KR102695537B1 - 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치 및 방법 - Google Patents
유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유기성 폐기물을 혐기 소화하여 암모니아성 질소를 포함하는 혐기소화액 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생성하는 혐기 소화장치에 연결되어 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액을 처리하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 상기 혐기 소화장치로부터 공급받은 바이오가스를 물과 혼합하여 탄산수를 생성하는 탄산수 생성 챔버; 상기 혐기 소화장치에서 혐기 소화처리된 혐기 소화액을 고액 분리하는 제1 고액분리기; 상기 제1 고액분리기와 연결되어 상기 고액 분리로 생성된 제1 여과액을 교반하는 제1 여과액 교반 챔버; 성기 제1 여과액 교반 챔버에 CaO를 투입하여 상기 제1 여과액으로부터 암모니아를 탈기시키는 CaO 투입장치; 성기 제1 여과액 교반 챔버에 공기를 투입하는 공기 투입장치; 및 상기 탄산수 생성 챔버로부터 바이오가스 및 물을 혼합한 용액을 공급받고 상기 제1 여과액 교반 챔버로부터 암모니아 기체 및 공기를 공급받아 탄산암모늄을 생성하는 탄산암모늄 생성 챔버;를 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
혐기성 소화처리는 일명 "메탄발효"라고도 하는데, 음식물, 축산 폐기물, 하수 슬러지, 분뇨 등의 유기성 폐기물 등의 안정화를 위한 생물학적 처리하는 방법으로서, 혐기성 조건하에서 통성 혐기균 및 절대혐기성균의 작용으로 고분자의 유기물을 가수분해하여 초산, 프로피온산, 낙산 등의 휘발성 지방산을 생성하고, 메탄, 수소, 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소를 포함하는 바이오가스를 생성한다.
이러한 혐기성 소화처리는 활성슬러지법이 보급되면서 적극적으로 사용되지는 않았으나, 1970 년대 중반 석유파동 이후에 회수된 바이오가스(CH4 50-70%, CO2 30-50%, 1%미만의 암모니아 및 황화수소 등 포함)를 연료로 이용하는 것이 가능하고, 많은 양의 공기를 통기시켜야 하는 활성슬러지법과 비교하여 소비전력이 적은 장점, 단위 유기물당 발생되는 생물학적 슬러지량이 호기성 처리법에 비하여 현저히 적은 점, 메탄발효된 혐기소화액에는 질소, 인, 부식질 등이 풍부하여 비료로서의 가치가 높은 점, 단순한 폐기물의 분해, 처리기능 이외에도 연료 및 퇴비를 생산하는 친환경적인 자원재생방법이라는 점에서 적극적인 석유 대체 에너지수단으로서 많은 연구가 활발히 진행되어 오고있다.
이와 관련하여 대한민국 등록특허 제10-0936540호에서는 바이오가스 생산용 아파트형 혐기소화장치로서, 축분 또는 음식물 쓰레기 등의 유입수를 하나의 혐기소화조 내에서 선입선출 방식으로 이동시키면서 최적의 조건이 공정흐름에 따라 적절하게 구비될 수 있어 하나의 혐기소화조에서 산생성 단계 및 메탄생성 단계를 수행할 수 있는 아파트형 혐기소화장치를 개시한 바 있다.
한편, 혐기성 소화처리로 생성된 바이오가스는 다량의 메탄를 함유하지만 메탄외 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소 등을 함유하는 반면, 자동차 연료로 활용하기 위해서는 바이오가스를 메탄화하기 위한 전처리공정이 필수적으로 요구되며, 특히 30-40%함량을 차지하는 이산화탄소를 제거하는 공정이 요구된다.
또한, 메탄발효된 혐기소화액을 비료로 사용하기 위한 액비화 과정에서는 고농도 암모니아가 대기로 휘발되고 이는 악취에 의한 민원의 주요 대상될 뿐 아니라 이를 해결하기 위한 악취설비를 갖추기 위해서는 설비 및 운전에 따른 비용이 많이 발생해, 암모니아가 대기 중 휘발되기전 암모니아를 회수할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
이에, 본 발명자는 혐기소화장치에서 메탄발효로 생성된 바이오 가스 내 이산화탄소를 제거하는 동시에 메탄발효된 혐기소화액 내 암모니아성 질소를 제거할 수 있는 정화처리 장치 및 방법으로서, 상기 암모니아성 질소를 탈기한 후 바이오가스 내 이산화탄소와 반응시켜 탄산암모늄 화합물을 생성할 수 있는 장치 및 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
일 측면에서의 목적은,
유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
일 측면에서는
유기성 폐기물을 혐기 소화하여 암모니아성 질소를 포함하는 혐기소화액 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생성하는 혐기 소화장치에 연결되어 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액을 처리하는 장치로서,
상기 혐기 소화장치로부터 공급받은 바이오가스를 물과 혼합하여 탄산수를 생성하는 탄산수 생성 챔버;
상기 혐기 소화장치에서 혐기 소화처리된 혐기 소화액을 고액 분리하는 제1 고액분리기;
상기 제1 고액분리기와 연결되어 상기 고액 분리로 생성된 제1 여과액을 교반하는 제1 여과액 교반 챔버;
상기 제1 여과액 교반 챔버에 CaO를 투입하여 상기 제1 여과액으로부터 암모니아를 탈기시키는 CaO 투입장치;
상기 제1 여과액 교반 챔버에 공기를 투입하는 공기 투입장치; 및
상기 탄산수 생성 챔버로부터 바이오가스 및 물을 혼합한 용액을 공급받고 상기 제1 여과액 교반 챔버로부터 암모니아 기체 및 공기를 공급받아 탄산암모늄을 생성하는 탄산암모늄 생성 챔버;를 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치가 제공된다.
다른 일 측면에서는
상기 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치를 이용한 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법으로서,
유기성 폐기물을 혐기 소화하여 생성된 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 물과 혼합하여 탄산수를 생성하는 탄산수 생성 단계;
유기성 폐기물을 혐기 소화하여 생성되는 혐기소화액을 고액 분리하는 제1 고액분리 단계;
상기 고액 분리로 생성된 제1 여과액을 교반하며 CaO 및 공기를 투입하여 상기 제1 여과액으로부터 암모니아를 탈기시키는 암모니아 탈기 단계; 및
상기 탄산수와 상기 탈기된 암모니를 반응시켜 탄산암모늄 생성하는 단계;를 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법이 제공된다.
본 발명은 유기성 폐기물의 혐기소화를 이용하여 질소질 비료로 사용가능한 고농도의 탄산암모늄을 회수할 수 있다.
또한, 본 발명은 바이오가스 내의 이산화탄소를 혐기소화액으로부터 탈기된 암모니아와 결합시켜 탄산암모늄을 생성함으로써, 혐기 소화처리 시에 배출되는 이산화탄소의 배출량을 저감시킬 수 있고, 동시에 혐기 소화액 처리 시 암모니아성 질소에 의해 발생되는 악취 문제, 이를 해결하기 위한 설비 문제를 간소하게 해결할 수 있다. 또한 상기 과정으로 생성한 탄산암모늄은 소각장의 질소 산화물(Nox) 제거용 요소수를 대체하는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 내의 이산화탄소를 제거할 수 있어, 바이오가스로부터 순도 높은 메탄 가스를 회수할 수 있다.
또한, 본 발명은 암모니아성 질소가 제거된 혐기소화액을 고액분리 후 얻은 여과케이크는 암모니아 함량이 미비하거나 없어 작물 배양 및 토양 개량하기 위한 지효성 비료로 사용될 수 있고, 회수된 여과액은 Ca이온 함량이 높아 배기가스의 이산화탄소(CO2) 및 황 산화물(SOx)의 흡착용액으로 재사용할 수 있으며, 이는 소각장 소각로에 분사 시 황 산화물(SOx), 염소(Cl)등을 제거하는 데에도 사용될 수 있다. 또한 상기 여과액을 정화처리하여 정화수를 생성할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치 공정도를 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 2는 다른 실시 예에 따른 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치 공정도를 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 3은 일 실시 예에 따른 선입선출방식 혐기소화장치의 축산폐수 또는 음식물 쓰레기 전체 처리 공정 흐름도이고;
도 4는 일 실시 예에 따른 선입선출방식 혐기소화장치의 가온 시스템을 나타낸 사시도이고;
도 5는 일 실시 예에 따른 선입선출방식 혐기소화장치의 활성화액과 발효완료액의 흐름을 나타낸 사시도이고;
도 6은 일 실시 예에 따른 선입선출방식 혐기소화장치에 대한 여과액 교반챔버와 탄산암모늄수가 농축 되는 과정을 나타낸 사시도이고;
도 7은 측면 가온 장치(측면 온돌)와 가스교반과정 나타낸 측면도이고;
도 8은 도 7에 나타낸 관측구간을 다른 측면에서 나타낸 측면도이고;
도 9는 일 실시 예에 따른 정제가스 교반형 장치 및 정제가스 순환형 장치를 나타낸 모식도이고;
도 10(a)는 제1 상부 가스층 흡입관 및 정제장치가 연결된 구조의 정제가스 교반형 장치가 혐기소화조 상부의 가스층의 바이오 가스를 공급받아 정제 후 하부의 산기가스 공급관 및 산기관으로 공급하는 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 10(b)는 제2 상부 가스층 흡입관 및 정제장치가 연결된 구조의 정제가스 순환형 장치가 혐기소화조 상부의 가스층의 바이오 가스를 공급받아 정제 후 상부의 가스층에 공급하는 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 11(a)는 제2 정제장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 11(b)는 제1 정제장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치 공정도를 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 3은 일 실시 예에 따른 선입선출방식 혐기소화장치의 축산폐수 또는 음식물 쓰레기 전체 처리 공정 흐름도이고;
도 4는 일 실시 예에 따른 선입선출방식 혐기소화장치의 가온 시스템을 나타낸 사시도이고;
도 5는 일 실시 예에 따른 선입선출방식 혐기소화장치의 활성화액과 발효완료액의 흐름을 나타낸 사시도이고;
도 6은 일 실시 예에 따른 선입선출방식 혐기소화장치에 대한 여과액 교반챔버와 탄산암모늄수가 농축 되는 과정을 나타낸 사시도이고;
도 7은 측면 가온 장치(측면 온돌)와 가스교반과정 나타낸 측면도이고;
도 8은 도 7에 나타낸 관측구간을 다른 측면에서 나타낸 측면도이고;
도 9는 일 실시 예에 따른 정제가스 교반형 장치 및 정제가스 순환형 장치를 나타낸 모식도이고;
도 10(a)는 제1 상부 가스층 흡입관 및 정제장치가 연결된 구조의 정제가스 교반형 장치가 혐기소화조 상부의 가스층의 바이오 가스를 공급받아 정제 후 하부의 산기가스 공급관 및 산기관으로 공급하는 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 10(b)는 제2 상부 가스층 흡입관 및 정제장치가 연결된 구조의 정제가스 순환형 장치가 혐기소화조 상부의 가스층의 바이오 가스를 공급받아 정제 후 상부의 가스층에 공급하는 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 11(a)는 제2 정제장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 11(b)는 제1 정제장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명할 수 있다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
일 측면에서는,
유기성 폐기물을 혐기 소화하여 암모니아성 질소를 포함하는 혐기소화액 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생성하는 혐기 소화장치에 연결되어 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액을 처리하는 장치로서,
상기 혐기 소화장치(100)로부터 공급받은 바이오가스를 물을 통과하여 이산화탄소를 용해시켜 탄산수를 생성하는 탄산수 생성 챔버(200);
상기 혐기 소화장치에서 혐기 소화처리된 혐기 소화액을 고액 분리하는 제1 고액분리기(300);
상기 제1 고액분리기와 연결되어 상기 고액 분리로 생성된 제1 여과액을 교반하는 제1 여과액 교반 챔버(400);
상기 제1 여과액 교반 챔버에 CaO를 투입하여 상기 제1 여과액으로부터 암모니아를 탈기시키는 CaO 투입장치(410);
상기 제1 여과액 교반 챔버에 공기를 투입하는 공기 투입장치(420);
상기 탄산수 생성 챔버(200)로부터 바이오가스 및 물을 혼합한 용액을 공급받고 상기 제1 여과액 교반 챔버(400)로부터 암모니아 기체 및 공기를 공급받아 탄산암모늄을 생성하는 탄산암모늄 생성 챔버(500);를 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치가 제공된다.
이하, 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)를 도면을 참조하여 각 구성별로 상세히 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치로 수행되는 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 공정 흐름도이고, 도 2는 다른 실시 예에 따른 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치로 수행되는 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 공정 흐름도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 유기성 폐기물을 혐기 소화하여 암모니아성 질소를 포함하는 혐기소화액 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생성하는 혐기 소화장치(100)에 연결된다.
상기 혐기 소화장치(100)는 유기성 폐기물을 혐기소화하는 장치로서,
유기성 폐기물을 투입하는 원료 투입부; 및
유기성 폐기물을 혐기 소화하여 암모니아성 질소를 포함하는 혐기소화액 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생성하는 혐기 소화조;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 혐기소화장치로 투입되는 유기성 폐기물은 농축슬러지, 분뇨, 음식물 쓰레기, 음폐수(음식물류 폐기물 폐수) 등일 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 혐기 소화작용을 하는 다른 유기성 폐기물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 혐기소화장치(100)는 바람직하게는 단일 혐기소화조에서 산생성 및 메탄 생성을 수행하되, 복수의 영역으로 구획된 혐기소화조에 유입수를 선입선출방식으로 이동시키면서 혐기소화를 수행하는 선입선출방식의 혐기소화장치이다.
선입선출방식의 혐기소화장치는 유기물 분해율이 높고 당일 투입된 원료가 일부라도 방출되지 않으며 소화조의 층 분리현상을 단계적으로 분해하여 최종부산물의 재활용을 수월하게 진행할 수 있는 장점을 갖는다.
상기 선입선출방식의 혐기소화장치는 아래에 보다 상세히 설명한다.
한편, 도 1 및 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 혐기 소화장치(100)와 연결되어 상기 혐기 소화장치로부터 공급받은 바이오가스를 물과 혼합하여 이산화탄소를 용해시켜 탄산수를 생성하는 탄산수 생성 챔버(200)를 포함한다.
상기 탄산수 생성 챔버(200)는 상기 혐기 소화장치에서 생성된 바이오가스 내 이산화탄소를 물에 용해시키는 챔버로서, 이를 통해 바이오가스 내 메탄 함량을 높일 수 있는 동시에 물에 이산화탄소가 용해되어 생성된 탄산수는 혐기소화액으로부터 탈기한 암모니아 기체를 흡착하는 데 사용될 수 있다.
일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 탄산수 생성 챔버 및 탄산암모늄 생성 챔버(500)를 통해 바이오 가스에 포함된 이산화탄소뿐 아니라 암모니아 및 황화수소를 더 제거할 수 있으며 이를 통해 보다 고순도의 메탄을 얻을 수 있다.
이에, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 탄산수 생성 챔버 또는 탄산암모늄 생성 챔버와 연결되어, 메탄가스를 분리 회수하는 메탄가스 회수부;를 더 포함할 수 있고 또한 상기 탈황장치와 연결되어 메탄가스를 분리 회수하는 메탄가스 회수부를 더 포함할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 혐기 소화장치(100)로부터 바이오가스를 공급받아 탄산수 생성 챔버(200)로 공급하고, 상기 탄산수 생성 챔버(200)로부터 이산화탄소가 제거된 바이오가스를 공급받아 상기 혐기 소화장치(100)로 공급하는 바이오 가스 교반 장치(110);를 더 포함할 수 있다.
상기 바이오 가스 교반 장치(110)는 혐기 소화장치(100) 및 탄산수 생성 챔버(200) 사이에서 바이오가스를 순환시키는 장치로서, 상기 바이오 가스 교반 장치(110)를 통해 다량의 이산화탄소를 함유하는 바이오가스가 혐기 소화장치(100)에서 탄산수 생성 챔버(200)로 공급되고 이산화탄소가 제거된 바이오가스가 상기 탄산수 생성 챔버(200)에서 혐기 소화장치(100)로 공급될 수 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 혐기 소화장치(100)와 연결되어 혐기 소화처리된 혐기 소화액을 고액 분리하는 제1 고액분리기(300)를 포함한다.
상기 제1 고액분리기(300)는 상기 혐기 소화장치(100)의 혐기 소화조와 연결되어 혐기 소화처리된 혐기 소화액을 고액 분리하는 유닛이다.
유기성 폐기물은 비중에 따라 상층부, 중층부 및 하층부로 분리되며, 이때 상층부에는 지방, 비닐 볏짚 등이 포함되고, 중층부에는 물과 비중이 비슷한 액상용액이 포함되고, 하층부에는 비중이 높은 물질이 포함되며, 상기 유기성 폐기물의 혐기소화시 가스교반 외 주기적인 프로펠러 교반 및 상층부 소화액 분사 등으로 유기물을 분해하지만, 혐기 소화처리된 혐기 소화액은 분해되지 않고 남은 잔여물을 여전히 포함한다.
이에 제1 고액분리기(300)는 고액 분리를 통해 제1 여과액을 얻는데 이때 고상 잔여물은 상층부 및 하층부로 나눠 분리하며, 비닐류, 볏짚의 리그닌류 등의 상층부 잔여물은 상층부 방출수 여과를 통해 분리하고, 섬유질 리그닌 등 난분해성 하층부 잔여물은 하층부 방출수 여과를 통해 분리한다.
이때 여과분리된 고상 잔여물은 완숙퇴비로 사용될 수 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 제1 고액분리기(300)와 연결되어 상기 고액 분리로 생성된 제1 여과액을 교반하는 제1 여과액 교반 챔버(400);
상기 제1 여과액 교반 챔버에 CaO를 투입하여 상기 제1 여과액으로부터 암모니아를 탈기시키는 CaO 투입장치(410); 및
상기 제1 여과액 교반 챔버에 공기를 투입하는 공기 투입장치(420);를 포함한다.
상기 제1 여과액 교반챔버(400), CaO 투입장치(410) 및 공기 투입장치(420)는 상기 제1 고액분리기(300)로부터 분리한 제1 여과액에서 암모니아를 탈기하기 위한 장치이다.
상기 제1 여과액 교반챔버(400)에 제1 여과액이 공급되면 상기 CaO 투입장치(410)로부터 CaO를 투입하며 상기 제1 여과액을 교반하고, 상기 공기 투입장치(420)로부터 공기를 투입하여 탈기된 암모니아가 제1 여과액에 용해되지 않고 효과적으로 방출되도록 할 수 있다.
이때 상기 제1 여과액을 가온하여 암모니아 탈기를 보다 촉진시킬 수 있으며, 바람직하게는 약 35℃ 정도의 고액분리된 혐기소화액에 2%-3%의 CaO를 투입함으로써 60℃ 이상으로 가온시켜 암모니아의 탈기를 더욱 촉진시킬 수 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 탄산수 생성 챔버(200)로부터 탄산수를 공급받고 상기 제1 여과액 교반 챔버(400)로부터 암모니아 기체 및 공기를 공급받아 탄산암모늄을 생성하는 탄산암모늄 생성 챔버(500);를 포함한다.
한편, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 제1 여과액 교반챔버(400)로부터 탈기된 암모니아와 공기를 탄산암모늄 생성 챔버(500)로 이송시키기 위한 펌프를 더 포함할 수 있고, 상기 펌프는 바람직하게는 수봉식 진공펌프일 수 있다.
상기 펌프를 통해 제1 여과액 교반챔버(400)에서 탈기된 암모니아를 흡입 후 탄산암모늄 생성 챔버(500)로 이송하여 탄산수에 암모니아가 흡착되도록 함으로써 탄산암모늄을 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 혐기소화장치(100)로부터 생성된 바이오가스를 물과 혼합하여 이산화탄소가 용해된 탄산수를 얻고, 혐기처리된 소화액으로부터 암모니아를 탈기시킨 후 상기 탄산수에 연속적으로 흡착되도록 함으로써, 고농도의 탄산암모늄을 생성할 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 암모니아 농도가 저감된 제1 여과액을 여과분리하기 위한 장치 구성을 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 암모니아 농도가 저감된 제1 여과액의 여과효율을 높이기 위한 장치로서, 제1 여과액 교반 챔버 내 제1 여과액에 철염을 투입하는 철염 투입장치(430);를 더 포함할 수 있다.
이때 상기 철염은 바람직하게는 Fe2(SO4)3일 수 있고, 투입량은 제1 여과액을 소량 채취한 후 Fe2(SO4)3용액을 첨가하고 여과효율을 측정하여 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 철염 투입을 통해 여과효율을 높임으로써 공정시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 제1 여과액 교반 챔버(400)와 연결되어 암모니아가 탈기된 제1 여과액을 고액분리하는 제2 고액분리기(600);
상기 제2 고액분리기에서 분리하여 생성된 여과 케이크(Cake)를 분리 회수하는 여과 케이크 회수부(810); 및
철염이 투입된 제1 여과액을 고액 분리한 제2 여과액을 분리 회수하는 제2 여과액 회수부(820);를 더 포함할 수 있다.
이때 상기 제2 고액분리기(600)로서 필터프레스를 사용할 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 혐기소화액을 고액분리하는 다른 공지된 장치가 사용될 수 있다.
또한, 상기 제1 여과액은 철염이 투입되어 킬레이트결합이 형성된 제1 여과액일 수 있다.
상기 제2 고액분리기로 얻어진 고상 잔여물인 여과 케이크(cake)는 N성분만 부족한 식물에게 있어서 꼭 필요한 비료성분 외 다량의 미네랄 및 미지성장인자를 함유한 물에 녹지 않게 킬레이트화 한 것으로써 비료 및 토양개량제로서 사용될 수 있다.
상기 여과 케이크(cake)는 비수용성 물질이나 산성비 또는 식물의 뿌리에서 분비되는 근산에 용해되므로 식물에게 흡수될 수 있고, 또한 강우 및 지하수 등에 의한 용탈이 적은 반면 보수력이 뛰어나 지효성 비료로서 간척지나 용탈이 심한 강원도 비탈밭이나 제주도 토양같이 물빠짐이 심한토양에 사용될 경우 작물생육에 크게 기여할 수 있다.
또한, 철염이 투입된 제1 여과액을 고액 분리한 제2 여과액을 분리 회수하여 얻은 제2 여과액은 Ca 이온과 결합되어있는 저분자 물질을 다량 함유하며, 이는 이산화탄소(CO2) 및 황 산화물(SOx)와 결합하여 침전물을 형성하므로, 상기 제2 여과액으로 배기가스를 처리할 경우, 배기가스 내 이산화탄소(CO2) 및 황 산화물(SOx)를 제거할 수 있고, 또한 소각장에 적용 시 황 산화물(SOx), 염소(Cl) 성분을 제거할 수 있다.
한편, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 제2 여과액 회수부에서 회수한 제2 여과액을 정화처리하여 정화수를 생성하는 정화수 생성장치(700);를 더 포함할 수 있고,
상기 정화수 생성장치(700)는
상기 제2 여과액 회수부에서 회수한 제2 여과액에서 Ca이온을 제거하는 Ca 이온 제거부(710);
상기 Ca이온이 제거된 제2 여과액을 활성오니처리하는 활성오니처리부(720); 및
상기 활성오니처리된 방출수를 감압증류하는 감압증류부(730);를 포함할 수 있다.
이때 상기 Ca이온 제거부(710)는 상기 제2 여과액을 발전기 배기가스 스크라바 용수로 공급하여 칼슘 이온 침강시키는 방법으로 제거할 수 있다.
상기 활성오니처리부(720)는 Ca이온이 제거된 제2 여과액을 활성오니처리하는 장치로서, 상기 제2 여과액에서 칼슘이온을 침강시킨 상등수를 활성오니처리하는 장치일 수 있다.
또한, 상기 활성오니처리된 방출수를 감압증류하는 감압증류부(730)는 상기 활성오니처리된 방출수를 감압증류함으로써, 중수도 및 공정수로 사용할 수 있는 정화수를 회수하거나 또는 수계로 방류할 수 있다.
상기 활성오니처리된 방출수는 발전기 폐열을 이용하여 처리될 수 있으나 발 전기로부터 얻을 수 있는 폐열의 온도가 높지 않기 때문이며 열전달효율을 높이기 위하여 감압증발장치를 사용하는 것이 열에너지 전달 효율과 부가에너지 비용절감 측면에서 우수한 장점을 갖는다.
또한 농도가 높아진 용액을 초기 증발챔버에서 열교환을 하게 하고 그 초기증발 챔버에서 발생 되는 수증기의 증발잠열을 저농도 챔버의 용액 증발열로 재사용 하게하는 다단 감압증발을 이용함으로써 1단 감압증발 보다 40%정도의 에너지 재사용 효율을 얻어낼 수 있다.
한편, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 혐기소화장치로서 선입선출방식의 혐기소화장치에 연결될 수 있다.
혐기성 소화공정은 기본적으로 산생산 단계와 메탄생성 단계의 2 단계로 구분되는데, 각 단계에서 작용하는 미생물은 생리적인 특징 및 영양적 요구성이 매우 다르기 때문에 외부의 조건이 바뀌면 두 생물군 사이의 균형이 깨어져 전체 공정 효율의 저해를 가져온다. 이에 대한 대안으로 반응조를 산생성 단계와 메탄생성 단계의 두 개의 반응조로 구분하는 2 단계의 발효공정(2상법)이 제안되었다. 전통적인 1 단계의 반응공정(1상법)에서는 하나의 반응조에서 산생성과 메탄생성이 동시에 일어나기 때문에 산생성 단계와 메탄생성 단계를 최적 상태로 조절하는 것이 불가능하고, 외부에서 유입되는 폐액의 변화에 민감하게 반응하여 안정성이 깨지는 문제가 있었다.
이에 반하여, 2상법은 각 단계에서 적합한 환경조건을 용이하게 유지시켜 줄 수 있고, 메탄 반응조의 부하율(loading rate)을 적절히 조절하고, 저급 지방산의 축적에 의해 급속한 pH의 저하를 방지하여 메탄발효의 저해를 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 2상법은 반응조를 별도로 구비해야 하는 점, 그에 따라 제1 반응조로부터 제2 반응조로 이송을 위한 시스템이 요구되는 점 등 비용면에서 불리하고, 각 반응조의 반응조건을 별도로 조절하여야 한다는 번잡한 문제가 있다.
반면, 상기 선입선출방식의 혐기소화장치는 하나의 혐기소화조에서 산생성 단계 및 메탄생성 단계를 수행할 수 있으며, 종래 1상법의 문제점으로 지적된 산생성과 메탄생성의 최적 조건을 동시에 만족시키는 것이 난해한 점을 개선하기 위해 연구하던 중, 축분 또는 음식물 쓰레기 등의 유입수를 하나의 혐기소화조 내에서 선입선출 방식으로 이동시키면서 최적의 조건이 공정흐름에 따라 적절하게 구비될 수 있어, 구조적으로 간단하며, 최적의 혐기소화 조건을 부여하여 바이오가스의 생산 효율을 최대화할 수 있다.
이하, 일 실시 예에 따른 선입선출방식의 협기소화장치 및 상기 장치에 연결된 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치를 도 3 내지 도 11을 참조하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 상기 선입선출방식의 협기소화장치는 보다 구체적으로,
유기성 폐기물이 투입되는 침사조;
상기 침사조를 통과한 유입수를 공급받아 기설정된 값으로 혐기소화조에 공급하는 유량조정조;
상기 유량조정조를 통과한 유입수가 선입선출의 순서로 메탄발효를 수행하여 바이오가스를 생산함과 동시에 다음 혐기소화 구역으로 이동하도록 설계된 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4를 포함하는 혐기소화조;
상기 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4의 유입수에 유동성을 부여하는 산기가스 공급관 및 산기관;
상기 혐기소화조 구역 4 하층의 혐기소화액을 흡입하는 하층부 흡입관;
상기 혐기소화조 구역 4 중층의 혐기소화액을 흡입하는 중층부 흡입관;
상기 혐기소화조 구역 4 상층의 혐기소화액을 흡입하는 상층부 흡입관; 및 상기 혐기소화조 구역 1 내지 4의 상층부 가스층에 생산된 바이오가스를 포집하는 장치;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 중층부 흡입관으로부터 흡입된 혐기소화액은 활성화액으로서 침사조로 투입되는 유기성 폐기물과 혼합하여 침사 분리 촉진 및 종균 접종능을 수행하도록 하는 장치를 더 포함 할 수 있다.
상기 선입선출방식의 혐기소화장치는 별도의 가스저장시설이 요구되지 않으며, 유입수의 투입 시 복잡한 전처리를 요구하지 않으며, 유입수의 온도를 폐열을 이용하여 혐기소화 전체 공정을 통해 조절함으로서 메탄균 생육에 최적의 조건을 제공할 수 있고, 발효액을 선입선출 방식으로 혐기소화가 가능하게 함으로써, 후입된 미발효액이 선출되는 경우 후처리 공정에서의 악취성분 제거 효율을 저하시킬 수 있는 요인을 제거할 수 있고, 복잡하고 고비용이 요구되는 교반시설의 구비 없이 자체 생산한 바이오가스를 정제 재활용함으로써 유입수에 포함된 침적물의 부유현상 및 균질화를 유발하고 최적의 메탄발효 효과를 달성할 수 있도록 서서히 순서대로 유입수를 이동시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 선입선출방식의 혐기소화장치는 혐기소화조 구역 1(5), 구역 2(6), 구역 3(7) 및 구역 4(8)의 바닥에는 최적의 메탄발효 온도가 유지되도록 온돌 배관(9)이 구비된다.
상기 온돌배관(9)은 혐기소화조 내에서 메탄 생성균에 의해 메탄이 생성될 수 있는 최적의 온도인 35-55 ℃를 제공한다. 초기 투입된 유입수의 온도는 여름철의 경우 약 18 ℃ 정도, 겨울철의 경우에는 약 8 ℃ 정도이므로, 상기 온돌 배관(9)은 메탄생성을 위한 최적의 발효 온도와 초기 투입된 유입수의 온도편차를 최소화할 수 있다.
또한 상기 선입선출방식의 혐기소화장치는 침사조(1), 유량조정조(2) 및 혐기소화조 1구역(5)의 측면에 설치되는 측면 가온 장치(측면 온돌)를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 메탄생성을 위한 최적의 발효 온도와 초기 투입된 유입수의 온도 편차를 최소화할 수 있다.
상기 선입선출방식의 혐기소화장치의 상기 혐기소화조 각 구역(5, 6, 7, 8)은 각 구역에 유입된 유입수의 상부와 각 구역의 천정 사이에 메탄 발효의 결과 생성되는 바이오가스가 저장되는 공간이 확보되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다(도 4 참조).
메탄발효의 결과 바이오가스가 생성되면, 생성된 가스는 각 구역의 천정과 유입수 상부 사이에 저장되며, 그 결과 상기 선입선출방식의 혐기소화장치는 별도의 바이오가스 저장장치를 필요로 하지 않는다.
상기 선입선출방식의 혐기소화조의 각 구역(5, 6, 7, 8)은 분리벽(5', 6', 7')을 통해 서로 구획되는 구조를 갖는다. 이 경우 바이오가스가 저장되는 상부 공간을 제외하고 각 분리벽(5', 6', 7')의 끝 부분이 혐기소화조 내벽으로부터 'ㄱ'자 형태로 개방된다. 개방된 공간을 통해 유입수와 바이오가스가 다음 구역으로 이동하게 된다.
상기 혐기소화조의 분리벽(5', 6', 7')은 구역 1과 구역 2의 분리벽(5'), 및 구역 3과 구역 4의 분리벽(7')이 동일한 위치에서 개방되고, 구역 2와 구역 3의 분리벽(6')이 상기 구역 1과 구역 2의 분리벽(5'), 및 구역 3과 구역 4의 분리벽(7')의 개방위치와 반대쪽 끝 부분이 개방되는 구조를 갖는다. 그 결과, 유입수는 상기 혐기소화조 전 구역을 동물의 소화기관처럼 지그재그 형태로 이동하게 된다.
도 9를 참조하면, 상기 선입선출방식의 혐기소화조의 각 구역(5, 6, 7, 8)은 유입수에 유동성을 부여하는 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)이 상기 침사조(1) 및 유량조절조(2)가 설치된 방향의 벽, 구역 1 및 구역 2의 분리벽(5') 및 구역 3 및 구역 4의 분리벽(7')을 제외한 나머지 벽의 바닥에 벽의 둘레를 따라 설치되는 구조를 갖는다. 더욱 구체적으로, 상기 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)은 구역 2와 구역 3 사이에 설치된 분리벽의 구역 2 방향 측벽 바닥, 상기 분리벽과 직교하는 구역 1에서 구역 2까지의 내측벽 바닥 및 상기 구역 1에서 구역 2까지의 내측벽과 직교하는 구역 1의 내측벽 바닥에 이들 벽의 둘레를 따라 구역 1 및 구역 2의 산기가스 공급관 및 산기관이 구비된다. 또한, 구역 2와 구역 3 사이에 설치된 분리벽의 구역 3 방향 측벽 바닥, 상기 분리벽과 직교하는 구역 3에서 구역 4까지의 내측벽 바닥 및 상기 구역 3에서 구역 4까지의 내측벽과 직교하는 구역 4의 내측벽 바닥에 이들 벽의 둘레를 따라 구역 3 및 구역 4의 산기가스 공급관 및 산기관이 구비된다.
상기 선입선출방식의 혐기소화조는 기존의 완전혼합형 프로펠러 교반기를 내장 설치하지 않는다. 대신 유입수에 유동성을 제공하기 위해 상기 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)을 통해 투입되는 가스가 교반장치의 역할을 수행한다.
도 8을 참조하면, 특히, 상기 혐기소화조의 구역 1(5)에는 하기에서 설명하는 측면 가온 장치(측면 온돌)(24)의 앞쪽에 산기가스 격벽(25)이 설치되어 벽 바닥에 설치된 산기관(26)으로부터 투입되는 산기가스의 흐름을 수직 방향으로 유도한 후, 상기 산기가스 격벽(25)을 통과한 산기가스가 구역 1(5)을 통과하는 유입수에 시계방향의 유동성을 부여함으로써 교반 및 유동성을 제공한다. 한편, 투입되는 산기가스는 혐기소화조의 구역에 따라 구별되는 처리과정을 거친 가스를 투입할 수 있다. 이는 하기의 해당부분에서 더욱 구체적으로 설명한다.
나아가, 상기 선입선출방식의 혐기소화조에 설치되는 산기가스 격벽(25)은 혐기소화조의 구역 1에 제한되지 않고, 혐기소화조 내의 구역 1에서 구역 4에 걸쳐 바닥에 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)이 설치되어있는 벽의 앞쪽에 설치됨으로써 각 구역을 통과하는 유입수에 유동성을 한층 더 부여할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 선입선출방식의 혐기소화조는 초기 투입 유입수의 온도와 최적의 메탄 발효 온도와의 편차를 최소화하여, 이후의 혐기소화조 구역 2, 구역 3, 구역 4에서의 메탄 발효 효율의 최대화를 도모하기 위한 목적으로, 외부 열원으로부터 공급되는 열을 교환할 수 있는 측면 가온 장치(측면 온돌) (24)이 구역 1(5)의 분리벽(5')의 반대 측벽 면에 구비된다. 이때, 상기 외부 열원으로부터 공급되는 열은 다단 감압증발장치 최종냉각수로 사용 되는 열교환수 폐열을 사용함으로써, 에너지 효율을 높일 수 있다.
한편, 도 9를 참조하면, 상기 선입선출방식의 혐기소화조의 구역 2(6)의 가스층에는 상기 구역 2(6) 상부 가스층의 바이오 가스를 회수하여 구역 1 내지 4(5,6,7,8)에 구비되는 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)에 공급하는 제1 상부 가스층 흡입관(34)이 구비된다. 이를 통해 상기 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)에 공급된 바이오 가스는 혐기소화액을 교반하고 유동성을 제공하는데 사용될 수 있다.
한편, 혐기소화액을 교반하고 유동성을 제공하는데 사용되는 가스는 메탄 발효 조건을 교란시키지 않도록 바이오가스에 포함되어 있는 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소를 제거하여 공급되는 것이 바람직하며, 나아가 최종적으로 생성되는 바이오가스의 순도를 높이기 위해서도 상기 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소는 제거되는 것이 바람직하다.
이를 위해 상기 제1 상부 가스층 흡입관(34)은 바이오가스 정제장치(210)와 연결될 수 있으며, 이때 상기 제1 상부 가스층 흡입관(34) 및 정제장치(210)가 연결된 구조를 정제가스 교반형 장치로 언급될 수 있다(도 9, 10의(a)).
상기 정제가스 교반형 장치를 통해 상기 구역 2(6) 상부 가스층의 바이오 가스를 회수한 후 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소를 제거하여 구역 1 내지 4(5,6,7,8)에 구비되는 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)에 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소가 제거된 정제 가스를 공급할 수 있다.
또한, 상기 혐기소화조 구역 4(8)에는 상기 구역 4(8) 상부 가스층 바이오 가스를 회수하여 구역 1(5) 상층부에 공급하는 제2 상부 가스층 흡입관(35)이 구비된다.
또한, 이때 상기 구역 1(5) 상층부에 정제 가스를 공급하기 위해 상기 제2 상부 가스층 흡입관(35)은 정제장치(210)와 연결될 수 있으며, 이때 상기 제2 상부 가스층 흡입관(35) 및 정제장치(210)가 연결된 구조를 정제가스 순환형 장치로 언급될 수 있다(도 9, 10의(b)).
도 9, 도 10(a) 및 도 10(b)에 나타난 바와 같이, 상기 정제가스 교반형 장치 및 정제가스 순환형 장치는 연결된 배관이 다를 뿐 그 구성이 동일할 수 있고, 또는 정제장치(210) 구성이 상이할 수 있다.
일례로, 정제가스 교반형 장치 및 정제가스 순환형 장치는 정제장치(210)로서 후술할 제1 정제장치(28) 및 제2 정제장치(28')를 모두 포함할 수 있으나, 정제가스 교반형 장치는 제2 정제장치(28')를 포함하지 않는 반면 정제가스 순환형 장치는 상기 제2 정제장치(28')를 포함하도록 설계할 수도 있다.
상기 정제가스 순환형 장치를 통해 상기 구역 2(6) 상부 가스층의 바이오 가스를 회수한 후 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소를 제거하여 구역 1(5) 상층부 가스층에 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소가 제거된 정제가스를 공급할 수 있다.
이하에서, 도 9 내지 11을 참조하여 정제장치(210)구조 및 이를 포함하는 정제가스 교반형 장치 및 정제가스 순환형 장치를 더욱 구체적으로 설명한다.
도 9 및 도10(a)는 제1 상부 가스층 흡입관(34) 및 정제장치(210)가 연결된 구조의 정제가스 교반형 장치가 혐기소화조 상부의 가스층의 바이오 가스를 공급받아 정제 후 하부의 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)으로 공급하는 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 10(b)는 제2 상부 가스층 흡입관(35) 및 정제장치(210)가 연결된 구조의 정제가스 순환형 장치가 혐기소화조 상부의 가스층의 바이오 가스를 공급받아 정제 후 상부의 가스층에 공급하는 모습을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 정제장치(210)를 보다 상세히 나타낸 모식도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 정제장치(210)는 제1 정제장치(28) 및 상기 제1 정제장치(28)와 연결되는 제2 정제장치(28')를 포함한다.
상기 제1 정제장치 장치(28)는, 바이오가스 내 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소를 제거하되 홍색 유황 세균 배양액을 이용하여 암모니아 및 황화수소를 제거하는 생물학적 탈황장치를 포함한다.
도 11(b)를 참조하면 상기 제1 정제장치(28)는
혐기소화조의 가스층으로부터 이송된 바이오가스를 공급받아 물과 혼합하여 바이오가스 내 이산화탄소, 황화수소 및 암모니아를 용해시키는 폐쇄형 탱크(이하 'A형 탱크'); 및
상기 A형 탱크와 연결되어 상기 이산화탄소, 황화수소 및 암모니아가 용해된 용액을 공급받아 홍색 유황 세균 배양액과 혼합하고, 외부 공기가 유입되도록 하여 바이오가스 내 암모니아 및 황화수소를 제거하는 개방형 탱크(이하 'B형 탱크');를 포함하고,
상기 B형 탱크에서 처리된 용액은 다시 A형 탱크로 공급되어 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소가 제거된 바이오가스가 혐기소화조로 공급되는 구조를 갖는다.
이에, 일 실시 예에 따른 선입선출방식의 혐기소화장치는 상기 생물학적 탈황장치(28)를 통해 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소를 제거할 수 있어 운전과정중 양질의 바이오가스를 다른 혐기소화조 보다 손쉽게 생산할수 있는 장점을 갖는다.
이때 상기 제1 정제장치(28)의 A형 챔버는 전술한 탄산수 생성 챔버(200)와 연결될 수 있고 또는 그 자체일 수 있다.
또한, 상기 제1 정제장치(28)의 B형 챔버는 전술한 탄산암모늄 생성 챔버(200)와 연결될 수 있고 또는 그 자체일 수 있다.
상기 제1 정제장치(28)는 보다 구체적으로,
혐기소화조의 가스층으로부터 이송된 바이오가스가 공급되는 산기관(65);
상기 산기관(65)으로부터 공급되는 바이오가스를 물과 혼합하여 바이오가스 내 이산화탄소, 황화수소 및 암모니아를 물에 용해시키는 폐쇄형 탱크(이하 'A형 탱크');
상기 'A형 탱크 내 용액이 바이오가스공급 압력에 의해 상기 A형 탱크 하부로부터 배출되는 배수관(66);
홍색 유황 세균 배양액을 포함하는 개방형 탱크(이하 'B형 탱크');
상기 B탱크의 용액 수위를 감지하는 레벨센서(61);
상기 B탱크로 외부 공기를 공급하는 산기관(63);
상기 A형 탱크의 배수관(66)과 연결되어 상기 A형 탱크 하부로부터 배출되는 용액을 상기 B형 탱크의 상부로 유입시키는 입수관(69);
상기 입수관(69)에 연결되어 지지되는 수위 조절용 볼탑(62);
상기 B형 탱크에서 처리된 용액을 배수하는 하부 배수관(70);
상기 배수관(70)과 연결되되, 상기 레벨센서의 수위감지 정보에 따라 온(on)/오프(off)되는 배수펌프(64);
상기 B형 탱크의 용액을 B형 탱크 하부로부터 상기 A형 탱크 상부로 유입시키는 유입관(67); 및
상기 A형 탱크 상부로부터 배출되는 가스를 혐기소화조로 반송하는 배기관(68);을 포함할 수 있다.
상기 배기관(68)을 통해 반송되는 가스는 이산화탄소 암모니아 및 황화수소가 제거된 정제가스이며, 이에 상기 제1 정제장치(28)는 상기 구조를 통해 바이오 가스 내 이산화탄소 암모니아 및 황화수소가 현저히 저감된 정제가스를 혐기소화조로 반송시킬 수 있다.
이때 이산화탄소는 A형 탱크에서는 용해되지만, B형 탱크로 이송된 용액에서는 압력차이로 인해 개방형 탱크밖으로 탄산이 휘산될 수 있다. 또한, 상기 제1 정제장치(28)의 A형 탱크는 암모니아 및 황화수소가 물에 용존된 상태로 B형 탱크에 공급함으로써, B형 탱크 내부에서 외부공기로부터 공급된 산소와 반응하여, 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 암모니아 및 황화수소를 황산암모늄(NH4)2SO4의 형태로 제거하는 역할을 수행한다.
[반응식 1]
2NH3 + H2S + 2O2 → (NH4)2SO4
상기 제1 정제장치(28)의 A형 탱크는 폐쇄형 탱크로서, 혐기소화조의 가스층으로부터 유입된 가스가 용존된 물을 B형 탱크로 공급할 수 있도록 적절한 내부 압력과 수위를 유지시키는 것이 바람직하고, 상기 내부 압력은 0.4-0.6 kg/㎠로 유지되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 제1 정제장치(28)의 B형 탱크는 홍색 유황 세균 배양액을 포함시키는 것이 바람직하다. 상기 홍색 유황세균 배양액 중 일부의 효소가 바이오가스 중 이산화탄소와 황화수소를 하기 반응식 2에 따라 포름알데히드(CH2O)와 황산(H2SO4) 염의 형태로 전환시킴으로써, CH4 50-70%, CO2 30-50%, 1%미만의 암모니아 및 황화수소을 포함하는 바이오가스에서 황화수소를 제거하는 동시에 다량의 이산화탄소 중 일부를 제거할 수 있다. 또한, 전환된 황산은 암모니아와 추가적으로 반응하여 하기 반응식 3에 나타낸 바와 같이, 황산암모늄의 형태로 전환되는 것으로 판단된다. 나아가, 상기 홍색 유황 세균 배양액은 B형 탱크뿐만 아니라, 동일한 목적을 달성하기 위해 A형 탱크와 B형 탱크를 순환한다.
[반응식 2]
2CO2 +H2S +2H2O → 2(CH2O) + H2SO4
[반응식 3]
H2SO4 + 2NH3 → (NH4)2SO4
상기 반응의 결과, 추가적으로 바이오가스에 포함되어 있는 황화수소를 제거할 수 있다. 특히, 암모니아 및 황화수소가 제거되지 않은 상태에서 혐기소화액의 교반이 이루어지는 종래의 가스교반식 혐기조화조는 암모니아 및 황화수소가 혐기소화조 내에 축적됨으로써, 바이오가스 생산 환경(메탄균생육)에 악영향을 미치는 요인으로 지적되어 왔다. 그러나, 상기 제1 정제장치 (28)를 적용시키면, 이산화탄소, 황화수소 및 암모니아가 제거된 상태의 가스, 즉 정제된 상층부 바이오가스를 혐기소화액 교반에 이용할 수 있고, 그 결과 혐기소화액 내부의 메탄균에게 메탄생성을 위한 기질로서 A형 탱크를 통과한 이산화탄소 및 수소를 공급할 수 있다.
또한, 제1 정제장치(28)에 투입되는 황화수소의 농도가 높은 경우에는 빠른 속도로 순수한 황(S)의 형태로 전환시켜 제거할 수 있다. 즉, 황화수소의 농도가 높은 경우, 홍색유황세균에 의해 황화수소(H2S)가 황(S)으로 산화되는 속도가 황(S)에서 황산 음이온(SO4 2-)으로 산화되는 속도에 비하여 상대적으로 빨리 진행되므로, 정제장치 용액 중에 순수황 입자를 다량 축적시키게 되어 용기 벽면이나 용액 중에 부유하게 된다. 이 황은 단순여과기로 분리 할 수 있다.
나아가, 상기 제1 정제장치(28)의 B형 탱크에는 제1 여과액교반챔버(400)로부터 탈기된 암모니아와 외부공기가 공급되는 것이 바람직하다. 이를 통해 바이오가스 중 이산화탄소를 수용액에 더욱 용해시켜 제거효율을 한층 더 높일 수 있다.
또한, 상기 제1 정제장치(28)의 B형 탱크에 존재하는 레벨센서(61)에는 서로 다른 길이의 3개의 센서봉(a, b, c)이 구비된다. B형 탱크의 수위가 가장 짧은 길이의 센서봉(a)에 감지되면 배수펌프(64)를 가동시켜 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소가 용해된 물을 A형 탱크로 공급하고, B형 탱크의 수위가 중간 길이의 센서봉(b)에 감지되면 배수펌프(64)의 가동이 중단되며, 암모니아 및 황화수소의 제거반응은 A형 탱크에 기체상 산소의 공급없이, A형 탱크 및 B형 탱크에 용액이 순환하면서 연속적으로 수행된다.
상기 제1 정제장치(28)는 혐기소화조의 제1 상부 가스층 흡입관(34) 및 제 2 상부 가스층 흡입관(35)을 통해 공급된 바이오가스를 A형 탱크에서 용해도에 의해 분리하고 용해되지 않은 바이오가스를 A형 탱크 상부의 배기관(68)을 통해 혐기소화조 하부의 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)으로 공급한다. 이를 더욱 구체적으로 설명하면, A형 탱크에 이송되는 바이오가스 중 물에 쉽게 녹는 암모니아(NH4), 황화수소(H2S) 및 이산화탄소(CO2)는 물에 용해되고 그 외 성분이 A형 탱크 상부의 배기관을 통해 배출되어 혐기소화조 하부의 산기가스 공급관(27) 및 산기관(26)에 공급되며 A형 탱크의 물은 상기 반응식 2로 표시되는 2CO2 +H2S +2H2O → 2(CH2O) + H2SO4 반응이 수행되면서 B형 탱크로 공급된다. 상기 B형 탱크에서는 상술한 바와 같이, 홍색세균에 의해 H2S가 S로 산화되는 속도가 S에서 SO4 2-로 산화되는 속도보다 빨리 진행되는 결과, 일시적으로 S를 다량축적하게 되는 현상을 응용하여 B형 탱크에 공급되는 용존산소에 의해 S가 SO4 2-로 전환된다. 상기 SO4 2-는 용존 NH4+와 결합함으로써 암모니아를 황산암모늄형태로 빠르게 반응시킨다(반응식 3 참조). 즉, 이와 같은 반응이 A형 탱크와 B형 탱크를 순환하면서 연속적으로 일어나게 된다.
상기 제1 정제장치(28)의 B형 탱크는 제1여과액 교반 챔버(400)로부터 제공되는 암모니아의 양에 대응하여 탄산암모늄을 생성할 수 있다. 즉 이산화탄소 및 암모니아를 탄산암모늄 형태로 포집 저장 할 수 있다. 탄산암모늄의 농축 회수는 포화용해도의 80% 수준에서 순환수를 회수 하고, 추가 물을 공급하고 홍색유황세균 배양액을 혼합하여 재가동하는 방법으로 수행될 수 있다. 이때 회수한 용액은 정치 시키거나 여과시켜 질소 비료 원료로 사용 될 수 있고 더 나아가 소각장 소각로에 질소 산화물(NOx) 제거용 요소수 대체품으로 사용할 수 있고 농사용에 있어서는 요소비료 대체제로도 사용할 수 있다. 일례로 소각로 SNCR에 투입하여 질소 산화물(NOx)을 제거할 수 있다.
한편, 상기 정제장치(210)는 황화수소 제거효율을 높이기 위해, 상기 제1 정제장치(28)와 연결된 제2 정제장치(28')를 포함한다.
도 11(a)를 참조하면, 상기 제2 정제장치(28')의 바람직한 실시형태는 상기 제1 정제장치(28)를 통해 황화수소가 일부 제거된 바이오가스가 유입되는 유입관(71);
상기 유입관(71)으로부터 유입되는 바이오가스를 산기시키는 산기관(72); 상기 산기관(72)으로부터 공급되는 바이오가스의 황화수소와 반응하는 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)을 포함하는 물을 포함하는 폐쇄형 탱크(이하, "A'형 탱크"); 및 황화수소가 제거된 바이오가스를 배출하는 배기관(73)을 포함할 수 있다.
상기 제2 정제장치(28')는 구체적으로, 상기 제1 정제장치(28)의 A형 탱크 상부의 배기관(68)과 연결된 공급관(71)을 통해 공급되는 암모니아 99% 이상 및 일부 황화수소가 제거된 바이오가스를 산기관(72)을 통해 용존시키고, 제2 정제장치(28')에 포함시킨 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)과 잔존 황화수소를 반응시켜 황화철 및 물의 형태로 잔존 황화수소를 제거한다. 상기 제2 정제장치 (28')는 상기 제1 정제장치(28)의 A형 탱크에 직렬로 연결시켜 사용될 수 있다.
이때, 상기 수산화(Ⅱ)철 또는 수산화철(Ⅲ)은 본 발명자들에 의해 출원되어 등록된 '유기태 킬레이트의 제조방법'(대한민국등록특허 제0481326호 및 미국등록특허 제7087775호)에 기재되어 있는 수산화미네랄의 제조방법에 의해 제조된 수산화철(±)철 또는 수산화철(Ⅲ)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 수산화철(Ⅱ)철 또는 수산화철(Ⅲ)은 FeSO4나 FeCl2, FeCl3 등의 종래 2가 또는 3가 철을 수용액상에서 NaOH와 당량 반응시켜 얻어지는 Fe(OH)2 또는 Fe(OH)3형태로 얻어지는 물질이다. 상기 Fe(OH)2 또는 Fe(OH)3는 하기 반응식 4에 나타난 바와 같이 얻어지는 생성물을 원심분리하여 NaCl을 제거하여 수득할 수 있다
[반응식 4]
FeCl2 + 2NaOH → Fe(OH)2 + 2NaCl
FeCl3 + 3NaOH → Fe(OH)3 + 3NaCl
상기 수산화철(Ⅱ)철 또는 수산화철(Ⅲ)은 상기 제2 정제장치(28')의 반응탱크 내 산기관에 의해서 장치 내 제거 용액시스템으로 용해되는 가스성분인 황화수소와 100% 반응하기 때문에, 제거효율은 산기관의 가스용해 능력에 의존한다. 종래의 탈황장치에서 고압하에 통기시켜 수산화철(Ⅲ)인 FeO(OH) 및 산화철(Ⅲ) Fe2O3를 가스상태의 황화수소와 흡착반응시켜 황화수소를 제거하는 방식보다 통기속도(가스처리능력)가 월등히 우수하고, 반응효율 면에서도 수산화철(Ⅲ)의 순도 및 펠렛의 표면적에 좌우되는 종래 탈황장치보다 우수하다.
구체적으로, 제거효율 면에서 종래 탈황장치("이상혐기 공정의 축산폐수 적용을 통한 바이오가스 생산 및 에너지 이용기술 실증 연구 최종보고서", p. 151, 2006년 9월, 산업자원부)의 경우 Fe2O3 1 kg 당 황화수소 130 g을 흡착하나, 상기 제2 정제장치(28')는 Fe(OH)3 1 kg 당 황화수소 약 478 g을 흡착시킬 수 있어 약 3.7 배 정도 우수한 제거효율을 나타낸다. 또한, 가스의 처리면에서 종래 탈황장치의 2.5N㎥/hr 보다 월등히 우수한 약 4 N㎥/min의 통기속도를 나타내므로, 처리능력 면에서도 월등하다고 할 수 있다. 또한 황화수소와 결합된 FeS, Fe2S3 등의 분자들은 A형탱크와 B형탱크를 현탁액 상태로 순환하며 B형탱크에서 공급된 산소에 의해 다시 산화되어 분자상의 황을 떼어놓고 다시 A형탱크에서 H2S 와 재결합을 반복 하며 A형탱크와 B형탱크를 순환한다. 그러므로 소모품비용를 혁신적으로 절감할수 있으며 황의농도가 과량이 될때 누런색이 강해지며 가스제거율을 측정 하여 용액의 교환을 결정한다. 용액중의 고형분은 황성분 보강용 비료로 사용될수있다.
상기 제1 정제장치(28)는 상술한 바와 같이, 그 내부에 포함하고 있는 홍색 유황 세균 배양액에서 생성되는 효소가 황화수소 제거시 이산화탄소를 소모함으로써, 바이오가스 중의 이산화탄소 함량을 일부 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 종래 일반적인 바이오가스 생산용 혐기소화조에서 생산되는 바이오가스는 CH4 50-70%, CO2 30-50%를 함유하는 반면, 상기 제1 정제장치 (28) 및/또는 제2 정제장치(28')를 사용하면, 혐기소화조로부터 생산된 바이오가스에 대하여 황화수소를 제거하기 위한 목적으로 상기 제2 정제장치(28')를 독립적으로 적용시킬 수 있고, 나아가 제1 정제장치(28) 및 제2 정제장치(28')를 결합하여 사용하는 경우, 순도 높은 바이오가스를 혐기소화조에 공급하여 혐기소화액의 교반가스로 사용함으로써 최적의 혐기소화조건(암모니아, 황화수소의 소화액 축적방지)을 유지할 수 있다.
일 실시 예에 따른 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)는 상기 선입선출방식의 혐기소화장치와 연결되는 정제장치(210)를 포함하며, 상기 혐기소화장치에서 생성한 바이오가스에 포함된 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소를 제거하여 메탄 함량을 현저히 증가시킨 정제된 바이오가스를 생성할 수 있을 뿐 아니라, 상기 정제장치(210)를 통해 공급받은 이산화탄소와 제1여과액 교반챔버(400)를 통해 공급받은 암모니아를 결합시켜 탄산암모늄을 생성할 수 있다. 상기의 과정이 이산화탄소 포집에 상승작용을 하여 바이오가스 순도 즉 메탄농도는 더욱 높아진다.
한편, 도 3을 참조하면, 상기 혐기소화조의 구역 4(8)는 상층부, 중층부 및 하층부 흡입관을 구비하며, 일 실시 예에 다른 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치(1000)의 제1 고액분리기(300)는 상기 상층부 흡입관 및 하층부 흡입관을 통해 최종 발효액(슬러지액)을 공급받아 이를 고액분리하고, 중층부 흡입관으로부터 흡입된 활성화액은 유입수가 축산폐수인 경우는 종균 접종액으로 사용되며, 유입수가 음식물 쓰레기인 경우에는 농도에 따라 희석용으로 사용될 수 있다.
상기 혐기소화장치는 혐기소화조의 상부의 가스층이 가스저장시설을 겸하므로, 별도의 가스저장시설이 요구되지 않는다. 또한, 가스층의 가스 압력에 의해 연결된 발전 엔진 등의 부가적인 기기의 작동을 조절할 수 있다. 발전기 부하조절 및 ON OFF 등 그로인해 잉여가스 연소기를 통한 연소가 전혀 발생하지 않으며 발전기 문제로 비상정지시만 잉여가스 연소기는 작동 하게 된다.
또한, 상기 혐기소화장치는 유입수의 선입선출을 원칙으로 함으로써, 소화율 향상 및 완숙 퇴비를 얻을수 있다. 또한, 상기 혐기소화장치는 혐기소화조 내부에 특별한 교반시설을 요구하지 않으며, 자체 생산한 바이오가스를 정제 후 사용하므로 기존 바이오 가스 교반방식의 단점을 상당부분 보완할 수 있고, 발효 과정에 악영향을 주지 않고 유입수에 포함된 침적물의 부유현상 및 균질화를 해소하여 최적의 메탄발효 효과를 달성하며 서서히 유입수를 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 혐기소화장치는 혐기소화조 가스층으로부터 바이오가스를 흡입하여 정제장치(210)를 통해 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소가 제거된 가스를 다시 재순환시킴으로써, 순도 높은 바이오가스를 생산할 수 있다. 상기 정제장치(210)를 통해 종래 가스 교반식 혐기소화조의 단점으로 지적되었던 메탄균의 생육에 저해가 되는 암모니아 및 황화수소의 지속적인 농축을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제1 정제장치(28)는 A형 탱크와 B형 탱크의 복합형으로, 바이오가스가 함유하는 암모니아의 99% 이상, 황화수소의 30% 이상을 제거할 수 있고, 상기 제1 정제장치(28)에 연결하여 사용되는 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)을 포함한 제2 정제장치(28')는 장치 통과횟수를 증가시킴으로써 생성된 황화수소를 99% 이상 제거할 수 있다.
또한, 상기 제1 정제장치(28)는 그 내부에 포함하고 있는 홍색 유황 세균 배양액에서 생성되는 효소가 황화수소 제거시 이산화탄소를 소모함으로써, 바이오가스 중의 이산화탄소 함량을 1차적으로 감소시킬 수 있다. 나아가, 바이오가스 내 잔존 이산화탄소와 수소를 소화액 내부에 존재하는 메탄생성균의 기질로서 공급함으로써, 불순물인 이산화탄소를 메탄으로 전환시켜 이산화탄소의 함량을 2차적으로 감소시킬 수 있다. 이에 상기 제1 정제장치(28)를 본 혐기소화조에 사용하여 이산화탄소의 함량을 20% 이하로 낮춤으로써, 메탄 함량이 80% 이상인 바이오가스를 생산할 수 있다(표 2 참조).
<표 2>
상기 표 2는 본 발명에 따른 제1 정제장치(28)의 암모니아, 황화수소 및 이산화탄소 제거효율을 측정한 결과이다. 구체적으로는 제1 정제장치(28)에 투입되기 전의 바이오가스의 성분 및 함량을 GASTEC Dectector tube(제조사: 일본)를 사용하고, 상기 장치(28) 통과횟수를 1회, 2회 및 3회 수행하면서, 도 11의 (b)의 브로워(29)와 A형 탱크 사이의 가스관에서 측정하고(측정위치 1), 장치(28)를 통과한 바이오가스의 성분 및 함량을 도 11의 (a)의 장치(28')의 A'형 탱크를 빠져나온 위치에서 측정(측정위치 2)한 결과이다. 표 2를 참조하면, 암모니아는 최초 1회 통과만으로도 100% 제거되었으며, 황화수소는 1회 통과시 약 68%, 2회 통과시 약 80%, 3회 통과시 약 94%까지 제거되었고, 이산화탄소는 바이오가스 내에 20% 이하로 함유되어, 발명에 따른 정제장치를 포함하는 혐기소화조로부터 보다 순도 높은 바이오가스를 생산할 수 있음을 알 수 있다.
이하, 상기한 구조의 혐기소화장치의 동작 상태를 도 3을 참조하여 설명한다.
축산폐수, 음식물 찌꺼기 등의 유입수가 침사조(1)에 투입되고, 유량조정조(2) 및 제1구역 측면 내부에 구비되어 있는 바닥온돌과 측면 온돌로부터 열을 제공받아 가온된다. 열교환이 되면서 가온이 된 상기 유입수는 투입과 배출이 동시에 진행 되므로 선입선출의 방식으로 혐기소화조 구역 2, 구역 3 및 구역 4를 순차적으로 통과하면서 혐기소화의 결과 바이오가스를 각 구역의 상층부에 생성 및 저장한다. 혐기소화조 침사조 유량조정조 제1구역의 측벽에는 외부 폐열을 이용하는 측면 가온 장치(측면 온돌)(24)이 구비되어 있어, 유입수의 온도와 최적의 혐기소화 온도와의 편차를 최소화한다. 또한, 상기 구역 1에서 구역 4의 바닥에 설치되어 있는 온돌배관이 동일한 목적 달성을 위해 유입수에 열을 공급한다.
혐기소화조의 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4의 바닥에는 산기가스 공급관 및 산기관이 설치되어 있어, 각 구역을 통과하는 유입수를 교반시키고 유동성을 제공한다. 상기 가스는 혐기소화조 구역 2 및 구역 4의 상부 바이오가스를 수봉식 진공펌프를 통해 흡입하고, 바이오가스에 포함되어 있는 이산화탄소 암모니아 및 황화수소를 제거하여 구역 1에서 구역 4의 산기가스 공급관 및 산기관에 공급된다. 이렇게 상기 혐기소화장치에서 저장된 바이오가스는 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치로 전달되어 탄산암모늄을 생성하기 위한 이산화탄소 제공 소스로서 사용되고, 탄산암모늄 생성으로 추가적으로 이산화탄소가 제거된 바이오가스는 메탄 농도가 높은 상태로서, 발전/열생산을 위한 연료로 사용될 수 있다. 또한 초순수 메탄수용처(연료전지용 메탄 및 그린수소연료) 적용시 고질화 정제비용 절감을 혁신적으로 절감 할수 있다(필터 교체 주기연장 및 유지보수비등).
혐기소화조 구역 4에 도달하여 혐기소화를 종료한 최종 발효액(슬러지액)중 상층부 흡입관 및 하층부 흡입관을 통해 방출되는 슬러지액(최종 발효액)은 제1 고액분리기(300)를 거쳐 제1 여과액 교반 챔버(400)로 공급되고 고상잔여물은 완숙퇴비로써 사용될 수 있다. 한편, 혐기소화조 구역 4의 중층부에는 물과 비중이 비슷한 활성화액이 존재하며, 이들은 중층부 흡입관을 통해 침사조로 공급될 수 있다. 또한, 상기 제1 여과액 분리기(300)를 통해 고액분리된 고상 잔여물은 완숙 퇴비로, 제1 여과액은 탄산암모늄을 생성하기 위한 암모니아 제공 소스로 사용되고, 암모니아가 탈기 제거된 여과액을 다시 철염을 투입하여 고액분리하고 고상 잔여물은 지효성 비료로, 제2 여과액은 배기가스 내 이산화탄소(CO2) 및 황 산화물(SOx) 흡착용 용액으로 사용할 수 있고, 소각장 소각로에 분사하여 황 산화물(SOx) 및 염소(Cl) 흡착용으로도 사용할수 있다. 또한 정화처리를 통해 중수도 및 공정수로 재사용할 수 있다.
다른 일 측면에서는,
상기 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치를 이용한 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법으로서,
유기성 폐기물을 혐기 소화하여 생성된 이산화탄소를 포함하는 바이오가스가 물을 통과하도록 하여 탄산수를 생성하는 탄산수 생성 단계;
유기성 폐기물을 혐기 소화하여 생성되는 혐기소화액을 고액 분리하는 제1 고액분리 단계;
상기 고액 분리로 생성된 제1 여과액을 교반하며 CaO 및 공기를 투입하여 상기 제1 여과액으로부터 암모니아를 탈기시키는 암모니아 탈기 단계; 및
상기 탄산수와 상기 탈기된 암모니아를 반응시켜 탄산암모늄 생성하는 단계;를 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법이 제공된다.
이하, 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법은 유기성 폐기물을 혐기 소화하여 암모니아성 질소를 포함하는 혐기소화액 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생성하는 혐기 소화장치에 연결되어 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액을 처리하는 상기 장치를 이용한 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법이다.
상기 혐기 소화장치는 유기성 폐기물을 혐기 소화하는 과정에서 바이오가스를 생성하는데 이때 생성된 바이오가스는 50-70%으로 메탄을 주성분으로 포함하지만, 그 외 30-50%의 이산화탄소를 포함하여, 상기 바이오가스를 연료로서 사용하기 위해서는 이산화탄소를 제거하는 공정이 요구된다.
또한, 상기 혐기 소화장치는 유기성 폐기물을 혐기 소화하는 과정에서 혐기소화된 소화액을 생성하는데 이때 생성된 혐기소화액은 다량의 암모니아성 질소를 포함하며 포함된 암모니아는 100% 그린수소성 암모니아이다. 현재 국내 에서 생산되고 있는 질소의 양이 퇴비 액비를 포함하면 국토 재배면적을 두배이상 살포하고도 남을 많큼 대량생산 되고 있으나 수계오염원으로 냉대를 받고 있는 실정이다. 축분 및 유기성 폐기물 들을 바이오가스화하여 그린수소의 보고인 암모니아를 회수하는 방안이 요구된다.
`
일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법은 상기 바이오가스 내 포함된 이산화탄소를 물에 용해시켜 바이오가스로부터 이산화탄소를 제거하는 동시에, 상기 혐기소화액에서 암모니아를 탈기시킨 후 상기 이산화탄소가 용해된 물(탄산수)에 제공하여 탄산암모늄의 형태로 결합시킴으로써, 바이오가스 내 이산화탄소를 제거함과 동시에 혐기소화액 내 암모니아를 동시에 제거할 수 있다.
아울러, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법은 상기 혐기소화액을 제1 고액분리하여 얻은 제1 여과액에 대해 상기 암모니아 탈기 공정을 통해 암모니아를 제거한 후 제2 고액분리함으로써, 암모니아가 저감된 고상 잔여물(여과 케이크)을 회수하여 비수용성, 지효성 비료로서 사용할 수 있고, 여과된 제2 여과액은 다량의 Ca이온을 함유하여, 배기가스 내 이산화탄소(CO2) 및 황 산화물(SOx) 흡착용 용액으로 사용할 수 있고, 이는 소각장 소각로에 분사 시 황 산화물(SOx), 염소(Cl)등을 제거하는 데에도 사용될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법은 상기 제2 여과액을 정화처리할 수 있으며, 또는 정화처리를 통해 중수도 및 공정수로 사용할 수 있는 정화수를 얻을 수 있다.
구체적으로는, 상기 제2 여과액은 Ca 이온이 결합된 저분자 물질을 다량 포함하지만 이는 이산화탄소(CO2) 및 황 산화물(SOx)중 1종 이상을 첨가하여 상기 제2 여과액으로부터 침전 분리(제거)할 수 있고 상기 Ca이온이 제거된 제2 여과액을 활성오니처리하고, 상기 활성오니처리된 방출수를 감압증류함으로써, 염분이 분리되어 이를 통해 중수도 및 공정수로 사용할 수 있는 정화수를 회수할 수 있다.
이에, 일 실시 예에 따른 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법은 혐기 소화처리 시에 배출되는 이산화탄소의 배출량을 저감시킬 수 있고, 동시에 혐기 소화액 처리 시 암모니아성 질소에 의해 발생되는 악취 문제, 이를 해결하기 위한 설비 문제를 해결할 수 있는 동시에, 유기성 폐기물의 혐기소화를 이용하여 질소질 비료로 사용가능한 고농도의 탄산암모늄을 바이오가스 발효 중 생산된 이산화탄소로 회수할 수 있고, 또한, 바이오가스에서 이산화탄소가 제거됨으로써 순도 높은 메탄 가스를 회수할 수 있으며, 또한, 암모니아성 질소가 제거된 혐기소화액을 고액분리하여 작물 배양 및 토양 개량하기 위한 지효성 비효로 사용될 수 있는 여과 케이크 및 배기가스의 이산화탄소(CO2) 및 황 산화물(SOx)의 흡착용액으로 사용되거나 중수도 및 공정수로 사용될 수 있는 여과액을 회수할 수 있다.
100: 혐기소화장치, 110: 바이오가스 교반장치, 200: 탄산수 생성챔버, 210: 정제장치, 300: 제1 고액분리기, 400: 제1 여과액 교반 챔버, 410: CaO 투입장치, 420: 공기 투입장치, 430: 철염 투입장치, 500: 탄산암모늄 생성챔버, 600: 제2 고액분리기, 700: 정화수 생성장치, 710: Ca이온 제거부, 720: 활성오니처리부, 730: 감압증류부, 1000: 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치,
1: 침사조, 2: 유량조절조, 5: 혐기소화조 구역 1, 5': 혐기소화조 구역 1 및 구역 2 분리벽, 6: 혐기소화조 구역 2, 6': 혐기소화조 구역 2 및 구역 3 분리벽, 7: 혐기소화조 구역 3, 7': 혐기소화조 구역 3 및 구역 4 분리벽, 8: 혐기소화조 구역 4, 24: 측면 가온 장치(측면 온돌), 25: 산기가스 격벽, 26: 산기관, 27: 산기가스 공급관, 28: 제1 정제장치, 28': 제2 정제장치, 29: 수봉식 진공펌프, 34: 제1 상부 가스층 흡입관, 35: 제2 상부 가스층 흡입관, 61: 순환펌프용 레벨센서(a: 상단 센서봉, b: 중단 센서봉, c: 하단 센서봉), 62: 볼탑, 63: B형 탱크 산기관, 64: 순환펌프, 65: A형 탱크 산기관, 66: A형 탱크 배수관, 67: A형 탱크 상부 유입관, 68: A형 탱크 상부 배기관, 69: B형 탱크 입수관, 70: B형 탱크 배수관, 71: 장치(28)를 통과한 바이오 가스 유입관, 72: A'형 탱크 산기관, 73: A'형 탱크 배기, 74: 일반부로워 75:수봉식진공 펌프 76:제1여과액 교반챔버 유래(NH3+스트리핑용 공기)
1: 침사조, 2: 유량조절조, 5: 혐기소화조 구역 1, 5': 혐기소화조 구역 1 및 구역 2 분리벽, 6: 혐기소화조 구역 2, 6': 혐기소화조 구역 2 및 구역 3 분리벽, 7: 혐기소화조 구역 3, 7': 혐기소화조 구역 3 및 구역 4 분리벽, 8: 혐기소화조 구역 4, 24: 측면 가온 장치(측면 온돌), 25: 산기가스 격벽, 26: 산기관, 27: 산기가스 공급관, 28: 제1 정제장치, 28': 제2 정제장치, 29: 수봉식 진공펌프, 34: 제1 상부 가스층 흡입관, 35: 제2 상부 가스층 흡입관, 61: 순환펌프용 레벨센서(a: 상단 센서봉, b: 중단 센서봉, c: 하단 센서봉), 62: 볼탑, 63: B형 탱크 산기관, 64: 순환펌프, 65: A형 탱크 산기관, 66: A형 탱크 배수관, 67: A형 탱크 상부 유입관, 68: A형 탱크 상부 배기관, 69: B형 탱크 입수관, 70: B형 탱크 배수관, 71: 장치(28)를 통과한 바이오 가스 유입관, 72: A'형 탱크 산기관, 73: A'형 탱크 배기, 74: 일반부로워 75:수봉식진공 펌프 76:제1여과액 교반챔버 유래(NH3+스트리핑용 공기)
Claims (19)
- 유기성 폐기물을 혐기 소화하여 암모니아성 질소를 포함하는 혐기소화액 및 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 생성하는 혐기 소화장치에 연결되어 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액을 처리하는 장치로서,
상기 혐기 소화장치로부터 공급받은 바이오가스를 물과 혼합하여 탄산수를 생성하는 탄산수 생성 챔버;
상기 혐기 소화장치에서 혐기 소화처리된 혐기 소화액을 고액 분리하는 제1 고액분리기;
상기 제1 고액분리기와 연결되어 상기 고액 분리로 생성된 제1 여과액을 교반하는 제1 여과액 교반 챔버;
상기 제1 여과액 교반 챔버에 CaO를 투입하여 상기 제1 여과액으로부터 암모니아를 탈기시키는 CaO 투입장치;
상기 제1 여과액 교반 챔버에 공기를 투입하는 공기 투입장치;
상기 제1 여과액 교반 챔버 내 제1 여과액에 철염을 투입하는 철염 투입장치; 및
상기 탄산수 생성 챔버로부터 바이오가스 및 물을 혼합한 용액을 공급받고 상기 제1 여과액 교반 챔버로부터 암모니아 기체 및 공기를 공급받아 탄산암모늄을 생성하는 탄산암모늄 생성 챔버;를 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 여과액 교반 챔버와 연결되어 암모니아가 탈기된 제1 여과액을 고액분리하는 제2 고액분리기;를 더 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 제2 고액분리기에서 분리하여 생성된 여과 케이크(Cake)를 분리 회수하는 여과 케이크 회수부; 및
철염이 투입된 제1 여과액을 고액 분리한 제2 여과액을 분리 회수하는 제2 여과액 회수부;를 더 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 제2 여과액 회수부에서 회수한 제2 여과액을 정화처리하여 정화수를 생성하는 정화수 생성장치;를 더 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 정화수 생성장치는
상기 제2 여과액 회수부에서 회수한 제2 여과액에서 Ca이온을 제거하는 Ca 이온 제거부;
상기 Ca이온이 제거된 제2 여과액을 활성오니처리하는 활성오니처리부; 및
상기 활성오니처리된 방출수를 감압증류하는 감압증류부;를 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 혐기 소화장치로부터 바이오가스를 공급받아 탄산수 생성 챔버로 공급하고, 상기 탄산수 생성 챔버로부터 이산화탄소가 제거된 바이오가스를 공급받아 상기 혐기 소화장치로 공급하는 바이오 가스 교반 장치;를 더 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 탄산암모늄 생성 챔버와 연결되어, 탄산암모늄을 분리 회수하는, 탄산암모늄 회수부;를 더 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 탄산수 생성 챔버 또는 탄산암모늄 생성 챔버와 연결되어, 메탄가스를 분리 회수하는 메탄가스 회수부;를 더 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 혐기소화장치는
단일 혐기소화조에서 산생성 및 메탄 생성을 수행하되, 복수의 영역으로 구획된 혐기소화조에 유입수를 선입선출방식으로 이동시키면서 혐기소화를 수행하는 선입선출방식의 혐기소화장치인, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 선입선출방식의 혐기소화장치는,
유기성 폐기물이 투입되는 침사조;
상기 침사조를 통과한 유입수를 공급받아 기설정된 값으로 혐기소화조에 공급하는 유량조정조;
상기 유량조정조를 통과한 유입수가 선입선출의 순서로 메탄발효를 수행하여 바이오가스를 생산함과 동시에 다음 혐기소화 구역으로 이동하도록 설계된 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4를 포함하는 혐기소화조;
상기 구역 1, 구역 2, 구역 3 및 구역 4의 유입수에 유동성을 부여하는 산기가스 공급관 및 산기관;
상기 혐기소화조 구역 4 하층의 혐기소화액을 흡입하는 하층부 흡입관;
상기 혐기소화조 구역 4 중층의 혐기소화액을 흡입하는 중층부 흡입관;
상기 혐기소화조 구역 4 상층의 혐기소화액을 흡입하는 상층부 흡입관; 및 상기 혐기소화조 구역 1 내지 4의 가스층에 연결되어 생산된 바이오가스를 포집하는 장치;를 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제11항에 있어서,
상기 제1 고액분리기는 상기 하층부 흡입관 및 상층부 흡입관이 흡입한 혐기소화액을 공급받는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제11항에 있어서,
바이오가스에 포함된 이산화탄소, 황화수소 및 암모니아를 제거하는 정제장치를 더 포함하고,
상기 정제장치는
혐기소화조의 가스층으로부터 이송된 바이오가스를 공급받아 물과 혼합하여 바이오가스 내 이산화탄소, 황화수소 및 암모니아를 용해시키는 폐쇄형 탱크('A형 탱크'); 및
상기 A형 탱크와 연결되어 상기 이산화탄소, 황화수소 및 암모니아가 용해된 용액을 공급받아 홍색 유황 세균 배양액과 혼합하고, 외부 공기가 유입되도록 하여 바이오가스 내 암모니아 및 황화수소를 제거하는 개방형 탱크('B형 탱크');를 포함하고,
상기 B형 탱크에서 처리된 용액은 다시 A형 탱크로 공급되어 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소가 제거된 바이오가스가 혐기소화조로 공급되는 구조를 갖는 제1 정제장치를 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 정제장치는
상기 제1 정제장치를 통해 황화수소가 일부 제거된 바이오가스가 유입되는 유입관;
상기 유입관으로부터 유입되는 바이오가스를 산기시키는 산기관;
상기 산기관으로부터 공급되는 바이오가스의 황화수소와 반응하는 수산화철(Ⅱ) 또는 수산화철(Ⅲ)을 포함하는 물이 담긴 폐쇄형 탱크(이하, "A'형 탱크"); 및
황화수소가 제거된 바이오가스를 배출하는 배기관(73)을 포함하는, 제2 정제장치를 더 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 혐기소화장치는 상기 혐기소화조 구역 2 상부 가스층의 바이오 가스를 회수하여 구역 1 내지 4에 구비되는 산기가스 공급관 및 산기관에 공급하는 제1 상부 가스층 흡입관을 더 포함하고,
상기 정제장치는 상기 제1 상부 가스층 흡입관에 연결되어 정제된 바이오가스를 상기 산기가스 공급관 및 산기관에 공급하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 혐기소화장치는 상기 혐기소화조 구역 4 상부 가스층의 바이오 가스를 회수하여 구역 1 상부 가스층에 공급하는 제2 상부 가스층 흡입관을 더 포함하고,
상기 정제장치는 상기 제2 상부 가스층 흡입관에 연결되어 정제된 바이오가스를 상기 구역 1 상부 가스층에 공급하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치.
- 제1항의 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 장치를 이용한 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법으로서,
유기성 폐기물을 혐기 소화하여 생성된 이산화탄소를 포함하는 바이오가스를 물과 혼합하여 탄산수를 생성하는 탄산수 생성 단계;
유기성 폐기물을 혐기 소화하여 생성되는 혐기소화액을 고액 분리하는 제1 고액분리 단계;
상기 고액 분리로 생성된 제1 여과액을 교반하며 CaO 및 공기를 투입하여 상기 제1 여과액으로부터 암모니아를 탈기시키는 암모니아 탈기 단계; 및
상기 탄산수와 상기 탈기된 암모니아를 반응시켜 탄산암모늄 생성하는 단계;를 포함하는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 생성된 탄산암모늄은 소각장의 질소산화물(NOx) 제거용 요소수 대체제로 사용되는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법.
- 제17항에 있어서,
CaO 및 공기를 투입하여 암모니아를 탈기한 제1 여과액은 소각장의 황 산화물(SOx) 및 염소(Cl)을 제거하는 데 사용되는, 유기성 폐기물의 혐기소화로 생성되는 바이오가스 및 혐기소화액의 처리 방법.
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2023
- 2023-09-21 KR KR1020230126342A patent/KR102695537B1/ko active IP Right Grant
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