이상이 발생할 수도 있는 상황에 해당한다. 이에 따라, 제어부(미도시)는 압력이 기 설정된 기준치 이하가 될 때까지 기체 성분을 스팀 정제조(340)로 배출시킨다. 이에 따라, 제어부(미도시)는 열가수분해 반응기(320a) 내 이상을 해소한다.
열가수분해 반응기(320a) 내에서 열가수분해 반응이 기 설정된 시간 동안 진행된 경우, 제어부(미도시)는 기체 성분 일부를 스팀 정제조(340)로, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(330)로 배출한다. 이때, 기체 성분을 배출함에 있어서, 제어부(미도시)는 감압탱크(330)에서 분리되어 예열조(310)에서 유기성 폐기물을 예열시키기에 충분한 양 이외에는 모두 스팀 정제조(340)로 배출시킨다. 이에 따라, 예열에 필요한 기체 성분 외에 나머지 기체 성분은 외부로 배출됨 없이 모두 다른 열가수분해 반응기를 가열하는데 사용될 수 있어 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
제어부(미도시)는 감압탱크(330)가 기체 성분과 액체 성분을 분리하도록 제어하고, 기체 성분을 예열조(310)로, 액체 성분을 혐기성 소화를 위해 열교환기(350)로 배출하도록 제어한다.
이와 동시에, 나머지 열가수분해 반응기(320b 내지 320d)도 순서에 따라 동작하도록 병렬적으로 제어한다. 제어부(미도시)가 각 열가수분해 반응기들의 동작을 제어하는 과정은 도 6 내지 11을 참조하여 후술한다.
제어부(미도시)가 이와 같이 각 구성들을 제어함에 따라, 버려지는 열 에너지원 없이 최대한 열 에너지원을 재활용함으로써, 외부 열원으로부터 인가되는 열 에너지를 최소화할 수 있다.
도 6 내지 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 동작 순서를 도시한 도면이다. 도 6 내지 11에 열가수분해 장치(130)가 유기성 폐기물이 유입받아 처리하는 과정을 상세히 도시하였다.
도 6을 참조하면, 제어부(미도시)의 제어에 따라, 예열조(310)로 (최초로) 유기성 폐기물이 유입되어 예열된다.
도 7을 참조하면, 예열된 유기성 폐기물은 일 열가수분해 반응기(320a)로 유입되며 외부 열원에서 열 에너지(스팀 형태)를 (최초로) 인가받아 승온한다.
도 8을 참조하면, 열가수분해 반응기(320a)에 특별한 이상이 발생하지 않을 경우, 열가수분해 반응기(320a)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 감압탱크(330)에서 분리되어 예열조(310)에서 유기성 폐기물을 예열시키기에 충분한 양 이외의 나머지 기체성분은 스팀 정제조(340)로, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(330)로 배출한다. 열가수분해 반응기(320a) 내부 압력이 기 설정된 기준치를 초과하는 경우, 내부 압력이 기 설정된 기준치 이하로 내려갈 때까지, 열가수분해 반응기(320a)는 기체 성분을 스팀 정제조(340)로 배출하고 나머지 모든 생성물은 감압탱크(330)로 배출한다
도 9를 참조하면, 예열조(310)는, 유기성 폐기물이 유입되고, 감압탱크(330)에서 반송된 기체 성분에 의해 예열되며, 예열된 유기성 폐기물은 열가수분해 반응기(320c)로 유입된다.
도 10을 참조하면, 스팀 정제조(340)에서 분리된 액체성분은 감압탱크(330)로, 기체 성분은 열가수분해 반응기(320c)로 유입된다, 이와 함께 외부 열원으로부터 열 에너지(스팀 형태)가 인가되어 열가수분해 반응기(320c)가 승온하게 된다.
이때, 열가수분해 반응기(320c)로 기체 성분과 열 에너지가 인가됨에 있어, 기체 성분이 우선적으로 모두 인가되고 그 후에 외부 열원으로부터 에너지가 인가된다. 열 에너지를 열가수분해 반응기로 인가하는 외부 열원은 상대적으로 상당히 고압을 갖는다. 한편, 스팀 정제조(340)는 상대적으로 상당히 낮은 압력을 갖는다. 이에 따라, 양자가 동시에 열가수분해 반응기(320c)로 인가될 경우, 압력 차이로 인해 스팀 정제조(340)에서 기체 성분이 온전히 열가수분해 반응기(320c)로 인가되지 못하는 문제가 발생하게 된다. 심지어, 외부에서 열가수분해 반응기(320c)로 인가된 열 에너지(스팀)이 오히려 스팀 정제조(340) 쪽으로 배출되는 문제가 발생할 수도 있다. 이를 방지하기 위해, 스팀 정제조(340)에서 우선적으로 열가수분해 반응기(320c)로 기체 성분을 인가하고, 그 후에 외부 열원에서 열 에너지(스팀)를 열가수분해 반응기(320c)로 인가한다. 이에 따라, 온전히 모든 성분이 열가수분해 반응기로 인가될 수 있다.
도 11을 참조하면, 감압탱크(330)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 분리한 액체성분을 열교환기(350)로 전송하고, 분리한 기체 성분을 예열조(310)로 반송하여 예열에 필요한 열 에너지를 제공한다.
스팀 정제조(340)에서 분리된 기체 성분이 열가수분해 반응기(320c)로 유입됨에 따라, 외부 열원에서 인가되는 열 에너지량이 기체 성분만큼 감소할 수 있다. 이처럼 승온된 열가수분해 반응기(320c)에서 열가수분해 반응이 진행되며, 다시 도 8 내지 11의 과정이 반복되어 처리될 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열가수분해 장치를 도시한 것이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열가수분해 장치(130)는 이젝터(1210)를 더 포함할 수 있다.
이젝터(1210)는 스팀 정제조(340) 및 외부 열원으로부터 열가수분해 반응기(320)의 승온을 위해 인가되는 열 에너지(스팀 형태)를 특정 열가수분해 반응기(320)로 공급하는 열 에너지 공급 경로 상에 구비된다.
이젝터(1210)는 압력차와 무관하게 스팀 정제조(340)에서 분리된 기체 성분과 외부 열원에서 인가되는 열 에너지를 특정 열가수분해 반응기(320)로 동시에 주입시킨다.
전술한 바와 같이, 외부 열원은 상대적으로 상당히 고압을 갖는다. 한편, 스팀 정제조(340)는 상대적을 상당히 낮은 압력을 갖는다. 이에 따라, 양자가 동시에 열가수분해 반응기(320)로 인가될 경우, 압력 차이로 인해 스팀 정제조(340)에서 기체 성분이 온전히 열가수분해 반응기(320)로 인가되지 못할 수 있고, 오히려 외부 열원에서 인가된 열 에너지가 스팀 정제조(340)로 배출되는 문제도 발생할 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 이젝터(1210)는 외부 열원에서 열 에너지를 인가하는 경로와 스팀 정제조(340)에서 기체 성분을 반응기(320)로 인가하는 경로가 합류되는 지점에 배치된다.
이젝터(1210)는 각 경로로 제공되는 스팀과 기체 성분을 인가받되, 압력차와 무관하게 각 성분들이 열가수분해 반응기(320)로 인가될 수 있도록 한다. 나아가, 이젝터(1210)는 외부 열원에서 스팀이 분사되는 압력에 따라 함께 스팀 정제조(340)로부터 배출되는 기체 성분이 열가수분해 반응기(320)로 인가될 수 있도록 한다. 이에 이젝터(1210)는 열가수분해 반응기(320)로부터 기체 성분이 스팀 정제조(340)로 배출되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 스팀 정제조(340)의 기체 성분 배출 속도까지 향상시킬 수 있다.
이젝터(1210)를 포함하는 경우, 전술된 도 10에서의 열가수분해 장치(130)의 동작은 다음과 같다.
스팀 정제조(340)에서 분리된 액체 성분은 감압탱크(330)로, 기체 성분은 열가수분해 반응기(320c)로 유입된다. 이와 함께 외부 열원으로부터 스팀이 인가되어 열가수분해 반응기(320c)가 승온하게 된다.
이젝터(1210)가 외부 열원의 공급 경로와 스팀 정제조(340)의 기체 성분 공급 경로의 합류 지점에 위치하기 때문에, 기체 성분과 외부로부터 공급되는 스팀은 순서와 무관하게 생성되는 대로 열가수분해 반응기(320c)로 주입될 수 있다. 또한, 이젝터(1210)에 의해, 보다 신속하게 기체 성분이 열가수분해 반응기(320c)로 공급되어, 반응기의 승온속도가 상승된다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 소화탈리액 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 소화탈리액 처리장치(180)는 유량조정조(1310), 부분 아질산화 반응조(1320), AOB 그래뉼 생성조(1330), 중간저장조(1340) 및 아나목스 반응조(1350)를 포함한다.
유량조정조(1310)는 소화슬러지 탈수기(170)에서 배출되는 소화탈리액을 공급받아, 부분 아질산화 반응조(1320)로 투입되기 전까지 저류한다.
부분 아질산화 반응조(1320)는 유량조정조(1310)로부터 소화탈리액을 공급받아, 탈리액에 포함된 암모니아성 질소의 일부(대략 절반)를 아질산성 질소로 산화시킨다. 부분 아질산화 반응조(1320)는 암모늄 산화 박테리아(AOB: Ammonium Oxidation Bacteria) 그래뉼을 이용하여 반응조의 처리효율을 향상시키고 체류시간을 단축한다.
부분 아질산화 반응조(1320)에서는 AOB가 우점화되어 아질산화가 이루어진다. 부분 아질산화 반응조(1320)의 처리수는 중간저장조(1340)로 배출되고, 부분 아질산화 반응조(1320) 내의 침전성이 불량한 슬러지는 AOB 그래뉼 생성조(1330)으로 이송된다.
AOB 그래뉼 생성조(1330)는 부분 아질산화 반응조(1320)에서 침전성이 불량한 슬러지를 공급받아 AOB 그래뉼을 생성하고, 이를 다시 부분 아질산화 반응조(1320)로 공급한다. 이와 같은 과정들이 반복적으로 수행됨으로써, 부분 아질산화 반응조(1320)는 그래뉼 유지 및 안정적인 부분 아질산화를 수행할 수 있다.
AOB 그래뉼 생성조(1330)는 효과적으로 그래뉼을 생성하기 위해, 에어 리프트 형태 반응기(미도시)를 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
중간저장조(1340)는 부분 아질산화 반응조(1320)의 처리수를 공급받아, 아나목스 반응조(1350)로 공급되기 전까지 일시적으로 저류한다.
중간저장조(1340)는 회분식으로 운전되는 부분 아질산화 반응조(1320)로부터 배출되는 처리수를 저류하고, 후단의 연속 흐름식으로 운전되는 아나목스 반응조(1350)의 흐름에 대응하여 아질산화된 처리수를 공급한다.
중간저장조(1340)는 부분 아질산화 반응조(1320)의 처리수를 저류하는 과정에서 처리수 중의 고형물이 침전됨에 따라 슬러지를 형성할 수 있다. 중간저장조(1340)에서 형성된 슬러지는 제2 저류조(160)로 다시 회수시킨다.
아나목스 반응조(1350)는 중간저장조(1340)로부터 부분 아질산화된 처리수를 유입받아 질소를 제거하고, 처리수를 하·폐수 처리장치(110)로 반류시킨다.
아나목스 반응조(1350)는 내부에 혐기성 암모늄 산화 박테리아(AnAOB: Anaerobic Ammonium Oxidizing Bacteria)를 보유하며, 혐기성 암모늄 산화 박테리아는 아질산염을 전자수용체로 이용하여 처리수 중의 암모니아를 질소가스로 전환함으로써 질소를 제거한다. 이와 관련된 화학식은 다음과 같다.
1.0NH4 + + 1.32NO2 - + 0.066HCO3 - + 0.13H+
→ 1.02N2 + 0.26NO3 - + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O
아나목스 반응조(1350)는 완전혼합형 유동상 부착식 반응기(미도시)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
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: 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물 혐기성 소화 시스템
110: 하·폐수 처리장치
120: 케익 저장조
130: 열가수분해 장치
140: 제1 저류조
150: 혐기성 소화조
160: 제2 저류조
170: 소화슬러지 탈수기
180: 소화탈리액 처리장치
210: 1차 침전지
215: 농축기
220a, 220b: 생물 반응조
230: 2차 침전지
235: 탈수기
240: 3차 처리조
250: 여액 처리장치
310: 예열조
315: 이송 펌프
320: 열가수분해 반응기
330: 감압탱크
340: 스팀 정제조
350: 열교환기
1210: 이젝터
1310: 유량조정조
1320: 부분 아질산화 반응조
1330: AOB 그래뉼 생성조
1340: 중간저장조
1350: 아나목스 반응조
110: 하·폐수 처리장치
120: 케익 저장조
130: 열가수분해 장치
140: 제1 저류조
150: 혐기성 소화조
160: 제2 저류조
170: 소화슬러지 탈수기
180: 소화탈리액 처리장치
210: 1차 침전지
215: 농축기
220a, 220b: 생물 반응조
230: 2차 침전지
235: 탈수기
240: 3차 처리조
250: 여액 처리장치
310: 예열조
315: 이송 펌프
320: 열가수분해 반응기
330: 감압탱크
340: 스팀 정제조
350: 열교환기
1210: 이젝터
1310: 유량조정조
1320: 부분 아질산화 반응조
1330: AOB 그래뉼 생성조
1340: 중간저장조
1350: 아나목스 반응조
Claims (12)
- 유기성 폐기물을 유입받아 열가수분해 시키는 열가수분해 장치;
상기 열가수분해 장치로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 저류하는 제1 저류조;
상기 제1 저류조의 액체 성분을 유입받아 유기물을 소화시키고, 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화조; 및
상기 혐기성 소화조에서 배출되는 소화슬러지를 기계적으로 탈수하는 탈수기를 포함하되,
상기 열가수분해 장치는,
유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열조;
상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열가수분해하는 복수의 열가수분해 반응기;
각 열가수분해 반응기에서 열가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 배출하는 감압탱크;
어느 하나의 열가수분해 반응기에서 열가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 다른 열가수분해 반응기로, 액체 성분을 상기 감압탱크로 배출하는 스팀 정제조;
상기 감압탱크에서 배출되는 액체 성분을 유입받아 기 설정된 온도로 냉각시킨 후, 제1 저류조로 공급하는 열교환기; 및
상기 열가수분해 장치 내의 각 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
각 열가수분해 반응기는 서로 동일한 과정을 거치며 유기성 폐기물을 열가수분해하되, 시간차를 두고 서로 다른 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 제어부는,
어느 하나의 열가수분해 반응기 내 기체 성분으로 인한 압력이 기 설정된 기준치 이상인 경우, 상기 스팀 정제조로 기체 성분의 일부를 배출하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 기 설정된 환경은,
1 내지 23 bar의 압력과 100 내지 220℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템. - 제1항에 있어서,
외부에서 유입되는 스팀과 상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분을 어느 하나의 열가수분해 반응기로 주입시키는 이젝터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열교환기는,
상기 열가수분해된 액체 성분을 냉각시킴에 따라 발생되는 승온된 냉각수를 상기 열가수분해 장치에 스팀을 공급하는 보일러로 합류시키거나, 상기 혐기성 소화조를 가온시키는 보일러의 급수용수에 합류시켜 에너지 소비량을 절감시키는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템은,
소화탈리액 처리장치를 더 포함하여, 상기 탈수기에서 발생되는 소화 탈리액을 유입받아 탈리액에 함유된 질소 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 소화탈리액 처리장치는,
상기 소화 탈리액을 유입받아 부분 아질산화를 수행하는 부분 아질산화 반응조;
부분 아질산화 반응조에 존재하는 침강성이 저하된 슬러지를 유입받아 암모늄 산화 박테리아(AOB) 그래뉼을 생성하는 AOB 그래뉼 생성조;
부분 아질산화 반응조의 처리수를 유입받아 저류하면서, 처리수로부터 고형물을 침전 제거하는 중간저장조; 및
상기 중간저장조로부터 처리수를 공급받아 혐기성 암모늄 산화(Anammox) 반응에 의해 질소 성분을 제거하는 아나목스(Anammox) 반응조를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열가수분해 장치로 유입되는 유기성 폐기물은 하·폐수 처리장치로부터 배출되는 것인, 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 하·폐수 처리장치는,
하·폐수가 유입되어 슬러지를 생성하는 1차 침전조;
상기 1차 침전조의 상등수를 수용하여 생물학적으로 처리하는 생물 반응조;
상기 생물 반응조에서 유출된 처리수를 침전시켜 슬러지를 생성하고 상등수를 배출시키는 2차 침전조; 및
상기 2차 침전조에서 배출된 슬러지를 탈수하는 탈수기를 포함하고,
상기 열가수분해 장치로 유입되는 유기성 폐기물은 상기 2차 침전조에서 배출된 슬러지를 탈수한 것인, 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 하·폐수 처리장치는 농축기를 더 포함하고,
상기 농축기는 상기 1차 침전조에서 발생된 슬러지를 농축하여 상기 제1 저류조로 배출시킴으로써, 후단의 혐기성 소화에 사용되도록 하는 것을 특징으로 하는 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220101216A KR102505128B1 (ko) | 2022-08-12 | 2022-08-12 | 에너지 소비효율을 향상시킨 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템 |
| PCT/KR2022/018721 WO2024034743A1 (ko) | 2022-08-12 | 2022-11-24 | 에너지 소비효율을 향상시킨 열가수분해 장치가 결합된 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR (1) | KR102505128B1 (ko) |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR100943315B1 (ko) * | 2009-06-09 | 2010-02-19 | (주)정봉 | 열가수분해와 고온 혐기성 소화를 이용한 유기성 슬러지 처리장치 및 처리방법 |
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| KR101830902B1 (ko) * | 2017-02-23 | 2018-03-30 | 주식회사 부강테크 | 암모늄 산화 박테리아 그래뉼 생성조를 연계한 회분식 부분 아질산화 반응조 및 혐기성 암모늄 산화를 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치 |
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- 2022-08-12 KR KR1020220101216A patent/KR102505128B1/ko active
- 2022-11-24 WO PCT/KR2022/018721 patent/WO2024034743A1/ko unknown
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