KR102586400B1 - 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혐기성소화조에 최적 농도의 산소를 공급하여 소화가스에 포함된 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 활성화시킴에 있어서 산소가 유기성폐기물의 혐기성소화과정에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치는 유기성폐기물이 혐기성소화되는 공간을 제공하는 수평형 혐기성소화조; 및 상기 수평형 혐기성소화조의 상단 모서리부에 구비되며, 수평형 혐기성소화조와 공간적으로 구분되어 바이오가스의 이동 공간을 제공하는 바이오가스 이동경로; 상기 바이오가스 이동경로에 공기를 공급하는 공기공급장치; 및 상기 바이오가스 이동경로에 구비되어, 산소의 존재 하에 황산화미생물에 의한 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 유도하는 여재수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치{Anaerobic digesting apparatus available of removing hydrogen sulfide}
본 발명은 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 혐기성소화조에 최적 농도의 산소를 공급하여 소화가스에 포함된 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 활성화시킴에 있어서 산소가 유기성폐기물의 혐기성소화과정에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치에 관한 것이다.
가축분뇨, 인분뇨, 음식물, 하수슬러지 등과 같은 유기성폐기물에 대해 혐기성소화공정을 적용하면 메탄, 이산화탄소 등의 바이오가스를 부산물로 얻을 수 있는데 그 과정에서 황화수소(H2S) 가스도 발생된다.
바이오가스 중 황화수소의 농도는 원료 즉, 유기성폐기물의 성분 및 기질에 따라 상이하며, 수백 ppm에서 수천 ppm 까지 분포한다. 바이오가스는 대부분이 메탄(55∼65%), 이산화탄소(35∼45%)로 이루어져 있으며, 소량의 황화수소 외 질소, 산소 및 수소 성분을 포함하고 있기도 하다.
그 중에서도 황화수소는 대기 배출시 산업안전보건과 연관되어 특별한 규제가 있는 독성 가스이다. 다량을 호흡기로 흡입 시 시안화수소로 인해 질식을 일으키며 공기 중에 포함된 350ppm 정도의 황화수소에 장시간 노출 시 생명에 위협적이며, 500ppm 이상 시에는 냄새로 감지되지 않는 문제점이 있다. 황화수소 농도가 1,000ppm 이상의 조건에 노출될 경우, 수초 만에 생명에 치명적일 수 있다. 황화수소가 인간 신경계에 세포독성을 일으키는 것과 같이, 혐기소화를 위한 유기성폐기물 내에 최대 50mg/L 까지 용해된 황화수소는, 메탄생성 미생물의 대사를 방해하는 독성 요소로 작용된다. 또한, 높은 황화수소 농도는 메탄생성 미생물이 유기성폐기물을 이산화탄소와 메탄으로 분해시키는 것보다 더 빠르게 메탄농도 저하를 발생시킨다.
게다가, 황화수소는 물에 잘 용해되지 않는 금속성 황화물로부터 유래되는 미량원소와 함께 결합되어, 메탄생성 미생물의 기질 접근성을 차단해 결국에는 미량원소 결핍으로 유기물질의 분해율 저감을 초래하는 것으로 알려져 있다. 또한, 황화수소는 유기성폐기물 바이오가스화 시설에서 구조물, 기계 장치류 및 배관의 부식을 일으키는 주요한 요소이며, 메탄을 에너지로 활용하는 연소과정에서 아래 반응식 1과 같이 산화되어 산성인 이산화황(SO2)을 형성시키기 때문에 후단의 가스이용을 위해서는 수 ppm 이하로 반드시 제거가 필요하다.
(반응식 1) 2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O
바이오가스 내 황화수소 가스를 제거하는 방법에는 주로 화학적인 처리방법을 적용해 왔다. 첫 번째로, 철염을 이용한 방법이다. 이 방법은 원료조 등의 슬러리 저장조나, 고형물 투입장치 혹은 소화조에 직접적으로 소화기질에 철염을 첨가하는 방법이다. 후속의 가스 정제와 대조적으로, 황화수소는 철염이 첨가될 때, 소화조 내에 침전물 형태로 존재하게 된다. 형성된 황화수소는 거의 불용성인 황화철 형태로 직접적으로 철이온과 결합되며, 여전히 소화조 내 용액 상에 존재하게 된다. 이후, 고형물 배출과 함께 시스템으로부터 제거되는 것으로 황화수소 가스의 발생을 방지하게 된다.
아래 반응식 2 및 반응식 3과 같이, 2가 또는 3가의 철염은 모두 본질적으로 황화물 침전에 적정하게 사용될 수 있으며, FeCl2 및 FeCl3 용액의 첨가와, 수산화철 Fe(OH)2, Fe(OH3)의 첨가가 일반적으로 적용되어 왔다.
(반응식 2) Fe2+ + S2- → FeS↓
(반응식 3) 2Fe3+ + 3S2- → 2FeS↓ + S
두 번째로, 활성탄을 이용하여 바이오가스 내 황화수소를 제거할 수 있다. 바이오가스를 바이오메탄으로 고질화하여 도시가스 공급망으로 주입하는 경우에는 1ppm 이하의 낮은 황화수소 농도를 필요로 한다. 대개 이러한 황화수소 농도는 활성탄을 이용한 미세탈황방법으로 달성이 가능하다. 가장 일반적인 방법은 활성탄 필터를 사용하는 것으로, 황화수소는 활성탄 표면으로의 흡착과 뒤이어 일어나는 촉매산화에 의해 결합되어 황화수소 농도를 낮출 수 있게 되는 것이다. 지속적으로 발생되는 바이오가스 정제를 위해 활성탄을 적용하는 방법은 활성탄에 흡착 또는 흡수될 수 있는 양이 한계에 다다르는 경우에 결국 교체가 필요하며, 이렇게 사용된 활성탄은 결국 복잡한 공정으로 폐기되거나, 재생이 필요하다. 대부분의 경우에서 미세탈황 공정 적용 전에 철염 투입에 의한 탈황공정을 적용하여 활성탄 교체주기를 증가시킬 수 있으며, 높은 유지관리비를 감소시킬 수 있는 것으로 이용되고 있다.
상기의 방법 이외에도 화학적인 처리방법 중 염기성 약품을 이용한 습식 제거 방법, 파우더 형태의 산화철 흡착에 의한 건식 제거 방법 등이 있다.
그러나, 상술한 탈황방법은 별도의 철염 주입이 요구되거나 활성탄 공정이 필요하기 때문에 공정이 복잡해지는 단점이 있다.
한국등록특허공보 제1833867호(2018. 3. 5. 공고) 한국등록특허공보 제1532144호(2015. 6. 26. 공고) 한국등록특허공보 제1721542호(2017. 3. 30. 공고)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 황산화미생물을 이용하여 황화수소(H2S) 가스를 제거함에 있어서 혐기성소화조 내의 산소 농도를 최적 농도로 조절하여 황화수소(H2S)의 황산(H2SO4)으로의 변환을 억제함과 함께 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 활성화시킴으로써 혐기성소화조에서 생성된 바이오가스에 포함되어 있는 황화수소(H2S)를 효과적으로 제거할 수 있는 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 혐기성소화조에 최적 농도의 산소를 공급하여 소화가스에 포함된 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 활성화시킴에 있어서 산소가 유기성폐기물의 혐기성소화과정에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치는 유기성폐기물이 혐기성소화되는 공간을 제공하는 수평형 혐기성소화조; 및 상기 수평형 혐기성소화조의 상단 모서리부에 구비되며, 수평형 혐기성소화조와 공간적으로 구분되어 바이오가스의 이동 공간을 제공하는 바이오가스 이동경로; 상기 바이오가스 이동경로에 공기를 공급하는 공기공급장치; 및 상기 바이오가스 이동경로에 구비되어, 산소의 존재 하에 황산화미생물에 의한 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 유도하는 여재수단;을 포함하여 이루어지며, 직교하는 방향으로 결합된 수평부재와 수직부재가 수평형 혐기성소화조의 길이방향을 따라 연장된 형태로 배치되며, 수평부재의 일측은 수평형 혐기성소화조의 측면과 맞닿고 수직부재의 일측은 수평형 혐기성소화조의 천정면과 맞닿아, 수평부재와 수직부재의 조합에 의해 수평형 혐기성소화조로부터 공간적으로 구분되는 바이오가스 이동경로가 마련된다.
수평부재와 수직부재로 이루어지는 바이오가스 이동경로는 수평형 혐기성소화조의 전단부측에서 후단부측으로 연장된 형태를 이루며, 바이오가스 이동경로와 수평형 혐기성소화조의 상부 공간은 바이오가스 유입구를 통해 공간적으로 연결되며, 수평형 혐기성소화조의 상부에 위치한 바이오가스는 바이오가스 유입구를 통해 바이오가스 이동경로로 유입된다.
상기 여재수단은 황산화미생물의 서식 공간을 제공하는 여재층을 포함하며, 상기 여재층은 목재판과 부직포를 포함하여 이루어지며, 두 개의 목재판이 합지되어 바이오가스 이동경로의 내벽을 따라 일정 간격을 두고 배치되고, 두 개의 목재판 사이에 부직포가 개재되며, 상기 여재층은 수평부재의 상면 및 수직부재 그리고 수평형 혐기성소화조의 천정면 및 측면에 구비된다.
상기 여재수단은 생물학적 탈황장치를 포함하며, 바이오가스 이동경로의 수평부재 상에 생물학적 탈황장치가 구비되며, 상기 생물학적 탈황장치는 황산화미생물의 생장 공간을 제공하는 여재를 포함하여 구성되는 여재장치와, 여재장치의 장착 공간을 제공하는 여재프레임과, 바이오가스 이동경로를 정의하는 수평형 혐기성소화조의 천정면에 거치되는 거치대를 포함하여 구성되며, 상기 여재장치는 두 개의 판형 플레이트와, 두 개의 판형 플레이트 사이에 구비되는 여재로 구성되며, 상기 여재프레임은 복수의 직육면체 공간을 제공하는 격자틀 형태로 구성되며, 여재프레임 상에 길이방향을 따라 복수의 여재장치가 이격되어 장착되며, 수평형 혐기성소화조의 천정면에 개구부가 구비되며, 상기 거치대는 수평형 혐기성소화조의 개구부에 거치된다.
수평형 혐기성소화조 내의 황화수소(H2S) 농도를 측정하며, 측정된 황화수소(H2S) 정보를 제어장치로 전달하는 황화수소 농도 측정장치; 바이오가스 이동경로에 공기를 공급하는 공기주입장치; 황화수소 농도 측정장치에 의해 측정된 황화수소(H2S) 농도 정보에 근거하여 공기공급장치에 의해 공급되는 공기 공급량을 제어하는 제어장치;를 더 포함할 수 있다.
제어장치에 의해 제어되는 공기공급량은 황(S)의 생성을 촉진함과 함께 황산(H2SO4)의 생성을 억제하는 반응을 만족한다.
상기 공기공급장치는 수평형 혐기성소화조의 후단부측에 구비되며, 공기공급장치를 통해 공급된 공기는 바이오가스 이동경로를 따라 이동되는 바이오가스와 함께 이동된다.
상기 바이오가스 이동경로의 일측에 바이오가스 이동경로에 세척수를 공급하는 세척수 유입구가 구비되며, 세척수 유입구를 통해 바이오가스 이동경로의 여재수단에 세척수가 공급되어 여재수단에 누적된 황(S) 및 오염물질을 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치는 다음과 같은 효과가 있다.
수평형 혐기성소화조와 공간적으로 구분되는 바이오가스 이동경로에 최적 농도의 산소를 공급함으로써 산소 공급에 의해 혐기성소화과정이 저해되는 것을 최소화함과 함께 황(S)의 생성을 촉진시킬 수 있다. 이를 통해 혐기성소화조 내의 황화수소(H2S)를 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치의 측면구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치의 정단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치의 평면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 여재층을 나타낸 참고도.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 탈황장치를 나타낸 참고도.
본 발명은 혐기성소화조 내의 황화수소(H2S)를 제거하는 기술을 제시한다.
앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 기술한 바와 같이, 혐기성소화조에서 생성된 바이오가스를 대상으로 바이오가스 내에 포함되어 있는 황화수소(H2S)를 제거하는 탈황방법으로는 철염을 이용한 탈황방법, 활성탄을 이용한 탈황방법 등이 있는데, 이들 탈황방법은 철염 투입이 요구되거나 혐기성소화조의 후단에 황화수소 흡착을 위한 별도 공정이 필요하다.
본 발명은 철염 투입 또는 혐기성소화조 후단의 별도 공정이 요구되지 않는 탈황기술을 제시한다. 본 발명에 따르면, 혐기성소화조에서 생성된 바이오가스가 포집되는 혐기성소화조의 일측에 황화수소(H2S)를 황(S)으로 변환시키는 생물학적 탈황장치를 구비시킴으로써 혐기성소화조 내의 황화수소(H2S)를 효과적으로 제거할 수 있다.
황산화미생물은 산소의 존재 하에 황화수소(H2S)를 산화시키는 미생물인데, 황산화미생물에 의한 황화수소(H2S)의 산화반응에 따라 황(S), 황산(H2SO4) 등이 생성된다.
황산화미생물에 의한 황화수소(H2S)의 산화반응에 따라 황(S), 황산(H2SO4) 등의 다양한 반응결과물이 생성되는 것은 산소 농도에 기인한다. 황(S), 황산(H2SO4) 각각은 아래의 식 2, 식 3의 반응을 통해 생성된다.
삭제
(식 2) 2H2S + O2 → 2S + 2H2O
(식 3) 2S + 3O2+ 2H2O → 2H2SO4
식 2 및 식 3의 반응에서 알 수 있듯이, 산소 농도가 상대적으로 높으면 황산(H2SO4)이 생성되고, 산소 농도가 상대적으로 낮으면 황(S)이 생성된다. 화학양론적으로 살펴보면, H2S와 O2의 몰비가 2 : 1이면 황(S)이 생성된다. 또한, H2S와 O2의 몰비가 2 : 4이면 황산(H2SO4)이 생성된다. 이와 같이, 산소 농도의 증가에 따라 반응결과물은 황(S), 황산(H2SO4)의 순서로 변화된다.
따라서, H2S와 O2의 몰비가 2 : 1인 조건을 통해 황(S)의 생성을 촉진함과 함께 황산(H2SO4)의 생성을 억제할 수 있다. 즉, 혐기성소화조 내의 산소 농도 조절을 통해 황산화미생물의 산화반응 결과물로 황(S)의 생성을 유도할 수 있다.
황(S)의 생성을 촉진함과 함께 황산(H2SO4)의 생성을 억제시키는 이유는, 황화수소(H2S)를 효과적으로 제거함과 함께 황산(H2SO4)으로 인한 문제점을 최소화하기 위함이다.
황산화미생물의 산화반응 결과물로 액체상인 황산(H2SO4)이 생성되면, 혐기성소화공정 상에서의 유기성폐기물의 pH에 영향을 끼침과 함께 혐기성소화조의 장치가 황산(H2SO4)에 의해 부식될 가능성이 있다.
반면, 황산화미생물의 산화반응 결과물로 황(S)이 생성되는 경우, 바이오가스 내의 황화수소(H2S) 농도를 최소화할 수 있으며, 반응결과물인 황(S)은 고체상 임에 따라 여재 상에서 성장 후 중력에 의해 소화액에 재침전되어 유기성폐기물의 혐기성소화조 외로 배출시 함께 배출되거나 별도의 세척공정을 통해 제거될 수 있다. 즉, 황산화미생물의 산화반응 결과물로 황(S)이 생성되면, 바이오가스 내의 황화수소(H2S) 농도를 최소화할 수 있으며, 황산(H2SO4)으로 인한 상술한 문제점이 발생되지 않는다.
이러한 이유로, 본 발명은 혐기성소화조 내의 산소 농도를 최적 농도로 조절하여 황화수소(H2S)의 황산(H2SO4)으로의 변환을 억제함과 함께 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 활성화시키는 기술을 제시한다.
한편, 혐기성소화조 내에서는 유기성폐기물의 혐기성소화과정이 진행되는데, 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 위해 혐기성소화조에 산소를 공급함에 있어서 혐기성소화조 내의 산소 농도가 일정 수준 이상이 되면 혐기성소화조에 호기성균이 서식하게 되고 그로 인해 혐기성미생물이 우점화될 가능성이 있다. 또한, 유기성폐기물 즉, 혐기성소화액의 pH가 낮아지면서 메탄발효 미생물이 제 기능을 다하지 못하게 된다.
이에, 본 발명은 혐기성소화조의 상단부에 바이오가스가 이동되는 경로를 공간적으로 분리하고 해당 바이오가스 이동경로에만 산소가 공급되도록 함으로써 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 활성화시킴과 함께 산소가 혐기성소화공정이 미치는 영향을 최소화할 수 있는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치는 수평형 혐기성소화조(10) 및 바이오가스 이동경로(70)를 포함하여 이루어진다. 수평형 혐기성소화조(10)는 유기성폐기물의 혐기성소화가 진행되는 공간을 제공하며, 바이오가스 이동경로(70)는 유기성폐기물의 혐기성소화에 의해 생성된 바이오가스가 이동되는 경로를 의미한다. 먼저, 수평형 혐기성소화조(10)에 대해 설명하면 다음과 같다.
가축분뇨 등의 유기성폐기물이 수평형 혐기성소화조(10)에 유입되면 혐기성소화과정을 거쳐 혐기성소화액으로 변화되고, 수평형 혐기성소화조(10)로부터 혐기성소화액이 배출되는 과정이 진행된다. 혐기성소화는 유기성폐기물의 산 발효 및 메탄 발효를 의미하며, 혐기성소화과정을 통해 유기성폐기물이 혐기성소화액으로 변화됨과 함께 메탄, 이산화탄소 등의 바이오가스 및 황화수소(H2S) 가스가 생성된다.
유기성폐기물의 산 발효 및 메탈 발효가 효과적으로 진행되도록 하기 위해 상기 수평형 혐기성소화조(10)는 격벽(30)을 기준으로 제 1 반응조(11)와 제 2 반응조(12)로 구분할 수 있다. 또한, 유기성폐기물의 혐기성소화를 위해 수평형 혐기성소화조(10) 내에는 교반기가 장착된다. 교반기는 교반축(20)과 임펠러(50)를 포함하여 구성되며, 교반축(20)은 수평형 혐기성소화조(10)의 길이방향을 따라 배치되고 구동수단(40)에 의해 구동된다. 상기 수평형 혐기성소화조(10)의 제반 구성 예를 들어, 제 1 반응조(11)와 제 2 반응조(12), 교반축(20) 및 임펠러(50) 등에 관한 구성은 본 출원인의 등록특허인 한국등록특허 제1833867호에 개시된 수평형 혐기성소화조(10)와 동일하게 설계할 수 있다.
상기 바이오가스 이동경로(70)는 수평형 혐기성소화조(10)의 정단면 기준으로 수평형 혐기성소화조(10)의 상단 양모서리에 구비된다(도 2 및 도 3 참조). 여기서, 바이오가스 이동경로(70)가 수평형 혐기성소화조(10)의 상단 양모서리에 구비됨에 따라, 임펠러(50)의 회전반경에서 벗어나 임펠러(50)와의 간섭을 피할 수 있다.
직교하는 방향으로 결합된 수평부재(71)와 수직부재(72)가 수평형 혐기성소화조(10)의 길이방향을 따라 연장된 형태로 배치되며, 수평부재(71)의 일측은 수평형 혐기성소화조(10)의 측면과 맞닿고 수직부재(72)의 일측은 수평형 혐기성소화조(10)의 천정면과 맞닿아, 수평부재(71)와 수직부재(72)의 조합에 의해 수평형 혐기성소화조(10)로부터 구분되는 별도의 공간이 정의되며 해당 공간이 바이오가스 이동경로(70)에 해당된다. 즉, 수평부재(71)와 수직부재(72), 수평형 혐기성소화조(10)의 측면과 천정면에 의해 직육면체 형태의 공간이 마련되고, 해당 직육면체 형태의 공간으로 바이오가스가 이동된다.
또한, 상기 바이오가스 이동경로(70)는 일단측이 수평형 혐기성소화조(10)의 상부 공간과 연결된다. 구체적으로, 수평부재(71) 및 수직부재(72)는 수평형 혐기성소화조(10)의 전단부측에서 후단부측으로 연장됨에 있어서, 수평부재(71) 및 수직부재(72)의 일단은 수평형 혐기성소화조(10)의 후단부와 이격된 형태를 이루고 해당 이격된 공간 즉, 바이오가스 유입구(60)를 통해 수평형 혐기성소화조(10)의 상부 공간에 위치한 바이오가스가 바이오가스 이동경로(70)로 유입될 수 있다. 달리 표현하면, 수평부재(71)와 수직부재(72)로 이루어지는 바이오가스 이동경로(70)는 수평형 혐기성소화조(10)의 전단부측에서 후단부측으로 연장된 형태를 이루며, 바이오가스 이동경로(70)와 수평형 혐기성소화조(10)의 상부 공간은 바이오가스 유입구(60)를 통해 공간적으로 연결된다고 할 수 있다.
상기 바이오가스 이동경로(70)는 수평형 혐기성소화조(10)의 일측에 구비된 바이오가스 배출배관(73)과 연결되며(도 3 참조), 바이오가스는 바이오가스 이동경로(70)와 바이오가스 배출배관(73)을 순차적으로 거쳐 바이오가스 포집장치 등으로 이동된다. 여기서, 바이오가스 이동경로(70)의 일단측 즉, 바이오가스 유입구(60)가 구비된 위치의 반대측에는 바이오가스 배출구(74)이 구비되며, 바이오가스 배출구(74)이 바이오가스 배출배관(73)과 연결되는 형태를 갖는다(도 1 및 도 3 참조).
이와 같이 수평형 혐기성소화조(10)의 상단 양모서리부에 바이오가스 이동경로(70)가 구비됨에 따라, 수평형 혐기성소화조(10)에서 생성되어 수평형 혐기성소화조(10)의 상부 공간으로 이동된 바이오가스는 바이오가스 이동경로(70)를 통해 수평형 혐기성소화조(10)와 공간적으로 분리된 채로 이동, 배출된다.
본 발명에서 수평형 혐기성소화조(10)의 상단부에 수평형 혐기성소화조(10)와 공간적으로 구분되는 바이오가스 이동경로(70)를 구비시킨 이유는, 수평형 혐기성소화조(10)와 공간적으로 구분된 바이오가스 이동경로(70)에만 산소가 공급되도록 함으로써 혐기성소화액에 산소가 미치는 영향을 최소화한 상태에서 황산화미생물에 의한 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 활성화시키기 위함이다.
앞서 언급한 바와 같이, 적정 농도의 산소 공급을 통해 황산화미생물에 의한 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 유도할 수 있는데, 이 과정에서 산소가 혐기성소화조의 산소 농도를 높여 호기성균의 서식, pH 저하 등을 유발할 수 있으나, 본 발명과 같이 혐기성소화조와 공간적으로 구분되는 바이오가스 이동경로(70)에만 최적 농도의 산소를 공급하게 되면 산소 공급에 의한 호기성균의 서식, pH 저하 등을 유발하지 않으면서도 황산화미생물에 의한 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 활성화시킬 수 있게 된다.
수평형 혐기성소화조(10)의 상부 공간에서 바이오가스 유입구(60)를 통해 바이오가스 이동경로(70)로 유입된 바이오가스를 대상으로, 바이오가스에 포함되어 있는 황화수소(H2S)를 황(S)으로 변환시키기 위해 바이오가스 이동경로(70)의 내벽 즉, 수평부재(71)의 상면 및 수직부재(72)의 내측면 그리고 바이오가스 이동경로(70)를 정의하는 수평형 혐기성소화조(10)의 천정면 및 측면에는 황산화미생물의 생장 공간을 제공하는 여재층(110)이 구비된다. 또한, 바이오가스 이동경로(70)의 일측에는 바이오가스 이동경로(70)에 공기를 공급하는 공기공급장치(210)가 구비된다. 바이오가스가 바이오가스 유입구(60)측에서 그 반대방향으로 이동되는 바, 공기공급장치(210)의 공기공급노즐(211)은 바이오가스 유입구(60)에 근접한 바이오가스 이동경로(70)에 구비되는 것이 바람직하다. 이와 함께, 바이오가스 이동경로(70)의 일측에는 바이오가스 이동경로(70)에 세척수를 공급하는 세척수 유입구(75)가 구비되며, 세척수 유입구(75)를 통해 바이오가스 이동경로(70)의 여재층에 세척수가 공급되어 여재층에 누적된 황(S) 및 오염물질을 제거할 수 있다.
상기 여재층(110)은 황산화미생물의 생장 공간을 제공하는 것으로서, 부직포, 목재 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 또한, 바이오가스 이동경로(70)의 내벽에 우레탄폼을 형성시켜 여재층으로 활용하는 것도 가능하다.
상기 여재층(110)은 구체적으로, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 두 개의 목재판(111)을 합지하여 바이오가스 이동경로(70)의 내벽을 따라 일정 간격을 두고 배치하고, 두 개의 목재판(111) 사이에 부직포(112)가 개재되는 형태로 구성될 수 있다. 이 때, 부직포(112)는 바이오가스 이동경로(70)의 전체 길이만큼 배치되고 일정 간격을 두고 두 개의 목재판(111)이 부직포(112)를 합지하는 형태를 이룬다. 상기 목재판(111) 및 부직포(112)에는 황산화미생물이 서식, 생장된다. 상술한 바와 같이, 상기 여재층(110)은 수평부재(71)의 상면 및 수직부재(72)의 내측면 뿐만 아니라 수평형 혐기성소화조(10)의 천정면 및 측면에도 구비된다.
바이오가스 이동경로(70)에 황산화미생물을 고정화시키는 방법은 상술한 바와 같이 여재층(110)을 구비시키는 것 이외에 다른 실시예를 통해서도 구현할 수 있다. 구체적으로, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 바이오가스 이동경로(70) 상에 하나 또는 복수의 생물학적 탈황장치(100)를 구비시킬 수 있다.
상기 생물학적 탈황장치(120)는 바이오가스 이동경로(70)를 정의하는 수평형 혐기성소화조(10)의 천정면 상에 거치되는 형태로 구비될 수 있으며, 세부적으로 여재장치(121), 여재프레임(122) 및 거치대(123)로 구성된다. 상기 여재장치(121)는 황산화미생물의 생장 공간을 제공하는 여재(121a)를 포함하며, 상기 여재프레임(122)은 여재장치(121)의 장착 공간을 제공한다. 또한, 생물학적 탈황장치(120)의 장착을 위해 수평형 혐기성소화조(10)의 천정면에 개구부가 구비될 수 있으며, 상기 거치대(123)는 수평형 혐기성소화조(10)의 개구부에 거치된다.
상기 여재장치(121)은 도 8에 도시한 바와 같이 두 개의 판형 플레이트(121b)와, 두 개의 판형 플레이트(121b) 사이에 구비되는 여재(121a)로 구성된다. 상기 여재(121a)는 황산화미생물의 생장 공간을 제공하는 것으로서, 부직포, 목재 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 두 개의 판형 플레이트(121b) 사이에 여재(121a)를 구비시킨 상태에서 두 개의 판형 플레이트(121b)를 볼트 결합 등으로 체결하면 여재장치(121)을 완성할 수 있다.
상기 여재프레임(122)는 복수의 직육면체 공간을 제공하는 격자틀 형태로 구성할 수 있으며, 여재프레임(122) 상에 길이방향을 따라 복수의 여재장치(121)이 이격되어 장착된다. 또한, 복수의 여재장치(121)은 여재프레임(122) 상에서 복수열로 배치될 수 있다. 이와 함께, 여재장치(121)의 원활한 교체를 위해 여재장치(121)은 여재프레임(122) 상에 착탈 가능하도록 장착되는 것이 바람직하다.
한편, 공기 및 가스(바이오가스 및 H2S)가 수평형 혐기성소화조(10)의 후단측에서 전단측을 향하여 흐르는 것을 고려하여 상기 여재장치(121)은 여재프레임(122) 상에서 수평형 혐기성소화조(10)의 전단측을 향하여 경사진 형태로 구비되는 것이 바람직하다. 여재장치(121)의 경사배치를 통해 여재(111)의 황산화미생물과 황화수소(H2S)의 접촉빈도를 늘릴 수 있다.
이상, 수평형 혐기성소화조(10) 및 바이오가스 이동경로(70)의 구성에 대해 설명하였는데, 상기 구성 기반 하에 황(S)의 생성을 촉진함과 함께 황산(H2SO4)의 생성을 억제시키는 방법에 대해 설명하기로 한다.
황산화미생물에 의한 황화수소(H2S)의 산화반응시 산화반응 결과물로 아래의 식 2 및 식 3에 나타낸 바와 같이 황(S), 황산(H2SO4) 등이 생성될 수 있다.
삭제
(식 2) 2H2S + O2 → 2S + 2H2O
(식 3) 2S + 3O2+ 2H2O → 2H2SO4
황산화미생물에 의한 황화수소(H2S)의 산화반응에 따라 황(S), 황산(H2SO4) 등의 다양한 반응결과물이 생성되는 것은 산화반응시의 산소 농도에 기인한다.
식 2, 식 3의 반응에서 알 수 있듯이, H2S와 O2의 몰비가 2 : 1이면 황(S)이 생성되며, H2S와 O2의 몰비가 2 : 4이면 황산(H2SO4)이 생성된다. 이와 같이, 황화수소(H2S)의 산화반응시 산소 농도가 상대적으로 낮으면 황(S)이 생성되고, 산소 농도가 상대적으로 높으면 황산(H2SO4)이 생성된다.
따라서, 수평형 혐기성소화조(10) 내의 산소 농도를 조절함으로써 황(S)의 생성을 촉진함과 함께 황산(H2SO4)의 생성을 억제시키는 것이 가능함을 알 수 있다.
이를 구현하기 위해, 수평형 혐기성소화조(10)의 일측에는 공기공급장치(210), H2S 농도 측정장치(220) 및 제어장치(230)가 구비된다.
상기 공기공급장치(210)는 전술한 바와 같이 바이오가스 이동경로(70)에 공기를 공급하며, 공기공급장치(210)에 의한 공기 공급량은 제어장치(230)에 의해 제어된다. 상기 황화수소 농도 측정장치(220)는 수평형 혐기성소화조(10) 내의 황화수소(H2S) 농도를 측정하는 장치이며, 황화수소 농도 측정장치(220)에 의해 측정된 황화수소(H2S) 농도 정보는 제어장치(230)로 전달된다.
상기 제어장치(230)는 H2S 농도 측정장치(220)에 의해 측정된 H2S 농도 정보에 근거하여 공기공급장치(210)에 의해 공급되는 공기 공급량을 제어한다. 제어장치(230)에 의해 제어되어 공기 공급량은 황(S)의 생성을 촉진함과 함께 황산(H2SO4)의 생성을 억제하는 반응을 만족해야 한다.
상술한 바와 같이, H2S와 O2의 몰비가 2 : 1이면 황(S)이 생성되며, H2S와 O2의 몰비가 2 : 4이면 황산(H2SO4)이 생성되는 바, H2S와 O2의 몰비가 2 : 1인 조건을 만족하도록 공기 공급량이 결정되어야 한다.
이와 같이, 수평형 혐기성소화조(10) 내의 H2S 농도를 측정하고, 측정된 H2S 농도에 대응하여 H2S와 O2의 몰비가 2 : 1인 조건을 만족하는 공기 공급량이 결정되고 해당 양의 공기가 바이오가스 이동경로(70)에 공급될 수 있어, 황(S)의 생성을 촉진함과 함께 황산(H2SO4)의 생성을 억제하는 반응을 유도할 수 있다.
10 : 수평형 혐기성소화조 11 : 제 1 반응조
12 : 제 2 반응조 20 : 교반축
30 : 격벽 40 : 구동수단
50 : 임펠러 60 : 바이오가스 유입구
70 : 바이오가스 이동경로 71 : 수평부재
72 : 수직부재 73 : 바이오가스 배출배관
74 : 바이오가스 배출구 75 : 세척수 유입구
110 : 여재층 111 : 목재판
112 : 부직포 120 : 생물학적 탈황장치
121 : 여재장치 121a : 여재
121b : 판상 플레이트 122 : 여재프레임
123 : 거치대
210 : 공기공급장치 211 : 공기공급노즐
220 : 황화수소 농도 측정장치 230 : 제어장치

Claims (8)

  1. 유기성폐기물이 혐기성소화되는 공간을 제공하는 수평형 혐기성소화조; 및
    상기 수평형 혐기성소화조의 상단 모서리부에 구비되며, 수평형 혐기성소화조와 공간적으로 구분되어 바이오가스의 이동 공간을 제공하는 바이오가스 이동경로;
    상기 바이오가스 이동경로에 공기를 공급하는 공기공급장치; 및
    상기 바이오가스 이동경로에 구비되어, 산소의 존재 하에 황산화미생물에 의한 황화수소(H2S)의 황(S)으로의 변환을 유도하는 여재수단;을 포함하여 이루어지며,
    직교하는 방향으로 결합된 수평부재와 수직부재가 수평형 혐기성소화조의 길이방향을 따라 연장된 형태로 배치되며, 수평부재의 일측은 수평형 혐기성소화조의 측면과 맞닿고 수직부재의 일측은 수평형 혐기성소화조의 천정면과 맞닿아, 수평부재와 수직부재의 조합에 의해 수평형 혐기성소화조로부터 공간적으로 구분되는 바이오가스 이동경로가 마련되며,
    수평부재와 수직부재로 이루어지는 바이오가스 이동경로는 수평형 혐기성소화조의 전단부측에서 후단부측으로 연장된 형태를 이루며, 바이오가스 이동경로와 수평형 혐기성소화조의 상부 공간은 바이오가스 유입구를 통해 공간적으로 연결되며, 수평형 혐기성소화조의 상부에 위치한 바이오가스는 바이오가스 유입구를 통해 바이오가스 이동경로로 유입되며,
    상기 여재수단은 황산화미생물의 서식 공간을 제공하는 여재층 또는 생물학적 탈황장치를 포함하며,
    상기 여재층은 목재판과 부직포를 포함하여 이루어지며, 두 개의 목재판이 합지되어 바이오가스 이동경로의 내벽을 따라 일정 간격을 두고 배치되고, 두 개의 목재판 사이에 부직포가 개재되며, 상기 여재층은 수평부재의 상면 및 수직부재 그리고 수평형 혐기성소화조의 천정면 및 측면에 구비되며, 목재판 및 부직포에 황산화미생물이 서식, 생장되며,
    바이오가스 이동경로의 수평부재 상에 생물학적 탈황장치가 구비되며, 상기 생물학적 탈황장치는 황산화미생물의 생장 공간을 제공하는 여재를 포함하여 구성되는 여재장치와, 여재장치의 장착 공간을 제공하는 여재프레임과, 바이오가스 이동경로를 정의하는 수평형 혐기성소화조의 천정면에 거치되는 거치대를 포함하여 구성되며, 상기 여재장치는 두 개의 판형 플레이트와, 두 개의 판형 플레이트 사이에 구비되는 여재로 구성되며, 상기 여재프레임은 복수의 직육면체 공간을 제공하는 격자틀 형태로 구성되며, 여재프레임 상에 길이방향을 따라 복수의 여재장치가 이격되어 장착되며, 수평형 혐기성소화조의 천정면에 개구부가 구비되며, 상기 거치대는 수평형 혐기성소화조의 개구부에 거치되며, 여재장치는 여재의 황산화미생물과 황화수소(H2S)의 접촉빈도를 늘리기 위해 경사배치되며,
    공기공급장치의 공기공급노즐은 바이오가스 유입구에 근접한 바이오가스 이동경로에 구비되는 것을 특징으로 하는 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    수평형 혐기성소화조 내의 황화수소(H2S) 농도를 측정하며, 측정된 황화수소(H2S) 정보를 제어장치로 전달하는 황화수소 농도 측정장치;
    바이오가스 이동경로에 공기를 공급하는 공기주입장치;
    황화수소 농도 측정장치에 의해 측정된 황화수소(H2S) 농도 정보에 근거하여 공기공급장치에 의해 공급되는 공기 공급량을 제어하는 제어장치;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 제어장치에 의해 제어되는 공기공급량은 황(S)의 생성을 촉진함과 함께 황산(H2SO4)의 생성을 억제하는 반응을 만족하는 것을 특징으로 하는 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 공기공급장치는 수평형 혐기성소화조의 후단부측에 구비되며, 공기공급장치를 통해 공급된 공기는 바이오가스 이동경로를 따라 이동되는 바이오가스와 함께 이동되는 것을 특징으로 하는 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 바이오가스 이동경로의 일측에 바이오가스 이동경로에 세척수를 공급하는 세척수 유입구가 구비되며,
    세척수 유입구를 통해 바이오가스 이동경로의 여재수단에 세척수가 공급되어 여재수단에 누적된 황(S) 및 오염물질을 제거할 수 있는 것을 특징으로 하는 황화수소 제거가 가능한 혐기성소화장치.
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